E14a Halbleiterdioden

Transkript

1 Fakultät für Physik und Geowissenschaften Physikalisches Grundraktikum E14a Halbleiterdioden Aufgaben 1. Nehmen Sie die Strom-Sannungs-Kennlinie einer Si-iode, einer Zener-iode (Z-iode) und einer Leuchtdiode auf. Stellen Sie diese in einem iagramm grahisch dar.. Bestimmen Sie für die Si-iode den Emissionskoeffizienten durch Regression im log(i)-u- iagramm. Für die Z-iode sind die Z-Sannung sowie der Gleichstromwiderstand R und der differentielle Widerstand r d fü,i Z,max zu ermitteln. Bestimmen Sie die Schleusensannung einer Leuchtdiode (LE) durch Regression des linearen Teils der Kennlinie im I-U-iagramm. Schätzen Sie daraus die mittlere emittierte Wellenlänge ab und vergleichen Sie das Ergebnis mit Ihren Beobachtungen. 3. Bestimmen Sie die Serrschichtkaazität einer Si-Leistungsdiode in Abhängigkeit von der Serrsannung mit einem Resonanzverfahren. Ermitteln Sie die Serrschichtweite der Raumladungszone bei der Serrsannung U = 0. Literatur Physikalisches Praktikum, 13. Auflage, Hrsg. W. Schenk, F. Kremer, Elektrizitätslehre 5.1, 5. Gerthsen Physik,. Meschede,. Auflage, (Halbleiter-Elektronik) U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, Sringer, Berlin, 1999 R. Paul, Elektronische Halbleiterbauelemente, B. G. Teubner, Stuttgart, 199 M. Reisch, Elektronische Bauelemente, Sringer, Berlin, 1998 H. Pfeiffer, Elektronik für Physiker, Teil 6 Zubehör Labornetzgerät, Multimeter, Halbleiterdioden, Widerstände, Zweikanal-Oszillosko, Funktionsgenerator Schwerunkte zur Vorbereitung - Leitfähigkeit in Festkörern, Unterschiede zwischen Metallen, Halbleitern und Isolatoren - otierte Halbleiter, n- und -Leitung, Ladungsträgerdiffusion - n-übergang, Raumladungszone, Serrschichtkaazität, iffusionssannung - Kennlinien von ioden, urchlass- und Serrbereich, Shockley-Gleichung - Kennlinienarameter, Schleusensannung, Gleichstromwiderstand, differentieller Widerstand, urchbruchsannung - Anwendungen von ioden, Gleichrichterschaltung, Z-ioden - Strom- und Sannungsmessung 1

2 Bei der Messung der Kennlinien in Aufgabe 1 ist darauf zu achten, dass die für die ioden angegebenen Parameter (Tabelle 1) nicht überschritten werden. Si-iode 1N4151 Z-iode SZX1/6, und SZX1/6,8 LE (rot und blau) Tabelle 1 I max =0 ma P tot =00 mw I max =0 ma Für die Messung ist die in Abb.1 gezeigte Schaltung zu verwenden. Für die Si-iode (a) ist die Kennlinie in urchlassrichtung aufzunehmen. urch Ändern der Polarität soll eine qualitative Aussage zum Verhalten in Serrrichtung gemacht werden. Für die Z- Abb. 1: Schaltung zur Messung von Kennlinien einer (a) iode, (b) Z-iode und (c) LE iode soll sowohl in urchlass- als auch in Z-Richtung die Kennlinie aufgenommen werden. Für die LE wird nur die Kennlinie in urchlassrichtung aufgenommen. ie in Aufgabe geforderte Ermittlung des Emissionskoeffizienten der Si-iode erfolgt durch nichtlineare Anassung des im ln(i)-u-iagramm linear verlaufenden Bereichs der Kennlinie unter der Verwendung der Shockley-Gleichung (Gl. 1). U I= IS ex 1 nu T (1) ie Kennlinie der Z-iode soll in einem I-U-iagramm dargestellt werden. ie Z-Sannung kann durch Extraolieren des annähernd linearen Teils der Kennlinie (Serrrichtung) ermittelt werden. Wird für die LE angenommen, dass die Ladungsträger bei Rekombination die durch die Schwellsannung U S zugeführte Energie in Form von Licht abgeben, folgt aus: E= eus = hν und c = λν zu hc λ. () eu S abei liefert Gl. () in guter Näherung die mittlere Wellenlänge des emittierten Lichts. ie sektrale Halbwertsbreite beträgt kt, diese entsricht bei Raumtemeratur etwa 6 mev oder nm. Aufgabe 3 n- und Metall-Halbleiterübergange besitzen eine sannungsabhängige Serrschichtkaazität dq CS =. iese entsteht durch Ausbildung einer Raumladungszone: in der Nähe der Grenzfläche du diffundieren Elektronen aus den onatorzuständen des n-dotierten Bereichs in die energetisch tiefer liegenden Akzetorzustände des angrenzenden -dotierten Bereichs. ies führt zur Ausbildung einer ositiv (negativ) geladenen Zone im n-(-)dotierten Bereich. ieser Umverteilungsrozess ist beendet, wenn das durch die Raumladungszone erzeugte elektrische Feld groß genug ist, um die Elektronendiffusion zu unterbinden. ie Serrschichtkaazität hängt von der otierung der

3 aneinander grenzenden Gebiete, vom otierungsrofil, von der icke der Verarmungszone d s, der Fläche A des Übergangs, von der relativen Permittivität ε r des Halbleitermaterials und der angelegten Serrsannung U (U < 0) ab und kann mit Methoden der klassischen Elektrodynamik berechnet werden. Abb. zeigt einen realen Verlauf der Raumladung ρ ( z) (blaue Linie) sowie die abrute Näherung (schwarze Linie) mit der Serrschichtdicke ds = zn z. er Aufbau der Raumladungszone führt zu einer Potentialdifferenz Φ( zn) Φ( z) = U, die durch Anlegen einer äußeren Sannung U variiert werden kann. Im Fall der abruten Näherung lässt sich die Poisson-Gleichung d Φ ρ ( z) = (3) dz elementar lösen. Mit den Randbedingungen Φ ( z ) = 0und Φ ( zn) = U U erhält man z< z : Φ= 0 en ( ) A z < z< 0: Φ= z z en 0 < z< z : Φ= z z + U U n ( ) n n z < z: Φ= U U. dφ dφ Aus den Stetigkeitsbedingungen (0 = ) (0 + ) und Φ(0 ) =Φ (0 + ) folgen weiterhin dz dz nz = nz und e A n ( ) nz + nz = U U. n A ie icke der Serrschicht hängt von der angelegten Sannung ab und ist gegeben durch d 1/ ( na + n)( U U) s = enn A so dass die Serrschichtkaazität aus einem Parallellattenkondensatormodell oder nach der dq Beziehung CS = als Funktion der angelegten Serrsannung folgt: du enn A A CS( UR) = A =. (4) n n U U d ( + )( ) A S abei bezeichnen e die Elementarladung und n A sowie n die Akzetor- bzw. die onatorkonzentration. Mit efinition der Kaazität C 0 für den Fall U = 0, ergibt sich, 3

4 C ( U) = C S 0 U U U. (5) Abb. Raumladungsdichte ρ(z) in der Serrschicht eines n-übergangs (blau: realer Verlauf, schwarz: abrute Näherung) Für die Untersuchung sannungsgesteuerter Serrschichtkaazitäten an Halbleiterübergängen mit einfachen Messtechniken sind Si-Leistungsgleichrichterdioden (Avalanche-ioden) aufgrund ihrer vergleichsweise großen Übergangsflächen A und der daraus resultierenden relativ großen Kaazitäten besonders geeignet. aher wird für die Resonanzmessungen eine Si-Leistungsdiode (Avalanche-iode SY180 im Metallgehäuse, A = 5 mm, relative Permittivität von Si: ε r = 11,8) benutzt. Um die Serrschichtkaazität mit der Resonanzmethode zu bestimmen (Aufgabe 3), ist die in Abb. 3 gezeigte Schaltung zu verwenden. Abb. 3 Schaltung zur Bestimmung der Serrschichtkaazität mit der Resonanzmethode Beim Einsatz eines Zweikanal-Oszilloskos ist mit der arstellung von Lissajous-Figuren eine sehr genaue Resonanzeinstellung möglich, da der Verlustwiderstand von C S (Ohmscher Widerstand der Serrschicht) sehr groß ist und R M den Kreis nur wenig dämft. Für den Schaltungsaufbau sind Bauteile mit folgenden Werten zu verwenden: R V = 1000 Ω, R M = 100 Ω, C = µf, L = 0 mh. ie Amlitude û der sinusförmigen Wechselsannung u ˆ M() t = ucosω t muss bei allen Messungen möglichst klein gewählt werden, um eine Modulation der Serrschichtkaazität durch das Messsignal 4

5 vernachlässigen zu können ( û < 0 mv). Es sollen 15 Messungen im Bereich U = -0, V durchgeführt werden (mindestens 5 Messungen bei U < -10 V). ie Einstellung der Resonanz ist sehr emfindlich, da es oberhalb bzw. unterhalb der Resonanzfrequenz zur srunghaften Phasenänderung um den Wert ±π/ kommt. Bedingt durch den Versuchsaufbau und durch den Aufbau der iode muss bei der Auswertung eine arallel zur Serrschichtkaazität liegende, durch U nicht veränderliche, Kaazität C G berücksichtigt werden. Somit ergibt sich die Gesamtkaazität C tot der iode nach der Resonanz-Formel C = 1 C + C = L ( π f). (6) tot G S ie Auswertung der Messwerte erfolgt im C tot -U-iagramm durch nicht-lineare Anassung nach C = C + C = C + C tot G S G 0 U U U. (7) Aus den Serrschichtkaazitäten ( ) ( ) CS U = Ctot U CG und unter Verwendung von Gl. (3) kann die Breite der Serrschicht (Raumladungszone) d S in Abhängigkeit von U bestimmt werden. Es ist ein d S - U-iagramm zu erstellen und der Kurvenverlauf zu diskutieren. Von seziellem Interesse ist aber die Serrschichtweite d 0 für den Fall, dass keine Serrsannung anliegt. iese kann direkt durch Anwendung der Gleichung A d0 = (8) C ermittelt werden. 0 5