Seite 1 Versuch 3: Dioden, Temperaturabhängigkeit der Kennlinie Themen zur Vorbereitung: Kennlinien von einer Germanium-, Silizium-Diode und LED Sperrbereich, Durchlaßbereich, Schwellspannung pn-übergang Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes, der Schwellspannung Z-Dioden, Arbeitsbereiche Temperaturabhängigkeit der Zenerspannung Geräte: Doppel-Spannungsquelle TOE 8032 A Amperemeter Phywe 07034.00, Digitalvoltmeter DMM 199 X-Y-Schreiber Servogor 790 Heizplatte mit Spannungssteller MES 1000 Temperaturfühler mit Digitalthermometer diverse Dioden Picoammeter Keithley 487 Versuche: 1. Strom-/Spannungskennlinie einer Silizium-(Si) Diode vom Typ BA127D, einer Germanium- (Ge) vom Typ AA113 sowie der vorliegenden LED. 1.1 Messen Sie an der Si-Diode, der Ge-Diode und der LED die Durchlaßkennlinie I F = f(u F). Die Sperrkennlinie I R = f(u R) nehmen Sie nur für die Si-Diode und die Ge- Diode auf. Dabei sind die Dioden mit einem schwarzen Tuch gegen Licht abzudunkeln. a) Durchlaßrichtung: Nehmen Sie die Kennlinien mit dem X-Y-Schreiber auf und tragen Sie beide Kennlinien in ein Diagramm ein. Es ist dazu folgende Messschaltung aufzubauen:
Seite 2 Abbildung 1: Versuchsaufbau für I/U-Kennlinie in Durchlaßrichtung Empfindlichkeit des Schreibers für Si-/Ge-Diode: Y = 1 V/cm Die Empfindlichkeit in X-Richtung ist für die Si-Diode und die Ge-Diode gleich X = 0,1 V/cm, für die LED ist die Empfindlichkeit geeignet anzupassen. Beachte: Um eine Überlastung der Dioden zu vermeiden, darf der Diodenstrom für die Si-Diode und LED I F (Si) = 10 ma und für die Ge-Diode I F (Ge) = 8 ma nicht überschreiten! Verwenden Sie Millimeterpapier und legen Sie den Ursprung des Koordinatenkreuzes in die Blattmitte! b) Sperrichtung Messen Sie die Kennlinien I R = f(u R) für die Si-Diode und die Ge-Diode mit dem Picoammeter Keithley 487. Als Übergang von TRIAX auf BNC verwenden Sie den beigefügten Adapter. Der TRIAX-Stecker wird mit INPUT, die roten Stecker der BNC-Leitungen werden entsprechend unter Einbeziehung der zu messenden Diode mit HI und LO auf der Geräterückseite verbunden (s. Abbildung 2). Für die Messungen wird kein Vorwiderstand benötigt. Die schwarzen Stecker der BNC-Abschirmung werden in einem separaten Feld auf der Laborplatte zusammen gefasst und brauchen nicht weiter verbunden zu werden. Abbildung 2: Adapter für Übergang TRIAX - BNC
Seite 3 Einstellungen des Picoammeters: Feld ADJUST: Feld SOURCE: Feld METER: Cursor-Tasten tippen, bis Einerstelle blinkt Beispiel: 00.000V Achtung: Drehknopf dient später zur Einstellung der Meßspannung! bei der vorliegenden Schaltung bedeutet: positives Vorzeichen (Drehknopf im Uhrzeigersinn): Sperrspannung negatives Vorzeichen (Drehknopf entgegen dem Uhrzeigersinn): Durchlaßspannung OPERATE: ein (d.h. rotes LED in der Drucktaste leuchtet) Beachte: damit wird an die Diode Spannung angelegt RANGE : 000.000 na für Si-Diode 000.000 ìa für Ge-Diode FILTER: ein (d.h. rotes LED in der Drucktaste leuchtet) REL: ein (d.h. rotes LED in der Drucktaste leuchtet) Beachte: dadurch wird ein eventueller Offset unterdrückt Es sollte bei einer Spannung von 00.000 V die Anzeige jetzt 000.000 na sein (ein kleiner Wert in der letzten Stelle ist unerheblich). Wenn nicht, kann nochmals die REL-Taste OFF - ON geschaltet werden, um eine erneute Offset-Unterdrückung zu erzielen. Anschluß des Picoammeters an den XY-Schreiber: ANALOG OUTPUT (Geräterückseite): mit dem Y-Eingang des Schreibers verbinden Empfindlichkeit des Y-Einganges: Si-Diode: 10 mv/cm Ge-Diode: 10 mv/cm Achtung: beachten Sie während der Messung die Digitalanzeige des Gerätes, damit Sie die Achsen richtig beschriften können! V-SOURCE-OUTPUT (Geräterückseite): mit dem X-Eingang des Schreibers verbinden Empfindlichkeit des X-Einganges: 1 V/cm für beide Dioden Für beide Dioden beträgt der Meßbereich 0 V U R 10 V. Schließen Sie die Sperrkennlinie im richtigen Quadranten an die bereits gemessene Durchlaßkennlinie an. Nochmals beachten: positive Spannung bedeutet Sperrichtung negative Spannung bedeutet Durchlaßrichtung Für den Vergleich in der Aufgabe 1.3 nehmen Sie nur für die Si-Diode die Strom-/Spannungswerte im Durchlaßbereich 0 V U 0,6 V in 0,1 V Schritten auf. F
Seite 4 1.2 Beschreiben Sie die wesentlichen Unterschiede der Kennlinien der Si-, Ge-Diode bzw LED. Stellen Sie in einer Tabelle für drei Dioden folgende Werte zusammen: Schleusenspannung U S (definiert bei I F = 0,5 ma) Ohmscher Widerstand R F und differentieller Widerstand r F = du F/di F bei U F = 0,7 V, bei der LED entsprechen höher Sperrstrom I RS bei U R = 10 V differentieller Widerstand in Sperrichtung r bei U = 10 V R R 1.3 Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung einer idealen Diode lautet: -12 mit I RS = 1 x 10 A idealer Sperrstrom U D Diodenspannung U = 0,026 V Temperaturspannung T Vergleichen Sie für die Si-Diode im Meßbereich von U F die Meßwerte I F mit den gerechneten Werten I D. Beschreiben Sie Ihre Beobachtung Berechnen Sie den Bahnwidertstand R B des dotierten Siliziums aus der Formel für eine reale Diode in Durchlaßrichtung aus dem Meßwert I F bei U F = 0,7 V und 0,75 V. Warum errechnen sich bei den angegebenen Spannungen unterschiedliche Werte von R? B 2. Durchbruchverhalten und differentieller Widerstand von Zener-Dioden 2.1 Nehmen Sie die Durchbruch-Charakteristik folgender Z-Dioden mit dem X-Y-Schreiber nach der Schaltung in Abbildung 1: BZX 2V4 ZPD 4,3 BZX 5,6 ZPD 6,8 BZX 10 ZPY 15 ZPD 20 ZPD 1 (U = 23V) Beachte: 1) Nehmen Sie nur die Sperrkennlinie I R = f(u R) auf! Koordinatenursprung ungefähr in die Mitte des rechten Blattrandes legen 2) Zur Strombegrenzung ist ein Vorwiderstand von 1 kù zu verwenden. Um eine Überlastung der Dioden zu vermeiden, ist der Zenerstrom I R = I Z so zu begrenzen, daß die Verlustleistung von 50 mw nicht überschritten wird. 3) Empfindlichkeit des Schreibers: X = 1 V/cm; Y = 1 V/cm Z 2.2 Ermitteln Sie aus 2.1 die Zenerspannung U Z und den differentiellen Widerstand r Z bei I Z = 1 ma für alle Dioden. Tragen Sie r = f(u ) halblogarithmisch auf. Z Z
Seite 5 3. Temperaturabhängigkeit von Durchlaß- und Sperrbereich einer Si-Diode vom Typ BA 127. In den Kupferblock sind 2 Dioden dieses Typs eingebaut. Verwenden Sie die zwei Diodenleergehäuse auf dem Steckbrett als Übergangsstück zwischen den "Eisenbahn"-Bananensteckern und den "BNC-Kabel"-Bananensteckern. Erwärmen Sie den Alu-Halter mit einer Einstellung des Leistungsstellers zwischen den Stufen 3 bis 5 langsam auf. Die beiden nun folgenden Messungen werden in einem Temperaturlauf durchgeführt. 3.1 Erhöhen Sie die Temperatur in 10 C-Schritten bis zum Maximalwert = 120 C. Die eine Diode ist in Sperrichtung zu polen; die Messung erfolgt mit dem Picoammeter gemäß Meßschaltung in Abbildung 2. Stellen Sie mit dem Drehknopf eine konstante Sperrspannung von U R = 10 V ein und messen Sie I R = f( ). Bei Erreichen des gewünschten Temperaturwertes lesen Sie den Meßwert in den Speicher des Picoammeters ein. Die Vorgehensweise ist im Anhang 1 beschrieben. Nach Beendigung der Meßreihe lassen Sie sich gemäß Anleitung die Meßwerte wieder anzeigen und tragen die Werte in eine Tabelle ein. Die andere Diode ist mit einem Vorwiderstand von 1 kù in Serie zu schalten und in Vorwärtsrichtung zu polen; bei U F0 0,7V stellen Sie einen günstig ablesbaren Stromwert I F ein, der über den gesamten Temperaturbereich konstant zu halten ist. Verwenden Sie bei Vorwärtspolung die spannungsrichtige Schaltung. Messen Sie U F = f( ) mit dem DMM. Bei Erreichen des gewünschten Temperaturwertes lesen Sie den Meßwert in den Speicher des DMM ein. Die Vorgehensweise ist im Anhang 2 beschrieben. Nach Beendigung der Meßreihe lassen Sie sich gemäß Anleitung die Meßwerte wieder anzeigen und tragen die Werte in eine Tabelle ein. 3.2 Tragen Sie I R = f( ) und U F = f( ) in ein Diagramm ein und berechnen Sie die Temperaturkoeffizienten bei = 100 C: Normierung bei 100 C: I R0, U F0 bei = 100 C Beschreiben und begründen Sie kurz das Ergebnis. 4. Temperaturabhängigkeit der Zenerspannung der Z-Dioden BRX 2V4 und BRX 10. Achten Sie auf langsames Erwärmen des Alu-Halters (s. Aufgabe 3!). Beachten Sie auch, daß die Zenerspannung bei Rückwärtspolung der Diode anliegt. Die beiden folgenden Messungen sind wieder in einem Arbeitsgang mit den DMM durchzuführen. 4.1 Schalten Sie die beiden Dioden in Serie mit einem Vorwiderstand R V = 1 kù und prägen Sie der Serienschaltung einen Strom I Z = 2 ma ein. Messen Sie die Spannung an den beiden Dioden einzeln als Funktion der Temperatur U Z = f( ) im Temperaturbereich 20 C bis 120 C in 10 C-Schritten. Achten Sie darauf, daß der Strom stets konstant bleibt. 4.2 Stellen Sie die Ergebnisse von 4.1 in einer Tabelle und in einem Diagramm U Z = f( ) zusammen und berechnen Sie den TK für beide Dioden und erklären Sie das Verhalten.
Seite 6 Anhang 1: Bedienung des Picoammeters 487 Voreinstellungen: ZERO CHECK aus FILTER ein RANGE 000.000 na mit Cursor-Tasten einstellen REL aus OPERATE ein und Spannung zunächst auf 00.000 V einstellen REL ein sollte bei 00.000 V ein nennenswerter Stromwert angezeigt werden, REL-Taste nochmals aus - ein schalten, um eine neue Offset-Unterdrückung zu erzielen gewünschte Spannung mit dem Drehknopf einstellen a) Abspeichern der Meßwerte Drücken große Anzeige kleine Anzeige SETUP TRIG MODE MULTIPLE mit Cursor auf ONE SHOT SETUP TRIG DELAY 000.000 mit Cursor und Drehknopf auf 000.100 SETUP(2x) ---. na MENU DATASTORE NO mit Cursor auf YES MENU BUFFERSIZE 000 RDGS mit Drehknopf auf 015 RDGS MENU ---. na # LED in der TRIGGER-Taste blinkt jetzt Die Messung kann jetzt beginnen. Wollen Sie nun einen Wert abspeichern, drücken Sie einmal die TRIGGER-Taste. b) Auslesen der Meßwerte Drücken große Anzeige kleine Anzeige MENU(2x) DATA RECL # NO mit Cursor auf YES MENU 1. Meßwert LOC 001 mit dem Drehknopf lassen sich die eingespeicherten Meßwerte durchfahren; die kleine rechte Anzeige LOC xxx zeigt die Nummer des Meßwertes an.
Seite 7 Anhang 2: Bedienung des Digitalmultimeters DMM 199 Nach dem Einschalten Wahl der gewünschten Funktion, z.b. VOLTS Mit RANGE oder erfolgt die Wahl des Meßbereiches; im Versuch sind 4 Stellen rechts vom Punkt einzustellen a) Abspeicherung der Meßwerte: Taste SHIFT, TRIG SETUP RANGE NEXT Anzeige CONTINOUS ONE SHOT DELAY, 000.000 S (1. Null blinkt) 0 0 0 1 000.100 S NEXT SHIFT, STORE - -. - - - - V 000 SIZE (1. Null blinkt) 0 1 5 015 SIZE NEXT - -. - - - - V Das DMM ist nun für die Messungen vorbereitet! Bei strenger Einhaltung folgender Reihenfolge der Messungen: 1. Messung: : U F bei Starttemperatur 2. Messung: : U F bei 30 C 3. Messung: : U F bei 40 C u. s. w. werden die Meßwerte durch einmaliges Drücken der Taste TRIGGER in dieser Reihenfolge an die Speicherplätze 1, 2, 3, u.s.w. gespeichert. Am Ende der Meßreihe können Sie sich für die Protokollierung die Werte wieder anzeigen lassen. b) Anzeige der Meßwerte Taste Anzeige SHIFT, RECALL 0XX LOC 0 0 1, NEXT gespeicherter Wert der 1. Messung RANGE 001 LOC, springt bei Drücken der Taste auf 002 LOC, 003 LOC, u.s.w. entsprechend dem 2., 3. gespeicherten Wert u.s.w. u.s.w.