Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald / Institut für Physik Physikalisches Grundpraktikum Praktikum für Physiker Versuch E11: Kennlinien von Halbleiterdioden Name: Versuchsgruppe: Datum: Mitarbeiter der Versuchsgruppe: lfd. Versuchs-Nr: Aufgabe Nehmen Sie Kennlinien I = f(u ) verschiedener Halbleiterdioden auf. Physikalische Schwerpunkte des Versuches Begriff Halbleiter Eigen- und Störstellenhalbleitung Aufbau und Wirkungsweise einer Halbleiterdiode (Bändermodell) stromrichtiges und spannungsrichtiges Schalten von Messgeräten Versuchsablauf 1. Messungen Hinweis: Bei allen Dioden soll die Stromstärke 20 ma nicht überschreiten. 1.1. Ermitteln Sie den spannungsabhängigen Durchlassstrom einer Ge-Gleichrichterdiode nach Abb. 3. Erhöhen Sie dazu die Spannung schrittweise um U = 0, 02V, bis ein merklicher Strom ( I F 1mA ) fließt. Erhöhen Sie danach die Stromstärke um jeweils I = 2 ma bis zu ihrem Maximalwert. Erfassen Sie alle Strom- und zugehörigen Spannungsmesswerte in einer Tabelle. 1.2. Messen Sie die Durchlasskennlinie einer Z-Diode ähnlich wie in 1.1, indem Sie zunächst die Spannung schrittweise um U = 0, 05V und ab I F 1mA die Stromstärke in Schritten von I = 2 ma bis zu ihrem Maximalwert erhöhen. 1.3. Bestimmen Sie bei gleichem Vorgehen die Durchlasskennlinie einer roten Leuchtdiode. Dabei beträgt U = 0, 2V, bis ein messbarer Strom fließt. Dann wird der Strom schrittweise um I = 0, 1mA erhöht, bis eine Stromstärke I F 1mA resultiert. Schließlich wird I = 2 ma gewählt, bis die maximale Stromstärke erreicht ist. 1.4. Messen Sie die Sperrkennlinie der Ge-Gleichrichterdiode im Bereich 0V U V in Schritten Sp 0, 1 von U = 0, 02V und im Bereich von 0V U V in Schritten von aus. Der Sp 5 U = 0, 5V Schaltungsaufbau erfolgt nach Abb. 4. 1.5. Bestimmen Sie die Sperrkennlinie der Z-Diode. Die Betriebsspannung ist am Netzgerät entsprechend einzustellen. Erhöhen Sie U schrittweise um 1V. Wenn ein merklicher Stromfluss ( I Sp 0, 1mA ) einsetzt, erhöhen Sie die Stromstärke um jeweils I = 0, 2 ma bis zu I Sp 1mA und danach bis zum Maximalwert in Schritten von I = 2mA. 2. Berechnungen und Auswertungen 2.1. Stellen Sie die Durchlasskennlinie der Ge-Diode grafisch dar. Bestimmen Sie aus dem Graphen die Schleusenspannung U und den differentiellen Bahnwiderstand r. F 0 2.2. Zeichnen Sie die Sperrkennlinie der Ge-Diode. Berechnen Sie den Sperrwiderstand bei U Sp = 4V. 2.3. Stellen Sie die Durchlass- und Sperrkennlinie der Z-Diode dar. Aus der Durchlasskennlinie ist die Schleusenspannung U zu bestimmen. Zeichnen Sie im Intervall ein Diagramm U = f ( ln I und bestimmen Sie aus dem Anstieg der Ausgleichsgeraden den Sättigungs- F 0 0 ma < I F 1mA F ) sperrstrom I (vergl. Gl. 3). Berechnen Sie nach Gl. 4a die Temperaturspannung. Bestim- RS men Sie aus dem Diagramm der Sperrkennlinie die Z-Spannung und den differentiellen Widerstand r Z in diesem Kennlinienbereich. I F U Z B U 0 2.4. Zeichnen Sie die Durchlasskennlinie der Leuchtdiode. Bestimmen Sie deren Schleusenspannung U und nach e = h f die Wellenlänge des Lichtes. F 0 U F 0 2.5. Ordnen Sie die Dioden nach ihren Schleusenspannungen. 1
Halbleiterdioden-Kennlinien Elektronisches Modell des p-n-überganges Bei einer Halbleiterdiode ist die Leitfähigkeit abhängig von der Stromrichtung. In einer Richtung ist der Strom sehr klein (Sperrichtung) und in umgekehrter Richtung groß (Durchlassrichtung). Man erreicht dieses Verhalten durch Kombination zweier verschieden dotierter Halbleiter (p-leitendes Material, n-leitendes Material). Abb. 1.1 zeigt eine schematische Darstellung der Ladungsverteilung in getrennten p- und n- Halbleitern. Abb. 1.2 veranschaulicht die Ladungsverteilung, wenn beide Halbleiter miteinander verbunden sind - ohne eine von außen angelegte Spannung. In der Kontaktzone bildet sich ein Raumladungsgebiet aus. In der p-zone ist die Konzentration der beweglichen positiven Ladungsträger (positive Löcher, Defektelektronen) groß; sie bilden dort die Majoritätsladungsträger. In der n-zone ist ihre Konzentration hingegen sehr klein. Umgekehrt bilden in der n-zone die beweglichen negativen E- lektronen die Majoritätsladungsträger, während sie in der p-zone in der Minderzahl vorkommen. Im Übergangsbereich verursachen diese Konzentrationsgefälle Diffusionsprozesse der beweglichen Ladungsträger in die jeweils andere Kristallzone. Defektelektronen diffundieren aus dem p-gebiet ins n-gebiet, Elektronen diffundieren aus dem n-gebiet ins p-gebiet. Die Grenzschicht ist daher nicht mehr elektrisch neutral. Es bildet sich die Raumladungsschicht aus, dessen Ausdehnung durch Anlegen einer äußeren Spannung - je nach Polarität - vergrößert oder verkleinert werden kann. Bei Verarmung der Ladungsträgerzahl in der Raumladungsschicht ergibt sich ein hoher Widerstand (Sperrichtung), bei Erhöhung der Ladungsträgerzahl in der Raumladungsschicht sinkt der Widerstand deutlich (Durchlassrichtung). Dies verdeutlichen die Abb. 1.3 und 1.4. Die Raumladungen werden in erster Linie von den ionisierten Störstellen gebildet. Diese Raumladungen verursachen ein elektrisches Feld, das einen Feldstrom der beweglichen Ladungsträger treibt, der so gerichtet ist, daß er den Diffusionsstrom gerade kompensiert. Über der Raumladungsschicht bildet sich ein innerer Spannungsabfall U D auf, die sogenannte Diffusionsspannung. Diese beträgt bei Germanium ca. 0,2 V, bei Silizium ca. 0,6 V. Sie wird beim Anlegen einer äußeren Spannung U R in Sperrichtung erhöht und bei Anlegen einer Spannung U F in Durchlassrichtung erniedrigt. Die äußere Spannung in Durchlassrichtung U F schwächt also den Feldstrom, so daß eine Differenz zwischen Diffusions- und Feldstrom entsteht. Dieser Strom kann über die äußeren Anschlußklemmen als Fluß- oder Durchlassstrom I F gemessen werden. Er wird durch die Majoritätsladungsträger verursacht. Der in Sperrichtung fließende Sperrstrom I R wird hingegen durch die Minoritätsladungsträger verursacht. Literaturhinweise: H. SCHRÖDER, Elektrische Nachrichtentechnik, Bd. II, A. ROST, Grundlagen der Elektronik, A. MÖSCHWITZER, Elektronische Halbleiterbauelemente 2
Abb. 1.1 Ladungen in getrennten Materialien vom p- bzw. n-typ Abb. 1.2 Ladungen im p-n-übergang ohne äußere Spannung Abb. 1.3 Ladungen im p-n-übergang mit äußerer Spannung in Sperrrichtung Abb.1.4 Ladungen im p-n-übergang mit äußerer Spannung in Durchlassrichtung 3
Abb. 2.1 Kennlinie einer Silizium-Zener-Diode in Sperrrichtung Abb. 2.2 Kennlinie einer Halbleiterdiode in Durchlassrichtung Abb. 3 Prinzipschaltungen zur Kennlinienaufnahme: Diodenkennlinien und Diodenkenndaten Wichtige elektrische Eigenschaften einer Diode werden durch die Strom-Spannungs-Kennlinie beschrieben. Die Abb. 2.1 und 2.2 zeigen den typischen Verlauf der beiden Kennlinienzweige für die Sperrichtung und für die Durchlassrichtung. (Man beachte, daß zur Verdeutlichung die Maßstäbe auf den Achsen nicht übereinstimmen!). Bevor in Durchlassrichtung ein bemerkenswerter Durchlassstrom I F fließt, muss erst die Schleusenspannung U Fo überschritten werden. Sie liegt für Germaniumdioden bei U Fo = 0,2...0,4 V, bei Siliziumdioden bei U Fo = 0,6...0,8 V. 4
Die Schleusenspannung U Fo kann aus der Durchlasskennlinie als Schnittpunkt der Tangente des nahezu linearen Kennlinienteiles mit der Spannungsachse ermittelt werden (s. Abb. 2.2). Der Sättigungssperrstrom I RS ist um Größenordnungen kleiner als der Durchlassstrom. Typische Werte sind: für Germaniumdioden I RS 10 µa, für Siliziumdioden I RS 10 na. Nach Überschreiten der Durchbruchsspannung U BR steigt der Sperrstrom sehr schnell auf hohe Werte an. Typische Gleichrichterdioden dürfen nicht bis zur Durchbruchsspannung betrieben werden, da infolge des Stromanstieges die Verlustleistung in der Diode zur thermischen Zerstörung des Bauelementes führt. Silizium-ZENER-Dioden sind speziell für den zerstörungsfreien Betrieb im Durchbruchsbereich entwickelt worden und werden zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Der hierfür interessante steile Stromanstieg im Sperrbereich heißt ZENER-Gebiet. Die Spannung, bei der die Sperrkennlinie scharf abknickt, heißt ZENER-Spannung U Z. Sie wird der Kennliniendarstellung entnommen. Der differentielle Diodenwiderstand r D in einem beliebigen Kennlinienpunkt wird definiert als Differenzenquotient: du rd =. (1) di Der differentielle Diodenwiderstand r D im Punkt P 1 der Abb. 2.2 bestimmt sich somit unter Zuhilfenahme der Punkte P 2 und P 3 zu: U U rd = = I I 3 U I 3 2 2 (2) Oberhalb der Schleusenspannung bezeichnet man r D auch häufig als differentiellen Bahnwiderstand r B. Analog heißt die Größe r D im ZENER-Bereich der ZENER-Widerstand r Z. Kennlinienapproximationen Gern möchte man die Kennlinie durch einen möglichst einfachen analytischen Ausdruck - aufbauend auf den Leitungsphänomenen im Halbleiter - beschreiben. Dies ist schwierig und gelingt nur teilweise. Für einzelne Kennlinienabschnitte haben sich Approximationen bewährt. Oberhalb der Schleusenspannung (also bei großen Durchlassströmen) genügt häufig eine lineare Approximation (s. Bestimmung von r B.): 1 I = ( U UFo ) (3) rb Im Bereich kleiner Ströme (I < 1 ma) besteht zwischen dem Diodenstrom und der Spannung im Durchlaß- und Sperrbereich ein exponentieller Zusammenhang: I = IRS (exp( U / U ) ) 0 1 (4) Dabei bedeuten: U Spannung an der Diode, U 0 = kt/q Temperaturspannung (ca. 30...60 mv), I RS Sättigungssperrstrom, q Elementarladung, T absolute Temperatur, k BOLTZMANNkonstante. 5
Bei Strömen I > 1 ma lassen sich die Diodenkennlinien häufig auch durch einen quadratischen Verlauf beschreiben. Bestimmte Gleichrichterarten arbeiten in diesem Bereich. Dann gilt: I = K( U U K )² (5) Spezialdioden Auf Grund der vielfältigen und komplizierten Vorgänge in der Raumladungsschicht eines p-n- Überganges ist es gelungen, zahlreiche Spezialtypen von Halbleiterdioden zu realisieren. Neben dem Hauptanwendungsgebiet als Gleichrichterbauelemente in der Stark- und Schwachstromtechnik werden die bereits erwähnten ZENERdioden vornehmlich zur Spannungsstabilisierung in elektronischen Schaltungen eingesetzt. Der Ladungsträgerhaushalt in der p-n-grenzschicht kann durch Bestrahlung mit Licht beeinflußt werden. Vornehmlich der Sättigungssperrstrom hängt von der Beleuchtungsstärke ab. Dies führte zur Entwicklung der Photodioden. Umgekehrt kann es in der p-n-übergangszone durch Anregungsprozesse zur Lichtemission kommen. Dies nutzt man bei der Herstellung von Leuchtdioden (LEDs) aus, die es für verschiedene Spektralbereiche gibt (Signallampen, Fernsteuerung, energiesparende Beleuchtung). Eine weitere Anwendungsform sind die Kapazitätsdioden, bei denen man die Kapazität des Bauelementes durch Sperrspannungsänderung variieren kann. 6