I/U-Kennlinie

45
6
6.1
6.1.1
I/U-Kennlinie
Einführung
Die elektrische Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit γ ist eine der wichtigsten Größen in der Elektrotechnik. Sie ist
die physikalische Größe mit der stärksten Änderung durch äußere Einflüsse. Man denke dabei an Hochtemperatursupraleiter (HTC), die bei Zimmertemperatur gute Isolatoren mit einem
spezifischen elektrischen Widerstand von ρ ∼ 1015 Ω m darstellen und bei Temperaturen unter −190 ◦ C spezifische Widerstandswerte von ρ ∼ 10−23 Ω m zeigen. Ähnliche Effekte findet
man auch bei der Widerstandsänderung von in Sperr- oder Flussrichtung gepolten Dioden. Für
den spezifischen Widerstand ρ (Rho: [ρ] = Ω m) und die elektrische Leitfähigkeit γ (Gamma:
[γ] = S/m) gilt
ρ=
1
.
γ
(6.1)
Im Allgemeinen sind die Ladungsträger Elektronen. In Halbleitermaterialien treten zusätzlich
die Löcher (Defektelektronen) als Ladungsträger auf. Bei elektrochemischen Vorgängen (z. B.
Gas-Sensorik oder Elektrolyse) sind neben den Elektronen auch die Ionen Ladungsträger; wobei
im letzten Fall mit dem Stromfluss ein Materialtransport einhergeht.
Nach dem Bohrschen Atommodell befinden sich die zu einem Atom gehörenden Elektronen
auf Orbitalen, welche jeweils ein entsprechendes Energieniveau repräsentieren. Diese energetischen Zustände werden durch die Hauptquantenzahl n, die Bahndrehimpulsquantenzahl l, sowie
die magnetische Quantenzahl m beschrieben. Nach dem Pauliprinzip ergibt sich hieraus eine
feste Anzahl von Elektronen, die in diesen Zuständen anzutreffen sind – wegen der zwei möglichen Spinorientierungen zwei je Zustand. Betrachtet man nun mehrere Atome in einem Kristall,
so kann man das Orbitalmodell in ein Bändermodell überführen. Hierbei entsprechen die einzelnen Bänder den Orbitalen repräsentiert durch die Hauptquantenzahl n. Durch Überlagerung
der Feinstrukturen (Nebenquantenzahlen) der vielen Atome entsteht ein kontinuierlicher Energiebereich (Band). Zwischen den Bändern bleiben wie beim Orbitalmodell Bereiche bestehen,
in denen sich die Elektronen nicht dauerhaft aufhalten können; hier existieren keine stabilen Zustände. Man spricht von Bereichen sehr geringer Aufenthaltswahrscheinlichkeit (Energielücke,
verbotenes Band). Das oberste vollbesetzte Band wird als Valenzband, das darüber liegende
teilweise besetzte oder leere Band als Leitungsband bezeichnet.
Ausgehend vom Bändermodell der Elektronen kann man wie aus Abbildung 6.1 ersichtlich die
für die Elektronen relevanten Materialien grob in drei Arten klassifizieren. Über eine mögliche
46
6.1 Einführung
Halbleiter
Elektronenenergie E
Metall
Isolator
Leitungsband
Eg
EL
EF
EV
Valenzband
a
b
c
Abbildung 6.1: Bändermodell
Besetzung eines Zustandes lassen sich nur Wahrscheinlichkeitsaussagen machen. Die Fermienergie EF ist daher definiert als die Energie, bei der die Besetzungswahrscheinlichkeit der
energetischen Zustände mit Elektronen genau 1/2 ist.
Zur elektrischen Leitfähigkeit können nur Elektronen beitragen, die sich in Bändern, die nicht
voll besetzt sind, aufhalten. Durch die Bewegung aufgrund eines elektrischen Feldes muss das
Elektron Energie aufnehmen, was es nur kann, wenn in dem Band, in dem es sich befindet,
ein energetisch höher liegender Zustand unbesetzt ist. Hieraus wird klar, dass z. B. ein Metall,
bei dem die Fermienergie in einem Band liegt, ein guter Leiter ist. Hingegen ist der Halbleiter ein schlechter Leiter, weil bei ihm die Fermienergie in einer „verbotenen Zone“ liegt. Hier
muss erst eine Energie größer der Energielücke EG vorhanden sein, um das Elektron in das
Leitungsband zu heben. Die Fermifunktion ist stark von der Materialtemperatur abhängig, d. h.
bei höherer Temperatur haben einige Elektronen so viel thermische Energie, dass sie die Energielücke überspringen können (Generation). Bei einem guten Isolator ist diese Lücke so breit,
dass dieses bei „normaler“ Temperatur nicht passiert. Von Isolatoren wird gesprochen, wenn
EG einen Wert von > 3 eV aufweist.
Die Fermienergie EF ist eine materialspezifische Größe und lässt sich bei Halbleitern bzw. Isolatoren durch den Einbau fremder Atome in den Kristallverband (Dotierung) in ihrer relativen
Lage zu den Bändern verändern. So kann man z. B. durch hohe Dotierung einen Halbleiter in
quasi metallische Leitung überführen (d. h. EF liegt sehr nahe am Leitungsband). Im Bändermodell zeigt sich die Dotierung durch energetische Zustände innerhalb der Bandlücke in der
Nähe der Bandkanten.
Wichtig in Bezug auf die Leitfähigkeit eines Materials ist die Aussage, dass die Anzahl der
freien Ladungsträger mit steigender Energie (Temperatur, Strahlung, . . . ) zunimmt. Eine weitere bestimmende materialspezifische Größe ist ihre Beweglichkeit. Die Beweglichkeit der Ladungsträger nimmt generell mit steigender Temperatur ab, d. h. sie wird durch die Bewegung der
47
6.1 Einführung
Atomkerne um ihre Ruhelage gestört – man spricht von einer Abnahme der sogenannten mittleren freien Weglänge, die ein Elektron ungestört zurücklegen kann, ohne mit anderen Elektronen
oder Atomrümpfen zusammenzustoßen. Die Beweglichkeit ist damit ebenfalls eine Funktion
des perfekten Kristallaufbaus (Punktfehler, Versetzungen, Korngrenzen, . . . ) und eine Funktion
der Ladungsträgergeschwindigkeit.
Die soeben beschriebenen Mechanismen regeln die Anzahl der freien Ladungsträger. Beispielsweise wird die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern bestimmt durch die Anzahl der freien
Ladungsträger pro Volumen und deren Beweglichkeit:
γ = e · (n · µn + p · µp )
(6.2)
mit e = Elementarladung, n, p = Anzahl der Elektronen bzw. Löcher pro Volumen und
µn , µp = Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcher. Da die Anzahl n und die Beweglichkeit µ
der Ladungsträger von der Temperatur abhängen, ist die Leitfähigkeit ebenfalls in komplizierter
Weise in bestimmten Temperaturbereichen von dieser abhängig.
6.1.2
Der p-n-Übergang
Bei einer Diode (p-n-Übergang) werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiter zusammengefügt. An der Grenze zwischen p- und n-leitendem Gebiet des Kristalls erfolgt eine Diffusion
von Löchern in die n-Schicht und von Elektronen in die p-Schicht. Durch die Ladungstrennung
(Raumladungszone) entsteht ein elektrisches Potenzial VD , welches einen Strom in umgekehrter
Richtung hervorruft. Das Gleichgewicht stellt sich ein, wenn der Diffusionsstrom gleich dem
entgegengerichteten Feldstrom ist. Das ist dann der Fall, wenn die Fermienergien auf gleicher
energetischer Höhe liegen. Abbildung 6.2 stellt diesen Sachverhalt im Bänderschema dar.
Wird das Potenzial VD durch eine äußere Spannung zusätzlich noch vergrößert, so kann nur ein
sehr kleiner, durch eine thermische Generation von Ladungsträgern in der Raumladungszone
E
p-Halbleiter
E
E
n-Halbleiter
EL
EF
p
EF
EV
p
n
p
L
-e VD
EL
EVp
n
p-Feldstrom
p-Diffusionsstrom
n-Diffusionsstrom
n-Feldstrom
Abbildung 6.2: Bänderschema des p-n-Übergangs
48
6.1 Einführung
E
p
E
n
E Lp
n-Zone
-e (VD+ |U|)
EF
p
EV
n
EL
Sperrrichtung
EF
p
n
EL
p-Zone
EV
n
EV
0
x
0
x
Abbildung 6.3: Bänderschema der Zenerdiode
verursachter Strom fließen. Wird VD verkleinert, so ergibt die hierdurch geförderte Diffusion
einen größeren Strom.
Bei der Zenerdiode wird ein anderer Effekt zur Leitfähigkeits- bzw. Stromsteuerung ausgenutzt.
Hierbei handelt es sich um sehr hochdotierte p- und n-Halbleiter, bei denen der Übergang im
Bänderschema wie in Abbildung 6.3 aussieht. Durch das Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung liegen Leitungsband und Valenzband auf dem gleichen energetischen Niveau und sind nur
durch einen räumlich sehr schmalen Bereich, in dem sie keine Zustände besetzen dürfen, getrennt. Dieser schmale Bereich kann quantenmechanisch von den Elektronen des Valenzbandes
im p-Gebiet durchtunnelt werden. Dieses führt zu einem sehr großen Strom, der fast spannungsunabhängig ist. Dieser Durchbruch wird Zenerdurchbruch genannt und darf nicht verwechselt
werden mit der Durchbruchspannung einer normalen Diode bei hoher Sperrspannung, der dort
zur Zerstörung der Diode führt.
Wird eine Diode von der Durchlassrichtung in die Sperrrichtung umgepolt, so muss die Raumladungszone erneut aufgebaut werden, welches eine kurze Zeit beansprucht. In dieser Zeit ist
die Sperrfähigkeit der Diode nicht vorhanden. Diese Sperrträgheit ist bei Leistungshalbleitern
(p-n-Diode, Thyristor) von entscheidender Bedeutung im Wechselstromverhalten.
6.1.3
Beispiele: Photowiderstand, Photodiode, Lumineszenzdiode
6.1.3.1
Der Photowiderstand
Werden in einem Halbleiter Photonen (Licht) absorbiert, so können diese, sobald die Photonenergie größer als der Bandabstand ist, Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband
heben (Innerer Photoeffekt). Sowohl die angehobenen Elektronen als auch die dadurch entstandenen Löcher tragen bei einer angelegten Spannung zum elektrischen Strom bei. Somit entsteht
eine Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Intensität und der Energie des Lichtes.
6.2 Vorbereitungen
6.1.3.2
49
Die Lumineszenzdiode
Die Lumineszenzdiode (LED) ist ein geeigneter p-n-Übergang in Flusspolung, bei dem die
Lichtemission auf einer zeitlichen Umkehrung des inneren Photoeffektes beruht. Die in einem
Halbleiter in der Minderheit vorhandenen Ladungsträger (Minoritätsträger) – also Löcher im
n-Halbleiter und Elektronen im p-Halbleiter – rekombinieren nach einer charakteristischen Zeit
τ unter Abgabe von Energie in Form von Licht und / oder Wärme. Bei einem stromdurchflossenen p-n-Übergang werden die Majoritätsladungsträger der einen Seite beim Übertritt zu
Minoritätsladungsträgern der anderen Seite und rekombinieren nach obigem Gesetz (Minoritätsladungsträgerinjektion). Wählt man das geeignete Material aus (direkter Bandübergang)
und sorgt für eine gute Lichtabstrahlung, so erhält man eine Lumineszenzdiode (Leuchtdiode).
6.1.3.3
Die Photodiode
Die Photodiode ist eine Halbleiterdiode mit einem lichtdurchlässigen Durchgriff (Fenster) auf
die Sperrschicht (p-n-Übergang) der Diode. Bei Lichteinfall werden Ladungsträger (ElektronenLoch-Paare) erzeugt, die den ursprünglichen Sperrstrom erhöhen. Der zusätzlich durch Licht erzeugte Strom wird als Photostrom Iph bezeichnet. Die frequenzbestimmende Zeit ist hier nicht
durch die Lebensdauer wie bei dem Photowiderstand, sondern durch die Laufzeit in der Raumladungszone gegeben und kann sehr klein sein. Somit ist die Photodiode zur Messung von
höherfrequenten Lichtschwankungen geeignet.
6.2
6.2.1
Vorbereitungen
Allgemein
Bereiten Sie sich mit Hilfe der Einleitung, den Vorlesungsunterlagen und mit weiteren Quellen (Bibliothek, Internet) ausführlich vor. Sollten Fragen offen bleiben, wenden Sie sich bitte
rechtzeitig an einen Betreuer oder Herrn Schneider, R. −1325, WA 73.
6.2.2
Fragen zur Vorbereitung
Beantworten Sie bitte zur Vorbereitung dieses Versuches schriftlich folgende Fragen:
1. Warum nimmt die Leitfähigkeit von Metallen mit steigender Temperatur ab?
2. Wie verhält sich die Leitfähigkeit von Halbleitern bei sehr tiefen, normalen (Raumtemperatur) und weiter steigenden Temperaturen?
50
6.3 Versuchsdurchführung
3. Was versteht man unter "Dotieren"?
4. Wie wirkt sich das Dotieren auf die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern aus?
5. Was unterscheidet eine Zenerdiode von einer normalen Diode?
6. Kann eine Photodiode auch in Flussrichtung betrieben werden?
7. Was passiert, wenn auf eine Photodiode ohne äußere Spannung Licht eingestrahlt wird?
6.3
6.3.1
Versuchsdurchführung
Strom- / Spannungskennlinie einer Glühlampe
Die Stromspannungskennlinie eines „Ohmschen“ Widerstandes ist eine Gerade:
I = f (U ) = G · U
mit dem Leitwert G =
1
.
R
(6.3)
Kann sich die Temperatur frei mit der Belastung einstellen, so ändert sich der Widerstand mit
der Temperatur ϑ (Theta):
Rϑ = R20 (1 + α20 · ∆ϑ)
mit
∆ϑ = ϑ − 20 ◦ C.
(6.4)
Achtung: α wird in der Regel mit der Einheit 1/K angegeben (K = Kelvin). Der Temperaturkoeffizient α kann positiv (α > 0) bei Metallen und negativ (α < 0) bei Halbleitern oder
auch nahezu Null z. B. bei Konstantan und Manganin sein. Die Kennlinien mit besonderen Leitungsmechanismen z. B. von Halbleitern, Elektronenröhren oder Gasentladungsstrecken sind
im Allgemeinen nichtlinear.
6.3.1.1
Versuchsaufbau
Bauen Sie die Schaltung gemäß Abbildung 6.4 auf. Als Spannungsquelle dient das Labornetzteil (Einzelgerät).
A
I
U0 V
U0
IL
Abbildung 6.4: Strom-/Spannungsmessung an einer Glühlampe
51
6.3 Versuchsdurchführung
6.3.1.2
Aufgabe
Bestimmen Sie mit Hilfe des Multimeters (Widerstandsmessbereich) den Kaltwiderstand R20
der Glühlampe.
R20 =
Nehmen Sie die Kennlinie I = f (U ) für U/ [V] = {0; 1; 2,5; 5; 7,5; 10; 14; 15} auf. Dazu messen Sie jeweils den Strom I in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung U und tragen die
Werte in die Tabelle 6.1 ein.
Tabelle 6.1: Strom-/Spannungskennlinie einer Glühlampe
U/ V
0
1
2,5
5
7,5
I/ mA
Skizzieren Sie die Funktion I = f (U ):
Bestimmen Sie nun den Temperaturkoeffizient α unter der Annahme, dass die Wendel der Glühlampe bei einer Spannung von U = 15 V eine Temperatur von ϑ = 2000 ◦ C aufweist.
Die Formel zur Berechnung von α lautet:
52
6.3 Versuchsdurchführung
Daraus folgt: α =
Ist der Strom durch den Spannungsmesser (angenommen: Ri = 1 MΩ) zu berücksichtigen?
6.3.2
Aufnahme einer Diodenkennlinie
6.3.2.1
Versuchsaufbau
Bauen Sie die Schaltung gemäß Abbildung 6.5 auf. Als Spannungsquelle dient das Labornetzteil (Einzelgerät). Die Strommessung ist mit dem empfindlichsten zur Verfügung stehenden
Amperemeter durchzuführen.
R = 100 W
A
U0
ID
V
UD
Abbildung 6.5: Strom- und Spannungsmessung an einer Diode
6.3.2.2
Aufgabe
Nehmen Sie die Diodenkennlinie ID = f (UD ) mit ca. 10 Messpunkten für UD = {0V . . . 1V }
auf und tragen Sie die Werte in Tabelle 6.2 ein.
Achtung: Im Knickpunkt muss sehr sorgfältig gemessen werden. Warum?
53
6.3 Versuchsdurchführung
Tabelle 6.2: Strom-/Spannungskennlinie einer Diode
UD / mV
ID / mA
UD / mV
ID / mA
0
0,3 µA
400
Der Strom durch die Diode wurde mit einer Stromfehlerschaltung gemessen. Wie lautet die
Formel zur Korrektur des Stroms?
Ikorr =
Korrigieren Sie den größten und den kleinsten bei der Messung aufgetretenen Stromwert aus
Tabelle 6.2. Wie groß sind die absoluten Fehler?
∆I1 =
∆I2 =
Wie groß sind die relativen Fehler in %?
f (I1 ) =
f (I2 ) =
Beurteilen Sie die soeben errechneten Fehler!
Skizzieren Sie die Kennlinie und kennzeichnen Sie die Schwell- bzw. Durchlassspannung (Schnittpunkt der Tangente an der Kennlinie für I 0 mit der Spannungs-Achse).
54
6.3 Versuchsdurchführung
Wie groß ist die Schwellspannung?
Ud =
Die Diodenkennlinie lässt sich näherungsweise durch eine Exponentialfunktion beschreiben.
ID = IS · e
UD
m·UT
−1
(6.5)
Hierbei ist ID bzw. UD der Diodenstrom bzw. die Diodenspannung und IS der von der Temperatur abhängige Strom in Sperrrichtung (Sperrstrom) — er verdoppelt sich etwa bei einer
Temperaturerhöhung von 10K. Mit m bezeichnet man einen Korrekturfaktor der im Bereich
1,1 < m < 2 liegt. Die Temperaturspannung UT ergibt sich aus kT /e0 wobei k die BolzmannKonstante (1,38 · 10−23 Ws/K), T die Sperrschichttemperatur und e0 die Elementarladung
(1,6 · 10−19 As) ist.
Schätzen Sie den theoretischen Sperrstrom IS nach folgender Vorgehensweise ab:
Stellen Sie U0 > 0 und damit UD so ein, dass ID auf der empfindlichsten Stufe des Strommessgerätes gerade noch einen ablesbaren Ausschlag hervorruft. Tragen Sie dieses Wertepaar
zusätzlich in die Tabelle 6.2 ein. Aus der Gleichung 6.5 folgt mit dem Ansatz
m · UT = 36 mV
der theoretische Sperrstrom.
(6.6)
55
6.3 Versuchsdurchführung
IS =
Der reale Sperrstrom einer Diode ist durch mehrere in Gleichung 6.5 unberücksichtigte Effekte
um einige Größenordnungen größer, daher beschreibt Gleichung 6.5 die Diodenkennlinie nur
in Durchlassrichtung mit hinreichender Genauigkeit.
6.3.3
Diode im Wechselstromkreis
Bauen Sie die Schaltung gemäß Abbildung 6.6 auf. Schließen Sie als Quelle einen Funktionsgenerator mit einer Rechteckspannung von USS = 1 V und einer Frequenz von f = 10 kHz an.
Geben Sie die Eingangsspannung u(t) aus Kanal 1 und den Spannungsabfall UD auf Kanal 2
des Oszilloskops.
Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass das Nullpotential beider Eingänge auf der Mittellinie
liegt. Stellen Sie die Triggerung auf negative Flanke ein.
R = 1 kW
A
u(t)
ID
V
UD
Abbildung 6.6: Diode im Wechselstromkreis
Was ist bezüglich der Massepunkte von Funktionsgenerator und Oszilloskop zu beachten?
Stellen Sie genau eine Periode des Signals auf dem Oszilloskop dar. Versuchen Sie, die angezeigte Zeitfunktion zu interpretieren!
Was erwarten Sie von der Diode? (Wo) Sperrt sie, lässt sie den Strom durch?
Skizzieren Sie eine Periode der Zeitfunktion!
Erhöhen Sie nun die Rechteckspannung auf USS = 5 V. Skizzieren Sie auch diese Zeitfunktion.
56
6.3 Versuchsdurchführung
U (t) für USS = 1 V
U (t) für USS = 5 V
Amplitude:
V/DIV
Amplitude:
V/DIV
Zeitbasis:
ms/DIV
Zeitbasis:
ms/DIV
Wie unterscheiden sich die beiden Zeitfunktionen? Wo sperrt die Diode, wo lässt sie durch?
(Begründung!)
Bestimmen Sie nun die Speicherzeit tS und die Ausschaltzeit tf . Die Speicherzeit ist diejenige
Zeit, die zwischen dem Polaritätswechsel der Quellspannung u(t) und dem Ändern der Polarität
der an der Diode abfallenden Spannung UD vergeht.
Die Ausschaltzeit ist die Zeit vom Polaritätswechsel der Diodenspannung UD , bis zu dem Zeitpunkt an dem UD 90% seiner Maximalspannung erreicht hat. Dehnen Sie zur besseren Darstellung die Zeitachse und stellen Sie den interessierenden Bereich möglichst bildschirmfüllend
dar. Skizzieren Sie das Oszilloskopbild.
57
6.3 Versuchsdurchführung
Amplitude:
V/DIV
Zeitbasis:
ms/DIV
tS =
tf =
Aus der Summe von tS und tf ergibt sich die Erholzeit (Recovery Time) trec :
trec = tS + tf =
Wie verhält sich die Speicherzeit mit größer werdendem ID ? Variieren Sie hierzu die Amplitude
des Funktionsgenerators bis USSmax = 7 V.
Wie sieht die Gleichrichtwirkung fur Signale mit einer Frequenz von f ≥ 1/tS aus? Erhöhen
Sie hierzu die Frequenz am Funktionsgenerator bei USS = 5 V.
58
6.3 Versuchsdurchführung
6.3.4
Messung an einer Zenerdiode
6.3.4.1
Versuchsaufbau
Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 6.5 mit einer Zenerdiode auf. Schalten Sie die Zenerdiode in Durchlassrichtung. Nehmen Sie die Diodenkennlinie ID = f (UD ) in Durchlass- und
in Sperrrichtung auf und stellen Sie den Verlauf graphisch dar. Achtung: Der maximale Diodenstrom von IDmax = 70 mA darf nicht überschritten werden! Messen Sie auch hier die
Knickpunkte mit großer Sorgfalt aus. Zum Umschalten zwischen Durchlass- und Sperrrichtung
polen Sie bitte die Eingangsspannung U0 am Labornetzteil um. Bestimmen Sie anschließend
die Schwell- und Zenerspannung.
Tabelle 6.3: Strom-/Spannungskennlinie einer Zenerdiode
UD / mV
ID / mA
Bemerkung
UD / mV
ID / mA
Bemerkung
59
6.3 Versuchsdurchführung
Ud =
Uz =
6.3.5
Messung an einer Photodiode
6.3.5.1
Versuchsaufbau
Bauen Sie die Schaltung zur Strom-/Spannungsmessungen an einer Photodiode nach Abbildung
6.7 auf.
R = 1 kW
U0
A
IFD
V
UD
V
UL
U1
Abbildung 6.7: Strom-/Spannungsmessung an einer Photodiode
6.3.5.2
Aufgabe: Aufnahme der Kennlinie einer Photodiode
Nehmen Sie die Durchlasskennlinie der Photodiode ID = f (UD ) bei einer Lampenspannung
von UL = 15 V auf. Nehmen Sie im Intervall [UD = 0 V, UD (ID = 0 mA)] mindestens 10
60
6.3 Versuchsdurchführung
Wertepaare auf — vergessen Sie nicht die Werte für ID (UD = 0 V) und UD (ID = 0 mA). Der
Bereich ID > 0 mA ist bei dieser Messung nicht relevant.
Achtung: Messen Sie den Knickbereich der Kennlinie (Durchlassrichtung) sehr genau aus!
Tabelle 6.4: Strom-/Spannungskennlinie einer Photodiode
UL = 15 V
UD / mV
ID / µA
UL = 15 V
UD / mV
ID / µA
Skizzieren Sie die Kennlinien in einem Diagramm (4. Quadranten). Wählen Sie die Achseneinteilungen so, dass die Kennliniedarstellung möglichst formatfüllend ist.
6.3 Versuchsdurchführung
61
62
6.3 Versuchsdurchführung
Bestimmen Sie den Photostrom IF . Der Photodiodenstrom errechnet sich nach der Formel:
U
D
ID = IS · e m·UT − 1 − IF
(6.7)
An welchem Punkt der Kennlinie können Sie den Photostrom IF direkt ablesen?
IF =
Berechnen Sie für die Messpunkte die mögliche Leistungsabgabe, und zeichnen Sie die Leistungskennlinie in das Kennlinienfeld der Photodiode ein.
Tabelle 6.5: Leistungskennlinie einer Photodiode im Generatorbetrieb
UD / mV
ID / µA
PD / µW
Ein Lastwiderstand soll an der Photodiode (im Generatorbetrieb) betrieben werden. Konstruieren Sie die zugehörige Widerstandsgerade, bei der im Widerstand die maximal mögliche Leistung umgesetzt wird und zeichnen Sie diese in das Kennlinienfeld ein.
Wie groß muss der Lastwiderstand gewählt werden?
RL =
Literatur
63
Literatur
[1] C LAUSERT, H. ; W IESEMANN, G. : Grundgebiete der Elektrotechnik 1. 8. Auflage. München, Wien : Oldenbourg, 2003
[2] S CHRÜFER, E. : Elektrische Messtechnik – Messung elektrischer und nichtelektrischer
Größen. 9., aktualisierte Auflage. München : Hanser Verlag, 2007
[3] S TÖCKER, H. (Hrsg.): Taschenbuch der Physik. 3. Auflage. Thun, Frankfurt am Main :
Verlag Harri Deutsch, 1998
[4] T IETZE, U. ; S CHENK, C. : Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Berlin : Springer,
2002