Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

Verbundstudiengang
Wirtschaftsingenieurwesen
(Bachelor)
Praktikum Grundlagen der
Elektrotechnik und Elektronik
Versuch 5
Untersuchungen an Halbleiterdioden
Teilnehmer:
Name
Vorname
Matr.-Nr.
Datum der Versuchsdurchführung: __________________
1
Untersuchungen an Halbleiterdioden
Grundlagen
1.
Allgemeiner Aufbau von Halbleiterbauelementen
Elektrische Schaltungen, die Halbleiterbauelemente enthalten, bezeichnet man auch als
elektronische Schaltungen. Halbleiterbauelemente bestehen grundsätzlich aus
verschiedenartigen Schichten von Halbleiterstoffen. Als Grundmaterial verwendet man z. B.
Silizium oder Germanium. Diese Stoffe sind vierwertig, enthalten also auf der äußeren
Elektronenschale vier Elektronen. Fügt man diesem Material – in sehr geringer Menge –
dreiwertigen Fremdstoff zu, so spricht man von einem P-dotierten Halbleiter. Da hierbei
jedes Fremdatom ein „Loch“ mitbringt, enthält das in dieser Weise dotierte Material viele
Löcher. Fügt man andererseits dem Halbleitermaterial fünfwertigen Fremdstoff zu, so spricht
man von einem N-dotierten Halbleiter. Hier bringt jedes Fremdatom ein „freies Elektron“
mit, so dass der in dieser Weise dotierte Halbleiter viele freie Elektronen enthält.
Halbleiterbauelemente bestehen grundsätzlich aus einer Aneinanderreihung von P- und Ndotierten Halbleiterschichten. Die dabei jeweils vorhandenen Übergänge der Schichten nennt
man PN-Übergänge.
2.
Aufbau und Funktion einer Diode
Eine Diode besteht im Prinzip nach Bild 1a aus einer P- und einer N-dotierten
Halbleiterschicht mit somit nur einem PN-Übergang. Der mit dem P-Gebiet verbundene
elektrische Anschluss heißt Anode (A), der andere Anschluss Kathode (K). Bild 1b zeigt das
für eine Diode verwendete Schaltzeichen.
A
A
P
N
a)
K
b)
K
Bild 1: a) Aufbau einer Diode (P = P-dotierte Schicht, N = N-dotierte Schicht)
b) Schaltzeichen einer Diode (A = Anode, K = Kathode)
Das grundsätzliche Verhalten einer Diode ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss nur
von A nach K möglich ist. Diese Richtung nennt man deshalb Durchlassrichtung. In
umgekehrter Richtung ist dagegen grundsätzlich kein Stromfluss möglich. Diese Richtung
heißt daher Sperrrichtung.
2
3.
Diodenkennlinie
Wird eine Diode nach Bild 2a mit einer Spannungsquelle verbunden und – wie dargestellt – in
Durchlassrichtung betrieben, so bekommt man für jede eingestellte Spannung U einen
bestimmten Strom I. Trägt man dann nach Bild 2b den Strom I in Abhängigkeit von der
Spannung U auf, so erhält man die im ersten Quadranten liegende Kennlinie. Die
gekennzeichnete Spannung US heißt Schleusenspannung. Sie hat zum Beispiel bei einer
Siliziumdiode einen Wert von etwa 0,7 V.
I
UZ
0
0
I
US
U
U
b)
a)
c)
Bild 2: a) Schaltung zur Aufnahme einer Diodenkennlinie,
b) Beispiel einer Diodenkennlinie, c) Schaltzeichen eine Zenerdiode
Polt man in Bild 2a die Spannung um, betreibt man die Diode also in Sperrrichtung, so erhält
man die in Bild 2b im dritten Quadranten dargestellte Kennlinie. Bei niedrigen Spannungen
fließt kein Strom. Erst nach Erreichen einer relativ hohen Spannung UZ (bei einem Wert von
z. B. 500 V) setzt nach Bild 2b ein Strom ein. Dies führt in der Praxis allerdings meist zu
einer Zerstörung der Diode (infolge zu hoher Erwärmung) und muss daher vermieden werden.
Die in Bild 2b gekennzeichnete Spannung UZ heißt Durchbruchspannung. Die gesamte in
Bild 2b dargestellte Kennlinie nennt man Diodenkennlinie.
4.
Zenerdioden
Zenerdioden (auch kurz als Z-Dioden bezeichnet) sind im Prinzip genauso aufgebaut wie
normale Dioden. Die Halbleiterschichten sind jedoch wesentlich stärker dotiert. Es wird also
den Halbleiterschichten mehr Fremdstoff zugesetzt als das bei anderen Dioden der Fall ist.
Dies hat zur Folge, dass die in Bild 2b gekennzeichnete Durchbruchspannung UZ , die bei
Zenerdioden auch als Zenerspannung bezeichnet wird, sehr niedrig wird und manchmal nur
wenige Volt beträgt. Dadurch können Zenerdioden in Sperrrichtung betrieben werden, ohne
dass sie infolge zu starker Erwärmung zerstört werden. Angewendet werden Zenerdioden zum
Beispiel zur Begrenzung oder zur Stabilisierung von Spannungen. Dabei werden sie
grundsätzlich in Sperrrichtung betrieben. In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden
wie normale Dioden. In Bild 2c ist das Schaltzeichen einer Zenerdiode dargestellt.
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Versuchsdurchführung
A
I
V
Ge
Si
U
Z3,6 Z8,2
Bild 3: Versuchsaufbau
1.
Kennlinien einer Germanium- und einer Siliziumdiode
Nehmen Sie die Kennlinien I = f(U) einer Germanium- und einer Siliziumdiode mit Hilfe
der Schaltung nach Bild 3 – zuerst bei 10 °C und dann bei 60 °C – auf (Imax = 20 mA).
Tragen Sie die Werte direkt in ein vorbereitetes Diagramm ein.
Millimeterpapier, Hochformat
Empfohlener Maßstab für die waagerechte Achse: 1,6 V =ˆ 16 cm,
Empfohlener Maßstab für die senkrechte Achse: 20 mA =ˆ 20 cm)
Beschriften Sie die vier aufgenommenen Kennlinien und versehen Sie die gesamte
Darstellung mit einer aussagefähigen Überschrift.
2.
Kennlinien von Zenerdioden
Nehmen Sie die Kennlinien I = f(U) der beiden Zenerdioden nach der Schaltung in Bild 3
bei 10 °C im Bereich (− 10 mA < I < + 5 mA) auf. Tragen Sie die Werte direkt in ein
vorbereitetes Diagramm ein.
Da die Zenerdioden normalerweise in Sperrrichtung betrieben werden, muss in
Durchlassrichtung nur eine Kennlinie aufgenommen werden – und zwar die für die
Diode Z3,6.
Millimeterpapier, Querformat
Waagerechte Achse von (− 9 V) bis (+ 1 V) beziffern, Maßstab:1 V =ˆ 2 cm
Senkrechte Achse von (− 10 mA) bis (+ 5 mA) beziffern, Maßstab: 1 mA =ˆ 1 cm
Beschriften Sie die aufgenommenen Kennlinien und versehen Sie die gesamte
Darstellung mit einer aussagefähigen Überschrift.
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3.
Auswertung
3.1 Germanium- und Siliziumdiode
Ermitteln Sie (näherungsweise) die Werte der Schleusenspannungen US der Dioden – bei
10 °C und bei 60 °C – dadurch, dass Sie die bei dem Diodenstrom I = 0,1⋅Imax = 2 mA
jeweils auftretenden Diodenspannungen aus den aufgenommenen Kennlinien ablesen.
Tragen Sie die Ergebnisse in die nachstehende Tabelle ein. (Bitte Einheiten und
Vorzeichen mit eintragen!)
US bei 10 °C
US bei 60 °C
Ge-Diode
Si-Diode
3.2 Zenerdioden
Ermitteln Sie die Zenerspannungen UZ der Zenerdioden dadurch, dass Sie die bei einem
Strom von I = − 5 mA jeweils auftretenden Diodenspannungen aus den Kennlinien
ablesen. Tragen Sie die Ergebnisse in die nachstehende Tabelle ein. (Bitte Einheiten und
Vorzeichen mit eintragen!)
UZ bei 10 °C
Z3,6
Z8,2
5
6