Versuch B1/5: Die Halbleiterdiode als Gleichrichter · 2 Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik B1 Die Beziehung 5.3 wird als das Massenwirkungsgesetz der Ladungstr ager in Halbleitern

Versuch B1/5: Die Halbleiterdiode als Gleichrichter

5.1 Physik der Halbleiterdiode

5.1.1 n– und p–Leitung im Halbleiter

Wie auch in isolierenden Materialien findet man in Halbleitern fur die Elektronen einen verbotenenEnergiebereich. Im Halbleiter gibt es aber aufgrund der kleineren Bandlucke eine merkliche Wahr-scheinlichkeit dafur, daß durch thermische Anregung Elektronen ins Leitungsband gelangen und dabeiim Valenzband ein Loch hinterlassen (Bild 5.1). Bei undotierten, ideal reinen Halbleitern gilt fur dieElektronenkonzentration n und die Locherkonzentration p

n = NC exp

[−(WC −WF )

kT

](5.1)

und

p = NV exp

[−(WF −WV )

kT

], (5.2)

mit der Bolzmannkonstante k und der absoluten Temperatur T . Die Großen NV und NC heißeneffektive Zustandsdichten des Valenz– bzw. Leitungsbandes und sind Stoffkonstanten. WF ist die Fer-mienergie, WC und WV sind die Bandkantenenergien des Leitungs- und Valenzbandes.

Bild 5.1. Ubergang von Elektronen vom Valenzband insLeitungsband infolge thermischer Anregung.

Die durch die Elektronen– bzw. Locherkonzentration hervorgerufene Leitfahigkeit des Halbleiters istdie sogenannte Eigenleitung. Allgemein gilt auch fur Ladungstrager, die von außen (z.B. infolge einesBauelementstromes) in den Halbleiter gelangen

np = NCNV exp

[−Wg

kT

]. (5.3)

1

2 Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik B1

Die Beziehung 5.3 wird als das Massenwirkungsgesetz der Ladungstrager in Halbleitern bezeichnet.Das Produkt der Ladungstragerkonzentrationen ist nur noch von der Temperatur, den Zustandsdichtenund dem Bandabstand Wg abhangig. Jede Erhohung der Konzentration einer Ladungstragerart ist mitdem Ruckgang der Konzentration der anderen verbunden. Mit Hilfe dieses Gesetzes und der Poisson-gleichung lassen sich das Bandermodell und die Ladungstragerkonzentrationen eines pn- Ubergangsermitteln [1]. Weiterhin sagt Gleichung 5.3 aus, daß die Wahrscheinlichkeit fur eine thermische Anre-gung eines Elektrons um so großer ist, je hoher die Temperatur und je kleiner die Energiebandluckeist. Die Tabelle 5.1 zeigt Beispiele fur die Große der Bandlucke Wg bei verschiedenen Halbleitern. Eine

MaterialWg

e VMaterial

Wg

e V

InAs 0,36 GaAs 1,42

Ge 0,66 AlAs 2,15

Si 1,1 GaP 2,27

InP 1,34

Tabelle 5.1. Bandluckenenergien verschiedener Halbleitermaterialiennach [9].

Moglichkeit, die Leitfahigkeit zu erhohen, besteht im Einbau von Fremdatomen in das Gitter des Halb-leiters, dieses wird als Dotierung bezeichnet. Dieser Einbau kann wahrend des Kristallwachstums odernachtraglich in fertige Halbleiterschichten durch Diffusionsprozesse oder Implantieren (Ionenstrahl) er-folgen. Die Anzahl der Fremdatome pro Volumeneinheit wird als Dotierhohe und die Abhangigkeit derDotierhohe von der Koordinate senkrecht zur Oberflache als Dotierprofil bezeichnet. Beinhalten solchedotierten Schichten Atome, die auf ihrer außersten Schale ein Elektron mehr haben, als fur den Einbauim Kristall notig ware, so kann dieses uberzahlige Elektron schon bei tiefen Temperaturen abgelost wer-den und sich im Leitungsband frei bewegen. Zuruck bleibt ein ortsfestes, positiv geladenes Ion. SolcheAtome heißen Donatoren und fuhren zur Elektronen– oder n–Leitung. Dies ist z. B. beim Einbau des5–wertigen Phosphors im (4–wertigen) Silizium der Fall. Der Einbau von 3–wertigem Bor im Siliziumfuhrt dazu, daß ein Elektron zur Bindung fehlt und so eine Stelle entsteht, die von einem Elektron be-setzt werden kann, deren energetische Position aber im Valenzband liegt. Solche Atome heißen Akzep-toren. Durch wechselnde Besetzung dieser Stelle mit Elektronen sieht es so aus, als wurde diese Fehlstel-le oder dieses Loch wandern. Bei angelegtem elektrischen Feld bewegen sich die Locher in Feldrichtungund die Elektronen in entgegengesetzter Richtung. Der Einbau von Donatoren oder Akzeptoren fuhrtdeshalb zu einer Erhohung der Leitfahigkeit. Bei Zimmertemperatur reicht die thermische Energie kT

Bild 5.2. Prinzipielle Darstellung der n– und p–Dotierung.

Versuch B1/5: Die Halbleiterdiode als Gleichrichter 3

(≈ 26 meV) aus, um fast alle Storstellen zu ionisieren.

5.1.2 Der pn–Ubergang

Bild 5.3. Das Energiebandschema des pn–Uberganges ohne angelegteSpannung.

Durch geeignete Dotierung lassen sich in einem Halbleiterkristall p– und n–leitende Bereiche schaf-fen, die haufig als Schichten direkt ubereinander liegen. Derartige Ubergange bilden die elementareFunktionseinheit der bipolaren Halbleiter– und Mikroelektronik.

Bild 5.3 zeigt die Energiebander sowie die Ladungstragerkonzentration des pn–Uberganges einer Diode,ohne daß eine Spannung an die Diode angelegt ist. Die Fermienergie WF liegt (bei den ublichenDotierungen) in der Nahe der jeweiligen Bandkante und legt die energetische Position der Schichtfest. Es bildet sich eine Potentialbarriere aus, die verhindert, daß Elektronen in das p– Gebiet undLocher in das n–Gebiet gelangen konnen. Beim Anlegen einer Spannung U in Flußrichtung wird diePotentialbarriere abgebaut, und die Elektronen konnen in das p–Gebiet diffundieren und mit denLochern rekombinieren. Analoges gilt fur die Locher. Es fließt ein elektrischer Strom. Die Große e istdie elektrische Elementarladung, e = 1, 602 · 10−19 As.

Mit Bild 5.4 soll außerdem deutlich gemacht werden, daß es einen Zusammenhang zwischen der Großeder Energielucke Wg des Halbleiters und der Schwellspannung US gibt, wobei mit US jene Spannungbezeichnet werden soll, ab der die Diode im Sinne eines Ventils offen ist und relativ ungehindert Stromdurch die Diode fließen kann. Erst wenn namlich die angelegte Spannung in die Großenordnung vonWg/ e kommt (typischerweise 0,5 . . . 0,9 Wg/ e), konnen die Ladungstrager ungehindert fließen, undes kommt zu einem merklichen Stromfluß.

Bei kleineren oder gar negativen Spannungen tragen dagegen nur jene Ladungstrager zu einem Strom-fluß bei, deren Energie so groß ist, daß sie die Potentialbarriere uberwinden konnen, was nur fur sehrwenige zutrifft. Wieviele das sind, hangt stark von Wg, der energetischen Verteilung und der Tempe-ratur ab. Je großer die Temperatur ist, desto kleiner ist die Schwellspannung und desto großer ist derSperrstrom bei negativer Spannung. Je großer Wg ist, desto kleiner sind die Sperrstrome, was letztlichauf Gleichung 5.3 zuruckgefuhrt werden kann.


Bild 5.4. Das Energiebandschema eines pn–Ubergangs mit angelegter Span-nung in Flußrichtung, d. h. das elektrische Feld zeigt in negativerx–Richtung.

5.1.3 Die Diodenkennlinie

Die Herleitung der Kennliniengleichung fur den idealen, flachenhaften pn–Ubergang ist z.B. in [1, 2, 3]beschrieben. Das Ergebnis hat die Form

I = IS

[exp

(eU

kT

)− 1

](5.4)

mit

IS = bA exp

(−Wg

k T

), (5.5)

wobei b eine Materialkonstante und A die Flache des pn–Uberganges ist. In beiden Gleichungen sinddie Exponentialterme entscheidend. Im Bild 5.5 sind die Kennlinien von zwei Flachendioden mit eineretwa gleichgroßen Kontaktflache und zum Vergleich die Kennlinie einer Spitzendiode dargestellt. Beieiner Spitzendiode ist der Bereich des pn–Uberganges nahezu punktformig und wird oft gebildet durcheine speziell legierte Metalldrahtspitze, die auf einen Halbleiter druckt.

Mit wachsender Spannung bleibt die Stromstarke bis zur Schwellspannung US ( fur Ge 0, 3 . . . 0, 45 V,fur Si 0, 65 . . . 0, 75 V) fast Null und steigt dann stark an. Fur viele Zwecke genugt eine vereinfachteDarstellung in Form der gestrichelten Linie. Dies ist zulassig, da es bei großeren Stromen in realenBauteilen infolge von Spannungsabfallen an den Bahnwiderstanden zu einer Abweichung der realenKennlinie von Gleichung 5.4 kommt. Die Bahnwiderstande sind Zufuhrungswiderstande und werdendurch die n– und p–Schichten gebildet. Es gilt mit dem Bahnwiderstand RBahn

I = IS exp

[e(U − IRBahn)

kT

], (5.6)

was dazu fuhrt, daß die Kennlinie nicht mehr einer Exponential- Funktion sondern mehr einer Geradenahnelt. Weitere mogliche Abweichungen von der idealen Kennliniengleichung sind in [3] beschrieben.


Bild 5.5. Kennlinien verschiedener Halbleiterdioden nach [3].

Die Sperrstrome sind gemaß Gleichung 5.4 gleich IS und wegen des bereits diskutierten Einflusses vonWg stark vom Halbleitermaterial abhangig. Im Silizium mit der großeren Energielucke gelangen wesent-lich weniger Elektronen durch thermische Anregung ins Valenzband als im Germanium. Die meßbarenSperrstrome sind infolge von z. B. Oberflacheneinflussen (Adsorbate und Rekombinationszentren) oftgroßer als theoretisch erwartet.

Es kann nicht nur durch die Wahl des Halbleitermaterials, des Dotierungsprofils und der Dotie-rungshohe sondern auch durch die Geometrie des pn–Ubergangs der Verlauf der Kennlinie beinflußtwerden. So ist z. B. die Ge–Spitzendiode wegen einer kleineren Schwellspannung zum Gleichrichtenvon kleinen Wechselspannungen wesentlich besser geeignet als die Si-Flachendiode. Dagegen werdenals Leistungsgleichrichter bevorzugt Si-Flachendioden verwendet, weil mit diesem Material leicht großepn–Ubergangsflachen und geringe Bahnwiderstande realisiert werden konnen.

5.2 Typische Anwendungen von Halbleiterdioden

5.2.1 Die Diode als Gleichrichter

Bild 5.6. Einweg–Gleichrichterschaltung und Brucken–Gleichrichterschaltung.

Die wichtigste Funktion einer Diode ist die Abhangigkeit ihrer Leitfahigkeit von der Polaritat der an-liegenden Spannung. Die Diode wirkt wie ein Ventil, das bei positiver Spannung einen Stromfluß zulaßt


und bei negativer Spannung sperrt. Bild 5.6 zeigt zwei mogliche Diodenschaltungen mit Gleichrich-terwirkung: die Einweg-Gleichrichterschaltung und die Brucken– oder Graetz-Gleichrichterschaltung.Im Falle der Einweg–Gleichrichtung befindet sich die Diode bei jeder positiven Halbwelle der Wechsel-spannung im Sinne eines Ventils im offenen, demnach leitenden Zustand. Fur die negative Halbwellesperrt die Diode, und es kann kein Strom durch den Widerstand fließen.

Durch eine geeignete Anordnung von vier Dioden zwischen den Punkten 1 bis 4 im Bild 5.6 kann er-reicht werden, daß sowohl bei der positiven als auch bei der negativen Halbwelle je zwei Dioden leitendsind und ein Strom fließen kann. Es mußte sich deshalb im Fall der negativen Halbwelle eine Diodezwischen den Punkten 3 und 2 sowie eine Diode zwischen den Punkten 4 und 1 im leitenden Zustandbefinden. Die Anordnung und Orientierung der Dioden ist Gegenstand der Vorbereitungsaufgabe 5.3.3und wird hier deshalb nicht angegeben.

Mit dem Bild 5.7 soll verdeutlicht werden, wie man mit Hilfe einer Diode und eines Kondensatorsaus Wechselspannung nahezu Gleichspannung erhalt. Wahrend der positiven Halbwelle ist die Diodeleitend und der Kondensator kann aufgeladen werden. Wahrend der negativen Halbwelle sperrt dieDiode und der Kondensator entladt sich zum Teil wieder (in Abhangigkeit vom Lastwiderstand). Die

Bild 5.7. Gleichrichtung und Glattung von Wechselspannung.

Gleichspannung hat immer einen Anteil von Wechselspannung, die Brummspannung uB. Die Großedieser Brummspannung uB hangt vom Lastwiderstand R und vom Ladekondensator C ab. Je großerC und je großer R desto kleiner ist uB.

Im Zeitpunkt t1 ist der Kondensator voll aufgeladen und uR = u. Fur t = t2 gilt entsprechend vonBerechnungen zum Ausschaltvorgang an RC-Gliedern

uR(t2) = u exp

[− t2 − t1

RC

]. (5.7)

Die maximale Spannungsdifferenz uR(t1)− uR(t2) ist

uB = u − u exp

[− t2 − t1

RC

]. (5.8)


Bei hinreichend großer Zeitkonstante τ = RC kann die Exponentialfunktion linerarisiert werden. Dazuwird uR(t) um t1 in eine Taylorreihe entwickelt

uR(t) = u exp

[− t− t1RC

], uR(t) = u − 1

RCu (t− t1), (5.9)

uR(t1) = u, uR(t2) = u − 1

RCu (t2 − t1), (5.10)

uB =u

RC(t2 − t1), (5.11)

und man erhalt mit t2 − t1 = 1/f fur die Spitzenwelligkeit SW = |uB/u|

SW =1

RC f. (5.12)

Als Ladekondensator C finden meist Elektrolytkondensatoren Verwendung, mit deren Hilfe große Ka-pazitaten realisiert werden konnen. Bei diesen Kondensatoren ist aber im Gegensatz zu einfachenMetallplattenkondensatoren die Polaritat der anliegenden Spannung zu beachten! Weiterhin ist zuberucksichtigen, daß der Ladekondensator nicht zu groß gewahlt werden darf, weil dann der Impuls-spitzenwert des Aufladestroms zu groß wird und die Diode zerstoren kann. Aus diesem Grund werdenoft in Kleinnetzteilen folgende, z. B. in [6] naher beschriebene, Siebschaltungen verwendet.

Bild 5.8. Gebrauchliche Siebschaltungen in Kleinnetzteilen.

Bei großeren Anforderungen bezuglich der Brummspannung sind dagegen komplette elektronischeSpannungsstabilisatoren in Form von integrierten Schaltkreisen sinnvoller [7].

Eine weitere Anwendung der Diode als Gleichrichter ist die Kaskadenschaltung zur Erzeugung vonhohen Gleichspannungen, die in Bild 5.9 dargestellt ist. Diese wird z. B. oft in Fernsehgeraten ver-wendet. Der Kondensator C1 wird uber die Diode D1 wahrend der ersten Halbwelle auf z. B. 10 Vaufgeladen. Punkt 2 liegt somit auf dem Potential von 10 V. Die zweiten Halbwelle erzeugt an Punkt1 ein Potential von -10 V, so daß zwischen 2 und 1 eine Spannung von 20 V auftritt. C2 liegt aberparallel zu den Punkten 2 und 1 und wird uber die Diode D2 auf eben diese 20 V aufgeladen. Bei der3. Halbwelle wiederum liegt der Punkt 3 auf 20 V + 10 V = 30 V. Uber D3 kann sich C3 auf dieseSpannung aufladen. Analog liegt bei der 4. Halbwelle der Punkt 4 auf 30 V (uber C3) + 10V = 40V,was dann auch als U4 abgegriffen werden kann. Der Nachteil dieser Schaltung liegt in der geringenBelastbarkeit der Hochspannung.


Bild 5.9. Kaskadenschaltung zur Erzeugung von Hochspannung.

5.2.2 Die Diode als Temperatursensor

Fur die Temperaturabhangigkeit des Flußstromes einer Diode sind die beiden Exponentialfunktionenin den Gleichungen 5.4 und 5.5 wichtig, die Große b kann in folgender Betrachtung als naherungsweisetemperaturunabhangig angesehen werden. Fur exp(eU/ kT ) 1 gilt

I = bA exp

[eU −Wg

kT

], (5.13)

wobei die Spannung U gleich der Spannung direkt am pn–Ubergang ist, die infolge der schon bespro-chenen Bahnwiderstande kleiner als die am Bauelement anliegenden Spannung sein kann. In fast allenFallen gilt fur die ublichen Bauelementstrome U < Wg/ e, d. h. bei konstanter Spannung U wachstder Strom mit steigender Temperatur. In der Nahe der Zimmertemperatur liegt fur Si und GaAs derrelative Stromanstieg etwa im Bereich von 3% bis 10% Stromanderung pro Grad Temperaturerhohung.Dieses prinzipielle Verhalten, d. h. das Anwachsen des Stromes mit steigender Temperatur, kann mansich auch mit Hilfe der Bilder 5.3 und 5.4 verdeutlichen. Mit steigender Temperatur wird die Verteilungder Elektronen– und Locherdichte bezuglich der Energie verschmierter, so daß sich mit wachsenderTemperatur eine wachsende Anzahl von Elektronen auf hoheren Energieniveaus bewegt und somit diePotentialbarriere uberwinden kann. Im Bild 5.3 mußte man fur eine hohere Temperatur noch einigeElektronen hin zu hoheren Energieniveaus verschieben. Anders ausgedruckt, bei hoherer Temperaturfließt schon bei kleineren Spannungen ein Strom, d. h. die Kennlinie verschiebt sich bei Erwarmungnach links. Weiterhin fuhrt diese, mit großerer Temperatur, breitere Verteilung der Ladungstrager aufeinen großeren Energiebereich zu einem etwas flacheren Kennlinienverlauf.


Dioden werden oft zur Temperaturmessung benutzt (siehe z. B. [8]). Dabei wird aber haufig der Stromkonstant gehalten und die sich andernde Spannung gemessen, weil diese sich nahezu linear mit derTemperatur andert. Die Umstellung der Gleichung 5.13 nach U und die Bildung der ersten Ableitungnach T fuhrt zu

DT =dU

dT

∣∣∣∣I

= −k

elnI0

I, (5.14)

mit I0 = bA. DT heißt Temperaturdurchgriff der Diode. Wegen I0 > I und weil I0 nahezu unabhangigvon der Temperatur ist, fallt die Spannung mit steigender Temperatur bei konstantem Strom. DieKennlinie verschiebt sich nach links.

Im einem der Praktikumsversuche wird eine Diode mit Hilfe von Heizwiderstanden erwarmt. Durchdie Proportionalitat zwischen U und T kann man relativ einfach Temperaturverlaufe verfolgen, soz. B. das Aufheizen der Widerstande nach Einschalten des Heizstromes (siehe Aufgabe 4.2 ). DerTemperaturdurchgriff der im Versuch verwendeten Diode betragt, bei I = 40 mA, DT ≈ 1,3 mV/K.Es gilt naherungsweise

U − Uheiß = (Ukalt − Uheiß) exp

[− tτ

], (5.15)

mit einer Zeitkonstanten τ , die davon abhangt, wie gut die Widerstande die Warme abgeben konnenund wie groß deren Warmekapazitat ist. Zur experimentellen Bestimmung von τ wird der zeitlicheVerlauf der Spannung U gemessen. Anschließend tragt man ln(U(t)−Uheiß) als Funktion der Zeit aufund legt eine Gerade durch die Meßpunkte. Danach wird die Zeit τ ermittelt, in der U(t)− Uheiß aufden Wert 0,368 · (Ukalt − Uheiß) oder exp[−1] · (Ukalt − Uheiß) gefallen ist (siehe Beispiel im Bild 5.10).

Bild 5.10. Beispiel fur eine Abhangigkeit der SpannungsdifferenzU − Uheiß an einer Diode von der Zeit nach Einschal-ten der Heizung. Der Diodenstrom muß dazu konstantgehalten werden.


5.2.3 Nutzung spezieller Effekte bei Halbleiterdioden

5.2.3.1 Leuchtdioden

MaterialWg

eVλ

nm Farbe

GaAs0.6 P0.4 ≈ 1,9 650 rot

GaAs0.15 P0.85 ≈ 2,17 590 gelb

GaP: N ≈ 2,27 565 grun

Tabelle 5.2. Halbleitermaterialien, ihre Bandluckenenergie und die Lageder Emissionsspektren von aus diesen Materialen gefertigtenLED

,s (nach [9]).

In Leuchtdioden ensteht bei der Rekombination der Ladungstrager nicht nur Warme sondern auchLicht (siehe Bild 5.4). Dabei ist die Lichtwellenlange von der Energiedifferenz der beteiligten Zustandeabhangig. Die Photonenenergie ist deshalb etwa so groß wie Wg, oft etwas kleiner. Um die Elektronendazu zu bewegen, bei Ihrer Rekombination Licht auszusenden, sind spezielle Halbleitersorten (Halb-leiter mit direkter Bandstruktur) [1] und Dotierungen notig. In der Praxis werden fur die LEDs (LightEmitting Diode) haufig die in Tabelle 5.2 aufgefuhrten Verbindungshalbleiter verwendet.

5.2.3.2 Zenerdioden

In Verbindung mit Netzteilen spielt zur Spannungsstabilisierung die sogenannte Z-Diode eine wichtigeRolle. Betrieben wird die Diode in Sperrichtung und ausgenutzt wird der besonders steile Sperrstro-manstieg oberhalb einer bestimmten Spannung UZ . Verantwortlich fur diesen Effekt ist der Zener–und Lawineneffekt (siehe Bild 5.12). Der Zenereffekt ist ein Tunnelmechanismus, der bei genugendhohen Feldstarken auftritt und dafur sorgt, daß Valenzelektronen, ohne Energie aufzunehmen, in dasLeitungsband gelangen konnen. In Zenerdioden tritt dies bei Anlegen einer Sperrspannung im Bereichvon ca. 0,5 – 4 V auf. Sind die elektrischen Felder noch hoher (UZ > 5 V) kommt es zum Lawineneffektin der Raumladungszone des pn–Uberganges mit der gleichen Wirkung auf die Kennlinie. Hier reichtdie von den Ladungstragern (die zwar selten, aber z. B. durch thermische Anregung dort entstehenkonnen) zwischen zwei Gitterstoßen aus dem Feld aufgenommene Energie aus, um beim Stoß Valen-zelektronen aus ihrer Gitterbindung ins Leitungsband zu heben, also ein neues Tragerpaar zu bilden(Stoßionisation). Erzeugt jeder neu entstandene Trager wieder ein Tragerpaar, kommt es zum Lawi-nendurchbruch wegen der dann drastisch wachsenden Zahl von Ladungstragern in der Sperrschicht.


Bild 5.11. Kennlinie einer Zenerdiode.

Bild 5.12. Energiebandschemata des Lawinen– und Zenereffektes.


5.3 Vorbereitungsaufgaben

5.3.1 Skizzieren Sie auf dem Arbeitsblatt 1 eine Schaltung zur Aufnahme der Diodenkennlinie inFlußrichtung. Die Messung soll spannungsrichtig durchgefuhrt werden.

5.3.2 Stellen Sie eine Gleichung auf, um mit Hilfe von zwei Meßwertpaaren I1, U1 und I2, U2 denBahnwiderstand ermitteln zu konnen!Anleitung:Setzen Sie dazu die Großen in Gleichung 5.6 ein. Aus den so entstandenen zwei Gleichungen kannman durch Dividieren und Logarithmieren IS eliminieren und eine Gleichung fur R erhalten, inder dann nur noch I1, I2 und U1, U2 und kT/ e (= 26 mV fur Zimmertemperatur) steht. StellenSie diese Gleichung auf und notieren Sie diese auf dem Arbeitsblatt 2!

5.3.3 Zeichnen Sie die Anordnung der Dioden in das Bild der Graetzbrucke (Bruckengleichrichter) aufdem Arbeitsblatt 5 ein!

5.4 Versuchsdurchfuhrung und Auswertung

Aufnehmen der Kennlinien in Flußrichtung, die Kennlinien sollen spannungsrichtig gemessen wer-den. Das Dreheiseninstrument darf nur fur Versuch 5.4.8 und 5.4.9 verwendet werden. Benutzen Sie abVersuch 5.4.6 nicht mehr die heizbare Diode, sondern die Dioden in den kleinen Gehausen. Der Ver-suchsaufbau ist nach einem Umbau von einem der Betreuer kontrollieren zu lassen. Die Spannungensollen mit dem digitalen und die Strome mit dem analogen Meßgerat gemessen werden.

5.4.1 Bestimmen Sie die Spannung Ukalt = U(t = 0) der heizbaren Diode! Da sich die Diode imweiteren Verlauf des Versuches bei 5.4.2 bereits erwarmt, muß als erstes die Spannung Ukalt

gemessen werden. Verfahren Sie wie in 5.4.3 beschrieben und nehmen Sie 2 min nach demAnlegen der Spannung ohne die Heizung einzuschalten den 1. Meßpunkt U(t = 0) auf.

5.4.2 Bestimmen Sie punktweise die U/I–Kennlinie der in das Gehause eingebauten heizbaren Si–Diode im kalten Zustand!

• Heizung AUS.• Am Netzteil Imax = 600 mA und DC einstellen.• Die Spannungen so wahlen, daß Sie Punkte

– alle 10 mA fur I < 50 mA und– alle 100 mA fur 50 mA < I < 450 mA erhalten.

Zeichnen Sie die Kennlinie in das Diagramm auf das Arbeitsblatt 1!

5.4.3 Verfolgen Sie den Temperaturverlauf mit der Zeit wahrend des Aufheizens der Diode anhandder Spannungsanderung bei konstantem Diodenstrom! Verwenden Sie auch das Ergebnis aus5.4.1.

• Imax = 40 mA einstellen.• Diode in Durchlaßrichtung anschließen.• Spannung bis zum Anschlag voll aufdrehen.• Heizung einschalten und 8 Minuten lang alle 30 Sekunden die Spannung an der Diode U(t)

notieren.• 10 Minuten nach dem Einschalten der Heizung die Spannung an der Diode messen und alsUheiß = U(10min) betrachten. (Lassen Sie die Heizung wegen 5.4.4 eingeschaltet.)• Tragen Sie die Werte U − Uheiß in das Diagramm auf dem Arbeitsblatt 3 ein.

Bestimmen Sie die Zeitkonstante τ !


5.4.4 Bestimmen Sie punktweise die U/I–Kennlinie der heizbaren Si-Diode im heißen Zustand!

• Heizung EIN.• Imax = 600 mA einstellen.• Wahlen der Punkte wie unter 5.4.2.

Zeichnen Sie die Kennlinie in das Diagramm auf dem Arbeitsblatt 1!

5.4.5 Bestimmen Sie die U/I–Kennlinien der roten und gelben Leuchtdiode!

• Imax = 40 mA einstellen.• Die Spannungen so wahlen, daß Sie Punkte

– alle 1 mA fur I < 5 mA und– alle 5 mA fur 5 mA < I < 30 mA erhalten.

Zeichnen Sie die Kennlinien in das Diagramm auf das Arbeitsblatt 2! Berechnen Sie aus denU, I–Werten bei 25 mA und bei 5 mA die Bahnwiderstande der Dioden! Achten Sie auf Imax.Das Leuchten der Dioden ist bei hellem Sonnennlicht evtl. schwer zu erkennen!

Messung der Brummspannung bei verschiedenen Schaltungen:

5.4.6 Bauen Sie eine Einweg–Gleichrichterschaltung gemaß Bild auf dem Arbeitsblatt 4 auf!

• Variieren Sie RL und C gemaß den Angaben auf dem Arbeitsblatt 4.• Skizzieren Sie UC .

Achtung: Beachten Sie unbedingt die Polaritat der Elektrolytkondensatoren!

5.4.7 Bauen Sie eine Graetzbrucke gemaß dem Ergebnis Ihrer Losung der Vorbereitungsaufgabe5.3.3 auf!

• Verfahren Sie dann wie unter Punkt 5.4.6.

Bewerten Sie (qualitativ) die Welligkeit der Ausgangsspannung bei Einweg–und Graetzbrucken–Gleichrichtung und deren Abhangigkeit von der RC–Kombination!

Aufbau zweier Stufen der Spannungsvervielfachung:

5.4.8 Bauen Sie eine Schaltung zur Spannungsverdopplung nach dem Bild auf dem Arbeitsblatt 6ohne Verwendung des vierpoligen Kombinationselementes auf!

• Messen Sie die Spannung im unbelasteten Fall.• Belasten Sie die Schaltung mit R1 = 1 k Ω.• Messen Sie nacheinander die Leistungsaufnahme der Gesamtschaltung und die des Last-

widerstandes. Benutzen Sie zur Bestimmung der Eingangsleistung und der Ausgangsleistungdas Dreheiseninstrument als Amperemeter und zur Spannungsmessung das Digitalvoltmeterbei spannungsrichtiger Messung.

5.4.9 Bauen Sie eine Schaltung zur Spannungsvervierfachung nach dem Bild auf dem Arbeitsblatt6 auf und verfahren Sie dann wie unter 5.4.8!Fullen Sie die Tabelle auf dem Arbeitsblatt 6 aus!Begrunden Sie kurz die Unterschiede bzgl. der Leistungsaufnahme der Schaltungen!


Die Halbleiterdiode als Gleichrichter Arbeitsblatt 1

Schaltung:

U/I–Kennlinie im Durchlaßbereich der heizbarenSi–Diode 1N4002 bei Zimmertemperatur und imaufgeheizten Zustand (ca. 10 min heizen).

6

- UV

I

mA

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

100

200

300

400

500

600



U/I–Kennlinien im Durchlaßbereich von einer roten und einer gelben Leuchtdiode. Die Bahnwi-derstande beider Dioden konnen aus den Kennlinien mit den Werten:

I1 = 5 mA U1 rot = U1 gelb =

I2 = 25 mA U2 rot = U2 gelb =

gemaß der Formel:

bestimmt werden.Hinweis: Beachten Sie den Maßstab der Spannungsachse!

6

- UV

I

mA

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.60

5

10

15

20

25

30



Messen Sie die Spannung U an der sich aufheizenden Diode in Abhangigkeit von der Zeit alle halbeMinute und zeichnen Sie U−Uheiß in das Diagramm! Dabei entspricht t = 0 dem Moment des Einschal-tens der Heizung. Verwenden Sie fur U(t = 0) den Wert aus 5.4.1. Bestimmen Sie die Zeitkonstante τ !

Uheiß =

6

7

8

910

20

30

40

50

60

70

80

90100

mV

1 2 3 4 5 6 7 8min

- t

6

U − Uheiß

Abklingkonstante τ =



C = 1µF C = 10µF C = 100µF

R = 10 k Ω

R = 1 k Ω

R = 100 Ω

Schaltung:

Skizzieren Sie die Spannung UC !Am Oszilloskop sollte eingestellt sein: 2 ms/DIV und 2 V/DIV.

Wertung:



C = 1µF C = 10µF C = 100µF

R = 10 k Ω

R = 1 k Ω

R = 100 Ω

Schaltung:

Skizzieren Sie die Spannung UC !

Wertung:



Beachten Sie die Aufgabenstellung 5.4.8 und 5.4.9.Spannungsvervielfachung: alle C = 1000µF

alle Dioden = 1N4002R = 1 k Ω

U2

Spannungsverdopplung

U4

Spannungsvervierfachung

mit Lastwiderstand

UohneLast Pin Pout

Spannungs–verdopplung

Spannungs–vervierfachung

Begrunden Sie kurz die Unterschiede zwischen Pin und Pout und zwischen den beiden Schaltungen:


Literaturverzeichnis

[1] Tegude, F. J.Festkorperelektronik.Vorlesungsskript, Universitat–GH–Duisburg.

[2] Moschwitzer, A.; Lunze, K.Halbleiterelektronik Lehrbuch.Dr. Alfred Huthig Verlag, Heidelberg, 1988.Bibl. Bismarckstr.: 41 YEM 1056.

[3] Paul, R.Halbleiterdioden.Dr. Alfred Huthig Verlag, Heidelberg, 1976.Bibl. Bismarckstr.: 41 YET 1205.

[4] Mueseler, H.; Schneider, T.Elektronik.Carl Hanser Verlag, Munchen, Wien, 1975.Bibl. Bismarckstr.: 41 YEA 1438.

[5] Bystron, K.; Borgmeyer, J.Grundlagen der Technischen Elektronik.Carl Hanser Verlag, Munchen, Wien, 1988.Lehrbuchsammlung Bibl. Bismarckstr.: 45 YEA 2222.

[6] Wagner, S. W.Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Gerate.R. v. Decker’s Verlag G. Schenk, Hamburg, 1964.Bibl. Bismarckstr.: 41 YDP 1007, Kapitel 4.2.

[7] N. N.Applikationsbericht L200.SGS–ATES Deutschland GmbH, Grafing 1980.

[8] Lanchester, P. C.Digital thermometer circuit for silicon diode sensors.Cryogenics, Vol. 29, Dec. 1989, p. 1156.

[9] Unger, K.; Schneider, H. G.Verbindungshalbleiter.Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.–G., Leipzig, 1986, S. 14, 64 u. 100.

21

Documents

Versuch B1/5: Die Halbleiterdiode als Gleichrichter · 2 Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik B1 Die Beziehung 5.3 wird als das Massenwirkungsgesetz der Ladungstr ager in Halbleitern