12 Halvlederteknologi

Transkript

1 12 Halvlederteknologi Innhold 101 Innledende klasseaktivitet 102 Størrelsen på et bildepunkt E 103 Lysdioder EF 104 Temperatursensorer EF 105 Solpanel EF 201 i undersøker et solcellepanel 202 i kalibrerer en termistor 203 Diode 204 Transistor 205 Fotodiode 301 Oppgaver

2 12 Xxxxxxx 171 Forsøk Innledende klasseaktivitet Alle som har, tar med digitalt kamera. Det kan være speilrefleks, kompaktkamera eller mobiltelefon. Det er bare fint hvis kameraene har forskjellig maksimalt antall bildepunkter (piksler). Fotografer de samme motivene fra samme avstand og med samme belysning, f.eks. et landskap (skolegården?), forsiden på en avis, en potteplante etc. Overfør bildene til et bildebehandlingsprogram eller skriv dem ut på samme skriver. Sammenlikn bildene når det gjelder oppløsning, fargegjengivelse, lysfølsomhet m.m. Forstørr bildene ved hjelp av bildebehandlingsprogrammet. Hvor mye kan bildene forstørres før dere kommer inn på bildepunktnivå (firkantene kommer fram)? Størrelsen på et bildepunkt E Ta bilde av et millimeterpapir (eller en linjal med millimetermarkering) med mobiltelefonen din eller med digitalkameraet ditt. Hvis kameraet har en makrofunksjon (nærbilde), ta også et slikt bilde. Forstørr bildet i et bildebehandlingsprogram og bestem størrelsen på et bildepunkt. Finn ut hvor mange bildepunkter det er i ett av bildene du har tatt Lysdioder EF Skaff noen lysdioder av forskjellig slag: vanlige lysdioder med forskjellig farge, nøkkelring med diodelys, enkeltlysdioder til montering i bil osv. ndersøk egenskapene til diodene. (Husk at du ikke skal bruke mer enn 2 3 volt.) Bruk eventuelt en motstand på noen hundre ohm i serie.) Finn ut hvor mye spenning diodene må ha før de lyser. Ta opp I--karakteristikker. ndersøk om du kan bruke noen av dem som en bitte liten solcelle. Skru fra hverandre en nøkkelring med lysdiode. Hvilken spenning blir brukt? Finn ut mer om egenskapene til denne dioden Temperatursensorer EF Ta med temperatursensorer hjemmefra eller fra andre steder. Legg dem sammen på et sted med samme temperatur og sammenlikn avlesningene. Sammenlikn med resultatet fra et godt, kalibrert laboratorietermometer (væsketermometer) Solpanel ndersøk hvordan elementene i et solpanel er koplet i serie og i parallell. Mål spenninger.

3 Xxxxxxx Laboratorieøvinger i undersøker et solcellepanel I denne øvingen skal du undersøke egenskapene til et solcellepanel. Eksperimenter Gjør målinger slik at du kan lage en strøm-spenning-karakteristikk for solcellen. Finn ut hvordan du skal belaste solcellen for at den skal gi ut mest effekt. Prøv også å bestemme solcellens maksimale virkningsgrad. Tips I tillegg til panelet trenger du voltmeter, amperemeter, variabel motstand og god belysning (dagslys eller en god lampe). Hvis du bruker et stort panel, må du bruke en robust skyvemotstand som variabel motstand. Solcellepanelet kan være et ganske lite panel, f.eks. 15 cm 15 cm, eller et vanlig stort solcellepanel. (Det er bare fint om elevgruppene har ulike panel.) Som forberedelse til øvingen kan du ha nytte av å gjøre oppgave Til å bestemme virkningsgraden trenger du kanskje litt mer utstyr enn det vi har listet opp ovenfor? i kalibrerer en NTC termistor I denne øvingen skal du planlegge og utføre målinger slik at du får kalibrert en termistor i temperaturområdet 5 50 C teste kalibreringen Eksperimenter Gjør målinger slik at du kan utføre kalibreringen av termistoren. Test kalibreringen mot en kjent temperatur. Tips Du trenger en termistor, gjerne med datablad. tstyr som du trenger ellers, skal du finne fram til selv. Før du setter i gang, kan det være lurt å lese side 281 i grunnboka en gang til. Testingen av kalibreringen kan gjøres i et vannbad der temperaturen også blir målt med et vanlig godt, kalibrert termometer.

4 12 Xxxxxxx 173 Å kalibrere termistoren vil i denne øvingen si å komme fram til et matematisk uttrykk eller en graf for sammenhengen mellom temperaturen til termistoren, og resistansen i den. Hvis vi kjenner denne sammenhengen, kan vi bruke termistoren som termometer Diode I denne øvingen skal du bli kjent med noen av egenskapene til en diode ta opp en I--karakteristikk for dioden Forhåndsoppgave En elevspenningskilde for vekselstrøm har frekvensen 50 Hz, og den kan for eksempel være stilt på 6. Lag en -I-graf for en slik spenningskilde. Framgangsmåte Del 1 Kople opp kretsen slik figuren viser. Klargjør måleinstrumentene til å måle volt og milliampere. tstyr diode, f.eks. 1N5401 eller 1N4148 eller tilsvarende glattet likespenningskilde 0 12 eller 0 30 vekselspenningskilde, multimetre for måling av spenning og strøm (helst μa på det ene) motstand, 1 kω koplingsbrett eller koplingsplate oscilloskop eller datalogger med spenningssensor 1 kω A Figur 1 Skru spenningen forsiktig opp slik at voltmeteret etter hvert viser opp mot 1. Følg med på hva amperemeteret viser. Finn spenningen som må til for at det tydelig begynner å gå litt strøm (noen milliampere) gjennom dioden. Les av en rekke sammenhørende verdier for strømmen gjennom dioden og spenningen over dioden. Start med null spenning fra spenningskilden og slutt med at voltmeteret viser om lag 1. Slå av instrumentene og lag en graf som viser I--karakteristikken for denne dioden. urder om du må ta noen flere målinger for enkelte deler av grafen. Sammenlikn grafen du har fått, med grafen i grunnboka på side 269. Bytt om polariteten til spenningskilden. Ta noen målinger med dioden koplet i sperreretning slik at voltmeteret viser verdier i området Amperemeteret bør nå være innstilt på mikroampere. Stemmer målingene med det vi kan vente ut fra teorien?

5 Xxxxxxx Del 2 Dioden som likeretter ~ ~ Figur 2 Kople opp kretsen med vekselspenning slik figuren til venstre viser. Som spenningsmåler skal du nå bruke et oscilloskop eller en spenningssensor koplet til en datalogger. Sett spenningskilden på 2 4 Ta opp en spenningskurve. Tegn den av eller skriv den ut. Sett inn dioden i kretsen, figuren til høyre. Ta opp en ny spenningskurve. Kommentar og forklar. Del 3 Kople opp igjen kretsen på figur 1 slik at dioden står i lederetning. Skru opp spenningen slik at amperemeteret viser noen få milliampere. Spenningen over dioden kan være 0,4 0,5. Ta på dioden slik at du holder den mellom to fingrer. Hva skjer med strømmen? Bruk teorien i grunnboka til å forklare det du ser. tstyr npn-transistor, f.eks. BC 147 eller BC 109 eller tilsvarende 2 likespenningskilder, f.eks og 0 15 signalgenerator 3 voltmetre 2 amperemetre, det ene må kunne måle μa motstand, 220 kω eller en dekademotstand kondensator, 0,1 μf 1 μf lysdiode, gul eller rød koplingsbrett eller koplingsplate oscilloskop eller datalogger med spenningssensor Transistor I denne øvingen skal du bli kjent med noen av egenskapene til en transistor ta opp en I K -I B -karakteristikk for transistoren. Dette er en karakteristikk som viser kollektorstrømmen I K som funksjon av basisstrømmen I B studere transistoren som strømforsterker studere transistoren som bryter studere transistoren som spenningsforsterker Framgangsmåte Del 1 I K -I B -karakteristikk Kople opp kretsen slik figur 1 nedenfor viser. Klargjør instrumentene for de måleområdene de skal brukes på.

6 12 Xxxxxxx 175 ma 220 kω B µa I B B E I K BE Figur 1 Ta noen prøvemålinger. Skru spenningen forsiktig opp fra null til noen få volt. Følg med på hva amperemetrene viser. Legg merke til hva BE viser når det tydelig begynner å gå strøm i amperemetrene, noen få mikroampere i det ene og noen få milliampere i det andre. Les av en rekke sammenhørende verdier for spenningene og BE og for strømmene I B og I K. Ta målinger. Start med null for og gå opp mot 10. Slå av instrumentene og lag en graf som viser I K -I B -karakteristikken for denne transistoren. urder om du må ta noen flere målinger for enkelte deler av grafen. Studer de verdiene du har i tabellen. Hvilke verdier har du for BE når det tydelig går strøm i transistoren, altså at basisstrømmen er såpass stor at vi kan si at transistoren er åpen? Kjenner vi denne spenningsverdien fra før? Kommenter. Del 2 Transistoren som strømforsterker ed å studere grafen du har lagd, ser du at kollektorstrømmen øker ganske jevnt etter hvert som basisstrømmen øker. Når vi endrer basisstrømmen noen få mikroampere, endres kollekterstrømmen noen milliampere. For den lineære delen av grafen skal vi nå bruke stigningstallet som et mål for hvor godt denne transistoren virker som strømforsterker. Beregn strømforsterkningen i denne transistoren. Del 3 Transistoren som bryter Tidligere i denne øvingen har vi sett at det må gå stor nok basisstrøm transistoren må åpnes for at det skal gå strøm i kollektorkretsen. i kan altså slå kollektorstrømmen av og på ved å regulere basisstrømmen. Det er blant annet denne bryteregenskapen som har gjort transistorene så nyttige i datamaskiner.

7 Xxxxxxx For å vise et eksempel på dette, skal vi nå gjøre noen få endringer i kretsen i figur 1: 10 kω B µa I B B E I K BE Figur 2 Kople opp kreten på figur 2. Begynn med lik null og skru denne spenningen forsiktig opp mot 1. Følg med på lysdioden, voltmeteret som viser BE og mikroamperemeteret. Hva observerer du? Hvor stor må BE være for at dioden skal lyse, altså for at «bryteren» slår inn? Forklar det du observerer, ut fra det du vet om base-emitter-«dioden» i transistoren. Del 3 Transistoren som spenningsforsterker For å vise et eksempel på transistoren som spenningsforsterker skal vi bruke kretsen øverst i margen på side 276 i grunnboka. 4,7 MΩ kω 10 G C 1µF K B E Figur 3 Les først om igjen avsnittet øverst på side 276 i grunnboka. Kople opp kretsen på figur 3. Signalgeneratoren kan settes på 40 Hz, 600 Ω. Mål spenningene KE og BE med spenningssensoren til en datalogger eller med et oscilloskop. Beregn spenningsforsterkningen i transistoren.

8 12 Xxxxxxx Fotodiode I denne øvingen skal du bli kjent med noen av egenskapene til en fotodiode studere hvordan strømmen gjennom fotodioden varierer med lysmengden som treffer den studere hvordan følsomheten til fotodioden varierer med bølgelengden til lyset som treffer den observere at fotodioden også er et fotoelement, en liten solcelle Forhåndsoppgave Bruk databladet for dioden til å finne ut hva som er anode og katode. Finn også hvor stor spenning den dioden du bruker, tåler i sperreretning. (Det kan være 5, eller det kan være 60!) Framgangsmåte Del 1 Fotodioden som lysdetektor Fotodioden er en diode der vi utnytter at antallet ladningsbærere blir påvirket av lysmengden som treffer dioden. Fotodioden kan derfor brukes som lyssensor. Som vi har nevnt i grunnboka, er det et stort antall fotodioder som er grunnelementene i bildebrikker i digitale kameraer, de såkalte CCD-brikkene. Når vi bruker fotodioden som lyssensor, er det lysfølsomheten i den såkalte reversstrømmen vi utnytter. Dioden må derfor koples i sperreretning, se figuren nedenfor. tstyr fotodiode med datablad, f.eks. OP905 eller BPW34 eller tilsvarende glattet likespenningskilde 0 12 eller 0 30 (avhengig av hvilken fotodiode som blir brukt) 2 multimetre for måling av spenning og strøm (μa på det ene) koplingsbrett eller koplingsplate 4 6 lysdioder med ulik farge eller en ferdigkoplet lysdioderekke spenningskilde til lysdiodene Eventuelt formotstand (1 kω) til de løse lysdiodene lysmåler (ikke nødvendig) fjernkontroll for prosjektør, tv e.l. µa Kople opp kretsen slik figuren viser. Pass på at dioden er koplet i sperreretning. La dioden få ganske god belysning. Skru spenningen og dermed spenningen over dioden forsiktig opp til du ser at dioden leder strøm. Det kan være μa, eller ganske mye mer, avhengig av den dioden du bruker. (Finn ut hvilken lysretning dioden er mest følsom i, se eventuelt også databladet. Nå skal du undersøke fotodioden litt mer systematisk. La dioden få lite lys. Og mye lys. Observer hva som skjer. Bruk lysmåler hvis du har anledning til det. Noter i loggboka.

9 Xxxxxxx Prøv å bestemme den minste lysmengden dioden må ha for at du skal registrere en strøm på 2 μa. Bruk lysmåleren eller bare beskriv lysforholdene med ord. Kople opp etter tur forskjellige lysdioder. Anslå bølgelengdene etter farge hvis du ikke har et ferdig diodebrett. ndersøk hvordan diodestrømmen avhenger av bølgelengden til lyset. (Kople opp lysdiodene slik at de lyser om lag like sterkt, og pass på at de belyser fotodioden på samme måte.) Belys også fotodioden med en fjernkontroll. Hva ser du? Kommenter. Konsulter grunnboka eller eventuelt databladet når det gjelder følsomheten som funksjon av bølgelengden. Del 2 Fotodioden som fotoelement, en liten solcelle En solcelle er i hovedsak en fotodiode der vi utnytter ladningsforskyvningen som oppstår når sperresjiktet i pn-overgangen blir belyst. Nå skal dioden selv bli et «batteri» og drive strøm i en ytre krets. (For at det skal bli en ordentlig solcelle, må vi kople svært mange fotodioder sammen.) i kopler fotodioden derfor ikke til en spenningskilde. Kople et voltmeter direkte til fotodioden og belys dioden godt. Gå gjerne ut og observer i dagslys. I margen ser du et mulig resultat. Finn ut hvordan du må kople for at spenningsmålingen skal gi en positiv verdi.

10 2 Lys og bølger 179 Oppgaver Halvledere, ledningsevne og doping a) Hva er årsaken til at reine halvledere har dårlig evne til å lede strøm? b) Hva blir gjort for å øke ledningsevnen hos halvledere? c) Hvorfor øker ledningsevnen i en rein halvleder når temperaturen stiger? Dioder. Transistorer a) Hvorfor har en halvlederdiode god ledningsevne i én retning, men svært dårlig i motsatt retning? b) Det fins mange typer dioder. Nevn tre typer. Ta med bruksområder Figurene viser I--karakteristikkene for en glødelampe og en diode. Gjør greie for hvorfor de to grafene er så forskjellige. I En elev har notert disse tre påstandene om en halvleder som er dopet slik at den er en n-leder. 1 De fleste ladningsbærerne er negativt ladd. 2 n-lederne er negativt ladd. 3 Fremmedatomene i lederen har fem valenselektroner. Hvilke(n) av påstandene er korrekt(e)? a) Bare 1 b) Bare 2 c) Bare 3 d) Bare 1 og 2 e) Bare 1 og 3 I En enkel krets består av en vekselspenningskilde og en motstand. Spenningskilden, som er satt på 6, er en vanlig elevspenningskilde. Spenningen over motstanden blir målt med en spenningsmåler som kan vise spenningen som funksjon av tida. a) Skisser en graf som viser spenningen over motstanden som funksjon av tida for kretsen på figuren ovenfor. i setter inn en diode i kretsen, se figuren nedenfor. b) Skisser spenningsgrafen som spenningsmåleren nå viser. Forklar Et lite stykke silisium blir tilført en liten mengde med atomer fra et annet grunnstoff. a) Hva kaller vi vanligvis denne prosessen? Hvordan påvirker de fremmede atomene ledningsegenskapene til silisium? ~ n p Lysdiode På figuren nedenfor er en lysdiode satt inn i en krets slik at den sender ut lys. b) Forklar kort hva det er som gjør at dioden sender ut lys.

11 180 Oppgaver Lysdioder (LED) blir lett ødelagt hvis de utsettes for for høy spenning. Derfor kopler vi dem som regel inn i kretser med en formotstand (motstand som står i serie). Kretsen på figuren er et eksempel på dette. I K /(ma) T j = 25 C I B = 25 µa 20 µa I 0 d = 2, µa 12,5 µa Lysdioden i denne kretsen skal ha 2,1 over seg. Strømmen I 0 er 20 ma. Hvor stor resistans må formotstanden ha når vi bruker et 6 batteri som spenningskilde? µa 7,5 µa 5 µa 3 µa 1,5 µa KE / Avhengig av hvilke stoffer de er lagd av, trenger lysdioder typisk 1,5 3 spenning i lederetning for å lyse godt. Du har to lysdioder, rød og oransje, som du ønsker å sette sammen i en kapsel. Du ønsker å lage en krets slik at kapselen lyser rødt eller oransje eller med en blanding av de to fargene. Du ønsker altså å kople slik at bare den ene eller bare den andre eller begge lysdiodene lyser. Tegn kretser med diodene og en passelig spenningskilde der du får til dette Når vi tegner transistorkretser, setter vi ofte på symboler som I B, I K, BE og KE. a) Tegn en enkel transistorkrets der du har satt på disse symbolene. b) Av og til bruker vi også symbolene I E og BE. Sett også disse inn på kretstegningen I en bestemt transistorkrets ble det tatt opp sammenhørende verdier for kollektorstrømmen I K og emitter kollektor-spenningen KE mens basisstrømmen I B ble holdt konstant. Dette ble gjentatt med ni forskjellige verdier for basisstrømmen. esultatet av målingene finner vi i på figuren. a) elg KE = 5,0 og bruk figuren til å sette opp en graf som viser sammenhengen mellom kollektorstrømmen I K og basisstrømmen I B. b) La stigningstallet til grafen i a være et mål for strømforsterkningen til den aktuelle transistoren. Bestem en tilnærmet verdi for strømforsterkningen. Sensorer a) Hva mener vi når vi bruker betegnelsene digital sensor og digital detektor? b) Du skal ut og kjøpe en digital sensor for temperaturmåling. Hva vil du gjerne vite om sensoren? c) Hva menes med at sensoren er kalibrert? Grafen viser hvordan resistansen i en termistor varierer med temperaturen. /Ω Temperatur/grader C a) Forklar hva som ligger i betegnelsen NTC-termistor.

12 2 Lys og bølger 181 b) I en vanlig leder øker resistansen med stigende temperatur. Forklar det. I en NTC-termistor er det akkurat motsatt: esistansen minker når temperaturen stiger. Hva er forklaringen? I kretsen nedenfor inngår den termistoren som har gitt grafen ovenfor. Termistoren blir holdt på 60 C. c) Hva er spenningen over termistoren? Grafen nedenfor er hentet fra databladet til en bestemt fotodiode. Sensitivity (ma/ W) Ω 5, Wavelength (nm) a) Gjør greie for hva denne grafen kan fortelle oss om egenskapene til fotodioden. Denne fotodioden har et lysømfintlig areal på 7,0 mm 2. I et forsøk ble dioden belyst med ensfarget lys med bølgelengden 700 nm. Strålingstettheten var 140 W/m 2. b) Hvor stor fotostrøm leverte dioden? I databladet for en bestemt termistor finner vi at den i temperaturområdet C følger kalibreringsformelen der er resistansen i ohm og t er temperaturen i grader celsius. Termistoren skal bare brukes til å måle temperaturer mellom 25 C og 40 C. a) Bestem uttrykket for en lineær tilnærming for kalibreringskurven i dette temperaturintervallet b) urder om det er godt nok å bruke en lineær tilnærmingskurve. (a) = 69t b) Svaret avhenger av hvor stør nøyaktighet situasjonen krever.) Blandede oppgaver a) Egenskapene til fotodioder blir utnyttet på flere måter. Nevn to av bruksområdene. En fotodiode er satt inn i en krets slik figuren viser. I første omgang setter vi bryteren B åpen. B A b) Forklar kort hva som skjer i fotodiodematerialet når det blir belyst. c) Lysmengden inn på dioden blir økt. Hva ser vi på voltmeteret? Forklar. i lar lys med konstant innstrålingstetthet treffe fotodioden. i gjør noen målinger med bryteren både åpen og lukket slik tabellen viser. B åpen B lukket oltmeteret viser / 0,508 0,040 Ampermeteret viser / 0,00 2,00 d) Hvor stor spenning totalt produserer fotodioden med den aktuelle lysmengden? e) Hvor stor resistans er det i selve fotodioden i disse målingene? 20 Ω I kretsen ovenfor blir nå motstanden med resistansen 20 Ω erstattet av en motstand med resistansen 10 Ω. Belysningen av fotodioden er uforandret.

13 182 Oppgaver Tabellen viser resultatet av nye målinger: B åpen B lukket oltmeteret viser / 0,508 0,021 f) Forklar at voltmeteret nå viser en mindre verdi med lukket bryter enn i første del av oppgaven pn-overgangen i figuren nedenfor er lagd slik at den kan virke som lysdiode. a) Tegn av figuren og legg til en spenningskilde slik at lysdioden er koplet i lederetning. b) Bruk betegnelsene elektron, hull og fotoner og forklar hvordan denne dioden kan emittere lys. Lysdioden sender ut fotoner med energien 3, J. c) Hva er bølgelengden til lyset fra dioden? d) Hva er den minste spenningen som kan koples inn for at dioden skal sende ut disse fotonene? (10.424) En solcelle gjør strålingsenergi fra sola om til elektrisk energi. i har en solcelle som bli utsatt for en konstant belysning, og kopler den til en motstand med variabel resistans i en krets som er vist på figuren. Når resistansen varierer, endres strømmen I i motstanden og spenningen over den. Solcelle Lys Lysdiode p n pn-overgang A Grafen nedenfor viser sammenhengen mellom og I for en bestemt celle. / 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 For en bestemt verdi 1 av den variable resistansen er strømmen i kretsen 0,80 A. esistansen i amperemeteret er uten betydning. a) Finn 1. Den variable resistansen stiller vi nå på 2 = 0,50 Ω. b) Bruk en grafisk metode til å finne strømmen i kretsen (TrmP_04_4) En solcelle er et apparat som omformer lysenergi fra sola til elektrisk energi. Grafen nedenfor viser en såkalt I--karakteristikk for en bestemt liten solcelle. Solcellen er utsatt for konstant sollys og driver strøm gjennom en variabel motstand. Punktet P på grafen kalles ofte operasjonspunktet for solcellen. Spenningsverdiene er spenningen over den variable motstanden. Strøm/mA P I /A 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Spenning/ a) Tegn koplingskretsen for solcellen med den variable motstanden. b) Beskriv med dine egne ord hvordan den effekten solcellen yter til den variable motstanden, endrer seg mens strømmen blir endret fra null til maksimal verdi. c) Hvor stor effekt yter solcellen til den variable motstanden ved operasjonspunktet?

14 2 Lys og bølger I et mørkt rom er en liten lampe plassert 2 cm fra en fotodiode, se figuren nedenfor. i kan betrakte lampen som en punktlyskilde. Amperemeteret i fotodiodekretsen viser 27 μa. Avstanden mellom lampen og fotodioden blir gradvis økt til 6 cm samtidig som diodestrømmen blir registrert. Hvilken av grafene nedenfor viser den korrekte sammenhengen mellom den målte strømmen I og avstanden d? Begrunn svaret. I/µA 27 d A d/cm I/µA d/cm I/µA d/cm I/µA 27 3 I/µA d/cm d /cm