Onderzoekscompetenties. Elektrische structuur van de materie. 1. Algemene lesgegevens. 2. Lesverloop. 3. Verwerking. Halfgeleiders les1

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les1

1. Algemene lesgegevens In deze reeks van lessen onderzoeken we allereerst hoe de geleiding gebeurt bij vaste stoffen. Vervolgens komen een aantal toepassingen hiervan aan bod, bv. zonnecellen, transistors, de diode, … Ten slotte gaan we meer de praktische kant op en bestuderen we het gedrag van zonnecellen en maken we een lasertelefoon.

2. Lesverloop Agenda leerlingen: Studie van de elektrische structuur van de materie Beschrijving les: HB Interactie 5² p. 130-153 In deze les werk je zelfstandig. Je zou na de les een idee moeten hebben over de geleiding bij halfgeleiders. Lees eerst aandachtig de tekst. Markeer belangrijke passages. Maak een eigen samenvatting. Achteraf kan je controleren of je alles begrijpt door de vragen op te lossen. 1. Welke zuivere stoffen zijn halfgeleiders? 2. Per hoeveel atomen Ge is er een vrij elektron? 3. Hoe noem je de structuur van vast silicium? 4. Hoe ontstaat een vrij elektron in een halfgeleider? 5. Wat is een positief gat? Waarom noemt men dit een positief gat en niet een positief ion? (tip: Kijk naar het aantal elektronen in de buitenste schil) 6. Wat is excitatie en recombinatie? 7. Leg de werking uit van een LDR. 8. Wat zijn gedopeerde halfgeleiders? 9. Beschrijf de geleiding bij een n-type en een p-type halfgeleider. 10. Hoe construeer je een diode? 11. Wat is een depletielaag? 12. Waarom kunnen elektronen en gaten de depletielaag niet oversteken? 13. Leg uit hoe het komt dat een diode enkel stroom kan doorlaten in één richting. 14. Beschrijf de toepassing: de diode als gelijkrichter.

3. Verwerking Antwoorden doorsturen via de uploadzone

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les 2

1. Algemene lesgegevens

In deze les werk je met twee of drie. Allereerst is er een stukje waarbij je de theorie van de diode moet eigen maken. Vervolgens start het praktisch gedeelte, met de bedoeling de I(U)karakteristiek van een diode op te meten. 2. Opdrachten

1. Bouw de volgende schakeling:

De diode is hier in doorlaat geschakeld. Je kan ook één voltmeter gebruiken, die je dan telkens van plaats wisselt. 2. Hoe is de diode geschakeld ten opzichte van de vaste weerstand (100)? Wat is hiervan het gevolg voor de stroomsterkte en de spanning? 3. We willen een verband leggen tussen de spanning over de diode (van de p-zijde tov de nzijde) en de stroom erdoor. Draai de spanning van de bron omhoog zodat de juiste spanning of stroom bereikt wordt. Als de spanning negatief is dien je de diode om te draaien. Ud (V)

Id (mA)

Ud (V)

Id (mA)

0

40

0,20

80

0,70

100 10

-1,0

15

-2,0

20

-3,0

4. Maak een Id(Ud)-grafiek. 5. Verklaar het verband tussen de stroom en de spanning bij een diode.

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les3

1. Algemene lesgegevens

In deze les werk je alleen. Bekijk in de eerste plaats de theorie. Vervolgens bouw je de gegeven circuits en controleer je de gevonden stromen en spanningen met de theoretische waarden. 2. Theorie

I (A)

Schakelingen et de diode: In de vorige les heb je de I(U)-karakteristiek opgemeten van een diode. Deze ziet er als volgt uit:

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

U (V)

I (A)

Voor het gemak benaderen we de functie als volgt (zwarte lijn):

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

U (V)

Hoe kan je dit nu gebruiken?  Als de diode in sper staat, is de stroomstekte gelijk aan nul. De diode is dan een oneindig grote weerstand.  Staat de diode in doorlaat, dan is de weerstand van de diode gelijk aan nul. De spanning over de diode is dan gelijk aan 0,7V (de drempelspanning).

3. Opdrachten

1. Los op:

Bouw de schakeling na en meet alle stroomsterktes en spanningen. 2. Bouw de schakeling. Meet met de oscilloscoop tegelijk de bronspanning en de spanning over de weerstand. Geef een verklaring. a) gelijkrichten met één diode Diode

R

100Ω

b) gelijkrichten met vier diodes Diode1

Diode2

Diode3

Diode4 R

100Ω

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les4

1. Algemene lesgegevens

In deze les werk je alleen. In de eerste plaats werk je de vorige opdracht af en levert dit in. 2. Opdrachten

1. Zonnecel: Zoek op hoe een halfgeleider-zonnecel in staat is om een spanning op te wekken.

Voer het volgende experiment uit: Plaats één zonnecel op de grondplaat. Meet de elektro-motorische spanning en de kortsluitstroom . Bereken hieruit het vermogen en de inwendige weerstand van de zonnecel. Herhaal de meting als de zonnecel beschaduwd is.

Belicht

Onbelicht

Beschrijf je waarnemingen. Geef een verklaring.

2. LED (Light Emitting Diode) LED staat voor Light Emitting Diode. Zoals de naam zegt zal deze diode licht uitzenden als ze in doorlaat geschakeld wordt. Zoek op hoe ’t werkt.

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les5 1. Algemene lesgegevens In deze les werken jullie met groepjes van max. 4lln. 2. Materiaal Solar basisbord, 3 kleine zonnecellen, 2 multimeters. 3. Opdrachten 1. Plaats de zonnecellen in serie! 2. Meet de spanning over – en de geleverde (maximale) stroomsterkte van resp 1, 2 of 3 zonnecellen. In de figuur kan je de situatie zien voor 3 zonnecellen. 3. Verander het circuit zodanig dat twee resp. drie zonnecellen parallel staan. Meet opnieuw de stroom en spanning. 4. Noteer je resultaten in een tabel. 5. Hoe verandert de totale spanning en stroomsterkte van drie in serie geschakelde zonnecellen wanneer 1 van de cellen verduisterd wordt. Bereken het volledige vermogen van de groep. 6. Voer analoge metingen uit voor drie zonnecellen die in parallel staan. Verduister 1 cel en meet het volledige vermogen.

Serie

Parallel

4. Evaluatie 1. Serieschakeling: one solar cell Uoc Isc P

two solar cells

three solar cells

2. Parallelschakeling: one solar cell

two solar cells

three solar cells

Uoc Isc P 3. Teken het I-n-diagram (n is het aantal zonnecellen) voor zowel de serie- en

parallelschakeling. Zet beide grafieken in één diagram. Gebruik verschillende kleuren.

4. Teken het U-n-diagram voor zowel de serie- en parallelschakeling. Zet beide grafieken

in één diagram. Gebruik verschillende kleuren. n-I - diagram

n-U - diagram

Isc

Uoc

n 5. Stele en regel op voor het gedrag van zonnecellen in serie/parallel.

behavior of voltage serieschakeling

parallelverbinding

amperage

6. Beschaduwing

(1) alles belicht

Serie (2) één verduisterd

(3) twee verduisterd

Uoc in V Isc in mA P = U·I in mW Vermogensverlies tov(1) in %

%

%

Noteer je waarnemingen in de tabellen. Wat kan je besluiten?

(1) alles belicht

Parallel (2) één verduisterd

(3) twee verduisterd

Voc in V Isc in mA P = V·I in mW Vermogensverlies tov(1) in %

%

%

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les6

1. Algemene lesgegevens

Veel data- en telefoonverkeer reist in de vorm van laserlicht door glasvezelkabels. Geluid als licht versturen eigenlijk niet zo moeilijk. Dit proberen we vandaag te doen. 2. Opdracht

De zender: Als lichtbron gebruiken we een laserdiode uit de klas. De lichtsterkte van dit toestel zou op de zelfde manier moeten veranderen als de geluidstrillingen van de lucht. We starten met een radio als geluidsbron. Via de koptelefoon-aansluiting wordt dit geluidssignaal omgezet in veranderlijke spanningen. Je kan dit signaal naar de laserdiode brengen, maar dit werkt niet. Zo'n laserdiode heeft een drempelspanning van ongeveer 6V nodig en het signaal geraakt niet zo hoog. De oplossing gaat als volgt: onderbreek de voeding van de diode en zorg ervoor dat het signaal van de koptelefoon opgeteld wordt bij de basisvoeding. We gebruiken een weerstand van 10Ω omdat dit overeen stemt met de weerstand van een klein luidsprekertje. Ook is er een condensator gebruikt van 10µF om eventuele gelijkstroom tegen te houden. Het licht van de laser varieert nu in sterkte op het zelfde ritme als het geluid. Dit kan je wel niet zien met het blote oog omdat die variaties veel te snel gaan.

10µF Radio_micro

4700µF

10Ω

6V

47

Laser

De ontvanger: Nu moeten we nog een ontvanger in elkaar zetten. Hiervoor hebben we een LDR nodig. LDR staat voor 'Light Dependent Resistance'. De naam zegt in feite al genoeg. Als er veel licht op het voorwerp valt, zakt de elektrische weerstand ervan. Zo'n LDR bestaat uit een halfgeleidend materiaal (Si of Ge). Wanneer er licht op invalt ontstaan er elektron-gaten paren die voor de geleiding kunnen instaan. Valt het licht weg, dan zijn en niet langer vrije ladingen aanwezig en stijgt de elektrische weerstand. Plaats een weerstand van 470Ω in serie met de LDR en sluit het geheel aan op een batterij van 9V. Terwijl het licht van de laser op de LDR invalt, varieert de weerstand van dit element. Waarom verandert dan ook de spanning over de vaste weerstand van 470Ω? Deze spanning brengen we via een condensator naar een koptelefoon.

Tip: Als je andere lichtbronnen uitschakelt, dan zit er minder storing op het signaal. Als de laser-radio-ontvanger werkt, is het maar een kleine stap om er een echte lasertelefoon van te maken met een microfoon. Wel moeten we het microfoonsignaal flink versterken, want de vorige versie levert alleen op maximaal volume genoeg vermogen voor een duidelijk hoorbaar eindresultaat. Je kan er ook voor kiezen om het signaal van de ontvanger te versterken. Dit ziet er als volgt uit:

Met betere versterkers zijn nog spannender uitbreidingen mogelijk: afluisteren bijvoorbeeld. Zo kunnen we de reflecties van een laserstraal op een raam opvangen. Hiervoor gebruiken we een laser zonder aanpassingen. Als het raam trilt op het ritme van het geluid binnenskamers, beweegt de laserstraal ritmisch over de lichtgevoelige cel. Zo kunnen we stiekem meeluisteren.

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les7

1. Algemene lesgegevens

In deze les proberen we de zender te construeren. Als ontvanger gebruiken we de klaargemaakte versie van de leerkracht. In de eerste plaats nemen we het radiosignaal als input, om vervolgens over te gaan op de microfoon. 2. Opdracht

De zender: Als lichtbron gebruiken we een laserdiode uit de klas. De lichtsterkte van dit toestel zou op de zelfde manier moeten veranderen als de geluidstrillingen van de lucht. We vertrekken van de radio/microfoon. Het signaal dat hier uitkomt gaan we eerst versterken. Hoe moet je de versterker maken (zie vorige les)? Het versterkte signaal laat je optellen bij de voeding van de laser zodat de intensiteit van het laserlicht meedanst op de maat van het geluid. Vervolledig het circuit hieronder en start dan met het echte bouwen.

laser

~

naar transfo

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les8

1. Algemene lesgegevens

In deze les proberen we de ontvanger te maken. Van de leerkracht krijg je de benodigde componenten. Individueel moet je alles juist assembleren. Om je circuit te testen ga je naar de leerkracht. 2. Opdracht

De ontvanger: Om de ontvanger te maken hebben we een LDR nodig. LDR staat voor 'Light Dependent Resistance'. De naam zegt in feite al genoeg. Als er veel licht op het voorwerp valt, zakt de elektrische weerstand ervan. Zo'n LDR bestaat uit een halfgeleidend materiaal (Si of Ge). Wanneer er licht op invalt ontstaan er elektron-gaten paren die voor de geleiding kunnen instaan. Valt het licht weg, dan zijn en niet langer vrije ladingen aanwezig en stijgt de elektrische weerstand. Eenvoudige versie Plaats een weerstand van 470Ω in serie met de LDR en sluit het geheel aan op een batterij van 9V. Terwijl het licht van de laser op de LDR invalt, varieert de weerstand van dit element. Waarom verandert dan ook de spanning over de vaste weerstand van 470Ω? Deze spanning brengen we via een condensator naar een koptelefoon.

Bouw het volgende circuit en test het resultaat bij de leerkracht. Tip: Als je andere lichtbronnen uitschakelt, dan zit er minder storing op het signaal. Als de laser-radio-ontvanger werkt, is het maar een kleine stap om er een echte lasertelefoon van te maken met een microfoon. Wel moeten we het microfoonsignaal flink versterken, want de vorige versie levert alleen op maximaal volume genoeg vermogen voor een duidelijk hoorbaar eindresultaat. Je kan er ook voor kiezen om het signaal van de ontvanger te versterken. Dit ziet er als volgt uit:

Ontvanger met versterker Met betere versterkers zijn nog spannender uitbreidingen mogelijk: afluisteren bijvoorbeeld. Het ontvangen signaal moet dan wel versterkt worden:

R4 100Ω

LDR 1000Ω

22kΩ V2 9V

C2 C1 10µF

10µF Koptelefoon 33.2Ω BC548BP

470Ω

Versterker

Onderzoekscompetenties Elektrische structuur van de materie Halfgeleiders les9

1. Algemene lesgegevens

In deze les proberen we afluisterapparaat te maken. We gebruiken de naakte laser en de versterkende ontvanger van vorige les. 2. Opdracht

We laten een spiegel trillen door geluid. Als het laserlicht weekaatst wordt door deze spiegel, zal de gereflecteerde straal meedansen op het ritme van datzelfde geluid. Met de LDR vangen we de reflectiestraal op, en kunnen zo het lichtsignaal hoorbaar maken. Ontwerp en bouw een spiegel die gemakkelijk meetrilt met geluid. Maak verschillende versies. Test ze.