B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 1

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1 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 1 Versuch 3: DER TRANSISTOR I. Lernziele Durch diesen Versuch sollen Sie in die Physik und die Anwendung des Transistors eingeführt werden. Sie werden Eingangs- und Ausgangscharakteristiken eines typischen bipolaren Transistors kennenlernen, sowie seine Verwendung zur Verstärkung von Strömen und Spannungen. Sie sollen die beobachteten Phänomene qualitativ deuten. II. Vorbereitung. Sie sollen mit den verschiedenen Begriffen der Halbleitertechnik (z.b. Dotieren, p- und n-leitung, usw.) und mit der prinzipiellen Funktionsweise des bipolaren Transistors vertraut sein sowie Weitere Transistortypen und ihre Eigenschaften nennen können. II.1. Literatur [1] Das TTL-Kochbuch, S ZN 4300 T 882 [2] Mark-Olsen: Experiments in Modern Physics, S UC 400 M 345 [3] J. Pütz, Einführung in die Elektronik, Fischer Taschenbuch Nr [4] Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, S. 28 ff 84 ZN 5410 T 564 [5] Versuch 2 dieses Praktikums (Gleichrichterschaltungen) [6] C. Weddigen und W. Jüngst, Elektronik (1986) 84 ZN 5400 W 388 [7] K. H. Rumpf und K. Pulvers, Elektronische Halbleiterbauelemente (1987) 84 ZN 5400 R 936 [8] Lohnende Quellen sind das rote Skriptum "Elemente der Elektronik" sowie das "Physikalische Grundpraktikum" von Eichler et al., Springer UC400 E34

2 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 2 II.2. Kurze Zusammenstellung der Grundbegriffe Neben den metallischen Leitern gibt es Stoffe mit stark verringerter Leitfähigkeit, sogenannte Halbleiter (z. B. Germanium, Silicium, GaAs). Ein Energietermschema für Halbleiter ist in Abb. 1 des Versuchs 1. Elektrische Leitfähigkeit gezeigt. Die Leitfähigkeit solcher Stoffe kann durch Dotieren (Zusatz geeigneter Fremdatome) beeinflusst werden. Man unterscheidet beim Halbleiter zwischen Eigenleitung (beim reinen Halbleiter) und Störstellenleitung (beim dotierten Halbleiter). Durch Dotieren mit Akzeptoren erzeugt man Lochleitung (p-leitung, z.b. B in Si), mit Donatoren erhält man Elektronenleitung (n- Leitung, z.b. P in Si). Der p-n-übergang Als p-n-übergang bezeichnet man die Grenzfläche zwischen einem p-leitenden und einem n-leitenden Gebiet in einem Halbleiter. Im n-leitenden Gebiet wird der Strom von den Elektronen getragen, im p-leitenden von den Löchern (Defektelektronen). Deshalb liegen in den beiden Gebieten unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen vor, die sich durch Diffusion ausgleichen: Elektronen diffundieren ins p-leitende Gebiet und Löcher ins n-leitende Gebiet. Die ortsfesten positiv geladenen Donatoren im n-gebiet und die negativ geladenen Akzeptoren im p-gebiet erzeugen ein elektrisches Feld, das einer weiteren Diffusion entgegenwirkt. Es wird schliesslich ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem in der Umgebung der Kontaktfläche durch Rekobination der diffundierten Elektronen und Löcher eine an freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone entstanden ist.. Die Dicke dieser Raumladungszone kann durch Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen das n- und das p-gebiet je nach Polung vergrössert oder verkleinert werden, wodurch sich auch der elektrische Widerstand der ganzen Anordnung vergrössert bzw. verkleinert (Halbleiterdiode). Die Ladungsverteilungen, der Verlauf der Energiebänder mit und ohne äusserer Spannung sowie die Strom-Spannungskennlinien sind in Abb. 1 illustriert.

3 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 3 Abb. 1: p-n-übergang und Kennlinien einer Diode

4 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 4 Der Transistor Ein Transistor besteht aus zwei p-n-übergängen in einem Kristall mit drei unterschiedlich dotierten Bereichen (vergl. Abb. 2). Die p- bzw. n-gebiete werden durch sukzessives Dotieren mit Akzeptoren bzw. Donatoren erzeugt und haben meist sehr unterschiedliche Konzentrationen. Abb. 2: Typischer Aufbau eines p-n-p-transistors Wir betrachten einen p-n-p-transistor (Abb. 2). Er ist aufgebaut aus einer hochdotierten p- leitenden Schicht (Emitter), der eine dünne, niedrigdotierte n-leitende Schicht (Basis) folgt. Daran schliesst sich wieder ein p-leitendes, schwächer dotiertes Gebiet (Kollektor) an. Der Transistor-Effekt: Der Ladungstransport geschieht im p-n-p-transistor durch die positiven Ladungsträger (Löcher). Sie werden vom Emitter durch eine negative Vorspannung in die Basis gezogen. Der Kollektor ist gegenüber der Basis ebenfalls negativ vorgespannt. Es kann hier aber zunächst kein Strom fliessen, weil die Basis praktisch keine Löcher enthält und somit als Potentialbarriere wirkt. Sobald aber Löcher vom Emitter in die Basis injiziert werden, siehe oben, erniedrigen diese die Potentialbarriere, so dass vom Emitter zum Kollektor Strom fliessen kann. Wegen der unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen ist dieser Strom wesentlich grösser als der induzierende Emitter-Basis-Strom (Stromverstärkung). Genaueres, insbesondere warum der Kollektorstrom sich nicht selbst aufrechterhält, sind in der angegebenen Literatur zu finden. Das Energieniveaudiagramm und das Strom-Spannungs-Verhalten eines pnp- Transistors sind in Abb. 3 skizziert. In dieser Abbildung ist auch das Schaltzeichen für einen pnp-transistor gezeigt..

5 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 5 Abb. 3: pnp-transistor. B = Basis, E = Emitter, C = Kollektor Entsprechendes gilt für einen npn-transistor, bei dem jeweils n und p sowie Plus und Minus vertauscht sind. Sein Aufbau und sein Schaltzeichen sind in Abb. 4 gezeigt. Abb. 4: npn-transistor. B = Basis, E = Emitter, C = Kollektor Das elektrische Verhalten von pnp- bzw. pnp-transistor in Emitterschaltung (Emitter auf Erdpotential) sind in Abb. 5 bzw. Abb. 6 skizziert. Die Emitterschaltung wird zur Stromund zur Leistungsverstärkung verwendet. Es gibt auch noch die Basisschaltung und die Kollektorschaltung; Dabei gilt jedoch ebenfalls, dass der Eingang in Durchlassrichtung und der Ausgang in Sperrrichtung betrieben werden.

6 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 6 Abb. 5: pnp-transistor in Emitterschaltung Abb. 6: npn-transistor in Emitterschaltung

7 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 7 II.3. Fragen 1. Wie funktioniert eine Halbleiterdiode? Skizzieren Sie kurz die Vorgänge an einem p-n- Übergang, die zur Ausbildung der Raumladungszone an der p-n-grenzfläche führen! 2. Geben Sie die Kennlinie eines p-n-übergangs in Durchlass- und Sperrrichtung an! Was passiert jeweils mit der Raumladungszone? Ab welcher Spannung steigt der Strom in Durchlassrichtung exponentiell an? 3. Der Transistor besteht im Prinzip aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden. Warum kann ein Transistor trotzdem leiten, d.h. ein Kollektorstrom I C fliessen? Erklären die Stromleitung und die Stromverstärkung qualitativ im mikroskopischen Bild sich bewegender Ladungsträger. Warum erhält sich der Kollektorstrom nicht selbst. 4. Warum bezeichnet man pnp- bzw. npn-transistoren auch als bipolare Transistoren? 5. Erklären Sie das Prinzip des Feldeffekttransistors (FET)! Erläutern Sie die wesentlichen Unterschiede zum bipolaren Transistor! 6. Was sind Thyristoren und Triacs? Informieren Sie sich über Prinzip und Anwendungsbereiche. 7. Geben Sie die für pnp-transistoren typischen Ein- und Ausgangscharakteristik an! Vergleichen Sie die Eingangscharakteristik mit dem Verhalten eines p-n-übergangs! 8. Was versteht man in diesem Zusammenhang unter dem Eingangswiderstand R i, der Stromverstärkung β und der Verlustleistung P V eines Transistors? 9. Welche Bedeutung hat die in Datenblättern angegebene maximale Verlustleistung eines Transistors? Tragen Sie (qualitativ) eine Kurve konstanter Verlustleistung in die in Aufgabe 6 skizzierte Ausgangscharakteristik ein! 10. Lesen Sie den Abschnitt in der Versuchsdurchführung zum Wechselstrom- und Wechselspannungsverstärker. Formulieren Sie dann für die in Abb.9 angegebene Schaltung des Wechselspannungsverstärkers die Maschenregeln jeweils für: Gleichspannungs-(-strom-)grössen (GROSSBUCHSTABEN) im Ausgangskreis und Wechselspannungs-(-strom-)grössen (kleinbuchstaben) im Ein- und Ausgangskreis.

8 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR Berechnen Sie für den Ausgangskreis U CE, wenn I C =10mA, U=8V und R C =470 Ω! eff 12. Welcher effektive Kollektorwechselstrom i B fliesst im Eingangskreis, wenn Sie am Oszilloskop für die Eingangswechselspannung u e eine Amplitude von 300 mv und für die Basisemitterwechselspannung u BE eine Amplitude von 10 mv ermitteln? Der Basisvorwiderstand betrage R S = 22 kω. 13. Welche Bedeutung hat die Widerstandsgerade, die man in das Ausgangs-Kennlinienfeld Abb. 10 einträgt? 14. Diskutieren Sie an Hand von Abb. 10, durch welche Grössen in der Schaltung Abb.9 der Arbeitspunkt eindeutig festgelegt wird! Wo liegt bei gegebener Betriebsspannung U und gegebenem Kollektorwiderstand R C der optimale Arbeitspunkt? Begründen Sie Ihre Wahl! III. Durchführung Die Untersuchungen am pnp-transistor werden mit selbst gesteckten Schaltungen durchgeführt. /[Für die Untersuchung eines npn-transistors steht ein spezielles Prüfgerät zur Verfügung, mit dem man an einem PC die Kennlinien des Transistors darstellen und ausdrucken kann.]/ III.1. Gerätebeschreibung Für pnp-transistor: Transistor-Steckbrett mit Transistor 2N Multimeter 2 Netzgeräte Philips PE 1509, Netzgerät Phywe Oszilloskop Philips PM 3207 oder Hameg Tongenerator (Fa.Monsanto) w) Für npn-transistor: Transistorprüfgerät mit Transistorsteckplatz PC (mit Analog-Digital-Konverter und Pascal-Steuerprogramm) Drucker

9 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 9 III.2. Aufgabenstellung III.2.1 Messungen an einem pnp-transistor a) Kennlinien 1. Eingangscharakteristik I B (U BE ) Stecken Sie die Schaltung gemäss Abb.7 zusammen. Verwenden Sie dabei unbedingt die erdfreien Ausgänge der Netzgeräte. R C =1k 47k I B U CE U U e U BE Abb. 7: Transistorschaltung für Eingangskennlinie Nehmen Sie die Kennlinie I B (U BE ) durch Variation der Eingangsspannung U e auf. Halten Sie dabei die Kollektorspannung zunächst bei U CE = 0 V (Kurzschluss). (Frage: Fliesst dabei ein Kollektorstrom? Messen Sie ihn!) Wiederholen Sie die Messungen für U CE = 5 V. (Anmerkung: Der Unterschied zwischen beiden Kennlinien rührt von der Stromverstärkung her, siehe unten sowie das Kennlinienfeld Abb. 10.) Tragen Sie U BE gegen I B für U CE = 0 V und 5 V in einem Graphen auf. Bestimmen Sie den differenziellen Eingangswiderstand U BE r i = (1) I B U CE =const. aus der Kennlinie I I (U BE ) jeweils für U CE = 0 V und 5 V (Steigung der Kennlinie). Vergleichen Sie die gemessenen Kennlinien mit der Kennlinie eines einfachen p-n-übergangs (Diode)!

10 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR Ausgangscharakteristik I C (U CE ) Sie können diese Kennlinie z.b. mit der Schaltung von Abb. 8 aufnehmen. Achten Sie wieder darauf, dass die Ausgänge der Netzgeräte erdfrei sind! R C =1k I C 47k I B U CE U U e Abb. 8: Transistorschaltung für Ausgangskennlinie Bei dieser Messung ist I B der Parameter. Messen Sie I C (U CE ) für U CE = V bei zwei I B -Werten (z.b. 50 µa, 100 µa). Achten Sie dabei darauf, dass der Basisstrom konstant bleibt (durch Nachregeln von U e ). Tragen Sie U CE (0V...10V) gegen I C für I B = 50 µa und 100 µa in einem Graphen auf! Zeichnen Sie eine Kurve konstanter Verlustleistung P V = I C U CE = 20 mw in das I C (U CE ) Kennlinienfeld ein. Warum ist die Beschränkung der Verlustleistung wichtig? Bestimmen Sie aus den beiden I C (U CE )-Kurven für I B = 50 µa und I B = 100 µa bei einem U CE -Wert im Sättigungsbereich die Stromverstärkung β = I I C = B U CE const.

11 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 11 Wechselstrom- und Wechselspannungsverstärkung Im Teil a) haben Sie gesehen, wie Änderungen von U BE zu Änderungen von I B führen. Weiterhin fanden Sie, wie I B die Ausgangscharakteristik I C (U CE ) verändert. Diese Steuerung des Stromes I C durch den sehr viel kleineren Strom I B kann man zur Verstärkung von Spannungssignalen verwenden. Den Schaltplan zeigt Abb k u e R =22k S 47k I BE u BE pnp R =470 C - U CE U + Eingangskreis Ausgangskreis Abb. 9: Schaltung für Verstärkungsmessungen (Widerstände in Ohm). Die Eingangs- und Ausgangs-Wechselspannungen u BE bzw. u CE werden mit dem Oszilloskop gemessen. Diesmal haben wir die für die Einstellung des Arbeitspunktes (s.u.) nötige negative Vorspannung der Basis mit einem variablen Vorwiderstand (100 kω-potentiometer) aus der gemeinsamen Versorgungsspannung U besorgt. Mit ihm kann man den Basisstrom I B und damit U CE einstellen. Einstellung des Arbeitspunktes Im Ausgangskreis (Abb.9) gilt nach der Maschenregel für die Spannungen und Ströme: U = U CE + R C I C also I C (U CE ) = -U CE /R C + U/R C Trägt man diese beiden Grössen im Ausgangskennlinienfeld, siehe Abb. 10, ein, so erhält man die sogenannte Widerstandsgerade mit der Steigung 1/RC. Der I C -Achsenabschnitt gibt den maximalen Kollektorstrom I max C = U/R C an. Der U CE -Achsenabschnitt gibt die maximale Kollektor-Emitterspannung U = U max CE an.

12 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 12 Stellt man nun mit dem 100 kω-potentiometer (siehe Abb.9) eine bestimmte Basis Emitter-Gleichspannung U 0 BE ein, so hat dies gemäß der Eingangskennlinie einen bestimmten Basis-Emitter-Gleichstrom I 0 B zur Folge. Dieser bewirkt nach der Strom- Steuerkennlinie einen Kollektorgleichstrom I 0 C = βi 0 B (β: Gleichstromverstärkung). Der zugehörige Wert für U CE muss sich dann so einstellen, dass der Punkt (U CE, I C ) auf der Widerstandsgeraden liegt. Das ist der Arbeitspunkt des Transistors. Der Arbeitspunkt wird durch die Betriebs(gleich)spannung U, den Kollektorwiderstand R C und den Basisgleichstromn I 0 B eindeutig festgelegt (Abb.10) Stellen Sie die Betriebsspannung U auf 8 V ein! (Erdfreie Ausgänge am Netzteil benutzen!) Jetzt haben Sie die Betriebsspannung U = 8V und den Kollektorwiderstand R C = 470 Ω festgelegt und können den Arbeitspunkt demnach nur noch durch die Wahl des Basisstroms I 0 B verändern. Durch die Variation von I 0 B bzw. U 0 BE verschiebt sich der Arbeitspunkt entlang der Widerstandsgeraden. Machen Sie sich das an Hand der Abb.10 klar! Tragen Sie die Widerstandsgerade für U = 8V und R C = 470 Ω in das Ausgangskennlinienfeld ein, das Sie im vorangegangenen Versuchsteil a)2. bereits gemessen haben! Stellen Sie die Amplitude der Eingangswechselspannung u e am Funktionsgenerator auf einen möglichst kleinen Wert den Sie gerade noch gut messen können. Wählen Sie die Frequenz 1000 Hz (Sinus), und achten Sie darauf, dass kein Gleichspannungsoffset eingeschaltet ist! Der Basis-Emitter-Gleichspannung U 0 BE wird nun eine Basis-Emitter-Wechselspannung u BE überlagert, mit der ein Basiswechselstrom i B gemäss der Eingangskennlinie verknüpft ist. Dieser hat einen (dem Kollektorgleichstrom I 0 C überlagerten) Kollektorwechselstrom i C und schliesslich eine (der Kollektor-Emittergleichspannung U 0 CE überlagerte) Kollektor- Emitterwechselspannung u CE zur Folge. Für kleine Wechselspannungen gilt daher näherungsweise: Stromverstärkung + Spannungsverstärkung = Leistungsverstärkung.

13 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 13 Strom-Steuerkennlinie I C U/R C Ausgangskennlinie Widerstandsgerade i C I C 0 Gleichstromarbeitspunkt I B 0 u CE U CE I B U CE 0 i B U BE 0 u BE Eingangskennlinie U BE Abb.10: Vierquadranten-Kennlinienfeld aus: Schnell, Elemente der Elektronik, Franzis 1978 Stellen Sie den Basisgleichstrom I 0 B mit dem Arbeitspunkt so ein, dass U CE = ½U = 4V. Beobachten Sie den zeitlichen Verlauf von u CE am Oszilloskop (Oszilloskopmasse auf Emitterpotenzial) während Sie die Amplitude der Eingangswechselspannung u e kontinuierlich erhöhen. Beschreiben Sie die Beobachtungen und erklären Sie sie! Variieren Sie anschliessend I 0 B und erhöhen Sie wiederum die Amplitude von u e! Bei welchem Wert von I 0 B bzw. U 0 CE liegt der optimale Arbeitspunkt? Erklären Sie diesen Wert! Weshalb benötigt man für einen (verzerrungsfreien) Wechselspannungverstärker auf Basis eines pnp-transistors eine negative Vorspannung der Basis gegenüber dem Emitter? Wie sind die Verhältnisse beim npn-transistor? Stellen Sie den optimalen Gleichstromarbeitspunkt (U CE = ½ U = 4 V) ein und wählen Sie die Amplitude der Eingangswechselspannung u e (f = 1000Hz Sinus) so, dass u CE und u BE sinusförmig sind.

14 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 14 Messen Sie mit dem Oszilloskop die Amplituden der Wechselspannungen u e, u BE und u CE und berechnen Sie die Effektivwerte. (Beachten Sie dabei, dass die Masse des Oszilloskops jetzt auf Emitterpotenzial liegen muss!) Berechnen Sie mit den gemessenen Effektivwerten von u e, u BE und u CE unter Zuhilfenahme der Maschenregeln für Ein- und Ausgangskreis (Frage 10) folgende Grössen: Der Eingangswiderstand r i ist gegeben durch: r i U = I BE B U CE = const. u = i BE B u CE << U CE Für kleine Wechselspannungen gilt u e dann näherungsweise: u BE r i i B. Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Wert, den Sie aus der Eingangskennlinie erhalten haben. Die Stromverstärkung β ist gegeben durch β= IC = ic IB ib U = const. u << U CE CE CE Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Wert, den Sie aus den Ausgangskennlinien erhalten haben. Spannungsverstärkung A v u A v = u CE BE Leistungsverstärkung G G = β A v, w) Frequenzabhängigkeit der Stromverstärkung Bestimmen Sie die Stromverstärkung β des Transistors als Funktion der Frequenz ν der Eingangswechselspannung u e im Bereich von ν =100 Hz bis 1 MHz (logarithmische Intervalle). Messen Sie mit dem Schaltungsaufbau von Abb. 9 bei jeder Frequenz mit dem Oszilloskop nacheinander die Wechselspannungen u e, u BE und u CE. Berechnen Sie i B aus u e, u BE und R S sowie i C aus u CE und R C. Damit erhalten Sie die Stromverstärkung β. Achten Sie darauf, dass die Amplitude der Eingangswechselspannung u e nur so gross ist, dass u CE sinusförmig bleibt! Tragen Sie die Stromverstärkung β gegen die Frequenz ν logarithmisch auf! Erklären Sie Ihre Beobachtungen! Bei welcher Frequenz ist β auf 1 2 abgefallen?

15 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 15 w) III.2.2. Rechnergesteuerte Messungen an einem npn-transistor Abb. 11: Beschaltung des Transistors Bestimmen Sie die Strom-Spannungskennlinien [I E (U CE ) für verschiedene Basisströme I B ] eines npn-transistors mit dem rechnergesteuerten Transistorprüfgerät. Ein Transistorschaltbild ist in Abb. 11 zu sehen. Ein Blockschaltbild des Transistorprüfgerät und der Rechnersteuerung zeigt Abb. 12. Die Rechnersteuerung ist menue-geführt und selbsterklärend. (Eine Anleitung liegt auf). Versuchsstart und Auswahl der Stromquellen: Returntaste (<CR>) bzw. Cursortasten. Zurück ins Hauptprogramm: Leertaste (<SPACE>) und Returntaste (>CR>). Abb. 12: Blockschaltbild des Prüfgerätes mit Rechnersteuerung.