Robert-Bosch-Gymnasium Physik (2-/4-stündig), NGO

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1 eite Feldeffekttransistoren 1. Theoretische rundlagen / Einführung nn-transistor n-kanal-fet (errschicht-fet) I BE B C I CE e - I e - E Leistungslose teuerung amit bei einem biolaren Transistor (nn oder n) ein trom von C nach E fließen (Kollektor-Emitter-trom) kann, muss ein (kleiner) Basis-trom fließen. (Er ist um den tromverstärkungsfaktor kleiner als der Kollektor- Emittel-trom). abei liegt die Basis-Emitter-annung an. trom und annung fühen dazu, dass zur teuerung des biolaren Transistor eine, wenn auch kleine, Leistung notwendig ist (U BE I B). Bei Feldeffekttransistor reicht dasanlegen einer mehr oder weniger großen annung aus, den trom zwischen rain und ource ( und ) zu steuern; es ist eine (nahezu) leistungslose teuerung möglich. as ist immer von großen Bedeutung, wenn die Quelle, die den Transistor steuern soll, keine großen tröme liefern kann. ie Quelle wird durch einen FET nicht bzw. kaum belastet. PrinziiellerAufbau eines errschicht-feldeffekt-transistor (n-kanal). Während beim nn-transistor zwei n-übergänge auftreten, die entgegengesetzt geolt sind, gibt es beim errschicht-fet nur einen Übergang von n nach ; siehe dazu die Zeichnung auf der Folgeseite.

2 eite Zunächst denken wir uns mit verbunden; dann sind beide Anschlüsse auf demselben Potential; die errschicht zwischen und n hat deshalb die Ausdehnung des sannungslosen Zustandes (ist also sehr schmal). rain (Abfluss) + Legt man nun eine annung zwischen und an, so fließt in der n-chicht ein trom, verursacht durch die freien Elekronen im n-dotierten Halbeiter. Ist ositiv ind negativ geolt, fließt der technische trom von nach. Während bei einem biolaren Transistor außer freien Elektronen auch Elektronenlöcher am tromfluss beteiligt sind, nehmen hier nur Ladungsträger einer orte teil: daher sricht man auch von einem uniolaren Transistor. ate (Tor) n er n-dotierte Bereich heißt dabei Kanal. Im vorliegenden Fall haben wir es mit einem n-kanal- FET zu tun (man sricht auch von einem Unijunctions-Transistor). - ource (Quelle) Bei einem e-kanal-ty ist der Kanal -dotiert und Elektronenlöcher stellen quasi die Ladungsträger dar (eigentlich: die Elektronen, die in entgegengesetzte Richtung die Löcher durchwandern). Wenn zwischen und ein trom fließt, wirkt der Kanal wie ein ohm scher Widerstand; längs des Kanals tritt demnach ein annungsgefälle (zwischen und ) auf. ie tromstärke des so genannten rainstromes I wird dabei bestimmt von: der angelegten annung (I ist roortional zu U ) dem Widerstand des n-kanals zwischen und (und dieser hängt außer von der Länge und der Querschnittsfläche des Kanals hautsächlich von dessen otierungsgrad ab). as bedeutet auch, dass der Widerstand des Kanals durch dessen Querschnitt veränderbar ist; und genau dies geschieht bei der teuerung des Transistors.

3 eite Längs des n-kanals gibt es durch die angelegte annung U ein Potentialgefälle; das Potential steigt von 0 V am Minosol auf 12 V am Plusol. Liegt auf gleichem Potential wie, so sind die Übergänge zwischen und auf beiden eiten in err-richtung geolt ( ist auf dem Potential 0 V, n auf einem Potential zwischen 0 V und 12 V). ie in err-richtung angelegte annung wächst also entlang des Kanals von nach ; die errschicht ist demnach unten relativ schmal und wird nach oben hin immer breiter. n 12V 9V 6V 12V ie Verbreiterung der errschicht zu hin verringert umgekehrt den Querschnitt des n-kanals und erhöht damit seinen Widerstand. ie tromstärke I sinkt dadurch. Elektronen können nur im n-kanal fließen. Im -dotierten Bereich der errschicht liegen negative Ionen vor (z. B. allium-anionen), im n- dotierten Bereich dagegen ositive Ionen (z. B. Arsen-Kationen). 3V 0V teuerung des FET Legt man nun zusätzlich zur annung U eine annung U zwischen ate und ource an, so dass das ate negativ gegenüber ource ist, werden die errschichten zwischen den -chichten und dem n-kanal noch breiter, der Kanal dafür umso schmaler, der Widerstand größer; in der Folge sinkt I noch mehr: eine leichte Änderung der ate-annung U änderden ate-trom I bereits sehr stark. abei muss kein ate-trom zwischen ource und ate fließen. Es genügt das Anlegen der annung; wenn zwar eine annung anliegt, jedoch kein trom fließt, wird auch keine elektrische Leistung umgesetzt. ie teuerung des FET geschieht als leistungslos. as ist wichtig, wenn die steuernde Quelle auch keinen großen trom liefern kann (hochohmige Quellen). Hinweis: bei genügend großer annung U berühren sich irgendwann beide errschichten wegen des hohen Potentials ( Abschnürung / Pinch-Effekt ). ann hat eine Erhöhung der rain-ource-annung keine Erhöhung der tromstärke I mehr zur Folge; der Transistor geht in den ättigungsbereich. er renzwert ist gegeben durch die Abschnür- oder Pinchssannung U (Pinch) ie Abschnürsannung ist umso niedriger, je breiter die errschichten schon waren, je höher also die (negative) ate-annung ist. toßen die errschichten auf der ganzen Länge imn-kanal zusammen, serrt der Transistor komlett; es fließt gar kein rain-trom mehr. rundsätzlicher Aufbau der tromversorgung für einen biolaren Transistor und einen Feldeffekttransistor:

4 eite nn-transistor n-kanal-fet (errschicht-fet) 15 V 15 V B teuersannung C E teuersannung 0 V 0 V 2. Versuchsaufbau, urchführung der Messung / icherheitshinweise / Messaufgaben 1. Ausgangskennlinienfeld eines n-kanal-errschicht-feldeffekttransistors (n-kanal-fet) Wir untersuchen einen n-kanal-errschicht-fet und erstellen für ihn ein Ausgangskennlinienfeld. abei wird der rain-trom als Funktion der rain-ource-annung aufgetragen mit der ate-annung als weiterem Parameter.. h. für jede ate-annung wird eine I -U -Kennlinie aufgenommen; insgesamt entsteht ein Kennlinienfeld (eine Kennlinienschar). Aufbau / chaltung /annungsversorgung azu wird zunächst die auf der Folgeseite dargestellte chaltung aufgebaut. Zur annungsversorgung benutzt man am besten eine annungsquelle mit zwei symmetrischen annungen z. B. 15 V. Alternativ benötigt man zwei erdfreie annungsquellen, bei denen man den Plus-Pol der einen mit dem Minusol der anderen verbindet.

5 eite BF245 1 M 15 V 15 V Messaufgabe Es werden ate-annungen (von 0 V aus) im Halb-Volt-Abstand eingestellt. Bei jeder atesannung U nimmt man unktweise eine I -U -Kennlinie auf. Ist die ate-annung einmal mit Hilfe der Potentiometerschaltung eingestellt, darf sie während des Versuchs nicht mehr verändert werden. Am besten während der Messung ab und zu den Wert kontrollieren! 2. Eingangskennlinienfeld eines n-kanal-errschicht-feldeffekttransistors (n-kanal-fet) Wir untersuchen nun die Eingangskennlinie des FET. azu bauen wir wieder die oben benutzte chaltung auf. Jetzt wird aber eine konstante rain-ource-annung eingestellt (und konstant belassen), z. B. U = 12 V. Bei dieser annung variiert man nun die ate-oucesannung U zwischen 0 V und -10,0 V und liest die tromstärkewerte des rain-ource-tromes ab. Wer noch Zeit hat, kann weitere Eingangskennlinien bei anderen rain-ource-annungen (z. B. 14 V, 10 V, 8 V,...) aufnehmen. icherheitshinweise Es wird nur mit den ausgegebenen Netzgeräten gearbeitet. ie annungen liegn im nicht-berührungsgefährlichen Bereich. Bei Fehlern / efekten Netzgerät abschalten bzw. Not-Aus-Taster im aal betätigen. Es wird daran erinnert, dass Essen und Trinken im Labor, insbesondere, wenn elektrische Aufbauten benutzt werden, nicht erlaubt ist. (efahr des Verschüttens.)

6 eite Auswertung In der Auswertung befindet sich das Originalmessrotokoll. odann sind die oben genannten Messaufgaben entsrechend auszuwerten (Tabellen, iagramme). Alle Ergebnisse sind verbal zu beschreiben, d. h. außer den Tabellen und iagrammen muss zu den Messaufgaben noch mindestens ein Ergebnissatz formuliert werden. Es sind mindestens zwei iagramm zu erzeugen: die Eingangskennlinie des FET und dasausgangskennlinienfeld. Wer mehrere Eingangskennlinien gemessen hat, kann auch für die Eingangskennlinien ein Kennlinienfeld als iagramm erstellen. 5. Fehlerbetrachtung Zu allen Messungen ist eine rößtfehlerbetrachtung durchzuführen.