Nr. 11 Transistor als Verstärker Teil A

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1 Nr. 11 Transistor als Verstärker Teil Der Transistor ( Transmitting Resistor ), was so etwas wie steuerbarer Widerstand bedeutet, hat vor Jahrzehnten durch blösung der Elektronenröhre eine technische Revolution ausgelöst (Miniaturisierung) Er ist das gegenwärtig mit am häufigsten benutzte Verstärkerschaltelement. Seine Funktion beruht auf Diffusionsvorgängen innerhalb einer nordnung von zwei sich auf einem gemeinsamen Substrat befindlichen Halbleiterdioden. 1. Notwendiges Basiswissen Dazu siehe z.b.:k.h. Rohe, Elektronik für Physiker. Für die Funktion des Transistors: Kap. 2.1, Seiten Für die Verstärkerschaltung: Kap. 2.2, Seiten ufgabenstellung Die Wirkungsweise eines bipolaren Transistors (zum Unterschied vom Feldeffekttransistor) wird zunächst durch Messen von Kennlinien untersucht. Dann wird mit diesem Bauelement ein einfacher Spannungsverstärker in Emitterschaltung aufgebaut und dessen Funktion dokumentiert. Vorgangsweise 2.1. Wir bauen eine Mess-Schaltung nach Bild 1 auf und messen die usgangskennlinienschar I C =f(u CE ), mit je ca. 10 Werten von U CE = 0 bis 10 V mit I B als Parameter für I B = 20, 50 und 100 µ. Bei niedrigen Werten von U CE, wo sich I C rasch ändert, sollen die Messpunkte dichter aufeinender folgen, bei höheren Werten sollen die Spannungsschritte gröber gewählt werden V 0 10 V 120 kω V Bild 1: Mess-Schaltung zur ufnahme von Transistorkennlinien 1

2 Wir tragen die gemessenen Werte in eine Tabelle ein und bilden dann einen entsprechenden Graphen Wir bauen mit Hilfe des vermessenen Transistors eine Verstärkerschaltung nach Bild 2 auf. 12V R 1 12kΩ 100µ F R C 1.2kΩ 100µ F U E Ω U Bild 2: Schematischer ufbau eines Transistorverstärkers (Emitterschaltung) ls Eingangsspannung U E verwenden wir einen Funktionsgenerator, der auf ein Sinussignal von 1000 Hz eingestellt ist. Wir stellen durch entsprechende Wahl von R 2 zunächst den rbeitspunkt auf ca. I C =5m ein und messen die usgangswechselspannung U pp für Werte der Eingangswechselspannung U Epp =10mV, 20mV, 30mV, 40mV und 50mV mit Hilfe der Zweikanaldarstellung des Speicheroszilloskops (pp steht hierbei für peak-peak. Gemeint ist die Wechselspannungsamplitude von Spitze zu Spitze). Das Ergebnis soll für ein typisches Beispiel gespeichert und ausgedruckt werden. Ferner sollen Eingangs- und usgangsamplituden der Wechselspannungen in einer Tabelle gegenübergestellt werden. Dieselbe Prozedur wird durch Ändern von R 2 für einen rbeitspunkt von ca. I C =1 m wiederholt. Da sich durch diese Änderung der differentielle Eingangswiderstand R E = U BE / I E (Diodencharakteristik) verändert, kommt es zu einer entsprechenden Änderung des Spannungsverstärkungsfaktors U / U E für kleine Wechselspannungssignale. Dieser soll aus den gemessenen Daten für beide Fälle bestimmt werden. Man sieht, dass er durch Wahl des rbeitspunktes, also durch Einstellen einer der Wechselspannung überlagerten Gleichspannung an der Basis eingestellt werden kann. Diese Tatsache wird in manchen Verstärkerschaltungen zur Verstärkungsregelung genutzt. 2

3 3. Zur uswertung notwendige Zusammenhänge 3.1. Der bipolare Transistor besteht im Prinzip aus drei hintereinander angebrachten, jeweils verschieden dotierten Halbleiterzonen ( Bild 3 ). Eine n-zone ist mit Donatoren dotiert, die zusätzliche bewegliche Elektronen als Ladungsträger für die Leitfähigkeit liefern. Umgekehrt ist eine p-zone mit kzeptoren dotiert, welche bewirken, dass in diesem Gebiet Besetzungslücken im Ensemble der Bindungselektronen geschaffen werden. Diese verhalten sich wie bewegliche positive Ladungsträger mit der ungefähren Masse von Elektronen und werden Löcher genannt. n der Grenzfläche wischen n-zonen und p-zonen entstehen durch Diffusionsreaktionen (auch schon ohne äußere Beschaltung) ladungträgerverarmte Übergangsgebiete, welche sich mehr oder weniger in die Dotierungsgebiete ausdehnen und deren Eigenschaften wesentlich zum Transistorverhalten beitragen. Ist die Reihenfolge p-n-p, so spricht man von einem pnp-transistor, im umgekehrten Fall von einem npn-transistor. In der vorliegenden Übung wird ein Silizium-npn- Transistor verwendet. Er der am häufigsten vorkommende Transistortyp. Deshalb wird hier dieser Typ diskutiert. Die einzelnen Halbleitergebiete (n-p-n) sind mit entsprechenden Leitungsanschlüssen versehen und werden als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet. Dabei muss die mittlere Schicht, die Basis, zur Ermöglichung der Diffusion sehr dünn und schwach dotiert sein. E Emitter n Basis p Kollektor n Elektronenstrom C B U BE Bild 3: Schematischer ufbau eines npn-transistors Man kann einen Transistor als die Kombination zweier gegeneinandergeschalteter Dioden, welche ein dünnes Dotierungsgebiet für die für den Verstärkungsvorgang wesentlichen Diffusionsvorgänge gemeinsam haben, betrachten. Die Wirkungsweise des Transistors ist folgende: Zwischen Basis und Emitter legt man eine solche Vorspannung U BE an, dass sich dieser pn-übergang im Durchlassbetrieb befindet. Die zwischen Basis und Kollektor angelegte Spannung U CB hingegen ist so gepolt, dass der zweite pn-übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist. Wegen der Durchlassrichtung am ersten pn-übergang fließt ein großer Strom von U CB 3

4 Elektronen vom Emitter in die Basis. Hier kann jedoch nur ein geringer Bruchteil mit den vorhandenen Löchern rekombinieren und als I B aus dem Basisanschluss herausfließen. Der weitaus größere Teil diffundiert durch die Basiszone bis hin zum zweiten pn-übergang und fließt dann als I C zum Kollektor. Eine kleine Änderung U BE der Basis-Emitter-Spannung ruft nun eine entsprechende Änderung I B, I C und I E hervor. Da I B sehr viel kleiner ist als I C (Faktor β), kann man mit einer sehr geringen Leistung U BE I B im Basis-Emitter-Kreis eine sehr viel größere Leistung U CE I C im Kollektorkreis steuern. In Bild. 4 ist das Schaltsymbol des Transistors mit den entsprechenden Strömen und Spannungen wiedergegeben. Die technische Richtung der Ströme und Spannungen ist dabei manchmal verschieden von den physikalischen Vorgängen im Transistor. ufgrund der oben beschriebenen Wirkungsweise ist der Transistor ein aktives (verstärkendes) Bauelement, dessen elektrisches Verhalten durch seine Kennlinien beschrieben wird. Zur Beschreibung des Transistorverhaltens braucht man 4 voneinander unabhängige Größen, z.b. I C, I B, U CE, U BE. Da man mit einer Kennlinienschar jeweils eine Variable als Funktion der anderen mit einer dritten als Scharparameter darstellen kann, braucht man zur vollständigen Beschreibung der Eigenschaften eines Transistors mindestens 2 Kennlinienscharen. Vielfach gibt man hier I C = f(u CE ) mit I B als Parameter und I B = f(u BE ) mit U CE als Parameter an. C U CB I C B I B U CE U BE I E bb. 4: Schaltbild eines NPN-Transistors mit Bezeichnungen der Ströme und Spannungen E 3.2. In bipolaren Transistoren finden wir die Ströme I E, I C, I B sowie die Spannungen U CE, U BE, U CB. Im allgemeinen beschreibt man den bipolaren Transistor in Emitterschaltung (bb. 4) mit 4 Kennlinienfelder (siehe unten). Den Zusammenhang zwischen den relevanten Werten wird in einem Vierquadrantenkennlinienfeld dargestellt. Die gestrichelten Linien in den Kennlinienfeldern zeigen den Zusammenhang zwischen den einzelnen Strömen und Spannungen. 4

5 bb.5 5

6 Nr. 11 Transistor als Verstärker Teil B 4. Beschreibung des Geräts 4.1. Geräteliste 1. 1 Stromversorgungsgerät Hameg 2. 1 Speicheroszilloskop 3. 1 Funktionsgenerator 4. 2 Digitalmultimeter Mikroamperemeter 6. 1 Experimentier-Platine 1 Transistor 3 Potentiometer: 500 Ω, 50 Ω, 2,2 kω 3 Widerstände: 1,2 kω, 3,3 kω, 12 kω 2 Kondensatoren: 2 x 100 :µf diverse Kabel, Übergangsstecker 4.2 Detailbeschreibungen 5. Besondere Hinweise zum Umgang mit dem Gerät, Sicherheitshinweise Kurzschluss zwischen Kollektor und Basis am Transistor führt wegen Überlastung der Basis- Emitter-Diode oft zum Tod des Bauelementes. 6

7 Nr. 11 Transistor als Verstärker Teil C 6. Literatur K.H. Rohe, Elektronik für Physiker 7. Kontrollfragen Was gibt das usgangskennlinienfeld eines Transistors an? Was verstärkt ein Transistor in Emitterschaltung bei großen Signalen relativ linear (Spannungen, Ströme?) Wodurch wird beim Transistor die Verstärkung bewirkt? Wodurch entstehen n-zonen und p-zonen Warum ist die Spannungsverstärkung in Emitterschaltung abhängig vom rbeitspunkt? Welchem anderen Halbleiterbauelement gleicht das I-U-Verhalten der Basis- Emitterstrecke und der Basis-Kollektorstrecke? 8. Ergänzendes zum Grundlagenstoff 9. Experimentpate: Georg Koller, Tel , 7

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