Diode und Transistor

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1 Physikalisches Schulversuchspraktikum I Diode und Transistor (Oberstufe) marlene hack ( /412) Abgabedatum:

2 Inhaltsverzeichnis Lerninhalt...3 In welcher Klasse?...3 Vorkenntnisse...3 Lernziele...3 Theoretische Grundlagen...4 Zusatzinformationen...9 Versuche mit dem NTL-Baukasten...14 Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode...14 Kennlinien von Halbleiterdioden...15 Einweggleichrichtung...19 Zweiweggleichrichtung Brückenschaltung nach Graetz...20 Leuchtdiode (LED)...22 Zenerdiode...24 Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom...25 Der Transistor als Verstärker...26 Basisschaltung (Stromverstärkung)...27 Basisschaltung (Spannungsverstärkung)...28 Kollektorschaltung (Stromverstärkung)...30 Kollektorschaltung (Spannungsverstärkung)...32 Zeitschalter...33 Arbeitsblätter...36 Quellenverzeichnis...41 Abbildungsnachweis

3 Lerninhalt: Halbleiter: reiner und dotierter Halbleiter Herstellung von Halbleiterbauelementen Dioden: Eigenschaften von Halbleiterdioden Einweg-, Zweiweggleichrichtung Leucht-, Photo-, Zenerdiode Transistoren: Herstellung von Transistoren Funktionsprinzip eines Transistors Transistor in verschiedenen Schaltungen: Transistor als Verstärker Basisschaltung (Spannungs- und Stromverstärkung) Kollektorschaltung (Spannungs- und Stromverstärkung) Zeitschalter Feldeffekttransistor Logikschaltungen Integrierte Schaltungen In welcher Klasse? 7. Klasse: reiner und dotierter Halbleiter, Eigenschaften von Halbleiterbausteinen, Diode und Transistor, optoelektronische Bauelemente, Mikroelektronik und integrierte Schaltungen Vorkenntnisse: Elektrizitätslehre aus der Unterstufe (3. und 4. Klasse) Elektrizitätslehre aus der 7. Klasse Grundlagen der Elektrotechnik aus der 7. Klasse Lernziele: Funktionsprinzip und Eigenschaften von Dioden und Transistoren Einweg- und Zweiweggleichrichtung mit Dioden Funktionsprinzip von optoelektronischen Bauelementen Verstehen von Schaltungen mit Transistoren 3

4 Theoretische Grundlagen: HALBLEITER: Halbleiter leiten bei Raumtemperatur Strom etwas besser als ein Isolator, aber schlechter als ein Metall. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren. Bei höheren Temperaturen oder durch Verunreinigungen (Dotierung) oder auch unter Lichteinfluss kann die Leitfähigkeit von Halbleitern gesteigert werden. Meist bestehen Halbleiter aus Silizium, Germanium, Selen, Galliumarsenid, Zinkselenid und Bleitellurid. In einem reinen Halbleiter wie Silizium sind die äußeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen. Sie werden von den Atomen gemeinsam benutzt, um kovalente Bindungen herzustellen. Diese Valenzelektronen sind nicht völlig frei beweglich, um elektrischen Strom zu transportieren. Durch Erhöhung der Temperatur oder durch Licht nimmt die kinetische Energie der Elektronen zu, sodass sich einige Elektronen aus dem Atomverband lösen können. Die Elektronen werden also aus dem sogenannten Valenzband in das Leitungsband angehoben. Im Valenzband bleiben dadurch Löcher (-> Defektelektronen) zurück, die als positive Ladungsträger betrachtet werden. Abbildung 1 DOTIEREN: Durch Einlagerung fremder Atome (Dotierung) mit einer anderen Anzahl von Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, entstehen entweder zusätzliche Elektronen (n-leiter) oder Löcher (p-leiter). Die Fremdatome beim n-leiter heißen Donatoren und beim p-leiter Akzeptoren. 4

5 Abbildung 2 Als Beispiel für einen n-leiter ist in dieser Abbildung Germanium (4 Valenzelektronen), das mit Arsen (5 Valenzelektronen) dotiert ist, dargestellt. Um einen p-leiter zu erhalten, kann man, wie abgebildet, Germanium mit Indium (3 Valenzelektronen) dotieren. Diode: Wenn man einen n- und p-leiter in Kontakt miteinander bringt, bilden sie eine Halbleiterdiode. Im Berührungsbereich entsteht eine Sperrschicht, da die freien Elektronen vom n-leiter mit den Löchern im p-leiter in diesem Bereich rekombinieren. Abbildung 3 5

6 Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-leiter und mit dem Minuspol an den p-leiter an, so werden weitere freie Ladungsträger aus der Grenzschicht verdrängt, wodurch sich die Sperrschicht vergrößert. Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom fließen -> Sperrrichtung Abbildung 4 Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungsträger in die Grenzschicht gedrängt. Es kann starker Durchlassstrom fließen -> Durchlassrichtung Abbildung 5 Kennlinien: Mit Hilfe der folgenden Schaltung, kann man die Kennlinie einer Diode ermitteln: Abbildung 6 6

7 Man trägt nun die Stromstärke (I), die man mit dem Amperemeter (A) misst, in Abhängigkeit von U D in ein Diagramm ein: Abbildung 7 Transistor: Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen. Beim npn- Transistor befindet sich eine dünne p-schicht (-> Basis) zwischen zwei n- Schichten (-> Emitter und Kollektor). Beim pnp-transistor liegt eine n-schicht zwischen zwei p-schichten. Jede Schicht trägt einen Kontakt. Abbildung 8 Legt man nun eine Basisspannung (U EB ) zwischen Emitter und Basis an, so fließen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Löcher in Richtung Emitter. Ein großer Teil der Elektronen diffundiert zur Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode, da die Basis sehr dünn ist. Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt und können dann zur positiven Elektrode fließen. Der vom Emitter zum Kollektor fließende Strom ist bis zu tausendmal größer als der Basisstrom vom Emitter zur Basis. Schaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um, sinkt der Kollektorstrom auf Null. 7

8 Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom: Abbildung 9 Schaltsymbole für Transistoren: Abbildung 10 8

9 Zusatzinformationen: Herstellung von Einkristallen und Dotierung: Zonenschmelzverfahren: Das kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt und zu großen Einkristallen umgeschmolzen. Dafür wir ein kristalliner Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen. Der Kristall wächst an der Grenzfläche fest-flüssig (Länge: 1 2 m, Durchmesser: cm) und gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das Ende des Kristalls. Dieser gezogene Einkristall wird in dünne Scheiben (-> Wafer) geschnitten. Dotierung: Man kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfen. Durch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung möglich. Herstellung eines npn-transistors mit Planartechnik: Abbildung 11 Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten, deren Oberfläche bei 1000 C oxidiert wird, wodurch sie zum Isolator wird. 9

10 Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen. Auf die Oberfläche wird mit UV-Licht eine Maske projiziert, wodurch die Oxidschicht an den belichteten Stellen weggeätzt wird. Das darunterliegende Silizium wird durch Bedampfung mit Bor p-leitend. Dieser Vorgang kann dann mit verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden, wodurch man komplexe Strukturen erzielen kann. Abschließend werden noch Leiterbahnen aufgedampft. Integrierte Schaltungen (IC -> integrated circuits): Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren auf ein Hundertstel. Die Entwicklung von integrierten Schaltungen ermöglicht eine weitere Verkleinerung. Auf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der Planartechnik hunderte ICs hergestellt. ICs enthalten mehrere Millionen Transistoren, Widerstände und Kondensatoren. Die nötigen elektrischen Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestellt. Abschließend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten. ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer, Digitaluhren und Videospiele ermöglicht. Außerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen, zum Beispiel bei Haushaltsgeräten, Fernsehern, Radios und Stereoanlagen. Sie werden auch in der Industrie, Medizin, Verkehrsregelung, Umweltüberwachung und Kommunikationstechnik eingesetzt. Zener- und Lawineneffekt: Der Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden, die in Sperrrichtung geschaltet ist, auf. Bei höherer Sperrspannung kann die Feldstärke in der Sperrschicht so groß werden, dass Elektronen aus ihren Bindungen gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungsträger erhöht (- > Zenereffekt). Bei hoher Sperrschicht kann außerdem die kinetische Energie der freien Ladungsträger so groß werden, dass sie durch Stoß weitere Ladungsträger freisetzen können (-> Lawineneffekt). Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-> Durchbruch- oder Zenerspannung) steil an. Der steile Anstieg des Stromes im Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung ausgenutzt. Leuchtdiode (LED -> light emitting diode): Sie dient zur Anzeige ( Display ) bei den verschiedenen Geräten, wie zum Beispiel Steuerungen, Uhren und Zähler aller Art. Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-bereich und Löcher aus dem p-bereich. Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt. Die Farbe des Lichts hängt vom Material der LED ab. 10

11 Photodiode und Phototransistor: Ihre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Sie lassen in Sperrrichtung einen Strom fließen, wenn Licht auf sie auftrifft. Dies kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder beispielsweise die Steuerung von TV-Geräten mittels Infrarot- Fernbedienung, außerdem werden Photodioden zur Lichtmessung (Kamera) verwendet. Die Empfangsbildröhren von Video- und Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip. In ihnen wird das vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip geführt, der die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen Bildschirm weitergibt. Optoelektronische Nachrichtenübertragung: Ein Sender (LED), der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt, sendet ein Lichtsignal aus. Dieses gelangt über einen Übertragungsweg (Vakuum, Luft, Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfänger (Photodiode, Photozelle, Phototransistor), der das Licht wieder in ein elektrisches Signal umwandelt. Solarzelle: Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode. Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie umgesetzt. Abbildung 12 Thyristor: Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn). Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient zum Schalten starker elektrischer Ströme. Er hat weitgehend das Relais ersetzt. Mit einer Spezialform des Thyristors, dem Triac, werden Wechselströme geschaltet. 11

12 Flip-Flop: Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung. Es leuchtet immer nur eines der beiden Lämpchen. L 1 leuchtet, L 2 leuchtet nicht, wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist, d.h. dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist. Daher ist Transistor 2 gesperrt und L 2 leuchtet nicht. Wird nun Transistor 1 durch Kurzschließen von seiner EB-Strecke gesperrt, dann erlischt L 1, Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen Spannung. Daher wird Transistor 2 leitend und L 2 leuchtet. Die Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null. Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2 gesperrt. Die Schaltung hat zwei stabile Zustände. Durch kurze Spannungsimpulse kann zwischen diesen beiden Zuständen umgeschaltet werden. Die Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher verwendet. 12

13 Feldeffekttransistor: Abbildung 13 Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) fließt fast kein Strom. Wenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate) anlegt, werden die Löcher weggedrängt und freie Elektronen aus den n- Gebieten angesaugt. Es entsteht ein leitender Kanal, der umso breiter ist und umso besser leitet, je höher die Spannung am Gate ist. Das elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom. Dafür ist sehr wenig Leistung erforderlich. 13

14 Versuche mit dem NTL-Baukasten: Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Si-Diode, 1 Lampenfassung, 1 Glühlampe, 2 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Versuchsdurchführung: Wir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung an. Versuchsergebnis: Wenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist, fließt Strom und das Lämpchen leuchtet. Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist, leuchtet das Lämpchen nicht. Zeit: ungefähr 5 Minuten 14

15 Kennlinien von Halbleiterdioden Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 100 Ω und 500 Ω, 1 Si-Diode, 1 Ge- Diode, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 14 15

16 Versuchsdurchführung: Wir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden. Dafür schalten wir die Dioden zuerst in Durchlassrichtung, dann in Sperrrichtung und messen die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung. Versuchsergebnis: (1) Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω. Wir schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung: Spannung in V Stromstärke in ma 0,1 0 0,2 0,3 0,3 1 0,4 3,5 0,5 7,5 0,6 18 0,7 35 Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein: Kennlinie einer Si-Diode Stromstärke in ma ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Spannung in V 16

17 Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung: Spannung in V Stromstärke in ma 5 0,2 10 0,4 15 0,5 20 0,7 25 0,85 Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen möchte, muss man einen anderen Maßstab für die Sperrrichtung wählen. (2) Wir wiederholen nun den gesamten Versuch, jedoch ersetzen wir jetzt die Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500 Ω Widerstand. Diode in Durchlassrichtung: Spannung in V Stromstärke in ma 0,1 0 0,2 2,3 0,4 30 0,

18 Kennlinie einer Ge-Diode 60 Stromstärke in ma ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Spannung in V Diode in Sperrrichtung: Spannung in V Stromstärke in ma 10 0,4 15 0,5 20 0,7 25 0,9 Zeit: ungefähr 15 Minuten 18

19 Einweggleichrichtung Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Si-Diode, 1 Glühlampe, 2 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 15 Versuchsdurchführung: (1) Wir verwenden zunächst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte Spannung händisch um. (2) Wir legen nun 9 V Wechselspannung an. Versuchsergebnis: (1) Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist, leuchtet das Lämpchen auf oder erlischt. (2) Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an, so führt immer nur eine Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss. Die einzelnen Stromstöße können wir jedoch aufgrund der Trägheit der Augen nicht erkennen. Zeit: ungefähr 10 Minuten 19

20 Zweiweggleichrichtung Brückenschaltung nach Graetz Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Glühlampe, 4 Si-Dioden,4 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 16 Versuchsdurchführung: Wir legen eine Wechselspannung von ca. 10 V an. 20

21 Versuchsergebnis: Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannung ausgenützt. Durch das Lämpchen fließt ein pulsierender Gleichstrom. Zeit: ungefähr 10 Minuten 21

22 Leuchtdiode (LED) Verwendete Materialien: Schaltplatte, 1 Lampenfassung, 1 LED rot, 1 Glühlampe, Widerstand 500 Ω, 2 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 17 Man muss noch zusätzlich einen Vorwiderstand einbauen, da sonst die LED kaputt wird! 22

23 Versuchsdurchführung: Wir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung. Versuchsergebnis: Ist die LED in Durchlassrichtung gesteckt, so leuchten die LED und das Glühlämpchen. In Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Glühlämpchen. Tipps: LEDs dürfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden! Zeit: ungefähr 5 Minuten 23

24 Zenerdiode Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Z-Diode 4,7 V, 1 Glühlampe, 1 Messinstrument, 4 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 18 Versuchsdurchführung: Wir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an, die wir von 0 auf 10 V erhöhen. Versuchsergebnis: Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca. 4,7 V. Trotz Erhöhung der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast konstant bei 4,7 V, wobei das Glühlämpchen trotz Sperrrichtung leuchtet. Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten Spannung ein Strom durch. Tipps: Man sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhöhen, da sonst die Zenerdiode kaputt werden könnte! Zeit: ungefähr 5 Minuten 24

25 Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 10 kω, 1 Lampenfassung, 1 pnp- Transistor Basis links, 1 Glühlampe, 2 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 19 Versuchsdurchführung: Wir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das Glühlämpchen mit und ohne Leitungsbaustein L. Versuchsergebnis: Wenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist, fließt kein Basis- Emitter-Strom und das Glühlämpchen leuchtet nicht. Wenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken, fließt ein Basis-Emitter- Strom, wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-Emitter- Strom zustande kommt. Das Glühlämpchen leuchtet! Zeit: ungefähr 5 Minuten 25

26 Der Transistor als Verstärker Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Widerstand 10 kω, 1 Widerstand 47 kω, 1 npn-transistor Basis links, 1 Glühlampe, 1 Messinstrument, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 20 Versuchsdurchführung: Wir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 ma) und Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 ma) bei einem Widerstand von 10 kω und dann von 47 kω: Kollektorstrom: bei 47 kω: 28 ma bei 10 kω: 29 ma Basisstrom: bei 47 kω: 0,2 ma bei 10 kω: 1 ma Versuchsergebnis: Die Kollektorstromänderung sollte ungefähr vierzigmal größer sein. Der Stromverstärkungsfaktor wäre dann gleich 40. Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein. Zeit: ungefähr 10 Minuten 26

27 Basisschaltung (Stromverstärkung) Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer 470 Ω, 1 Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 21 Versuchsdurchführung: Der Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 ma, der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen. Mit Hilfe des Potentiometers können wir den Emitterstrom I E regeln. Der entsprechende Kollektorstrom I C wird ebenfalls gemessen. Versuchsergebnis: I E in ma I C in ma Stromverstärkung: di di C E = 1 Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstärkungsfaktor kleiner als 1! Zeit: ungefähr 10 Minuten 27

28 Basisschaltung (Spannungsverstärkung) Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer 470 Ω, 1 Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 22 28

29 Versuchsdurchführung: Die Kollektor-Basis-Spannung U CE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung U BE mit dem anderen Voltmeter. Mit Hilfe des Potentiometers können wir die Kollektor-Basis-Spannung regeln. Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls gemessen. Versuchsergebnis: U CB in V U BE in V 1 0,65 3 0,55 Spannungsverstärkung: du CB = 20 du BE Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstärkung zwischen 100 und 1000 ergeben. Zeit: ungefähr 10 Minuten 29

30 Kollektorschaltung (Stromverstärkung) Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 100 Ω, 1 Widerstand 500 Ω, 1 Drehwiderstand 10 kω, 1 npn-transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 23 30

31 Versuchsdurchführung: Der Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 ma, der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemeter gemessen. Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-Basis- Strom I CB regeln. Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom I CE wird ebenfalls gemessen. Versuchsergebnis: I CB in ma I CE in ma 0,1 40 0,3 44 Stromverstärkung: di di CE CB = 20 Die Stromverstärkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und 500 liegen. Zeit: ungefähr 10 Minuten 31

32 Kollektorschaltung (Spannungsverstärkung) Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 100 Ω, 1 Widerstand 500 Ω, 1 Drehwiderstand 10 kω, 1 pnp-transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Versuchsaufbau: Abbildung 24 Versuchsdurchführung: Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung U CB regeln. Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung U CE wird ebenfalls gemessen. Versuchsergebnis: Bei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V, haben wir eine Kollektor- Emitter-Spannung von 6 V gemessen. Wir haben nur einen Wert gemessen und können daher die du CB Spannungsverstärkung nicht berechnen. du CE Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstärkung kleiner als 1. Zeit: ungefähr 10 Minuten 32

33 Zeitschalter Verwendete Materialien: Schaltplatte, Leitungen, 1 Schalter EIN-AUS, 1 Lampenfassung, 1 Kondensator 100 μf, 1 Kondensator 1000 μf, 1 Widerstand 1 kω, 1 Widerstand 10 kω, 1 npn-transistor Basis links, 1 Glühlampe, 2 Verbindungsleitungen, Stromversorgung. Versuchsaufbau: Abbildung 25 33

34 Versuchsdurchführung: Wir verwenden zuerst den Widerstand 1 kω und den Kondensator 1000 μf. Man schließt den Schalter, wodurch das Glühlämpchen leuchtet. Nach einigen Sekunden wird der Schalter wieder geöffnet. Wir bestimmen nun 34

35 wie viel Zeit zwischen dem Öffnen des Schalters und dem Erlöschen des Glühlämpchens vergeht. Wir ersetzen nun den Widerstand 1 kω durch den Widerstand 10 kω und den Kondensator 1000 μf durch den Kondensator 100 μf. Versuchsergebnis: C = 1000 μf und R = 1 kω: Zeit t = 47 Sekunden C = 1000 μf und R = 10 kω: Zeit t = 87 Sekunden C = 100 μf und R = 1 kω: Zeit t = 10 Sekunden Das Lämpchen kann nur dann leuchten, wenn ein Basisstrom fließt. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird der Kondensator aufgeladen. Wird der Schalter dann geöffnet, kann sich der Kondensator wieder entladen und es fließt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollständig entladen ist. Der Zeitschalter ermöglicht also, dass das Lämpchen bei Schließen und wieder Öffnen des Schalters für eine bestimmte Zeitdauer leuchtet. Zeit: ungefähr 10 Minuten Der Grund für unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich bei den ungenauen Messgeräten! 35

36 Arbeitsblatt Kennlinien von Halbleiterdioden Materialien: NTL-Baukasten Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 100 Ω und 500 Ω, 1 Si- Diode, 1 Ge-Diode, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Baue die Schaltung folgendermaßen auf: Abbildung 26 Versuchsdurchführung: Verwende zuerst die Si-Diode. Das Voltmeter (Messbereich 3 V =) misst die Spannung an der Diode, das Amperemeter (Messbereich 30 ma=) die Stromstärke. Lege nun eine Gleichspannung an, erhöhe sie langsam und trage die jeweilige Stromstärke in die Tabelle ein! 36

37 Spannung in V Stromstärke in ma 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Führe nun den Versuch mit der Ge-Diode durch! Spannung in V 0,1 0,2 0,4 0,5 Stromstärke in ma 37

38 Arbeitsblatt Basisschaltung (Stromverstärkung) Materialien: NTL-Baukasten Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer 470 Ω, 1 Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Baue die Schaltung folgendermaßen auf: Abbildung 27 Versuchsdurchführung: Der Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 ma, der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen. Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den Emitterstrom I E regeln. Den entsprechenden Kollektorstrom I C trägst du in die Tabelle ein: I E in ma 2 10 I C in ma Stromverstärkung: di di C E = 38

39 Arbeitsblatt Basisschaltung (Spannungsverstärkung) Materialien: NTL-Baukasten Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer 470 Ω, 1 Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung Baue die Schaltung folgendermaßen auf: Abbildung 28 Versuchsdurchführung: Die Kollektor-Basis-Spannung U CE wird mit dem Voltmeter mit Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung U BE mit dem anderen Voltmeter. Mit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-Basis- Spannung regeln. Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung trägst du in die Tabelle ein: 39

40 U CB in V U BE in V 1 3 Spannungsverstärkung: du du CB BE = 40

41 Quellenverzeichnis: Theoretische Grundlagen (S. 4-8), Zusatzinformationen (S. 9-13): PHYSIK 3 (Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler) S Microsoft Encarta Professional 2002 Praktikum der Physik (Walcher) S. 281 WinFunktion 2000 Physik & Astronomie Versuche mit dem NTL-Baukasten: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 (M. Bernhard, S. Jezik) Abbildungsnachweis: Abbildungen 3 5, 7 13, 16: PHYSIK 3 (Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler) S Abbildungen 1, 2: Microsoft Encarta Professional 2002 Abbildungen 6,14, 15, 17 28: Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 (M. Bernhard, S. Jezik) 41