Physikalisches Grundpraktikum für Physiker/innen Teil I. Elektronik

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1 Fachrichtungen der Physik UNIVERSITÄT DES SAARLANDES Physikalisches Grundpraktikum für Physiker/innen Teil I WWW-Adresse Grundpraktikum Physik: 0H0Hhttp://grundpraktikum.physik.uni-saarland.de/ Kontaktadressen der Praktikumsleiter: Dr. Manfred Deicher Zimmer: 1.11, Gebäude E H1Hmanfred.deicher@tech-phys.uni-sb.de Telefon: 0681/ Dr. Patrick Huber Zimmer: 3.23, Gebäude E H2Hp.huber@physik.uni-saarland.de Telefon: 0681/

2 EL 2 1. Stoffgebiet - Freie Ladungsträger - Raumladungen - Röhren (Diode, Triode) - Halbleiter - Bändermodell - Halbleiterdioden - Transistoren (bipolar (npn, pnp), unipolar (FET)) - Gleichrichtung von Wechselspannungen - Modulation, Demodulation - Verstärker CASSY -Lab 2. Literatur - Gerthsen, C., Meschede, D. 21. Auflage, Springer-Verlag, Bergmann-Schäfer Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2, Elektrizität und Magnetismus 8. Auflage, de Gruyter-Verlag, U. Tietze, Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Springer-Verlag - R. Müller Halbleiter-, Band 1, Grundlagen der Halbleiter- Band 2, Bauelemente der Halbleiter- Springer-Verlag, CASSY -Anleitung -Eichler / Kronfeldt / Sahm Das neue physikalische Grundpraktikum Springer, K.-H. Rohe. für Physiker. Teubner Studeinbücher, Physik

3 EL 3 3. Fragen 1. Man erkläre vier Möglichkeiten, freie Elektronen zu erzeugen. 2. Wie läßt sich die Bahn freier Elektronen beeinflussen? Erklärung! 3. Erklären Sie die Wirkungsweise einer Röhrendiode. Skizzieren Sie eine Schaltung, um die I-U-Charakteristik aufzunehmen; skizzieren und erläutern Sie die Kennlinie. 4. Erklären sie die Wirkungsweise einer Triode. Wie sieht das Kennlinienfeld einer Triode aus? Welche Information können aus dieser Kennlinie herausgelesen werden? Zu welchem Zweck werden Trioden eingesetzt? Nennen Sie wichtige Anwendungsgebiete für Röhren. 5. Wie ist der Leitungsmechanismus im Metall und im Halbleiter zu erklären? Geben Sie den Unterschied zwischen Halbleiter und Isolator an. Nennen Sie Halbleitermaterialien. 6. Wie ändert sich der Widerstand eines Metalls, eines Halbleiters, eines Isolators mit der Temperatur? Erklären Sie die Begriffe Eigenleitung, Dotierung und p-n- Übergang. 7. Erläutern Sie die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode. Skizzieren Sie eine Schaltung, um die I-U-Charakteristik aufzunehmen. Skizzieren und erläutern Sie die Kennlinie. 8. Wie kann man pulsierenden Gleichstrom herstellen? Geben Sie eine Schaltung für einen Einweg- und für einen Vollweg-Gleichrichter an und erläutern Sie diese. Wie läßt sich der gleichgerichtete Strom glätten? 9. Erläutern Sie die Wirkungsweise eines (Bipolar-)Transistors. Warum muß die Basis sehr dünn sein? Skizzieren Sie eine Schaltung, um die I C -U CE - Charakteristik aufzunehmen. Skizzieren und erläutern Sie die Kennlinie. 10. Geben Sie Verwendungsmöglichkeiten eines Transistors an. Erklären sie die Begriffe Arbeitspunkt, Arbeitsgerade und Verstärkung beim Transistorverstärker. Erläutern Sie die Unterschiede der drei Transistorschaltungen.

4 EL 4 4. Grundlagen Als Halbleiter bezeichnet man elektrisch leitende Stoffe, deren Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen verschwindet. Der Leitungsmechanismus erklärt sich folgendermaßen: Durch thermische Energie können etliche Bindungen zwischen Gitterbausteinen aufspringen. Man erhält freie Elektronen und Fehlstellen, wo diese Elektronen abgetrennt werden; diese Fehlstellen heißen Defektelektronen oder "Löcher". In einem solchen eigenleitenden (intrinsic) Halbleiter befinden sich also zwei Ladungsträgersorten, E- lektronen und Löcher. Ihre Anzahl ist eine Funktion der Temperatur. Durch Eindiffundieren oder Ionenimplantationen lassen sich Fremdatome in ein Gitter einbauen. Dadurch wird eine Ladungsträgersorte angereichert, der Halbleiter wird dotiert. Erzeugt man einen Elektronenüberschuß, spricht man von einem n-leiter, erzeugt man einen Elektronenmangel, spricht man von einem p-leiter. 4.1 Diode Bringt man nun einen p-leiter und einen n-leiter in innigen Kontakt, so diffundieren Ladungsträger vom Überschußgebiet ins Mangelgebiet und rekombinieren. Dieser Strom wird Diffusionsstrom I S genannt. Die Kontaktzone wird so ladungsträgerfrei und bildet einen guten Isolator. Die Anordnung besitzt also einen hohen Widerstand; sie sperrt (Abb. 1a)). a) b) c) Abb. 1: Ladungsträgerverteilung einer p-n-halbleiterdiode

5 EL 5 An der Sperrschicht wird durch ortsfeste Ladungen ein elektrisches Feld aufgebaut, das ein weiteres Diffundieren der Ladungsträger verhindert. Legt man nun an die Anordnung eine Gleichspannung U a mit positivem Pol an die p-zone und mit negativem Pol an die n-zone (Abb. 1b)), so wird das erwähnte Feld durch das angelegte Feld ü- berkompensiert, d.h. die Sperrschicht wird leitend. Der Strom läßt sich angeben mit: (1) I = I ( e kt 1 ) S e0u0 mit dem sog. Sperrstrom I S. Dieser Sperrstrom kann nur von Elektronen aus der p- Zone bzw. von Löchern aus der n-zone gebildet werden; da diese Ladungsträger dort jeweils in der Minderheit sind, spricht man von einem Minoritätsstrom. Die Ladungsträger verdanken ihre Entstehung dem Eigenleitungsmechanismus, der stark temperaturabhängig ist, d.h. es gilt I S = I S (T). Wegen des differentiellen Widerstandes R = du der Diode läßt sich der Strom nicht di grenzenlos vergrößern, da die an dem Widerstand entstehende Joule'sche Wärme 2 ( I R ) den Kristallaufbau und damit die Diode zerstört. Polt man die Anschlüsse um, so bildet sich die Sperrschicht stärker aus (Abb. 1c)). Im wesentlichen fließt nur ein sehr geringer Sperrstrom, bis das angelegte Feld zum Durchschlag der Sperrschicht führt. Die I-U-Kennlinie einer Diode ist in Abb. 2 dargestellt. Abb. 2: Diodenkennlinie Sorgt man beim Durchbruch für Wärmeabfuhr, so kann man in diesem Bereich die Diode zur Spannungsstabilisierung benutzen (Zenerdiode). Aus Abb. 2 sieht man sofort, daß man die Diode zur Gleichrichtung von Wechselströmen ausnutzen kann:

6 EL 6 Abb. 3: Einweggleichrichtung Durch obige Schaltung erhält man einen pulsierenden Gleichstrom, der sich durch einen Kondensator parallel zum Verbraucher glätten läßt. Abb. 4: Glättung durch Kondensator Diese Gleichrichterschaltung ist eine Einweg-Gleichrichtung. Der Wirkungsgrad einer solchen Gleichrichtung läßt sich verdoppeln, wenn man eine VollwegGleichrichtung benutzt (Graetzbrücke). Abb. 5: Gleichrichtung mit Graetzbrücke

7 EL 7 Durch Glätten mit einem Kondensator erhält man dann die Einhüllende des Wechselstromes. Durch Gleichrichten und Glätten eines hochfrequenten Wechselstromes lassen sich niederfrequentere Amplitudenänderungen der Wechselspannung herausfiltern (demodulieren). Abb. 6: Schritte bei der Demodulation eines mit einem Sinus modulierten Hochfrequenzsignals Dies läßt sich zur Übertragung von hörbaren Frequenzen (20 Hz bis 20 khz) ausnutzen. Man baut einen Schwingkreis aus einer Parallelschaltung einer Spule und eines abstimmbaren Kondensator. Unter der Bedingung (2) ω = 2π ν = 1 L C erhält die Impedanz ihren Extremwert, d.h. für diese Frequenz läßt sich die Eingangs- Spannung maximal abgreifen. Diese Spannung wird gleichgerichtet, geglättet und verstärkt. Abb. 7: LC-Parallel-Schwingkreis

8 EL 8 Abb. 8: Prinzipschaltbild eines einfachen AM-Rundfunkempfängers 4.2 npn- und pnp-transistor (Bipolartransistor) Ein npn-transistor besteht aus einem Halbleiterkristall, der in drei Bereiche aufgeteilt ist: einen n-leitenden, einen p-leitenden und wieder einen n-leitenden. Die geometrische Anordnung dieser drei Bereiche ist bei den verschiedenen Transistoren sehr unterschiedlich; wir nehmen hier zur Vereinfachung an, daß sie in folgender Art hintereinander liegen. Abb. 9: Aufbau und Schaltbild eines Bipolartransistors Es gibt Transistoren, bei denen die mittlere Schicht n-leitend, die beiden äußeren p- leitend sind; sie werden pnp-transistoren genannt. Die folgenden Untersuchungen sind auch für sie gültig, nur sind sämtliche Ströme und Spannungen umzukehren.

9 EL 9 Legt man beim npn-transistor zwischen Emitter und Kollektor eine Gleichspannung, und zwar mit dem Plus-Pol am Kollektor, so fließt ein Strom, dessen Stärke von der geometrischen Breite und der Vorspannung der Basis abhängt. Bezieht man im folgenden alle Spannungen auf den Emitter als Spannungsnullpunkt, so gilt: 1. Für Basisspannung U BE <U L, wobei U L die Knickspannung der Basis-Emitter-Diode ist (Ge: UL 03, V, Si: UL 06, V bis 0,7V), sind beide p-n-übergänge gesperrt, da die Basis negativer als der Kollektor ist und da die Basis-Emitter-Spannung zu niedrig ist, um die Emitter-Diode durchzusteuern. 2. Für U BE >U L ist die Emitterdiode leitend, und solange U BE <U CE ist, ist die Kollektordiode gesperrt. Da die Emitterdiode leitet, fließt ein Strom I E, dessen Stärke von U BE abhängt, aus der Basis in den Emitter, d.h. aus dem n-leitenden Emitter fließen Elektronen in das Basisgebiet. Dieser Strom kann ziemlich hohe Werte erreichen, sobald U BE deutlich größer als U C wird. Dadurch bildet sich an der Emitter-Basis- Grenzschicht eine große Elektronenkonzentration. Ist nun die Dicke der Basis geringer als die Diffusionslänge der Elektronen, so geraten sie in den Bereich der Basis-Kollektor-Grenzschicht, die wegen U CE >U BE für Elektronen durchlässig ist. Somit fließt der größere Teil der Elektronen ab zum Kollektor, und nur ein geringer Teil fließt über den Basisanschluß als Basisstrom I B ab. Der Kollektorstrom I C ergibt sich somit als (3) IC = IE IB. Nimmt man an, daß ein Bruchteil α (typisch 0,95 bis ) der vom Emitter ausgesandten Elektronen vom Kollektor aufgesammelt wird, so gilt also: (4) I = α I = I I oder C E E B α (5) IC = β IB mit β =. 1 α β wird Stromverstärkungsfaktor in Emitterschaltung genannt und hat üblicherweise Werte zwischen 20 und 2000, so daß kleine Basisstromänderungen große Kollektorstromänderungen hervorrufen: Der Transistor arbeitet als Stromverstärker. 3. Für U BE >U CE sind beide p-n-übergänge in Durchlaßrichtung gepolt. Wegen der hier fließenden großen Ströme kann dieser Betrieb zur Zerstörung des Transistors führen und ist daher zu vermeiden.

10 EL 10 Kennlinien-Aufnahme: Abb. 10: Elektrische Bezeichnungen beim Transistor Zur Kennlinien-Aufnahme hält man jeweils die Basisspannung (Basisstrom I B ) U BE konstant und trägt den Kollektorstrom I C in Abhängigkeit von der Kollektorspannung U CE auf. So erhält man die in Abb. 11a) gezeigte Kennlinienschar I C = f(u CE, U BE ). Hält man die Kollektorspannung U CE konstant, z. B V, so erhält man die in Abb. 11b) gezeichnete Kennlinie I C = f(u BE ) bei U CE = -0.6 V. Abb. 11: Beispiel der Kennlinienschar eines Transistors

11 EL 11 Hierzu sei bemerkt, daß man diese Kennlinie auch aus Abb. 11a) konstruieren kann. Man projiziert die Punkte P 1, P 2 usw. auf die zugehörigen Basisspannungen, z. B. auf U BE = -300, -280 mv usw. und erhält so die Punkte P' 1, P' 2 usw., also die Punkte der vorgenannten Kennlinie. Transistor als Verstärker (Emitterschaltung, npn-transistor): Betrachtet man den Transistor als Vierpol, der zwei Anschlüsse für die zu verstärkende Eingangsspannung und zwei Anschlüsse für die verstärkte Ausgangsspannung hat, so muß, da der Transistor ja nur drei Anschlüsse hat, einer sowohl im Eingangs- als auch im Ausgangskreis verwendet werden. Je nachdem, welcher Anschluß bestimmt wird, spricht man von Emitter-, Basis- oder Kollektorschaltung (siehe Tab. 1). Hier soll die Emitterschaltung untersucht werden. Abb. 12: Verstärker mit Transistor in Emitterschaltung Bei der Emitterschaltung ist der Emitter der gemeinsame Anschluß für Eingangs- und Ausgangskreis. Nach (5) hat man eine Stromverstärkung V = I C /I B. Mit einem Eingangswiderstand des Transistors r e und einem Lastwiderstand R L in der Kollektorleitung erhält man als Spannungsverstärkung:

12 EL 12 (6) U0 = UCE + RL IC UBE = re IB UCE R L IC R V:= = = U r I r BE E B L E β Die RC-Kombination zwischen Emitter und 0 dient zur Stabilisierung der Schaltung und kann bei Ansteuerung mit Wechselspannung vernachlässigt werden. Der Arbeitspunkt des Transistors ist dadurch bestimmt, daß er sowohl auf der Kennlinie des Transistors als auch wegen (6) auf der Geraden (7) I C = U 0 U R L CE liegen muß. Abb. 13: Arbeitspunkt des Transistors (von der gesamten Kennlinienschar sind nur fünf Repräsentanten eingezeichnet) Lineare, also nicht verzerrende Verstärkung erhält man nur, wenn der ganze Bereich, innerhalb dessen der Transistor angesteuert wird, im nicht-schraffierten Bereich liegt. Daher muß insbesondere der Arbeitspunkt A dort liegen. Die Spannungsverstärkung V e ergibt sich dann als Verhältnis der Variation der Ausgangsspannung U A zur Variation der Eingangsspannung U E : (8) V e U = Δ ΔU A E.

13 EL 13 Abb. 14: Verstärkung einer sinusförmigen Spannung (4-Quadrantenkennlinienfeld) Größe Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung Stromverstärkung β = α = etwas kleiner 1 γ = Spannungsverstärkung V u = V u = V u = kleiner 1 Leistungsverstärkung V p = V p = V p = Eingangswiderstand r ie =20Ω...5kΩ r ib =5Ω...200Ω r ic =10kΩ...1MΩ Ausgangswiderstand r 0e =200Ω...100kΩ r 0b =200Ω...100kΩ r 0c =10Ω...1kΩ Obere f β =10kHz...100MHz f α =100kHz...500MHz f γ =10kHz...100MHz Grenzfrequenz Vorwärtssteilheit γ te =0.5mS...150mS γ tb =10mS...180mS γ tc =100mS mS Tab. 1: Eigenschaften der Transistor-Grundschaltungen

14 EL Feldeffekttransistor (FET) Im ersten Teil dieser Versuchsanleitung wurden bereits pnp- und npn-transistoren anhand eines einfachen Modells beschrieben. Diese beiden Transistortypen werden auch als 'Bipolartransistoren' bezeichnet, da ihr Funktionsmechanismus aus dem Zusammenwirken von Minoritäts- und Majoritätsladungsträgern resultiert (bi = zwei). In diesem Kapitel nun wollen wir uns mit Unipolartransistoren befassen und als einen Vertreter hiervon den Sperrschicht(junction)-Feldeffekttransistor (JFET) kennenlernen. Wie die Bezeichnung 'unipolar' bereits aussagt, wird das Verhalten dieser Bauteile durch nur eine Ladungsträgerart, die Majoritätsträger, bestimmt. Abb. 15 zeigt den schematischen Aufbau eines JFET's: Abb. 15: Schematischer Aufbau eines JFET's Die Anschlußbezeichnungen bedeuten: S: Source, D: Drain, G: Gate. Inwiefern diese Bezeichnungen sinnvoll sind, werden wir bald verstehen. Betrachten wir hierzu zunächst den FET in folgender Schaltung (Abb. 16): Abb. 16: Elektrische Bezeichnungen beim FET

15 EL 15 Wir wollen bei einer Gate-Source Spannung U GS von 0 V die Drain-Source- Spannung U DS von 0 V bis 10 V variieren. Was geschieht? Zunächst werden wir einen linearen Strom-Spannungszusammenhang feststellen, denn das n-dotierte Material, an dem U DS anliegt, verhält sich wie ein ohm'scher Widerstand. Demgemäß stellt sich aber auch zwischen a und b (siehe Abb. 17) ein Spannungsabfall ein, durch den die beiden p-n- Übergänge, die den Kanal einrahmen, in Sperrichtung vorgespannt werden. Aus dem Gleichgewicht zwischen felderzeugtem Konvektionsstrom (mit der Stromdichte j σ E) und dem Diffusionsstrom, dessen Stromdichte sich zu E = (9) j D N D =± x q ergibt, folgt (10) σ p N p ( E0 + E1) = q Dp (hier für p-ladungsträger). x Es bedeuten: σ = q μ N p p p mit q: Elementarladung, μ p : Löcherbeweglichkeit, N p : Löcherkonzentration und E 0 : Feld verursacht durch Raumladung E 1 : Durch Spannungsabfall über den Kanal verursachte Feldkomponente D p : Diffusionskoeffizient. Die analoge Gleichung gilt für n-ladungsträger. Der Spannungsabfall über den Kanal ist so gerichtet, daß sich die von ihm verursachte Feldkomponente E 1 der Raumladungskomponente E 0 konstruktiv überlagert. Entsprechend Gleichung (10) findet Nachdiffusion bis zum Gleichgewicht statt: die Sperrschicht weitet sich aus. (siehe Abb. 17). Da sich innerhalb der Sperrschicht keine freien Ladungsträger befinden, hat sich der effektive Kanalquerschnitt verkleinert, und somit ist der ohm'sche Widerstand der Strecke Source-Drain gestiegen. Abb. 17 versucht die Geometrie etwas zu veranschaulichen. Die Unsymmetrie der p-n-übergänge beruht auf dem Potentialgefälle von b nach a (Bem.: da U GS = 0 V, liegen Source und Gate auf gleichem Potential). Mit steigendem U DS und somit (zunächst) steigendem I D, schnürt sich der Kanal selbst zu: der Strom- Spannungszusammenhang bleibt nicht linear, er zeigt Sättigungscharakteristik.

16 EL 16 Abb. 17: Geometrie des FET's Bisher haben wir den FET bei einer Spannung von UGS = 0 V betrieben. Nun betrachten wir eine Schaltung gemäß Abb. 18. Abb. 18: Schaltung eines FET's mit UGS 0 V Wir halten U DS konstant und polen U GS so, daß die p-n-übergänge in Sperrichtung betrieben werden. Dann gilt entsprechend obigen Ausführungen in Gleichung (10): (11) E = E + E + E eff 0 1 GS, d.h. mittels U GS kann Einfluß auf die Kanalbreite und damit auf den Drainstrom I D genommen werden; der FET läßt sich mittels U GS steuern. Bei hinreichender Größe von -U GS (etwa 2 bis 3 V), kann der Kanal sogar völlig abgeschnürt werden (Pinch-Off Spannung U p ).

17 EL 17 Dadurch, daß die p-n-übergänge beim FET in Sperrichtung betrieben werden, bleibt der Gatestrom sehr gering. Hieraus resultieren die sehr hohen Eingangswiderstände von FET-Schaltungen. Im Unterschied zum Bipolartransistor, der durch den Basisstrom gesteuert wird, wird der FET durch die Gate-Source-Spannung gesteuert. Im weiteren Gegensatz zum Bipolartransistor stellt der FET in der Tat zwischen Source- und Drain- Anschluß einen gesteuerten Widerstand dar. Anmerkungen : 1) Wir haben hier den n-kanal-fet besprochen. Analog zu npn- und pnp- Transistor gibt es auch n-kanal und p-kanal-fet's. Desweiteren gehören zur Familie der FET's noch die wichtige Gruppe der MOSFET's mit ihren verschiedenen Aufbauformen. 2) Praktisch alle Bauelemente in modernen Rechnern (Speicher, Chips, CPU) sind aus unipolaren Transistoren (FETs) aufgebaut. Leistungselektronik kommt ohne bipolare Transistoren nicht aus.

18 EL Versuchsdurchführung Alle Messungen sind mit CASSY -Lab durchzuführen. Neben den Meßprotokollen sollte auch immer eine Skizze des verwendeten experimentellen Aufbaus angefertigt werden!! Aufgabe 1: Bau eines Netzgerätes Abb. 19: Schaltung zum Bau eines Netzgerätes Ein Transformator und zwei Sicherheitswiderstände befinden sich schon im Kasten installiert. Stecken Sie zuerst einen Einweg- und dann einen Graetzgleichrichter mit: a) ohne C und ohne R, b) mit kleinem C und ohne R, c) mit großem C und ohne R, c) mit kleinem C und R, d) mit großem C und R. Zeichnen Sie Ihre Beobachtungen mit Power/Sensor- CASSY auf (Achsenbeschriftungen und Skalierungen eintragen) und erklären sie die Unterschiede in den Bildern.

19 EL 19 Aufgabe 2: Aufnahme von Kennlinien Nehmen Sie mittels Sensor- CASSY die I = f(u)-kennlinien folgender Bauteile auf: a) Ohm'scher Widerstand (Bestimmen Sie zusätzlich den Widerstandswert), b) zwei normale Dioden (Entscheiden Sie, bei welchem Bauteil es sich um die Germanium- und bei welchem es sich um die Silizium-Diode handelt), c) Zener-Diode (Bestimmen Sie die Zenerspannung), d) Transistor als Referenzdiode (Welcher Spannungswert kann so stabilisiert werden?) Fertigen Sie zunächst eine Skizze des Versuchsaufbaus an und besprechen Sie diesen mit dem zuständigen Versuchsbetreuer! Wie muß der zeitliche Verlauf der Spannung aussehen, um die I = f(u)-kennlinien der aufgeführten Bauteile aufnehmen zu können? Anmerkung zu Aufgabe 2d): Wegen des hohen Dotierungsgefälles zwischen Basis- und Emitterzone tritt bereits bei relativ geringen Sperrspannungen (einige Volt) an der Basis-EmitterDiode Tunneleffekte auf (sehr starke Bandverbiegung). Abb. 22: Schaltung des Transistors als Referenzdiode Aufgabe 3: Transistorkennlinien a) Nehmen Sie die Ausgangskennlinie des npn-transistors auf ( IC = f( UCE) I B ). b) Konstruieren Sie aus dieser Kennlinie die Kennlinie IC = f( IB) U CE (Übertragungskennlinie) und bestimmen Sie den Stromverstärkungsfaktor B. I (12) B = Δ ΔI C B U CE c) Nehmen Sie die Kennlinie ID = f( UDS) U GS des n-kanal FET's auf. d) Nehmen Sie die Steuerkennlinie auf ( ID = f( UGS) U DS ). Berechnen Sie hieraus die maximale Vorwärtssteilheit.

20 EL 20 Anleitung: Meßanordnung: zu a) und c) zu d): Abb. 23: Meßanordnung zur Aufnahme der Transistorkennlinien Im Prinzip ist die Schaltung wie im Falle des npn-transistors aufzubauen, allerdings ist der 150 Ω -Widerstand zu berücksichtigen. Die 5V sind dem Power-Cassy zu entnehmen und die in der Abb. 23 gezeigten Abgriffe X, Y sollen dem Sensor-Cassy zugeführt werden.

21 EL 21 Die Vorwärtssteilheit S ist definiert durch I (13) S = U D GS U DS. Mit der Übertragungsgleichung eines FET UGS (14) ID = IDS ( 1 ) U erhält man 2 ID (15) S = 2 ( UGS UP ) = IDS I U U P P 2 P Die Steilheit S S = S(I DS ) ist die beim FET im Normalbetrieb größtmögliche. Sie beträgt: D (16) S S IDS = 2. Up Abb. 24 zeigt die Bedeutung von U P und I DS. Abb. 24: Kennlinie des FET und Steilheit

22 EL 22 Aufgabe 4: Der Transistor als Verstärker Abb. 25: Schaltung des Transistor-Verstärkers Bem.: Die Eingangsspannung U E wird mit dem Netzgerät aus Aufgabe 1 bereitgestellt. Die Spannungen U E /U sollen mit dem Cassy gemessen werden, um A daraus die Verstärkung V zu bestimmen. a) Messen Sie die Verstärkung V für verschiedene Lastwiderstände R 3. b) Diskutieren Sie das Zustandekommen der Spannungsverstärkung anhand des 4- Quadrantenkennlinienfeldes. c) Sie wollen mit dem FET Spannungsverstärkung betreiben. Die Versorgungsspannung betrage 12 V, das Eingangssignal 1 V SS (Volt Spitze-Spitze). Legen Sie im Kennlinienfeld einen 'sinnvollen' Arbeitspunkt fest; zeichnen Sie eine 'vernünftige' Lastgerade ein. Welcher Wert ergibt sich hieraus für R D? Welche Spannungsverstärkung besitzt die so dimensionierte Stufe? Durch welche einfache Maßnahme können Sie den gewählten Arbeitspunkt einstellen? Fertigen Sie eine Schaltskizze der Stufe an. Aufgabe 5: Bau eines AM(Amplituden-modulierten)-Rundfunkempfängers

23 EL 23 Bauen Sie ein Radio aus Schwingkreis, Germaniumdiode, NF - (Niederfrequenz)- Verstärker und Kopfhörer auf (Abb. 26a)). Beschreiben Sie die Funktionsweise des AM-Empfängers in wenigen Worten. Warum findet eine Germanium-Diode Verwendung? Betrachten Sie HF(Hochfrequenz) vor der Demodulator-Diode, NF nach der Diode und das Signal nach dem Verstärker mit dem Oszillografen und skizzieren Sie die Bilder. Wie selektiert man einen speziellen Sender? a) b) Abb. 26: Prinzipschaltbild zweier Realisierungsmöglichkeiten eines einfachen AM- Empfängers mit: a) Niederfrequenz(NF-), b) Hochfrequenz(HF-)verstärker Anmerkung: Um einen ordentlichen Empfang zu erhalten, ist der Anschluß einer Außenantenne sehr zweckmäßig.

24 EL Versuchsausstattung - 1 Transformatorschaltung mit Einsteckbuchsen für Gleichrichter, C und R - 1 Einweggleichrichter - 1 Graetzbrücke - 1 Schaltbrett Transistor-Verstärker - 1 Schaltbrett AM-Empfänger mit Verstärker, Kopfhörer und Antenne - 1 Ohm'scher Widerstand - 1 Ge-Diode - 1 Si-Diode - 1 Zener-Diode - 1 Referenzdiode (Transistor) - 1 npn-transistor - 1 FET - Diverse Widerstände und Kondensatoren - 1 Sensor-CASSY - 1 Power-CASSY - Computer - Drucker - CASSY -Lab