Physik-Praktikum: TRA1

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1 Physik-Praktikum: TRA1 1. Versuh: Ausgangskennlinie Messung der Ausgangskennlinie I C f U CE IB für I B 0,1 ma, 0,3 ma, 0,5 ma. Aufbau (bei allen vier Versuhen) Siehe Shaltbild. Strom- und Spannungsmessungen werden mit Keithley 129 Digitalmultimetern vorgenommen. Durhführung Mit fest eingestelltem Basisstrom wird die Emitter-Kollektor-Spannung in Shritten von 0,1 V erhöht und jeweils der Kollektorstrom gemessen. Ermitteln Sie den Stromverstärkungsfaktor B für U CE 3 V (Mittelwert). Der Strom wird 188 1,9 -fah verstärkt (Mittelwert). (bei allen 3 Kennlinienmessungen) Einshwingzeit der Shaltung Anzeige der Digitalmultimeter shwankt 2. Versuh: Eingangskennlinie I C I B aus den drei Ausgangskennlinien Messung der Eingangskennlinie I B f U BE U CE des Transistors für U CE 0 V, 3 V. Durhführung Bei fester Emitter-Kollektor-Spannung wird die Emitter-Basis-Spannung in 0,05 V-Shritten erhöht und jeweils der Basisstrom gemessen. Tragen Sie die Eingangskennlinie U CE 0 V im halblogarithmishen Maßstab auf. Aus der Steigung des Graphen ist die Betriebstemperatur des Transistors sowie die Größenordnung des Sperrstroms zu ermitteln. Siehe Blatt. Temperatur: Basis-Emitter-Streke als Diode; I B I 0 e e U k B T Siehe Ausgangskennlinie. 3. Versuh: Steuerkennlinie Messung der Steuerkennlinie I C f U BE U CE des Transistors für U CE 3 V.

2 Durhführung Bei fester Emitter-Kollektor-Spannung wird die Emitter-Basis-Spannung in 0,05 V-Shritten erhöht und jeweils der Kollektorstrom gemessen. Siehe Ausgangskennlinie. 4. Versuh: Diodenkennlinie der Basis-Emitter-Streke Messung der Diodenkennlinie (wenn möglih; auf jeden Fall Durhbruhspannung) der Basis-Emitter- Streke. Aufbau An die Spannungsquelle wird der Transistor mit Emitter und Basis so angeshlossen, dass die Emitter- Basis-Diode in Sperrihtung betrieben wird (beim vorliegenden pnp-transistor also die Basis an den Pluspol und den Emitter an den Minuspol); in den Stromkreis (hier: an den Pluspol der Spannungsquelle) wird ein 10 kω-widerstand zur Strombegrenzung angeshlossen. An die Basis wird direkt ein Amperemeter (Digitalmultimeter, s.o.) zur Messung des Stroms und zwishen Amperemeter und Widerstand auf der einen und dem Emitter auf der anderen Seite ein Voltmeter zur Spannungsmessung angeshlossen, die Messung ist also stromrihtig. Durhführung Die Basis-Emitter-Spannung wird in 0,05 V-Shritten erhöht und der Sperrstrom der Diode gemessen, bis die Diode durhshaltet. Diese Durhbruhspannung wird möglihst genau bestimmt; Ergebnis: 7,18 0,02 V. Auf höhere Spannungen wird verzihtet, weil sih dabei der Strom niht ändert, die Diode ist praktish widerstandslos (im Vergleih zu den anderen Widerständen im Stromkreis), der Strom wird nur noh vom 10 kω-widerstand bestimmt. Empfindlihkeit der Messgeräte: es konnte kein Sperrstrom gemessen werden. Deshalb lässt sih die Durhbruhspannung nur grob bestimmen, weil der Bereih, in dem das Amperemeter einen Strom kleiner als der Strom nah dem Durhbruh anzeigt, sehr klein ist, das Amperemeter shwankt stark, die Spannung ist shwierig einzustellen. Nah dem Diodendurhbruh blieb der Strom konstant, weil dann der Widerstand im Stromkreis den Strom bestimmte (für Messung bräuhte man Diode und einen Stromkreis, die sehr hohe Ströme aushalten (Kühlung?) und eine Spannungs-/Stromquelle, die diesen hohen Strom liefern kann). 5. Warum wurden von den in Abb. 10 (a), (b) und () gezeigten Shaltungen jeweils die rehten Shaltungen verwendet? Gemessen wurde nur mit den drei Digitalmultimetern (und Strom bzw. Spannung so geregelt, dass diese den rihtigen Wert anzeigen); also sind nur deren Innenwiderstände relevant, die Innenwiderstände der Einbauinstrumente des 0-15 V-Netzgeräts spielen daher keine Rolle. Die bei den drei Abbildungen jeweils rehten Messshaltungen sind spannungsrihtige Shaltungen, bezogen auf den Transistor (im Gegensatz zu den linken, die stromrihtig messen). Eingestellt wurden jeweils Spannungen in der Größenordnung 1 V, die gemessenen Ströme waren in der Größenordnung 1 ma (bei der Eingangskennlinie sogar noh darunter); das ergibt für den Transistor einen Widerstandswert zwishen Kollektor und Emitter im Bereih von

3 U V R I ma m. Der Innenwiderstand der Multimeter beträgt bei der Spannungsmessung 10 MΩ, was sehr groß im Vergleih dazu ist und bei einer Parallelshaltung den Strom kaum verändert. Bei der Strommessung beträgt der Innenwiderstand je nah Messbereih zwishen 0,01 Ω und 100 Ω, was sogar etwas größer als der Transistorwiderstand ist, und so bei einer Reihenshaltung die Spannung extrem stark verfälshen würde. Also muss man auf jeden Fall die spannungrihtigen Shaltungen verwenden, weil der dann auftretende Fehler bei der Strommessung viel akzeptabler ist als der Fehler bei der Spannungsmessung bei stromrihtiger Shaltung. Die spannungsrihtige Messung ist sogar so genau, dass der Fehler bei der Strommessung maximal U I max R 3 V 10 M 0,3 A ist, was kleiner als die Ablesegenauigkeit der Messgeräte ist; daher ist eine Fehlerrehnung eigentlih überflüssig. 6. Fragen Was versteht man unter einem Halbleiter? Ein Halbleiter leitet den Strom entweder durh Elektronen oder Defektelektronen (Löher), während ein Metall den Strom mit seinen vielen shwah gebundenen Valenzelektronen leitet, die wegen ihrer shwahen Bindung als Elektronengas bezeihnet werden und quasi frei beweglih zwishen den Atomrümpfen sind, was der Grund für die gute Leitfähigkeit ist (die Elektronen sind von Anfang an z.t. im Leitungsband). Halbleiter sind Heißleiter, bei steigender Temperatur sinkt der Widerstand m, weil die stärker als bei Metall gebundenen Elektronen durh die Wärmeenergie aus ihren Bindungen befreit werden und in das Leitungsband gehoben werden (bei T = 0 K leiten sie überhaupt niht, das Leitungsband ist leer), während bei einem Metall bei höhrere Temperatur ein andere Effekt greift: die höhere kinetishe Energie bewirkt mehr Stöße mit den Elektronen und behindert diese, Metalle sind also Kaltleiter. Was besagt das Bändermodell? Bei Atomen gibt es diskrete Energiebereihe, die Bänder genannt werden, nämlih (neben den Energieniveaus der Elektronen, die fest in den inneren Shalen des Atoms gebunden sind) das Valenzband (in dem sih die gebundenen Valenzelektronen der äußersten Shale befinden) und das Leitungsband (dort befinden sih die niht gebundenen Elektronen, die Strom leiten können). Dazwishen ist eine Lüke mit verbotenen Energieniveaus. In einem voll besetzten Band findet kein Ladungstransport statt, da keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Diese Bänder entstehen dadurh, dass die an sih sharf abgegrenzten Energieniveaus der Elektronen sih durh gegenseitige Beeinflussung vieler Elektronen im Festkörper überlagern und so breite, in sih kontinuierlihe Bänder entstehen. Bei Metallen ist das Leitungsband shon bei T 0 K teilweise besetzt gute Leitfähigkeit shon bei tiefen Temperaturen. Bei reinen Halbleitern müssen die Elektronen erst mit Hilfe thermisher Energie aus dem Valenzband in das Leitungsband angehoben werden, damit Strom fließen kann. Was versteht man unter Eigen- und Störstellenleitung? Durh thermishe Energie werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben; die daduh entstehende Lüke im Valenzband kann von einem anderen Valenzelektron aufgefüllt werden, worauf wieder eine Lüke entsteht. Je nah Betrahtungsweise wandern also Elektronen von Loh zu Loh, oder es wandert das Loh von Elektron zu Elektron. Dies nennt man Eigenleitung. Wird das Gitter durh fünfwertige Atome (Donatoren; z.b. Phosphor, Arsen) verunreinigt (dotiert), so ist ein Valenzelektron niht durh Bindungen abgesättigt. Die Energieniveaus dieser Atome liegen in der verbotenen Zone, jedoh ist der Abstand zum untersten Niveau des Leitungsbandes nur von der

4 Größenordnung 0,01 ev. Das zusätzlihe Valenzelektron kann also leiht abgelöst und ins Leitungsband gehoben werden. In diesem Fall sind die freien Ladungsträger nagativ geladene Teilhen (n-leitung). Bei Substitution eines Si-Atoms durh ein dreiwertiges Fremdatom (Bor, Indium) fehlt ein Valenzelektron, das leiht aus einer benahbarten Bindung ergänzt werden kann. Dabei entsteht ein negativ geladenes Ion und ein positiv geladenes Loh. Weil diese Fremdatome Elektronen aufnehmen, nennt man sie Akzeptoren. Da der Ladungstransport durh positiv geladene Löher erfolgt, spriht man von p-leitung. Diesen Vorgang nennt man Störstellenleitung. Welhe Eigenshaften hat ein pn-übergang? Während im Inneren des p- und des n-bereihs Ladungsgleihgewiht herrsht, diffundieren an der Grenzshiht übershüssige Elektronen aus dem n-bereih in den p-bereih (um die Löher aufzufüllen). Der Bereih, in den die Ladungsträger hineindiffundieren, heißt Sperrshiht. Dadurh wird ein elektrishes Feld zwishen n- und p-bereih erzeugt, was der Diffusion entgegengesetzt ist, so dass ein Gleihgewiht entsteht und die Diffusion stoppt. Wenn man dieses Gleihgewiht stört, indem man durh Anlegen einer Spannung zusätzlihe Elektronen in den n-bereih shafft und die in den p- Bereih diffundierten Elektronen absaugt, kann der Diffusionsstrom frei fließen, die Diode shaltet durh. Wird die Spannung umgekehrt angelegt, so wird das Gegenfeld verstärkt und die Diffusion noh stärker behindert, das ist dann die Sperrrihtung der Diode; nur der sehr kleine Sperrstrom (wegen der immer vorhandenen Minoritätsladungsträger) kann fließen. Bei zu starker Sperrspannung werden Elektronen durh die Spannung so stark beshleunigt, damit genug Energie vorhanden ist, dass neue Valenzelektronen in das Leitungsband gehoben werden, die wiederum andere Elektronen durh Stöße ins Leitungsband heben können; dieser Lawineneffekt bewirkt den Durhbruh der Diode, Strom kann plötzlih gut fließen. Was ist ein bipolarer Transistor? Wie ist seine Funktionsweise? Ein bipolarer Transistor ist ein Transistor, bei dem sowohl negative als auh positive Ladungsträger am Stromtransport beteiligt sind (im Gegensatz zu den unipolaren FETs). Er besteht im Prinzip aus zwei Dioden, die einen dotierten Bereih gemeinsam haben; je nahdem, welher das ist, spriht man von npn- oder pnp-transistoren. Bei einem npn-transistor fließt bei der Emittershaltung der (geringe) Steuerstrom von der Basis zum Emitter, was möglih ist, weil das in Durhlassrihtung der Basis-Emitter-Diode ist (die Basis ist positiv gegenüber dem Emitter gepolt). Die Kollektor-Basis-Diode ist dagegen in Sperrrihtung. Dadurh gelangen viele freie Elektronen vom Emitter her in die Basis (sie mahen ja den Stromfluss aus), während sie in der Basis abgesaugt werden (es entsteht also ein Konzentrationsgefälle der Elektronen in der Basis vom Emitter zum Kollektor); können die Elektronen vom Emitter bis zum Kollektor hindurhdiffundieren, werden sie dort abgesaugt, ein Strom kann fließen. Ist dagegen die Basis negativ gegenüber dem Emitter gepolt, ist die Emitter-Basis-Diode ebenfalls in Sperrihtung, kein Strom kann fließen. Welhe Grundshaltungen des Transistors gibt es? Welhe Eigenshaften haben sie? Der Name der Shaltung sagt aus, welher Anshluss des Transistors am gemeinsamen Potenzial von Steuer- und Shaltkreis liegt. Emittershaltung: Der Kollektorstrom wird über den Basisstrom gesteuert; daher ist die Stromverstärkung sehr groß B I C I B. Je nah Lastwiderstand erhält man auh eine Spannungsverstärkung, also eine große Leistungsverstärkung. Basisshaltung: Die Stromverstärkung ist ungefähr 1, da der Kollektorstrom ungefähr gleih dem Emitterstrom ist. Es ergibt sih eine große Spannungsverstärkung, weil die Kollektor-Basis-Spannung groß gegen die Emitter-Basis-Spannung ist.

5 Kollektorshaltung: Die Kollektorshaltung ist ähnlih wie die Emittershaltung; die Ausgangsspannung wird am Emitter (statt am Kollektor) abgegriffen. Die Stromverstärkung ist ähnlih wie bei der Emittershaltung, aber die Spannungverstärkung ist a. 1. Welher Wellenlänge entspriht die Energielüke in Si und Ge, wenn in einer lihtemittierenden Diode die Lihtemission durh Band-Band-Übergänge erfolgt? Welhe Energielüke muss der Halbleiter haben? E Si E Ge Si Ge 1,12 ev 0,67 ev Si Ge E 1,11 m. Si E Ge 1,85 m. Das ist weit im Infrarotbereih. Um sihtbares Liht zu erhalten 800 nm Energielüke also deutlih größer, etwa 1,5 ev! E g! 6 ev, sein. 200 nm, muss die