Schaltungen mit Feldeffekttransistoren

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1 Schaltungen mit Feldeffekttransistoren Anregungen für den Schulunterricht zur Behandlung der Leitungsvorgänge in Halbleitern Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung der ersten Staatsprüfung für das Lehramt am Gymnasium Universität Leipzig Fakultät für Physik und Geowissenschaften Bereich Didaktik der Physik vorgelegt von: Jens Hunger geboren am: Betreuer: Prof. Dr. Wolfgang Oehme 2. Guta htcr: Dr. Pcter Riegel' Leipzig, den

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 I Grundlagen 2 1 Bipolartransistoren Aufbau und Ersatzschaltbilder Kennlinien und Stromverstärkung Herstellung Einzeltransistoren Integrierte Transistoren Grundschaltungen Feldeffekttransistoren Zur Geschichte des Feldeffekttransistors Der Begriff,,Feldeffekttransistor" Aufbau des Feldeffekttransistors Die Typen von Feldeffekttransistoren Funktionsprinzip von MOSFETs Die vier Arten von MOSFETs Funktionsprinzip von JFETs Kennlinien von Feldeffekttransistoren Übersicht zu den Feldeffekttransistoren Schaltungen 3 npn-transistor 3.1 Kennlinien Eingangskennlinie I

3 3.1.2 Übertragungskennlinie Ausgangskennlinien Verstärkungskennlinie Ausgangskennlinie mittels Oszilloskop Kleinsignalverstärker Der Transistor als Schalter mit mechanischem Schalter mit Fotowiderstand mit Thermistor Selbstsperrender n-kanal-mosfet Übertragungskennlinie Ausgangskennlinien Ausgangskennlinien mittels Oszilloskop Kleinsignalverstärker Der Transistor als Schalter mit mechani chem Schalter mit Fotowiderstand mit Thermistor Verzögerungsschaltung Selbstleitender n-kanal-mosfet Übertragungskennlinie Ausgangskennlinien Ausgangskennlinien mittels Oszilloskop Kleinsignalverstärker Der Transistor als Schalter mit mechanischem Schalter mit Fotowiderstand II

4 mit Thermistor 98 6 n-kanal-jfet 6.1 Übertragungskennlinie 6.2 Ausgangskennlinien Ausgangskennlinien mittels Oszilloskop 6.4 Kleinsignalverstärker Der Transistor als Schalter mit mechanischem Schalter mit Fotowiderstand mit Thermistor 7 Gesteuerter Widerstand 7.1 Grundprinzip Linearisierung des Widerstandes. 7.3 Spannungsteiler mit Transistoren 7.4 Widerstandsverhalten von Transistoren Zusammenfassung Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung III

5 I KI Seite: Kleinsignalverstärker. fit einem n-kanal-jfet lassen sich Signale verstärken. Hinweise für das Simulationsexperiment...~... ~~f :: ::::: T::' </::::::::-: J. :.:/-~:F\l: YI. -:1~...J,'...:! :: 6>::::Fi;;:J:\ /:11 ::i::t!..!: $ 1.::.:.::., : "1".... 1,. :i..:. 1..L. T_ &lgo LovtJ '"...,1o,-=oo7-~,. 8 Ex! CllonneI 8 11 V/OOV~ Ypos6lfl~ o oe Abbildung 81: Simulationsschaltung nj/ee sigver. ewb für einen n-kanal-jfet als Kleinsignalverstärker

6 r KI Seite: 112 Hinweise für das Realexperiment lach dem Aufbau der Schaltung (vgl. Abb. 82) werden der Arbeitspunkt (UDS = 5\'. über 220[2 Potentiometer regeln) und die angegebenen Werte an den Geräten ein'" teilt. Die Signalstärke am F\mktionsgenerator ist so zu justieren, dass am Oszilloskop eine glatte Sinuskurve angezeigt wird. Mit dem beschriebenen Aufbau erhält man den Verstärkungsfaktor 3. Geräte und Bauelemente: 2 etzgeräte -l5v..l5v= Funktionsgenerator Zweikanalo zilloskop pannungsmesser -lov... lov = Transistor BF245C Wider tand 1kO Potentiometer Kondensatoren 100J-LF (M) Einstellungen: UB, DS = 10V U B, es = (-)5V Ues::::::: -2.5V Funktionsgenerator: f = 1kHz, Sinus, 100mV Oszilloskop: (0.2ms, 0.1V AC, 0.2AC)

7 r, I KI Seite: 113 Abbildung 82: Demonstrationsaufbau njfet_ sigver für die Schaltung eines n Kanal-JFETs als Kleinsignalverstärker

8 b Seite: mit Fotowiderstand Die Schaltung kann in zwei Varianten aufgebaut werden, entweder als Hell-Hell (Abbildung 84) oder Hell-Dunkel-Schaltung (Abbildung 85). Hell-HeIl-Schaltung ach dem Aufbau der Schaltung wird zum Einstellen die Glühlampe ausgeschaltet und die Stellung des 1kO Potentiometers so geändert, dass die LED gerade ausgeht. Nach dem Einschalten der Glühlampe zeigt die LED an, dass der Transistor durchschaltet. Hell-Dunkel-Schaltung Für den Aufbau der Hell-Dunkel-Schaltung wird der Fotowiderstand mit dem lkn Potentiometer getauscht. Zum Einstellen wird die Glühlampe eingeschaltet und die Stellung des 1kO Potentiometers so geändert, dass die LED gerade ausgeht. Der Transistor schaltet nun, wenn die Glühlampe aus ist (dunkel). Die LED leuchtet. Er sperrt, wenn sie eingeschaltet wird (hell). Die LED erlischt. Geräte und Bauelemente: 2Netzgeräte -15V...15V= Transistor BF245C Glühlampe 6V, 3W LED 20mA Widerstand 1000 Potentiometer 1kO Fotowiderstand (LDR) Schalter (mechanisch) Einstellungen: UB=6V UB-Lichtquelle = 6V

9 Seite: 117 Abbildung 84: Demonstrationsexperiment njfet_ schalt_ opt für einen n-kanal JFET als Schalter (optisch gesteuert; Hell-HeIl-Schaltung)

10 Seite: 118 Abbildung 85: Demonstrationsexperiment njfet_ schalt_ opt2 für einen n-kanal JFET als Schalter (optisch gesteuert; Hell-Dunkel-Schaltung)