V+304

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Versuch 304
Kennlinienaufnahme von Diode und Transistor
1. Aufgaben
1.1
Die Strom- Spannungskennlinie (I-U-Kennlinie) einer Diode ist oszillographisch dar zustellen und mit Angabe der Maßeinheiten abzuzeichnen. Aus dem Diagramm sind die
Schleusenspannung der Diode zu ermitteln und der Fehler abzuschatzen.
1.2
Die I-U-Kennlinie einer Zener-Diode ist oszillographisch darzustellen und quantitativ abzuzeichnen. Die Z-Spannung und die Schleusenspannung der Diode sind zu bestimmen und
die Fehler abzuschätzen.
1.3
Die Ausgangskennlinie eines n-p-n Transistors ist für ca. 5 verschiedene Basisströme IB im
Bereich 0 ≤ IB ≤ 100µA oszillographisch darzustellen und quantitativ abzuzeichnen.
2. Grundlagen
Stichworte:
Kennlinie, elektrische Leitfahigkeit, differentieller Widerstand p-n-Übergang, Halbleiterdiode
Zener-Diode, Transistor, Transistoreigenschaften
2.1
Halbleiterdioden
Halbleiterdioden sind elektrische Zweipole mit nichtlinearer I-U-Kennlinie. Im vorliegenden
Versuch werden die Eigenschaften der Gleichrichterdiode und der Zener-Diode untersucht
(vgl. dazu Studienbrief 6).
2.2
n-p-n Transistor
Transistoren sind steuerbare Halbleiterbauelemente, die vorzugsweise zur Verstärkung von
Signalen und als Schalter eingesetzt werden. Man unterscheidet die bipolaren Transistoren, in
denen drei Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeit direkt aneinandergrenzen, und
die unipolaren Transistoren, in denen der Strom durch das Bauelement in einem halbleitenden
Stromkanal fließt und von einem senkrecht zur Stromrichtung wirkende elektrische Feld
gesteuert wird. Bei bipolaren Transistoren unterscheidet man in Abhängigkeit von der
Schichtfolge zwischen p-n-p und n-p-n Transistoren. Die Verhältnisse sind bei beiden Typen
bis auf die andere Polung gleich (Bild 1).
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Versuch 30 4-Kennlinienaufnahme von Diode und Transistor
C
B
E
Bild 1: Schaltzeichen der bipolaren Transistoren:
Links: n-p-n Transistor, rechts: p-n-p Transistor. E Emitter, B Basis, C Kollektor
Da der Transistor ein Dreipol ist, muß eine der Elektroden sowohl im Eingangskreis
als auch im Ausgangskreis verwendet werden. Oft verwendet wird die Emitterschaltung (Bild
2), bei der der Emitter sowohl am Eingang als auch am Ausgang liegt. Wir nehmen zunächst
an, daß sich die Basis auf Emitterpotential befindet. Die Kollektor Basisstrecke ist in
Sperrichtung geschaltet, so daß sich dort infolge der Ladungsträgerverarmung eine
Sperrschicht mit großem Widerstand ausbildet und nur ein kleiner Kollektorstrom
(Kollektorreststrom) fließt. Wird das Basispotential etwas erhöht, so daß die Basis-EmitterStrecke in Durchlaßrichtung geschaltet ist, werden über den Basisstrom Ladungsträger in die
Kollektor-Basis-Sperrschicht injiziert, die deren Widerstand erniedrigt. Auf diese Weise kann
bei geeigneter Wahl der Dotierung und geometrischen Anordnung des Transistors mit einem
schwachen Basisstrom ein starker Kollektorstrom gesteuert werden.
Die Zusammenhänge zwischen Spannungen und Strömen am Transistor werden mit
Kennlinienfeldern beschrieben, die oft in einer gemeinsamen Darstellung zusammengefasst
werden (Bild 3).
Ausgangskreis
Eingangskreis
Bild 2: Emitterschaltung (Schaltzeichen und Vierpoldarstellung)
Bild 3: Ausgangskennlinienfeld (I) und Übertragungskennlinienfeld (II) des n-p-n Transistors
SF 128.
Das Ausgangskennlinienfeld (I. Quadrant) zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstromes rm
IC von der Kollektor-Emitter-Spannung UCE mit dem Basisstrom als Parameter. Der Kollektorstrom steigt mit zunehmender Kollektor-Emitter-Spannung zunächst stark an. Bei
höheren Spannungen UCE wird er von dieser nahezu unabhängig und ist in diesem Bereich
dem Basisstrom IB direkt proportional. Aus Bild 7 ist ersichtlich, daß bereits ein geringer
Basisstrom (Eingangsstrom) einen großen Kollektorstrom (Ausgangsstrom) bewirkt. Diese
Steuerwirkung ermöglicht es, den Transistor als Verstärker und Schalter einzusetzen.
Das Übertragungs- oder Stromverstärkungskennlinienfeld (II. Quadrant) zeigt die
Abhängigkeit des Kollektorstromes rm IC vom Basisstrom IB . Der Einfluß des Parameters
UCE ist gering, so daß der Sachverhalt mit einer einzigen (nahezu geraden) Kennlinie
hinreichend gut beschrieben wird. Der Anstieg dieser Geraden im linearen Kennliniengebiet
Vi = ∆ IC /∆ IB ist die Stromverstärkung, der wichtigste Parameter des Transistors.
3. Versuchsdurchführung
3.1
Oszillographische Kennlinienaufnahmen der Diode
Bei der oszillographischen Kennlinienaufnahme wird eine Wechselspannung U~ an das
Meßfeld (z.B. Z-Diode) angelegt und der jeweils fließende Strom I gemessen (Bild 4). Die
Spannung an der Diode wird direkt abgegriffen und an den X-Eingang des Oszillographen
gelegt. Dabei wird der interne Ablenkgenerator des Oszillographen mit dem
Triggerwahlschalter ausgeschaltet (Stellung X). Der Diodenstrom I fließt auch über R und
erzeugt an diesem einen stromproportionalen Spannungsabfall U = R I, der an den Y-Eingang
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Versuch 30 4-Kennlinienaufnahme von Diode und Transistor
gelegt wird. Aus den X und Y-Auslenkungen des Elektronenstrahls auf dem Bildschirm
lassen sich bei bekannten Eingangsempfindlichkeiten der Oszillographeneingange die
Spannungen und Strome ermitteln. Der Diodenstrom wird aus der gemessenen Spannung UY
mit I = UY / R berechnet. Den Nullpunkt der I-U-Kennlinie ermittelt man bei U~ = 0
(Eingänge auf Gleichspannung schalten!).
Bild 4: Kennlinienaufnahme einer Diode, U~ Wechselspannung 12V/50 Hz, R=100Ω
3.2
Oszillographische Aufnahme der Ausgangskennlinie eines n-p-n Transistors
Die Schaltung zur Aufnahme der Transistorkennlinie (Bild 5) besitzt gegenüber der
Schaltung zur Aufnahme der Diodenkennlinie (Bild 4) zwei Besonderheiten:
- Die Diode D richtet die Wechselspannung U~ gleich .
Überlegen Sie sich, weshalb das nötig ist!
- Da infolge der Steuerbarkeit des Transistors die Ausgangskennlinie eine Funktion
des Basisstromes IB ist, muß dieser in einem getrennten Gleichstromkreis eingestellt
werden. Der Wert des Parameters IB kann jeweils am Amperemeter abgelesen werden.
Bild 5: Schaltung zur Aufnahme der Ausgangskennlinie eines n-p-n-Transistors.
U~ -12V/50Hz, U = 0...10V regelbar,
RV = 100kΩ, R = 100Ω