Versuch 2 - Michael Reinisch

Versuch 2
Datum:
Ort:
Fach:
Gruppe:
14. Dezember 2000
Institut für angewandte Physik
Praktikum Technische Informatik Teil I Physikalische Grundlagen
14
Dereje HABTEMARIAM
Matr.-Nr.
Protokollant:
Inhalt:
Michael REINISCH
Matr.-Nr. 1552900
Michael Reinisch
1.
2.
3.
4.
5.
Aufgabenstellung
Theorie
Versuchsaufbau
Versuchsdurchführung
Versuchsergebnis
Aufgabenstellung
Aufnahme von Kennlinien der Halbleiterdiode und ihre Verwendung in Gleichrichterschaltungen.
Aufnahme des Ausgangskennlinienfeldes eines Transistors und einfache Verstärkerschaltungen mit
Transistoren.
Theorie
Halbleiterdioden und Transistoren bestehen aus dotierten Halbleitern. Reine Halbleiter unterscheidet
man in Elementhalbleiter, die aus einem chemischen Element bestehen, und
Verbindungshalbleiter. „Allen Elementhalbleitern ist gemeinsam, daß sie, wie elektrische Isolatoren,
bei der Temperatur T = 0 ein voll besetztes Valenzband und ein leeres Leitungsband aufweisen und
deshalb Nichtleiter sind. Die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband ist jedoch kleiner als bei
Isolatoren. Bei Halbleitern aus Elementen der vierten Spalte <des Periodensystems, wie z.B. Si oder Ge>
hat jedes Atom bei kovalenter Bindung vier nächste Nachbarn (Diamantstruktur) und liefert je ein
Valenzelektronenpaar pro Bindung, lokalisiert zwischen den Nachbaratomen.“1)
Mit steigender Temperatur steigt auch die Wahrscheinlichkeit, daß sich ein Valenzelektron aus seiner
Bindung löst und sich als Leitungselektron frei durch den Kristall bewegen kann. Das an dieser Stelle
fehlende Elektron (und die überschüssige positive Kernladung) bezeichnet man als Defektelektron
oder „Loch“. Das Loch kann nun durch Elektronen benachbarter Atome – Wanderung des Loches –
oder durch ein freies Leitungselektron – Rekombination – aufgefüllt werden. Im statistischen Mittel
heben sich die Entstehung von Leitungselektronen und die Rekombination auf; nur wenn man eine
äußere Spannung anlegt, kann ein Strom fließen.
Das Einbauen von Fremdatomen in den Halbleiter nennt man Dotierung. Dieser Vorgang ändert
seine Eigenschaften so, daß er für verschiedene elektronische Bauteile verwendet werden kann.
„Denken wir uns nun ein fünfwertiges Fremdatom (z.B. Arsen) in das Gitter eines Si-Kristalles
eingebaut. Wenn das As-Atom mit den vier im Gitter benachbarten Si-Atomen kovalente Bindungen
eingegangen ist, ..., dann bleibt ein Elektron übrig. Dieses fünfte Valenzelektron des As besitzt im SiKristall eine sehr kleine Dissoziationsenergie, es wandert als freies Elektron fort; zurück bleibt das im
Gitter eingebaute positive As+-Ion. Durch den Einbau eines fünfwertigen Atoms in das Si-Gitter wird
also die Anzahl der frei beweglichen Elektronen erhöht; sie werden deshalb hier als Majoritätsträger
bezeichnet, die Löcher als Minoritätsträger. ... Fremdatome, die ein freies Elektron abgeben, werden
1)
W. Demtröder: Experimentalphysik 3, 1996
als Donatoren bezeichnet, der so dotierte Halbleiter als n-Halbleiter; ...“2) Analog verhält es sich bei
Einbau eines dreiwertigen Fremdatoms; hier spricht man von Akzeptoren und vom p-Halbleiter.
N +
+
-
+
-
+
+
-
P
A
-
+
-
Abb.: Diode in Sperrichtung
Die Diode besteht aus einem n-Halbleiter und einem p-Halbleiter, die aneinander grenzen. An dieser
Grenzfläche diffundieren Elektronen von der n-Zone in die p-Zone, wo sie mit Löchern
rekombinieren, und ebenso Löcher in die n-Zone. Dies geschieht solange, bis sich ein Gleichgewicht
einstellt. Die in der Mitte entstanden Zone, die nun nur noch wenige freie Ladungsträger enthält, nennt
man Sperrschicht. Legt man nun von außen eine Spannung, wie in obiger Abbildung, an, dann
vergrößert sich die Sperrschicht und es kann kein Strom fließen. Erst wenn man eine genügend große
Spannung mit entgegengesetzter Polung anlegt, wird die Sperrschicht aufgehoben und es kann Strom
fließen.
Einweg-Gleichrichterschaltung
Es gibt zwei Möglichkeiten mit nur einer Diode eine Gleichrichterschaltung zu bauen:

R

Einweggleichrichter a)
Bei der Schaltung a) wird nur der positive Teil des Wechselstromsignals durch die Diode hindurch
gelassen; beim negativen sperrt die Diode. Das auf der rechten Seite zu erwartende Signal ist zwar
kein Gleichstrom, hat aber keine negativen Anteile mehr. Durch Parallel schalten eines Kondensators
zu R läßt sich diese noch glätten, so daß eine quasi Gleichspannung entsteht.
R


RV
Einweggleichrichter b)
Die Schaltung b) funktioniert genau umgekehrt. Hier sperrt die Diode beim positiven Teil, die
Spannung fällt also über R ab; und beim negativen schließt die Diode das ankommende Signal kurz,
2)
A. Schaarschmidt: Versuchsanleitung zum physikalischen Anfängerpraktikum II, 1994
d.h. der ganze Strom fließt durch die Diode und die Spannung an R bricht zusammen. RV dient als
Schutz für die Diode, da beim Kurzschluß sehr hohe Ströme fließen können.
Der Transistor besteht aus zwei p-n-Übergängen, so daß man entweder eine pnp- oder eine npnStruktur erhält. Die mittlere Schicht erhält einen eigenen Anschluß, und man hat einen pnp- oder
npn-Transistor.
N
P
+
+
-
+
E
+
+N
-
+
+
+
-
-
C
+
+
B
-
+
-
+
Abb. 2: Transistor
Legt man eine äußere Spannung, wie in Abb. 2 an den npn-Transistor an, so fließen vom Emitter
Elektronen in die Basis. Da aber die Basis sehr dünn ist, diffundieren die meisten Elektronen durch die
Basis hindurch bis in die Nähe des Collectors, wo sie in das Potentialgefälle der Basis-CollectorSchicht geraten und zum Collector hin beschleunigt werden. Der Strom am Emitter setzt sich
zusammen aus Strom in die Basis und in den Collector. Die Besonderheit des Transistors ist, daß sich
der größere Strom vom Collector zum Emitter mit einem relativ kleinem Basisstrom steuern läßt.
Dadurch lassen sich kleine Signale verstärken.
Versuchsaufbau
A
R
C
0-4V
=
V
E
Schaltbild 1: zur Aufnahme der Diodenkennlinie
RC
RB
Ca
Ausgang
Ce
Eingang
5V
=
Schaltbild 2: Transistorverstärker in Emitterschaltung
Versuchsdurchführung
Wir bauen die Schaltung nach Schaltbild 1 auf, wobei die Punkte C und E mit dem
Kennlinienschreiber verbunden sind. Wir nehmen die Durchlaßkennlinien einer Silizium- und einer
Germaniumdiode, sowie die Sperrkennlinie einer Zenerdiode auf.
Wir nehmen das Ausgangskennlinienfeld eines npn-Transistors direkt mit dem Kennlinienschreiber
auf.
Die Verstärkerstufe in Emitterschaltung ohne Gegenkopplung bauen wir nach Schaltbild 2 auf. An
den Eingang legen wir einen Frequenzgenerator und Ch1 des Oszilloskop und am Ausgang Ch2 des
Oszilloskop an. Die Dimensionierung der Widerstände ergibt sich aus dem zuvor aufgenommenen
Kennlinien des Transistors. Wir haben folgende Bauteile verwendet:

RC = 3,3 k

RB = 100 k

Ce = Ca = 15 nF
Versuchsergebnis

Für die Silziumdiode ergibt sich US = 0,48 V 0,04V (siehe A1).

Für die Germaniumdiode ist US = 0,23 V 0,05V (siehe A2).
I = ISp(T) * exp(UAK / UT) => ISp(T) = I / exp(UAK / UT) und UT = UAK / (ln(I) - ln(ISp(T)))


Für die Silziumdiode UT = 0,48 V
/ (ln(4 mA) - ln(50 A)) = 0,11 V
UZ = 20 V 1V (siehe A4 )
Aus dem Ausgangskennlinienfeld des Transistors (siehe A5)kann man folgende Werte ermitteln:
IB = 5 A , IC = 2 mA
=>  = IC / IB = 2 mA / 5 A = 400
Mit RC = 3,3 K ergibt sich die Arbeitsgerade (siehe A6). Für einen Arbeitspunkt bei IB = 10 A
=> ICA = 3,9 mA , UCEA = 3,7 V
RB = (B / ICA) * (UV - 0,6 V) = (400 / 3,9mA) * ( 15V - 0,6V) = 14,4V / 9,75A = 1476,92 k
Das verstärkte Signal des Transistorverstärkers ist im Vergleich zum Eingangssignal (siehe A7)
etwas verzerrt und phasenverschoben.