HALBLEITER

HALBLEITER
Bei allen Versuchen können sowohl die Einzelbauteile, die Kästen für Schülerversuche, als auch die
Elektronik-Bausteine verwendet werden. Verwenden Sie auch das Computer-Messsystem. Beachten
Sie bei allen Versuchen die Grenzdaten der einzelnen Bauelemente.
Aufgabenstellung:
1) Die Diodenkennlinie:
Zeigen Sie am Oszillographen, oder mit dem Computer-Messsystem, die
Form der Kennlinie einiger Dioden (Gleichrichterdiode, Zenerdiode,
Leuchtdioden verschiedener Wellenlänge). Erklären Sie die Form der
einzelnen Kennlinien. Beachten Sie dabei, dass mit den meisten
Oszillographen nur Potentialdifferenzen gegenüber dem Erdpotential
gemessen werden können.
2) Der bipolare Transistor:
Beim Transistor gibt man in der Emitterschaltung üblicherweise drei Kennlinienfelder an:
• Ic als Funktion von Uce mit Ib als Parameter (Ausgangskennlinie)
• Ib als Funktion Ube von mit Uce als Parameter (Eingangskennlinie)
• Ic als Funktion von Ib mit Uce als Parameter (Steuerkennlinie)
Stellen Sie die erste Kennlinie am Oszillographen oder mit dem Computermesssytem dar. Überlegen
Sie sich für alle Kennlinien eine geeignete Messschaltung.
3) Der Feldeffekt-Transistor:
a) Stellen Sie folgend Kennlinien dar (am Oszillographen oder mit dem Computermesssystem):
• Id als Funktion von Uds mit Ugs als Parameter
Überlegen Sie sich für die folgende Kennlinie eine geeignete Messschaltung.
• Id als Funktion von Ugs mit Uds als Parameter
4) Ein einstufiger NF-Verstärker:
Bauen Sie mit einem bipolaren Transistor oder einem FeldeffektTransistor einen einfachen Wechselspannungsverstärker auf. Stellen Sie
mit einer eigenen Spannungsquelle den Arbeitspunkt der Schaltung ein
und zeigen Sie die unterschiedliche Aussteuerbarkeit der Schaltung je
nach Wahl des Arbeitspunktes.
5) Die Erzeugung niederfrequenter Schwingungen:
Bauen Sie eine Oszillatorschaltung mit induktiver Rückkopplung auf. Machen
Sie die erzeugte Schwingung hörbar und zeigen Sie den zeitlichen
Spannungsverlauf auch am Oszillographen. Worauf muss zur Erzeugung einer
möglichst sinusförmigen Schwingung bei der Rückkopplung geachtet werden?
(Warum ?) Zeigen Sie die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von der
Kapazität und der Induktivität des die Schwingung erzeugenden Resonanzkreises.
6) Der Transistor als Impedanzwandler (Emitterfolger):
Zeigen Sie, dass mittels dieser Schaltung eine hochohmige
Signalspannungsquelle mit einem wesentlich kleineren Lastwiderstand
belastet werden kann. Realisieren Sie die hochohmige Quelle mittels eines
Funktionsgenerators mit geeignetem Ausgangswiderstand.
7) Der Transistor als Schalter:
Bei dieser Verwendung des Transistors interessieren nur die zwei Zustände des Sperrens und des
vollständigen Leitens. Im Zustand des Leitens fließt mindestens ein so großer Basisstrom, dass die
Kollektor-Emitter Spannung ihren minimalen Wert erreicht.
8) Das R-S Flip-Flop:
Diese Schaltung besitzt zwei stabile Schaltungszustände und stellt die
einfachste Form eines Speicherelementes dar. Durch Verbindung der
Basis des jeweils leitenden Transistors mit Emitterpotential kippt die
Schaltung in den anderen stabilen Zustand.
Die Werte der Basisvorwiderstände sind so zu wählen, dass der jeweils
leitende Transistor sicher in Sättigung kommt.
9) Der monostabile Multivibrator:
Der asymmetrische Aufbau begünstigt einen Schaltzustand. Wird die
Schaltung in den anderen Zustand gebracht, so kippt sie nach einer Zeit,
die von der R-C-Kombination bestimmt wird, in den stabilen Zustand
zurück.
Beachten Sie, dass das Verhältnis von Basisvorwiderstand zu
Kollektorwiderstand nicht größer als die Stromverstärkung des
Transistors werden darf.
10) Der astabile Multivibrator:
Der astabile Multivibrator ist ein freilaufender Rechteckgenerator.
Der sperrende Transistor Ti öffnet jeweils nach einer Zeit τi ~ Ri Ci und
sperrt gleichzeitig den leitenden Transistor.
Beachten Sie, dass das Verhältnis von Basisvorwiderstand zu
Kollektorwiderstand nicht größer als die Stromverstärkung des
Transistors werden darf.
11) Der Thyristor und der Triac:
a) Das Schaltverhalten des Thyristors (Triacs):
Das 'Einschalten' des Thyristors (Triacs) erfolgt durch einen Gatestrom, während der Thyristor
(Triac) durch Abschalten der Betriebsspannung 'ausgeschaltet' wird.
b) Der Thyristor (Triac) als impulsbetriebener Schalter:
An den Thyristor (Triac) wird über einen Vorwiderstand (z.B.: Glühbirne) eine Wechselspannung
angelegt und der Thyristor (Triac) mittels eines Funktionsgenerators, der zwischen Gate und Kathode
angeschlossen wird, periodisch durchgesteuert.
c) Die Phasenanschnittsteuerung:
Leistung läßt sich durch kontinuierliche Änderung der
angelegten Spannung bzw. des fließenden Stromes steuern. Eine
andere Möglichkeit besteht im periodischen Ein- und Abschalten
des Stromes. Thyristoren (Triacs) eignen sich gut für diese
Methode, da beide bei Verwendung einer Wechselspannung als
Versorgungsspannung
beim
Nulldurchgang
selbsttätig
abschalten. Die Zündung erfolgt durch einen Zündimpuls der
zeitlich verschoben zum Nulldurchgang der Wechselspannung an den Thyristor (Triac) angelegt
wird. Daraus resultiert eine Zeitdauer, während der der Thyristor (Triac) sperrt, und eine, während
der er leitet. Das Verhältnis dieser beiden Zeiten bestimmt im zeitlichen Mittel die Leistung die am
Verbraucher anliegt. Realisieren sie eine Phasenanschnittsteuerung mit Hilfe eines Diacs und einem
Thyristor (oder Triac)
Vorbereitungsstoff:
Grundlagen der Festkörperphysik (Das Bändermodell, Elektronen und Löcher, effektive Masse,
Störstellen, das Energiespektrum der Elektronen).
Funktionsweise und physikalische Grundlagen der verwendeten Halbleiter-Bauelemente und Geräte.
Verwendete Geräte:
Funktionsgenerator, Oszillograph, Netzgeräte, Transformatoren
Literatur:
Neben den üblichen Hochschullehrbüchern:
O. Madelung
Grundlagen der Halbleiterphysik
Heidelberger Taschenbücher, Band 71, Springer 1970
E. Spenke
Elektronische Halbleiter
Springer 1965
H. Teichmann
Halbleiter
BI-Taschenbücher, Band 21
U. Tietze, Ch. Schenk
Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage
Springer, Berlin 1999
A. Rost
Grundlagen der Elektronik
New York, American Elsevier, 1983
Z.B.: 31719