Transistor – Versuch

Universität Kassel, FB 16
Elektrotechnisches Praktikum 1
ETP 1 / Versuch Tr 1 / 7
Transistor – Versuch
Einführung
Transistoren sind Halbleiterbauelemente mit drei Elektroden. Der Strom zwischen zwei dieser
Elektroden kann durch einen viel kleineren Strom ( bzw. eine Spannung ) am dritten Anschluss
gesteuert werden. Durch eine sehr kleine Leistung kann also eine relativ große Leistung beeinflusst
werden. Als Grundmaterial zur Herstellung von Transistoren wird im Allgemeinen Silizium
verwendet. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen werden in dem ansonsten als Halbleiter
einzustufenden Stoff entweder freie Elektronen ( n-dotiert ) oder Löcher ( p-dotiert ) erzeugt. Dotiertes
Halbleitermaterial ist als Leiter anzusehen und besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten. Das
Bedeutet, dass mit steigender Temperatur der Widerstand von dotiertem Silizium geringer wird.
Grundsätzlich muß zwischen zwei Transistorfamilien unterschieden werden, einerseits dem
Bipolartransistor und andererseits dem Feldeffekttransistor. Beide Typen werden im Folgenden kurz
beschrieben. Zu ihrem Verständnis ist es jedoch zunächst erforderlich den so genannten p-n-Übergang
von dotiertem Halbleitermaterial zu untersuchen.
Wird p-dotiertes
Silizium mit n-dotiertem
Silizium wie in Bild 1
miteinander verbunden,
so wandern freie ( zur
Bindung nicht
benötigte ) Elektronen
aus der n-Schicht in die p-Schicht und besetzen dort Löcher. Dadurch entsteht zwischen den beiden
Schichten eine Spannung, die Diffusionsspannung. Sobald diese Spannung einen bestimmten Wert
erreicht, reicht die Energie der Elektronen nicht mehr aus um durch die sich bildende
Verarmungsschicht ( Sperrschicht ) in das p-dotierte Material zu gelangen. Die Grösse der
Diffusionsspannung ist materialabhängig, sie beträgt bei Silizium ca. 0,7V.
Legt man an einen solchen p-n-Übergang eine Spannung an, so
dass der Minuspol der Spannungsquelle mit der n-Schicht und
der Pluspol mit der p-Schicht verbunden ist (siehe Bild 2),
wird die Verarmungsschicht kleiner, weil die Quelle die nSchicht mit Elektronen versorgt bzw. die überzähligen
Elektronen aus der p-Schicht absaugt. Wenn die angelegte
Quellspannung größer als die Diffusionsspannung ist, dann ist
die Verarmungsschicht vollständig abgebaut und es kann ein
Strom fließen.
Im umgekehrten Fall breitet sich die Verarmungsschicht weiter
aus. Ein Strom kann in dieser Sperrrichtung nicht fließen, es
sei denn die angelegte Spannung wird so groß, dass die extrem
groß Feldstärke im p-n-Übergangsbereich Elektronen aus ihre
Bindung herausreist, die dann am Leitungsmechanismus
teilnehmen können. Diese Spannung nennt man
Zenerspannung, das beschriebene Bauteil Diode.
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ETP 1 / Versuch Tr 2 / 7
Der Feldeffekttransistor
Bild 3 zeigt den
prinzipiellen Aufbau
eines Selbstleitenden
p-Kanal
Feldeffekttransistors
( p-Kanal JFET ). Er
besteht im Prinzip
aus einem Kanal aus
p-leitendem
Material, welches an
einer Stelle von
n-letendem Material
umgeben ist.
Dadurch entsteht an der Berührungsfläche der beiden Materialien ein p-n-Übergang. Wenn eine
Spannung an den Kanal angelegt wird, deren Polarität der gezeichneten entspricht, wird ein Strom
zwischen Source S ( Quelle ) und Drain D ( Senke ) fließen. Der Strom IDS zwischen S und D wird
bestimmt durch die gegebene Spannung UDS und durch den Gesamtwiderstand zwischen den beiden
Anschlüssen. Dieser Widerstand hängt zum einen von der Länge des Kanals und zum anderen von
dessen Querschnittsfläche ab. Die p-n-Verbindungen wirken wie in Sperrrichtung geschaltete Dioden.
Wenn die Sperrspannung am Gatter erhöht wird, breitet sich der Verarmungsbereich im Kanal weiter
aus. Damit wird der Widerstand zwischen S und D größer, da im Verarmungsbereich keine freien
Ladungsträger existieren. Der Eingangswiderstand eines solchen Transistors ist sehr hoch ( ca. 1010 bis
1013 ), weil die p-n-Übergänge in Sperrrichtung betrieben werden und damit theoretisch kein Strom in
den Eingang hineinfließt. Wegen der sehr kleinen Gate-Ströme spricht man beim FET auch von einer
leistungslosen Steuerung.
Ein umgekehrter Aufbau ist ebenfalls möglich; also der Kanal aus n-leitendem und das Gate aus pleitendem Material – n-Kanal JFET - , dann muss die Polarität der Spannungsquellen jedoch vertauscht
werden.
Außer den hier beschriebenen Transistoren gibt es weitere Typen bei denen mittels einer dünnen SiO2Schicht das Gate vom Kanal isoliert ist ( MOSFET ) Durch diese Maßnahme steigt der
Eingangswiderstand nochmals um einige Zehnerpotenzen. Außerdem lassen sich in dieser Bauweise,
die nicht nur durch die Isolationsschicht von Bild 3 abweicht, z.B. selbst leitende Transistoren
herstellen. Im Versuch wird der oben beschriebene JFET untersucht, auf die MOSFET-Technologie
wird daher nicht weiter eingegangen.
Bild 4a zeigt den Verlauf der
Übertragungskennlinie. Bild
4b den Verlauf der
Ausgangskennlinie. Die
Übertragungskennlinie
beschreibt den Drain-Strom
ID in Abhängigkeit von der
Gate-Spannung UGS wobei
die Drain-Spannung UDS als
Parameter konstant gehalten
wird. Mathematisch wird ID = f ( UGS ) für UGS > UP durch die im Bild 4a angegebene quadratische
Gleichung beschrieben. Die Gatespannung, bei der der Drain-Strom gegen Null geht, wird PinchoffSpannung UP genannt. Man erkennt, dass für steigendes UDS der Drainstrom ID leicht ansteigt. Die
Ausgangskennlinien beschreiben wiederum ID nun aber in Abhängigkeit von UDS wobei UGS als
Parameter konstant gehalten wird ( Bild 4b ).
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Hier muss zwischen dem ohmschen Bereich und dem Abschnürbereich unterschieden werden. Im
ersten Teil der Kurve steigt der Strom ID proportional zu UDS und zeigt das Verhalten eines ohmschen
Widerstandes, dessen Größe bzw. Steigung mit UGS eingestellt werden kann. Im Abschnürbereich ist
ID nahezu unabhängig von UDS. In diesem Bereich verhält sich ein FET wie eine Stromquelle.
Der Bipolartransistor
Ein Bipolartransistor besteht aus drei Schichten Halbleitermaterial. In der Mitte befindet sich eine sehr
dünne und nur schwach p- bzw. n-dotierte Schicht. Die beiden äußeren Schichten bestehen aus dazu
komplementären Materialien und sind wesentlich dicker. Bild 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines
npn-Bipolartransistors und sein zugehöriges Diodenersatzschaltbild. In der Namensgebung ist die
Zonenfolge enthalten. Npn bedeutet, dass die mittlere Schicht p-dotiert ist und die beiden äußeren
Schichten n-dotiert sind. Polt man die Spannungsquelle wie in Bild 5, so wird der p-n-Übergang
zwischen dem Kollektor und der Basis in Sperrrichtung betrieben, der p-n-Übergang zwischen der
Basis und dem Emitter jedoch in Durchlassrichtung. Dadurch gelangen Elektronen vom Emitter in die
Basis. Da die p-Schicht dünn ist, gelangen die Elektronen in den Einflussbereich der positiven
Spannungsschwelle zwischen Basis und Kollektor ( interne Diffusionsspannung plus
Kollektorspannung ) und können so leicht in den Kollektor abfließen. In der Basisschicht selbst
können wegen der schwachen Dotierung nur wenige Elektronen abfließen. Das Verhältnis zwischen
Kollektorstrom und Basisstrom nennt man Stromverstärkung B ( der Differentialquotient δIC / δIB ist
die Wechselstromverstärkung β und stimmt in etwa mit B überein ) B liegt normalerweise zwischen 20
und 200. Im Unterschied zum FET wird bei einem Bipolartransistor also eine Steuerleistung benötigt.
Den Zusammenhang zwischen IB und UBE ( UCE = konst. ) zeigt Bild 6a. Der exponentielle Verlauf
der Eingangskennlinie entspricht dem einer Diodenkennlinie. Dies war mit Blick auf das
Diodenersatzschaltbild aber auch zu erwarten. Die Stromverstärkung ( IC = f (IΒ) , UCE = konst.)
verläuft in etwa linear. Die Übertragungskennlinie ( IC = f (UBE) , UCE = kont.) ist wie die
Eingangskennlinie eine Exponentialfunktion. Bild 6d zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstromes von
der Kollektor-Emitter-Spannung ( Ausgangskennlinie ) bei jeweils konstantem Basisstrom IB. Die
Kurven verlaufen, von einem kleinen Anlaufbereich abgesehen, fast parallel zur UCE-Achse. Der
Ausgangsstrom ist also weitgehend unabhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung. Daher verhält
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sich der Bipolar- wie auch der Feldeffekttransistor in diesem Bereich wie eine Stromquelle. Mit
steigendem Basisstrom vergrößert sich die Abhängigkeit des Ausgangsstromes IC von UCE,
also IC = f ( UCE ). Dieses ist beim FET ebenso ( ID = f ( UDS )).
Die NF-Verstärkerstufe
Der Anwendungsbereich von Transistoren ist sehr breit. Sie werden als Schalter, als Spannungs- oder
Stromverstärker und zur Schwingungserzeugung eingesetzt. Eine Anwendung von Transistoren ist die
Verstärkung von Wechselspannungssignalen. Bild 7a zeigt eine solche Verstärkerschaltung mit einem
npn-Bipolartransistor. In Bild 7b ist die Verstärkung mit einem n-Kanal JFET aufgebaut.
Die Funktionsweise der beiden Schaltungen ist grundsätzlich gleich. Steigt die Eingangsspannung
( Basis- bzw. Gate-Potential ) so wird der Strom durch den Transistor ( IC bzw. ID ), wie die
Übertragungskennlinie zeigt, ebenfalls steigen. Dadurch sinkt das Kollektor- bzw. Drainpotential, weil
die Spannung an RC bzw. RD wegen U = I * R steigt. Sinkt die Eingangsspannung, so kehrt sich der
Vorgang um. Eine Eingangsspannungsänderung verursacht also eine Änderung des Kollektor- bzw.
Drainpotentials, welches genau um 1800 phasengedreht also entgegengesetzt dazu verläuft. Für eine
korrekte Arbeitsweise ist es notwendig einen gewissen Ruhestrom durch den Transistor einzustellen
( Arbeitspunkt ). Dies geschieht beim Bipolartransistor mittels eines Spannungsteilers, der aus den
Widerständen RB1 und RB2 aufgebaut ist. Dadurch wird die Basis des Transistors vorgespannt, so dass
ein Kollektorstrom fließen kann. Beim n-Kanal JFET benötigt man hierfür eine gegenüber Source
negative Gatespannung. Dies ist realisiert, indem das Gate über den hochohmigen ( Megaohmbereich )
Widerstand RG auf Massepotential gelegt wird. Da der Sourceanschluß des Transistors wegen RS auf
positivem Potential gegen Masse liegt, ist die Bedingung UG < US erfüllt. RS stabilisiert die Schaltung
gleichzeitig gegen ein temperaturbedingtes Abdriften des Drainstromes. Steigt ID durch eine Erhöhung
der Temperatur ( negativer Temperaturkoeffizient von Silizium ), so steigt auch der Strom durch RS
und damit die Spannung an RS. Dadurch wird das Gate gegenüber Source noch negativer, was bedeutet
dass ID zurück geregelt wird. Weil dieser Effekt die Verstärkung der Schaltung nicht beeinflussen soll,
wird RS für die zu verstärkende Wechselspannung durch den Kondensator CS überbrückt. Die gleiche
Aufgabe haben RE und CE in Bild 7a. Die Kondensatoren CEIN und CAUS dienen zur Entkopplung des
Verstärkers von Gleichspannung. Dies ist nötig, weil eine Gleichspannung den Arbeitspunkt und damit
die Eigenschaften des Verstärkers
( Verstärkungsfaktor, Aussteuerbarkeit, etc.)
verändern würde.
Die Verstärkung der Schaltung wird maßgeblich
von RC ( ∆UAUS = ∆IC*RC ) bzw. RD und der
Empfindlichkeit des Transistors im gewählten
Arbeitspunkt beeinflusst. Diese Empfindlichkeit
wird durch die Steilheit S beschrieben, welche
sich aus dem Differentialquotienten der
Übergangskennlinie im Arbeitspunkt berechnet.
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ETP 1 / Versuch Tr 5 / 7
Je steiler die Übertragungskennlinie ist, desto größer ist S und desto größer wird auch die Verstärkung
der Schaltung, da bei größerem S schon eine sehr kleine Basis- bzw. Gatespannungsänderung eine
große Kollektor- bzw. Drainstromänderung verursacht.
Beispiel für die Dimensionierung von RB1, RB2, RC und RE
Gegeben ist:
die Betriebsspannung UB = 5V. Das Ruhepotential
am Kollektor UC0 = 3V , das am Emitter UE0 = 1V.
Der Kollektorstrom IC = 1mA. Die Stromverstärkung B = 100. Der Querstrom durch den
Basisspannungsteiler soll 10 mal so groß wie IB
sein. Bei der weiteren Betrachtung wird davon
ausgegangen, dass die Spannung zwischen Basis
und Emitter ca. UBE = 0,6V beträgt ( siehe
Eingangskennlinie ).
Lösung:
RE: Mit IE ∼ IC folgt RE = 1V/1mA = 1000Ω
RC: RC = (5V-3V) / 1mA = 2000Ω
RB1: RB1 = (5V-0,6V-1V) / (11*1mA / 100) = 30,909 kΩ
RB2: RB2 = (1V+0,6V) / (10*1mA / 100) = 16,000 kΩ
Beispiel für die Dimensionierung von RG, RD, RS
Gegeben ist:
Die Betriebsspannung UB = 15V; die Pinch-Off-Spannung UP = -8 V, der Drainstrom ID = 1 mA und
der maximaler Sättigungsstrom IDSS = 20 mA. Das Ruhepotential am Drain beträgt UD = 12V.
RG = 1 MΩ.
Lösung:
RS: Stellt man die quadratische Gleichung für ID
nach UGS um, so erhält man:
 U 
ID = IDSS 1 − GS 
UP 

2
⇒

ID
UGS = U P 1 −

I
DSS


 = −6, 2V

US = -UGS = 6,2V
RS = 6,2V / 1mA = 6 200Ω
RD = (15V-12V) / 1mA = 3 000Ω
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Versuchsvorbereitung
Folgende Aufgaben sind von jedem Versuchsteilnehmer schriftlich zu bearbeiten und vor
Versuchsbeginn vor zu legen !
1) Zeichnen Sie schematisch den Aufbau eines n-Kanal JFET und geben Sie die zugehörende
Übertragungs- und Ausgangskennlinie an.
2) Warum bezeichnet man die beschriebenen Sperrschicht-FET als „selbstleitend“?
3) Was versteht man unter „dotieren“ von Halbleitermaterialien ?
4) Warum kann man beim FET im Gegensatz zum Bipolartransistor von leistungsloser Steuerung
sprechen ?
5) Eine NF-Verstärkerstufe mit npn-Transistor (s. Bild 7a) ist zu dimensionieren. Folgende
Größen sind gegeben: UB = 10V, B = 150, IB = 2mA, das Kollektorruhepotential beträgt 6V ,
das Emitterruhepotential beträgt 1,5V jeweils gegen Masse. Die Spannung zwischen Basis
und Emitter beträgt 0,6V. Der Querstrom durch den Basisspannungsteiler soll 10*IB betragen.
Berechnen Sie RB1, RB2 RC, RE !
6) Eine NF-Verstärkerstufe mit n-Kanal JFET (s. Bild 7b) ist zu dimensionieren. Folgende
Größen sind gegeben: UB = 15V, UP = -5V, IDS = 24mA, ID = 6mA, RG 1MΩ. Das
Drainruhepotential beträgt 7,5V gegen Masse. Berechnen Sie RD, RS !
Versuchsdurchführung
Hinweise zu den Messungen:
1) Bei der Aufnahme der Kennlinien ist es generell günstiger die Messreihen dort zu beginnen wo
die größte Verlustleistung zu erwarten ist, da so die zusätzliche Erwärmung, die während der
Messung auftritt, am geringsten ist.
2) Je zügiger die Messreihe durchgeführt wird desto besser sind die Ergebnisse. Die Erwärmung
des Transistors verfälscht das Ergebnis.
3) Im linearen Bereich einer Kennlinie reichen wenige Messpunkte. Im Bereich starker
Krümmungen sind entsprechend mehr Messpunkte aufzunehmen.
Aufnahme der Kennlinien
a) eines Selbstleitender n-Kanal Feldeffekttransistor ( JFET )
1) Aufnahme der Übertragungskennlinie. ID = f( UGS) mit dem Parameter UDS.
Die Messung wird bei UDS1 = 2V und UDS2 = 5V durchgeführt. Bestimmen Sie mit Hilfe
dieser Kennlinien die Pinch-Off-Spannung sowie den Strom IDS für UDS2 = 5V.
Berechnen Sie hieraus die Gatespannung UGSA für einen Drainstrom von ID = 5mA.
2) Aufnahme der Ausgangskennlinien: ID = f ( UDS ) mit dem Parameter UGSA.
Diese Messung wird bei UGS1 = 0,7*UGSA, UGS2 = UGSA und UGS3 = 1,25*UGSA durchgeführt.
3)Dimensionierung einer Verstärkerstufe ( vergl. Bild 7b ).
Bestimmen Sie bei der Betriebsspannung UB = 15V den Widerstand RS für einen Drainstrom von
ID = 5mA ( UDS = 5V ). Das Drainruhepotential soll -UGSA+UDS sein. Berechnen Sie daraus RD.
Stellen Sie die von Ihnen berechneten Widerstandswerte auf der Verstärkerplatine ein und
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ETP 1 / Versuch Tr 7 / 7
messen Sie das Drain-, Source- und Gateruhepotential gegen Masse.
Verbinden Sie dann einen Frequenzgenerator mit dem Eingang des Verstärkers und messen Sie mit
Hilfe eines Oszilloskopes die Verstärkung.
Auswertung
1) Tragen Sie Ihre Messwerte in Diagramme auf Millimeterpapier ein.
2) Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Ausgangswiderstandes des Transistors.
Bestimmen Sie raus im Arbeitspunkt.
( raus = ∆UDS / ∆ID, UGS = konst.)
3) Bestimmen Sie die Steilheit des Transistors im Arbeitspunkt. ( S = ∆ID / ∆UGS, UDS = konst.)
b) eines npn-Transistors
1) Aufnahme der Eingangskennlinie: IB = f ( UBE ) mit dem Parameter UCE = 2,5V.
2) Aufnahme der Stromverstärkung: IC =f ( IB ) mit dem Parameter UCE. = 2,5V
Bestimmen Sie mit Hilfe dieser Kennlinie die Stromverstärkung B.
3) Aufnahme von drei Ausgangskennlinien: IC =f ( UBE )
mit den Parametern IB1 = 2mA / B, IB2 = 5mA / B und IB3 = 8mA / B.
4) Dimensionierung einer Verstärkerstufe ( vergl. 7a ).
Die Betriebsspannung UB beträgt 6V. Das Ruhepotential am Kollektor beträgt 3,5V, das am
Emitter 1V. Der Kollektorstrom IC beträgt 0,5mA. Die Stromverstärkung B entnehmen Sie
Ihren Kennlinien. Der Querstrom durch den Basisspannungsteiler soll 10 mal so groß wie IB
sein. Die Spannung zwischen Basis und Emitter beträgt ca. 0,6V. Berechnen Sie RB1, RB2, RC
und RE.
Stellen Sie die von Ihnen berechneten Widerstandswerte auf der Verstärkerplatine ein, und
messen Sie das Kollektor-, Emitter- und Basisruhepotential gegen Masse. Verbinden Sie dann
einen Frequenzgenerator mit dem Eingang des Verstärkers und messen Sie mit Hilfe eines
Oszilloskopes die Verstärkung.
Auswertung
1) Tragen Sie Ihre Messwerte in Diagramme auf Millimeterpapier ein.
2) Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Eingangswiderstandes des Transistors.
Bestimmen Sie rEIN im Arbeitspunkt.
( rEIN = ∆UBE / ∆IB, UCE = konst.)
3) Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Ausgangswiderstandes des Transistors.
Bestimmen Sie rAUS im Arbeitspunkt. ( rAUS = ∆UCE / ∆IC, IB = konst. )
4) Bestimmen Sie die Steilheit des Transistors im Arbeitspunkt. ( S = ∆IC / ∆UBE , UCE = konst.)
Literatur:
1) Byston, Borgmeyer: Grundlagen der Technischen Elektronik
2) Jansen, Jan Hendrik: Transistor – Handbuch
3) U. Tieze, Ch. Schenk: Halbleiter Schaltungstechnik
4) Philips Lehrbriefe: Elektrotechnik und Elektronik Band 1
H.Nf. 06. Feb. 2003
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