7 Transistor

106
7
7.1
Transistor
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 Abbildung 7.1 miteinander verbunden, so wandern freie (zur Bindung nicht benötigte) Elektronen aus der n-Schicht in die pSchicht 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 Abb. 7.2),
wird die Verarmungsschicht kleiner, weil die Quelle die n-Schicht 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
Abbildung 7.1: Der p-n-Übergang
107
7.1 Einführung
Abbildung 7.2: Diode
Abbildung 7.3: Feldeffekttransistor
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
herausreißt, die dann am Leitungsmechanismus teilnehmen können. Diese Spannung nennt man
Durchbruchspannung/Zenerspannung, das beschriebene Bauteil Diode/Zenerdiode. Eine normale Diode wird bei erreichen der Durchbruchspannung zerstört, die Zenerdiode ist für diesen
Betriebszustand ausgelegt.
Nähere Erläuterungen zum Thema Halbleiter erhalten Sie auch im Abschnitt 3 „Grundlagen der
Halbleitertechnik„.
7.1.1
Der Feldeffekttransistor
Abbildung 7.3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Selbstleitenden n-Kanal Feldeffekttransistors (n Kanal JFET). Er besteht im Prinzip aus einem Kanal aus n-leitendem Material, welches
an einer Stelle von p-leitendem 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 ge-
108
7.1 Einführung
Abbildung 7.4: Kennlinien eines n-Kanal Feldeffekttransistors
gebene 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 Gate G (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 Ω bis 1013 Ω), weil die p n-Übergänge in Sperrrichtung betrieben
werden und somit 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 p-leitendem und das Gate aus n-leitendem
Material (p-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 SiO2 -Schicht 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 Abb. 7.3 abweicht, z.B. selbst sperrende Transistoren herstellen. Im Versuch wird der oben beschriebene JFET untersucht, auf die
MOSFET-Technologie wird daher nicht weiter eingegangen.
Die Abbildung 7.4 zeigt links den Verlauf der Übertragungskennlinie und rechts den Verlauf
der Ausgangskennlinie. Die Übertragungskennlinie beschreibt den Drain-Strom ID in Abhängigkeit von der Gate-Spannung UGS wobei die Drain-Spannung U/DS als Parameter konstant
gehalten wird. Mathematisch wird ID = f (UDS ) für UDS > UP durch die im Bild 7.4 (links)
angegebene quadratische Gleichung beschrieben. Die Gatespannung, bei der der Drain-Strom
gegen Null geht, wird Pinchoff- Spannung 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 (Abb. 7.4 (rechts)).
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 UDS eingestellt werden kann. Im
Abschnürbereich ist ID nahezu unabhängig von UDS . In diesem Bereich verhält sich ein FET
109
7.1 Einführung
wie eine Stromquelle.
7.1.2
Der Bipolartransistor
Abbildung 7.5: NPN-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. Abbildung 7.5
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 Abb. 7.5, 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 ∂IC /∂IB 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.
Eingangskennlinie Den Zusammenhang zwischen IB und UBE (UCE = konst.) zeigt Abbildung 7.6a. Der exponentielle Verlauf der Eingangskennlinie entspricht dem einer Diodenkennlinie. Dies war mit Blick auf das Diodenersatzschaltbild aber auch zu erwarten.
Stromverstärkung Die Stromverstärkung IC = f (IB ), (UCE = konst.) verläuft in etwa linear.
110
7.1 Einführung
Abbildung 7.6: Kennlinien eines NPN-Bipolartransistors
RB1
Cein
ue
Iq
RC
Ib
Ic
Caus
UBat
UBE
RB2
RE
CE
ua
Abbildung 7.7: NF-Verstärker mit NPN-Bipolar bzw. mit N-Kanal Feldeffekttransistor
Übertragungskennlinie Die Übertragungskennlinie IC = f (UBE ), (UCE = konst.) ist wie die
Eingangskennlinie eine Exponentialfunktion.
Ausgangskennlinie Abb. 7.6d zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der KollektorEmitter-Spannung 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 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 )).
7.1.3
Die NF-Verstärkerstufe
Der Anwendungsbereich von Transistoren ist sehr breit. Sie werden als Schalter, als Spannungsoder Stromverstärker und zur Schwingungserzeugung eingesetzt. Eine Anwendung von Transis-
7.1 Einführung
und damit die Spannung an RS. Dadurch wird das Gate gegenüber Source n
dass ID zurück geregelt wird. Weil dieser Effekt die Verstärkung der Schaltu
wird RS für die zu verstärkende Wechselspannung durch den Kondensator C
Aufgabe haben RE und CE in Bild 7a. Die Kondensatoren CEIN und CAUS die
111
Verstärkers von Gleichspannung. Dies ist nötig, weil eine Gleichspannung d
die Eigenschaften des
( Verstärkungsfaktor, A
verändern würde.
Die Verstärkung der S
von RC ( ∆UAUS = ∆IC
Empfindlichkeit des T
Arbeitspunkt beeinflus
wird durch die Steilhei
sich aus dem Different
Übergangskennlinie im
Abbildung 7.8: Arbeitspunkteinstellung bei einem N-Kanal Feldeffekttransistor
toren ist die Verstärkung von Wechselspannungssignalen. Bild 7.7a zeigt eine solche Verstärkerschaltung mit einem npn-Bipolartransistor. In Bild 7.7b 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 Kollektorbzw. 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 180◦ 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 7.7a. Die Kondensatoren CEIN und CAU S 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 (∆UAU S = ∆IC · RC ) bzw. RD und der Empfindlichkeit
des Transistors im gewählten Arbeitspunkt beeinflusst. Diese Empfindlichkeit wird durch die
112
7.1 Einführung
Steilheit S beschrieben, welche sich aus dem Differentialquotienten der Übergangskennlinie im
Arbeitspunkt berechnet (siehe Abb. 7.8). 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.
7.1.3.1
Beispiel für die Dimensionierung von RB1 , RB2 , RC und RE .
Gegeben sind:
Die Betriebsspannung: UB = 5 V,
das Ruhepotential am Kollektor: UC0 = 3 V
und das am Emitter UE0 = 1 V.
Der Kollektorstrom IC = 1 mA.
ETP 1 / V
Die Stromverstärkung B = 100.
Je Basisspannungsteiler
steiler die Übertragungskennlinie
größer
S und desto größer wird auch
Der Querstrom durch den
soll 10-malist,
so desto
groß wie
IB ist
sein.
der Schaltung, da bei größerem S schon eine sehr kleine Basis- bzw. Gatespannungsän
Bei der weiteren Betrachtung
davonbzw.
ausgegangen,
dass die Spannung
zwischen Basis und
große wird
KollektorDrainstromänderung
verursacht.
Emitter ca. UBE = 0,6 V beträgt (siehe Eingangskennlinie).
Beispiel für die Dimensionierung von RB1, RB2, RC und RE
Lösung:
Gegeben ist:
die Betriebsspannung UB = 5V. Das
am Kollektor UC0 = 3V , das am Em
Der Kollektorstrom IC = 1mA. Die S
verstärkung B = 100. Der Querstrom
Basisspannungsteiler soll 10 mal so
sein. Bei der weiteren Betrachtung w
ausgegangen, dass die Spannung zw
und Emitter ca. UBE = 0,6V beträgt
Eingangskennlinie ).
Lösung:
RE: =
MitUE0
IE ∼
folgt
V= 1V/1mA = 1000Ω
RE : mit IE ≈ IC folgt: R
≈ICUIE0
≈ R11EmA
= 1000 Ω.
E
IE
E
R
:
R
=
(5V-3V)
/
1mA
=
2000Ω
C
C
UB −UC0
V
RC : RC = IC = 5 V−3
= 2000Ω
1RmA
B1: RB1 = (5V-0,6V-1V) / (11*1mA / 100) = 30,909 kΩ
V−1 V
BE −UE0
= 5 V−0,6
= 30,909
kΩ / 100) = 16,000 kΩ
RB1 : RB1 = UB −U
(1V+0,6V)
/ (10*1mA
B2 =
11·IC /B RB2: R11·1
mA/100
0,6 V+1 V
UBE +UE0
RB2 : RB2 = 10·IC /B = 10·1 mA/100 = 16 kΩ
7.1.3.2
Beispiel für die Dimensionierung vonBeispiel
RD undfür
RSdie
. Dimensionierung von RG, RD, RS
Gegeben ist:
Die Betriebsspannung UB = 15V; die Pinch-Off-Spannung UP = -8 V, der Drainstrom I
Die Betriebsspannung Uder
15 V,
maximaler
Sättigungsstrom IDSS = 20 mA. Das Ruhepotential am Drain beträgt UD
B =
RG = 1 MΩ.
Gegeben sind:
Lösung:
RS: Stellt man die quadratische Glei
nach UGS um, so erhält man:
7.2 Vorbereitungen
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
113
die Pinch-Off-Spannung UP = −8 V,
der Drainstrom ID = 1 mA und
Beispiel für die Dimensionierung von RG, RD, RS
der maximaler Sättigungsstrom IDS = 20 mA.
ist: UD0 = 12 V.
Das Ruhepotential amGegeben
Drain beträgt
Die Betriebsspannung UB = 15V; die Pinch-Off-Spannung UP = -8 V, der Drainstrom
Weiterhin ist RG = 1 MΩ gegeben.
der maximaler Sättigungsstrom IDSS = 20 mA. Das Ruhepotential am Drain beträgt U
R
G = 1 MΩ.
Lösung:
Lösung:
RS: Stellt man die quadratische G
nach UGS um, so erhält man:
 U 
ID = IDSS 1 − GS 
UP 

2
⇒

ID
UGS = U P 1 −

IDSS


 = −

US = -UGS = 6,2V
RS = 6,2V / 1mA = 6 200Ω
RD = (15V-12V) / 1mA = 3 000Ω
RS : Stellt man die quadratische Gleichung für ID nach UGS um, so erhält man:
UGS 2
) ⇒
U
P
q
D
− IIDS
)=
ID = IDS (1 −
UGS = UP (1
−6,2 V
US = −UGS = 6,2 V, IS = ID = 1 mA ⇒
RS =
US
IS
RD : RD =
7.2
7.2.1
6,2 V
= 6200 Ω
1 mA
UB −UD0
V
= 15 V−12
ID
1 mA
=
= 3000 Ω
Vorbereitungen
Allgemein
Bereiten Sie sich mit Hilfe der Einleitung, den Vorlesungsunterlagen und mit weiteren Quellen (Bibliothek, Internet) ausführlich vor. Sollten Fragen offen bleiben, wenden Sie sich bitte
rechtzeitig an einen Betreuer oder Herrn Schneider, R. −1325, WA 73.
7.2.2
Fragen zur Vorbereitung
Beantworten Sie bitte zur Vorbereitung dieses Versuches schriftlich folgende Fragen:
1. Zeichnen Sie schematisch den Aufbau eines p-Kanal JFET und geben Sie die zugehörende Übertragungs- und Ausgangskennlinie an.
7.3 Versuchsdurchführung
114
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 7.7a) ist zu dimensionieren. Folgende
Größen sind gegeben: UB = 6 V, B = 150, IC = 0,5 mA, das Kollektorruhepotential
beträgt 3,5 V , das Emitterruhepotential beträgt 1 V jeweils gegen Masse. Die Spannung
zwischen Basis und Emitter beträgt 0,6 V. Der Querstrom durch den Basisspannungsteiler
soll 10 · IB betragen. Berechnen Sie RB1 , RB2 , RC und RE !
6. Eine NF-Verstärkerstufe mit n-Kanal JFET (s. Bild 7.7b) ist zu dimensionieren. Folgende
Größen sind gegeben: UB = 15 V, UP = −5 V, IDS = 24 mA, ID = 6 mA, RG = 1 MΩ.
Das Drainruhepotential beträgt 7,5V gegen Masse. Berechnen Sie RD , RS !
7.3
Versuchsdurchführung
Hinweise zu den Messungen:
• 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.
• Je zügiger die Messreihe durchgeführt wird desto besser sind die Ergebnisse. Die Erwärmung des Transistors verfälscht das Ergebnis.
• Im linearen Bereich einer Kennlinie reichen wenige Messpunkte. Im Bereich starker
Krümmungen sind entsprechend mehr Messpunkte aufzunehmen.
7.3.1
Aufnahme der Eingangskennlinien eines npn-Transistors
7.3.1.1
Versuchsaufbau
Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 7.10 auf. Zur Spannungsversorgung U0 verwenden
Sie eine Quelle mit nachgeschaltetem Spannungsteiler. Der Spannungsteiler RB1 , RB2 wird mit
einem Potentiometer mit Rges = R1 + R2 = 10 kΩ aufgebaut (siehe Abb. 7.9). Stellen Sie
das Teilungsverhältnis des Potentiometers so ein, dass Sie bei einer Speisespannung von U0 =
0 . . . 10 V eine Ausgangsspannung U2 = UBE = 0 . . . 1 V erhalten.
115
7.3 Versuchsdurchführung
R1
U0
R
U0
R2
U2
U2
Abbildung 7.9: Potentiometer als Spannungsteiler
RB1
IB
U0
RB2
UBE
Abbildung 7.10: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Eingangskennlinie
7.3.1.2
Aufgaben
Nehmen Sie die Eingangskennlinie IB = f (UBE ) beginnend mit dem größten Wert auf und
tragen Sie die Messwerte in die Tabelle auf Seite 120 ein. Skizzieren Sie die Kennlinie in Abbildung 7.13.
7.3.2
Aufnahme der Stromverstärkungskennlinien eines npn-Transistors
7.3.2.1
Versuchsaufbau
Erweitern Sie die Schaltung um zwei Messgeräte zur Erfassung des Kollektorstroms IC und der
Kollektor-Emitter-Spannung UC E, sowie um eine weitere Spannungsquelle U0 1. Ihre Schaltung
sollte nun Abbildung 7.11 entsprechen.
116
7.3 Versuchsdurchführung
IC
RB1
IB
U01
UCE
U02
RB2
Abbildung 7.11: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Stromverstärkungskennlinie
7.3.2.2
Aufgaben
Nehmen Sie die Stromverstärkung IC = f (IB ) mit dem Parameter UCE = 4,5 V auf. Beginnen
Sie mit dem größten Wert und tragen Sie die Messwerte in die Tabelle auf Seite 120 ein. Skizzieren Sie die Kennlinie in Abbildung 7.14. und bestimmen Sie hieraus die Stromverstärkung
B.
7.3.3
Aufnahme des Ausgangskennlinienfeldes eines npn-Transistors
7.3.3.1
Versuchsaufbau
Die Schaltung bleibt gegenüber dem Aufbau zur Aufnahme der Stromverstärkungskennlinie
unverändert.
7.3.3.2
Aufgaben
Nehmen Sie nun das Ausgangskennlinienfeld IC = f (UCE ) bei sich änderndem Parameter IB
auf. Es sollen fünf Kennlinien vermessen werden, wobei sich die Ströme IB aus folgendem
Zusammenhang ergeben:
IB =
IC
B
(7.1)
Zusammen mit der aus der Stromverstärkungskennlinie ermittelten Stromverstärkung B ergeben sich für die gegebene Ströme IC die zu errechnenden Werte für IB .
IC / mA
IB / µA
6
8
10
12
14
7.3 Versuchsdurchführung
117
Nehmen Sie die Kennlinien wieder mit den größten Werten beginnend auf und tragen Sie die
Messergebnisse in die Tabelle auf Seite 120 ein. Die Werte für IB1 bis IB5 entnehmen Sie obiger
Tabelle. Skizzieren Sie die Kennlinien in Abbildung 7.15.
7.3.4
Aufbau eines NF-Verstärkers
In dieser Aufgabe soll eine Niederfrequenz-Verstärkerstufe in Emitterschaltung dimensioniert
und aufgebaut werden.
7.3.4.1
Dimensionierung
Dimensionieren Sie einen NF-Verstärker nach Abbildung 7.12 mit Hilfe folgender Angaben:
Die Betriebsspannung betrage UBat = 10 V. Der Kollektorstrom IC wird mit 10 mA vorgegeben, das Emitter-Ruhepotential UE0 sei mit 1 V gegeben. Das Kollektorruhepotential UC0
ergebe sich aus der maximalen Aussteuerbarkeit. Die Stromverstärkung B sowie die BasisEmitter-Spannung UBE entnehmen Sie bitte den Kennlinien. Der Querstrom Iq durch den Basisspannungsteiler soll 10-mal so groß wie IB sein. Berechnen Sie die Werte für RB1 , RB2 , RC
und RE , und tragen Sie diese in die Tabelle auf Seite 124 ein.
Hinweis:
Diese Schaltung soll eine Wechselspannung ue (t) verstärken. Die Ausgangsspannung ua (t)
wird über einem Kondensator am Kollektor abgegriffen. Um einen möglichst großen Spannungshub (Amplitude) zu ermöglichen, muss RC so gewählt werden, dass das Kollektorruhepotential möglichst mittig zwischen dem Emitterruhepotential UE0 = URE und UBat liegt. Eine
große Ausgangsamplitude ist eine Voraussetzung für eine große Aussteuerbarkeit.
Die Stromverstärkung B erhalten Sie aus der Stromverstärkungskennlinie als Steigung im Punkt
IC = 10 mA. Mit dem dazugehörigen Wert IB können Sie aus der Eingangskennlinie die BasisEmitter-Spannung UBE bestimmen.
7.3.4.2
Aufbau
Wählen Sie passende einstellbaren Widerstände für RB1 , RB2 , RC und RE auf dem Steckbrett
aus und stellen Sie die errechneten Widerstandswerte ein. Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 7.12 zunächst OHNE Kondensatoren auf.
7.3.4.3
Aufgaben
• Nehmen Sie die Schaltung in Betrieb. Hierzu erhöhen Sie langsam die Spannung UBat
bis auf UBat = 10 V. Messen Sie zur Kontrolle gleichzeitig die Spannung URE . Sie sollte
118
7.3 Versuchsdurchführung
RB1
Cein Iq
RC
Ib
Ic
Caus
UBat
UBE
ue
RB2
RE
CE
ua
Abbildung 7.12: Versuchsaufbau zum NF-Verstärker
sich langsam dem erwarteten Wert annähern: URE ≈ 1 V.
• Messen Sie das Kollektor-, Emitter- und Basisruhepotential gegen Masse (UC0 , UE0 , UB0 ).
• Erweitern Sie die Schaltung um die drei Kondensatoren CEIN = CAU S = 1 µF, CE =
100 µF. Verbinden Sie nun einen Funktionsgenerator (Signalform: sinus, f = 5 kHz,
ûss = 10 mV) mit dem Eingang des Verstärkers sowie ein Oszilloskop sowohl mit dem
Eingang (Kanal 1) und dem Ausgang (Kanal 2) der Verstärkerschaltung.
• Messen Sie die Amplituden der Eingangs- und der Ausgangsspannung ûess und ûass .
Drucken Sie den Oszilloskopbildschirm aus. Was können Sie über die Phasenbeziehung
beider Signale aussagen?
• Ermitteln Sie die Spannungsverstärkung v der aufgebauten Schaltung.
Hinweis: Die Spannungsverstärkung berechnet sich zu v =
7.3.4.4
ûass
.
ûess
Auswertung
• Zeichnen Sie ein Vier-Quadranten-Kennlinienfeld des vermessenen Transistors. Verwenden Sie ein Din A4 Blatt mit Milimetereinteilung und zeichnen Sie möglichst formatfüllend.
• Zeichnen Sie in das Kennlinienfeld in jeden Quadranten den Arbeitspunkt ein. Für diesen
Punkt wurde die Dimensionierung der Verstärkerschaltung durchgeführt.
• Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Eingangswiderstandes des Transistors. Bestimmen Sie rein im Arbeitspunkt. (rEIN = ∆UBE /∆IB ,UCE = konst.)
7.3 Versuchsdurchführung
119
• Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Ausgangswiderstandes des Transistors. Bestimmen Sie raus im Arbeitspunkt. (rAU S = ∆UCE /∆IC ,IB = konst.)
• Bestimmen Sie die Steilheit des Transistors im Arbeitspunkt. (S = ∆IC /∆UBE ,UCE =
konst.)
IC2 / mA
IC3 / mA
IC4 / mA
IC5 / mA
IB2 =
IB3 =
IB4 =
IB5 =
UCE / V
80
80
IC1 / mA
100
100
IB1 =
IB / µA
IC / mA
IB / µA
UBE / mV
IB / µA
40
20
15
10
40
20
15
10
8
6
4
2
1
0,6
0,4
Ausgangskennlinieng: IC = f (UCE ) mit IB als Parameter.
Stromverstärkung B =
60
Stromverstärkung: IC = f (IB ) mit UCE = 4,5 V.
60
Eingangskennlinie: IB = f (UBE )
Bipolar - Transistor / Typ BCF141-16
0,2
5
5
0,15
3
3
0,1
0,05
1
1
7.3 Versuchsdurchführung
120
121
7.3 Versuchsdurchführung
Abbildung 7.13: Eingangskennlinie IB = f (UBE )
Abbildung 7.14: Stromverstärkung IC = f (IB ) mit UCE = 4,5 V
7.3 Versuchsdurchführung
Abbildung 7.15: Ausgangskennlinienfeld IC = f (UBE ) mit Parameter IB
122
7.3 Versuchsdurchführung
Abbildung 7.16: Kennlinienfeld des Bipolartransistors
123
ûass =
v=
RB1 =
RB2 =
RC =
RE =
1V
UB −URE
2
10 · IB
UCE =
Iq =
ûess =
UB0 =
UE0 =
UE0 =
UBE =
10 mA
UC0 =
IC =
B=
gemessen:
10 V
berechnet:
UBat =
gegeben:
NF - Verstärker; Dimensionierung, Messung.
Bipolar - Transistor / Typ BCF141-16
7.3 Versuchsdurchführung
124
125
Literatur
[1] C LAUSERT, H. ; W IESEMANN, G. : Grundgebiete der Elektrotechnik 1. 8. Auflage. München, Wien : Oldenbourg, 2003
[2] S CHRÜFER, E. : Elektrische Messtechnik – Messung elektrischer und nichtelektrischer
Größen. 9., aktualisierte Auflage. München : Hanser Verlag, 2007
[3] S TÖCKER, H. (Hrsg.): Taschenbuch der Physik. 3. Auflage. Thun, Frankfurt am Main :
Verlag Harri Deutsch, 1998
[4] T IETZE, U. ; S CHENK, C. : Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Berlin : Springer,
2002