V+304
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1 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). 2 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 4 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
