Diode und Transistor

Physikalisches
Schulversuchspraktikum I
Diode und
Transistor
(Oberstufe)
marlene hack (9955515/412)
Abgabedatum: 28. 11. 2002
Inhaltsverzeichnis
Lerninhalt ............................................................3
In welcher Klasse?...............................................3
Vorkenntnisse........................................................................................................................3
Lernziele ..............................................................3
Theoretische Grundlagen .....................................4
Zusatzinformationen ..........................................................................................................9
Versuche mit dem NTL-Baukasten .....................14
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode.......................................14
Kennlinien von Halbleiterdioden................................................................................15
Einweggleichrichtung ......................................................................................................19
Zweiweggleichrichtung – Brückenschaltung nach Graetz............................20
Leuchtdiode (LED).............................................................................................................22
Zenerdiode.............................................................................................................................24
Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom ...................................................................25
Der Transistor als Verstärker ......................................................................................26
Basisschaltung (Stromverstärkung) ........................................................................27
Basisschaltung (Spannungsverstärkung) .............................................................28
Kollektorschaltung (Stromverstärkung)................................................................30
Kollektorschaltung (Spannungsverstärkung) .....................................................32
Zeitschalter ...........................................................................................................................33
Arbeitsblätter.....................................................36
Quellenverzeichnis.............................................41
Abbildungsnachweis ..........................................41
2
Lerninhalt:
Halbleiter:
reiner und dotierter Halbleiter
Herstellung von Halbleiterbauelementen
Dioden:
Eigenschaften von Halbleiterdioden
Einweg-, Zweiweggleichrichtung
Leucht-, Photo-, Zenerdiode
Transistoren:
Herstellung von Transistoren
Funktionsprinzip eines Transistors
Transistor in verschiedenen Schaltungen:
Transistor als Verstärker
Basisschaltung (Spannungs- und Stromverstärkung)
Kollektorschaltung (Spannungs- und Stromverstärkung)
Zeitschalter
Feldeffekttransistor
Logikschaltungen
Integrierte Schaltungen
In welcher Klasse?
7. Klasse:
reiner und dotierter Halbleiter, Eigenschaften von Halbleiterbausteinen,
Diode und Transistor, optoelektronische Bauelemente, Mikroelektronik und
integrierte Schaltungen
Vorkenntnisse:
 Elektrizitätslehre aus der Unterstufe (3. und 4. Klasse)
 Elektrizitätslehre aus der 7. Klasse
 Grundlagen der Elektrotechnik aus der 7. Klasse
Lernziele:




Funktionsprinzip und Eigenschaften von Dioden und Transistoren
Einweg- und Zweiweggleichrichtung mit Dioden
Funktionsprinzip von optoelektronischen Bauelementen
Verstehen von Schaltungen mit Transistoren
3
Theoretische Grundlagen:
HALBLEITER:
Halbleiter leiten bei Raumtemperatur Strom etwas besser als ein Isolator,
aber schlechter als ein Metall. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich
reine Halbleiter wie Isolatoren. Bei höheren Temperaturen oder durch
Verunreinigungen (Dotierung) oder auch unter Lichteinfluss kann die
Leitfähigkeit von Halbleitern gesteigert werden.
Meist bestehen Halbleiter aus Silizium, Germanium, Selen, Galliumarsenid,
Zinkselenid und Bleitellurid. In einem reinen Halbleiter wie Silizium sind
die äußeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen. Sie
werden von den Atomen gemeinsam benutzt, um kovalente Bindungen
herzustellen. Diese Valenzelektronen sind nicht völlig frei beweglich, um
elektrischen Strom zu transportieren. Durch Erhöhung der Temperatur
oder durch Licht nimmt die kinetische Energie der Elektronen zu, sodass
sich einige Elektronen aus dem Atomverband lösen können. Die
Elektronen werden also aus dem sogenannten Valenzband in das
Leitungsband angehoben. Im Valenzband bleiben dadurch Löcher (->
Defektelektronen) zurück, die als positive Ladungsträger betrachtet
werden.
Abbildung 1
DOTIEREN:
Durch Einlagerung fremder Atome (Dotierung) mit einer anderen Anzahl
von Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, entstehen entweder
zusätzliche Elektronen (n-Leiter) oder Löcher (p-Leiter).
Die Fremdatome beim n-Leiter heißen Donatoren und beim p-Leiter
Akzeptoren.
4
Abbildung 2
Als Beispiel für einen n-Leiter ist in dieser Abbildung Germanium (4
Valenzelektronen), das mit Arsen (5 Valenzelektronen) dotiert ist,
dargestellt.
Um einen p-Leiter zu erhalten, kann man, wie abgebildet, Germanium mit
Indium (3 Valenzelektronen) dotieren.
Diode:
Wenn man einen n- und p-Leiter in Kontakt miteinander bringt, bilden sie
eine Halbleiterdiode. Im Berührungsbereich entsteht eine Sperrschicht,
da die freien Elektronen vom n-Leiter mit den Löchern im p-Leiter in
diesem Bereich rekombinieren.
Abbildung 3
5
Legt man nun eine Spannung mit dem Pluspol an den n-Leiter und mit
dem Minuspol an den p-Leiter an, so werden weitere freie Ladungsträger
aus der Grenzschicht verdrängt, wodurch sich die Sperrschicht vergrößert.
Es kann nur ein sehr schwacher Sperrstrom fließen -> Sperrrichtung
Abbildung 4
Bei entgegengesetzter Polung werden hingegen freie Ladungsträger in die
Grenzschicht gedrängt. Es kann starker Durchlassstrom fließen ->
Durchlassrichtung
Abbildung 5
Kennlinien:
Mit Hilfe der folgenden Schaltung, kann man die Kennlinie einer Diode
ermitteln:
Abbildung 6
6
Man trägt nun die Stromstärke (I), die man mit dem Amperemeter (A)
misst, in Abhängigkeit von UD in ein Diagramm ein:
Abbildung 7
Transistor:
Ein Transistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Zonen. Beim npnTransistor befindet sich eine dünne p-Schicht (-> Basis) zwischen zwei nSchichten (-> Emitter und Kollektor).
Beim pnp-Transistor liegt eine n-Schicht zwischen zwei p-Schichten. Jede
Schicht trägt einen Kontakt.
Abbildung 8
Legt man nun eine Basisspannung (UEB) zwischen Emitter und Basis an, so
fließen im Emitter Elektronen in Richtung Basis und in der Basis Löcher in
Richtung Emitter. Ein großer Teil der Elektronen diffundiert zur
Sperrschicht der von Basis und Kollektor gebildeten Diode, da die Basis
sehr dünn ist. Im n-leitenden Bereich der Sperrschicht werden die
Elektronen von den unkompensierten positiven Donatorionen angesaugt
und können dann zur positiven Elektrode fließen.
Der vom Emitter zum Kollektor fließende Strom ist bis zu tausendmal
größer als der Basisstrom vom Emitter zur Basis.
Schaltet man aber die Basisspannung ab oder polt sie um, sinkt der
Kollektorstrom auf Null.
7
Stromsteuerkennlinie eines Transistors zeigt die Abhängigkeit des
Kollektorstroms vom Basisstrom:
Abbildung 9
Schaltsymbole für Transistoren:
Abbildung 10
8
Zusatzinformationen:
Herstellung von Einkristallen und Dotierung:
Zonenschmelzverfahren:
Das kristalline Reinsilizium wir im Zonenschmelzverfahren weiter gereinigt
und zu großen Einkristallen umgeschmolzen. Dafür wir ein kristalliner
Siliziumstab durch eine Induktionsspule gezogen und durch
Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen. Der Kristall wächst an der
Grenzfläche fest-flüssig (Länge: 1 – 2 m, Durchmesser: 10 – 20 cm) und
gleichzeitig wandern die Verunreinigungen mit der Schmelzzone an das
Ende des Kristalls.
Dieser gezogene Einkristall wird in dünne Scheiben (-> Wafer)
geschnitten.
Dotierung:
Man kann entweder gleich beim Ziehen des Einkristalls die Fremdatome
dem geschmolzenen Silizium beimischen oder die fertigen
Siliziumscheiben mit dem Dotierstoff bedampfen.
Durch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ist
eine genaue Dosierung und Lokalisierung der Dotierung möglich.
Herstellung eines npn-Transistors mit Planartechnik:
Abbildung 11
Aus einem n-dotierten Siliziumkristall wird eine Scheibe geschnitten,
deren Oberfläche bei 1000°C oxidiert wird, wodurch sie zum Isolator wird.
9
Nun wird ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen. Auf die Oberfläche wird
mit UV-Licht eine Maske projiziert, wodurch die Oxidschicht an den
belichteten Stellen weggeätzt wird. Das darunterliegende Silizium wird
durch Bedampfung mit Bor p-leitend. Dieser Vorgang kann dann mit
verschiedenen Masken und Dotierungen wiederholt werden, wodurch man
komplexe Strukturen erzielen kann. Abschließend werden noch
Leiterbahnen aufgedampft.
Integrierte Schaltungen (IC -> integrated circuits):
Der Raum- und Energiebedarf verringert sich mit Hilfe von Transistoren
auf ein Hundertstel. Die Entwicklung von integrierten Schaltungen
ermöglicht eine weitere Verkleinerung.
Auf einer Siliziumscheibe (10-15 cm Durchmesser) werden mit der
Planartechnik hunderte ICs hergestellt. ICs enthalten mehrere Millionen
Transistoren, Widerstände und Kondensatoren. Die nötigen elektrischen
Verbindungen werden durch aufgedampfte Metallbahnen hergestellt.
Abschließend wird die Siliziumscheibe in einzelne Chips zerschnitten.
ICs haben die Entwicklung von Taschenrechner und Personalcomputer,
Digitaluhren und Videospiele ermöglicht. Außerdem haben sie zur
Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte
beigetragen, zum Beispiel bei Haushaltsgeräten, Fernsehern, Radios und
Stereoanlagen. Sie werden auch in der Industrie, Medizin,
Verkehrsregelung, Umweltüberwachung und Kommunikationstechnik
eingesetzt.
Zener- und Lawineneffekt:
Der Zenereffekt tritt bei sogenannten Zenerdioden, die in Sperrrichtung
geschaltet ist, auf. Bei höherer Sperrspannung kann die Feldstärke in der
Sperrschicht so groß werden, dass Elektronen aus ihren Bindungen
gerissen werden und sich so die Dichte der freien Ladungsträger erhöht (> Zenereffekt).
Bei hoher Sperrschicht kann außerdem die kinetische Energie der freien
Ladungsträger so groß werden, dass sie durch Stoß weitere Ladungsträger
freisetzen können (-> Lawineneffekt).
Der Sperrstrom steigt ab einer kritischen Spannung (-> Durchbruch- oder
Zenerspannung) steil an. Der steile Anstieg des Stromes im
Durchbruchgebiet wird bei Zenerdioden zur Spannungsstabilisierung
ausgenutzt.
Leuchtdiode (LED -> light emitting diode):
Sie dient zur Anzeige („Display”) bei den verschiedenen Geräten, wie zum
Beispiel Steuerungen, Uhren und Zähler aller Art.
Bei Anlegen einer Durchlassspannung rekombinieren Elektronen aus dem
n-Bereich und Löcher aus dem p-Bereich. Die dabei freiwerdende Energie
wird als Licht abgestrahlt. Die Farbe des Lichts hängt vom Material der
LED ab.
10
Photodiode und Phototransistor:
Ihre Funktion beruht auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Sie lassen
in Sperrrichtung einen Strom fließen, wenn Licht auf sie auftrifft. Dies
kann auch ultraviolettes oder infrarotes Licht sein. Zu den wichtigsten
Anwendungen zählen Lichtschranken und Abtastvorrichtungen oder
beispielsweise die Steuerung von TV-Geräten mittels InfrarotFernbedienung, außerdem werden Photodioden zur Lichtmessung
(Kamera) verwendet. Die Empfangsbildröhren von Video- und
Fernsehkameras funktionieren nach demselben Prinzip. In ihnen wird das
vom Objektiv gelieferte Bild auf einen so genannten CCD-Chip geführt, der
die Bildsignale in elektronischer Form zur Aufzeichnung oder an einen
Bildschirm weitergibt.
Optoelektronische Nachrichtenübertragung:
Ein Sender (LED), der ein elektrisches Signal in Licht umwandelt, sendet
ein Lichtsignal aus. Dieses gelangt über einen Übertragungsweg (Vakuum,
Luft, Glasfaserlichtleiter) zu einem Empfänger (Photodiode, Photozelle,
Phototransistor), der das Licht wieder in ein elektrisches Signal
umwandelt.
Solarzelle:
Ihre Wirkungsweise beruht auf dem gleichen Prinzip wie die Photodiode.
Hier wird die Energie des einfallenden Lichts direkt in elektrische Energie
umgesetzt.
Abbildung 12
Thyristor:
Der Thyristor besteht aus vier Silizium-Halbleiterschichten (pnpn).
Dieser funktioniert nach demselben Prinzip wie der Transistor und dient
zum Schalten starker elektrischer Ströme. Er hat weitgehend das Relais
ersetzt. Mit einer Spezialform des Thyristors, dem Triac, werden
Wechselströme geschaltet.
11
Flip-Flop:
Eine Flip-Flop-Schaltung ist eine bistabile Kippschaltung. Es leuchtet
immer nur eines der beiden Lämpchen.
L1 leuchtet, L2 leuchtet nicht, wenn Transistor 1 durchgeschaltet ist, d.h.
dass die Spannung am Punkt 1 und damit auch bei Basis 2 gleich Null ist.
Daher ist Transistor 2 gesperrt und L2 leuchtet nicht.
Wird nun Transistor 1 durch Kurzschließen von seiner EB-Strecke
gesperrt, dann erlischt L1, Punkt 1 und damit auch Basis 2 bekommen
Spannung. Daher wird Transistor 2 leitend und L2 leuchtet.
Die Spannung am Punkt 2 und damit auch an der Basis 1 sinkt auf Null.
Daher wird Transistor 1 durch seinen leitenden Nachbarn Transistor 2
gesperrt.
Die Schaltung hat zwei stabile Zustände. Durch kurze Spannungsimpulse
kann zwischen diesen beiden Zuständen umgeschaltet werden.
Die Flip-Flop-Schaltung wird in der Computertechnik als Datenspeicher
verwendet.
12
Feldeffekttransistor:
Abbildung 13
Beim Anlegen einer Spannung zwischen S (Source) und D (Drain) fließt
fast kein Strom.
Wenn man eine positive Spannung an die Steuerelektrode G (Gate)
anlegt, werden die Löcher weggedrängt und freie Elektronen aus den nGebieten angesaugt. Es entsteht ein leitender Kanal, der umso breiter ist
und umso besser leitet, je höher die Spannung am Gate ist.
Das elektrische Feld am Gate steuert den Drainstrom. Dafür ist sehr wenig
Leistung erforderlich.
13
Versuche mit dem NTL-Baukasten:
Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Si-Diode, 1 Lampenfassung, 1 Glühlampe, 2
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:
Wir legen eine Gleichspannung in Durchlassrichtung und dann in
Sperrrichtung an.
Versuchsergebnis:
Wenn die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist, fließt Strom und das
Lämpchen leuchtet.
Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist, leuchtet das Lämpchen
nicht.
Zeit:
ungefähr 5 Minuten
14
Kennlinien von Halbleiterdioden
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 100 Ω und 500 Ω, 1 Si-Diode, 1 GeDiode, 2 Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 14
15
Versuchsdurchführung:
Wir messen die Kennlinien von Si- und Ge-Dioden. Dafür schalten wir die
Dioden zuerst in Durchlassrichtung, dann in Sperrrichtung und messen die
Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung.
Versuchsergebnis:
(1)
Zuerst nehmen wir die Siliziumdiode und einen Widerstand von 100 Ω. Wir
schalten die Dioden in Durchlassrichtung und messen die Stromstärke in
Abhängigkeit von der Spannung:
Spannung Stromstärke
in V
in mA
0,1
0
0,2
0,3
0,3
1
0,4
3,5
0,5
7,5
0,6
18
0,7
35
Diese Werte tragen wir nun in ein Koordinatensystem ein:
Stromstärke in mA
Kennlinie einer Si-Diode
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Spannung in V
16
Danach wiederholen wir den Versuch in Sperrrichtung:
Spannung in Stromstärke
V
in mA
5
0,2
10
0,4
15
0,5
20
0,7
25
0,85
Wenn man auch diese Werte in das Diagramm einzeichnen möchte, muss
man einen anderen Maßstab für die Sperrrichtung wählen.
(2)
Wir wiederholen nun den gesamten Versuch, jedoch ersetzen wir jetzt die
Si-Diode durch eine Ge-Diode und den 100 Ω Widerstand durch einen 500
Ω Widerstand.
Diode in Durchlassrichtung:
Spannung in Stromstärke
V
in mA
0,1
0
0,2
2,3
0,4
30
0,5
50
17
Kennlinie einer Ge-Diode
Stromstärke in mA
60
50
40
30
20
10
0
-10 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Spannung in V
Diode in Sperrrichtung:
Spannung in Stromstärke
V
in mA
10
0,4
15
0,5
20
0,7
25
0,9
Zeit:
ungefähr 15 Minuten
18
Einweggleichrichtung
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Si-Diode, 1 Glühlampe, 2
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 15
Versuchsdurchführung:
(1)
Wir verwenden zunächst Gleichspannung (9 V) und polen die angelegte
Spannung händisch um.
(2)
Wir legen nun 9 V Wechselspannung an.
Versuchsergebnis:
(1)
Je nachdem ob die Diode in Durchlass- oder Sperrrichtung geschaltet ist,
leuchtet das Lämpchen auf oder erlischt.
(2)
Legen wir Wechselspannung mit 50 Hz an, so führt immer nur eine
Halbperiode (50 pro Sekunde) zu einem Stromfluss. Die einzelnen
Stromstöße können wir jedoch aufgrund der Trägheit der Augen nicht
erkennen.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
19
Zweiweggleichrichtung – Brückenschaltung nach Graetz
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Glühlampe, 4 Si-Dioden,4
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 16
Versuchsdurchführung:
Wir legen eine Wechselspannung von ca. 10 V an.
20
Versuchsergebnis:
Bei dieser Schaltung werden beide Halbperioden der Wechselspannung
ausgenützt. Durch das Lämpchen fließt ein pulsierender Gleichstrom.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
21
Leuchtdiode (LED)
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, 1 Lampenfassung, 1 LED rot, 1 Glühlampe, Widerstand 500
Ω, 2 Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 17
Man muss noch zusätzlich einen Vorwiderstand einbauen, da sonst die LED
kaputt wird!
22
Versuchsdurchführung:
Wir stecken die LED in Durchlassrichtung und dann in Sperrrichtung.
Versuchsergebnis:
Ist die LED in Durchlassrichtung gesteckt, so leuchten die LED und das
Glühlämpchen.
In Sperrrichtung leuchtet weder die LED noch das Glühlämpchen.
Tipps:
LEDs dürfen nur mit Vorwiderstand verwendet werden!
Zeit:
ungefähr 5 Minuten
23
Zenerdiode
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Z-Diode 4,7 V, 1 Glühlampe,
1 Messinstrument, 4 Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 18
Versuchsdurchführung:
Wir legen eine Gleichspannung in Sperrrichtung an, die wir von 0 auf 10 V
erhöhen.
Versuchsergebnis:
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis ca. 4,7 V. Trotz Erhöhung
der angelegten Spannung bleibt die Spannung an der Zenerdiode fast
konstant bei 4,7 V, wobei das Glühlämpchen trotz Sperrrichtung leuchtet.
Bei einer Zenerdiode (in Sperrrichtung) bricht also bei einer bestimmten
Spannung ein Strom durch.
Tipps:
Man sollte die angelegte Spannung nur sehr langsam erhöhen, da sonst
die Zenerdiode kaputt werden könnte!
Zeit:
ungefähr 5 Minuten
24
Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 10 kΩ, 1 Lampenfassung, 1 pnpTransistor Basis links, 1 Glühlampe, 2 Verbindungsleitungen,
Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 19
Versuchsdurchführung:
Wir legen eine Gleichspannung von 8 V an und beobachten das
Glühlämpchen mit und ohne Leitungsbaustein L.
Versuchsergebnis:
Wenn der Leitungsbaustein L nicht eingesteckt ist, fließt kein BasisEmitter-Strom und das Glühlämpchen leuchtet nicht.
Wenn wir nun den Leitungsbaustein L einstecken, fließt ein Basis-EmitterStrom, wodurch der Transistor leitend wird und ein Kollektor-EmitterStrom zustande kommt. Das Glühlämpchen leuchtet!
Zeit:
ungefähr 5 Minuten
25
Der Transistor als Verstärker
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Lampenfassung, 1 Widerstand 10 kΩ, 1
Widerstand 47 kΩ, 1 npn-Transistor Basis links, 1 Glühlampe, 1
Messinstrument, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 20
Versuchsdurchführung:
Wir messen Basis- (mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA) und
Kollektorstrom (mit dem Amperemeter mit Messbereich 100 mA) bei
einem Widerstand von 10 kΩ und dann von 47 kΩ:
Kollektorstrom:
bei 47 kΩ: 28 mA
bei 10 kΩ: 29 mA
Basisstrom:
bei 47 kΩ: 0,2 mA
bei 10 kΩ: 1 mA
Versuchsergebnis:
Die Kollektorstromänderung sollte ungefähr vierzigmal größer sein. Der
Stromverstärkungsfaktor wäre dann gleich 40.
Bei unserer Messung muss uns ein Fehler passiert sein.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
26
Basisschaltung (Stromverstärkung)
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer 470 Ω, 1
Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-Transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 21
Versuchsdurchführung:
Der Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30 mA, der
Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter gemessen. Mit Hilfe des
Potentiometers können wir den Emitterstrom IE regeln. Der entsprechende
Kollektorstrom IC wird ebenfalls gemessen.
Versuchsergebnis:
IE in mA
2
10
IC in mA
10
12
Stromverstärkung:
dI C
=1
dI E
Die Basisschaltung ergibt normalerweise einen Stromverstärkungsfaktor
kleiner als 1!
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
27
Basisschaltung (Spannungsverstärkung)
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer 470 Ω, 1
Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-Transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 22
28
Versuchsdurchführung:
Die Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit
Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung UBE mit dem
anderen Voltmeter.
Mit Hilfe des Potentiometers können wir die Kollektor-Basis-Spannung
regeln. Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung wird ebenfalls
gemessen.
Versuchsergebnis:
UCB in V
1
3
UBE in V
0,65
0,55
dU CB
= 20
dU BE
Die Basisschaltung sollte eigentlich eine Spannungsverstärkung zwischen
100 und 1000 ergeben.
Spannungsverstärkung:
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
29
Kollektorschaltung (Stromverstärkung)
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 100 Ω, 1 Widerstand 500 Ω, 1
Drehwiderstand 10 kΩ, 1 npn-Transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 23
30
Versuchsdurchführung:
Der Kollektor-Basis-Strom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich 30
mA, der Kollektor-Emitter-Strom mit dem anderen Amperemeter
gemessen. Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man den Kollektor-BasisStrom ICB regeln. Der entsprechende Kollektor-Emitter-Strom ICE wird
ebenfalls gemessen.
Versuchsergebnis:
ICB in mA ICE in mA
0,1
40
0,3
44
dI CE
= 20
dI CB
Die Stromverstärkung sollte bei einer Kollektorschaltung zwischen 50 und
500 liegen.
Stromverstärkung:
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
31
Kollektorschaltung (Spannungsverstärkung)
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 100 Ω, 1 Widerstand 500 Ω, 1
Drehwiderstand 10 kΩ, 1 pnp-Transistor Basis links, 2 Messinstrumente, 6
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Versuchsaufbau:
Abbildung 24
Versuchsdurchführung:
Mit Hilfe des Drehwiderstandes kann man die Kollektor-Basis-Spannung
UCB regeln. Die entsprechende Kollektor-Emitter-Spannung UCE wird
ebenfalls gemessen.
Versuchsergebnis:
Bei einer Kollektor-Basis-Spannung von 1 V, haben wir eine KollektorEmitter-Spannung von 6 V gemessen.
Wir haben nur einen Wert gemessen und können daher die
dU CB
Spannungsverstärkung
nicht berechnen.
dU CE
Bei einer Kollektorschaltung ist die Spannungsverstärkung kleiner als 1.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
32
Zeitschalter
Verwendete Materialien:
Schaltplatte, Leitungen, 1 Schalter EIN-AUS, 1 Lampenfassung, 1
Kondensator 100 μF, 1 Kondensator 1000 μF, 1 Widerstand 1 kΩ, 1
Widerstand 10 kΩ, 1 npn-Transistor Basis links, 1 Glühlampe, 2
Verbindungsleitungen, Stromversorgung.
Versuchsaufbau:
Abbildung 25
33
Versuchsdurchführung:
Wir verwenden zuerst den Widerstand 1 kΩ und den Kondensator 1000
μF. Man schließt den Schalter, wodurch das Glühlämpchen leuchtet. Nach
einigen Sekunden wird der Schalter wieder geöffnet. Wir bestimmen nun
34
wie viel Zeit zwischen dem Öffnen des Schalters und dem Erlöschen des
Glühlämpchens vergeht.
Wir ersetzen nun den Widerstand 1 kΩ durch den Widerstand 10 kΩ und
den Kondensator 1000 μF durch den Kondensator 100 μF.
Versuchsergebnis:
C = 1000 μF und R = 1 kΩ: Zeit t = 47 Sekunden
C = 1000 μF und R = 10 kΩ: Zeit t = 87 Sekunden
C = 100 μF und R = 1 kΩ: Zeit t = 10 Sekunden
Das Lämpchen kann nur dann leuchten, wenn ein Basisstrom fließt. Wenn
der Schalter geschlossen ist, wird der Kondensator aufgeladen. Wird der
Schalter dann geöffnet, kann sich der Kondensator wieder entladen und es
fließt weiter ein Basisstrom bis der Kondensator vollständig entladen ist.
Der Zeitschalter ermöglicht also, dass das Lämpchen bei Schließen und
wieder Öffnen des Schalters für eine bestimmte Zeitdauer leuchtet.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
Der Grund für unsere fehlerhaften Ergebnisse liegt wahrscheinlich
bei den ungenauen Messgeräten!
35
Arbeitsblatt
Kennlinien von Halbleiterdioden
Materialien:
NTL-Baukasten
Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 100 Ω und 500 Ω, 1 SiDiode, 1 Ge-Diode, 2 Messinstrumente, 6
Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaßen auf:
Abbildung 26
Versuchsdurchführung:
Verwende zuerst die Si-Diode. Das Voltmeter (Messbereich 3 V
=) misst die Spannung an der Diode, das Amperemeter
(Messbereich 30 mA=) die Stromstärke.
Lege nun eine Gleichspannung an, erhöhe sie langsam und
trage die jeweilige Stromstärke in die Tabelle ein!
36
Spannung in V Stromstärke in mA
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Führe nun den Versuch mit der Ge-Diode durch!
Spannung Stromstärke
in V
in mA
0,1
0,2
0,4
0,5
37
Arbeitsblatt
Basisschaltung (Stromverstärkung)
Materialien:
NTL-Baukasten
Schaltplatte, Leitungen, Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer
470 Ω, 1 Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-Transistor Basis links, 2
Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaßen auf:
Abbildung 27
Versuchsdurchführung:
Der Emitterstrom wird mit dem Amperemeter mit Messbereich
30 mA, der Kollektorstrom mit dem zweiten Amperemeter
gemessen. Mit Hilfe des Potentiometers kannst du den
Emitterstrom IE regeln. Den entsprechenden Kollektorstrom IC
trägst du in die Tabelle ein:
IE in mA IC in mA
2
10
Stromverstärkung:
dI C
= __
dI E
38
Arbeitsblatt
Basisschaltung
(Spannungsverstärkung)
Materialien:
NTL-Baukasten
Schaltplatte, Leitungen, 1 Widerstand 500 Ω, 1 Potentiometer
470 Ω, 1 Batterie (Akku) 1,2 V, 1 npn-Transistor Basis links, 2
Messinstrumente, 6 Verbindungsleitungen, Stromversorgung
Baue die Schaltung folgendermaßen auf:
Abbildung 28
Versuchsdurchführung:
Die Kollektor-Basis-Spannung UCE wird mit dem Voltmeter mit
Messbereich 10 V gemessen und die Basis-Emitter-Spannung
UBE mit dem anderen Voltmeter.
Mit Hilfe des Potentiometers kannst du die Kollektor-BasisSpannung regeln. Die entsprechende Basis-Emitter-Spannung
trägst du in die Tabelle ein:
39
UCB in V UBE in V
1
3
Spannungsverstärkung:
dU CB
= __
dU BE
40
Quellenverzeichnis:
“Theoretische Grundlagen“ (S. 4 - 8), Zusatzinformationen (S. 9 - 13):
PHYSIK 3 (Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler) S. 91 - 101
Microsoft Encarta Professional 2002
Praktikum der Physik (Walcher) S. 281
WinFunktion 2000 Physik & Astronomie
Versuche mit dem NTL-Baukasten:
Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 (M. Bernhard, S. Jezik)
Abbildungsnachweis:
Abbildungen 3 – 5, 7 – 13, 16:
PHYSIK 3 (Sexl, Kühnelt, Pflug, Stadler) S. 91 - 101
Abbildungen 1, 2:
Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildungen 6,14, 15, 17 – 28:
Experimente zur Schulphysik, Teilgebiet 8 (M. Bernhard, S. Jezik)
41