Protokoll 8

Physik-Praktikum 2001/2002
Klasse 10 c I / Gruppe E
Julian Schorpp / Franz Gravenhorst
Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02
„Halbleiterdiode und Transistor“
Physik-Praktikum Nr. 8 vom 24.06.02
„Halbleiterdiode und Transistor“
I. Versuch 1: „Die Halbleiterdiode“
1.1 Theorie zu Versuch 1
Je nach Stromrichtung variiert der Widerstand einer Halbleiterdiode. Bei
„richtiger“ Polung ist der Widerstand fast Null, bei „falscher“ Polung (Sperrpolung)
ist der Widerstand hingegen gegen unendlich, d.h. es fließt fast kein Strom mehr.
2.1 Durchführung zu Versuch 1
a) Versuchsaufbau
Zuerst steckten wir die drei Bauteile (Schalter,
Diode und Lämpchen) auf die Steckplatte und
verbanden die Anordnung dann gemäß Zeichnung
mittels Strippen mit der 4,5 V Flachbatterie.
b) Versuchsablauf
Durch Schließen des Schalters schalteten wir unseren Stromkreis an.
Wir konnten, wie erwartet, feststellen, dass die Lampe brannte.
Nun zogen wir die Diode heraus und steckten Sie mit umgekehrter Polung
wieder hinein. Diesmal brannte das Lämpchen nicht.
Für den zweiten Teilversuch tauschten wir das Lämpchen einfach mit einem 22
 - Widerstand und einem Vielfachinstrument, das wir auf 600 mA Gleichstrom
stellten. Nun schalteten wir den Stromkreis ein und notierten den Ausschlag
des Messgerätes. Auch hier zogen wir schließlich die Diode heraus und
steckten Sie mit umgekehrter Polung wieder hinein und notierten auch hier die
Stromstärke.
Für den dritten Teilversuch bauten wir nun noch ein Potentiometer
(Spannungsteiler) und ein Vielfachinstrument,
welches wir auf Gleichspannung stellten,
gemäß Zeichnung ein. Nun regulierten wir mit
dem Drehknopf des Spannungsteilers die an
der Diode anliegenden Spannung und trugen so
die fehlenden Werte (der Stromstärke) in die
Messtabelle ein.
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„Halbleiterdiode und Transistor“
Der vierte Teilversuch wurde von unserem Lehrer am Pult zentral (für alle
Gruppen) aufgebaut. Das Oszilloskop zeigte folgende
Ausgabe (skizziert):
Nach dem Umdrehen der Diode war folgendes auf dem Oszilloskop zu sehen:
An den Stellen, an denen vorher Berge waren,
sind nun keine mehr. Stattdessen sind die
Berge nun im negativen Bereich und dort, wo
sie vorher nicht waren (alles ist eine halbe
Periode verschoben und nach unten
gespiegelt).
Als wir das Oszilloskop an den 4V Gleichstromanschluss des Netzgerätes
anschlossen, war folgendes zu sehen:
Es ist nun eine Sinuskurve erkennbar, wobei
der negative Bereich in den positiven
gespiegelt wurde.
c) Messungen
Teilversuch 2:
I = 135 mA
Bei umgekehrter Polung der Diode: I = 0 mA
Teilversuch 3:
UD
J
V
mA
d) Besonderheiten
0
0
0,2
0,012
0,4
0,017
0,5
0,351
0,6
2,25
0,65
7,9
0,7
12
0,75
50
0,79
140
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„Halbleiterdiode und Transistor“
Bei Teilversuch drei war es uns nicht möglich die Stromstärke von 1 A zu
erreichen (letzter Messwert). Das Höchste, was wir hinbekamen waren 140
mA, wobei wir es dann auch beließen.
3.1 Auswertung zu Versuch 1
a) Ausrechnung und Teilergebnisse
Teilversuch 1:
Hier stellten wir ganz allgemein fest, dass die Diode bei „richtiger“ Polung (sog.
Durchlasspolung) Strom durchlässt und bei „falscher“ Polung (sog.
Sperrpolung) kein Strom (oder so wenig Strom, dass es nicht ausreichte, das
Lämpchen zum Leuchten zu bringen) durchlässt.
Teilversuch 2:
Bei diesem Teilversuch galt es, die Erkenntnis des ersten Teilversuches
quantitativ zu präzisieren. Bei beiden Schaltungen (einmal Diode in
Durchlasspolung und einmal in Sperrpolung) maßen wir die Stromstärke, somit
können wir nun jeweils den Widerstand der Diode berechnen:
R=U/I
gegeben: I, RW = 22  und U = 4,5 V
Erster Stromkreis (Durchlasspolung):
R = 4,5 V / 0,135 A = 33,3 
RW + RD = 33,3 
RD = 11,3 
Zweiter Stromkreis:
R = 4,5 V / 0 A = nicht lösbar bzw. unendlich
 RD = unendlich
Es hat sich also bestätigt, dass der Widerstand der Diode in der ersten
Anordnung relativ klein war, während er bei der zweiten Anordnung so groß
war, dass (zumindest für uns) kein messbarer Strom mehr fließen konnte.
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Teilversuch 3:
Stromstärke in mA
Verhältnis von Diodenspannung und
Diodenstrom
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0,2
0,4
0,5
0,6
0,65
0,7
0,75
0,79
Spannung an der Diode in V
Es wird deutlich, dass die Diode bei sehr kleiner Spannung keinen Strom
durchlässt. Erst ab 0,5 bzw. 0,6 V ist ein deutlicher Anstieg des Diodenstroms
dieser Diode zu erkennen. Wenn dieser Grenzwert aber erst einmal
überschritten ist, wächst die Stromstärke nahezu exponentiell an, d.h. der
Widerstand der Diode nimmt drastisch ab.
Diese sog. Kennlinie ist charakteristisch für jede Halbleiterdiode.
Teilversuch 4:
Die Wechselstromquelle liefert einen nahezu echten Sinusstrom, d.h. die
Spannung nimmt immer periodisch bis auf einen bestimmten Wert zu, fällt dann
wieder auf Null, nimmt weiter bis auf einen bestimmten negativen Wert ab
(gleicher Betrag wie die positive Amplitude) und steigt schließlich wieder auf
Null.
Da die Diode den Strom allerdings nur in eine Richtung durchlässt, werden
entweder die negativen oder die positiven Amplituden (je nach Polung)
„abgeschnitten“. Dies kann man auf den ersten beiden Schaubilder gut
erkennen.
Hierbei handelt es sich dann natürlich schon um einen –wenn auch sehr
abgehackten– Gleichstrom. Das macht sich in einem leichten Flimmern des
Lämpchen bemerkbar.
Das bei der dritten Anordnung benutzte Netzgerät wandelt die Netzspannung
(was ja eine Wechselspannung ist) aber effizienter in eine Gleichspannung um.
Der Strom ist zwar etwas „schluckauf“-mäßig (siehe drittes Schaubild), aber
die Zeitabschnitte, während denen kein Strom fließt sind nun sehr viel geringer
als bei den ersten beiden Versuchen.
Dies wird durch die sog. Brückenschaltung erreicht. Hierbei handelt es sich um
eine raffinierte Anordnung von vier Dioden, wobei immer stets durch zwei
Dioden der Strom fließen kann.
b) Gesamtergebnis
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„Halbleiterdiode und Transistor“
Insgesamt haben wir erkannt, dass bei Sperrpolung so gut wie kein Strom
durch die Diode fließen kann (Widerstand der Diode ist gegen unendlich) und,
dass bei Durchlasspolung bei zunehmender Spannung der Strom ab einer
bestimmten Spannung fast exponentiell ansteigt (Teilversuch 1-3).
Außerdem haben wir gelernt, wie man eine Diode (bzw. mehrere Dioden) als
Gleichrichter einsetzen kann (Teilversuch 4).
c) Fehler
Da uns zu den Versuchen keine Soll-Werte bekannt sind (z.B. Kennlinie der
benutzten Diode), ist es nicht möglich einen Fehler quantitativ zu bestimmen.
Zu Teilversuch zwei lässt sich nur anmerken, dass der Widerstand der Diode
mit den errechneten 11,3 Ohm wohl etwas zu hoch ausgefallen ist. Eigentlich
hätte dieser vernachlässigbar sein sollen.
Vermutlich hängt dieser Fehler mit der vermutlich nicht mehr ganz neuen
Blockbatterie zusammen.
d) Diskussion
Das Nichterreichen der 1 A – Marke bei Teilversuch drei ist vermutlich auch auf
die nicht volle Leistungsfähigkeit der Blockbatterie zurückzuführen.
I. Versuch 2: „Der Transistor“
1.2 Theorie zu Versuch 2
Ein Transistor ist ähnlich wie eine Diode aufgebaut. Er hat allerdings drei
Anschlüsse (Emitter, Basis und Kollektor).
Man kann einen Transistor entweder als Schalter benutzen (sobald zwischen
Basis und Emitter eine best. Spannung überschritten wird, wird der Widerstand
zwischen Kollektor und Emitter fast Null, d.h. der Stromkreis an Emitter und
Basis ist eingeschaltet) oder als Verstärker benutzen (eine kleine Schwankung
des Basisstroms bewirkt eine große Schwankung des Kollektorstroms.).
2.2 Durchführung zu Versuch 2
a) Versuchsaufbau
Zuerst steckten wir den Poti, den Widerstand, den Transistor und die beiden
Vielfachinstrumente (einmal als
Amperemeter und einmal als
Spannungsmesser benutzt, beide auf
Gleichspannung) gemäß Schaltskizze auf
das Steckbrett. Nun drehten wir den Poti
auf „0“ und schlossen dann beide
Stromquellen an. Da wir nur einen Batteriehalter hatten, mussten wir die
zweite behelfsmäßig mit Krokodilsklemmen und Strippen anschließen.
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„Halbleiterdiode und Transistor“
Für Teilversuch zwei bauten wir einfach den Spannungsmesser aus und bauten
anstatt des Widerstands einen zweiten
Strommesser ein (auf Gleichspannung
gestellt).
Für Teilversuch drei bauten wir jeweils die Schaltungen gemäß den
abgebildeten Schaltskizzen auf.
Schließlich kalibrierten wir die Schaltungen 1-3 jeweils durch Drehen am
Regelwiderstand.
b) Versuchsablauf
Teilversuch 1:
Wir erhöhten durch drehen am Poti immer die Spannung UBE und notierten die
dazugehörigen Werte des Strommessers.
Teilversuch 2:
Durch Drehen am Poti ließen wir die Stromstärke JB (durch den zweiten
Strommesser) steigen und notierten die gefragten Werte der vom ersten
Strommesser angezeigten Stromstärke JC.
Teilversuch 3:
a) Beim Erhitzen des Heißleiters fing das Glühlämpchen an zu leuchten. Zuerst
nur schwach, dann (nach weiterer Erwärmung) immer heller.
b) Sobald man den Fotowiderstand zudeckte, leuchtete das Lämpchen auf.
c) Am Lautsprecher konnte man das vom Partner ins Mikrofon Gesprochene
sehr gut verstehen (wenn auch die Qualität nicht berauschend war).
d) Beim Abwechselnden (jeweils kurzen) Überbrücken der beiden Lücken R
und S wechselten die beiden Lämpchen jeweils ihren Zustand. Wenn also
vorher L1 leuchtete, leuchtete nach dem Überbrücken von R das andere
Lämpchen (wenn man die Brücke wieder herauszog, blieb der Zustand!).
Durch kurzes Überbücken der anderen Lücke konnte man das ganze wieder
rückgängig machen.
c) Messungen
Teilversuch 1:
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UBE
JC
V
mA
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„Halbleiterdiode und Transistor“
0
0
0,2
0
0,4
0,008
0,6
9,8
0,7
370
0,75
350
Teilversuch 2:
JB
JC
mA
mA
0
0
2
179
4
340
5
480
8
605
10
650
12
700
12,9
710
Bei Telversuch 3 wurde keine Messung verlangt.
d) Besonderheiten
Beim Umstellen des Messbereiches (bei Teilversuch zwei) war festzustellen,
dass sich die Anzeige ändert. D.h. wenn es z.B. vor dem Umstellen 5 mA
anzeigte, waren es nach dem Umstellen fast 7 mA, obwohl nichts an der
Spannungsversorgung verändert wurde.
Zudem hatten wir bei Teilversuch eins und zwei ziemlich mit den
Blockbatterien zu kämpfen. Manchmal konnte man sogar zusehen, wie die
Spannung und damit auch die Stromstärke während des Versuchs langsam
abfiel (ohne unser Zutun), was sich v.a. beim letzten Wert von Teilversuch eins
zeigt (höhere Spannung, aber niedrigere Stromstärke...).
3.2 Auswertung zu Versuch 2
a) Ausrechnung und Teilergebnisse
Teilversuch 1:
Kollektorstrom in mA
Zusammenhang zwischen Kollektorstrom und
Basis-Emitter-Spannung
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,75
Basis-Emitter-Spannung in V
Wie unter 2. d) beschrieben ist der letzte Wert etwas fragwürdig. Eigentlich
sollte er so groß sein wie der Wert davor (oder sogar etwas höher).
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„Halbleiterdiode und Transistor“
Insgesamt kann man also erkennen, dass der Transistor ab einer bestimmten
Basis-Emitter-Spannung (hier 0,7 V) den Strom im Kollektrostromkreis
„freigibt“. D.h. der Transistor ist hier als eine Art Relais, ein elektrischer
Schalter, zu verstehen.
Teilversuch 2:
Kollektorstrom in mA
Zusammenhang zwischen Kollektorstrom und
Basisstrom
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
12,9
Basisstrom in mA
Diesmal steigt der Kollektorstrom bei steigendem Basisstrom ziemlich
gleichmäßig an. Betrachtet man es etwas großzügig, kann man sogar von einer
Proportionalität sprechen (zumindest bis JB = 8 mA).
Wir betrachten nun einmal die Schwankung zwischen 8 und 10 mA Basisstrom
genauer:
 JB = 2 mA
 JC = 45 mA
 JC /  JB = 22,5
Da JC ~ JB (in dem untersuchten Bereich), ist 22,5 hier mathematisch der
Steigungsfaktor. Physikalisch ist es sozusagen der Multiplikator. D.h. wenn JB
um 1 mA schwankt, macht sich das im Kollektorstromkreis 22,5 Mal so stark
bemerkbar.
In diesem Bereich kann man den Transistor also als Verstärker benutzen.
Teilversuch 3:
a) Beim Erhitzen des Heißleiters wird sein Widerstand immer kleiner, was
bewirkt, dass die Teilspannung am Regelwiderstand stieg, wodurch auch
gleichzeitig der Basis-Emitter-Strom steigen konnte (ist parallel zum
Regelwiderstand). Ab einer bestimmten Stromstärke macht der Transistor
„auf“, d.h. er gibt den Strom im Kollektorstromkreis frei, wodurch dann
schließlich das Lämpchen leuchtet.
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„Halbleiterdiode und Transistor“
b) Hier ist es genau andersrum: Der Widerstand des Fotowiderstands nimmt im
Auslösefall (also wenn es dunkler wird) nicht etwa ab, sondern zu. Im
Auslösefall soll der Basis-Emitter-Strom (bzw. Spannung) erhöht werden,
damit der Transistor aufmacht.
 Also baut man den Fotowiderstand (anstatt des Regelwiderstands)
parallel zum Basis-Emitter-Stromkreis ein.
c) Bei diesem Tonverstärker ist es ähnlich wie beim Feuermelder. Wenn der
Widerstand eines bestimmten Elements niedriger wird, soll etwas ausgelöst
werden (d.h. der Transistor soll aufmachen). In diesem Fall ist es zudem
noch so, dass der Transistor nicht nur als Schalter sondern eben auch als
Verstärker benutzt wird. D.h. es wird der bestimmte Bereich der Kennlinie
ausgenutzt, indem der Transistor nicht nur ein- und ausschaltet, sondern
eben auch Schwankungen als solche „weitergibt“, und zwar verstärkt
„weitergibt“ (siehe Teilversuch zwei).
d) Bei diesem „Zustandsspeicher“ wird durch kurzes Schließen einer Lücke
die Spannung des Basis-Emitter-Stromkreises des jeweiligen Transistors
auf Null gesetzt, wodurch der Transistor zumacht und somit das Lämpchen
zum Erlöschen bringt. Gleichzeitig macht der andere Transistor auf,
wodurch die andere Lampe aufleuchtet. Der Zustand ist stabil, d.h. auch
nach dem Herausziehen der Brücke, leuchtet das jeweilige Lämpchen
weiter, da der Transistor sich sozusagen selbst aufhält, wenn er erst einmal
auf ist.
b) Gesamtergebnis
Insgesamt haben wir erkannt, dass man einen Transistor gemäß seiner
charakteristischen Kennlinie als Schalter (Teilversuch 2) aber auch als
Verstärker (allerdings nur in einem bestimmten Spannungs- bzw.
Stromstärkenbereich) benutzen kann (Teilversuch 2).
Außerdem haben wir in Teilversuch drei verschiedene Anwendungsbeispiele
für Transistoren kennen gelernt.
c) Fehler
Da uns zu den Versuchen keine Soll-Werte bekannt sind (z.B. Kennlinie des
benutzten Transistors), ist es nicht möglich einen Fehler quantitativ zu
bestimmen.
Zu Teilversuch eins lässt sich nur anmerken, dass der letzte Wert etwas zu
niedrig ist. Wie schon erwähnt, hätte dieser mindestens so groß wie der Wert
davor sein müssen. Dieser Fehler hängt wohl mit der vermutlich nicht mehr
ganz neuen Blockbatterie zusammen.
d) Diskussion
Das unter 2.1 d) angesprochene merkwürdige Verhalten des Messgeräts bei
der Messbereichsumstellung hängt mit dem Innenwiderstand des Messgeräts
zusammen. Wenn der Messbereich geändert wird, ändert sich auch der
Innenwiderstand und damit die anliegende Teilspannung am Messgerät.
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Das Nichterreichen der 1 A – Marke bei Teilversuch eins und zwei ist
vermutlich auch wieder auf die nicht volle Leistungsfähigkeit der Blockbatterie
zurückzuführen.
4. Bemerkungen
a) Praxisbezug
Wie beim Versuch eins beschrieben, kann man eine Halbleiterdiode sehr gut
zum einfachen Gleichrichten von Wechselspannung benutzen. Wie der
Teilversuch 4 zeigte, wird dies in den einfacheren Netzgeräten auch einfach so
gehandhabt (mit einer sog. Brückenschaltung).
Der Transistor ist heute aus dem täglichen hochtechnisierten Leben praktisch
nicht mehr wegzudenken. Die im Versuch 2.3 aufgebaute Schaltung könnte
man beispielsweise als Warnschaltung für elektrische Geräte benutzen. Wenn
man das Glühlämpchen durch einen akustischen Signalgeber (z.B. PiezoSummer) ersetzt, kann sie einen über eine Überhitzung eines wichtigen
Bauteils informieren.
Die Lichtschranke könnte man zur Einbruchsmeldung oder zur Aktivierung der
Eingangsklingel in Kaufhäusern benutzen.
Die Anwendung des Mikrofonverstärkers liegt auf der Hand, wenn sie heute
gewöhnlich auch um einiges komplizierter aufgebaut ist.
Die letzte –auf den ersten Blick unscheinbare– Schaltung ist eine
Grundschaltung, die für alle digitalen Geräte (z.B. PC) benötigt wird. In einem
Heim-PC sind heute Millionen dieser Speichereinheiten (natürlich extrem
miniaturisiert) vorhanden.
b) Sonstiges
Wenn ich mir die immer kleiner werdenden Bauteile der PCs oder sonstigen
digitalen Geräte (Handys, MD-Player) anschaue, kann ich mir kaum vorstellen,
dass in diesen Geräten nicht selten tausende dieser Transistoren vorhanden
sind.