Versuch E21 - Transistor als Schalter

Versuch E21 - Transistor als Schalter
Sven E
Tobias F
Abgabedatum: 24. April 2007
Inhaltsverzeichnis
1 Thema des Versuchs
3
2 Physikalischer Kontext
2.1 Halbleiter und ihre Eigenschaften
2.2 Halbleiterdiode . . . . . . . . . .
2.2.1 Funktionsweise . . . . . .
2.2.2 Eigenschaften . . . . . . .
2.3 Bipolar-Transistor . . . . . . . .
2.3.1 Arbeitsbereiche . . . . . .
2.4 LEDs . . . . . . . . . . . . . . .
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3 Versuchsbeschreibung und -auswertung
A
Statische Schaltstufe . . . . . . . . .
B
Dynamische Schaltstufe . . . . . . .
C
Monostabile Kippstufe . . . . . . . .
D
Astabile Kippstufe . . . . . . . . . .
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4 Anhang und Diagramme in A4
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2
1 Thema des Versuchs
Im Versuch werden aus Transistoren, Widerständen und Leuchtdioden Schaltungen zusammengesetzt, die in der Praxis von Bedeutung sind.
Zuerst werden Eigenschaften von Halbleitern beschrieben, da diese beim Aufbau
von Dioden und Transistoren sehr wichtig sind. Danach wird die Funktion einer
Diode geschildert. Von der Diode wird dann auf die Funktion des Transistors
geschlossen. Abschließend werden Leuchtdioden erklärt, da auch diese in den
betrachteten Schaltungen eine Rolle spielen.
Die spezifischen Schaltstufen werden dann in der Versuchsbeschreibung erläutert.
2 Physikalischer Kontext
2.1 Halbleiter und ihre Eigenschaften
Halbleiter haben eine sehr temperaturabhängige Leitfähigkeit. So besitzen sie je
nach Temperatur Eigenschaften eines Leiters oder eines Nichtleiters. Je höher
die Temperatur ist, desto leitfähiger ist ein Halbleiter. Kennzeichnend für einen
Halbleiter ist die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband: Sie liegt zwischen 0 und ca. 3 eV, ist also größer als die eines Leiters und kleiner als die der
meisten Nichtleiter. Auf Grund der häufigen Vorkommen wird in der Technik
oft Silizium (Si) verwandt. Die Eigenschaften sind auf die spezielle Struktur der
Abb. 1: Schematische Darstellung der kristallinen Struktur des Siliziums [Wd06]
Kristalle zurückzuführen (siehe Abb. 1). So befinden sich alle Valenzelektronen
in einer Bindung zum jeweiligen Nachbaratom. Somit besitzt der Kristall keine freien Elektronen, die eine Leitfähigkeit ermöglichen würden. Erst wenn der
Kristall erhitzt wird, brechen die Bindungen aufgrund thermischer Bewegungen
der Atome auf und Valenzelektronen werden frei. Diese ermöglichen dann einen
Stromfluss.
Diese Leitfähigkeit kann allerdings noch durch die sog. Dotierung durch Fremdatomen erhöht werden. So werden in die Gitterstruktur des Halbleiters Atome
3
eingebunden, die entweder mehr oder weniger als die üblichen vier Valenzelektronen besitzen (siehe Abb. 2).
Abb. 2: Die schematische Darstellung einer Dotierung durch die Fremdatome
Arsen (As) bzw. Indium (In) [Wd06]
Dotiert man einen Halbleiter nur mit Fremdatomen, welche mehr als vier Valenzelektronen besitzen, erhält man eine Schicht, die eine relativ hohe Anzahl an
frei beweglichen Elektronen besitzt. Sie wird somit negativ leitend. Man spricht
dabei von einem n-Halbleiter.
Anders verhält es sich bei einem Halbleiter, der ausschließlich mit Atomen Dotiert wurde, welche weniger als vier Valenzelektronen besitzen. Dort hat mindestens eine der Bindungen noch einen freien Platz, ein sogenanntes Loch. Diese
Löcher können als eine Art positive Ladung angesehen werden. Benachbarte
Bindungselektronen springen und können somit das Loch auffüllen. Das Loch
wandert. Somit wird die Leitfähigkeit des Halbleiters erhöht. Man spricht in
diesem Fall von einem p-Halbleiter.
2.2 Halbleiterdiode
Abb. 3: Schaltzeichen einer Diode [Wd06]
2.2.1 Funktionsweise
Die Halbleiterdiode ist ein elektrisches Bauteil, welches aus zwei unterschiedlichen mit Fremdatomen dotierten Halbleiterschichten besteht. Sie ist in der Lage,
Strom nur in eine Richtung durchzulassen, wobei ihre Funktionsweise mit der
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eines Rückschlagventils zu vergleichbar ist. Dies ist durch die Kombination einer
n- und einer p-Schicht möglich.
Legt man nun an der p-Schicht eine positive und an der n-Schicht eine negative
Spannung an, so werden in der p-Schicht die Löcher des Halbleiters in Richtung
n-Schicht gedrückt. Gleiches passiert mit den Elektronen der n-Schicht. So ist
es dem Strom möglich durch den Halbleiter zu fließen.
Anders jedoch bei umgekehrter Polung. Nun werden die Löcher der p-Schicht
zur angelegten Spannung gezogen. Eben so die Elektronen der n-Schicht. Somit
entsteht eine leitungsfreie Sperrschicht. Es fließt kein Strom.
2.2.2 Eigenschaften
Betrachte man den Stromverlauf einer Diode, so erkennt man schnell, dass es
sich hierbei um eine Exponentialfunktion handeln muss. Diese lässt sich mit der
Shockley-Formel beschreiben.
U
n · UT
I = IS · e
−1
(1)
mit
• IS = Sättigungssperrstrom ≈ 10−12 . . . 10−6 A
• n = Emissionskoeffizient ≈ 1 . . . 2
• UT = k ·q T = Temperaturspannung
• k = Boltzmannkonstante
• q = Elementarladung
Am Verlauf der Kurve (siehe Abb. 4) erkennt man deutlich, dass die Diode
erst ab einer bestimmten Spannung Strom durchlässt. Dies ist die sog. Diodenschwellspannung. Dieser Bereich liegt bei einer Siliziumdiode etwa bei 0,4 V.
2.3 Bipolar-Transistor
Ein Transistor hat drei Anschlüsse und kann als Kombination von zwei (i.A. verschiedenen) Dioden betrachtet werden (s. Abb. 5 auf Seite 7). In der Realität
werden Transistoren anders gebaut als Dioden, aber für diesen Versuch reicht
die Betrachtung aus.
Der Strom im Basis-Emitter-Kreis steuert einen stärkeren Strom im KollektorEmitter-Kreis. Das Prinzip wird in den Abbildungen 6 bis 8 für den npnTransistor beschrieben, der auch im Experiment zur Anwendung kommt. Aus
der Betrachtung der Diode ist ersichtlich, dass sich npn- und pnp-Transistor nur
durch die Stromrichtung unterscheiden.
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Abb. 4: Drei typische Kennlinien derselben Diode bei unterschiedlicher Temperatur. Die Diodenschwellspannung nimmt mit steigender Temperatur deutlich ab. Im negativen Spannungsbereich (umgekehrte Richtung)
sperrt die Diode bis zu einer bestimmten Spannung, dann folgt ein fast
senkrechter Anstieg der Stromstärke (auch umgekehrte Richtung). An
diese Richtungsabhängigkeit muss man im Versuch denken [Wd06]
2.3.1 Arbeitsbereiche
Der Bipolartransistor besteht aus zwei entgegengesetzt gerichteten pn-Übergängen.
Beide lassen sich unabhängig voneinander sperren und durchschalten. So ergeben sich vier Kombinationen (zwei Systeme, zwei mögliche Zustände), die jeweils
charakteristische Eigenschaften haben.
• Sperrbereich
Sperrbereich nennt man den Bereich, in dem beide Übergänge sperren, also
Kollektor und Emitter. In dieser cut-off region verhält sich der Transistor
wie ein geöffneter Schalter.
• Verstärkungsbereich
Diesen Bereich nennt man auch forward region. Er tritt im sogenannten Normalbetrieb auf. Der Emitter ist in Flussrichtung, der Kollektor in
Sperrrichtung betrieben.
Im Verstärkungsbereich gilt näherungsweise die Formel IC = B · IB , mit
B Stromverstärkungsfaktor. Da B groß ist, führen hier kleine Änderungen
des Basisstroms IB zu großen Änderungen des Kollektorstroms IC . Transistoren werden in diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken.
• Sättigungsbereich
Der Sättigungsbereich tritt im Sättigungsbetrieb auf. Im Prinzip ist der
Transistor im Normalbetrieb. Der Kollektor wird dabei zeitweise in Flussrichtung betrieben, wodurch Sättigung eintritt. Beide Übergänge schalten dabei durch.
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Abb. 5: Schaltzeichen für den Transistor, Darstellung durch Dioden, npnVariante [Wt06]
Abb. 6: Ohne angelegte Spannung sieht der Transistor aus wie zwei hintereinandergeschaltete Dioden. Die blauen und roten Punkte sind bewegliche
Ladungsträger, die großen Kreise sind Dotieratome. Im Bändermodell
unten sieht man, dass für die Elektronen im Leitungsband ein Potentialwall existiert. [Wt06]
7
Abb. 7: Hier sind nur Kollektor und Emitter angeschlossen. Die linke Diode
sperrt. [Wt06]
Abb. 8: Wird nun die Basis angeschlossen, können die Elektronen zur Basis
fließen. Da die Basis nicht sehr weit ist, fließt der überwiegende Teil der
Elektronen noch das Potentialgefälle zum Kollektor hinunter. So wird
durch einen geringen Basisstrom ein großer Strom ausgelöst. [Wt06]
8
Der Transistor leitet im Sättigungsbereich den Strom, allerdings ist der
Kollektorstrom IC nicht mehr abhängig vom Basisstrom IB . Der Transistor verhält sich nun wie ein geschlossener Schalter.
Ein übersteuerter Transistor schneidet das Signal ab, sofern der Arbeitspunkt nicht weit genug vom Sättigungsbereich entfernt ist, oder falls die
Amplitude des Signals zu hoch ist.
• Inverser Verstärkungsbereich
Der inverse Verstärkungsbereich, auch reverse region, tritt im Inversbetrieb auf. Dabei werden der Basis-Kollektor-Übergang in Durchschaltrichtung und der Basis-Emitter-Übergang in Sperrrichtung betrieben. In diesem Bereich arbeitet der Transistor ähnlich wie im normalen Verstärkungsbereich, aber meist mit einem deutlich geringeren Stromverstärkungsfaktor.
2.4 LEDs
Leuchtdioden (LichtEmittierende Dioden) funktionieren in Schaltungen wie Dioden. Sie werden aus direkten Halbleitermaterialien hergestellt, das sind Materialien mit direkten Energieübergängen. Die Wellenlänge des emittierten Phoh·c
tons bei diesem Energieübergang ∆WD wird durch die Formel λ(WD ) = W
D
angegeben.
Moderne Halbleitermaterialien, die hierfür eingesetzt werden, sind AlGaAs,
GaAsP und InGaN . LEDs sind in vieler Hinsicht effizienter, vielseitiger und damit besser als herkömmliche, traditionelle Glühbirnen. Als Leuchtmittel erleben
sie gerade die Anfangsphase eines Booms.
3 Versuchsbeschreibung und -auswertung
A Statische Schaltstufe
Die Stufe ist wie in Abb. 9 auf der nächsten Seite zu erkennen aufgebaut. Wenn
der Widerstand R1 erhöht wird, fällt über diesen eine höhere Spannung ab. Dieser Spannungsabfall entspricht dem Basis-Emitter-Abfall. Sobald die Schwellspannung des Transistors erreicht ist, beginnt der Kollektor-Emitter-Strom zu
fließen, die Diode leuchtet.
Zur Vorbereitung soll der Widerstand RC für US = 6,5V und IC = 5mA berechnet werden. Es gilt
US
RC =
= 1,3kΩ.
(2)
IC
Zunächst werden für R1 = 0Ω Basisstrom und Spannung am Ausgang gemessen.
Dann wird eine Tabelle angelegt; gemessen werden IB und UA , R1 = 1,5kΩ wird
solange in 100Ω-Schritten erhöht, bis die Schwellspannung UA = 2,5V erreicht
ist, so dass der Transistor eben leitet.
Nun wird R1 weiter erhöht, bis sich der Basisstrom verzehnfacht hat. Die Spannung soll in einem Diagramm über den Basisstrom aufgetragen werden.
Zuletzt wird die Dekade gegen einen gleichwertigen Festwiderstand ausgetauscht
9
Abb. 9: Aufbau der statischen Schaltstufe [PPB06]
und das Strommessgerät wird entfernt. Die so entstehende invertierende Schaltstufe wird in Versuchsteil C weiterverwendet.
B Dynamische Schaltstufe
Die Schaltung ist wie in Abb. 11 auf der nächsten Seite aufgebaut. Durch den
Kondensator wird die Schaltung um ein dynamisches Element ergänzt. Der Kondensator lädt sich auf, und der Spannungsabfall wächst mit der Zeit. Somit
schaltet die Stufe erst nach einer gewissen Sperrzeit. Vorgegebene Sperrzeit ist
τ ≈ 2s; RC wird wie in Teil A gewählt. Die Kapazität des Kondensators lässt
sich nun aus der Formel für die Sperrzeit ermitteln:
C1 =
τ
≈ 61µF
RC · ln 2
(3)
Wir verwendeten hier jedoch einen Kondensator mit einer Kapazität von C =
100µF da keiner mit 61µF vorhanden war. So erhielten wir einen Sperrzeit von
t ≈ 3,25s.
Liegt nun am Eingang E die Betriebsspannung US = 6, 5V so leuchtet die Diode. Dies wird Low-Zustand genannt, da nur eine geringe Emitter-KollektorSpannung messbar ist.
Legt man nun E auf ein Potential von 0V so entlädt sich der Kondensator und
blockiert somit den Basisstrom, wodurch der Transistor sperrt. Die Spannung
UA steigt dann auf 5, 3V. Dies wird High-Zustand genannt.
Nach dem sich der Kondensator komplett entladen hat beginnt die Diode wieder
zu leuchten.
C Monostabile Kippstufe
Die in A und B erstellten Schaltungen werden nun zu einer monostabilen Kippstufe zusammengesetzt, indem man den Eingang von A mit dem Ausgang von B
10
Abb. 10: Die Spannung UA in V über dem Basisstrom IB in µA
Abb. 11: Aufbau der dynamischen Schaltstufe [PPB06]
11
Abb. 12: Die Spannung UA in V über der Zeit t in S
Abb. 13: Aufbau der monostabilen Kippstufe [PPB06]
12
verbindet und umgekehrt (s. Abb. 13 auf der vorherigen Seite). Durch Antippen
des 0V-Potentials wird nun der typische Effekt einer monostabilen Kippstufe
ausgelöst, Diode 1 erlischt für ca. 2 Sekunden, während dieser Zeit leuchtet Diode 2.
Wird nämlich am Eingang E der Masseimpuls gegeben, beginnt sich der Kondensator C1 zu entladen und der Transistor T1 sperrt. Fällt der Masseimpuls
weg, entlädt sich der Kondensator weiter über den anderen Transistor T2 . Da
T1 gesperrt ist, fließt der Strom über den Widerstand R2 ab und schaltet den
Transistor T2 frei. Dies hält solange an, bis der Kondensator komplett entladen
ist.
D Astabile Kippstufe
Abb. 14: Aufbau der astabilen Kippstufe [PPB06]
Eine astabile Kippstufe erhält man, wenn man nun noch die statische Stufe
aus Teil A in eine dynamische Stufe umbaut (s. Abb. 14). Nun wird man einen
Flipflop-Effekt beobachten können, weil die beiden Transistoren immer wechselweise leiten. Durch geeignete Wahl der Kondensatoren kann man die Sperrzeit
frei regeln.
Im Experiment soll Stufe A zunächst 4 Sekunden sperren. Also muss ein Kondensator mit C ≈ 123µF zum Einsatz kommen, berechnet analog zu Teil B.
Zum Schluss sollen die Sperrzeiten um den Faktor 200 verringert werden, damit
die Spannungsverläufe auf einem Oszilloskop genau abzulesen sind. Hier ist nun
C2 = 2 · C1 = 61nF.
4 Anhang und Diagramme in A4
Abbildungsverzeichnis
1
2
Silizium-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dotierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Abb. 15: Die Spannungen UA,1 und UA,2 der beiden Emitter-Kollektor-Kreise in
V über der Zeit t in mS.
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8
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Schaltzeichen einer Diode
Kennlinien . . . . . . . . .
Schaltzeichen Transistor .
Neutraler Transistor . . .
Sperrender Transistor . .
Leitender Transistor . . .
Versuchsaufbau A . . . . .
Diagramm A . . . . . . .
Versuchsaufbau B . . . . .
Diagramm B . . . . . . .
Versuchsaufbau C . . . . .
Versuchsaufbau D . . . . .
Diagramm D . . . . . . .
Diagramm A . . . . . . .
Diagramm B . . . . . . .
Quellenverzeichnis
PPB06
Wt06
Wd06
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Versuchsskript
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bipolartransistoroldid=28453212
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Diodeoldid=28507127
14
Abb. 16: Die Spannung UA in V über dem Basisstrom IB in µA
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Abb. 17: Die Spannung UA in V über der Zeit t in S
16