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