Elektronik
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<strong>Elektronik</strong><br />
Vorbereitung:<br />
10-1<br />
Halbleiter und deren charakteristische Eigenschaften, einfache<br />
Halbleiterbauelemente: Heißleiter NTC, Photowiderstand LDR, Eigenleitung,<br />
Störstellenleitung, pn-Übergang, Aufbau und Wirkungsweise der Diode,<br />
Aufbau und Wirkungsweise des Transistors, Grundlagen für den Transistor<br />
als Verstärker.<br />
Literatur:<br />
Leybold-Heraeus: Grundlagen der <strong>Elektronik</strong><br />
Tietze-Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik (Springer-Verlag, 1990)<br />
Versuchsbeschreibung:<br />
Halbleiter<br />
Grundlage für das gesamte Gebiet der <strong>Elektronik</strong> sind die Halbleiter, die<br />
durch folgende charakteristische Eigenschaften gekennzeichnet sind:<br />
1. Ihre Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und Nichtleitern.<br />
2. Ihr elektrischer Widerstand nimmt bei Zufuhr von Wärme- bzw.<br />
Lichtenergie ab. Halbleiterbauelemente, die diese Eigenschaften<br />
demonstrieren, sind die Heißleiter NTC (negative temperature coefficient)<br />
bzw. die Photowiderstände LDR (light dependent resistor).<br />
Halbleiter basieren auf Elementen aus der IV. Hauptgruppe (z.B. Si), bei<br />
denen alle vier Valenzelektronen zu Bindungen mit den vier Nachbaratomen<br />
benötigt werden. Sie sind ortsgebunden, können aber durch Energiezufuhr<br />
(z.B. Wärme oder Lichteinfall) abgelöst werden und im elektrischen Feld<br />
driften (entspricht Stromfluss). Durch das Ablösen eines Elektrons entsteht<br />
ein freier Platz, in das ein Elektron der Nachbaratome nachrücken kann. Den<br />
freien Platz nennt man Loch oder Defektelektron. Durch das Nachrücken<br />
anderer Elektronen bewegen sich die Löcher, aber in entgegengesetzter<br />
Richtung zu den Elektronen. Der Gesamtstrom setzt sich aus der Summe von<br />
Elektronen- und Löcherstrom zusammen.<br />
Durch Einbringen von Fremdatomen mit einer abweichenden Anzahl an<br />
Valenzelektronen (Dotieren), kann man die Leitfähigkeit stark beeinflussen.
10-2<br />
Ersetzt man in einem Si-Kristall Si-Atome durch Atome der V. Hauptgruppe<br />
(z.B. P) so werden nur vier der fünf Valenzelektronen für die Bindung<br />
benötigt, das fünfte ist zwar durch die Kernladung an das P-Atom gebunden,<br />
seine Bindungsenergie ist jedoch wesentlich geringer (einige 10 meV) anstatt<br />
1.1 eV für ein Valenzelektron in Si. Bereits bei Zimmertemperatur (25 meV)<br />
sind praktisch alle Störatome ionisiert und die freien Elektronen stehen zur<br />
Leitung zur Verfügung. Da dabei der Stromfluss auf negativen<br />
Ladungsträgern basiert, spricht man von n-Leitung und von n-Dotierung.<br />
Werden Atome der III. Hauptgruppe (z.B. Al) in einen Si-Kristall eingebaut,<br />
so fehlen Valenzelektronen zur Bindung. Im Gitter entstehen<br />
Defektelektronen, die nur schwache an das Fremdatom gebunden sind.<br />
Elektronen der Nachbaratome können bei geringer Energiezufuhr dieses Loch<br />
besetzen, wodurch in einem anderen Atom ein Loch entsteht. Das<br />
Defektelektron wandert also durch das Kristallgitter; man spricht von p-<br />
Leitung bzw. p-Dotierung.<br />
pn-Übergang/Halbleiter-Diode<br />
Von weitaus größerer Bedeutung sind Halbleiterbauelemente, die einen oder<br />
mehrere pn-Übergänge besitzen. Ein pn-Übergang (Abb.1) entsteht immer<br />
dann, wenn ein p-dotiertes und ein n-dotiertes Halbleitermaterial direkt in<br />
Berührung kommen. Den einfachsten pn-Übergangs stellt die Halbleiter-<br />
Diode (Abb. 2) dar.<br />
Abb. 1 pn-Übergang Abb. 2 Diode<br />
Aufgrund des Konzentrationunterschieds diffundieren wegen ihrer<br />
thermischen Bewegung Elektronen vom n-Gebiet über die pn-Grenzschicht in<br />
das p-Gebiet und Löcher in umgekehrter Richtung. In der Grenzschicht<br />
kommt es zu Rekombination von Elektronen und Löchern; dies führt zu einer<br />
Verarmung an Ladungsträgern, es bildet sich eine Sperrschicht und die<br />
Leitfähigkeit der Grenzschicht sinkt.<br />
Wird eine äußere Gleichspannung so an den pn-Übergang angelegt, dass ihr<br />
Pluspol an der p-Schicht und ihr Minuspol an der n-Schicht anliegt, werden
10-3<br />
die Elektronen in der n-Schicht und die Löcher in der p-Schicht in die<br />
Grenzschicht und darüberhinaus getrieben, wo sie rekombinieren. Da die<br />
Spannungsquelle ständig Ladungsträger nachliefert fließt ein Strom, der pn-<br />
Übergang ist in Durchlassrichtung geschaltet. Bei umgekehrter Polung<br />
werden die Elektronen aus der n-Schicht und die Löcher aus der p-Schicht<br />
abgesaugt, die Sperrschicht wird vergrößert. Der pn-Übergang ist in<br />
Sperrrichtung geschaltet, es fließt kein Strom (In Wirklichkeit fließt auch in<br />
Sperrrichtung ein kleiner sogenannter Sperrstrom, da bereits bei<br />
Raumtemperatur einige Elektronenpaarbindungen in der Sperrzone<br />
aufgebrochen werden.). Abbildung 3 zeigt eine typische Diodenkennlinie, d.h.<br />
den durch die Diode fließenden Strom abhängig von der anliegenden<br />
Spannung. In Sperrrichtung fließt ein kleiner Sperrstrom (im pA-Bereich), in<br />
Durchlassrichtung steigt der Strom exponentiell mit der anliegenden<br />
Spannung an.<br />
Abb. 3: Diodenkennlinie<br />
Transistor<br />
Bipolare Transistoren (im Folgenden einfach Transistoren genannt)<br />
enthalten drei Schichten unterschiedlichen Leitungstyps, also zwei pn-<br />
Übergänge. Je nach Reihenfolge unterscheidet man pnp- und npn-<br />
Transistoren (Abb. 4). Von großer Bedeutung für die Wirkungsweise des
10-4<br />
Transistors ist, daß die mittlere Schicht (Basis B) sehr schmal und schwach<br />
dotiert ist. Die äußeren Schichten werden Emitter(E) und Kollektor(C)<br />
genannt. Man kann sich den Transistor als zwei gegeneinander geschaltete<br />
Dioden vorstellen mit der Basis als Mittelabgriff.<br />
Abb. 4 Aufbau und Schaltzeichen eines Transistors<br />
Funktionsweise eines npn-Transistors: Durch Anlegen einer positiven<br />
Spannung von etwa 0.6 – 0.7 V an die Basis ist die Basisemmitterdiode in<br />
Durchlassrichtung geschaltet; die Elektronen gelangen in die p-Schicht und<br />
werden vom Pluspol der Spannung UBE angezogen. Da die p-Schicht sehr dünn<br />
ist, wird nur ein geringer Teil der Elektronen zur Basis fließen.<br />
Abb. 5<br />
Funktionsweise eines npn-Transistors in Emitterschaltung<br />
Der größte Teil der Elektronen bewegt sich weiter in die obere Grenzschicht.<br />
Dadurch wird diese leitend und der Pluspol der Spannung UCE zieht die<br />
Elektronen an. Es fließt ein Kollektorstrom IC. In üblichen Transitoren fließen<br />
etwa 99% der Elektronen vom Emitter zum Kollektor und nur 1% zur Basis.<br />
Durch einen kleinen Basisstrom kann also ein großer Kollektor-Strom gesteuert<br />
werden (Transistor als Stromverstärker).
10-5<br />
Zur Charakterisierung von Transistoren werden die gegenseitigen<br />
Abhängigkeiten von Strömen (IB, IC, IE) und Spannungen (UCE, UBE, UCB) in<br />
sogenannten Kennlinienfeldern (vgl. Abb. 6) dargestellt.<br />
Abb. 6 Kennlinienfelder eines Transistors in Emitterschaltung<br />
Die Ausgangsgrößen bei der Emitterschaltung sind der Kollektorstrom IC und<br />
die Kollektor-Emitterspannung UCE für verschiedene Basisströme IB bzw. Basis-<br />
Emitterspannungen UBE. Die Stromsteuerkennlinie (auch Übertragungskennlinie<br />
genannt) gibt den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und Basisstrom IB<br />
für einen bestimmten Wert von UCE. Aus der Steigung dieser Kennlinie ergibt<br />
sich die Stromverstärkung. Als Eingangskennlinie findet man das Verhalten des<br />
in Durchlassrichtung gepolten pn-Übergangs Emitter-Basis wieder<br />
(Diodenkennlinie).
Aufgaben:<br />
10-6<br />
Sämtliche Schaltskizzen sind in das Protokollheft zu übertragen.<br />
1. Eigenschaften verschiedener Halbleiter-Bauelemente<br />
1.1 Photowiderstand<br />
a)Man untersuche die Widerstandsabhängigkeit eines Photowiderstands<br />
(LDR) von der Beleuchtung (Abb.7). Dazu ändere man die Helligkeit der<br />
Glühlampe durch etwa 10 Einstellungen des Potentiometers und bestimme<br />
den jeweiligen Widerstandswert des LDR. Messen Sie auch die jeweilige<br />
Leistung der Glühbirne, indem Sie mit Mulimetern Strom und Spannung<br />
messen. Tragen Sie den Widerstand des LDR doppeltlogarithmisch über die<br />
elektrische Leistung der Glühbirne auf. Bestimmen Sie den Koeffizienten a,<br />
der die Abhängigkeit des Widerstandes des LDR von Beleuchtungsstärke<br />
bzw. der Leistung P der Glühlampe angibt (R ~ P −a ).�<br />
200 Ω<br />
6 V~ V LDR V 9 V -<br />
A<br />
A<br />
Abb. 7<br />
4,7 K<br />
Hinweis: Um das Auftreffen des Lichts von außerhalb zu vermeiden, stülpe man<br />
den beigelegten Karton über Glühlampe und LDR (gestrichelte Linie in Abb.7).<br />
b) Als Anwendung baue man eine Lichtschranke (Abb.8) und erkläre deren<br />
Funktionsweise. 33V- Relais Klingel<br />
+ -<br />
Glühlampe<br />
aus Aufbau 1 LDR<br />
4V~<br />
Abb. 8<br />
Verwenden Sie als Lichtquelle den linken Teil der Schaltung aus Abbildung 7.<br />
+<br />
≂
1.2 Heißleiter<br />
10-7<br />
a)Die Eigenschaften eines Heißleiterwiderstandes (NTC) sollen bestimmt<br />
werden. Dazu verwende man Schaltung Abb. 9.<br />
Man lese alle 10 Sekunden Strom und Spannung an den Messgeräten ab.<br />
Berechnen Sie daraus den Widerstand des NTC, und tragen Sie ihn über der Zeit<br />
auf.<br />
+ -<br />
15 V-<br />
100 Ω ↑↓ A<br />
V<br />
ϑ<br />
Abb. 9<br />
Hinweis: Sollte sich bei einer Spannung von 15V der Widerstand des NTC nicht<br />
wesentlich ändern, so wird er durch die elektrischen Energie, die an ihn<br />
abgegeben wird, nicht ausreichend erwärmt. Arbeiten Sie mit einer etwas<br />
höheren Spannung. Ändert sich der Widerstand zu schnell verringern Sie die<br />
Spannung.<br />
b) In der Anordnung Abb. 10 verwende man den NTC dazu, den Anzug eines<br />
Relais zu verzögern.<br />
Erklären Sie die Funktionsweise!<br />
↑↓<br />
+<br />
ϑ 4V 4V~<br />
19V- 0,04A<br />
100Ω<br />
-<br />
Abb. 10
2. Eigenschaften von Halbleiterdioden<br />
10-8<br />
a) Man messe die I-U-Kennlinie einer Si-Halbleiterdiode in Durchlaßrichtung<br />
zwischen 0 V und maximal 0,8 V (Abb.11). Tragen Sie Ihre Messwerte linear<br />
und logarithmisch auf. Welchen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung<br />
beobachten Sie?<br />
100٠��<br />
+ A<br />
9 V- 0...0,8 V V<br />
Abb. 11<br />
200 �<br />
Man drehe die Diode ( Sperrichtung ) und überzeuge sich, daß selbst bei 9 V<br />
(ohne Vorwiderstand ) kein meßbarer Strom fließt ( Begründung ).<br />
b) Als Anwendung baue man eine Einweggleichrichterschaltung (Abb. 12) und<br />
untersuche die Spannung am Ausgang mit dem Oszilloskop:<br />
Gleichrichterschaltung:<br />
LED<br />
100<br />
4 V ~ ������<br />
Abb. 12<br />
� Uout<br />
- Verwenden Sie zunächst den Funktionsgenerator als Spannungsquelle. Wählen<br />
Sie eine kleine Frequenz und überzeugen Sie sich, dass die LED nur während<br />
einer Halbwelle der Wechselspannung leuchtet.<br />
- Verwenden Sie nun den 4V-Ausgang des Transformators und skizzieren Sie<br />
die beobachtete Ausgangsspannung des Gleichrichters in Ihr Heft; erklären Sie<br />
den beobachteten Verlauf.
3. Transistoren<br />
10-9<br />
3.1 Kennlinienfeld<br />
a) Überprüfen Sie zunächst den npn-Transistor BD130 auf<br />
Funktionsfähigkeit, indem sie den Widerstand zwischen jeweils 2<br />
Anschlüssen in allen Kombinationen und Polungen (6 Messungen) mit einem<br />
digitalen Multimeter messen. Überlegen Sie sich dazu anhand des<br />
vereinfachten Ersatzschaltbildes eines Transistors (zwei gegeneinander<br />
geschaltete Dioden entspricht Emitter-Kollektor-Strecke; Abgriff in der Mitte<br />
entspricht der Basis) in welcher Kombination Sie einen hohen bzw. kleinen<br />
(im k��Bereich) Widerstand erwarten.<br />
b) Nehmen Sie das Ausgangskennlinienfeld (Kollektorstrom IC als Funktion der<br />
Kollektor-Emitter-Spannung UCE), d.h. IC = f(UCE) für 4 verschiedene Werte von<br />
UBE (Bereich: 0.5 – 0.55V) auf (Abb. 13). Bei der Einstellung von UBE sollte<br />
eine Spannung UCE von einigen Volt anliegen, da sich für sehr kleine Werte von<br />
UCE die Spannung UBE ändert. Variieren Sie bei der Messung bei festem UBE<br />
(notieren Sie sich auch den jeweiligen Wert von IB ) die Spannung UCE zunächst<br />
in 1V Schritten (0-9V) und messen danach im Bereich unter 0.5V, in dem sich<br />
der Kollektorstrom stark ändert, in feineren Schritten. Stellen Sie die 4<br />
Kennlinien graphisch dar (Bitte sofort auftragen, wird in Aufgabe 3.2 benötigt!).<br />
0...+4,5V<br />
IB BD130<br />
100<br />
100<br />
IC<br />
UCE<br />
UBE<br />
0V 0V<br />
Abb. 13<br />
c) Für eine feste Betriebs-Spannung von +9 V messe man die Steuerkennlinie<br />
IC = f( IB ) und IC = f( UBE ) des Transistors BD 130 (Schaltung wie in Abb.<br />
13 ) und stelle die Messwerte graphisch dar. Bestimmen Sie den<br />
Stromverstärkungsfaktor �� = ∂I C<br />
∂I B<br />
0...+9V<br />
des Transistors. Tragen Sie IC = f( UBE )
10-10<br />
logarithmisch auf und bestimmen Sie daraus die Boltzmann-Konstante k.<br />
eU<br />
EB<br />
kT<br />
Hinweis: Für den Kollektorstrom gilt<br />
IC =I0e 3.2 Transistor als Verstärker (Emitterschaltung)<br />
Abbildung 14 zeigt eine Transistorverstärkerstufe für Wechselspannung mit dem<br />
npn-Transistor BD130 in Emitterschaltung, die mit einer Spannung von 9V<br />
betrieben wird; bei der Emitterschaltung dient der Emitter als gemeinsame<br />
Elektrode (Masse) für Eingangs- und Ausgangssignal.<br />
Uin 47 μF<br />
+<br />
Abb. 14<br />
39 k٠1k�� �� 47 �F<br />
10 kΩ<br />
a) Zeichnen Sie in Ihr Kennlinienfeld aus Aufgabe 3.1 b) die Arbeitsgerade für<br />
den hier verwendeten Lastwiderstand von 1k�, indem Sie die Grenzfälle<br />
Uout=0V(Transistor lässt vollständig durch) und Uout=9V(Betriebsspannung,<br />
Transistor sperrt vollständig) betrachten und den dazugehörigen Kollektorstrom<br />
berechnen. Zeichnen Sie auf der Arbeitsgeraden einen sinnvollen Arbeitspunkt<br />
ein (normalerweise halbe Betriebsspannung).<br />
b) Legen Sie an den Eingang mit Hilfe des Funktionsgenerators ein Sinussignal<br />
einer Frequenz von 20 kHz und einer Amplitude von etwa 10 mV (Dämpfung<br />
-40dB verwenden!). Schauen Sie die Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop<br />
an und stellen Sie mit Hilfe des Potentiometers den Arbeitspunkt so ein, dass die<br />
Eingangsspannung unverzerrt am Ausgang verstärkt vorliegt. Bestimmen Sie<br />
den Verstärkungsfaktor. Messen Sie den Kollektorstrom IC und die Spannung<br />
UCE und vergleichen Sie mit Ihrer Erwartung aus a).<br />
Uout<br />
+ 9V<br />
0V