106

7 Transistor

7.1 Einführung

Transistoren sind Halbleiterbauelemente mit drei Elektroden. Der Strom zwischen zwei dieserElektroden kann durch einen viel kleineren Strom (bzw. eine Spannung) am dritten Anschlussgesteuert werden. Durch eine sehr kleine Leistung kann also eine relativ große Leistung beein-flusst werden. Als Grundmaterial zur Herstellung von Transistoren wird im Allgemeinen Sili-zium verwendet. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen werden in dem ansonsten alsHalbleiter einzustufenden Stoff entweder freie Elektronen (n-dotiert) oder Löcher (p-dotiert) er-zeugt. Dotiertes Halbleitermaterial ist als Leiter anzusehen und besitzt einen negativen Tempe-raturkoeffizienten. Das bedeutet, dass mit steigender Temperatur der Widerstand von dotiertemSilizium geringer wird.

Grundsätzlich muss zwischen zwei Transistorfamilien unterschieden werden, einerseits demBipolartransistor und andererseits dem Feldeffekttransistor. Beide Typen werden im Folgendenkurz beschrieben. Zu ihrem Verständnis ist es jedoch zunächst erforderlich den so genanntenp-n-Übergang von dotiertem Halbleitermaterial zu untersuchen.

Wird p-dotiertes Silizium mit n-dotiertem Silizium wie in Abbildung 7.1 miteinander verbun-den, so wandern freie (zur Bindung nicht benötigte) Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht und besetzen dort Löcher. Dadurch entsteht zwischen den beiden Schichten eine Span-nung, die Diffusionsspannung. Sobald diese Spannung einen bestimmten Wert erreicht, reichtdie Energie der Elektronen nicht mehr aus, um durch die sich bildende Verarmungsschicht(Sperrschicht) in das p-dotierte Material zu gelangen. Die Größe der Diffusionsspannung istmaterialabhängig, sie beträgt bei Silizium ca. 0,7V.

Legt man an einen solchen p-n-Übergang eine Spannung an, so dass der Minuspol der Span-nungsquelle mit der n-Schicht und der Pluspol mit der p-Schicht verbunden ist (siehe Abb. 7.2),wird die Verarmungsschicht kleiner, weil die Quelle die n-Schicht mit Elektronen versorgt bzw.die überzähligen Elektronen aus der p-Schicht absaugt. Wenn die angelegte Quellspannung grö-ßer als die Diffusionsspannung ist, dann ist die Verarmungsschicht vollständig abgebaut und eskann ein Strom fließen. Im umgekehrten Fall breitet sich die Verarmungsschicht weiter aus. Ein

Abbildung 7.1: Der p-n-Übergang

7.1 Einführung 107

Abbildung 7.2: Diode

Abbildung 7.3: Feldeffekttransistor

Strom kann in dieser Sperrrichtung nicht fließen, es sei denn die angelegte Spannung wird sogroß, dass die extrem groß Feldstärke im p-n-Übergangsbereich Elektronen aus ihre Bindungherausreißt, die dann am Leitungsmechanismus teilnehmen können. Diese Spannung nennt manDurchbruchspannung/Zenerspannung, das beschriebene Bauteil Diode/Zenerdiode. Eine nor-male Diode wird bei erreichen der Durchbruchspannung zerstört, die Zenerdiode ist für diesenBetriebszustand ausgelegt.

Nähere Erläuterungen zum Thema Halbleiter erhalten Sie auch im Abschnitt 3 „Grundlagen derHalbleitertechnik„.

7.1.1 Der Feldeffekttransistor

Abbildung 7.3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Selbstleitenden n-Kanal Feldeffekttransis-tors (n Kanal JFET). Er besteht im Prinzip aus einem Kanal aus n-leitendem Material, welchesan einer Stelle von p-leitendem Material umgeben ist. Dadurch entsteht an der Berührungs-fläche der beiden Materialien ein p-n-Übergang. Wenn eine Spannung an den Kanal angelegtwird, deren Polarität der gezeichneten entspricht, wird ein Strom zwischen Source S (Quelle)und Drain D (Senke) fließen. Der Strom IDS zwischen S und D wird bestimmt durch die ge-

7.1 Einführung 108

Abbildung 7.4: Kennlinien eines n-Kanal Feldeffekttransistors

gebene Spannung UDS und durch den Gesamtwiderstand zwischen den beiden Anschlüssen.Dieser Widerstand hängt zum einen von der Länge des Kanals und zum anderen von dessenQuerschnittsfläche ab. Die p-n-Verbindungen wirken wie in Sperrrichtung geschaltete Dioden.Wenn die Sperrspannung am Gate G (Gatter) erhöht wird, breitet sich der Verarmungsbereichim Kanal weiter aus. Damit wird der Widerstand zwischen S und D größer, da im Verarmungs-bereich keine freien Ladungsträger existieren. Der Eingangswiderstand eines solchen Transis-tors ist sehr hoch (ca. 1010Ω bis 1013Ω), weil die p n-Übergänge in Sperrrichtung betriebenwerden und somit theoretisch kein Strom in den Eingang hineinfließt. Wegen der sehr kleinenGate-Ströme spricht man beim FET auch von einer leistungslosen Steuerung. Ein umgekehrterAufbau ist ebenfalls möglich; also der Kanal aus p-leitendem und das Gate aus n-leitendemMaterial (p-Kanal JFET), dann muss die Polarität der Spannungsquellen jedoch vertauscht wer-den. Außer den hier beschriebenen Transistoren gibt es weitere Typen bei denen mittels einerdünnen SiO2-Schicht das Gate vom Kanal isoliert ist (MOSFET). Durch diese Maßnahme steigtder Eingangswiderstand nochmals um einige Zehnerpotenzen. Außerdem lassen sich in dieserBauweise, die nicht nur durch die Isolationsschicht von Abb. 7.3 abweicht, z.B. selbst sperren-de Transistoren herstellen. Im Versuch wird der oben beschriebene JFET untersucht, auf dieMOSFET-Technologie wird daher nicht weiter eingegangen.

Die Abbildung 7.4 zeigt links den Verlauf der Übertragungskennlinie und rechts den Verlaufder Ausgangskennlinie. Die Übertragungskennlinie beschreibt den Drain-Strom ID in Abhän-gigkeit von der Gate-Spannung UGS wobei die Drain-Spannung U/DS als Parameter konstantgehalten wird. Mathematisch wird ID = f(UDS) für UDS > UP durch die im Bild 7.4 (links)angegebene quadratische Gleichung beschrieben. Die Gatespannung, bei der der Drain-Stromgegen Null geht, wird Pinchoff- Spannung UP genannt. Man erkennt, dass für steigendes UDSder Drainstrom ID leicht ansteigt. Die Ausgangskennlinien beschreiben wiederum ID nun aberin Abhängigkeit von UDS wobei UGS als Parameter konstant gehalten wird (Abb. 7.4 (rechts)).Hier muss zwischen dem ohmschen Bereich und dem Abschnürbereich unterschieden werden.Im ersten Teil der Kurve steigt der Strom ID proportional zu UDS und zeigt das Verhalten ei-nes ohmschen Widerstandes, dessen Größe bzw. Steigung mit UDS eingestellt werden kann. ImAbschnürbereich ist ID nahezu unabhängig von UDS . In diesem Bereich verhält sich ein FET

7.1 Einführung 109

wie eine Stromquelle.

7.1.2 Der Bipolartransistor

Abbildung 7.5: NPN-Bipolartransistor

Ein Bipolartransistor besteht aus drei Schichten Halbleitermaterial. In der Mitte befindet sicheine sehr dünne und nur schwach p- bzw. n-dotierte Schicht. Die beiden äußeren Schichtenbestehen aus dazu komplementären Materialien und sind wesentlich dicker. Abbildung 7.5zeigt den prinzipiellen Aufbau eines NPN-Bipolartransistors und sein zugehöriges Diodener-satzschaltbild. In der Namensgebung ist die Zonenfolge enthalten. NPN bedeutet, dass die mitt-lere Schicht p-dotiert ist und die beiden äußeren Schichten n-dotiert sind. Polt man die Span-nungsquelle wie in Abb. 7.5, so wird der p-n-Übergang zwischen dem Kollektor und der Basisin Sperrrichtung betrieben, der p-n-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter jedoch inDurchlassrichtung. Dadurch gelangen Elektronen vom Emitter in die Basis. Da die p-Schichtdünn ist, gelangen die Elektronen in den Einflussbereich der positiven Spannungsschwelle zwi-schen Basis und Kollektor (interne Diffusionsspannung plus Kollektorspannung) und können soleicht in den Kollektor abfließen. In der Basisschicht selbst können wegen der schwachen Dotie-rung nur wenige Elektronen abfließen. Das Verhältnis zwischen Kollektorstrom und Basisstromnennt man Stromverstärkung B (der Differentialquotient ∂IC/∂IB ist die Wechselstromverstär-kung β und stimmt in etwa mit B überein). B liegt normalerweise zwischen 20 und 200. ImUnterschied zum FET wird bei einem Bipolartransistor also eine Steuerleistung benötigt.

Eingangskennlinie Den Zusammenhang zwischen IB und UBE (UCE = konst.) zeigt Abbil-dung 7.6a. Der exponentielle Verlauf der Eingangskennlinie entspricht dem einer Dioden-kennlinie. Dies war mit Blick auf das Diodenersatzschaltbild aber auch zu erwarten.

Stromverstärkung Die Stromverstärkung IC = f(IB), (UCE = konst.) verläuft in etwa linear.

7.1 Einführung 110

Abbildung 7.6: Kennlinien eines NPN-Bipolartransistors

ua

RC

Cein

UBE

UBat

Ic

RB2

ueRE

CE

Caus

RB1

Iq Ib

Abbildung 7.7: NF-Verstärker mit NPN-Bipolar bzw. mit N-Kanal Feldeffekttransistor

Übertragungskennlinie Die Übertragungskennlinie IC = f(UBE), (UCE = konst.) ist wie dieEingangskennlinie eine Exponentialfunktion.

Ausgangskennlinie Abb. 7.6d zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektor-Emitter-Spannung bei jeweils konstantem Basisstrom IB. Die Kurven verlaufen, von ei-nem kleinen Anlaufbereich abgesehen, fast parallel zur UCE-Achse. Der Ausgangsstromist also weitgehend unabhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung. Daher verhält sichder Bipolar- wie auch der Feldeffekttransistor in diesem Bereich wie eine Stromquelle.Mit steigendem Basisstrom vergrößert sich die Abhängigkeit des Ausgangsstromes ICvon UCE , also IC = f(UCE). Dieses ist beim FET ebenso (ID = f(UDS)).

7.1.3 Die NF-Verstärkerstufe

Der Anwendungsbereich von Transistoren ist sehr breit. Sie werden als Schalter, als Spannungs-oder Stromverstärker und zur Schwingungserzeugung eingesetzt. Eine Anwendung von Transis-

7.1 Einführung 111

4

ETP 1 / Versuch Tr 4 / 7 sich der Bipolar- wie auch der Feldeffekttransistor in diesem Bereich wie eine Stromquelle. Mit steigendem Basisstrom vergrößert sich die Abhängigkeit des Ausgangsstromes IC von UCE, also IC = f ( UCE ). Dieses ist beim FET ebenso ( ID = f ( UDS )).

Die NF-Verstärkerstufe

Der Anwendungsbereich von Transistoren ist sehr breit. Sie werden als Schalter, als Spannungs- oder Stromverstärker und zur Schwingungserzeugung eingesetzt. Eine Anwendung von Transistoren ist die Verstärkung von Wechselspannungssignalen. Bild 7a zeigt eine solche Verstärkerschaltung mit einem npn-Bipolartransistor. In Bild 7b ist die Verstärkung mit einem n-Kanal JFET aufgebaut. Die Funktionsweise der beiden Schaltungen ist grundsätzlich gleich. Steigt die Eingangsspannung ( Basis- bzw. Gate-Potential ) so wird der Strom durch den Transistor ( IC bzw. ID ), wie die Übertragungskennlinie zeigt, ebenfalls steigen. Dadurch sinkt das Kollektor- bzw. Drainpotential, weil die Spannung an RC bzw. RD wegen U = I * R steigt. Sinkt die Eingangsspannung, so kehrt sich der Vorgang um. Eine Eingangsspannungsänderung verursacht also eine Änderung des Kollektor- bzw. Drainpotentials, welches genau um 1800 phasengedreht also entgegengesetzt dazu verläuft. Für eine korrekte Arbeitsweise ist es notwendig einen gewissen Ruhestrom durch den Transistor einzustellen ( Arbeitspunkt ). Dies geschieht beim Bipolartransistor mittels eines Spannungsteilers, der aus den Widerständen RB1 und RB2 aufgebaut ist. Dadurch wird die Basis des Transistors vorgespannt, so dass ein Kollektorstrom fließen kann. Beim n-Kanal JFET benötigt man hierfür eine gegenüber Source negative Gatespannung. Dies ist realisiert, indem das Gate über den hochohmigen ( Megaohmbereich ) Widerstand RG auf Massepotential gelegt wird. Da der Sourceanschluß des Transistors wegen RS auf positivem Potential gegen Masse liegt, ist die Bedingung UG < US erfüllt. RS stabilisiert die Schaltung gleichzeitig gegen ein temperaturbedingtes Abdriften des Drainstromes. Steigt ID durch eine Erhöhung der Temperatur ( negativer Temperaturkoeffizient von Silizium ), so steigt auch der Strom durch RS und damit die Spannung an RS. Dadurch wird das Gate gegenüber Source noch negativer, was bedeutet dass ID zurück geregelt wird. Weil dieser Effekt die Verstärkung der Schaltung nicht beeinflussen soll, wird RS für die zu verstärkende Wechselspannung durch den Kondensator CS überbrückt. Die gleiche Aufgabe haben RE und CE in Bild 7a. Die Kondensatoren CEIN und CAUS dienen zur Entkopplung des Verstärkers von Gleichspannung. Dies ist nötig, weil eine Gleichspannung den Arbeitspunkt und damit

die Eigenschaften des Verstärkers ( Verstärkungsfaktor, Aussteuerbarkeit, etc.) verändern würde. Die Verstärkung der Schaltung wird maßgeblich von RC ( ∆UAUS = ∆IC*RC ) bzw. RD und der Empfindlichkeit des Transistors im gewählten Arbeitspunkt beeinflusst. Diese Empfindlichkeit wird durch die Steilheit S beschrieben, welche sich aus dem Differentialquotienten der Übergangskennlinie im Arbeitspunkt berechnet.

Abbildung 7.8: Arbeitspunkteinstellung bei einem N-Kanal Feldeffekttransistor

toren ist die Verstärkung von Wechselspannungssignalen. Bild 7.7a zeigt eine solche Verstärker-schaltung mit einem npn-Bipolartransistor. In Bild 7.7b ist die Verstärkung mit einem n-KanalJFET aufgebaut. Die Funktionsweise der beiden Schaltungen ist grundsätzlich gleich. Steigtdie Eingangsspannung (Basis- bzw. Gate-Potential) so wird der Strom durch den Transistor (ICbzw. ID), wie die Übertragungskennlinie zeigt, ebenfalls steigen. Dadurch sinkt das Kollektor-bzw. Drainpotential, weil die Spannung an RC bzw. RD wegen U = I ·R steigt. Sinkt die Ein-gangsspannung, so kehrt sich der Vorgang um. Eine Eingangsspannungsänderung verursachtalso eine Änderung des Kollektor- bzw. Drainpotentials, welches genau um 180 phasengedrehtalso entgegengesetzt dazu verläuft. Für eine korrekte Arbeitsweise ist es notwendig einen ge-wissen Ruhestrom durch den Transistor einzustellen (Arbeitspunkt). Dies geschieht beim Bipo-lartransistor mittels eines Spannungsteilers, der aus den Widerständen RB1 und RB2 aufgebautist. Dadurch wird die Basis des Transistors vorgespannt, so dass ein Kollektorstrom fließenkann. Beim n-Kanal JFET benötigt man hierfür eine gegenüber Source negative Gatespannung.Dies ist realisiert, indem das Gate über den hochohmigen (Megaohmbereich)Widerstand RG

auf Massepotential gelegt wird. Da der Sourceanschluß des Transistors wegen RS auf positi-vem Potential gegen Masse liegt, ist die Bedingung UG < US erfüllt. RS stabilisiert die Schal-tung gleichzeitig gegen ein Temperaturbedingtes Abdriften des Drainstromes. Steigt ID durcheine Erhöhung der Temperatur (negativer Temperaturkoeffizient von Silizium), so steigt auchder Strom durch RS und damit die Spannung an RS . Dadurch wird das Gate gegenüber Sourcenoch negativer, was bedeutet dass ID zurück geregelt wird. Weil dieser Effekt die Verstärkungder Schaltung nicht beeinflussen soll, wird RS für die zu verstärkende Wechselspannung durchden Kondensator CS überbrückt. Die gleiche Aufgabe haben RE und CE in Bild 7.7a. Die Kon-densatoren CEIN und CAUS dienen zur Entkopplung des Verstärkers von Gleichspannung.

Dies ist nötig, weil eine Gleichspannung den Arbeitspunkt und damit die Eigenschaften desVerstärkers (Verstärkungsfaktor, Aussteuerbarkeit, etc.) verändern würde. Die Verstärkung derSchaltung wird maßgeblich von RC(∆UAUS = ∆IC · RC) bzw. RD und der Empfindlichkeitdes Transistors im gewählten Arbeitspunkt beeinflusst. Diese Empfindlichkeit wird durch die

7.1 Einführung 112

Steilheit S beschrieben, welche sich aus dem Differentialquotienten der Übergangskennlinie imArbeitspunkt berechnet (siehe Abb. 7.8). Je steiler die Übertragungskennlinie ist, desto größerist S und desto größer wird auch die Verstärkung der Schaltung, da bei größerem S schon einesehr kleine Basis- bzw. Gatespannungsänderung eine große Kollektor- bzw. Drainstromände-rung verursacht.

7.1.3.1 Beispiel für die Dimensionierung von RB1, RB2, RC und RE .

Gegeben sind:Die Betriebsspannung: UB = 5 V,das Ruhepotential am Kollektor: UC0 = 3 V

und das am Emitter UE0 = 1 V.Der Kollektorstrom IC = 1 mA.Die Stromverstärkung B = 100.Der Querstrom durch den Basisspannungsteiler soll 10-mal so groß wie IB sein.Bei der weiteren Betrachtung wird davon ausgegangen, dass die Spannung zwischen Basis undEmitter ca. UBE = 0,6 V beträgt (siehe Eingangskennlinie).

Lösung:

5

ETP 1 / Versuch Tr 5 / 7 Je steiler die Übertragungskennlinie ist, desto größer ist S und desto größer wird auch die Verstärkung der Schaltung, da bei größerem S schon eine sehr kleine Basis- bzw. Gatespannungsänderung eine große Kollektor- bzw. Drainstromänderung verursacht.

Beispiel für die Dimensionierung von RB1, RB2, RC und RE Gegeben ist:

die Betriebsspannung UB = 5V. Das Ruhepotential am Kollektor UC0 = 3V , das am Emitter UE0 = 1V. Der Kollektorstrom IC = 1mA. Die Strom-verstärkung B = 100. Der Querstrom durch den Basisspannungsteiler soll 10 mal so groß wie IB sein. Bei der weiteren Betrachtung wird davon ausgegangen, dass die Spannung zwischen Basis und Emitter ca. UBE = 0,6V beträgt ( siehe Eingangskennlinie ).

Lösung: RE: Mit IE ∼ IC folgt RE = 1V/1mA = 1000Ω RC: RC = (5V-3V) / 1mA = 2000Ω RB1: RB1 = (5V-0,6V-1V) / (11*1mA / 100) = 30,909 kΩ RB2: RB2 = (1V+0,6V) / (10*1mA / 100) = 16,000 kΩ

Beispiel für die Dimensionierung von RG, RD, RS Gegeben ist: Die Betriebsspannung UB = 15V; die Pinch-Off-Spannung UP = -8 V, der Drainstrom ID = 1 mA und der maximaler Sättigungsstrom IDSS = 20 mA. Das Ruhepotential am Drain beträgt UD = 12V. RG = 1 MΩ.

Lösung: RS: Stellt man die quadratische Gleichung für ID nach UGS um, so erhält man:

2GS

D DSSP

UI I 1

U

= −

⇒

DGS P

DSS

IU U 1 6,2V

I

= − = −

US = -UGS = 6,2V RS = 6,2V / 1mA = 6 200Ω RD = (15V-12V) / 1mA = 3 000Ω

RE: mit IE ≈ IC folgt: RE = UE0

IE≈ UE0

IE≈ 1V

1mA= 1000 Ω.

RC : RC = UB−UC0

IC= 5V−3V

1mA= 2000Ω

RB1: RB1 = UB−UBE−UE0

11·IC/B= 5V−0,6V−1V

11·1mA/100= 30,909 kΩ

RB2: RB2 = UBE+UE0

10·IC/B= 0,6V+1V

10·1mA/100= 16 kΩ

7.1.3.2 Beispiel für die Dimensionierung von RD und RS .

Gegeben sind:Die Betriebsspannung UB = 15 V,

7.2 Vorbereitungen 113

die Pinch-Off-Spannung UP = −8 V,der Drainstrom ID = 1 mA undder maximaler Sättigungsstrom IDS = 20 mA.Das Ruhepotential am Drain beträgt UD0 = 12 V.Weiterhin ist RG = 1 MΩ gegeben.

Lösung:

5

ETP 1 / Versuch Tr 5 / 7 Je steiler die Übertragungskennlinie ist, desto größer ist S und desto größer wird auch die Verstärkung der Schaltung, da bei größerem S schon eine sehr kleine Basis- bzw. Gatespannungsänderung eine große Kollektor- bzw. Drainstromänderung verursacht.

Beispiel für die Dimensionierung von RB1, RB2, RC und RE Gegeben ist:

die Betriebsspannung UB = 5V. Das Ruhepotential am Kollektor UC0 = 3V , das am Emitter UE0 = 1V. Der Kollektorstrom IC = 1mA. Die Strom-verstärkung B = 100. Der Querstrom durch den Basisspannungsteiler soll 10 mal so groß wie IB sein. Bei der weiteren Betrachtung wird davon ausgegangen, dass die Spannung zwischen Basis und Emitter ca. UBE = 0,6V beträgt ( siehe Eingangskennlinie ).

Lösung: RE: Mit IE ∼ IC folgt RE = 1V/1mA = 1000Ω RC: RC = (5V-3V) / 1mA = 2000Ω RB1: RB1 = (5V-0,6V-1V) / (11*1mA / 100) = 30,909 kΩ RB2: RB2 = (1V+0,6V) / (10*1mA / 100) = 16,000 kΩ

Beispiel für die Dimensionierung von RG, RD, RS Gegeben ist: Die Betriebsspannung UB = 15V; die Pinch-Off-Spannung UP = -8 V, der Drainstrom ID = 1 mA und der maximaler Sättigungsstrom IDSS = 20 mA. Das Ruhepotential am Drain beträgt UD = 12V. RG = 1 MΩ.

Lösung: RS: Stellt man die quadratische Gleichung für ID nach UGS um, so erhält man:

2GS

D DSSP

UI I 1

U

= −

⇒

DGS P

DSS

IU U 1 6,2V

I

= − = −

US = -UGS = 6,2V RS = 6,2V / 1mA = 6 200Ω RD = (15V-12V) / 1mA = 3 000Ω

RS : Stellt man die quadratische Gleichung für ID nach UGS um, so erhält man:ID = IDS(1− UGS

UP)2 ⇒

UGS = UP (1−√

IDIDS

) = −6,2 V

US = −UGS = 6,2 V, IS = ID = 1 mA⇒RS = US

IS= 6,2V

1mA= 6200 Ω

RD: RD = UB−UD0

ID= 15V−12V

1mA= 3000 Ω

7.2 Vorbereitungen

7.2.1 Allgemein

Bereiten Sie sich mit Hilfe der Einleitung, den Vorlesungsunterlagen und mit weiteren Quel-len (Bibliothek, Internet) ausführlich vor. Sollten Fragen offen bleiben, wenden Sie sich bitterechtzeitig an einen Betreuer oder Herrn Schneider, R. −1325, WA 73.

7.2.2 Fragen zur Vorbereitung

Beantworten Sie bitte zur Vorbereitung dieses Versuches schriftlich folgende Fragen:

1. Zeichnen Sie schematisch den Aufbau eines p-Kanal JFET und geben Sie die zugehören-de Übertragungs- und Ausgangskennlinie an.

7.3 Versuchsdurchführung 114

2. Warum bezeichnet man die beschriebenen Sperrschicht-FET als „selbstleitend“?

3. Was versteht man unter „dotieren“ von Halbleitermaterialien?

4. Warum kann man beim FET im Gegensatz zum Bipolartransistor von leistungsloser Steue-rung sprechen?

5. Eine NF-Verstärkerstufe mit npn-Transistor (s. Bild 7.7a) ist zu dimensionieren. FolgendeGrößen sind gegeben: UB = 6 V, B = 150, IC = 0,5 mA, das Kollektorruhepotentialbeträgt 3,5 V , das Emitterruhepotential beträgt 1 V jeweils gegen Masse. Die Spannungzwischen Basis und Emitter beträgt 0,6 V. Der Querstrom durch den Basisspannungsteilersoll 10 · IB betragen. Berechnen Sie RB1, RB2, RC und RE !

6. Eine NF-Verstärkerstufe mit n-Kanal JFET (s. Bild 7.7b) ist zu dimensionieren. FolgendeGrößen sind gegeben: UB = 15 V, UP = −5 V, IDS = 24 mA, ID = 6 mA, RG = 1 MΩ.Das Drainruhepotential beträgt 7,5V gegen Masse. Berechnen Sie RD, RS!

7.3 Versuchsdurchführung

Hinweise zu den Messungen:

• Bei der Aufnahme der Kennlinien ist es generell günstiger die Messreihen dort zu begin-nen, wo die größte Verlustleistung zu erwarten ist, da so die zusätzliche Erwärmung, diewährend der Messung auftritt, am geringsten ist.

• Je zügiger die Messreihe durchgeführt wird desto besser sind die Ergebnisse. Die Erwär-mung des Transistors verfälscht das Ergebnis.

• Im linearen Bereich einer Kennlinie reichen wenige Messpunkte. Im Bereich starkerKrümmungen sind entsprechend mehr Messpunkte aufzunehmen.

7.3.1 Aufnahme der Eingangskennlinien eines npn-Transistors

7.3.1.1 Versuchsaufbau

Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 7.10 auf. Zur Spannungsversorgung U0 verwendenSie eine Quelle mit nachgeschaltetem Spannungsteiler. Der Spannungsteiler RB1, RB2 wird miteinem Potentiometer mit Rges = R1 + R2 = 10 kΩ aufgebaut (siehe Abb. 7.9). Stellen Siedas Teilungsverhältnis des Potentiometers so ein, dass Sie bei einer Speisespannung von U0 =

0 . . . 10 V eine Ausgangsspannung U2 = UBE = 0 . . . 1 V erhalten.

7.3 Versuchsdurchführung 115

U2

R

U0

U2

R1

R2

U0

Abbildung 7.9: Potentiometer als Spannungsteiler

IB

U0

RB1

RB2UBE

Abbildung 7.10: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Eingangskennlinie

7.3.1.2 Aufgaben

Nehmen Sie die Eingangskennlinie IB = f(UBE) beginnend mit dem größten Wert auf undtragen Sie die Messwerte in die Tabelle auf Seite 120 ein. Skizzieren Sie die Kennlinie in Ab-bildung 7.13.

7.3.2 Aufnahme der Stromverstärkungskennlinien eines npn-Transistors

7.3.2.1 Versuchsaufbau

Erweitern Sie die Schaltung um zwei Messgeräte zur Erfassung des Kollektorstroms IC und derKollektor-Emitter-SpannungUCE, sowie um eine weitere SpannungsquelleU01. Ihre Schaltungsollte nun Abbildung 7.11 entsprechen.

7.3 Versuchsdurchführung 116

IB

U01

RB1

RB2

UCE

IC

U02

Abbildung 7.11: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Stromverstärkungskennlinie

7.3.2.2 Aufgaben

Nehmen Sie die Stromverstärkung IC = f(IB) mit dem Parameter UCE = 4,5 V auf. BeginnenSie mit dem größten Wert und tragen Sie die Messwerte in die Tabelle auf Seite 120 ein. Skiz-zieren Sie die Kennlinie in Abbildung 7.14. und bestimmen Sie hieraus die StromverstärkungB.

7.3.3 Aufnahme des Ausgangskennlinienfeldes eines npn-Transistors

7.3.3.1 Versuchsaufbau

Die Schaltung bleibt gegenüber dem Aufbau zur Aufnahme der Stromverstärkungskennlinieunverändert.

7.3.3.2 Aufgaben

Nehmen Sie nun das Ausgangskennlinienfeld IC = f(UCE) bei sich änderndem Parameter IBauf. Es sollen fünf Kennlinien vermessen werden, wobei sich die Ströme IB aus folgendemZusammenhang ergeben:

IB =ICB

(7.1)

Zusammen mit der aus der Stromverstärkungskennlinie ermittelten Stromverstärkung B erge-ben sich für die gegebene Ströme IC die zu errechnenden Werte für IB.

IC/mA 6 8 10 12 14

IB/ µA

7.3 Versuchsdurchführung 117

Nehmen Sie die Kennlinien wieder mit den größten Werten beginnend auf und tragen Sie dieMessergebnisse in die Tabelle auf Seite 120 ein. Die Werte für IB1 bis IB5 entnehmen Sie obigerTabelle. Skizzieren Sie die Kennlinien in Abbildung 7.15.

7.3.4 Aufbau eines NF-Verstärkers

In dieser Aufgabe soll eine Niederfrequenz-Verstärkerstufe in Emitterschaltung dimensioniertund aufgebaut werden.

7.3.4.1 Dimensionierung

Dimensionieren Sie einen NF-Verstärker nach Abbildung 7.12 mit Hilfe folgender Angaben:Die Betriebsspannung betrage UBat = 10 V. Der Kollektorstrom IC wird mit 10 mA vorge-geben, das Emitter-Ruhepotential UE0 sei mit 1 V gegeben. Das Kollektorruhepotential UC0

ergebe sich aus der maximalen Aussteuerbarkeit. Die Stromverstärkung B sowie die Basis-Emitter-Spannung UBE entnehmen Sie bitte den Kennlinien. Der Querstrom Iq durch den Ba-sisspannungsteiler soll 10-mal so groß wie IB sein. Berechnen Sie die Werte für RB1, RB2, RC

und RE , und tragen Sie diese in die Tabelle auf Seite 124 ein.

Hinweis:

Diese Schaltung soll eine Wechselspannung ue(t) verstärken. Die Ausgangsspannung ua(t)

wird über einem Kondensator am Kollektor abgegriffen. Um einen möglichst großen Span-nungshub (Amplitude) zu ermöglichen, muss RC so gewählt werden, dass das Kollektorruhe-potential möglichst mittig zwischen dem Emitterruhepotential UE0 = URE und UBat liegt. Einegroße Ausgangsamplitude ist eine Voraussetzung für eine große Aussteuerbarkeit.Die StromverstärkungB erhalten Sie aus der Stromverstärkungskennlinie als Steigung im PunktIC = 10 mA. Mit dem dazugehörigen Wert IB können Sie aus der Eingangskennlinie die Basis-Emitter-Spannung UBE bestimmen.

7.3.4.2 Aufbau

Wählen Sie passende einstellbaren Widerstände für RB1, RB2, RC und RE auf dem Steckbrettaus und stellen Sie die errechneten Widerstandswerte ein. Bauen Sie die Schaltung nach Abbil-dung 7.12 zunächst OHNE Kondensatoren auf.

7.3.4.3 Aufgaben

• Nehmen Sie die Schaltung in Betrieb. Hierzu erhöhen Sie langsam die Spannung UBatbis auf UBat = 10 V. Messen Sie zur Kontrolle gleichzeitig die Spannung URE . Sie sollte

7.3 Versuchsdurchführung 118

ua

RC

Cein

UBE

UBat

Ic

RB2

ueRE

CE

Caus

RB1

Iq Ib

Abbildung 7.12: Versuchsaufbau zum NF-Verstärker

sich langsam dem erwarteten Wert annähern: URE ≈ 1 V.

• Messen Sie das Kollektor-, Emitter- und Basisruhepotential gegen Masse (UC0, UE0, UB0).

• Erweitern Sie die Schaltung um die drei Kondensatoren CEIN = CAUS = 1µF, CE =

100µF. Verbinden Sie nun einen Funktionsgenerator (Signalform: sinus, f = 5 kHz,uss = 10 mV) mit dem Eingang des Verstärkers sowie ein Oszilloskop sowohl mit demEingang (Kanal 1) und dem Ausgang (Kanal 2) der Verstärkerschaltung.

• Messen Sie die Amplituden der Eingangs- und der Ausgangsspannung uess und uass .Drucken Sie den Oszilloskopbildschirm aus. Was können Sie über die Phasenbeziehungbeider Signale aussagen?

• Ermitteln Sie die Spannungsverstärkung v der aufgebauten Schaltung.

Hinweis: Die Spannungsverstärkung berechnet sich zu v = uassuess

.

7.3.4.4 Auswertung

• Zeichnen Sie ein Vier-Quadranten-Kennlinienfeld des vermessenen Transistors. Verwen-den Sie ein Din A4 Blatt mit Milimetereinteilung und zeichnen Sie möglichst formatfül-lend.

• Zeichnen Sie in das Kennlinienfeld in jeden Quadranten den Arbeitspunkt ein. Für diesenPunkt wurde die Dimensionierung der Verstärkerschaltung durchgeführt.

• Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Eingangswiderstandes des Transistors. Be-stimmen Sie rein im Arbeitspunkt. (rEIN = ∆UBE/∆IB ,UCE = konst.)

7.3 Versuchsdurchführung 119

• Erklären Sie die Bedeutung des dynamischen Ausgangswiderstandes des Transistors. Be-stimmen Sie raus im Arbeitspunkt. (rAUS = ∆UCE/∆IC ,IB = konst.)

• Bestimmen Sie die Steilheit des Transistors im Arbeitspunkt. (S = ∆IC/∆UBE ,UCE =

konst.)

7.3 Versuchsdurchführung 120

Bip

olar

-Tra

nsis

tor

/Typ

BC

F141

-16

Ein

gang

sken

nlin

ie:I

B=f

(UBE

)

I B/µ

A10

080

6040

2015

105

31

UBE/

mV

Stro

mve

rstä

rkun

g:I C

=f

(IB

)m

itUCE

=4,

5V

.

I B/µ

A10

080

6040

2015

105

31

I C/

mA

Stro

mve

rstä

rkun

gB

=

Aus

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:IC

=f

(UCE

)m

itI B

alsP

aram

eter

.

I B/µ

AUCE/

V8

64

21

0,6

0,4

0,2

0,15

0,1

0,05

I B1

=I C

1/

mA

I B2

=I C

2/

mA

I B3

=I C

3/

mA

I B4

=I C

4/

mA

I B5

=I C

5/

mA

7.3 Versuchsdurchführung 121

Abbildung 7.13: Eingangskennlinie IB = f(UBE)

Abbildung 7.14: Stromverstärkung IC = f(IB) mit UCE = 4,5V

7.3 Versuchsdurchführung 122

Abbildung 7.15: Ausgangskennlinienfeld IC = f(UBE) mit Parameter IB

7.3 Versuchsdurchführung 123

Abbildung 7.16: Kennlinienfeld des Bipolartransistors

7.3 Versuchsdurchführung 124

Bip

olar

-Tra

nsis

tor

/Typ

BC

F141

-16

NF

-Ver

stär

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Dim

ensi

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rung

,Mes

sung

.

gege

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mes

sen:

UBat

=10

VB

=UC0

=

I C=

10m

AUBE

=UE0

=

UE0

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VRB1

=UB0

=

UCE

=UB−URE

2RB2

=ue ss

=

I q=

10·I

BRC

=uass

=

RE

=v

=

125

Literatur

[1] CLAUSERT, H. ; WIESEMANN, G. : Grundgebiete der Elektrotechnik 1. 8. Auflage. Mün-chen, Wien : Oldenbourg, 2003

[2] SCHRÜFER, E. : Elektrische Messtechnik – Messung elektrischer und nichtelektrischer

Größen. 9., aktualisierte Auflage. München : Hanser Verlag, 2007

[3] STÖCKER, H. (Hrsg.): Taschenbuch der Physik. 3. Auflage. Thun, Frankfurt am Main :Verlag Harri Deutsch, 1998

[4] TIETZE, U. ; SCHENK, C. : Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Berlin : Springer,2002