Versuch 3: DER TRANSISTOR

22.1.2002 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 1
Versuch 3: DER TRANSISTOR
I. Lernziele
Durch diesen Versuch sollen Sie in die Physik und die Anwendung des Transistors
eingeführt werden. Sie werden Eingangs- und Ausgangscharakteristiken eines typischen
bipolaren Transistors kennenlernen, sowie seine Verwendung zur Verstärkung von
Strömen und Spannungen. Sie sollen die beobachteten Phänomene qualitativ deuten.
II.
Vorbereitung. Sie sollen mit
• den verschiedenen Begriffen der Halbleitertechnik (z.B. Dotieren, p- und n-Leitung,
usw.) und mit der
• prinzipiellen Funktionsweise des bipolaren Transistors vertraut sein sowie
• Weitere Transistortypen und ihre Eigenschaften nennen können.
II.1. Literatur
[1] Das TTL-Kochbuch, S. 176-29 84 ZN 4300 T 882
[2] Mark-Olsen: Experiments in Modern Physics, S. 150 84 UC 400 M 345
[3] J. Pütz, Einführung in die Elektronik, Fischer Taschenbuch Nr. 6273
[4] Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, S. 28 ff 84 ZN 5410 T 564
[5] Versuch 2 dieses Praktikums (Gleichrichterschaltungen)
[6] C. Weddigen und W. Jüngst, Elektronik (1986) 84 ZN 5400 W 388
[7] K. H. Rumpf und K. Pulvers, Elektronische Halbleiterbauelemente (1987)
84 ZN 5400 R 936
[8] Lohnende Quellen sind das rote Skriptum "Elemente der Elektronik" sowie das
"Physikalische Grundpraktikum" von Eichler et al., Springer 2001 84 UC400 E34

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II.2. Kurze Zusammenstellung der Grundbegriffe
Neben den metallischen Leitern gibt es Stoffe mit stark verringerter Leitfähigkeit,
sogenannte Halbleiter (z. B. Germanium, Silicium, GaAs). Ein Energietermschema für
Halbleiter ist in Abb. 1 des Versuchs 1. „Elektrische Leitfähigkeit“ gezeigt. Die Leitfähigkeit
solcher Stoffe kann durch Dotieren (Zusatz geeigneter Fremdatome) beeinflusst werden.
Man unterscheidet beim Halbleiter zwischen Eigenleitung (beim reinen Halbleiter) und
Störstellenleitung (beim dotierten Halbleiter). Durch Dotieren mit Akzeptoren erzeugt man
Lochleitung (p-Leitung, z.B. B in Si), mit Donatoren erhält man Elektronenleitung (n-
Leitung, z.B. P in Si).
Der p-n-Übergang
Als p-n-Übergang bezeichnet man die Grenzfläche zwischen einem p-leitenden und einem
n-leitenden Gebiet in einem Halbleiter. Im n-leitenden Gebiet wird der Strom von den
Elektronen getragen, im p-leitenden von den Löchern (Defektelektronen). Deshalb liegen
in den beiden Gebieten unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen vor, die sich
durch Diffusion ausgleichen: Elektronen diffundieren ins p-leitende Gebiet und Löcher ins
n-leitende Gebiet. Die ortsfesten positiv geladenen Donatoren im n-Gebiet und die negativ
geladenen Akzeptoren im p-Gebiet erzeugen ein elektrisches Feld, das einer weiteren
Diffusion entgegenwirkt. Es wird schliesslich ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem
in der Umgebung der Kontaktfläche durch Rekobination der diffundierten Elektronen und
Löcher eine an freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone entstanden ist.. Die
Dicke dieser Raumladungszone kann durch Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen
das n- und das p-Gebiet je nach Polung vergrössert oder verkleinert werden, wodurch sich
auch der elektrische Widerstand der ganzen Anordnung vergrössert bzw. verkleinert
(Halbleiterdiode). Die Ladungsverteilungen, der Verlauf der Energiebänder mit und ohne
äusserer Spannung sowie die Strom-Spannungskennlinien sind in Abb. 1 illustriert.

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Abb. 1: p-n-Übergang und Kennlinien einer Diode

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Der Transistor
Ein Transistor besteht aus zwei p-n-Übergängen in einem Kristall mit drei unterschiedlich
dotierten Bereichen (vergl. Abb. 2). Die p- bzw. n-Gebiete werden durch sukzessives
Dotieren mit Akzeptoren bzw. Donatoren erzeugt und haben meist sehr unterschiedliche
Konzentrationen.
Abb. 2: Typischer Aufbau eines p-n-p-Transistors
Wir betrachten einen p-n-p-Transistor (Abb. 2). Er ist aufgebaut aus einer hochdotierten p-
leitenden Schicht (Emitter), der eine dünne, niedrigdotierte n-leitende Schicht (Basis) folgt.
Daran schliesst sich wieder ein p-leitendes, schwächer dotiertes Gebiet (Kollektor) an.
Der Transistor-Effekt: Der Ladungstransport geschieht im p-n-p-Transistor durch die
positiven Ladungsträger (Löcher). Sie werden vom Emitter durch eine negative
Vorspannung in die Basis gezogen. Der Kollektor ist gegenüber der Basis ebenfalls
negativ vorgespannt. Es kann hier aber zunächst kein Strom fliessen, weil die Basis
praktisch keine Löcher enthält und somit als Potentialbarriere wirkt. Sobald aber Löcher
vom Emitter in die Basis injiziert werden, siehe oben, erniedrigen diese die
Potentialbarriere, so dass vom Emitter zum Kollektor Strom fliessen kann. Wegen der
unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen ist dieser Strom wesentlich grösser als der
induzierende Emitter-Basis-Strom (Stromverstärkung). Genaueres, insbesondere warum
der Kollektorstrom sich nicht selbst aufrechterhält, sind in der angegebenen Literatur zu
finden. Das Energieniveaudiagramm und das Strom-Spannungs-Verhalten eines pnp-
Transistors sind in Abb. 3 skizziert. In dieser Abbildung ist auch das Schaltzeichen für
einen pnp-Transistor gezeigt.
.

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Abb. 3: pnp-Transistor. B = Basis, E = Emitter, C = Kollektor
Entsprechendes gilt für einen npn-Transistor, bei dem jeweils n und p sowie Plus und
Minus vertauscht sind. Sein Aufbau und sein Schaltzeichen sind in Abb. 4 gezeigt.
Abb. 4: npn-Transistor. B = Basis, E = Emitter, C = Kollektor
Das elektrische Verhalten von pnp- bzw. pnp-Transistor in Emitterschaltung (Emitter auf
Erdpotential) sind in Abb. 5 bzw. Abb. 6 skizziert. Die Emitterschaltung wird zur Stromund
zur Leistungsverstärkung verwendet. Es gibt auch noch die Basisschaltung und die
Kollektorschaltung; Dabei gilt jedoch ebenfalls, dass der Eingang in Durchlassrichtung und
der Ausgang in Sperrrichtung betrieben werden.

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Abb. 5: pnp-Transistor in Emitterschaltung
Abb. 6: npn-Transistor in Emitterschaltung

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II.3.
Fragen
1. Wie funktioniert eine Halbleiterdiode Skizzieren Sie kurz die Vorgänge an einem p-n-
Übergang, die zur Ausbildung der Raumladungszone an der p-n-Grenzfläche führen!
2. Geben Sie die Kennlinie eines p-n-Übergangs in Durchlass- und Sperrrichtung an!
Was passiert jeweils mit der Raumladungszone Ab welcher Spannung steigt der
Strom in Durchlassrichtung exponentiell an
3. Der Transistor besteht im Prinzip aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden.
Warum kann ein Transistor trotzdem leiten, d.h. ein Kollektorstrom I C fliessen
Erklären die Stromleitung und die Stromverstärkung qualitativ im mikroskopischen Bild
sich bewegender Ladungsträger. Warum erhält sich der Kollektorstrom nicht selbst.
4. Warum bezeichnet man pnp- bzw. npn-Transistoren auch als bipolare Transistoren
5. Erklären Sie das Prinzip des Feldeffekttransistors (FET)! Erläutern Sie die
wesentlichen Unterschiede zum bipolaren Transistor!
6. Was sind Thyristoren und Triacs Informieren Sie sich über Prinzip und Anwendungsbereiche.
7. Geben Sie die für pnp-Transistoren typischen Ein- und Ausgangscharakteristik an!
Vergleichen Sie die Eingangscharakteristik mit dem Verhalten eines p-n-Übergangs!
8. Was versteht man in diesem Zusammenhang unter dem Eingangswiderstand R i , der
Stromverstärkung β und der Verlustleistung P V eines Transistors
9. Welche Bedeutung hat die in Datenblättern angegebene maximale Verlustleistung
eines Transistors Tragen Sie (qualitativ) eine Kurve konstanter Verlustleistung in die
in Aufgabe 6 skizzierte Ausgangscharakteristik ein!
10. Lesen Sie den Abschnitt in der Versuchsdurchführung zum Wechselstrom- und
Wechselspannungsverstärker. Formulieren Sie dann für die in Abb.9 angegebene
Schaltung des Wechselspannungsverstärkers die Maschenregeln jeweils für:
Gleichspannungs-(-strom-)grössen (GROSSBUCHSTABEN) im Ausgangskreis und
Wechselspannungs-(-strom-)grössen (kleinbuchstaben) im Ein- und Ausgangskreis.

22.1.2002 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 8
11. Berechnen Sie für den Ausgangskreis U CE , wenn I C =10mA, U=8V und R C =470 Ω!
eff
12. Welcher effektive Kollektorwechselstrom i B fliesst im Eingangskreis, wenn Sie am
Oszilloskop für die Eingangswechselspannung u e eine Amplitude von 300 mV und für
die Basisemitterwechselspannung u BE eine Amplitude von 10 mV ermitteln Der
Basisvorwiderstand betrage R S = 22 kΩ.
13. Welche Bedeutung hat die Widerstandsgerade, die man in das Ausgangs-Kennlinienfeld
Abb. 10 einträgt
14. Diskutieren Sie an Hand von Abb. 10, durch welche Grössen in der Schaltung Abb.9
der Arbeitspunkt eindeutig festgelegt wird!
Wo liegt bei gegebener Betriebsspannung U und gegebenem Kollektorwiderstand R C
der optimale Arbeitspunkt Begründen Sie Ihre Wahl!
III. Durchführung
Die Untersuchungen am pnp-Transistor werden mit selbst gesteckten Schaltungen
durchgeführt. /[Für die Untersuchung eines npn-Transistors steht ein spezielles Prüfgerät
zur Verfügung, mit dem man an einem PC die Kennlinien des Transistors darstellen und
ausdrucken kann.]/
III.1. Gerätebeschreibung
Für pnp-Transistor: Transistor-Steckbrett mit Transistor 2N 4036
3 Multimeter
2 Netzgeräte Philips PE 1509, Netzgerät Phywe 074767
Oszilloskop Philips PM 3207 oder Hameg 203-5
Tongenerator (Fa.Monsanto)
w) Für npn-Transistor: Transistorprüfgerät mit Transistorsteckplatz
PC (mit Analog-Digital-Konverter und Pascal-Steuerprogramm)
Drucker

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III.2. Aufgabenstellung
III.2.1 Messungen an einem pnp-Transistor
a) Kennlinien
1. Eingangscharakteristik I B (U BE )
Stecken Sie die Schaltung gemäss Abb.7 zusammen. Verwenden Sie dabei unbedingt die
erdfreien Ausgänge der Netzgeräte.
R C =1k
47k
I B
U CE
U
U e
U BE
Abb. 7: Transistorschaltung für Eingangskennlinie
Nehmen Sie die Kennlinie I B (U BE ) durch Variation der Eingangsspannung U e auf. Halten
Sie dabei die Kollektorspannung zunächst bei U CE = 0 V (Kurzschluss). (Frage: Fliesst
dabei ein Kollektorstrom Messen Sie ihn!) Wiederholen Sie die Messungen für U CE =
5 V. (Anmerkung: Der Unterschied zwischen beiden Kennlinien rührt von der
Stromverstärkung her, siehe unten sowie das Kennlinienfeld Abb. 10.)
• Tragen Sie U BE gegen I B für U CE = 0 V und 5 V in einem Graphen auf.
• Bestimmen Sie den differenziellen Eingangswiderstand
∆U
BE
r
i
=
(1)
∆I
B
U
CE
=const.
aus der Kennlinie I I (U BE ) jeweils für U CE = 0 V und 5 V (Steigung der Kennlinie).
• Vergleichen Sie die gemessenen Kennlinien mit der Kennlinie eines einfachen
p-n-Übergangs (Diode)!

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2. Ausgangscharakteristik I C (U CE )
Sie können diese Kennlinie z.B. mit der Schaltung von Abb. 8 aufnehmen. Achten Sie
wieder darauf, dass die Ausgänge der Netzgeräte erdfrei sind!
R C =1k
I C
I B
U CE
U
47k
U e
Abb. 8: Transistorschaltung für Ausgangskennlinie
Bei dieser Messung ist I B der Parameter. Messen Sie I C (U CE ) für U CE = 0...10V bei zwei
I B -Werten (z.B. 50 µA, 100 µA). Achten Sie dabei darauf, dass der Basisstrom konstant
bleibt (durch Nachregeln von U e ).
• Tragen Sie U CE (0V...10V) gegen I C für I B = 50 µA und 100 µA in einem Graphen auf!
• Zeichnen Sie eine Kurve konstanter Verlustleistung P V = I C ×⋅ U CE = 20 mW in das
I C (U CE ) Kennlinienfeld ein. Warum ist die Beschränkung der Verlustleistung wichtig
• Bestimmen Sie aus den beiden I C (U CE )-Kurven für I B = 50 µA und I B = 100 µA bei
einem U CE -Wert im Sättigungsbereich die
Stromverstärkung β =
∆I
∆I
C
=
B U CE const.

22.1.2002 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 11
Wechselstrom- und Wechselspannungsverstärkung
Im Teil a) haben Sie gesehen, wie Änderungen von U BE zu Änderungen von I B führen.
Weiterhin fanden Sie, wie I B die Ausgangscharakteristik I C (U CE ) verändert. Diese
Steuerung des Stromes I C durch den sehr viel kleineren Strom I B kann man zur
Verstärkung von Spannungssignalen verwenden. Den Schaltplan zeigt Abb. 9.
100 k
u e
R =22k
S
47k
I BE
u BE
pnp
R =470
C
-
U CE
U
+
Eingangskreis
Ausgangskreis
Abb. 9: Schaltung für Verstärkungsmessungen (Widerstände in Ohm).
Die Eingangs- und Ausgangs-Wechselspannungen u BE bzw. u CE
werden mit dem Oszilloskop gemessen.
Diesmal haben wir die für die Einstellung des Arbeitspunktes (s.u.) nötige negative
Vorspannung der Basis mit einem variablen Vorwiderstand (100 kΩ-Potentiometer) aus
der gemeinsamen Versorgungsspannung U besorgt. Mit ihm kann man den Basisstrom I B
und damit U CE einstellen.
Einstellung des Arbeitspunktes
Im Ausgangskreis (Abb.9) gilt nach der Maschenregel für die Spannungen und Ströme:
U = U CE + R C I C also I C (U CE ) = -U CE /R C + U/R C
Trägt man diese beiden Grössen im Ausgangskennlinienfeld, siehe Abb. 10, ein, so erhält
man die sogenannte Widerstandsgerade mit der Steigung –1/RC. Der I C -Achsenabschnitt
gibt den maximalen Kollektorstrom I max C = U/R C an. Der U CE -Achsenabschnitt
gibt die maximale Kollektor-Emitterspannung U = U max
CE an.

22.1.2002 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 12
Stellt man nun mit dem 100 kΩ-Potentiometer (siehe Abb.9) eine bestimmte Basis–
Emitter-Gleichspannung U 0 BE ein, so hat dies gemäß der Eingangskennlinie einen
bestimmten Basis-Emitter-Gleichstrom I 0 B zur Folge. Dieser bewirkt nach der Strom-
Steuerkennlinie einen Kollektorgleichstrom I 0 C = βI 0 B (β: Gleichstromverstärkung). Der
zugehörige Wert für U CE muss sich dann so einstellen, dass der Punkt (U CE , I C ) auf der
Widerstandsgeraden liegt. Das ist der Arbeitspunkt des Transistors. Der Arbeitspunkt
wird durch die Betriebs(gleich)spannung U, den Kollektorwiderstand R C und den
Basisgleichstromn I 0 B eindeutig festgelegt (Abb.10)
• Stellen Sie die Betriebsspannung U auf 8 V ein! (Erdfreie Ausgänge am Netzteil
benutzen!)
Jetzt haben Sie die Betriebsspannung U = 8V und den Kollektorwiderstand R C = 470 Ω
festgelegt und können den Arbeitspunkt demnach nur noch durch die Wahl des Basisstroms
I 0 B verändern. Durch die Variation von I 0 B bzw. U 0 BE verschiebt sich der Arbeitspunkt
entlang der Widerstandsgeraden. Machen Sie sich das an Hand der Abb.10 klar!
• Tragen Sie die Widerstandsgerade für U = 8V und R C = 470 Ω in das
Ausgangskennlinienfeld ein, das Sie im vorangegangenen Versuchsteil a)2. bereits
gemessen haben!
• Stellen Sie die Amplitude der Eingangswechselspannung u e am Funktionsgenerator
auf einen möglichst kleinen Wert den Sie gerade noch gut messen können. Wählen
Sie die Frequenz 1000 Hz (Sinus), und achten Sie darauf, dass kein
Gleichspannungsoffset eingeschaltet ist !
Der Basis-Emitter-Gleichspannung U 0 BE wird nun eine Basis-Emitter-Wechselspannung
u BE überlagert, mit der ein Basiswechselstrom i B gemäss der Eingangskennlinie verknüpft
ist. Dieser hat einen (dem Kollektorgleichstrom I 0 C überlagerten) Kollektorwechselstrom i C
und schliesslich eine (der Kollektor-Emittergleichspannung U 0 CE überlagerte) Kollektor-
Emitterwechselspannung u CE zur Folge. Für kleine Wechselspannungen gilt daher
näherungsweise: Stromverstärkung + Spannungsverstärkung = Leistungsverstärkung.

22.1.2002 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 13
I C
U BE
Strom-Steuerkennlinie
Ausgangskennlinie
U/R C
I C
0
Widerstandsgerade
Gleichstromarbeitspunkt
I B
i C
0
u CE
I B
0
U CE
i B
u BE
U CE
U BE
0
Eingangskennlinie
Abb.10: Vierquadranten-Kennlinienfeld
aus: Schnell, Elemente der Elektronik, Franzis 1978
• Stellen Sie den Basisgleichstrom I 0 B mit dem Arbeitspunkt so ein, dass U CE = ½U = 4V.
Beobachten Sie den zeitlichen Verlauf von u CE am Oszilloskop (Oszilloskopmasse auf
Emitterpotenzial) während Sie die Amplitude der Eingangswechselspannung u e
kontinuierlich erhöhen. Beschreiben Sie die Beobachtungen und erklären Sie sie!
• Variieren Sie anschliessend I 0 B und erhöhen Sie wiederum die Amplitude von u e !
Bei welchem Wert von I 0 B bzw. U 0 CE liegt der optimale Arbeitspunkt
Erklären Sie diesen Wert!
Weshalb benötigt man für einen (verzerrungsfreien) Wechselspannungverstärker auf
Basis eines pnp-Transistors eine negative Vorspannung der Basis gegenüber dem
Emitter Wie sind die Verhältnisse beim npn-Transistor
• Stellen Sie den optimalen Gleichstromarbeitspunkt (U CE = ½ U = 4 V) ein und wählen
Sie die Amplitude der Eingangswechselspannung u e (f = 1000Hz Sinus) so, dass u CE
und u BE sinusförmig sind.

22.1.2002 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 14
• Messen Sie mit dem Oszilloskop die Amplituden der Wechselspannungen u e , u BE und
u CE und berechnen Sie die Effektivwerte. (Beachten Sie dabei, dass die Masse des
Oszilloskops jetzt auf Emitterpotenzial liegen muss!)
• Berechnen Sie mit den gemessenen Effektivwerten von u e , u BE und u CE unter
Zuhilfenahme der Maschenregeln für Ein- und Ausgangskreis (Frage 10) folgende
Grössen:
Der Eingangswiderstand r i ist gegeben durch:
r
i
⎡∆U
= ⎢
⎣ ∆I
BE
B
⎤
⎥
⎦
U
CE
= const.
⎡u
= ⎢
⎣ i
BE
B
⎤
⎥
⎦
u
CE

22.1.2002 B1-Praktikum Versuch 3: DER TRANSISTOR 15
w)
III.2.2. Rechnergesteuerte Messungen an einem npn-Transistor
Abb. 11: Beschaltung des Transistors
Bestimmen Sie die Strom-Spannungskennlinien [I E (U CE ) für verschiedene Basisströme I B ]
eines npn-Transistors mit dem rechnergesteuerten Transistorprüfgerät. Ein
Transistorschaltbild ist in Abb. 11 zu sehen. Ein Blockschaltbild des Transistorprüfgerät
und der Rechnersteuerung zeigt Abb. 12. Die Rechnersteuerung ist menue-geführt und
selbsterklärend. (Eine Anleitung liegt auf). Versuchsstart und Auswahl der Stromquellen:
Returntaste () bzw. Cursortasten. Zurück ins Hauptprogramm: Leertaste ()
und Returntaste (>CR>).
Abb. 12: Blockschaltbild des Prüfgerätes mit Rechnersteuerung.