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Fachbereichsarbeit
Physik

GaK, Speyer

1, DAU, 2014

Eric H. ©
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ID# 57474







Untersuchung

von

Transistoren


Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1

2. Theoretische Grundlagen 1

2.1. Funktionsweise von Transistoren 1

2.2. Kennlinienfelder 2

3. Eigene Messungen 2

3.1. Versuchsaufbau 2

3.2. Durchführung & Ergebnisse 3

4. Auswertung der Messwerte 4

4.1. Vergleich mit dem Datenblatt 4

4.2. Fehleranalyse 5

5. Zusammenfassung und Ausblick 6

6. Quellen 7

6.1. Literatur 7

6.2. Internetquellen 7

7. Anhang 7

7.1. Messwerte 7

7.2. Werte des Datenblatts 7


1Einleitung

Ein Transistor ist ein spannungsabhängiger Widerstand, bei dem man über die Stromstärke im Emitter-Basis-Kreis (im Folgenden „Basis-Kreis“ oder „B“ genannt) die Stromstärke im Emitter-Kollektor-Kreis (im Folgenden als „Kollektor-Kreis“ oder „C“ bezeichnet), bei gleichbleibender Spannung an diesem, beeinflussen kann.


In dieser Arbeit soll der Zusammenhang zwischen der Spannung und der Stromstärke im Kollektor-Kreis bei verschiedenen Stromstärken im Basis-Kreismit eigenen Messungen untersucht werden.

In Kapitel 2 wird zunächst die Funktionsweise des verwendeten Transistors untersucht. Die Messungen werden in Kapitel 3 beschrieben und dann in Kapitel 4 mit dem [Datenblatt 2n3055] verglichen, sowie Abweichungen und Fehlerquellen diskutiert.


2Theoretische Grundlagen

2.1


Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Transistors [Appel, 2010]



Funktionsweise von Transistoren


Abbildung 2: Transistor-Schaltkreis (nach [Appel, 2010], verändert)



Der für die Messungen benutzte npn-Bipolartransistor des Typs 2N3055 (im Folgenden als „Transistor“ bezeichnet) besteht aus drei verschieden dotierten Schichten die zwei p-n-Übergänge bilden (siehe Abb. 1). Wenn man nur zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung anlegt kann kein Strom fließen, da im Transistor zwei entgegengesetzte p-n-Übergange liegen (vergleichbar mit zwei entgegengesetzt geschalteten Dioden) von denen einer somit immer gesperrt ist.

Sobald aber auch eine Spannung zwischen Basis und Emitter anlegt wird, werden wie bei einem normalen p-n-Übergang, Elektronen aus dem Emitter in die Basis injiziert. Jedoch diffundieren aufgrund der geringen Weite der Basis, die kleiner ist als die Diffusionslänge der Ladungsträger, 99% der Elektronen durch diese hindurch und landen im Kollektor.

Somit fließen Elektronen vom Emitter über die Basis in Sperrrichtung in den Kollektor und Strom fließt im Kollektor-Kreis.

(nach [wiki:Bipolartransistoren])

2.2


Abbildung 3: Kennlinienfeld einer Diode [wiki:Kennlinie]



Kennlinienfelder

Eine Kennlinie ist ein Graph, der die Abhängigkeit von zwei physikalischen Größen für ein Objekt anzeigt. Hierbei wird eine Größe variiert und die Änderungen der anderen gemessen, während alle anderen Voraussetzungen konstant gehalten werden. Gerade bei komplizierten Bauteilen sind jedoch meistens mehr als zwei Größen relevant und werden untersucht.

(nach [wiki:Kennlinie])

3Eigene Messungen

3.1


Abbildung 4: Versuchsaufbau

Versuchsaufbau


Abbildung 5: Schematischer Versuchsaufbau ( nach [Appel, 2010], verändert)



Der Versuchsaufbau bestand aus zwei regulierbaren Netzgeräten, die je am Basis- und am Kollektor-Kreis angeschlossen wurden, sowie je einem Ampèremeter pro Kreis und einem Voltmeter im Kollektor-Kreis zur Überprüfung der im Netzgerät eingestellten Spannung. Optional dazu wurde noch ein Vorwiderstand im Basis-Kreis eingesetzt, um den Gesamtwiderstand zu erhöhen und damit die Regulierung der Stromstärke zu erleichtern, da hierdurch bei Erhöhen der Spannung die Stromstärke nur leicht steigt und diese damit genauer eingestellt werden kann.

Ebenfalls optional wurde ein Thermometer eingesetzt, da der Transistor bei längerer Benutzung bei hohen Stromstärken sich sehr stark erhitzt, was zum einen zu einer Schädigung des Transistors führen kann und zum anderen bei starker Schwankung der Temperatur zu Verfälschungen der einzelnen Werte der Messreihe führen kann.

3.2Durchführung & Ergebnisse

Bei den Messungen wurde im Basis-Kreis jeweils die gewünschte Stromstärke IB (10, 15 & 30mA) eingestellt und dann UC in 0,5V-Schritten von 0 bis 3,5V angelegt und die dazugehörige Stromstärke IC abgelesen. Um starke Schwankungen der Ergebnisse und eine Überhitzung des Transistors zu vermeiden wurde darauf geachtet, dass die Temperatur des Transistors (laut Angabe des Thermometers) in einem Bereich zwischen 35 und 40°C lag und gegebenenfalls die Messung zur Abkühlung unterbrochen.

Daraus ergaben sich folgende Ergebnisse: (Tabellen mit den Messwerten Im Anhang)



4Auswertung der Messwerte

4.1


Abbildung 6: [Datenblatt 2n3055]



Vergleich mit dem Datenblatt


Abbildung 7: Grafula 2



Zum Vergleich der erzielten Messwerte wurde ein Datenblatt des genutzten Transistors ([Datenblatt 2n3055]) herangezogen und die vergleichbaren Daten mit Hilfe des Programms „Grafula2“ (s. Abbildung 7) digitalisiert, das, nachdem die Achsenwerte eingestellt wurden, die Werte einzelner Punkte auf dem Graphen erfassen kann (genaue Werte finden sich im Anhang).



Wenn man die gemessenen Werte nun mit denen des Datenblatts vergleicht, sieht man, dass sich die Graphen zwar ähneln, jedoch die Werte teilweise um fast bis zu 500% abweichen


Abbildung 9: Vergleich bei IB = 10mA




Abbildung 10: Vergleich bei IB = 30mA



4.2Fehleranalyse

Die Werte liegen so weit auseinander, dass diese Abweichungen nicht mehr mit Schwankungen der Spannungen durch die Ungenauigkeit der Netzgeräte oder durch die Wechselwirkung der beiden Stromkreise erklärt werden können.

Meine Vermutung ist, dass die Temperatur die Werte beeinflusst. Aufgrund fehlender Kühlmöglichkeiten betrug die Temperatur des Transistors bei den Messungen zwischen 35 & 40°C. Die Messungen auf dem Datenblatt wurden jedoch bei einer Temperatur des Transistors von 25°C gemacht.


5Zusammenfassung und Ausblick

In dieser Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Spannung und der Stromstärke im Kollektor-Kreisbei verschiedenen Stromstärken im Basis-Kreis mit eigenen Messungen untersucht und mit den Werten eines Datenblatts verglichen.

Hierbei zeigten sich bei allen Messungen systematische Abweichungen. Eine Hypothese wäre, dass die Werte durch Temperaturunterschiede beeinflusst werden.

Als weitere Aufgabe wäre also eine Überprüfung der Abhängigkeit der Werte von der Temperatur interessant, indem man eine (relativ hohe) Spannung zwischen Basis und Emitter, sowie Kollektor und Emitter anlegt und sich den Transistor aufheizen lässt, während man die Änderung der Stromstärke im Kollektor-Kreis samt der zugehörigen Temperatur dokumentiert.


6Quellen

6.1Literatur

[Appel, 2010]

Appel, Thomas u.a.:

Spektrum Physik SI. Rheinland-Pfalz.

Schroedel, 2010, S. 256


6.2Internetquellen

[Datenblatt 2n3055]

Stand: 03.01.2014

[wiki:Bipolartransistoren]

Stand: 03.01.2014

[wiki:Kennlinie]

Stand: 06.01.2014

7Anhang

7.1Messwerte


Abbildung 12: IB = 15mA



Abbildung 11: IB = 30mA



Abbildung 13: IB = 10mA



7.2Werte des Datenblatts


Abbildung 14: IB =10mA



Abbildung 15: IB =30mA




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