Thí Nghiệm_BKE-090- Diode&Transitor.doc

Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, năng lợng chuyển động nhiệt đủ cho một số electron bứt ra khỏi mối liên kết đồng hoá trị, trở thành electron tự do, và để lại ở nguyên tử một lỗ trống p, tơng

VLKT - Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội

Thí nghiệm vật lý- BKE-090

Khảo sát đặc tính của diode và transistor

Dụng cụ:

1 Bộ thí nghiệm Vật lý MC - 957

2 Một Diode và một Transistor npn.

3 Hai điện trở 820Ω và 100k Ω

4.Bộ dây nối mạch điện ( 9 dây )

I Cơ sở lý thuyết

1.đặc tính chỉnh lu của Diode bán dẫn

a Tính dẫn điện của bán dẫn tinh khiết :

Các nguyên tử Silic (Si), German( Ge) có 4

electron ở lớp ngoài cùng, khi kết tinh, chúng liên kết với

nhau bởi 4 đôi electron góp chung với 4 nguyên tử láng

giềng, gọi là liên kết đồng hoá trị Vì vậy ở nhiệt độ

thấp, các tinh thể Ge, Si tinh khiết không có các

electron tự do, chúng là những chất cách điện Tuy

nhiên, ở nhiệt độ cao, năng lợng chuyển động nhiệt đủ

cho một số electron bứt ra khỏi mối liên kết đồng hoá

trị, trở thành electron tự do, và để lại ở nguyên tử một lỗ

trống p, tơng đơng với một hạt điện dơng mang điện tích

+e Lỗ trống này nh một cái bẫy, có thể bắt electron

của nguyên tử bên cạnh và tạo ra một lỗ trống mới Cơ

chế này cho phép các lỗ trống có thể di chuyển tự do

trong tinh thể nên lỗ trống đợc gọi là các lỗ trống tự do

Nh vậy, nhờ quá trình ion hoá vì nhiệt, hai loại hạt mang

điện tự do e và p đồng thời xuất hiện trong chất bán

dẫn, với nồng độ bằng nhau ( ne = np = ni ), cùng tham

gia vào quá trình dẫn điện ở nhiệt độ phòng, quá trình

ion hoá vì nhiệt của các bán dẫn tinh khiết xảy ra yếu,

nồng độ ni rất nhỏ, điện trở suất của chúng khá lớn

b Bán dẫn tạp chất

Khi pha tạp các nguyên tử thuộc nhóm 5, chẳng

hạn nh Arsenic (As ) vào tinh thể Silic , 4 trong số 5

electron lớp ngoài cùng của nguyên tử As liên kết đồng

hoá trị với 4 nguyên tử Silic xung quanh, còn lại 1

electron liên kết yếu với hạt nhân As, dễ bị bứt ra khỏi

As trở thành electron tự do và As trở thành 1 ion dơng

tạp chất ở nhiệt độ phòng, năng lợng nhiệt đủ để ion

hoá toàn bộ các nguyên tử tạp As trong mạng tinh thể

Si, tạo ra rất nhiều electron tự do, e chiếm đa số trở

thành hạt dẫn cơ bản, lỗ trống chiếm thiểu số trở thành

loại hạt dẫn không cơ bản, bán dẫn pha tạp As đợc

gọi là bán dẫn loại N, có ne >> np

Cũng tơng tự nh thế, nếu ta pha tạp vào tinh thể Silic

các nguyên tử thuộc nhóm 3, chẳng hạn Gallium ( Ga),

chỉ có 3 electron lớp ngoài cùng Khi liên kết với 4

nguyên tử Si xung quanh, Ga bị thiếu 1 electron , tạo ra

một nút khuyết, hay một lỗ trống liên kết Nó có thể bắt

một electron của nguyên tử Si ở xung quanh, trở thành

một ion âm Ga tạp chất, và tạo ra một lỗ trống tự do

Bán dẫn trở nên giàu lỗ trống tự do, đợc gọi là bán dẫn

loại P Lỗ trống chiếm đa số, là hạt dẫn cơ bản, electron

là hạt dẫn không cơ bản: ne << np

c Tiếp xúc PN và đặc tính chỉnh l u của Diode bán dẫn

Khi cho hai bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc với nhau, tại miền tiếp xúc, do có sự chênh lệch lớn về nồng độ các hạt dẫn cùng loại giữa hai bên mà xảy ra hiện tợng khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản từ miền này sang miền kia, lỗ trống từ miền P sang N và electron từ N sang P Khi di chuyển sang P, electron sẽ tái hợp với lỗ trống ở bên P đồng thời để lại bên bán dẫn N các ion (+) tạp chất, hình thành nên vùng điện tích không gian (+),gọi là vùng nghèo ( thiếu hạt dẫn cơ‘ ’

bản là e) Tơng tự nh thế khi lỗ trống di chuyển sang bên

N sẽ cũng tạo ra vùng điện tích không gian(-) bên bán dẫn P

Kết quả là một lớp địên tích kép xuất hiện ở‘ ’

lân cận hai bên mặt tiếp xúc, hình thành nên một

điện trờng tiếp xúc (Etx) hớng từ N sang P Điện tr-ờng này ngăn cản chuyển động khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản , mặt khác nó lại gia tốc cho chuyển động của các hạt dẫn không cơ bản đi qua tiếp xúc PN, còn gọi là chuyển động trôi ‘ ’

Chuyển động ngợc chiều nhau của hai dòng khuếch tán và trôi sẽ đi tới một trạng thái cân

bằng động : Itr = Ikt và tạo nên một điện trờng tiếp xúc Etx xác định, tơng ứng một hiệu thế tiếp xúc Utx xác định (Hình 1a) Utx vào cỡ 0.3V đối với bán dẫn làm từ Ge, và 0,6V đối với bán dẫn làm từ Si

) 1 )

=

kT

eU I

Nếu chúng ta đặt 1 điện trờng ngoài E lên tiếp xúc

p-n sao cho điện thế (+) đặt lên bán dẫn P và điện thế

(-) lên bán dẫn N (Hình 1b), thì khi đó điện trờng ngoài

sẽ ngợc hớng Etx Nếu E đủ lớn, nó sẽ triệt tiêu điện

tr-ờng tiếp xúc, đồng thời gia tốc cho chuyển động của

các hạt dẫn cơ bản của cả hai bên chạy qua tiếp xúc

PN tạo ra một dòng điện lớn Nói theo một ngôn ngữ

khác, vùng nghèo bị thu hẹp lại và điện trở của lớp tiếp

xúc PN trở nên rất nhỏ Trong trờng hợp này ta nói rằng

tiếp xúc p-n đợc phân cực thuận

Ngợc lại nếu điện thế (-) đặt lên bán dẫn P và điện

thế (+) đặt lên bán dẫn N (Hình 1c) thì điện trờng ngoài

E sẽ cùng chiều Etx, Điện trờng tổng hợp ( cùng chiều

Etx ) , một mặt triệt tiêu hoàn toàn dòng khuếch tán của

các hạt điện cơ bản, mặt khác gia tốc mạnh mẽ các hạt

dẫn không cơ bản, làm cho cờng độ dòng các hạt này

nhanh chóng tăng lên đến mức bão hoà,ngời ta thờng

gọi là dòng điện ngợc bão hoà và ký hiệu là Io. Tuy

nhiên nồng độ các hạt dẫn không cơ bản rất nhỏ , nên

giá trị của Io chỉ vào cỡ10-9 A Trong trờng hợp này ta

nói tiếp xúc p-n đợc phân cực ngợc

Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng dòng

điện đi qua tiếp xúc p-n tuân theo qui luật hàm mũ:

Trong đó :

• I O : cờng độ của dòng điện ngợc bão hoà

• e : điện tích của electron,

• k : hằng số Boltzman,

• T : nhiệt độ tuyệt đối (K)

Đồ thị I = f ( U AK ) trên hình 2b cho biết mối quan hệ

giữa dòng điện chạy qua tiếp xúc PN và điện áp đặt

giữa hai cực của nó, gọi là đờng đặc trng Von – Ampe

Rõ ràng, tiếp xúc PN chỉ cho phép dòng điện

đi qua 1 chiều Tính chất này của tiếp xúc PN gọi

là đặc tính chỉnh lu hay tính chất van

d Diode

Tiếp xúc PN và đặc tính chỉnh lu của nó đợc ứng dụng để tạo ra một dụng cụ bán dẫn gọi là Diode (Đi-ốt), là dụng cụ không thể thiếu đợc trong các

bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều và nhiều ứng dụng khác trong kỹ thuật điện

tử Ký hiệu của Diode trong mạch điện đợc chỉ ra trên hình 2a, trong đó mũi tên chỉ chiều dòng điện xuất phát từ miền bán dẫn P

Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đặc

tính chỉnh lu của Diode bằng cách vẽ đờng đặc

tr-ng Von-Ampe I = f(U) của nó.

2 transistor ( Trandito) và đặc tính khuếch đại của transistor .

Transistor là dụng cụ bán dẫn đợc cấu tạo từ

ba miền có tính dẫn điện khác nhau Nếu miền ở giữa là bán dẫn loại P thì hai bên là bán dẫn loại

N : đó là transistor loại NPN (hình 3a) Còn nếu phần ở giữa là bán dẫn loại N thì hai bên là bán dẫn loại P: đó là transistor loại PNP ( hình 3b ) (1)

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một transistor loại

NPN đợc mô tả trên hình 3c : phần giữa là bán dẫn loại P

có bề dày rất nhỏ (cỡ vài micrômét) và có điện trở suất

lớn, gọi là miền badơ Điện cực nối với miền badơ gọi là

cực badơ (B) hay cực gốc Phần bên trái là bán dẫn loại N

rất giầu tạp chất và có điện trở suất nhỏ, gọi là miền emitơ.

Điện cực nối với miền emitơ gọi là cực êmitơ (E) hay cực

phát Phần bên phải là bán dẫn loại N có nồng độ tạp chất

trung bình, gọi là miền colectơ Điện cực nối với miền

colectơ gọi là cực colecto (C) hay cực góp Nh vậy bên

trong mỗi transistor có hai lớp tiếp xúc PN nằm giữa

B-E và C-B-E

Để transistor hoạt động, lớp tiếp xúc B-E phải đợc

phân cực thuận, còn lớp tiếp xúc C-Bđợc phân cực

ng-ợc (hình 3c) Nhờ nguồn U 1 ,tiếp xúc B-E đợc phân cực

thuận, tạo ra dòng các electron phun từ miền E sang

miền B Do miền B rất mỏng và có điện trở suất lớn,

nên chỉ có một số ít các electron đến đợc cực B tạo ra

dòng IB rất nhỏ, còn đa số các electron sẽ chuyển đến

tiếp giáp C-B và đợc điện trờng gây bởi nguồn U 2 cuốn

sang miền C, tạo thành dòng I C khá lớn gần bằng

dòng I E (*) ở đây cần lu ý là tại mỗi tiếp xúc, các hiện

tợng động học của các hạt dẫn cơ bản cũng nh không

cơ bản xảy ra giống nh ta đã biết trong phần 1a, do vậy

dòng điện trên các cực E và C đều có sự đóng góp của

cả 2 loại hạt dẫn này, nghĩa là ta có :

IE = IEP + IEn và IC = ICP + ICn (2)

Trong đó chỉ số p là ký hiệu dòng sinh ra bởi các lỗ

trống, còn chỉ số n là ký hiệu dòng sinh ra bởi các

electron Dòng ICP là dòng các hạt điện không cơ bản

trong miền C đợc tính đến khi coi nh không có tiếp xúc

n-p giữa E và B, nghĩa là IE=0, nên ký hiệu ICP = ICB0 ,

Vì thế:

IC = ICn + ICB0

Nếu ta đặt: α = ICn / IE , từ (*) suy ra α≈ 1 ( 3 )

do vậy: IC = αIE + ICB0 ( 4 )

Khi đó dòng emitơ I E sẽ là:

IE = IB + IC với I B << I C ( 5 )

Thay (5) vào (4) đợc:

IC = α(IB + IC) + ICB0 ( 6 )

Rút ra : IC = ( α/1-α )IB + (1/1-α)ICB0

Suy ra: ∆IC/∆IB= α /( 1- α) = β ( 7 ) Theo (3): α ≈ 1, do đó β>>1 Nh thế có nghĩa là

chỉ cần IB thay đổi 1 lợng rất nhỏ cũng làm IC thay

đổi một lợng rất lớn, do đó β đơc gọi là hệ số khuếch đại dòng.

Ngời ta lợi dụng tính chất này của transistor để

làm dụng cụ khuếch đại dòng điện.Hình 4 chỉ ra

đờng đặc trng I C = f ( I B ),( gọi là đặc tuyến truyền

đạt của trandito ), ứng với đoạn OM ta nói Transistor làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính

Trên đoạn MN transistor hoạt động ở chế độ bão hoà, khi đó điện trở giữa hai cực C - E của

transistor rất nhỏ và Transistor đợc sử dụng nh một công tắc (đóng ngắt điện )

Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đặc tính

khuyếch đại cuả transistor bằng cách vẽ các đ-ờng đặc trng I c = f( I B ), từ đó xác định vùng hoạt

động tuyến tính và xác định đợc hệ số khuếch

đại dòng điện β của transistor.

II - Trình tự thí nghiệm

A Vẽ đặc trng von-ampe của diode

Ic(bh)

Ib(bh)

Ic(mA)

Ib (àA) 0

Hình 4 : Đặc tuyến truyền đạt Ic =f (Ib) của transistor

+12V

U2

A2 +

V +

Rc

820ς

Q E

Quan sát bố trí trên mặt máy của bộ thí nghiệm MC

-95.7 (hình 5)

Hình 5 Chú ý :

 Mọi thao tác tháo lắp mạch điện trên mặt máy của

bộ thí nghiệm MC-957 đều phải đợc thực hiện khi

ngắt điện, và rút phích cắm nguồn của nó ra khỏi

ổ điện 220V !

 Khi cần vặn chuyển mạch để chọn lại các thang

đo, nhất thiết phải giảm điện áp các nguồn cung

cấp U1,U2 về 0

1 Vẽ đặc tr ng V-A của điốt phân cực thuận:

a Mắc mạch điện trên mặt máy của bộ MC - 95.7

theo sơ đồ hình 6-a

b Lựa chọn các thông số cho mạch điện :

 Von kế đặt ở thang đo 10V

 Ampe kế A2 chọn thang 10mA, phù hợp với

điện trở tải R= 820ς

 Các nguồn điện U1 và U2 ban đầu đặt ở vị trí 0,

công tắc K ở vị trí ngắt mạch, chuyển mạch “

pnp/npn, D ở vị trí npn, D “ “ ”

Hình 6a : Sơ đồ mạch điện đo đặc trng

Von-Ampe của Diode phân cực thuận

Hình 6b : Sơ đồ mạch điện đo đặc trng

Von-Ampe của Diode phân cực nghịch

c Sau khi thiết lập xong,Mời thầy giáo kiểm tra

mạch điện , để đợc phép cắm phích điện nguồn

của MC-957 vào ổ 220V

d Tiến hành đo : Bấm công tắc K đa điện vào

máy: đèn LED phát sáng

e Vặn từ từ núm xoay của nguồn U2 để hiệu điện

thế U giữa hai cực của điốt chỉ trên vôn kế V tăng

dần từng 0,1V , từ 0 đến khoảng 0,7V Đọc và ghi

các giá trị tơng ứng của cờng độ dòng điện thuận It

chỏ trên ampe kế A2 vào bảng 1

f Vặn núm xoay của nguồn U2 về vị trí 0 Bấm

công tác K để ngắt điện

2 Vẽ đặc trng V-A của điốt phân cực ngợc

a Mắc lại mạch điện trên mặt máy MC-95.7

theo sơ đồ hình 6-b

b Lựa chọn các thông số cho mạch điện :

 Von kế đặt ở thang đo 10V

 Ampe kế chọn thang 0.1mA (có thể sử dụng đồng hồ Ampe kế A2 hoặc A1 để có thang đo thích hợp).Các nguồn điện U1 và U2

ban đầu đặt ở vị trí 0, công tắc K ở vị trí ngắt mạch, chuyển mạch pnp/npn, D vẫn để ở“ “

vị trí npn, D “ ”

c Sau khi thiết lập xong, Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện.

d Tiến hành đo : Bấm công tắc K đa điện vào

máy: đèn LED phát sáng

Vặn từ từ núm xoay của nguồn U2 để hiệu

điện thế U chỏ trên vôn kế V tăng dần từng 1V, từ 0 đến 10V Đọc và ghi các giá trị tơng

ứng của cờng độ dòng điện ngợc chỉ trên ampe kế A1 vào bảng 1

e Vặn núm xoay của nguồn U2 trả về vị trí 0.

Bấm công tác K để ngắt điện Rút phích điện của bộ MC-95.7 ra khỏi nguồn điện ~ 220V

B Vẽ đờng đặc trng IC = f ( I B ) của transistor :

1 Nguyên tắc chung :

Để có thể vẽ đờng đặc trng IC = f ( I B ) với cùng một giá trị của UCE cần tiến hành theo trình tự sau (hình 7)

- Vẽ họ đờng cong IC = f (UCE ) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng colectơ I vào hiệu thế U Q

Q

A1 +

V +

Rc

820ς

+12V

U2

Ic ( mA)

Uce (V) 3V

0

Ib( A)



Hình 7 : Đặc tuyến ra Ic = f ( Uce) và đặc tuyến truyền đạt Ic= f (Ib)

Ib=5àA Ib=10àA Ib=15àA Ib=20à M

A

giữa colectơ và emitơ ứng với các giá trị không đổi của

dòng badơ I B = 5àA, 10àA, 15àA, 20àA

- Xác định quan hệ IC = f (Ib) ứng với cùng giá trị của

hiệu thế UCE = 3V bằng cách kẻ đờng thẳng song song

với trục tung tại vị trí UCE = 3V, và lấy các toạ độ các giao

điểm của nó với họ đờng cong IC=f(U CE ) Từ đó vẽ đờng

đặc trng IC = f ( I B ) của trandito có dạng đờng thẳng OM

nh hình 7 và suy ra hệ số khuếch đại dòng điện β của

trandito, có trị số bằng độ dốc tgα của đờng OM

β = ∆ = α

∆

I

IC B tg (8)

2 Trình tự đo :

a Lựa chọn các thông số cho mạch điện :

 Von kế đặt ở thang đo 10V

 Ampe kế A1 chọn thang 50 àA

 Ampe kế A2 chọn thang 1 mA

 Điện trở tải Colectơ Rc = 820 ς, Điện trở mạch Badơ chọn Rb = 50 – 100 kς

b Mắc mạch điện trên mặt máy MC-95.7 theo sơ đồ

hình 8

Các nguồn điện Ut và U2 ban đầu đặt ở vị trí 0, công tắc

K ở vị trí ngắt mạch, chuyển mạch pnp/npn, D vẫn“ “

để ở vị trí npn, D “ ”

c Sau khi thiết lập xong, Mời thầy giáo kiểm tra mạch

điện.

d Tiến hành đo : Bấm công tắc K đa điện vào máy :

đèn LED phát sáng

 Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U1 để để thiết lập

dòng badơ ( chỉ trên ampe kế A1 ) IB = 5àA

 Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U2 để vôn kế V chỉ

hiệu điện thế UCE (giữa colectơ và êmitơ) tăng dần

từng 0,2V, từ 0 đến 1V Đọc và ghi giá trị hiệu thế

UCE và dòng Ic tơng ứng ( chỉ bởi A2) vào bảng 2

Khi dòng Ic tăng vợt quá 1mA thì phải chuyển

thang đo của ampe kế A2 sang vị trí 10mA

 Tiếp tục tăng UCE từng von một, từ 1 – 10V, đọc

và ghi các giá trị IC tơng ứng vào bảng 2

Chú ý rằng khi tăng Ic , dòng Ib sẽ bị giảm, vậy cần thờng xuyên quan sát đồng hồ A1, điều chỉnh kịp thời giữ cho Ib không đổi

e Vặn núm xoay của nguồn U2 trả về vị trí 0

f Tiếp tục thực hiện lại từ động tác ( B-2-d)

với các giá trị không đổi của dòng badơ IB =

10àA,15àA, 20àA Đọc và ghi các cặp giá trị tơng ứng của UCE và IC ứng với Ib = 10àA,

15àA, 20àA vào bảng 2

g Cuối cùng, vặn trả núm điều chỉnh các nguồn

U1 và U2 về vị trí 0 Bấm công tắc K để ngắt

điện Rút phích lấy điện ra khỏi ổ điện ~ 220V Tháo các dây nối mạch điện và thu xếp gọn gàng các dụng cụ thí nghiệm

Đừng quên đọc và ghi vào bảng 1 và 2 :

Giá trị thang đo và cấp chính xác δA1 , δA2 ,

δV của ampe kế A1 , A2 , và Von kế V

III- Câu hỏi kiểm tra

1 Phân biệt tính dẫn điện của bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại n và loại p Vì sao

điện trở của bán dẫn lại phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ ? Sự phụ thuộc nhiệt độ của

điện trở của bán dẫn và của kim loại khác nhau thế nào ?

2 Giải thích sự xuất hiện hiệu thế tiếp xúc

Utx khi ghép hai bán dẫn P,N với nhau ? giải thích đặc tính chỉnh lu của tiếp xúc PN

3 Cờng độ dòng điện I chạy qua điốt phụ

thuộc vào hiệu điện thế U giữa hai điện cực của nó theo quy luật nào, có thể áp dụng định luật Ôm cho diode đợc không ? Vẽ đờng đặc trng von - ampe của Diode và sơ đồ mạch điện để xác định đ-ờng đặc trng von - ampe này

4 Mô tả cấu tạo và ký hiệu của transistor loại npn và loại pnp Giải thích cơ chế hoạt động và đặc tính khuếch đại dòng

điện của transistor

5 Theo anh chị thì dòng ICBO có ảnh hởng tốt, xấu thế nào đến hoạt động của transistor ? Vùng hoạt động của transistor trong phạm vi thí nghiệm anh chị đã làm

là tuyến tính hay phi tuyến, vì sao ?

6 Anh chị có nhận xét gì về cách bố trí các

đồng hồ đo thế và dòng trong các sơ đồ mạch điện hình 6a và 6b ? vì sao phải bố trí khác nhau nh vậy ?

NPN

B

+12V

820

P Rc A2

V 100k

E C

+

7 Nếu transistor cần khảo sát là loại PNP thì sơ

đồ mạch điện nh trên hình 8 cần phải bố trí thay

đổi nh thế nào?

Báo cáo thí nghiệm

Khảo sát đặc tính của diode và transistor

Xác nhận của thầy giáo Trờng

Lớp Tổ

Họ tên :

I Mục đích thí nghiệm

II Kết quả thí nghiệm

A Khảo sát đờng đặc trng von - ampe I = f(U) của Diode :

Bảng 1

Um = ( V ) ; δV = (%)

Thang đo It = (mA ) ; δA1 = (%)

In = (àA ) ; δA2 = (%)

Chiều

thuận

U

(V)

I

(mA)

Chiều

nghịch

U

(V)

I

(mA)

B Khảo sát đờng đặc trng IC = f ( IB ) của Transistor :

Bảng 2

Um = ( V ) ; δV= %

Thang đo I1 = ( àA ) ; δA1 = %

I2 = (mA ) ; δA2 = %

Ib=

5àA

Uce

(V)

Ic

(mA)

Ib=

10àA

Uce

(V)

Ic

(mA)

Ib=

15àA

Uce

(V)

Ic

(mA)

Ib=

20àA

Uce

(V)

Ic

(mA)

3 Vẽ đồ thị đặc trng Von – Ampe của Diode I = f ( U )