Báo cáo thực hành vật lý chất rắn bài số 4 khảo sát đường đặc trưng vôn ampe của điốt bán dẫn

BO CO THC HNH BI KHO ST NG C TRNG VễN-AMPE CA IT BN DN Nhúm - Chuyờn ngnh: Lý lun v Phng phỏp ging dy Vt lớ Lờ Vn Thun Nguyn Th Thỳy Tỡnh Trn Th Tuyt Thongphanh Xiayalee Lp: Cao hc Vt lớ K22 Ngy thc hnh: 27/5/2013 I Túm tt ni dung Lp chuyn tip p-n *in trng ngoi bng khụng Khi cho hai cht bỏn dn loi p v n tip xỳc vi nhau, cú s chờnh lch nng ht ti m cú s khuch tỏn qua li sang ca cỏc in t v l trng gia hai cht bỏn dn , to mt in trng chng li s khuch tỏn ca cỏc ht in, tc l to mt dũng in trụi ngc chiu vi dũng in khuch tỏn cho dũng in trung bỡnh tng hp trit tiờu Lỳc ú, ta cú trng thỏi cõn bng nhit * in trng ngoi khỏc khụng Trng hp 1: Phõn cc ngc in trng ngoi c a vo cựng chiu in trng ca lp chuyn tip, lm tng hiu in th ca lp chuyn tip, cn trc huyn ng ca cỏc ht mang in c bn v tng cng chuyn ng ca ht mang in thiu s To nờn dũng in ngc rt nh ( vi chc àA) = Trng hp 2: Phõn cc thun ( 1) in trng ngoi t vo ngc chiu vi in trng trong, lm tng chuyn ng ca cỏc ht mang in a s v ngn cn chuyn ng ca cỏc ht mng in thiu s = ( 1) : dũng bóo hũa; V: in th ngoi t vo 2.c trng von ampe ca diode L mt ng cong biu th mi quan h gia cng dũng in v hiu in th t vo diode II Kt qu a iu kin thc hin phộp o - o dũng thun : Ampe k c t thang o 200 mA, vụn k c t thang 20V - Xõy dng ng c trng I-V ca it cỏc nhit khỏc b Kt qu thu c qua phộp o * nhit t= 32 U(mV) 248.9 268.2 287.2 324.1 341.8 359.7 374.1 375.6 I(mA) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 U(mV) 388.3 437.9 451.0 477.1 493.6 513.9 541.1 544.9 I(mA) 0.06 0.20 0.28 0.51 0.74 1.15 2.04 2.22 U(mV) 559.1 561.6 567.9 582.6 599.0 615.0 638.0 672.0 I(mA) 2.99 3.15 3.59 4.92 6.93 9.61 15.49 31.87 * nhit t= 55 U(mV) 229.1 247.9 250.1 284.1 330.8 343.6 365.0 394.7 415.6 424.9 430.5 I(mA) 0.01 0.01 0.02 0.06 0.09 0.15 0.30 0.49 0.58 0.64 U(mV) 462.4 473.7 483.9 492.1 501.6 507.6 517.5 524.3 563.2 571.0 581.0 I(mA) 1.25 1.57 1.91 2.25 2.69 3.03 3.67 4.18 5.56 11.26 331.1 * nhit t= 68 U(mV) 152.1 211.2 280.5 332.9 364.7 387.7 408.2 421.5 428.4 I(mA) 0.01 0.04 0.14 0.28 0.47 0.73 0.95 1.09 U(mV) 451.4 469.8 488.6 517.4 526.4 541.0 562.8 595.5 758.0 I(mA) 2.46 3.49 5.99 7.08 9.30 13.95 25.72 334.0 1.75 * nhit t= 82 U(mV) 152.4 241.9 305.5 335.0 352.4 367.0 380.1 393.0 400.3 I(mA) 0.05 0.19 0.35 0.50 0.67 0.86 1.10 1.26 U(mV) 435.2 448.1 467.1 480.5 493.9 507.3 531.8 578.7 738.0 I(mA) 3.01 4.21 5.31 6.73 8.48 13.05 30.11 337.6 2.40 * V ng c trng Vụn Ampe ca iụt: T=32 c 35 T=32 c 35 30 25 Model ExpDec1 30 Equation y = A1*exp(-x/t 1) + y0 25 Reduced ChiSqr 6.93855E-4 Adj R-Square 15 15 10 10 5 0 -5 100 200 300 400 500 600 Standard Error I y0 -0.01851 0.00577 I I A1 t1 2.46304E-5 -47.7524 4.14674E-7 0.05795 -5 100 700 0.99998 Value 20 I (mA) I (mA) 20 200 300 400 U (mv) 500 600 700 U (mv) Giỏ tr Io= 2,46.10-5mA , nhit t=320C 350 350 T=550c 300 T=55 c 300 250 250 Model ExpDec1 Equation y = A1*exp(-x/t1 ) + y0 Reduced Chi-S qr 200 I (mA) I (mA) 200 150 150 100 100 50 50 0 -50 200 250 300 350 400 450 500 550 U (mv) Giỏ tr Io= 2,46.10-25mA , nhit t=550C 600 -50 200 428.80312 Adj R-Square 0.88942 Value Standard Error I y0 -2.32636 4.14724 I A1 2.49076E-25 2.53464E-24 I t1 -9.31918 1.52411 250 300 350 400 450 U (mv) 500 550 600 I 350 300 350 T=680c 300 250 250 200 150 100 Model ExpDec1 Equation y = A1*exp(-x/t1 ) + y0 Reduced Chi-S qr 200 I (mA) I (mA) T=680c 0.20501 Adj R-Square I I I 150 0.99994 Value Standard Error -0.59961 0.12538 0.00177 1.25851E-4 -62.39034 0.36401 y0 A1 t1 100 50 50 0 -50 100 200 300 400 500 600 700 -50 800 100 200 300 400 U (mv) 500 600 700 U (mv) Giỏ tr Io= 0,00177mA , nhit t=680C T=820c 350 T=820c 350 300 Model ExpDec1 300 Equation y = A1*exp(-x/t 1) + y0 0.20387 250 Reduced ChiSqr Adj R-Square 200 I y0 I I A1 t1 250 I (mA) I (mA) 200 150 100 0.99994 Value Standard Error -0.69616 0.12686 0.00388 -64.87004 2.17317E-4 0.31858 150 100 50 50 -50 100 200 300 400 500 600 U (mv) Giỏ tr Io= 0,00388mA , nhit t=820C 700 800 -50 100 200 300 400 500 U (mv) 600 700 800 800 th s ph thuc ca Io vo t 90 80 70 t0c 60 50 40 30 2,46.10-5 2,46.10-25 0,00177 0,00388 mA c Nhng bin c khỏch quan v ch quan xy quỏ trỡnh o lm nh hng n phộp o - Khỏch quan: Do dng c thớ nghim - Ch quan: + Do iu chnh dng c o + c kt qu o III Tho lun kt qu a Gii thớch ni dung kt qu - cỏc nhit 32 dũng thun tng in ỏp U tng nhit 55 dũng thun tng nhanh hn nhit 68 , 82, nhit cao hn, dũng thun tng vt nhanh hn vi cựng cng tng U - T ng c trng I-V, s dng phn mm origin xỏc inh Io cỏc nhit khỏc t úv ng cong s ph thuc ca I0 vo nhit Hm fit ExpDec1 khỏ phự hp vi ng c trng I- V ca diot - Ta ch o c dũng thun, cũn dũng ngc rt nh nờn thc t khụng o c dũng ngc b So sỏnh kt qu thc nghim vi lý thuyt - i vi dũng thun, kt qu lớ thuyt v thc nghim hon ton phự hp: U tng thỡ dũng thun tng, nhit cng cao thỡ s tng ca I theo U cng ln T th hm fit cho thy ng c trng I- V ca diot o thc nghim cú dng hm: y = A1*exp(-x/t1) + y0 phự hp vi dng hm ca ng c trng I- V ca diot lớ thuyt: = ( 1) - Trong thc nghim ta khụng o c dũng ngc v in ỏp ỏnh thng Vỡ dũng ngc l rt nh, nờn dng c thớ nghim khụng o c IV Tr li cõu hi Cõu - Bỏn dn tinh khit (bỏn dn thun) : Trong bỏn dn tinh khit, nng l trng bng nng in t, v mng tinh th ch cú mt loi nguyờn t Hai cht bỏn dn tinh khit in hỡnh l Si v Ge cú cu trỳc vựng nng lng nh hỡnh v.Vi Eg = 1,12eV v Eg = 0,72 eV, thuc nhúm IV bng h thng tun hon Mụ hỡnh cu trỳc mng tinh th (1chiu) ca chỳng cú dng nh hỡnh v vi bn cht l liờn kt ghộp ụi in t húa tr vnh ngoi O0K chỳng l nhng cht cỏch in Khi c mt ngn nng lng ngoi kớch thớch, xy hin tng ion húa cỏc nguyờn t nỳ tmng v sinh tng cp ht dn t : in t bt liờn kt ghộp ụi thnh ht t v li mt lien kt b khuyt( ltrng) Cỏc cp ht dn t ny, di tỏc dng ca trng ngoi hay mt graien nng cú kh nng dch chuyn cú hng mng tinh th to nờn dũng in cht bỏn dn tinh khit - Chất bán dẫn loại n: L trng l ht ti in c bn,e l ht ti in khụng c bn Người ta tiến hành pha nguyên tố có điện tử hóa trị (ví dụ asen (As), photpho (P)) vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuộc nguyên tố nhóm (Si, Ge), kết thu chất bán dẫn loại có khả dẫn điện chủ yếu điện tử (hạt đa số) gọi chất bán dẫn loại n Tuy nhiên, tồn chế chả chất bán dẫn (trước pha tạp chất) để hình thành cặp hạt dẫn tự do, nên lỗ trống tham gia dẫn điện gọi tên hạt thiểu số Mô hình cấu trúc mang tinh thể chất bán dẫn tạp loại n cho hình 1.8b Mức lượng tạp chất loại n nằm vùng cấm sát đáy vùng dẫn đồ thị lượng chất bán dẫn làm Điều tạo khả nguyên tử tạp chất dễ dàng bị ion hóa giải phóng điện tử tự (nhảy từ mức lượng tạp chất lên vùng dẫn) làm xuất ion dương tạp chất (là loại hạt có khối lượng lớn không di chuyển không tham gia vào dòng điện) Vậy dòng điện chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện tử (là loại hạt đa số) lỗ trống (là loại hạt thiểu số) đóng góp, việc hình thành hạt đa số thực dễ dàng điều kiện bình thường với lượng kích thích nhỏ - Chất bán dẫn tạp chất loại p: Electron l ht ti in c bn, l trng l ht ti in c bn Nếu thực pha nguyên tố thuộc nhóm có điện tử hóa trị (ví dụ Al, Ga, B) vào mạng tinh thể Si xuất liên kết ghép đôi bị khuyết (lỗ trống) cần kích thích lượng đủ nhỏ, nguyên tử tạp chất bị ion hóa tạo ion âm (nhận điện tử) lỗ trống tự Mô hình mạng tinh thể chất bán dẫn tạp loại p cho hình vẽ Mức lượng tạp chất loại p nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo hội nhảy mức ạt cho điện tử hóa trị hình thành cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng điện) lỗ trống (là hạt dẫn đa số); điện tử chế hạt thiểu số Câu Bằng biện pháp công nghệ đặc biệt (plana khuếch tán - Epitaxi) người ta tạo vùng chuyển tiếp (tiếp giáp) tính dẫn điện tử loại p sang loại n gọi tiếp xúc công nghệ p-n Đây dạng tiếp xúc phi tuyến tính có tính chất dẫn điện không đối xứng theo hai chiều điện áp đặt vào: chưa có tác động trường (hình vẽ) hệ thống tiếp xúc pn trạng thái cân dòng điện qua Các ion dương (bên n) ion âm (bên p) tạo nên điện trường cục E tx hướng từ n sang p, làm cân dòng điện khuếch tán (của hạt dẫn đa số) chênh lệch nồng độ dòng điện gia tốc (của hạt dẫn thiểu số) điện trường nội E tx Câu Trong vùng (1) (2) phương trình mô tả đường cong có dạng: U I I0 exp m.U T D n n p D p p n Ln Lp Trong I0 q.s s diện tích tiếp xúc q - điện tích điện tử Ln; Lp - độ dài khuếch tán điện tử lỗ trống U - điện áp phân cực pn - nồng độ lỗ trống bán dẫn loại n np - nồng độ điện tử bán dẫn loại p - Đặc tính có ba vùng rõ rệt Khi tiếp xúc p - n phân cực thuận, qua lớp tiếp xúc p - n có dòng điện thuận Đó dòng hạt chiếm đa số khuếch tán qua lớp tiếp xúc p - n Vùng (1) điốt phân cực thuận với đặc trưng dòng lớn, điện áp nhỏ, điện trở nhỏ Trong vùng mở (1) đặc tính có hai vùng (a) dòng thuận nhỏ tăng yếu (b) dòng thuận đủ lớn tăng mạnh Điểm điện áp giới hạn hai vùng gọi ngưỡng điện áp mở điốt (Umở) Với điốt có nguồn gốc từ vật liêu Si Umở 0,7V, từ gemanium Umở = 0,3V Vùng (2) điốt phân cực ngược (khóa) với đặc trưng dòng điện nhỏ, có giá trị Iròrất nhỏ (khoảng choc A tới hàng chục mA) gần không đổi, điện áp lớn (hàng choc tới hàng trăm V), điện trở lớn (hàng choc nghìn ) Vùng (3) dòng điện tăng mạnh, điện trở nhỏ, điện áp gần không đổi, gọi vùng bị đánh thủng - Trong vùng đặc tính có phương trình U I I0 exp m.U T Với Iròlà dòng điện ngược bão hòa, m hệsố (từ tới 2); U T kT điện áp nhiệt với k q số Botzman, q điện tích điệntử, T nhiệt độ tuyệt đối Câu * sơ đồ hình 3.5: - Cc dng ca ngun ni vi bỏn dn p, cc õm ni vi bỏn dn n to in trng ngoi ngc chiu in trng trong, sinh dũng thun -Ta cần mắc thêm điện trở R điôt phân cực thuận ta có điện trở điôt nhỏ đo R dòng điện qua điôt lớn kết đo không xác - Ampe k c mc ngoi vỡ dũng thun l khỏ ln nờn in tr ca ampe k, vụn k nh hng khụng ỏng k * sơ đồ 3.6: -Cc õm ca ngun ni vi bỏn dn p, cc dng ni vi bỏn dn n to in trng ngoi cựng chiu in trng trong, sinh dũng ngc - Khi khảo sát dòng ngược, lúc điện trở ngược ôt lớn nên ta không cần mắc R để hạn chế dòng qua điôt - Ampe k c mc vỡ dũng ngc l rt nh nờn in tr ca vụn k ú nh hng khụng ỏng k Câu Trong vùng mở (1) khiT0 = T1 - T2 = 10C U = U1 - U2 = -2mV nghĩa điện áp thuận rơ I điốt giảm 2mV nhiệt độ tác động lên điốt tăng lên 10C Trong vùng (2) T0 = T1 - T2 = 100C Irò = Irò nghĩa dòng điện ngược chiều qua điốt tăng gấp nhiệt độ mô I trường tác động lên điốt tăng lên 100C Câu Các chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p - n Hiệu ứng đánh thủng vùng (3) nguyên nhân: - Vì nhiệt độ, tích lũy nhiệt gây nóng làm hỏng điốt, cần tránh sử dụng - Vì điện, ion hóa va chạm hạt dẫn thiểu số với nguyên tử nút mạng tinh thể chất bán dẫn làm (Si); tượng có tính chất thác lũ gây đánh thủng tạm thời, cho điện trường ngược chiều 0V tính chất van (dẫn điện không đối xứng) điốt hồi phục bình thường Thường gặp hiệu ứng nhiệt dương với điện áp UZ = Uđánhthủngnghĩa U Z T [...]... nhiệt gây quá nóng làm hỏng điốt, cần tránh khi sử dụng - Vì điện, do ion hóa vì va chạm của hạt dẫn thiểu số với nguyên tử nút mạng tinh thể chất bán dẫn làm nền (Si); hiện tượng có tính chất thác lũ và gây đánh thủng tạm thời, khi cho điện trường ngược chiều về 0V thì tính chất van (dẫn điện không đối xứng) của điốt được hồi phục bình thường Thường gặp hiệu ứng nhiệt dương với điện áp UZ = Uđánhthủngnghĩa... kết quả đo sẽ không chính xác - Ampe k c mc ngoi vỡ dũng thun l khỏ ln nờn in tr ca ampe k, vụn k nh hng khụng ỏng k * ở sơ đồ 3.6: -Cc õm ca ngun ni vi bỏn dn p, cc dng ni vi bỏn dn n to ra in trng ngoi cựng chiu in trng trong, sinh ra dũng ngc - Khi khảo sát dòng ngược, lúc này điện trở ngược của đi ôt sẽ rất lớn nên ta không cần mắc R để hạn chế dòng qua điôt - Ampe k c mc trong vỡ dũng ngc l... trên điốt sẽ giảm đi 2mV khi nhiệt độ tác động lên điốt tăng lên 10C Trong vùng (2) khi T0 = T1 - T2 = 100C thì Irò = Irò nghĩa là dòng điện ngược chiều qua điốt sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ mô I trường tác động lên điốt tăng lên 100C Câu 6 Các cơ chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p - n Hiệu ứng đánh thủng trong vùng (3) do các nguyên nhân: - Vì nhiệt độ, do tích lũy nhiệt gây quá nóng làm hỏng điốt, ... Với Iròlà dòng điện ngược bão hòa, m là h số (từ 1 tới 2); U T kT là điện áp nhiệt với k q là hằng số Botzman, q điện tích của điệntử, T nhiệt độ tuyệt đối Câu 4 * ở sơ đồ hình 3.5: - Cc dng ca ngun ni vi bỏn dn p, cc õm ni vi bỏn dn n to ra in trng ngoi ngc chiu in trng trong, sinh ra dũng thun -Ta cần mắc thêm điện trở R do điôt phân cực thuận ta có điện trở của điôt nhỏ do đo nếu không có R thì dòng ... 3.59 4. 92 6.93 9.61 15 .49 31.87 * nhit t= 55 U(mV) 229.1 247 .9 250.1 2 84. 1 330.8 343 .6 365.0 3 94. 7 41 5.6 42 4.9 43 0.5 I(mA) 0.01 0.01 0.02 0.06 0.09 0.15 0.30 0 .49 0.58 0. 64 U(mV) 46 2 .4 473.7 48 3.9... 0.01 0. 04 0. 14 0.28 0 .47 0.73 0.95 1.09 U(mV) 45 1 .4 469.8 48 8.6 517 .4 526 .4 541 .0 562.8 595.5 758.0 I(mA) 2 .46 3 .49 5.99 7.08 9.30 13.95 25.72 3 34. 0 1.75 * nhit t= 82 U(mV) 152 .4 241 .9 305.5... 32 U(mV) 248 .9 268.2 287.2 3 24. 1 341 .8 359.7 3 74. 1 375.6 I(mA) 0 0.01 0.02 0.03 0. 04 0.05 U(mV) 388.3 43 7.9 45 1.0 47 7.1 49 3.6 513.9 541 .1 544 .9 I(mA) 0.06 0.20 0.28 0.51 0. 74 1.15 2. 04 2.22 U(mV)