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

Tóm tắt nội dung 1 Lớp chuyển tiếp p-n *Điện trường ngoài bằng không Khi cho hai chất bán dẫn loại p và n tiếp xúc với nhau, do có sự chênh lệch nồng độ hạt tải mà có sự khuếch tán qu

BÁO CÁO THỰC HÀNH BÀI 4 KHẢO SÁT ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG VÔN-AMPE CỦA ĐIỐT BÁN DẪN

Nhóm 5 - Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp giảng dạy Vật lí

1 Lê Văn Thuận

2 Nguyễn Thị Thúy Tình

3 Trần Thị Tuyết

4 Thongphanh Xiayalee

Lớp: Cao học Vật lí K22

Ngày thực hành: 27/5/2013

I Tóm tắt nội dung

1 Lớp chuyển tiếp p-n

*Điện trường ngoài bằng không

Khi cho hai chất bán dẫn loại p và n tiếp xúc với nhau, do có sự chênh lệch nồng

độ hạt tải mà có sự khuếch tán qua lại sang nhau của các điện tử và lỗ trống giữa hai chất bán dẫn , tạo ra một điện trường chống lại sự khuếch tán của các hạt điện, tức là tạo ra một dòng điện trôi ngược chiều với dòng điện khuếch tán sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu Lúc đó, ta có trạng thái cân bằng nhiệt

* Điện trường ngoài khác không

Trường hợp 1: Phân cực ngược

Điện trường ngoài được đưa vào cùng chiều điện trường trong của lớp chuyển tiếp, làm tăng hiệu điện thế của lớp chuyển tiếp, cản trởc huyển động của các hạt mang điện cơ bản và tăng cường chuyển động của hạt mang điện thiểu số Tạo nên dòng điện ngược rất nhỏ ( vài chục µA)

Trường hợp 2: Phân cực thuận

Điện trường ngoài đặt vào ngược chiều với điện trường trong, làm tăng chuyển động của các hạt mang điện đa số và ngăn cản chuyển động của các hạt mạng điện thiểu số

2.Đặc trưng von – ampe của diode

Là một đường cong biểu thị mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và hiệu điến thế đặt vào diode

II Kết quả

a Điều kiện thực hiện phép đo

- Đo dòng thuận : Ampe kế được đặt ở thang đo 200 mA, vôn kế được đặt ở thang 20V

- Xây dựng đường đặc trưng I-V của điốt ở các nhiệt độ khác nhau

b Kết quả thu được qua phép đo

* Ở nhiệt độ t= 32℃

* Ở nhiệt độ 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

U(mV) 462.4 473.7 483.9 492.1 501.6 507.6 517.5 524.3 563.2 571.0 581.0

* Ở nhiệt độ t= 68℃

* Ở nhiệt độ t= 82℃

* Vẽ đường đặc trưng Vôn – Ampe của điôt:

-5

0

5

10

15

20

25

30

U (mv)

-5 0 5 10 15 20 25 30

U (mv)

Model ExpDec1 Equation y = A1*exp(-x/t 1) + y0 Reduced Chi-Sqr

6.93855E-4

Adj R-Square 0.99998

Value Standard Error

I y0 -0.01851 0.00577

I A1 2.46304E-5 4.14674E-7

I t1 -47.7524 0.05795

Giá trị I o = 2,46.10-5mA , nhiệt độ t=320C

200 250 300 350 400 450 500 550 600

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

T=550c

U (mv)

200 250 300 350 400 450 500 550 600 -50

0 50 100 150 200 250 300 350

T=550c

U (mv)

) + y0 Reduced Chi-S qr 428.80312

Giá trị I o = 2,46.10-25mA , nhiệt độ t=550C

100 200 300 400 500 600 700 800

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

T=680c

U (mv)

100 200 300 400 500 600 700 800 -50

0 50 100 150 200 250 300 350

T=68 0

c

U (mv)

) + y0 Reduced Chi-S qr 0.20501

Giá trị I o = 0,00177mA , nhiệt độ t=680C

100 200 300 400 500 600 700 800

-50

0

50

100

150

200

250

300

350 T=82 0 c

U (mv)

-50 0 50 100 150 200 250 300

c

U (mv)

Model ExpDec1 Equation y = A1*exp(-x/t 1) + y0 Reduced Chi-Sqr

0.20387 Adj R-Square 0.99994

Value Standard Error

I y0 -0.69616 0.12686

I A1 0.00388 2.17317E-4

I t1 -64.87004 0.31858

Giá trị I o = 0,00388mA , nhiệt độ t=820C

Đồ thị sự phụ thuộc của I o vào t

30

40

50

60

70

80

90

0 c

mA

c Những biến cố khách quan và chủ quan xảy ra trong quá trình đo làm ảnh hưởng đến phép đo

- Khách quan: Do dụng cụ thí nghiệm

- Chủ quan:

+ Do điều chỉnh dụng cụ đo + Đọc kết quả đo

III Thảo luận kết quả

a Giải thích nội dung kết quả

- Ở các nhiệt độ 32℃ dòng thuận tăng khi điện áp U tăng

Ở nhiệt độ 55℃ dòng thuận tăng nhanh hơn

Ở nhiệt độ 68℃ , 82℃, nhiệt độ cao hơn, dòng thuận tăng vọt nhanh hơn với cùng cường

độ tăng U

nhau từ đóvẽ đường cong sự phụ thuộc của I0 vào nhiệt độ Hàm fit ExpDec1 khá phù hợp với đường đặc trưng I- V của diot

- Ta chỉ đo được dòng thuận, còn dòng ngược do rất nhỏ nên thực tế không đo được dòng ngược

b So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết

- Đối với dòng thuận, kết quả lí thuyết và thực nghiệm hoàn toàn phù hợp: khi U tăng thì dòng thuận tăng, nhiệt độ càng cao thì sự tăng của I theo U càng lớn

Từ đồ thị hàm fit cho thấy đường đặc trưng I- V của diot đo thực nghiệm có dạng hàm:

y = A1*exp(-x/t1) + y0

phù hợp với dạng hàm của đường đặc trưng I- V của diot trong lí thuyết:

- Trong thực nghiệm ta không đo được dòng ngược và điện áp đánh thủng Vì dòng ngược là rất nhỏ, nên dụng cụ thí nghiệm không đo được

IV Trả lời câu hỏi

Câu 1

- Bán dẫn tinh khiết (bán dẫn thuần) :

Trong bán dẫn tinh khiết, nồng độ lỗ trống bằng nồng độ điện tử, và trong mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử

Hai chất bán dẫn tinh khiết điển hình là Si và Ge có cấu trúc vùng năng lượng như hình

cấu trúc mạng tinh thể (1chiều) của chúng có dạng như hình vẽ với bản chất là liên kết ghép đôi điện tử hóa trị vành ngoài Ở O0K chúng là những chất cách điện Khi được một ngồn năng lượng ngoài kích thích, xảy ra hiện tượng ion hóa các nguyên tử nú tmạng và sinh ra từng cặp hạt dẫn tự do : điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi thành hạt tự do và để lại một lien kết bị khuyết( lỗtrống) Các cặp hạt dẫn tự do này, dưới tác dụng của 1 trường ngoài hay một građien nồng độ

có khả năng dịch chuyển có hướng trong mạng tinh thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn

tinh khiết

Lỗ trống là hạt tải điện cơ bản,e là hạt tải điện không cơ bản

Người ta tiến hành pha các nguyên tố có 5 điện tử hóa trị (ví dụ asen (As), photpho (P)) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn sạch thuộc nguyên tố nhóm 4 (Si, Ge), kết quả thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử (hạt đa số) gọi là chất bán dẫn loại

n

Tuy nhiên, vẫn tồn tại cơ chế chả chất bán dẫn nền (trước khi pha tạp chất) để hình thành từng cặp hạt dẫn tự do, nên lỗ trống cũng tham gia dẫn điện và gọi tên là hạt thiểu số Mô hình cấu trúc mang tinh thể của chất bán dẫn tạp loại n cho trên hình 1.8b

Mức năng lượng của tạp chất loại n nằm trong vùng cấm và sát đáy vùng dẫn của đồ thị năng lượng của chất bán dẫn làm nền Điều này tạo khả năng các nguyên tử tạp chất dễ dàng bị ion hóa giải phóng ra điện tử tự do (nhảy từ mức năng lượng tạp chất lên vùng dẫn) và làm xuất hiện các ion dương tạp chất (là loại hạt có khối lượng lớn không di chuyển được và do đó không tham gia vào dòng điện)

Vậy dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện tử (là loại hạt đa số) và lỗ trống (là loại hạt thiểu số) đóng góp, việc hình thành các hạt đa số thực hiện dễ dàng trong điều kiện bình thường với năng lượng kích thích nhỏ

Electron là hạt tải điện cơ bản, lỗ trống là hạt tải điện cơ bản Nếu thực hiện pha các nguyên

tố thuộc nhóm có 3 điện tử hóa trị (ví dụ Al, Ga, B) vào mạng tinh thể Si sẽ xuất hiện các liên kết ghép đôi bị khuyết (lỗ trống) chỉ cần kích thích một năng lượng đủ nhỏ, các nguyên tử tạp chất

sẽ bị ion hóa tạo ra các ion âm (nhận điện tử) và các lỗ trống tự do Mô hình mạng tinh thể của chất bán dẫn tạp loại p cho trên hình vẽ

Mức năng lượng tạp chất loại p nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo cơ hội nhảy mức ào ạt cho các

điện tử hóa trị và hình thành một cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng điện) và lỗ trống (là hạt dẫn đa số); điện tử trong cơ chế này là hạt thiểu số

Câu 2

Bằng các biện pháp công nghệ đặc biệt (plana khuếch tán - Epitaxi) người ta tạo ra được 1 vùng chuyển tiếp (tiếp giáp) tính dẫn điện tử loại p sang loại n được gọi là một tiếp xúc công nghệ p-n Đây là một dạng tiếp xúc phi tuyến tính có tính chất dẫn điện không đối xứng theo hai chiều điện áp đặt vào: khi chưa có tác động của trường ngoài (hình vẽ) hệ thống tiếp xúc pn ở

trạng thái cân bằng không có dòng điện qua nó Các ion dương (bên n) và ion âm (bên p) tạo nên một điện trường cục bộ E tx

hướng từ n sang p, làm cân bằng giữa dòng điện khuếch tán (của các hạt dẫn đa số) do chênh lệch nồng độ và dòng điện gia tốc (của các hạt dẫn thiểu số) do điện trường nội bộ E tx

Câu 3

Trong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng:

0

T

U

m.U

s – diện tích tiếp xúc

q - điện tích của điện tử

Ln; Lp - độ dài khuếch tán của điện tử và lỗ trống

U - điện áp phân cực

- 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 là dòng các hạt chiếm đa số khuếch tán qua lớp tiếp xúc p - n

Vùng (1) điốt được 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 còn rất nhỏ và tăng yếu và (b) dòng thuận đủ lớn tăng mạnh Điểm điện áp giới hạn giữa hai vùng này gọi là ngưỡng điện áp mở của

điốt (Umở)

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 như không đổi, điện áp lớn (hàng choc tới hàng trăm V), điện trở lớn (hàng choc nghìn )

Vùng (3) dòng điện được tăng mạnh, điện trở nhỏ, điện áp gần như không đổi, được gọi là vùng bị đánh thủng

- Trong vùng 1 và 2 đặc tính có phương trình

T

U

m.U

q

kT

là hằng số Botzman, q điện tích của điệntử, T nhiệt độ tuyệt đối

Câu 4

* ở sơ đồ hình 3.5:

- Cực dương của nguồn nối với bỏn dẫn p, cực õm nối với bỏn dẫn n để tạo ra điện trường ngoài ngược chiều điện trường trong, sinh ra dũng thuận

-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 điện qua điôt sẽ lớn khi đó kết quả đo sẽ không chính xác

- Ampe kế được mắc ở ngoài vỡ dũng thuận là khỏ lớn nờn điện trở của ampe kế, vụn kế ảnh hưởng khụng đỏng kể

* ở sơ đồ 3.6:

-Cực õm của nguồn nối với bỏn dẫn p, cực dương nối với bỏn dẫn n để tạo ra điện trường ngoài cựng chiều điện trường trong, sinh ra dũng ngược

- 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 kế được mắc ở trong vỡ dũng ngược là rất nhỏ nờn điện trở của vụn kế khi đú ảnh hưởng khụng đỏng kể

Câu 5

Trong vùng (2) khi T0 = T1 - T2 = 100C thì Irò = Irò nghĩa là dòng điện ngược chiều qua

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, 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

T

U

0 Z





