Đặc tính của Diode và Transistor

Thí nghiệm vật lý: Khảo sát đặc tính của diode và Transistor

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 lưu 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 lượng 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, tương đương với một hạt điện dương mang điện

tích +e Lỗ trống này như 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 được gọi là các lỗ trống

tự do Như 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 như 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 dương

tạp chất ở nhiệt độ phòng, năng lượng 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 được

gọi là bán dẫn loại N, có ne >> np Cũng tương tự như 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, được 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 lưu 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 tượng 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)

Tương tự như 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 trường tiếp xúc (Etx) hướng từ N sang P

Điện trường 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 ngược 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 trường tiếp xúc Etx xác định, tương 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 ) (exp( ưưưư

====

kT

eU I

Nếu chúng ta đặt 1 điện trường 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 trường

ngoài sẽ ngược hướng Etx Nếu E đủ lớn, nó sẽ triệt tiêu

điện trường 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 trường hợp này ta nói

rằng tiếp xúc p-n được phân cực thuận

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

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

E sẽ cùng chiều Etx, Điện trường 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 cường độ dòng các hạt này

nhanh chóng tăng lên đến mức bão hoà,người ta thường

gọi là dòng điện ngược 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 trường hợp này ta

nói tiếp xúc p-n được phân cực ngược

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 : cường độ của dòng điện ngược 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 đường đặc trưng 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 lưu hay tính chất van

d Diode

Tiếp xúc PN và đặc tính chỉnh lưu của nó được ứng dụng để tạo ra một dụng cụ bán dẫn gọi là Diode (Đi-ốt), là dụng cụ không thể thiếu được 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 được 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 lưu của Diode bằng cách vẽ đường đặc

trưng Von-Ampe I = f(U) của nó

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

Transistor là dụng cụ bán dẫn được 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 :

(1)

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 )

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một transistor loại

NPN được 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 Như

vậy bên trong mỗi transistor có hai lớp tiếp xúc PN nằm

giữa B-E và C-E

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

phân cực thuận, còn lớp tiếp xúc C-B được phân cực

ngược (hình 3c) Nhờ nguồn U 1 ,tiếp xúc B-E được 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 được cực B

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

đến tiếp giáp C-B và được điện trường gây bởi nguồn U 2

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

bằng dòng I E (*) ở đây cần lưu ý là tại mỗi tiếp xúc,

các hiện tượng động học của các hạt dẫn cơ bản cũng

như không cơ bản xảy ra giống như 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 :

I E = I EP + I En và I C = I CP + I Cn (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 được tính đến khi coi như 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: I C = ααααIE + I CB0 ( 4 )

Khi đó dòng emitơ I E sẽ là:

I E = I B + I C với I B << I C ( 5 ) Thay (5) vào (4) được:

IC = α(IB + IC) + ICB0 ( 6 ) Rút ra : I C = ( αααα/1-αααα )IB + (1/1-αααα)ICB0

Suy ra: ∆∆∆∆IC /∆∆∆∆I B = αααα /( 1- αααα) = ββββ ( 7 ) Theo (3): α≈ 1, do đó ββββ>>1 Như thế có nghĩa là

chỉ cần IB thay đổi 1 lượng rất nhỏ cũng làm IC thay đổi một lượng rất lớn, do đó ββββ đươc gọi là hệ

số khuếch đại dòng

Người ta lợi dụng tính chất này của transistor để

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

đường đặc trưng 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

Ic(bh)

Ib(bh)

Ic(mA)

Ib (àA)

0

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

transistor rất nhỏ và Transistor được sử dụng như một

công tắc (đóng ngắt điện )

Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đặc tính

khuyếch đại cuả transistor bằng cách vẽ các đường đặc

trưng I c = f( I B ), từ đó xác định vùng hoạt động tuyến

tính và xác định được hệ số khuếch đại dòng điện ββββ của

transistor

II - Trình tự thí nghiệm

A Vẽ đặc trưng von-ampe của diode

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 được 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 trưng 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 trưng Von-Ampe của Diode phân cực thuận

Hình 6b : Sơ đồ mạch điện đo đặc trưng Von-Ampe của Diode phân cực nghịch

c Sau khi thiết lập xong,Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện , để được phép cắm phích

điện nguồn của MC-957 vào ổ 220V

d Tiến hành đo : Bấm công tắc K đưa 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 tương ứng của

cường 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 trưng V-A của điốt phân cực ngược

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

Q

Q

A1 +

V +

Rc

820ς

+12V

U2

+12V

U2

A2 +

V +

Rc

820ς

Q

E

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 đưa 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 tương ứng của cường độ

dòng điện ngược chỉ trên ampe kế A1 vào bảng 1

e Vặn núm xoay của nguồn U 2 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 đường đặc trưng IC = f ( I B ) của

transistor :

1 Nguyên tắc chung :

Để có thể vẽ đường đặc trưng IC = f ( I B ) với cùng một

giá trị của UCE cần tiến hành theo trình tự sau (hình 7)

- Vẽ họ đường cong IC = f (UCE ) biểu diễn sự phụ

thuộc của dòng colectơ IC vào hiệu thế UCE 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 đường thẳng song song

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

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

đường đặc trưng IC = f ( I B ) của trandito có dạng đường

thẳng OM như hình 7 và suy ra hệ số khuếch đại dòng

điện β của trandito, có trị số bằng độ dốc tgα của đường

OM

∆

I I C

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 đưa 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

NPN

B

+12V

820ς

P Rc A2

V 100k

Rb M

E C

A1

N

-

+

-

Ic ( mA)

Uce (V) 3V

0

Ib(àA) α

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

Đọc và ghi giá trị hiệu thế UCE và dòng Ic tương

ứng ( chỉ bởi A2) vào bảng 2 Khi dòng Ic tăng vượt

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 tương ứng vào bảng 2

Chú ý rằng khi tăng Ic , dòng Ib sẽ bị

giảm, vậy cần thường xuyên quan sát đồng hồ

A1, điều chỉnh kịp thời giữ cho Ib không đổi

e. Vặn núm xoay của nguồn U 2 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 tương 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 lưu của tiếp xúc PN

3 Cường 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 được không ? Vẽ đường đặc trưng

von - ampe của Diode và sơ đồ mạch điện để

xác định đường đặc trưng 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 hưởng 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 như vậy ?

7 Nếu transistor cần khảo sát là loại PNP thì sơ đồ mạch điện như trên hình 8 cần phải bố trí thay đổi như thế nào?

Báo cáo thí nghiệm

Khảo sát đặc tính của diode và transistor

Xác nhận của thầy giáo Trường

Lớp Tổ

Họ tên :

I Mục đích thí nghiệm

II Kết quả thí nghiệm

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

Bảng 1

Um = ( V ) ; δ V = (%)

Thang đo It = (mA ) ; δ A1 = (%)

In = ( à A ) ; δ A2 = (%)

U

(V)

Chiều

thuận I

(mA)

U

(V)

Chiều

nghịch I

(mA)

B Khảo sát đường đặc trưng IC = f ( IB ) của Transistor :

Bảng 2

Um = ( V ) ; δ V= %

Thang đo I1 = ( à A ) ; δ A1 = %

I2 = (mA ) ; δ A2 = %

Uce

(V)

Ib=

5àA Ic

(mA)

Uce

(V)

Ib=

10àA Ic

(mA)

Uce

(V)

Ib=

15àA Ic

(mA)

Uce

(V)

Ib=

20àA Ic

(mA)

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