Bài 3. Khảo sát đường đặc trưng vôn-Ampe của diot bán dẫn

BÁO CÁO THỰC HÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN Bài 3. KHẢO SÁT ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG VÔN-AMPE CỦA DIOT BÁN DẪN Nhóm: 2 Những người cùng nhóm: Trịnh Thị Lan Hoa Lớp: TN 58 – Vật lý Nguyễn Chí Hiến Nguyễn Thư Sinh Ngày thực hành: 14 tháng 10 năm 2011 Tóm tắt nội dung: Mô tả vắn tắt các nội dung thí nghiệm: Thay đổi con chạy của biến trở, để thay đổi điện áp đặt vào điốt, đo I chạy qua và hiệu điện thế 2 đầu điốt. Thay đổi nhiệt độ của điốt (đun nóng ), tiến hành làm thí nghiệm tương tự ta vẽ được đồ thị V-A tại các nhiệt độ khác nhau, cho biết được sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điốt. (Tiến hành với 2 cách mắc điốt: để đo dòng thuần và đo dòng ngược.) Kết quả: Mô tả sơ lược về điều kiện thực hiện các phép đo: Dòng điện chạy qua điot có giá trị nhỏ hơn 200 (mA) Điôt được đặt trong một bình nước để điều chỉnh nhiệt độ. Trình bày kết quả thu được qua phép đo (dạng bảng biểu, đồ thị,…) Bài thực hành này ta chỉ vẽ đường đặc trưng V-A khi phân cực thuận, không khảo sát trường hợp phân cực ngược t0C = tp = 290C I(mA) 0,32 1,00 1,60 2,14 2,55 3,04 U(V) 0,36 0,44 0,47 0,50 0,52 0,54 t0C = 500C I(mA) 2,52 3,02 3,18 3,29 3,64 U(V) 0,47 0,48 0,49 0,49 0,50 t0C = 570C I(mA) 1,41 2,51 3,15 3,55 3,83 4,27 U(V) 0,40 0,45 0,47 0,48 0,49 0,50 t0C = 640C I(mA) 1,41 2,89 3,49 4,00 4,50 5,07 U(V) 0,39 0,45 0,47 0,48 0,49 0,50 t0C = 700C I(mA) 2,08 2,87 3,32 3,73 4,50 5,44 U(V) 0,41 0,44 0,46 0,47 0,48 0,49 t0C = 820C I(mA) 1,96 3,06 3,50 3,96 4,85 5,37 U(V) 0,38 0,42 0,43 0,45 0,46 0,47 Nêu rõ những biến cố khách quan và chủ quan xảy ra trong quá trình đo làm ảnh hưởng đến phép đo: Biến cố khách quan: Biến cố chủ quan: Thảo luận kết quả: Giải thích nội dung kết quả đo, biện luận để loại bỏ các kết quả nghi ngờ: So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết: Giải thích sự khác nhau (nếu có) giữa kết quả thực nghiệm so với lý thuyết hoặc so với kết quả đo được của người khác: Kết luận: Sử dụng phần mền Origin vẽ các đường đặc trưng V-A tương ứng với các nhiệt độ khác nhau. t1 = 290C t2 = 500C t3 = 570C t4 = 640C t5 = 700C t6 = 820C Từ các đặc trưng V-A ta suy ra được các giá trị I0 ứng với mỗi nhiệt độ t1 = 290C: I01 = 0.01351 mA t2 = 500C: I02 = 0.01252 mA t3 = 570C: I03 = 0.01192 mA t4 = 640C: I04 = 0.01180 mA t5 = 700C: I05 = 0.00944 mA t6 = 820C: I06 = 0.00886 mA Vẽ đường cong sự phụ thuộc của I0 vào nhiệt độ Trả lời câu hỏi: Định nghĩa bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại n và bán dẫn loại p: Bán dẫn là các chất có vùng hóa trị bị lấp đầy và vùng dẫn hoàn toàn trống, bề rộng dải cấm vào cỡ Eg≤3(eV). Ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém như điện môi, khi tăng nhiệt độ thì điện trở suất giảm mạnh theo hàm e mũ và dẫn điện với 2 loại hạt tải là : electron và lỗ trống. Bán dẫn tinh khiết: là chất bán dẫn không có lẫn các tạp chất. Các tạp chất có thể là các nguyên tử hay ion của các nguyên tố lạ, hoặc cũng có thể là những sai hỏng khác nhau trong mạng tinh thể như: các nút trống, các xê dịch do tinh thể biến dạng, các chỗ nứt,… Bán dẫn loại n: là chất bán dẫn được pha thêm một lượng nhỏ tạp chất mà mỗi nguyên tử của nó có thể cung cấp các electron tự do khi được kích thích. Ví dụ: Xét trường hợp tinh thể Si có pha một lượng nhỏ tạp chất của nguyên tố nhóm V: Nguyên tử tạp chất thay chỗ cho nguyên tử Si, góp chung 4 electron với 4 nguyên tử Si ở xung quanh, và còn thừa 1 electron hóa trị liên kết rất yếu với nguyên tử tạp chất => nhiệt độ rất thấp electron này đã bứt khỏi nguyên tử tạp chất -> electron tự do. Ở nút mạng còn lại một ion dương. Nguyên tử tạp chất có khả năng cung cấp electron gọi là nguyên tử đôno. Sự tạo thành electron dẫn từ nguyên tử tạp chất không kèm theo sự tạo thành lỗ trống. T > 0 vẫn xảy ra quá trình dẫn điện riêng => electron là hạt mang điện đa số, lỗ trống là hạt mạng điện thiểu số => gọi là bán dẫn loại n. Trên biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại n, trong vùng cấm có mức năng lượng đôno ở rất gần đáy vùng dẫn, cách đáy vùng dẫn một khoảng Ed. Khi hình thành liên kết, electron còn dư nằm ở mức đôno Bán dẫn loại p: là chất bán dẫn được pha thêm một lượng nhỏ tạp chất mà mỗi nguyên tử của nó có thể dễ dàng nhận một electron ở một mối liên kết gần nó trong tinh thể khi có kích thích. Ví dụ: Xét trường hợp tinh thể Si có pha một lượng nhỏ tạp chất của nguyên tố nhóm III: Nguyên tử tạp chất thay thế cho nguyên tử Si trong mạng tinh thể, liên kết vớ 4 nguyên tử Si ở xung quanh => còn thiếu 1 electron => nó dễ dàng nhận 1 electron ở mối liên kết gần đó làm xuất hiện lỗ trống ở mối liên kết này. Nguyên tử tạp chất đã nhận electron, trở thành ion âm => ta gọi nó là nguyên tử axepto. Việc tạo thành lỗ trống do sự có mặt của nguyên tử tạp chất gây nên không kèm theo sự hình thành electron dẫn. T > 0 còn có sự dẫn điện riêng => mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron dẫn => gọi là bán dẫn loại p. Trên biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại p, trong vùng cấm có mức năng lượng axepto ở rất gần đỉnh vùng hóa trị, cách vùng hóa tị một khoảng Ea. Khi electron chuyển lên mức axepto thì trong vùng hóa trị xuất hiện lỗ trống. Giải thích sự hình thành điện trường tiếp xúc: Giả sử có một thanh bán dẫn mà bằng cách đưa tạp chất vào, người ta làm cho một nửa của nó là bán dẫn loại n, nửa kia là bán dẫn loại p. Giữa hai loại bán dẫn này có hình thành một lớp phân cách có tính chất đặc biệt, gọi là lớp tiếp xúc p-n Khi có hai loại bán dẫn p và n tiếp xúc nhau thì có sự khuếch tán các hạt tải điện. Các hạt tải điện thuộc cả hai loại (electron và lỗ trống) từ phần bán dẫn loại n khuếch tán sang phần bán dẫn loại p và ngược lại. Tuy nhiên, dòng khuếch tán chủ yếu được tạo bởi các hạt tải điện cơ bản. Cụ thể là, các electron từ phần bán dẫn loại n khuếch tán sang phần bán dẫn loại p và các lỗ trống từ phần bán dẫn loại p khuếch tán sang phần bán dẫn loại n. kết quả là, phần bán dẫn loại n tích điện dương còn phần bán dẫn loại p tích điện âm. Ở lớp phân cách giữa hai loại bán dẫn hình thành một điện trường E’ hướng từ phần n sang phần p. Điện trường này ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản. Khi cường độ điện trường E’ đạt đến một giá trị nào đó, xác định, thì sự khuếch tán đạt trạng thái cân bằng động. Xây dựng và giải thích công thức, dạng đường đặc trưng Vôn-Ampe của lớp chuyển tiếp p-n: Gọi: pp là mật độ lỗ trống phía bên bán dẫn p. pn là mật độ lỗ trống phía bên bán dẫn n. Ta có sự liên hệ sau: pn = pp. e-e.∆φ0kB.T Thực chất đây là trạng thái cân bằng động, nghĩa là luôn có sự trao đổi lỗ trống giữa phía p và phía n, đồng thời trong 1 đơn vị thời gian có lượng lỗ trống bằng nhau từ p sang n và từ n sang p. Nếu ta gọi jhpn là mật độ dòng do lỗ trống chuyển động từ p sang n gây nên, và jhnp là mật độ dòng do lỗ trống chuyển động từ n sang p gây nên, thì khi cân bằng: jhpn = jhnp Xét 2 trường hợp: Nếu ta đặt điện áp thuận V vào lớp chuyển tiếp p – n thì hàng rào thế năng bị hạ thấp đi 1 lượng eV, nghĩa là chỉ còn e.(∆φ0 - V). Dòng lỗ trống từ n sang p có thể coi như là giữ nguyên. Còn dòng lỗ trống từ p sang n thì tăng lên rất nhiều, vì hàng rào thế hạ thấp đi. ở phía n sát với lớp chuyển tiếp xuất hiện các lỗ trống với mật độ ∆p, gọi là những hạt tải điện không cân bằng. Những lỗ trống này tạo thành điện tích không gian. Do đó chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn sau khi điện áp đặt vào, những điện tích này được trung hòa bởi các electron được kéo từ sâu bên trong bán dẫn n tới, và những electron này được bù đắp từ những electron từ mạch ngoài chạy vào. Như vậy mỗi thể tích của bán dẫn (bên trong lớp chuyển tiếp) luôn trung hòa về điện, nhưng ở khu vực bên phía n, gần với lớp chuyển tiếp, mật độ electron và lỗ trống đều tăng lên 1 lượng ∆p= ∆n. Mật độ lỗ trống ở gần lớp chuyển tiếp, bên phía n là: p1=pp. e-e.(∆φ0-V)kB.T=pn. ee.VkB.T Ta có thể hiểu p1 là mật độ lỗ trống có mặt ở bán dẫn n do chuyển từ phía p sang khi hàng rào thế bị hạ thấp 1 lượng eV. Vì vậy mật độ dòng do lỗ trống chuyển từ p sang n là jhpn tỉ lệ với p1: jhpn ~ p1 = pn. ee.VkB.T Mật độ dòng lỗ trống từ n sang p là jhnp tỉ lệ với pn: jhnp ~ pn Hệ số tỉ lệ bao gồm điện tích của lỗ trống và vận tốc trung bình của chuyển động có hướng của lỗ trống. Mật độ dòng tổng cộng do lỗ trống gây nên có chiều từ p sang n và có độ lớn: jh = jhpn – jhnp = jhs (ee.VkB.T - 1) jhs là 1 đại lượng không phụ thuộc vào điện áp V. Ta có thể lí luận tương tự như trên đối với mật độ dòng điện do chuyển động của electron gây nên. Kết quả thu được là biểu thức có dang như trên: je = jes (ee.VkB.T- 1) Mật độ dòng tổng cộng do electron và lỗ trống gây nên là: j = je + js = js (ee.VkB.T - 1) Nếu ta đặt điện áp ngược V vào lớp chuyển tiếp p –n khi đó hiệu điện thế ngoài làm tăng hiệu điện thế của lớp chuyển tiếp. Chuyển động của hạt mang điện thiểu số được tăng cường. Lập luận tương tự như với trường hợp điện áp thuận, ta thấy rằng do hàng rào thế cao hơn trước, nên ở bên phía n, gần lớp chuyển tiếp, mật độ lỗ trống giảm đi so với trạng thái cân bằng. Nếu ta gọi mật độ đó là p2, thì p2 < pn. Hàng rào thế năng giữa 2 phía p và n có độ cao e.(∆φ0 - V), do đó p2 liên hệ với pp bởi hệ thức: p2=pp. e-e.(∆φ0+V)kB.T=pn. e-e.VkB.T Mật độ dòng lỗ trống chuyển từ p sang n là: jhpn ~ p2 = pn. e-e.VkB.T Trong khi đó, mật độ dòng lỗ trống từ n sang p vẫn là: jhnp ~ pn Mật độ dòng tổng cộng do lỗ trống gây nên có chiều từ n sang p có độ lớn là: jh = jhnp – jhpn = jhs (1-e-e.VkB.T ) Ta có biểu thức tương tự cho dòng electron. Có thể kết hợp kết quả tính toán mật độ dòng điện qua lớp chuyển tiếp trong cả trường hợp điện áp thuận và điện áp ngược trong biểu thức: j = js (ee.VkB.T - 1) Trong đó V là giá trị đại số của điện áp ngoài đặt vào lớp chuyển tiếp. Nó có giá trị dương khi điện áp thuận và giá trị âm khi điện áp ngược. Dấu của mật độ dòng điện j là dương khi điện áp thuận và ứng với chiều dòng điện từ p sang n và ngược lại. Biểu thức cho cường độ dòng điện I qua lớp chuyển tiếp p – n có dạng: I= Is (ee.VkB.T - 1) Biểu thức này cho ta sự liên hệ giữa dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp và hiệu điện thế đặt vào lớp chuyển tiếp, nên được gọi là đặc trưng Vôn – Ampe của lớp chuyển tiếp p-n. Đoạn biểu diễn bằng nét gián đoạn trên đặc tuyến vôn – ampe mô tả sự đánh thủng của lớp chuyển tiếp. Giải thích sự khác nhau trong hai sơ đồ đo đặc trưng Vôn-Ampe: Biểu thức của dòng điện phụ thuộc vào V là: I= Is (ee.VkB.T - 1) Nếu điện áp ngoài được mắc theo chiều thuận thì V>0 và với V không lớn lắm thì ee.VkB.T ≫ 1. Khi đó I = Is ee.VkB.T .Với Is là dòng điện của các hạt tải đa số nên dòng điện thuận tăng nhanh khi V tăng. Nếu điện áp ngoài được mắc theo chiều ngược thì V < 0 và với V không lớn lắm thì ee.VkB.T ≪ 1. Khi đó về độ lớn I = Is , dòng điện ngược đạt giá trị không đổi và rất nhỏ ( vì Is là dòng điện gây bởi các hạt mang điện thiểu số) Tóm lại, lớp chuyển tiếp cho dòng điện lớn chạy qua khi điện áp ngoài mắc theo chiều thuận và cho dòng điện rất nhỏ chạy qua khi điện áp mắc theo chiều ngược. Trong nhiều trường hợp, dòng điện bé đến mức có thể bỏ qua. Ta nói rằng lớp chuyển tiếp p – n có tính dẫn điện theo 1 chiều hay có tác dụng chỉnh lưu. Giải thích sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính dẫn điện của bán dẫn: Tính dẫn điện của bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng. Đó là vì, đối với bán dẫn, để tạo ra các hạt mang điện, ta cần phải cung cấp năng lượng cho nó (ở đây là năng lượng nhiệt). Bán dẫn có vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng dẫn trống hoàn toàn và bề rộng vùng cấm tương đối hẹp. Ở T = 0K, bán dẫn không có hạt mang điện tự do. Khi T > 0K, một số electron từ đỉnh vùng hóa trị nhảy lên đáy vùng dẫn, trở thành electron tự do, và làm xuất hiện các lỗ trống ở vùng hóa trị. Nhiệt độ càng tăng thì sự chuyển mức năng lượng này xảy ra càng nhiều. Số hạt tải tự do của bán dẫn tăng rất nhanh khi nhiệt độ của tinh thể tăng. Sự tăng nồng độ hạt tải lấn át sự cản trở chuyển động có hướng do chuyển động nhiệt. Vì vậy, tính dẫn điện của bán dẫn tăng nhanh theo nhiệt độ (điện trở suất tăng theo hàm e mũ) Các cơ chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p-n: Sự đánh thủng lớp chuyển tiếp p-n xảy ra khi điện áp ngược đạt một giá trị xác định gọi là điện áp đánh thủng. Khi đó, dòng điện ngược qua lớp chuyển tiếp p-n tăng đột ngột. Nguyên nhân dẫn đến sự đánh thủng lớp chuyển tiếp là: Sự tỏa nhiệt và tăng nhiệt độ. Sự ion hóa do va chạm của các nguyên tử trong tinh thể. Sự chuyển động của các hạt tải điện qua hàng rào thế rất hẹp ở lớp chuyển tiếp nhờ hiệu ứng đường hầm. Có 2 cơ chế đánh thủng của lớp chuyển tiếp p – n: Cơ chế thác lũ: Khi điện áp ngược tăng, điện trường trong miền điện tích không gian tăng, hạt dẫn thiểu số bị cuốn qua điện trường có động năng ngày càng lớn, khi chuyển động chúng va đập với các nguyên tử làm bắn ra điện tử lớp ngoài của chúng, số điện tử tự do mới phát sinh do va chạm này cũng được điện trường mạnh gia tốc, chúng tiếp tục đập vào các nguyên tử mới làm bắn ra điện tử tự do. Hiện tượng này xảy ra liên tục và nhanh, khiến số hạt dẫn trong bán dẫn tăng đột ngột, điện trở suất chuyển tiếp giảm đi, dòng qua chuyển tiếp PN tăng đột ngột. Cơ chế xuyên hầm: Khi điện trường ngược tăng lên, còn cung cấp năng lượng cho các điện tử lớp ngoài cùng của nguyên tử bán dẫn, nếu các điện tử này có năng lượng đủ lớn chúng tách ra khỏi nguyên tử tạo thành điện tử tự do, nguyên tử bị ion hóa. Nếu điện trường ngược đủ lớn hiện tượng ion hóa xảy ra nhiểu dẫn đến số lượng hạt dẫn trong bán dẫn tăng đột ngột, làm cho dòng ngược tăng nhanh. Một số điốt hoạt động dựa trên cơ chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p – n: Điốt ổn áp Zener: Dựa vào hiệu ứng đánh thủng thác lũ và đánh thủng Zener Điốt ngược, Điốt tunen: Dựa vào hiệu ứng xuyên hầm trên chuyển tiếp p-n pha tạp nhiều.