Báo cáo Thực hành bài 4 Khảo sát đường đặc trưng vôn-Ampe của điốt bán dẫn

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) ܫ௡௚ = ܫ଴(݁షೇೖ೅ − 1) 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 ܫ௧௛ = ܫ଴(݁ ೇೖ೅ − 1) ܸơ ́݅ ܫ଴: dòng bão hòa; V: điện thế ngoài đặt vào 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℃ U(mV) 248.9 268.2 287.2 324.1 341.8 359.7 374.1 375.6 I(mA) 0 0 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 * 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 I(mA) 0 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 * Ở nhiệt độ 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 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) 1.75 2.46 3.49 5.99 7.08 9.30 13.95 25.72 334.0 * Ở nhiệt độ 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 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) 2.40 3.01 4.21 5.31 6.73 8.48 13.05 30.11 337.6 * Vẽ đường đặc trưng Vôn – Ampe của điôt: 100 200 300 400 500 600 700 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 T=320c I ( m A ) U (mv) 100 200 300 400 500 600 700 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 T=320c I ( m A ) 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 Io= 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 I ( m A ) U (mv) 200 250 300 350 400 450 500 550 600 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 T=550c I ( m A ) U (mv) Model ExpDec1 Equation y = A1*exp(-x/t1 ) + y0 Reduced Chi-S qr 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 Giá trị Io= 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 I ( m A) U (mv) I 100 200 300 400 500 600 700 800 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 T=680c I ( m A) U (mv) Model ExpDec1 Equation y = A1*exp(-x/t1 ) + y0 Reduced Chi-S qr 0.20501 Adj. R-Square 0.99994 Value Standard Error I y0 -0.59961 0.12538 I A1 0.00177 1.25851E-4 I t1 -62.39034 0.36401 Giá trị Io= 0,00177mA , nhiệt độ t=680C 100 200 300 400 500 600 700 800 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 T=820c I ( m A ) U (mv) 100 200 300 400 500 600 700 800 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 T=820c I ( m A ) 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 Io= 0,00388mA , nhiệt độ t=820C Đồ thị sự phụ thuộc của Io vào t 2,46.10-5 2,46.10-25 0,00177 0,00388 30 40 50 60 70 80 90 t0 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. - Từ đường đặc trưng I-V, sử dụng phần mềm origin để xác đinh Io ở các nhiệt độ khác 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: ܫ௧௛ = ܫ଴(݁ ೇೖ೅ − 1) - 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 vẽ.Với Eg = 1,12eV và Eg = 0,72 eV, thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn. Mô 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 - ChÊt b¸n dÉn lo¹i n: Lỗ trống là hạt tải điện cơ bản,e là hạt tải điện không cơ bản. Ng­êi ta tiÕn hµnh pha c¸c nguyªn tè cã 5 ®iÖn tö hãa trÞ (vÝ dô asen (As), photpho (P)) vµo m¹ng tinh thÓ cña chÊt b¸n dÉn s¹ch thuéc nguyªn tè nhãm 4 (Si, Ge), kÕt qu¶ thu ®­îc mét chÊt b¸n dÉn lo¹i míi cã kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn chñ yÕu b»ng ®iÖn tö (h¹t ®a sè) gäi lµ chÊt b¸n dÉn lo¹i n. Tuy nhiªn, vÉn tån t¹i c¬ chÕ ch¶ chÊt b¸n dÉn nÒn (tr­íc khi pha t¹p chÊt) ®Ó h×nh thµnh tõng cÆp h¹t dÉn tù do, nªn lç trèng còng tham gia dÉn ®iÖn vµ gäi tªn lµ h¹t thiÓu sè. M« h×nh cÊu tróc mang tinh thÓ cña chÊt b¸n dÉn t¹p lo¹i n cho trªn h×nh 1.8b. Møc n¨ng l­îng cña t¹p chÊt lo¹i n n»m trong vïng cÊm vµ s¸t ®¸y vïng dÉn cña ®å thÞ n¨ng l­îng cña chÊt b¸n dÉn lµm nÒn. §iÒu nµy t¹o kh¶ n¨ng c¸c nguyªn tö t¹p chÊt dÔ dµng bÞ ion hãa gi¶i phãng ra ®iÖn tö tù do (nh¶y tõ møc n¨ng l­îng t¹p chÊt lªn vïng dÉn) vµ lµm xuÊt hiÖn c¸c ion d­¬ng t¹p chÊt (lµ lo¹i h¹t cã khèi l­îng lín kh«ng di chuyÓn ®­îc vµ do ®ã kh«ng tham gia vµo dßng ®iÖn). VËy dßng ®iÖn trong chÊt b¸n dÉn t¹p chÊt lo¹i n gåm ®iÖn tö (lµ lo¹i h¹t ®a sè) vµ lç trèng (lµ lo¹i h¹t thiÓu sè) ®ãng gãp, viÖc h×nh thµnh c¸c h¹t ®a sè thùc hiÖn dÔ dµng trong ®iÒu kiÖn b×nh th­êng víi n¨ng l­îng kÝch thÝch nhá. - ChÊt b¸n dÉn t¹p chÊt lo¹i p: Electron là hạt tải điện cơ bản, lỗ trống là hạt tải điện cơ bản NÕu thùc hiÖn pha c¸c nguyªn tè thuéc nhãm cã 3 ®iÖn tö hãa trÞ (vÝ dô Al, Ga, B) vµo m¹ng tinh thÓ Si sÏ xuÊt hiÖn c¸c liªn kÕt ghÐp ®«i bÞ khuyÕt (lç trèng) chØ cÇn kÝch thÝch mét n¨ng l­îng ®ñ nhá, c¸c nguyªn tö t¹p chÊt sÏ bÞ ion hãa t¹o ra c¸c ion ©m (nhËn ®iÖn tö) vµ c¸c lç trèng tù do. M« h×nh m¹ng tinh thÓ cña chÊt b¸n dÉn t¹p lo¹i p cho trªn h×nh vÏ Møc n¨ng l­îng t¹p chÊt lo¹i p n»m s¸t ®Ønh vïng hãa trÞ t¹o c¬ héi nh¶y møc µo ¹t cho c¸c ®iÖn tö hãa trÞ vµ h×nh thµnh mét cÆp ion ©m t¹p chÊt (kh«ng tham gia dßng ®iÖn) vµ lç trèng (lµ h¹t dÉn ®a sè); ®iÖn tö trong c¬ chÕ nµy lµ h¹t thiÓu sè. C©u 2. B»ng c¸c biÖn ph¸p c«ng nghÖ ®Æc biÖt (plana khuÕch t¸n - Epitaxi) ng­êi ta t¹o ra ®­îc 1 vïng chuyÓn tiÕp (tiÕp gi¸p) tÝnh dÉn ®iÖn tö lo¹i p sang lo¹i n ®­îc gäi lµ mét tiÕp xóc c«ng nghÖ p-n. §©y lµ mét d¹ng tiÕp xóc phi tuyÕn tÝnh cã tÝnh chÊt dÉn ®iÖn kh«ng ®èi xøng theo hai chiÒu ®iÖn ¸p ®Æt vµo: khi ch­a cã t¸c ®éng cña tr­êng ngoµi (h×nh vÏ) hÖ thèng tiÕp xóc pn ë tr¹ng th¸i c©n b»ng kh«ng cã dßng ®iÖn qua nã. C¸c ion d­¬ng (bªn n) vµ ion ©m (bªn p) t¹o nªn mét ®iÖn tr­êng côc bé txE  h­íng tõ n sang p, lµm c©n b»ng gi÷a dßng ®iÖn khuÕch t¸n (cña c¸c h¹t dÉn ®a sè) do chªnh lÖch nång ®é vµ dßng ®iÖn gia tèc (cña c¸c h¹t dÉn thiÓu sè) do ®iÖn tr­êng néi bé txE  . C©u 3 Trong vïng (1) vµ (2) ph­¬ng tr×nh m« t¶ ®­êng cong cã d¹ng: 0 T UI I exp 1 m.U           Trong ®ã n p p n0 n p D .n D .p I q.s. L L         s – diÖn tÝch tiÕp xóc q - ®iÖn tÝch cña ®iÖn tö Ln; Lp - ®é dµi khuÕch t¸n cña ®iÖn tö vµ lç trèng. U - ®iÖn ¸p ph©n cùc pn - nång ®é lç trèng trong b¸n dÉn lo¹i n np - nång ®é ®iÖn tö trong b¸n dÉn lo¹i p - §Æc tÝnh cã ba vïng râ rÖt Khi tiÕp xóc p - n ph©n cùc thuËn, qua líp tiÕp xóc p - n cã dßng ®iÖn thuËn. §ã lµ dßng c¸c h¹t chiÕm ®a sè khuÕch t¸n qua líp tiÕp xóc p - n. Vïng (1) ®ièt ®­îc ph©n cùc thuËn víi ®Æc tr­ng dßng lín, ®iÖn ¸p nhá, ®iÖn trë nhá. Trong vïng më (1) ®Æc tÝnh cã hai vïng (a) dßng thuËn cßn rÊt nhá vµ t¨ng yÕu vµ (b) dßng thuËn ®ñ lín t¨ng m¹nh. §iÓm ®iÖn ¸p giíi h¹n gi÷a hai vïng nµy gäi lµ ng­ìng ®iÖn ¸p më cña ®ièt (Umë). Víi ®ièt cã nguån gèc tõ vËt liªu Si Umë 0,7V, tõ gemanium Umë = 0,3V. Vïng (2) ®ièt ph©n cùc ng­îc (khãa) víi ®Æc tr­ng dßng ®iÖn nhá, cã gi¸ trÞ IrßrÊt nhá (kho¶ng choc A tíi hµng chôc mA) gÇn nh­ kh«ng ®æi, ®iÖn ¸p lín (hµng choc tíi hµng tr¨m V), ®iÖn trë lín (hµng choc ngh×n ). Vïng (3) dßng ®iÖn ®­îc t¨ng m¹nh, ®iÖn trë nhá, ®iÖn ¸p gÇn nh­ kh«ng ®æi, ®­îc gäi lµ vïng bÞ ®¸nh thñng. - Trong vïng 1 vµ 2 ®Æc tÝnh cã ph­¬ng tr×nh 0 T UI I exp 1 m.U           Víi Irßlµ dßng ®iÖn ng­îc b·o hßa, m lµ hÖsè (tõ 1 tíi 2); q kTUT  lµ ®iÖn ¸p nhiÖt víi k lµ h»ng sè Botzman, q ®iÖn tÝch cña ®iÖntö, T nhiÖt ®é tuyÖt ®èi. C©u 4 * ë s¬ ®å h×nh 3.5: - Cực dương của nguồn nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n để tạo ra điện trường ngoài ngược chiều điện trường trong, sinh ra dòng thuận. -Ta cÇn m¾c thªm ®iÖn trë R do ®i«t ph©n cùc thuËn ta cã ®iÖn trë cña ®i«t nhá do ®o nÕu kh«ng cã R th× dßng ®iÖn qua ®i«t sÏ lín khi ®ã kÕt qu¶ ®o sÏ kh«ng chÝnh x¸c. - Ampe kế được mắc ở ngoài vì dòng thuận là khá lớn nên điện trở của ampe kế, vôn kế ảnh hưởng không đáng kể. * ë s¬ ®å 3.6: -Cực âm của nguồn nối với bán dẫn p, cực dương nối với bán dẫn n để tạo ra điện trường ngoài cùng chiều điện trường trong, sinh ra dòng ngược - Khi kh¶o s¸t dßng ng­îc, lóc nµy ®iÖn trë ng­îc cña ®i «t sÏ rÊt lín nªn ta kh«ng cÇn m¾c R ®Ó h¹n chÕ dßng qua ®i«t. - Ampe kế được mắc ở trong vì dòng ngược là rất nhỏ nên điện trở của vôn kế khi đó ảnh hưởng không đáng kể. C©u 5 Trong vïng më (1) khiT0 = T1 - T2 = 10C th× U = U1 - U2 = -2mV nghÜa lµ ®iÖn ¸p thuËn r¬ I trªn ®ièt sÏ gi¶m ®i 2mV khi nhiÖt ®é t¸c ®éng lªn ®ièt t¨ng lªn 10C. Trong vïng (2) khi T0 = T1 - T2 = 100C th× Irß = Irß nghÜa lµ dßng ®iÖn ng­îc chiÒu qua ®ièt sÏ t¨ng gÊp ®«i khi nhiÖt ®é m« I tr­êng t¸c ®éng lªn ®ièt t¨ng lªn 100C. C©u 6 C¸c c¬ chÕ ®¸nh thñng líp chuyÓn tiÕp p - n HiÖu øng ®¸nh thñng trong vïng (3) do c¸c nguyªn nh©n: - V× nhiÖt ®é, do tÝch lòy nhiÖt g©y qu¸ nãng lµm háng ®ièt, cÇn tr¸nh khi sö dông. - V× ®iÖn, do ion hãa v× va ch¹m cña h¹t dÉn thiÓu sè víi nguyªn tö nót m¹ng tinh thÓ chÊt b¸n dÉn lµm nÒn (Si); hiÖn t­îng cã tÝnh chÊt th¸c lò vµ g©y ®¸nh thñng t¹m thêi, khi cho ®iÖn tr­êng ng­îc chiÒu vÒ 0V th× tÝnh chÊt van (dÉn ®iÖn kh«ng ®èi xøng) cña ®ièt ®­îc håi phôc b×nh th­êng. Th­êng gÆp hiÖu øng nhiÖt d­¬ng víi ®iÖn ¸p UZ = U®¸nhthñngnghÜa lµ 0T U 0 Z    .