Thí nghiệm môn Vật lý - Khảo sát đăc tính của điôt và trandito

Thí nghiệm vật lí Khảo sát đăc tính của điôt và trandito Bài 4: Dụng cụ: 1. Bộ thí nghiệm vật lí MC-95.7 2. Điôt(silic) và trandito (npn). 3. Các điện trở 820W và 100kW 4. Bộ dây nối mạch điện (7 dây). 5. Nguồn điện ~220V. I. Cơ sở lý thuyết. 1. Đặc tính chỉnh lưu của điôt: Điôt là dụng cụ bán dẫn cấu tạo bởi hai loại bán dẫn loại n và loại p ghép tiếp xúc với nhau. Bán dẫn loại n dẫn điện chủ yếu bằng Electron ,bán dẫn loại p dẫn điện chủ yếu bằng"lỗ trống". Điện cực nối với bán dẫn p gọi là Anôt, điện cực nối với bán dẫn n gọi là katôt K. n n p It K A + U - (b) In n p Etx Eo (c) + U - (a) p It Etx Ikt Hình 1. Khi chưa có điện trường ngoài (hình 1-a), do có sự chênh lệch lớn về mât độ các hạt dẫn cùng loại ở hai bên bán dẫn n và p nên tại lớp tiếp xúc p-n xảy ra hiện tượng khuyếch tán các hạt dẫn cơ bản ( Electron từ n sang p, lỗ trống từ p sang n), tạo nên dòng điện Ikt của các hạt dẫn cơ bản hướng tưừ p sang n. Quá trình khuếch tán các hạt dẫn cơ bản qua mặt tiếp xúc để lại các ion âm tạp chất ở miền p và các ion dương tạp chất ở miền n, dẫn đến sự hình thành lớp điện tích kép ở vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc và làm xuất hiện điện trường tiếp xúc hướng từ n sang p. Một mặt, điện trường tiếp xúc này ngăn cản chuyển động khuếch tán của các hạt cơ bản, làm giảm dòng điện khuếch tán Ikt; mặt khác, nó lại gây chuyển động trôi của các hạt dẫn không cơ bản ( Electron từ p sang n, lỗ trống từ n sang p ),tạo ra dòng điện trôi Itr. Khi trạng thái cân bằng động được thiết lập thì Itr=Ikt và cường độ dòng điện chạy qua mặt tiếp xúc sẽ bằng không: I = Ikt- Itr = 0. Điện trường tiếp xúc, hiệu điện thế tiếp xúc khi đó đạt gía trị xác định. Trạng thái cân bằng động nói trên sẽ bị phá vỡ, nếu đặt thêm điện trường ngoài vào lớp tiếp xúc p-n bằng cách nối thêm hai điện cực diốt với nguồn điện một chiều U. Khi đó fn trường tổng hợp trong lớp tiếp xúc p-n bằng: ( với Eo >>Etx). Có hai trường hợp xảy ra: a. Nối Anốt A với cực (+) và Katốt với cực (-) của nguồn điện U ( hình 1-b): Trường hợp này, hướng ngược chiều (Với Eo>>Etx). Điện trường tổng hợp hướng từ p sang n làm tăng dòng các hạt dẫn cơ bản qua lớp tiếp xúc p-n, tạo thành dòng điện It chạy qua diốt theo chiều thuận từ p sang n. Khi đó độ rộng của lớp tiếp xúc p-n giảm và điện trở của lớp này giảm: lớp p-n bị phân cực thuận. Vì mật độ dòng các hạt dẫn cơ bản lớn nên cường độ dòng thuận It lớn và tăng nhanh theo hiệu điện thế ngoài U ứng với nhánh OM trên đồ thị hình 2-b. b. Nối Anốt A với cực (-) và Katốt với cực (+) của nguồn điện U (hình 1-c): Trường hợp này, hướng cùng chiều . Điện trường tổng hợp hướng từ n sang p sẽ ngăn cản các hạt dẫn cơ bản và chỉ cho các hạt dẫn không cơ bản qua lớp tiếp xúc p-n,tạo thành dòng điện In chạy qua điốt theo chiều tưg n sang p. Khi đó độ rộng của lớp tiếp xúc p-n tăng lên và điện trở của lớp này tăng: lớp tiếp xúc p-n bị phân cực ngược. Vì mật độ các hạt dẫn không cơ bản là nhỏ nên cường độ dòng điện ngược In có cường độ rất nhỏ, nó chỉ tăng chút ít theo hiệu điện thế ngoài U và nhanh chóng đạt giá trị bão hoà ứng với nhánh ON trên đồ thị hình 2-b. Như vậy, điốt chỉ cho dòng điện chạy qua nó theo chiều thuận từ p sang n, hầu như không cho dòng điện qua nó theo chiều ngược lại từ n sang p. Đặc tính này gọi là hiệu ứng chỉnh lưu hay "van một chiều" của điốt. Ký hiệu điốt có dạng mũi tên hướng theo chiều từ anốt A sang katốt K như hình 2-a. Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: Cường độ dòng điện I chạy qua Điốt phụ thuộc vào hiệu điện thế U giữa hai cực của nó theo quy luật: (1). K A (a) N M U O I (b) Hình 2. Với e là điện tichd của Electron, k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, Io là cường độ boã hoà của dòng điện ngược It. Giá trị Io rất nhỏ, phụ thuộc cấu tạo của Điốt và nhiệt độ ( ở nhiệt độ phòng , mật độ dòng Io chỉ vào khoảng 10-12 A/ cm2 đối với Điốt Si vào 10-6 A/ cm2 đối với Điốt Ge.). Khi điện thế U có giá trị âm và đủ lớn thì cường độ dòng điện ngược In tăng đột ngột: lớp tiếp xúc p-n bị đánh thủng và hiệu ứng chỉnh lưu của Điốt bị phá huỷ. Đồ thị biểu diễn quy luật I=f(U) có dạng đường cong như hình 2-b và gọi là đường đặc trưng Vôn-Ampe của Điốt. 2. Đặc tính khuyếch đại của Tranditor: Tranditor là dụng cụ bán dẫn được cấu tạo từ ba phần có tính dẫn điện khác nhau. Nếu phần ở giữa là bán dẫn loại p thì hai bên là bán dẫn loại n: đó là Tranditor loại n-p-n ( hình 3). Còn nếu phần ở giữa là bán dẫn loại n thì hai bên là bán dẫn loại p: Đó là Tranditor loại p-n-p (hình 4). n p n E C B B C E Hình 3. p n p E C B B C E Hình 4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một Tranditor loại n-p-n được môt tả trên hình 5: Phần giữa là bán dẫn loại p có bề dày rất nhỏ ( cỡ vài Micromet ) và có điện trở rất 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 giàu tạp chất và có điện trở suất nhỏ gọi là miền emitơ. Điện cực nối với miền emitơ gọi là cực emitơ (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 colectơ (C) hay cực góp. Hay như vậy bên trong mỗi Tranditor có hai lớp tiếp xúc p-n nằm gữa B-E và C-B. IB E C B n n p Ic IE - U1 + + U2 - Hình 5. Để Tranditor hoạt động, phải mắc vào nguồn điện U1 vào giữa hai cực B-E và nguồn điện U2 giữa hai cực C-B, sao cho dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc B-E là thuận, dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc C-B là ngược ( hình 5). Điện trường gây ra bởi nguồn U1 giữa cực badơ và cực emitơ có tác dụng khử điện trường tiếp xúc B-E và làm cho các Electron "phun" từ miền emitơ sang miền badơ. Vì miền badơ rất mỏng và có điện trở suất lớn, nên chỉ có một số ít các Electron đến được cực badơ, tạo thành dòng badơ Ib rất nhỏ, còn đa số các Electron chuyển đến tiếp giáp C-B bị điện trường gây bởi nguồn U2 mắc giữa cực colectơ và cực badơ cuốn sang miền colectơ, tạo thành dòng colectơ Ic (khá lớn). Gọi IE là dòng emitơ chạy qua mạch emitơ, ta có hệ thức: IE = IB + IC với IB << Ic (3) ở một phạm vi hoạt động nhất định, gữa IB và Ic có một tỉ lệ xác định, chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của mỗi loại Tranditor. Khi dòng IB thay đổi một lượng DIB, dòng Ic cũng thay đổi một lượng tương ứng DIc với cùng một tỉ lệ. Nói cách khác, một dòng IB nhỏ có thể điều khiển một dòng IC lớn. Khi đó Tranditor làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính ứng với đoạn OM của đường đặc trưng Ic=f(IB) vẽ trên hình 6. Người ta lợi dụng tính chất này của Tranditor để sử dụng nó làm dụng cụ khuếch đại dòng điện. Hệ số khuếch đại dòng điện của Tranditor bằng: (4) IC(mA) tuyến tính IC(bh) M N 0 IB(bh) IB(mA) bão hoà Hình 6. Vượt ra khỏi phạm vi hoạt động nói trên, quan hệ giữa IB và Ic không tỉ lệ tuyến tính nữa. Bắt đầu từ giá trị IB=IB(bh): Dòng IB tiếp tục tăng, nhưng IC hầu như không tăng và đặt giá trị bão hoà IC(bh). Khi đó Tranditor làm việc ở chế độ bão hoà, ứng với nhánh MN của đường đặc trưng IC=f(IB) trên hình 6. ở chế độ bão hoà, điện trở của Tranditor gữa hai cực C-E rất nhỏ và Tranditor được sử dụng như một công tắc ( đóng ngắt điện ). Trong thí nghiệm này, ta khảo sát đặc tính chỉnh lưu của Điốt bằng cách vẽ đường đặc trưng Vôn-Ampe I=f(U) của Điốt và khảo sát đặc tính khuếch đại của Tranditor bằng cách vẽ đường đặc trưng ic=f(IB), từ đó xác định vùng hoạt động tuyến tính để xác định hệ số khuếch đại dòng điện b của Tranditor. II. Trình tự thí nghiệm. A. Vẽ đặc trưng Vôn-Ampe của Điốt: +12V U2 N P R 820W Q + - V G - A2 + Q R 820W U2 + - +12V N P G - A2 + V Hình 7. (b) (a) Quan sát mặt máy của bộ thí nghiệm MC-95.7 (hình 7) . +12V +12V Pnp npn,D + - + - + - 200 mA DC 10 V DC 10 mA DC A1 V A2 0 U1 0 U2 M F B C G N I E Q K Hình 8. 1. Khảo sát dòng điện thuận It chạy qua Điốt khi phân cực thuận: a. Chưa cắm phích lấy điện của nó vào nguồn điện ~220V. Mắc mạch điện trên mặt máy của bộ MC-95.7 theo sơ đồ hình 7-a. Chú ý vặn númxoay để điều chỉnh các nguồn điện và núm chuyển mạch thang đo của các đồng hồ điện để đặt đúng: - Các nguồn điện U1 và U2 ở vị trí 0. - Ampe kế A2 ở thang đo 10 mA/DC. - Vôn kế V ở thang đo 1 V/DC. - Công tắc K ở vị trí ngắt mạch. - Chuyển mạch pnp/npn, D ở vị trí npn, D. b. Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện và cắm phích lấy điện của bộ MC-95.7 vào nguồn điện ~220V. Bấm công tắc K đưa điện vào máy: Đèn LED phát sáng. c. Vặn từ từ núm xoay của nguồn nuôi U2 để hiệu điện thế U gữa hai cực của Điốt trỏ trên vôn kế V tăng dần từ 0,1V từ 0 đến khiảng 0,7V. Đọc và ghi các giá trị tương ứng của dòng điện thuận It trỏ trên ampe kế A2 vào bảng 1. d. Vặn núm xoay của nguồn U2 về vị trí 0. Công tắc K để ngắt điện. 2. Khảo sát dòng điện ngược In chạy qua Điốt khi phân cực ngược: a. Mắc lại mạch điện trên mặt máy của bộ MC-95.7 theo sơ đồ hình 7-b. Chú ý các vặn núm chuyển mạch thang đo để đặt đúng: - Ampe kế A2 ở thang đo 0,1 mA/DC. - Vôn kế V ở thang đo 10V/DC. Mời thầy giáo kiêm tra mạch điện và bấm công tắc K đưa điện vào máy. b. Vặn từ từ núm xoay của nguồn U2 để hiệu điện thế U giữa hai cực của Điốt trỏ trên vôn kế V tăng từng 1V từ 0 đến 10V. Đọc và ghi các giá trị tương ứng của giá trị cường độ dòng điện ngược In trỏ trên ampe kế A2 vào bảng 1. c. Vặn núm xoay của nguồn U2 về vị trí 0. Bấm công tắc K để ngắt điện đèn LED. Rút phích lấy điện của bộ MC-95.7 ra khỏi nguồn điện ~220V. B. Vẽ đường đặc trưng Ic= f(IB) của Tranditor: IB(mA) 20 15 10 5 0 3V UCE(V) IC(mA) IB=20 mA IB=15 mA IB=10 mA IB=5 mA M Hình 9. 1. Nguyên tắc chung: Có thể vẽ đường đặc trưng Ic=f(IB) theo trình tự sau ( hình 9 ): - Vẽ họ đường cong Ic= f(UCE) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng colectơ IC vào hiệu điện thế UCE gữa colectơ và emitơ ứng với các giá trị không dổi khác nhau của dòng badơ IB= 5 mA, 10 mA, 15 mA, 20 mA. - Xác định giá trị dòng colectơ IC ứng với cùng giá trị của hiệu điện thế UCE=3V trên mỗi đường cong IC=f(UCE). Từ đó vẽ đường đặc trưng IC=f(IB) của Tranditor có dạng đường thẳng OM như hình 10 và suy ra hệ số khuếch đại dòng điện b của Tranditor có trị số bằng độ dốc tga của đường thẳng OM: (5) hình 9 2. Trình tự đo: a. Chưa cắm phích lấy điện của bộ MC-95.7 vào nguồn điện ~220V. Vặn núm điều chỉnh các nguồn điện và núm chuyển thang đo của các đồng hồ điện trên mặt máy của bộ MC-95.7 để đặt đúng: - Ampe kế A1 ở thang đo 50 mA/DC. - Ampe kế A2 ở thang đo 1 mA/DC. - Vôn kế V ở thang đo 1 V/DC. - Nguồn điện U1 và U2 ở vị trí 0. - Công tắc K ở vị trí ngắt mạch. Hình 10. IE +12V U1 U2 H Rb M + - B C G - + N Rc P A1 V A2 I E Q +12V 100kW 820W IC IB b. Mắc mạch điện trên mặt máy của bộ MC-95.7 theo sơ đồ hình 10. c. Mời thầy giáo đến kiểm tra mạch điện và cắm điện vào nguồn ~220V. Bấm công tắc K: Đèn LED phát sáng và bộ MC-955 sẵn sàng hoạt động. d. Vặn núm điều chỉnh nguồn U1 để ampe kế A1trỏ dòng badơ IB= 5 mA và vặn núm điều chỉnh U2 để vôn kế V trỏ hiệu điện thế UCE ( giữa colectơ và emitơ ) tăng dần từng 0,1V từ 0 đến 1V. Nếu dòng IC ³ 1 mA thì phải chuyển thang đo của ampe kế A2 sang vị trí 10 mA. Tiếp đó, vặn núm chuyển thang đo của vôn kế V sang vị trí 10V và vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U2 từ vị trí 0 đến vị trí tận cùng bên phải của nó để hiệu điện thế UCE trỏ bởi vôn kế V tăng dần từng 1V. Đồng thời theo dõi sự thay đổi dòng colectơ IC trên ampe kế A2. Chú ý: trong quá trình tăng dần UCE, cần theo dõi và giữ cho gía trị chọn trước của dòng badơ IB không thay đổi bằng cách điều chỉnh nguồn U1. Đọc và ghi các cặp gía trị tương ứng của UCE và IC ứng với IB=5 mA vào bảng 2. Vặn các núm điều chỉnh của các nguồn U1 và U2 về vị trí 0. e. Thực hiện lại động tác (d) với các gía trị không đổi khác của dòng badơ IB=10 mA, 15 mA, 20 mA. Đọc và ghi các cặp giá trị tương ứng của UCE và IC ứng với IB=10 mA, 15 mA, 20 mA vào bảng 2. Cuối cùng, vặn núm điều chỉnh của các nguồn U1 và U2 về vị trí 0. Bấm công tắc K để ngắt điện vào máy. Rút phích lấy điện ra khỏi nguồn ~220V. Tháo các dây nối mạch điện trên mặt máy MC-95.7 và thu xếp gọn gàng các dụng cụ thí nghiệm. g. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 và 2: - Gía trị cực đại Im1 và cấp chính xác dA1 của ampe kế A1. - Gía trị cực đại Im2 và cấp chính xác dA2 của ampe kế A2. - Gía trị cực đại Um và cấp chính xác dV của ampe kế A2. III. Câu hỏi kiểm tra 1. Phân biệt tính dẫn điện của bán dẫn loại n và p. Mô tả cấu tạo và ký hiệu của Điốt. Giải thích sự xuất hiện lớp tiếp xúc p-n và đặc tính chỉnh lưu của Điốt. 2. Nêu quy luật biểu diễn cường độ dòng điện I chạy qua Điốt phụ thuộc vào hiệu điện thế U giữa hai điện cực của nó. Vẽ đường đặc trưng Vôn-Ampe của Điốt và sơ đồ mạch điện dùng để xác định đường đặc trưng Vôn-Ampe này. 3. Mô tả cấu tạo và ký hiệu của Tranditor loại n-pn và loại p-n-p. Giả thích đặc tính khuếch đại dòng điện của Tranditor loại n-p-n. 4. Viết biểu thức hệ số khuếch đại dòng điện của Tranditor. vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dòng colectơ vào dòng badơ và sơ đồ mạch điện dùng để xác định đồ thị này. Khảo sát đặc tính của Điốt và Tranditor Báo cáo thí nghiệm Trường đại học Sư phạm Hà Nội 2 Xác nhận của thầy giáo Lớp:.Tổ.. Họ tên:.. I Mục đích thí nghiệm. ...... II. Kết quả thí nghiệm. A. Vẽ đường đặc trưng Vôn-Ampe I=f(U) của Điốt: 1. Bảng 1. Um=1V và 10 V ; dV=% I2m=0,1 mA và 10 mA; d2A=% Chiều thuận U(V) I(mA) Chiều ngược U(V) I(mA) U(V) IC(mA) 2. Đồ thị I=f(U). B. Vẽ đường đặc trưng Ic=f(IB) của Tranditor: 1. Bảng 2. Um=.(V) ; dV=% I1m=..(A) ; d1A=..% I2m=.(A) ; d2A=..% IB=5 mA UCE(V) IC(mA) IB=10 mA UCE(V) IC(mA) IB=15 mA UCE(V) IC(mA) IB=20 mA UCE(V) IC(mA) IB(mA ) U(V) IC(mA) 2. Vẽ đồ thị Ic=f(IB): Chú ý: các số đo của U và I đều có sai số là DU và DI nên mỗi cặp số tương ứng của U và I phải biểu diễn bằng 1 hình chữ nhật có sai số tâm tại điểm (U, I) và có hai cạnh là DU và DI tính theo công thức: 3. Xác định hệ số khuếch đại dòng điện b của Tranditor.