Thí nghiệm vật lý - Bke - 090 khảo sát đặc tính của diode và transistor

1 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 l−u 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 l−ợng 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, t−ơng đ−ơng với một hạt điện d−ơng mang điện tích +e . Lỗ trống này nh− 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 đ−ợc gọi là các lỗ trống tự do. Nh− 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 nh− 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 d−ơng tạp chất. ở nhiệt độ phòng, năng l−ợng 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 đ−ợc gọi là bán dẫn loại N, có ne >> np. Cũng t−ơng tự nh− 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, đ−ợc 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 l−u 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 t−ợng 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) T−ơng tự nh− 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 tr−ờng tiếp xúc (Etx) h−ớng từ N sang P. Điện tr−ờng 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 ng−ợc 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 tr−ờng tiếp xúc Etx xác định, t−ơng 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. 2 )1)(exp( −= kT eUII o Nếu chúng ta đặt 1 điện tr−ờng 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 tr−ờng ngoài sẽ ng−ợc h−ớng Etx. Nếu E đủ lớn, nó sẽ triệt tiêu điện tr−ờng 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 tr−ờng hợp này ta nói rằng tiếp xúc p-n đ−ợc phân cực thuận. Ng−ợc lại nếu điện thế (-) đặt lên bán dẫn P và điện thế (+) đặt lên bán dẫn N (Hình 1c) thì điện tr−ờng ngoài E sẽ cùng chiều Etx,. Điện tr−ờng 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 c−ờng độ dòng các hạt này nhanh chóng tăng lên đến mức bão hoà,ng−ời ta th−ờng gọi là dòng điện ng−ợc 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 tr−ờng hợp này ta nói tiếp xúc p-n đ−ợc phân cực ng−ợc. 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 : • IO : c−ờng độ của dòng điện ng−ợc bão hoà. • e : điện tích của electron, • k : hằng số Boltzman, • T : nhiệt độ tuyệt đối (K) Đồ thị I = f ( UAK ) 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 đ−ờng đặc tr−ng 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 l−u hay tính chất van. d. Diode. Tiếp xúc PN và đặc tính chỉnh l−u của nó đ−ợc ứng dụng để tạo ra một dụng cụ bán dẫn gọi là Diode (Đi-ốt), là dụng cụ không thể thiếu đ−ợc 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 đ−ợc 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 l−u của Diode bằng cách vẽ đ−ờng đặc tr−ng Von-Ampe I = f(U) của nó. 2. transistor ( Trandito) và đặc tính khuếch đại của transistor . Transistor là dụng cụ bán dẫn đ−ợc 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) 3 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 đ−ợc 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. Nh− 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 đ−ợc phân cực thuận, còn lớp tiếp xúc C-B đ−ợc phân cực ng−ợc (hình 3c). Nhờ nguồn U1 ,tiếp xúc B-E đ−ợc 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 đ−ợc cực B tạo ra dòng IB rất nhỏ, còn đa số các electron sẽ chuyển đến tiếp giáp C-B và đ−ợc điện tr−ờng gây bởi nguồn U2 cuốn sang miền C, tạo thành dòng IC khá lớn gần bằng dòng IE (*). ở đây cần l−u ý là tại mỗi tiếp xúc, các hiện t−ợng động học của các hạt dẫn cơ bản cũng nh− không cơ bản xảy ra giống nh− 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 : IE = IEP + IEn và IC = ICP + ICn (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 đ−ợc tính đến khi coi nh− 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: IC = αIE + ICB0 ( 4 ) Khi đó dòng emitơ IE sẽ là: IE = IB + IC với IB << IC ( 5 ) Thay (5) vào (4) đ−ợc: IC = α(IB + IC) + ICB0 ( 6 ) Rút ra : IC = ( α/1-α )IB + (1/1-α)ICB0 Suy ra: ∆IC/∆IB= α /( 1- α) = β ( 7 ) Theo (3): α ≈ 1, do đó β>>1. Nh− thế có nghĩa là chỉ cần IB thay đổi 1 l−ợng rất nhỏ cũng làm IC thay đổi một l−ợng rất lớn, do đó β đ−ơc gọi là hệ số khuếch đại dòng. Ng−ời ta lợi dụng tính chất này của transistor để làm dụng cụ khuếch đại dòng điện.Hình 4 chỉ ra đ−ờng đặc tr−ng IC= f ( IB ),( 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 M N Hình 4 : Đặc tuyến truyền đạt Ic =f (Ib) của transistor 4 transistor rất nhỏ và Transistor đ−ợc sử dụng nh− một công tắc (đóng ngắt điện ). Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đặc tính khuyếch đại cuả transistor bằng cách vẽ các đ−ờng đặc tr−ng Ic = f( IB), từ đó xác định vùng hoạt động tuyến tính và xác định đ−ợc hệ số khuếch đại dòng điện β của transistor. II - Trình tự thí nghiệm A. Vẽ đặc tr−ng 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 đ−ợc 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 tr−ng 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 tr−ng Von-Ampe của Diode phân cực thuận Hình 6b : Sơ đồ mạch điện đo đặc tr−ng Von-Ampe của Diode phân cực nghịch c. Sau khi thiết lập xong,Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện , để đ−ợc phép cắm phích điện nguồn của MC-957 vào ổ 220V. d. Tiến hành đo : Bấm công tắc K đ−a 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 t−ơng ứng của c−ờng 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 tr−ng V-A của điốt phân cực ng−ợc. 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 C N P +12V U2 A2 + V + Rc 820ς C N P Q E U1 A1 V A2 K U2 5 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 đ−a 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 t−ơng ứng của c−ờng độ dòng điện ng−ợc chỉ trên ampe kế A1 vào bảng 1. e. Vặn núm xoay của nguồn U2 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 đ−ờng đặc tr−ng IC = f ( IB ) của transistor : 1. Nguyên tắc chung : Để có thể vẽ đ−ờng đặc tr−ng IC = f ( IB ) với cùng một giá trị của UCE cần tiến hành theo trình tự sau (hình 7) . - Vẽ họ đ−ờng 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 IB = 5àA, 10àA, 15àA, 20àA. - Xác định quan hệ IC = f (Ib) ứng với cùng giá trị của hiệu thế UCE = 3V bằng cách kẻ đ−ờng thẳng song song với trục tung tại vị trí UCE = 3V, và lấy các toạ độ các giao điểm của nó với họ đ−ờng cong IC=f(UCE ). Từ đó vẽ đ−ờng đặc tr−ng IC = f ( IB ) của trandito có dạng đ−ờng thẳng OM nh− hình 7 và suy ra hệ số khuếch đại dòng điện β của trandito, có trị số bằng độ dốc tgα của đ−ờng OM . β α= =∆ ∆ 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 đ−a 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+12V I E Q 820ς PRc A2 V 100k Rb MH F C E C A1 N Hình 8 - + - + - + Ic ( mA) Uce (V)3V0Ib(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 6 Đọc và ghi giá trị hiệu thế UCE và dòng Ic t−ơng ứng ( chỉ bởi A2) vào bảng 2. Khi dòng Ic tăng v−ợt 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 t−ơng ứng vào bảng 2. Chú ý rằng khi tăng Ic , dòng Ib sẽ bị giảm, vậy cần th−ờng xuyên quan sát đồng hồ A1, điều chỉnh kịp thời giữ cho Ib không đổi. e. Vặn núm xoay của nguồn U2 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 t−ơng 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 l−u của tiếp xúc PN. 3. C−ờng 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 đ−ợc không ? Vẽ đ−ờng đặc tr−ng von - ampe của Diode và sơ đồ mạch điện để xác định đ−ờng đặc tr−ng 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 h−ởng 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 nh− vậy ? 7. Nếu transistor cần khảo sát là loại PNP thì sơ đồ mạch điện nh− trên hình 8 cần phải bố trí thay đổi nh− thế nào? 7 Báo cáo thí nghiệm Khảo sát đặc tính của diode và transistor Xác nhận của thầy giáo Tr−ờng ........................................ Lớp .....................Tổ ..................... Họ tên : ......................................... I. Mục đích thí nghiệm ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... ............. II. Kết quả thí nghiệm A. Khảo sát đ−ờng đặc tr−ng von - ampe I = f(U) của Diode : Bảng 1 Um = .................( V ) ; δV = ..................(%) Thang đo It = ............... (mA ) ; δA1 = ..................(%) In = ................(àA ) ; δA2 = ..................(%) U (V) Chiều thuận I (mA) U (V) Chiều nghịch I (mA) B. Khảo sát đ−ờng đặc tr−ng IC = f ( IB ) của Transistor : Bảng 2 Um = .................( V ) ; δV= ..................% Thang đo I1 = ............... ( àA ) ; δA1 = ..................% I2 = ................(mA ) ; δA2 = ..................% Uce (V) Ib= 5àA Ic (mA) Uce (V) Ib= 10àA Ic (mA) Uce (V) Ib= 15àA Ic (mA) Uce (V) Ib= 20àA Ic (mA) 8 3. Vẽ đồ thị đặc tr−ng Von – Ampe của Diode I = f ( U )