Báo cáo thực hành vật lý chất rắn bài số 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)
=
Trường hợp 2: Phân cực thuận.

(

− 1)

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
=
ớ

(

− 1)

: 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)

0.01

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)

2.46

3.49

5.99

7.08

9.30

13.95

25.72

334.0

0

1.75

* 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)

0.05

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)

3.01

4.21

5.31

6.73

8.48

13.05

30.11

337.6

0

2.40


* Vẽ đường đặc trưng Vôn – Ampe của điôt:
0

T=32 c

35

0

T=32 c

35

30
25

Model

ExpDec1

30

Equation

y = A1*exp(-x/t
1) + y0

25

Reduced ChiSqr

6.93855E-4

Adj. R-Square

15

15

10

10

5

5

0

0

-5
100

200

300

400

500

600

Standard Error

I

y0

-0.01851

0.00577

I
I

A1
t1

2.46304E-5
-47.7524

4.14674E-7

0.05795

-5
100

700

0.99998
Value

20

I (mA)

I (mA)

20

200

300

400

U (mv)

500

600

700

U (mv)

Giá trị Io= 2,46.10-5mA , nhiệt độ t=320C

350

350

0

T=550c

300

T=55 c

300

250

250

Model

ExpDec1

Equation

y = A1*exp(-x/t1
) + y0

Reduced Chi-S
qr

200

I (mA)

I (mA)

200
150

150

100

100

50

50

0

0

-50

200

250

300

350

400

450

500

550

U (mv)

Giá trị Io= 2,46.10-25mA , nhiệt độ t=550C

600

-50
200

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

250

300

350

400

450

U (mv)

500

550

600


I
350
300

350

T=680c

300

250

250

200
150
100

Model

ExpDec1

Equation

y = A1*exp(-x/t1
) + y0

Reduced Chi-S
qr

200

I (mA)

I (mA)

T=680c

0.20501

Adj. R-Square
I
I

I

150

0.99994
Value
Standard Error
-0.59961
0.12538
0.00177
1.25851E-4
-62.39034
0.36401

y0
A1
t1

100

50
50

0

0

-50
100

200

300

400

500

600

700

-50

800

100

200

300

400

U (mv)

500

600

700

U (mv)

Giá trị Io= 0,00177mA , nhiệt độ t=680C

T=820c

350

T=820c

350

300

Model

ExpDec1

300

Equation

y = A1*exp(-x/t
1) + y0
0.20387

250

Reduced ChiSqr
Adj. R-Square

200

I

y0

I
I

A1
t1

250

I (mA)

I (mA)

200
150
100

0.99994
Value
Standard Error
-0.69616
0.12686

0.00388
-64.87004

2.17317E-4
0.31858

150
100

50

50

0
-50
100

0

200

300

400

500

600

U (mv)

Giá trị Io= 0,00388mA , nhiệt độ t=820C

700

800

-50
100

200

300

400

500

U (mv)

600

700

800

800


Đồ thị sự phụ thuộc của Io vào t

90

80

70

t0c

60

50

40

30
2,46.10-5

2,46.10-25

0,00177

0,00388

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:
=

(

− 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.


Người ta tiến hành pha các nguyên tố có 5 điện tử hóa trị (ví dụ asen (As), photpho (P)) vào
mạng tinh thể của chất bán dẫn sạch thuộc nguyên tố nhóm 4 (Si, Ge), kết quả thu được một chất
bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử (hạt đa số) gọi là chất bán dẫn loại
n.
Tuy nhiên, vẫn tồn tại cơ chế chả chất bán dẫn nền (trước khi pha tạp chất) để hình thành
từng cặp hạt dẫn tự do, nên lỗ trống cũng tham gia dẫn điện và gọi tên là hạt thiểu số. Mô hình
cấu trúc mang tinh thể của chất bán dẫn tạp loại n cho trên hình 1.8b.
Mức năng lượng của tạp chất loại n nằm trong vùng cấm và sát đáy vùng dẫn của đồ thị
năng lượng của chất bán dẫn làm nền. Điều này tạo khả năng các nguyên tử tạp chất dễ dàng bị

ion hóa giải phóng ra điện tử tự do (nhảy từ mức năng lượng tạp chất lên vùng dẫn) và làm xuất
hiện các ion dương tạp chất (là loại hạt có khối lượng lớn không di chuyển được và do đó không
tham gia vào dòng điện).
Vậy dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện tử (là loại hạt đa số) và lỗ trống (là
loại hạt thiểu số) đóng góp, việc hình thành các hạt đa số thực hiện dễ dàng trong điều kiện bình
thường với năng lượng kích thích nhỏ.
-

Chất bán dẫn tạp chất loại p:

Electron l ht ti in c bn, l trng l ht ti in c bn Nếu thực hiện pha các nguyên
tố thuộc nhóm có 3 điện tử hóa trị (ví dụ Al, Ga, B) vào mạng tinh thể Si sẽ xuất hiện các liên kết
ghép đôi bị khuyết (lỗ trống) chỉ cần kích thích một năng lượng đủ nhỏ, các nguyên tử tạp chất
sẽ bị ion hóa tạo ra các ion âm (nhận điện tử) và các lỗ trống tự do. Mô hình mạng tinh thể của
chất bán dẫn tạp loại p cho trên hình vẽ
Mức năng lượng tạp chất loại p nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo cơ hội nhảy mức ào ạt cho các
điện tử hóa trị và hình thành một cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng điện) và lỗ trống (là
hạt dẫn đa số); điện tử trong cơ chế này là hạt thiểu số.
Câu 2.
Bằng các biện pháp công nghệ đặc biệt (plana khuếch tán - Epitaxi) người ta tạo ra được 1
vùng chuyển tiếp (tiếp giáp) tính dẫn điện tử loại p sang loại n được gọi là một tiếp xúc công
nghệ p-n. Đây là một dạng tiếp xúc phi tuyến tính có tính chất dẫn điện không đối xứng theo hai
chiều điện áp đặt vào: khi chưa có tác động của trường ngoài (hình vẽ) hệ thống tiếp xúc pn ở


trạng thái cân bằng không có dòng điện qua nó. Các ion dương (bên n) và ion âm (bên p) tạo nên



một điện trường cục bộ E tx hướng từ n sang p, làm cân bằng giữa dòng điện khuếch tán (của các

hạt dẫn đa số) do chênh lệch nồng độ và dòng điện gia tốc (của các hạt dẫn thiểu số) do điện



trường nội bộ E tx .

Câu 3
Trong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng:

U
I I0 exp
1
m.U T

D n .n p D p .p n

Ln
Lp


Trong đó I0 q.s.





s diện tích tiếp xúc
q - điện tích của điện tử
Ln; Lp - độ dài khuếch tán của điện tử và lỗ trống.
U - điện áp phân cực

pn - nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại n
np - nồng độ điện tử trong bán dẫn loại p
-

Đặc tính có ba vùng rõ rệt


Khi tiếp xúc p - n phân cực thuận, qua lớp tiếp xúc p - n có dòng điện thuận. Đó là dòng các
hạt chiếm đa số khuếch tán qua lớp tiếp xúc p - n.
Vùng (1) điốt được phân cực thuận với đặc trưng dòng lớn, điện áp nhỏ, điện trở nhỏ.
Trong vùng mở (1) đặc tính có hai vùng (a) dòng thuận còn rất nhỏ và tăng yếu và (b) dòng
thuận đủ lớn tăng mạnh. Điểm điện áp giới hạn giữa hai vùng này gọi là ngưỡng điện áp mở của
điốt (Umở).
Với điốt có nguồn gốc từ vật liêu Si Umở 0,7V, từ gemanium Umở = 0,3V.

Vùng (2) điốt phân cực ngược (khóa) với đặc trưng dòng điện nhỏ, có giá trị Iròrất nhỏ
(khoảng choc A tới hàng chục mA) gần như không đổi, điện áp lớn (hàng choc tới hàng trăm
V), điện trở lớn (hàng choc nghìn ).
Vùng (3) dòng điện được tăng mạnh, điện trở nhỏ, điện áp gần như không đổi, được gọi là
vùng bị đánh thủng.
-

Trong vùng 1 và 2 đặc tính có phương trình



U
I I0 exp
m.U T

1


Với Iròlà dòng điện ngược bão hòa, m là hệsố (từ 1 tới 2); U T

kT
là điện áp nhiệt với k
q

là hằng số Botzman, q điện tích của điệntử, T nhiệt độ tuyệt đối.
Câu 4
* ở sơ đồ hình 3.5:
- Cc dng ca ngun ni vi bỏn dn p, cc õm ni vi bỏn dn n to ra in trng
ngoi ngc chiu in trng trong, sinh ra dũng thun.
-Ta cần mắc thêm điện trở R do điôt phân cực thuận ta có điện trở của điôt nhỏ do đo nếu
không có R thì dòng điện qua điôt sẽ lớn khi đó kết quả đo sẽ không chính xác.
- Ampe k c mc ngoi vỡ dũng thun l khỏ ln nờn in tr ca ampe k, vụn k
nh hng khụng ỏng k.
* ở sơ đồ 3.6:
-Cc õm ca ngun ni vi bỏn dn p, cc dng ni vi bỏn dn n to ra in trng
ngoi cựng chiu in trng trong, sinh ra dũng ngc
- Khi khảo sát dòng ngược, lúc này điện trở ngược của đi ôt sẽ rất lớn nên ta không cần
mắc R để hạn chế dòng qua điôt.
- Ampe k c mc trong vỡ dũng ngc l rt nh nờn in tr ca vụn k khi ú nh
hng khụng ỏng k.
Câu 5
Trong vùng mở (1) khiT0 = T1 - T2 = 10C thì U = U1 - U2 = -2mV nghĩa là điện áp
thuận rơ I trên điốt sẽ giảm đi 2mV khi nhiệt độ tác động lên điốt tăng lên 10C.

Trong vùng (2) khi T0 = T1 - T2 = 100C thì Irò = Irò nghĩa là dòng điện ngược chiều qua
điốt sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ mô I trường tác động lên điốt tăng lên 100C.


Câu 6
Các cơ chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p - n
Hiệu ứng đánh thủng trong vùng (3) do các nguyên nhân:
- Vì nhiệt độ, do tích lũy nhiệt gây quá nóng làm hỏng điốt, cần tránh khi sử dụng.
- Vì điện, do ion hóa vì va chạm của hạt dẫn thiểu số với nguyên tử nút mạng tinh thể chất
bán dẫn làm nền (Si); hiện tượng có tính chất thác lũ và gây đánh thủng tạm thời, khi cho điện
trường ngược chiều về 0V thì tính chất van (dẫn điện không đối xứng) của điốt được hồi phục
bình thường.
Thường gặp hiệu ứng nhiệt dương với điện áp UZ = Uđánhthủngnghĩa là

U Z
0.
T 0