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 820 và 100k .
4.Bộ dây nối mạch điện ( 9 dây )
I. Cơ sở lý thuyết
1.đặc tính chỉnh lu 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 lợng 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, tơng đơng với một hạt điện dơng 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 đợc 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 ( n
e
= n
p
= n
i
),
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 n
i
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 dơng
tạp chất. ở nhiệt độ phòng, năng lợng 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 đợc


gọi là bán dẫn loại N, có n
e

>> n
p
.
Cũng tơng 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, đợc gọi là
bán dẫn loại P. Lỗ trống chiếm đa số, là hạt dẫn
cơ bản, electron là hạt dẫn không cơ bản: n
e
<<
n
p
.
c. Tiếp xúc PN và đặc tính chỉnh lu 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 tợng 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)
Tơng 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 trờng tiếp xúc (E
tx
) hớng từ N sang P.
Điện trờng 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 ngợc chiều nhau của hai
dòng khuếch tán và trôi sẽ đi tới một trạng thái
cân bằng động : I
tr
= I
kt
và tạo nên một điện
trờng tiếp xúc E
tx
xác định, tơng ứng một hiệu
thế tiếp xúc U
tx
xác định (Hình 1a). U
tx
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
eU
II
o

Nếu chúng ta đặt 1 điện trờng 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 trờng
ngoài sẽ ngợc hớng E
tx
. Nếu E đủ lớn, nó sẽ triệt tiêu
điện trờng 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 trờng hợp này ta nói
rằng tiếp xúc p-n đợc phân cực thuận.
Ngợc lại nếu điện thế (-) đặt lên bán dẫn P và điện
thế (+) đặt lên bán dẫn N (Hình 1c) thì điện trờng ngoài
E sẽ cùng chiều E
tx
,. Điện trờng tổng hợp ( cùng chiều
E

tx )
, 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 cờng độ dòng các hạt này
nhanh chóng tăng lên đến mức bão hoà,ngời ta thờng
gọi là dòng điện ngợc bão hoà và ký hiệu là I
o.
Tuy
nhiên nồng độ các hạt dẫn không cơ bản rất nhỏ , nên
giá trị của Io chỉ vào cỡ10
-9
A. Trong trờng hợp này ta
nói tiếp xúc p-n đợc phân cực ngợc.
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 :
I
O
: cờng độ của dòng điện ngợc bão hoà.
e : điện tích của electron,
k : hằng số Boltzman,
T : nhiệt độ tuyệt đối (K)

Đồ thị I = f ( U
AK
) 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 đờng đặc trng 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 lu hay tính chất van.


d. Diode.
Tiếp xúc PN và đặc tính chỉnh lu của nó đợc
ứng dụng để tạo ra một dụng cụ bán dẫn gọi là
Diode (Đi-ốt), là dụng cụ không thể thiếu đợc
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 đợc
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 lu của Diode bằng cách vẽ đờng đặc
trng Von-Ampe I = f(U) của nó.

2
.
transistor ( Trandito) và đặc tính
khuếch đại của transistor
.

Transistor là dụng cụ bán dẫn đợc 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 đợc 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 đợc
phân cực thuận, còn lớp tiếp xúc

C-B

đợc phân cực
ngợc (hình 3c). Nhờ nguồn U
1
,tiếp xúc B-E đợc 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 đợc cực B

tạo ra dòng I
B
rất nhỏ, còn đa số các electron sẽ chuyển
đến tiếp giáp C-B và đợc điện trờng gây bởi nguồn U
2

cuốn sang miền C, tạo thành dòng I
C
khá lớn gần
bằng dòng I
E
(*). ở đây cần lu ý là tại mỗi tiếp xúc,
các hiện tợng 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 :
I
E
= I
EP
+ I
En
và I
C
= I
CP
+ I
Cn
(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 I
CP
là dòng các hạt điện không cơ bản
trong miền C đợc tính đến khi coi nh không có tiếp
xúc n-p giữa E và B, nghĩa là I
E
=0, nên ký hiệu
I
CP
= I
CB0
, Vì thế:
I
C
= I
Cn
+ I
CB0
.
Nếu ta đặt: = I
Cn
/ I
E
, từ (*) suy ra 1 ( 3 )
do vậy: I
C
=

I

E
+ I
CB0
( 4 )
Khi đó dòng emitơ I
E
sẽ là:
I
E
= I
B
+ I
C
với I
B
<< I
C
( 5 )
Thay (5) vào (4) đợc:
I
C
= (I
B
+ I
C
) + I
CB0
( 6 )
Rút ra : I
C

= (

/1-

)I
B
+ (1/1-

)I
CB0

Suy ra:

I
C
/

I
B
=

/( 1-

) =

( 7 )
Theo (3): 1, do đó

>>1. Nh thế có nghĩa là
chỉ cần I

B
thay đổi 1 lợng rất nhỏ cũng làm I
C

thay đổi một lợng rất lớn, do đó



đơc gọi là hệ
số khuếch đại dòng.


Ngời ta lợi dụng tính chất này của transistor để
làm dụng cụ khuếch đại dòng điện.Hình 4 chỉ ra
đờng đặc trng I
C
= f ( I
B
),( 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)
I
b(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 đợc 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 đờng đặc
trng I
c
= f( I
B
), từ đó xác định vùng hoạt động tuyến
tính và xác định đợc hệ số khuếch đại dòng điện



của
transistor.

II - Trình tự thí nghiệm

A. Vẽ đặc trng 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 đợc 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 U
1
,U
2
về 0

1. Vẽ đặc trng 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 A
2
chọn thang 10mA, phù hợp với
điện trở tải R= 820.
Các nguồn điện U
1
và U
2
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 trng

Von-Ampe của Diode phân cực thuận
Hình 6b : Sơ đồ mạch điện đo đặc trng
Von-Ampe của Diode phân cực nghịch


c. Sau khi thiết lập xong,Mời thầy giáo kiểm
tra mạch điện , để đợc phép cắm phích
điện nguồn của MC-957 vào ổ 220V.
d. Tiến hành đo : Bấm công tắc K đa điện
vào máy: đèn LED phát sáng.
e. Vặn từ từ núm xoay của nguồn U
2
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 tơng ứng của
cờng độ dòng điện thuận I
t
chỏ trên ampe
kế A
2
vào bảng 1.
f. Vặn núm xoay của nguồn U
2
về vị trí 0.
Bấm công tác K để ngắt điện.

2. Vẽ đặc trng V-A của điốt phân cực ngợc.
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 A
2
hoặc A
1
để có
thang đo thích hợp).Các nguồn điện U
1
và U
2


Q
Q
A1
+
V
+
Rc
820
+12V
U2
C
N P
+12V
U2
A2
+

V
+
Rc
820
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 đa điện vào máy:
đèn LED phát sáng.
Vặn từ từ núm xoay của nguồn U
2
để hiệu điện thế
U chỏ trên vôn kế V tăng dần từng 1V, từ 0 đến
10V. Đọc và ghi các giá trị tơng ứng của cờng độ
dòng điện ngợc chỉ trên ampe kế A
1
vào bảng 1.
e. Vặn núm xoay của nguồn U
2
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 đờng đặc trng I
C
= f ( I
B
) của
transistor :
1. Nguyên tắc chung :
Để có thể vẽ đờng đặc trng I
C
= f ( I
B
) với cùng một
giá trị của U
CE
cần tiến hành theo trình tự sau (hình 7) .
- Vẽ họ đờng cong I
C
= f (U
CE
) biểu diễn sự phụ
thuộc của dòng colectơ I
C
vào hiệu thế U
CE
giữa colectơ
và emitơ ứng với các giá trị không đổi của dòng badơ I
B

= 5àA, 10àA, 15àA, 20àA.

- Xác định quan hệ I
C
= f (I
b
) ứng với cùng giá trị của
hiệu thế U
CE
= 3V bằng cách kẻ đờng thẳng song song
với trục tung tại vị trí U
CE
= 3V, và lấy các toạ độ các giao
điểm của nó với họ đờng cong I
C
=f(U
CE
). Từ đó vẽ
đờng đặc trng I
C
= f ( I
B
) của trandito có dạng đờng
thẳng OM nh hình 7 và suy ra hệ số khuếch đại dòng
điện của trandito, có trị số bằng độ dốc tg của đờng
OM .


= =


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 , Điện trở
mạch Badơ chọn Rb = 50 100 k.
b. Mắc mạch điện trên mặt máy MC-95.7 theo
sơ đồ hình 8
Các nguồn điện U
t
và U
2
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 đa điện vào
máy : đèn LED phát sáng.
Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U
1
để để

thiết lập dòng badơ ( chỉ trên ampe kế A
1
) I
B
=
5àA .
Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U
2
để vôn
kế V chỉ hiệu điện thế U
CE
(giữa colectơ và
êmitơ) tăng dần từng 0,2V, từ 0 đến 1V.
NPN
B
+
12V
+12V
I E
Q
820

P
Rc
A2
V
100k
Rb M
H
F

C
E
C
A1
N

Hình 8
-
+
-
+
-
+
Ic ( mA)
Uce (V)
3V
0
I
b
(
à
A)


Hình 7 : Đặc tuyến ra Ic = f ( Uce) và đặc
tuyến truyền đạt Ic= f (I
b
)
Ib=5àA
Ib=10àA

Ib=15àA
Ib=20à
M
A