BÁO CÁO THỰC HÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN Bài KHẢO SÁT ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG VÔN-AMPE CỦA DIOT BÁN DẪN Nhóm: Những người nhóm: Ngày thực hành: I Lớp: TN 58 – Vật lý Tóm tắt nội dung: - II Trịnh Thị Lan Hoa Nguyễn Chí Hiến Nguyễn Thư Sinh 14 tháng 10 năm 2011 Mô tả vắn tắt nội dung thí nghiệm: Thay đổi chạy biến trở, để thay đổi điện áp đặt vào điốt, đo I chạy qua hiệu điện đầu điốt Thay đổi nhiệt độ điốt (đun nóng ), tiến hành làm thí nghiệm tương tự ta vẽ đồ thị V-A nhiệt độ khác nhau, cho biết phụ thuộc vào nhiệt độ điốt (Tiến hành với cách mắc điốt: để đo dòng đo dòng ngược.) Kết quả: Mô tả sơ lược điều kiện thực phép đo: Dòng điện chạy qua điot có giá trị nhỏ 200 (mA) Điôt đặt bình nước để điều chỉnh nhiệt độ Trình bày kết thu qua phép đo (dạng bảng biểu, đồ thị,…) Bài thực hành ta vẽ đường đặc trưng V-A phân cực thuận, không khảo sát trường hợp phân cực ngược t0C = = 290C t0C = 500C I(mA) 0,32 1,00 1,60 2,14 2,55 3,04 U(V) 0,36I(mA) 0,44 2,52 0,47 3,02 0,503,18 0,523,29 0,543,64 U(V) 0,47 0,48 0,49 0,49 0,50 0 t C = 57 C I(mA) U(V) 1,41 0,40 2,51 0,45 3,15 0,47 3,55 0,48 3,83 0,49 4,27 0,50 I(mA) U(V) 1,41 0,39 2,89 0,45 3,49 0,47 4,00 0,48 4,50 0,49 5,07 0,50 I(mA) U(V) 2,08 0,41 2,87 0,44 3,32 0,46 3,73 0,47 4,50 0,48 5,44 0,49 t0C = 640C t0C = 700C t0C = 820C I(mA) 1,96 3,06 3,50 3,96 4,85 5,37 U(V) 0,38 0,42 0,43 0,45 0,46 0,47 Nêu rõ biến cố khách quan chủ quan xảy trình đo làm ảnh hưởng đến phép đo: a Biến cố khách quan: b Biến cố chủ quan: III Thảo luận kết quả: Giải thích nội dung kết đo, biện luận để loại bỏ kết nghi ngờ: So sánh kết thực nghiệm với lý thuyết: Giải thích khác (nếu có) kết thực nghiệm so với lý thuyết so với kết đo người khác: IV Kết luận: Sử dụng phần mền Origin vẽ đường đặc trưng V-A tương ứng với nhiệt độ khác t1 = 290C t2 = 500C t3 = 570C t4 = 640C t5 = 700C Từ đặc trưng V-A ta suy giá trị I0 ứng với nhiệt độ t1 = 290C: I01 = 0.01351 mA t2 = 500C: I02 = 0.01252 mA t3 = 570C: I03 = 0.01192 mA t4 = 640C: I04 = 0.01180 mA t5 = 700C: I05 = 0.00944 mA t6 = 820C: I06 = 0.00886 mA Vẽ đường cong phụ thuộc I0 vào nhiệt độ V Trả lời câu hỏi: t6 = 820C Định nghĩa bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại n bán dẫn loại p: Bán dẫn chất có vùng hóa trị bị lấp đầy vùng dẫn hoàn toàn trống, bề rộng dải cấm vào cỡ Eg≤3(eV) Ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện điện môi, tăng nhiệt độ điện trở suất giảm mạnh theo hàm e mũ dẫn điện với loại hạt tải : electron lỗ trống  Bán dẫn tinh khiết: chất bán dẫn lẫn tạp chất Các tạp chất nguyên tử hay ion nguyên tố lạ, sai hỏng khác mạng tinh thể như: nút trống, xê dịch tinh thể biến dạng, chỗ nứt,…  Bán dẫn loại n: chất bán dẫn pha thêm lượng nhỏ tạp chất mà nguyên tử cung cấp electron tự kích thích Ví dụ: Xét trường hợp tinh thể Si có pha lượng nhỏ tạp chất nguyên tố nhóm V: Nguyên tử tạp chất thay chỗ cho nguyên tử Si, góp chung electron với nguyên tử Si xung quanh, thừa electron hóa trị liên kết yếu với nguyên tử tạp chất => nhiệt độ thấp electron bứt khỏi nguyên tử tạp chất -> electron tự Ở nút mạng lại ion dương Nguyên tử tạp chất có khả cung cấp electron gọi nguyên tử đôno Sự tạo thành electron dẫn từ nguyên tử tạp chất không kèm theo tạo thành lỗ trống T > xảy trình dẫn điện riêng => electron hạt mang điện đa số, lỗ trống hạt mạng điện thiểu số => gọi bán dẫn loại n Trên biểu đồ lượng bán dẫn loại n, vùng cấm có mức lượng đôno gần đáy vùng dẫn, cách đáy vùng dẫn khoảng Ed Khi hình thành liên kết, electron dư nằm mức đôno  Bán dẫn loại p: chất bán dẫn pha thêm lượng nhỏ tạp chất mà nguyên tử dễ dàng nhận electron mối liên kết gần tinh thể có kích thích Ví dụ: Xét trường hợp tinh thể Si có pha lượng nhỏ tạp chất nguyên tố nhóm III: Nguyên tử tạp chất thay cho nguyên tử Si mạng tinh thể, liên kết vớ nguyên tử Si xung quanh => thiếu electron => dễ dàng nhận electron mối liên kết gần làm xuất lỗ trống mối liên kết Nguyên tử tạp chất nhận electron, trở thành ion âm => ta gọi nguyên tử axepto Việc tạo thành lỗ trống có mặt nguyên tử tạp chất gây nên không kèm theo hình thành electron dẫn T > có dẫn điện riêng => mật độ lỗ trống lớn mật độ electron dẫn => gọi bán dẫn loại p Trên biểu đồ lượng bán dẫn loại p, vùng cấm có mức lượng axepto gần đỉnh vùng hóa trị, cách vùng hóa tị khoảng Ea Khi electron chuyển lên mức axepto vùng hóa trị xuất lỗ trống Giải thích hình thành điện trường tiếp xúc: Giả sử có bán dẫn mà cách đưa tạp chất vào, người ta làm cho nửa bán dẫn loại n, nửa bán dẫn loại p Giữa hai loại bán dẫn có hình thành lớp phân cách có tính chất đặc biệt, gọi lớp tiếp xúc p-n Khi có hai loại bán dẫn p n tiếp xúc có khuếch tán hạt tải điện Các hạt tải điện thuộc hai loại (electron lỗ trống) từ phần bán dẫn loại n khuếch tán sang phần bán dẫn loại p ngược lại Tuy nhiên, dòng khuếch tán chủ yếu tạo hạt tải điện Cụ thể là, electron từ phần bán dẫn loại n khuếch tán sang phần bán dẫn loại p lỗ trống từ phần bán dẫn loại p khuếch tán sang phần bán dẫn loại n kết là, phần bán dẫn loại n tích điện dương phần bán dẫn loại p tích điện âm Ở lớp phân cách hai loại bán dẫn hình thành điện trường E’ hướng từ phần n sang phần p Điện trường ngăn cản khuếch tán hạt tải điện Khi cường độ điện trường E’ đạt đến giá trị đó, xác định, khuếch tán đạt trạng thái cân động Xây dựng giải thích công thức, dạng đường đặc trưng Vôn-Ampe lớp chuyển tiếp p-n: Gọi: - - pp mật độ lỗ trống phía bên bán dẫn p pn mật độ lỗ trống phía bên bán dẫn n Ta có liên hệ sau: pn = pp Thực chất trạng thái cân động, nghĩa có trao đổi lỗ trống phía p phía n, đồng thời đơn vị thời gian có lượng lỗ trống từ p sang n từ n sang p Nếu ta gọi j hpn mật độ dòng lỗ trống chuyển động từ p sang n gây nên, j hnp mật độ dòng lỗ trống chuyển động từ n sang p gây nên, cân bằng: jhpn = jhnp Xét trường hợp: Nếu ta đặt điện áp thuận V vào lớp chuyển tiếp p – n hàng rào bị hạ thấp lượng eV, nghĩa e.( - V) Dòng lỗ trống từ n sang p coi giữ nguyên Còn dòng lỗ trống từ p sang n tăng lên nhiều, hàng rào hạ thấp phía n sát với lớp chuyển tiếp xuất lỗ trống với mật độ , gọi hạt tải điện không cân Những lỗ trống tạo thành điện tích không gian Do khoảng thời gian ngắn sau điện áp đặt vào, điện tích trung hòa electron kéo từ sâu bên bán dẫn n tới, electron bù đắp từ electron từ mạch chạy vào Như thể tích bán dẫn (bên lớp chuyển tiếp) trung hòa điện, khu vực bên phía n, gần với lớp chuyển tiếp, mật độ electron lỗ trống tăng lên lượng Mật độ lỗ trống gần lớp chuyển tiếp, bên phía n là: Ta hiểu p1 mật độ lỗ trống có mặt bán dẫn n chuyển từ phía p sang hàng rào bị hạ thấp lượng eV Vì mật độ dòng lỗ trống chuyển từ p sang n j hpn tỉ lệ với p1: jhpn ~ p1 = Mật độ dòng lỗ trống từ n sang p jhnp tỉ lệ với pn: jhnp ~ pn Hệ số tỉ lệ bao gồm điện tích lỗ trống vận tốc trung bình chuyển động có hướng lỗ trống Mật độ dòng tổng cộng lỗ trống gây nên có chiều từ p sang n có độ lớn: jh = jhpn – jhnp = jhs ( - 1) jhs đại lượng không phụ thuộc vào điện áp V Ta lí luận tương tự mật độ dòng điện chuyển động electron gây nên Kết thu biểu thức có dang trên: je = jes () Mật độ dòng tổng cộng electron lỗ trống gây nên là: j = je + js = js ( - 1) Nếu ta đặt điện áp ngược V vào lớp chuyển tiếp p –n hiệu điện làm tăng hiệu điện lớp chuyển tiếp Chuyển động hạt mang điện thiểu số tăng cường Lập luận tương tự với trường hợp điện áp thuận, ta thấy hàng rào cao trước, nên bên phía n, gần lớp chuyển tiếp, mật độ lỗ trống giảm so với trạng thái cân Nếu ta gọi mật độ p 2, p2 < pn Hàng rào phía p n có độ cao e.( - V), p2 liên hệ với pp hệ thức: Mật độ dòng lỗ trống chuyển từ p sang n là: jhpn ~ p2 = Trong đó, mật độ dòng lỗ trống từ n sang p là: jhnp ~ pn Mật độ dòng tổng cộng lỗ trống gây nên có chiều từ n sang p có độ lớn là: jh = jhnp – jhpn = jhs ( ) Ta có biểu thức tương tự cho dòng electron Có thể kết hợp kết tính toán mật độ dòng điện qua lớp chuyển tiếp trường hợp điện áp thuận điện áp ngược biểu thức: j = js ( - 1) Trong V giá trị đại số điện áp đặt vào lớp chuyển tiếp Nó có giá trị dương điện áp thuận giá trị âm điện áp ngược Dấu mật độ dòng điện j dương điện áp thuận ứng với chiều dòng điện từ p sang n ngược lại  Biểu thức cho cường độ dòng điện I qua lớp chuyển tiếp p – n có dạng: I= Is ( - 1) Biểu thức cho ta liên hệ dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp hiệu điện đặt vào lớp chuyển tiếp, nên gọi đặc trưng Vôn – Ampe lớp chuyển tiếp p-n Đoạn biểu diễn nét gián đoạn đặc tuyến vôn – ampe mô tả đánh thủng lớp chuyển tiếp Giải thích khác hai sơ đồ đo đặc trưng Vôn-Ampe: Biểu thức dòng điện phụ thuộc vào V là: I= Is ( - 1) - Nếu điện áp mắc theo chiều thuận V>0 với V không lớn Khi I = Is Với Is dòng điện hạt tải đa số nên dòng điện thuận tăng nhanh V tăng - Nếu điện áp mắc theo chiều ngược V < với V không lớn Khi độ lớn I = I s , dòng điện ngược đạt giá trị không đổi nhỏ ( Is dòng điện gây hạt mang điện thiểu số)  Tóm lại, lớp chuyển tiếp cho dòng điện lớn chạy qua điện áp mắc theo chiều thuận cho dòng điện nhỏ chạy qua điện áp mắc theo chiều ngược Trong nhiều trường hợp, dòng điện bé đến mức bỏ qua Ta nói lớp chuyển tiếp p – n có tính dẫn điện theo chiều hay có tác dụng chỉnh lưu 5 Giải thích ảnh hưởng nhiệt độ đến tính dẫn điện bán dẫn: Tính dẫn điện bán dẫn tăng nhiệt độ tăng Đó vì, bán dẫn, để tạo hạt mang điện, ta cần phải cung cấp lượng cho (ở lượng nhiệt) Bán dẫn có vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng dẫn trống hoàn toàn bề rộng vùng cấm tương đối hẹp Ở T = 0K, bán dẫn hạt mang điện tự Khi T > 0K, số electron từ đỉnh vùng hóa trị nhảy lên đáy vùng dẫn, trở thành electron tự do, làm xuất lỗ trống vùng hóa trị Nhiệt độ tăng chuyển mức lượng xảy nhiều  Số hạt tải tự bán dẫn tăng nhanh nhiệt độ tinh thể tăng Sự tăng nồng độ hạt tải lấn át cản trở chuyển động có hướng chuyển động nhiệt  Vì vậy, tính dẫn điện bán dẫn tăng nhanh theo nhiệt độ (điện trở suất tăng theo hàm e mũ) Các chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p-n: Sự đánh thủng lớp chuyển tiếp p-n xảy điện áp ngược đạt giá trị xác định gọi điện áp đánh thủng Khi đó, dòng điện ngược qua lớp chuyển tiếp p-n tăng đột ngột Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng lớp chuyển tiếp là:  Sự tỏa nhiệt tăng nhiệt độ  Sự ion hóa va chạm nguyên tử tinh thể  Sự chuyển động hạt tải điện qua hàng rào hẹp lớp chuyển tiếp nhờ hiệu ứng đường hầm Có chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p – n: - Cơ chế thác lũ: Khi điện áp ngược tăng, điện trường miền điện tích không gian tăng, hạt dẫn thiểu số bị qua điện trường có động ngày lớn, chuyển động chúng va đập với nguyên tử làm bắn điện tử lớp chúng, số điện tử tự phát sinh va chạm điện trường mạnh gia tốc, chúng tiếp tục đập vào nguyên tử làm bắn điện tử tự Hiện tượng xảy liên tục nhanh, khiến số hạt dẫn bán dẫn tăng đột ngột, điện trở suất chuyển tiếp giảm đi, dòng qua chuyển tiếp PN tăng đột ngột - Cơ chế xuyên hầm: Khi điện trường ngược tăng lên, cung cấp lượng cho điện tử lớp nguyên tử bán dẫn, điện tử có lượng đủ lớn chúng tách khỏi nguyên tử tạo thành điện tử tự do, nguyên tử bị ion hóa Nếu điện trường ngược đủ lớn tượng ion hóa xảy nhiểu dẫn đến số lượng hạt dẫn bán dẫn tăng đột ngột, làm cho dòng ngược tăng nhanh Một số điốt hoạt động dựa chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p – n: - Điốt ổn áp Zener: Dựa vào hiệu ứng đánh thủng thác lũ đánh thủng Zener - Điốt ngược, Điốt tunen: Dựa vào hiệu ứng xuyên hầm chuyển tiếp p-n pha tạp nhiều  ... thành điện trường tiếp xúc: Giả sử có bán dẫn mà cách đưa tạp chất vào, người ta làm cho nửa bán dẫn loại n, nửa bán dẫn loại p Giữa hai loại bán dẫn có hình thành lớp phân cách có tính chất đặc. .. electron từ phần bán dẫn loại n khuếch tán sang phần bán dẫn loại p lỗ trống từ phần bán dẫn loại p khuếch tán sang phần bán dẫn loại n kết là, phần bán dẫn loại n tích điện dương phần bán dẫn loại p... 0.00886 mA Vẽ đường cong phụ thuộc I0 vào nhiệt độ V Trả lời câu hỏi: t6 = 820C Định nghĩa bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại n bán dẫn loại p: Bán dẫn chất có vùng hóa trị bị lấp đầy vùng dẫn hoàn