1 VLKT - ViÖn VËt lý Kü thuËt- §HBK Hµ néi. ThÝ nghiÖm vËt lý- BKE-090 Kh¶o s¸t ®Æc tÝnh cña diode vµ transistor Dông cô: 1. Bé thÝ nghiÖm VËt lý MC - 957. 2. Mét Diode vµ mét Transistor npn. 3. Hai ®iÖn trë 820Ω vµ 100k Ω. 4.Bé d©y nèi m¹ch ®iÖn ( 9 d©y ) I. C¬ së lý thuyÕt 1.®Æc tÝnh chØnh l−u cña Diode b¸n dÉn. a. TÝnh dÉn ®iÖn cña b¸n dÉn tinh khiÕt : C¸c nguyªn tö Silic (Si), German( Ge)... cã 4 electron ë líp ngoµi cïng, khi kÕt tinh, chóng liªn kÕt víi nhau bëi 4 ®«i electron gãp chung víi 4 nguyªn tö l¸ng giÒng, gäi lµ liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ. V× vËy ë nhiÖt ®é thÊp, c¸c tinh thÓ Ge, Si... tinh khiÕt kh«ng cã c¸c electron tù do, chóng lµ nh÷ng chÊt c¸ch ®iÖn. Tuy nhiªn, ë nhiÖt ®é cao, n¨ng l−îng chuyÓn ®éng nhiÖt ®ñ cho mét sè electron bøt ra khái mèi liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ, trë thµnh electron tù do, vµ ®Ó l¹i ë nguyªn tö mét lç trèng p, t−¬ng ®−¬ng víi mét h¹t ®iÖn d−¬ng mang ®iÖn tÝch +e . Lç trèng nµy nh− mét c¸i bÉy, cã thÓ b¾t electron cña nguyªn tö bªn c¹nh vµ t¹o ra mét lç trèng míi. C¬ chÕ nµy cho phÐp c¸c lç trèng cã thÓ di chuyÓn tù do trong tinh thÓ nªn lç trèng ®−îc gäi lµ c¸c lç trèng tù do. Nh− vËy, nhê qu¸ tr×nh ion ho¸ v× nhiÖt, hai lo¹i h¹t mang ®iÖn tù do e vµ p ®ång thêi xuÊt hiÖn trong chÊt b¸n dÉn, víi nång ®é b»ng nhau ( ne = np = ni ), cïng tham gia vµo qu¸ tr×nh dÉn ®iÖn. ë nhiÖt ®é phßng, qu¸ tr×nh ion ho¸ v× nhiÖt cña c¸c b¸n dÉn tinh khiÕt x¶y ra yÕu, nång ®é ni rÊt nhá, ®iÖn trë suÊt cña chóng kh¸ lín . b. B¸n dÉn t¹p chÊt Khi pha t¹p c¸c nguyªn tö thuéc nhãm 5, ch¼ng h¹n nh− Arsenic (As ) vµo tinh thÓ Silic , 4 trong sè 5 electron líp ngoµi cïng cña nguyªn tö As liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ víi 4 nguyªn tö Silic xung quanh, cßn l¹i 1 electron liªn kÕt yÕu víi h¹t nh©n As, dÔ bÞ bøt ra khái As trë thµnh electron tù do vµ As trë thµnh 1 ion d−¬ng t¹p chÊt. ë nhiÖt ®é phßng, n¨ng l−îng nhiÖt ®ñ ®Ó ion ho¸ toµn bé c¸c nguyªn tö t¹p As trong m¹ng tinh thÓ Si, t¹o ra rÊt nhiÒu electron tù do, e chiÕm ®a sè trë thµnh h¹t dÉn c¬ b¶n, lç trèng chiÕm thiÓu sè trë thµnh lo¹i h¹t dÉn kh«ng c¬ b¶n, b¸n dÉn pha t¹p As ®−îc gäi lµ b¸n dÉn lo¹i N, cã ne >> np. Còng t−¬ng tù nh− thÕ, nÕu ta pha t¹p vµo tinh thÓ Silic c¸c nguyªn tö thuéc nhãm 3, ch¼ng h¹n Gallium ( Ga), chØ cã 3 electron líp ngoµi cïng. Khi liªn kÕt víi 4 nguyªn tö Si xung quanh, Ga bÞ thiÕu 1 electron , t¹o ra mét nót khuyÕt, hay mét lç trèng liªn kÕt. Nã cã thÓ b¾t mét electron cña nguyªn tö Si ë xung quanh, trë thµnh mét ion ©m Ga t¹p chÊt, vµ t¹o ra mét lç trèng tù do. B¸n dÉn trë nªn giµu lç trèng tù do, ®−îc gäi lµ b¸n dÉn lo¹i P. Lç trèng chiÕm ®a sè, lµ h¹t dÉn c¬ b¶n, electron lµ h¹t dÉn kh«ng c¬ b¶n: ne << np. c. TiÕp xóc PN vµ ®Æc tÝnh chØnh l−u cña Diode b¸n dÉn Khi cho hai b¸n dÉn lo¹i P vµ lo¹i N tiÕp xóc víi nhau, t¹i miÒn tiÕp xóc, do cã sù chªnh lÖch lín vÒ nång ®é c¸c h¹t dÉn cïng lo¹i gi÷a hai bªn mµ x¶y ra hiÖn t−îng khuÕch t¸n cña c¸c h¹t dÉn c¬ b¶n tõ miÒn nµy sang miÒn kia, lç trèng tõ miÒn P sang N vµ electron tõ N sang P. Khi di chuyÓn sang P, electron sÏ t¸i hîp víi lç trèng ë bªn P ®ång thêi ®Ó l¹i bªn b¸n dÉn N c¸c ion (+) t¹p chÊt, h×nh thµnh nªn vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian (+),gäi lµ ‘vïng nghÌo’ ( thiÕu h¹t dÉn c¬ b¶n lµ e) T−¬ng tù nh− thÕ khi lç trèng di chuyÓn sang bªn N sÏ còng t¹o ra vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian(-) bªn b¸n dÉn P. KÕt qu¶ lµ mét líp ‘®Þªn tÝch kÐp’ xuÊt hiÖn ë l©n cËn hai bªn mÆt tiÕp xóc, h×nh thµnh nªn mét ®iÖn tr−êng tiÕp xóc (Etx) h−íng tõ N sang P. §iÖn tr−êng nµy ng¨n c¶n chuyÓn ®éng khuÕch t¸n cña c¸c h¹t dÉn c¬ b¶n , mÆt kh¸c nã l¹i gia tèc cho chuyÓn ®éng cña c¸c h¹t dÉn kh«ng c¬ b¶n ®i qua tiÕp xóc PN, cßn gäi lµ chuyÓn ®éng ‘tr«i’. ChuyÓn ®éng ng−îc chiÒu nhau cña hai dßng “khuÕch t¸n” vµ “tr«i” sÏ ®i tíi mét tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng : Itr = Ikt vµ t¹o nªn mét ®iÖn tr−êng tiÕp xóc Etx x¸c ®Þnh, t−¬ng øng mét hiÖu thÕ tiÕp xóc Utx x¸c ®Þnh (H×nh 1a). Utx vµo cì 0.3V ®èi víi b¸n dÉn lµm tõ Ge, vµ 0,6V ®èi víi b¸n dÉn lµm tõ Si.