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 [ 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 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 ne >> np. 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: ne 1. Nh thế có nghĩa là chỉ cần IB thay đổi 1 lợng rất nhỏ cũng làm IC 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 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 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 Ic = f[ IB], 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 U1,U2 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 A2 chọn thang 10mA, phù hợp với điện trở tải R= 820. 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 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 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 tơng ứng của cờng 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 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 A2 hoặc A1 để có thang đo thích hợp].Các nguồn điện U1 và U2 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 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 tơng ứng của cờng độ dòng điện ngợc 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 đờng đặc trng IC = f [ IB ] của transistor : 1. Nguyên tắc chung : Để có thể vẽ đờng đặc trng IC = f [ IB ] với cùng một giá trị của UCE cần tiến hành theo trình tự sau [hình 7] . - Vẽ họ đờng 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 đờng thẳng song song với trục tung tại vị trí UCE = 3V, và lấy các toạ độ các giao điểm của nó với họ đờng cong IC=f[UCE ]. Từ đó vẽ đờng đặc trng IC = f [ IB ] 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 . = =IICBtg [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 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 đa 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. NPNB+12V+12VI EQ820PRcA2V100kRb MHFCECA1N Hình 8 - + - + - + Ic [ mA]Uce [V]3V0Ib[àA] 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