Hướng dẫn thực hành Vật lí chất rắn

Chia sẻ: Bạch Nhược Đông | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hướng dẫn thực hành Vật lí chất rắn có nội dung trình bày về khảo sát tính chất của đầu độ Hall bán dẫn, khảo sát đường đặc trưng Von - Ampe của điốt bán dẫn, đường cong từ trễ của sắt từ, xác định nhiệt độ curie của ferit từ, khảo sát và lập đường cong chuẩn của máy đơn sắc, khảo sát transistor và tạo thiên áp cho transistor,... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hướng dẫn thực hành Vật lí chất rắn

BỘ MỘN VẬT LÍ CHẬT RẬN – ĐÍỆ N TỬ KHỘẬ VẬT LÍ HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH VẬT LÍ CHẤT RẮN (Tài liệu lưu hành nội bộ) Hà Nội, 2020
MỤC LỤC Bài 1. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA ĐẦU ĐO HALL BÁN DẪN ................................... 5 1.1. MỤC ĐÍCH............................................................................................................ 5 1.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT .................................................................................................5 1.2.1. Hiệu ứng Hall trong kim loại ............................................................................... 5 1.2.2. Hiệu ứng Hall trong bán dẫn ............................................................................... 6 1.2.3. Phương pháp đo Van der Pauw .......................................................................... 7 1.3. THỰC HÀNH......................................................................................................... 9 1.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm ............................................................................ 9 1.3.2. Nhiệm vụ thực hành ......................................................................................... 10 Bài 2. KHẢO SÁT ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG VÔN-AMPE CỦA ĐIỐT BÁN DẪN............ 12 2.1. MỤC ĐÍCH.......................................................................................................... 12 2.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT ............................................................................................... 12 2.2.1. Lớp chuyển tiếp p-n .......................................................................................... 12 2.2.2. Đặc trưng Von - Ampe của điốt ........................................................................ 15 2.2.3. Các loại điốt chính và ứng dụng. ....................................................................... 16 2.3. THỰC HÀNH....................................................................................................... 17 2.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm .......................................................................... 17 2.3.2. Nhiệm vụ thực hành ......................................................................................... 18 2.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG............................................................................................ 20 Bài 3. ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ CỦA SẮT TỪ ......................................................... 21 3.1. MỤC ĐÍCH.......................................................................................................... 21 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 21 3.2.1. Vật liệu sắt từ .................................................................................................... 21 3.2.2. Các thông số từ được xác định từ đường cong từ trễ ...................................... 23 3.3. THỰC HÀNH....................................................................................................... 25 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................ 25 3.3.2. Nhiệm vụ thực hành ......................................................................................... 25 3.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG............................................................................................ 29 Bài 4. XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CURIE CỦA FERIT TỪ ................................................ 30 4.1. MỤC ĐÍCH.......................................................................................................... 30 4.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 30 4.2.1. Vật liệu sắt từ và nhiệt độ Curie ....................................................................... 30 2
4.2.2. Mạch từ và từ trở.............................................................................................. 31 4.3. THỰC HÀNH....................................................................................................... 32 4.3.1. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................ 32 4.3.2. Nhiệm vụ thực hành ......................................................................................... 34 4.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG............................................................................................ 35 Bài 5. KHẢO SÁT VÀ LẬP ĐƯỜNG CONG CHUẨN CỦA MÁY ĐƠN SẮC ................. 36 5.1. MỤC ĐÍCH.......................................................................................................... 36 5.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT ............................................................................................... 36 5.3. THỰC HÀNH....................................................................................................... 38 5.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG............................................................................................ 39 Bài 6. KHẢO SÁT TRANSISTOR VÀ TẠO THIÊN ÁP CHO TRANSISTOR ................... 40 6.1. MỤC ĐÍCH.......................................................................................................... 40 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 40 6.3. THỰC HÀNH....................................................................................................... 40 6.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm .......................................................................... 40 6.3.2. Nhiệm vụ thực hành ......................................................................................... 41 6.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG............................................................................................ 42 Bài 7. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR MẮC EC ...................................... 43 7.1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM ...................................................................................... 43 7.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 43 7.3. THỰC HÀNH....................................................................................................... 47 7.3.1. Dụng cụ và sơ đồ thí nghiệm ............................................................................ 47 7.3.2. Nhiệm vụ thực hành ......................................................................................... 47 7.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG............................................................................................ 48 Bài 8. THIẾT KẾ MẠCH TẠO DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG TRANSISTOR ................... 49 8.1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM ...................................................................................... 49 8.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 49 8.3. THỰC HÀNH....................................................................................................... 51 8.3.1. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................ 51 8.3.2. Nhiệm vụ thực hành ......................................................................................... 52 8.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG............................................................................................ 53 PHỤ LỤC I: QUI CÁCH LƯU DỮ LIỆU ......................................................................... 54 PHỤ LỤC II: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH VẼ ĐỒ THỊ ORIGIN ................. 55 PHỤ LỤC III: NỘI QUY PHÒNG THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH ......................................... 60 3
4
Bài 1. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦẬ ĐẦU ĐỘ HALL BÁN DẪN 1.1. MỤC ĐÍCH • Nắm được lý thuyết hiệu ứng Hall. • Nắm được phương pháp đo Van Der Pauw. • Thực hành đo hệ số Hall. 1.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.2.1. Hiệu ứng Hall trong kim loại Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lí làm xuất hiện hiệu điện thế trên hai cạnh đối diện của một vật dẫn có dạng mặt phẳng khi áp dụng một từ trường vuông góc với bề mặt vật dẫn đang có dòng điện chạy qua (Hình 1). Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn. ⃗⃗ sẽ chịu Giả sử có một hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc 𝑣⃗ trong từ trường 𝐵 tác dụng của lực Lorentz 𝐹⃗ = 𝑞[𝑣⃗ × 𝐵 ⃗⃗ ]. Nếu hướng của 𝑣⃗ vuông góc với 𝐵 ⃗⃗ thì dưới tác dụng của lực Lorentz sẽ xảy ra sự lệch của các hạt mang theo phương vuông góc với 𝑣⃗ ⃗⃗ , do đó sẽ xuất hiện sự phân bố điện tích không gian và xuất hiện điện trường 𝐸⃗⃗ và 𝐵 ⃗⃗ . Trong trạng thái dừng, lực điện trường 𝑞𝐸⃗⃗ tác dụng lên hạt mang vuông góc với 𝑣⃗ và 𝐵 điện cân bằng với lực Lorentz: 𝐹⃗ = 𝑞𝐸⃗⃗ = 𝑞[𝑣⃗ × 𝐵 ⃗⃗]. (1) Hình 1: Sơ đồ giải thích hiệu ứng Hall 5
Xét trường hợp trên Hình 1: nếu hạt tải là electron mang điện âm có nồng độ là n thì điện trường do chúng tạo ra sẽ được biểu diễn qua mật độ dòng j: 𝑗𝐵 𝐸𝑧 = − 𝑛𝑒 = 𝑅𝑗𝐵 (2) 1 Trong công thức (2): hệ số 𝑅 = − 𝑛𝑒 được gọi là hệ số Hall (lưu ý: e trong công thức này là đại lượng dương có giá trị 1,6.10-19 C). 1.2.2. Hiệu ứng Hall trong bán dẫn Xét một dòng điện có mật độ dòng điện j chạy qua một mẫu bán dẫn hình hộp chữ nhật có chiều dày d. Một từ trường cảm ứng từ B đặt vuông góc với j và vuông góc với bản vật dẫn (Hình 1). Trong bán dẫn luôn tồn tại hai loại hạt mang điện electron và lỗ trống. Mật độ dòng electron và lỗ trống được xác định: je = - neve, jh = pevh (3) Trong đó n, p là nồng độ của electron và lỗ trống trong bán dẫn; ve, vp là vận tốc chuyển động có hướng của electron và lỗ trống trong bán dẫn, trong công thức này e độ lớn của điện tích nguyên tố mang giá trị dương. Như trên đã trình bày, sự chuyển động của các hạt mang điện trong từ trường sẽ dẫn đến sự xuất hiện một điện trường E bên trong mẫu. Trong trường hợp của electron ta có: ve = -e(E + veB) (4) Khi B = By như Hình 1, mật độ dòng electron theo các hướng x và z được xác định: jex = nee ( Ex –  e EzB) (5) jez = ne e ( Ez + eExB) (6) Xét trường hợp khi cả electron và lỗ trống tham gia đồng thời vào sự dẫn điện trong bán dẫn ta có: 6
j = je + jh (7) jx = (nee + peh)Ex + (-nee2 + peh2) EzB (8) jz = (nee + peh) Ez + (nee2 - peh2) ExB (9) Do dòng điện chỉ chạy theo phương x vậy jz = 0 Ta có: Ez = (-nee2 + peh2) ExB/(nee + peh) (10) Thay (10) vào (8) ta được: 𝑗𝑥 𝐸𝑥 = 𝑛𝑒𝜇 (11) 𝑒 +𝑝𝑒𝜇ℎ 2 (−𝑛𝑒𝜇𝑒2 +𝑝𝑒𝜇ℎ )𝑗𝑥 𝐵 𝐸𝑧 = (12) (𝑛𝑒𝜇𝑒 +𝑝𝑒𝜇ℎ )2 Mặt khác: E = RjB 2 𝑝𝜇ℎ −𝑛𝜇𝑒2 Nên 𝑅 = 𝑒(𝑛𝜇 2 (13) 𝑒 +𝑝𝜇ℎ ) Trong trường hợp chỉ có một loại hạt tải 1 𝑅 = − 𝑛𝑒 (đối với điện tử) (14a) 1 và 𝑅 = 𝑝𝑒 (đối với lỗ trống) (14b) Như vậy, dấu của hệ số Hall phụ thuộc vào biểu thức: 𝑝𝜇ℎ2 − 𝑛𝜇𝑒2 (15) 1.2.3. Phương pháp đo Van der Pauw Giả sử một mẫu phẳng có chiều dày d có 4 tiếp điểm (A, B, C, D) như Hình 2. Cho dòng IAB chạy qua AB, lúc đó sẽ có sụt thế VDC giữa D và C. Điện trở của mẫu được định nghĩa theo công thức: RAB,CD = VDC/IAB (16) 7
Tương tự, nếu cấp dòng IBC thì ta có sụt thế VAD, lúc này điện trở của mẫu sẽ được xác định: RBC,DA = VAD/IBC (17) Hình 2: Sơ đồ phép đo theo phương pháp Van der Pauw Van der Pauw đã chứng minh rằng điện trở suất của mẫu tuân theo phương trình: 𝜋𝑑 (𝑅𝐴𝐵,𝐶𝐷 +𝑅𝐵𝐶,𝐷𝐴 ) 𝜌 = 𝑙𝑛2 𝑓 (18) 2 f là một hàm cho trước của RAB,CD/ RBC,DA RAB,CD − RBC ,DA ln 2 RAB,CD − RBC ,DA 4 (ln 2) 2 (ln 2) 3 f  1− ( ) 2 −( ){ − } RAB,CD + RBC ,DA 2 RAB,CD + RBC ,DA 4 12 Một số giá trị của f tương ứng với RAB,CD/ RBC,DA được ghi trong Bảng 1. Bảng 1: Một số giá trị của hàm f f 1 0.95 0.81 0.69 0.59 0.46 RAB,CD/RBC,DA 1 2 5 10 20 50 Để xác định hệ số Hall, ta sử dụng công thức: d RH = RAC , BD B (cấp dòng qua AC, đo thế BD để tính điện trở). Tuy nhiên do có sự chênh lệch điện áp giữa B và D ngay cả khi từ trường B = 0. Nên RAC,BD được xác định như sau: 8
U BD ( B  0 ) − U BD ( B = 0 )  RAC , BD =  (19) I AC Cuối cùng ta có d d RH = RAC , BD = U BD ( B  0 ) − U BD ( B = 0 )  BI AC  (20) B 1 Từ (20) có thể tính được nồng độ hạt mang điện n = , độ linh động của hạt RH .e 1 𝑚 tải  = và thời gian hồi phục của hạt tải 𝜏 = 𝜌.𝑒𝑒 𝑅𝐻 . RH . 1.3. THỰC HÀNH 1.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm 1. Nam châm điện 2. Vôn kế và ampe kế 1 3. Nguồn một chiều 3 2 Hình 3: Hệ đo Hall được sử dụng trong bài thí nghiệm Đầu đo Hall được khảo sát trong bài thí nghiệm này là một linh kiện bán dẫn có 4 đầu ra được mắc theo phương pháp Van der Pawn. Hình 3 trình bày hệ đo Hall thực nghiệm. Hệ đo gồm một nam châm điện (1) được nuôi bằng nguồn một chiều có dòng cực đại là 8A, khi đó từ trường của nam châm đạt được là 0,6 T. Mẫu bán dẫn được đặt giữa hai cực của nam châm có thể di chuyển theo phương nằm ngang (Chú ý: Không dịch chuyển mẫu). Các tiếp điểm trên mẫu được 9
nối ra ngoài qua các dây dẫn. Nguồn điện một chiều (3) dùng để cấp dòng điện qua đầu Hall. Các ampe kế và vôn kế (2) để xác định chính xác cường độ dòng điện và hiệu điện thế Hall. 1.3.2. Nhiệm vụ thực hành Nhiệm vụ 1: Xác định sự đối xứng của đầu đo Hall Mắc sơ đồ đo theo phương pháp Van der Pauw (Hình 4). Chú ý: Màu sắc của dây nối tương ứng với các tiếp điểm như sau: A: Dây đen B: Dây trắng C: Dây vàng D: Dây xanh a. Mắc mạch điện theo sơ đồ bên trái của Hình 4. Thay đổi giá trị của điện áp, đo các giá trị tương ứng của 𝑉𝐷𝐶 và 𝐼𝐴𝐵 và ghi vào bảng dữ liệu trong phiếu trả lời. b. Tính giá trị của điện trở 𝑅𝐴𝐵,𝐶𝐷 . c. Mắc mạch điện theo sơ đồ bên phải của Hình 4. Thay đổi giá trị của điện áp, đo các giá trị tương ứng của 𝑉𝐴𝐷 và 𝐼𝐵𝐶 và ghi vào bảng dữ liệu trong phiếu trả lời. d. Tính giá trị của điện trở 𝑅𝐵𝐶,𝐷𝐴 . e. Tính hệ số f của mẫu. Hình 4: Sơ đồ mạch đo điện trở suất mắc theo phương pháp Van Der Pauw. Mạch bên trái đo RAB,CD; bên phải đo RBC,DA Nhiệm vụ 2: Khảo sát hiệu điện thế Hall theo từ trường và dòng điện Trong phần này sinh viên có thể sử dụng sơ đồ bên trái hoặc bên phải Hình 5: 10
Hình 5: Sơ đồ mạch đo hệ số Hall Cường độ từ trường của nam châm phụ thuộc vào cường độ dòng điện qua nam châm theo các giá trị được cho trong bảng dưới đây: (chú ý không đặt dòng qua nam châm điện quá 6 A) I (A) 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 B (T) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.60 a. Vẽ đồ thị B theo I sau đó tuyến tính hoá và đưa ra phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa B(T) và I(A). b. Chứng minh rằng khi I và B cố định thì hiệu điện thế Hall tỉ lệ nghịch với chiều dầy của mẫu. c. Chỉ rõ các đại lượng sẽ khảo sát và ghi tên các đại lượng này lên bảng dữ liệu. d. Giữ cố định giá trị từ trường, bắt đầu với từ trường B=0T hãy lập bảng dữ liệu hiệu điện thế Hall theo dòng điện qua mẫu. e. Vẽ trên giấy đồ thị sự phụ thuộc của UHall theo I và xác định hệ số góc với các giá trị từ trường khác nhau. f. Giữ cố định giá trị cường độ dòng qua mẫu, lập bảng dữ liệu hiệu điện thế Hall theo từ trường của nam châm. g. Vẽ trên giấy đồ thị sự phụ thuộc của UHall theo từ trường ngoài và xác định hệ số góc với các giá trị cường độ dòng điện khác nhau. 11
Bài 2. KHẢỘ SÁT ĐỬỜNG ĐẶC TRỬNG VÔN-AMPE CỦA ĐÍỐT BÁN DẪN 2.1. MỤC ĐÍCH • Cung cấp kiến thức về cơ chế hoạt động lớp tiếp xúc p-n của điốt bán dẫn và một số loại điốt bán dẫn cơ bản. • Tìm hiểu đường đặc trưng Vôn-Ampe của điốt bán dẫn ở các nhiệt độ khác nhau. 2.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.2.1. Lớp chuyển tiếp p-n a. Điện trường ngoài bằng không Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n trong trường hợp không có điện trường ngoài được trình bày trên Hình 1. Hình 1: Lớp tiếp xúc p-n trong trường hợp không có điện trường ngoài. 𝑛𝑛 : nồng độ điện tử của mẫu n 𝑝𝑛 : nồng độ điện tử của mẫu p 𝑛𝑝 : nồng độ lỗ trống của mẫu n 𝑝𝑝 : nồng độ lỗ trống của mẫu p 12
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. Cụ thể, do 𝑛𝑛 > 𝑛𝑝 nên các electron từ n khuếch tán sang p và 𝑝𝑝 > 𝑛𝑝 và các lỗ trống khuếch tán từ p sang n. Do đó, có sự xuất hiện của một vùng ở hai bên lớp chuyển tiếp trong đó chỉ có những ion âm của những nguyên tử nhận trong vùng p và những ion dương của nguyên tử cho trong vùng n. Các ion dương và âm này tạo ra một điện trường 𝐸𝑖 chống lại sự khuếch tán của các hạt điện, nghĩa là điện trường 𝐸𝑖 sẽ tạo ra một dòng điện 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 động: vùng điện tích không gian không mở rộng thêm nữa. Tương ứng với điện trường 𝐸𝑖 , ta có một điện thế 𝑉𝑜 ở hai bên mặt lớp chuyển tiếp, 𝑉𝑜 được gọi là rào điện thế. Thông thường giá trị của rào thế: 𝑉𝑜 ≈ 0.7 𝑉 đối với lớp tiếp xúc p-n của Si và 𝑉𝑜 ≈ 0.3 𝑉 đối với lớp tiếp xúc p-n của bán dẫn nền Ge. Với các bán dẫn hai thành phần từ Gallium như GaAs, GaP, GaAsP, rào thế 𝑉𝑜 thay đổi từ 1,2 V đến 1,8 V. b. Điện trường ngoài khác không Trường hợp 1: Phân cực ngược Hình 2: Sơ đồ đặt điện trường ngoài để phân cực ngược cho lớp tiếp xúc p-n 13
Điện áp ngoài được đưa vào sao cho cực âm của nguồn nối với phía bán dẫn p, cực dương nối với phía bán dẫn n (Hình 2). Khi đó điện trường ngoài cùng chiều điện trường trong của lớp chuyển tiếp, làm tăng hiệu điện thế của lớp chuyển tiếp, cản trở chuyển động của các hạt mang điện cơ bản và tăng cường chuyển động của hạt mang điện thiểu số. Tuy nhiên, dưới tác dụng của nhiệt, một số ít điện tử và lỗ trống được sinh ra trong vùng hiếm tạo ra một dòng điện có chiều từ vùng n sang vùng p. Vì điện tử và lỗ trống sinh ra ít nên dòng điện ngược rất nhỏ, khoảng vài chục 𝜇𝐴; dòng điện ngược này là một hàm của nhiệt độ. Lúc này, dòng điện dòng toàn phần qua lớp chuyển tiếp p-n được xác định: 𝐼𝑛𝑔 = 𝐼𝑜 (𝑒 −𝑒𝑉/𝑘𝑇 − 1) (1) 𝐼𝑜 : dòng bão hòa, 𝑉: điện thế ngoài đặt vào. Ở nhiệt độ phòng khi hiệu điện thế ngoài khoảng vài phần mười vôn thì 𝑉 đã lớn hơn kT rất nhiều nên có thể coi 𝐼𝑛𝑔 ≈ 𝐼𝑜 . Trong trường hợp này 𝑉 được gọi là thế phân cực ngược và 𝐼𝑛𝑔 được gọi là dòng ngược. Trường hợp 2: Phân cực thuận Hình 3: Sơ đồ đặt điện trường ngoài để phân cực thuận cho lớp tiếp xúc p-n Điện thế ngoài được mắc sao cho cực âm nối với phía bán dẫn n, cực dương với bán dẫn p (Hình 3). Điện trường do nguồn điện ngoài gây ra ngược chiều với điện trường 14
trong, làm giảm hiệu điện thế của lớp chuyển tiếp. Do đó, chuyển động của các hạt mang điện đa số được tăng cường và chuyển động của các hạt mạng điện thiểu số bị ngăn cản. Dòng toàn phần qua lớp chuyển tiếp được xác định: eV Ith = I 0 (e KT − 1) (2) Từ (1) và (2) ta có thể viết một cách tổng quát I = Io (eeV/kT -1) (3) Trong trường hợp phân cực thuận, 𝑉 > 0 và trong trường hợp phân cực ngược 𝑉 < 0. Do mật độ hạt tải không cơ bản rất nhỏ so với hạt tải cơ bản nên 𝐼𝑛𝑔 < 𝐼𝑡ℎ , và trong một số trường hợp có thể coi 𝐼𝑛𝑔 ≈ 0. Đó chính là đặc tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p-n. 2.2.2. Đặc trưng Von - Ampe của điốt Đường đặc trưng von-ampe của điốt bán dẫn là một đường cong biểu thị mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế đặt vào điốt. Điốt hoạt động dựa vào lớp chuyển tiếp p-n nên khi đặt một điện áp ngoài U vào hai đầu của điốt thì dòng điện qua điốt là: 𝑞.𝑈 𝐼𝐷 = 𝐼𝑆 (𝑒 𝑛𝑘𝑇 − 1) (4) Trong đó: • ID là dòng điện qua điốt. • IS là dòng nhiệt điện nó phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. • n là hệ số phẩm chất của điốt • U là hiệu điện thế đặt vào điốt theo chiều thuận. • q là điện tích electron Dòng nhiệt điện là dòng điện gây ra bởi chuyển động nhiệt của electron ở lớp tiếp xúc p-n: 𝐸𝑔 2 𝐾𝑇 𝐼𝑆 = 𝐴𝑇 𝑒 15
A là một hằng số nó phụ thuộc vào mặt tiếp xúc và tính chất của vật liệu cấu tạo lớp tiếp xúc. Eg là độ rộng năng lượng vùng cấm của lớp tiếp xúc p-n. T là nhiệt độ lớp tiếp xúc p-n. Đường đặc trưng I - V của điốt bán dẫn tuân theo phương trình (4) được mô tả trên Hình 4. Hình 4: Đường đặc trưng I-V của điốt bán dẫn 2.2.3. Các loại điốt chính và ứng dụng. * Điốt mặt và điốt điểm - Trong điốt mặt lớp chuyển tiếp p-n có một diện tích tương đối lớn, do đó chúng hoạt động với dòng điện lớn thường được dùng để chỉnh lưu dòng điện. - Đối với điốt điểm lớp chuyển tiếp p-n có một diện tích rất bé mà ta có thể xem như một điểm. Hoạt động của điốt điểm là do hiện tượng tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn. Chúng chỉ hoạt động được với dòng điện bé, thường được dùng để tách sóng 16
* Điốt ổn áp: là điốt dùng để ổn định điện áp dựa vào nguyên lý đánh thủng đối xứng của điốt. 2.3. THỰC HÀNH 2.3.1. Thiết bị và sơ đồ thực nghiệm Thiết bị của thí nghiệm được chỉ ra trên Hình 5. Hình 5: Các thiết bị chính của bộ thí nghiệm: Nguồn một chiều ổn định, bộ chiết áp, Ampe kế, Vôn kế, Điốt, dây nối, bể ổn nhiệt Để thay đổi nhiệt độ của bể ổn nhiệt, ta thực hiện theo các bước sau: 1. Bật nguồn, đèn nguồn sẽ sáng. 2. Bấm nút có biểu tượng để chọn chức năng đặt nhiệt độ. Khi đó đèn trên biểu tượng: sẽ phát sang mầu xanh 3. Bấm nút có biểu tượng hoặc để tăng hoặc giảm nhiệt độ cần đặt. 4. Bấm nút có biểu tượng để xác lập nhiệt độ cần đặt. 17
5. Bấm nút “start/stop” bắt đầu gia nhiệt. Lúc này, đèn cạnh biểu tượng: sẽ sáng mầu xanh. Chờ đến khi nào nhiệt độ đạt giá trị mong muốn rồi tiến hành đo. Hình 6: Mặt điều khiển bể nhiệt 2.3.2. Nhiệm vụ thực hành Mắc sơ đồ mạch điện để khảo sát dòng thuận của điốt như trên Hình 7. Tìm hiểu, xác định các thông số của nguồn, dụng cụ đo điện, kiểm tra lượng nước trong bể nhiệt. Đặc biệt chú ý cách nối cặp nhiệt tới đồng hồ đo, thang đo của ampe kế với mỗi mạch đo, chú ý các giới hạn an toàn… Nhiệm vụ 1: Xác định hệ số phẩm chất của điốt (n) Để xác định được hệ số phẩm chất n, chúng ta cần ổn định nhiệt độ của bình điều nhiệt và điốt bằng cách đổ nước ở nhiệt độ phòng vào bình điều nhiệt và nhúng điốt ngập trong nước; khi đó coi nhiệt độ của lớp tiếp xúc bằng nhiệt độ bình điều nhiệt nên làm thí nghiệm với dòng điện nhỏ không quá 1,5mA. a. Từ phương trình (4), thành lập biểu thức tuyến tính hoá để tìm giá trị của n Xử dụng hai đồng hồ để khảo sát đặc tuyến I-V của điốt. 18
A V Hình 7: Sơ đồ mạch điện khảo sát dòng thuận của điốt b. Lập bảng giá trị của đặc tuyến I-V trên phần mềm Origin. Ghi lại file dữ liệu (file Origin) và ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời. c. Vẽ lại đặc tuyến I-V của điốt trên phần mềm Origin. Xử lí và hoàn thiện hình ảnh (chú thích tên trục, đơn vị,…) và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). d. Tuyến tính hoá kết quả đo theo biểu thức đã thành lập, vẽ đồ thị và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). e. Tính giá trị của n và sai số mắc phải? Cho rằng sai số của bình điều nhiệt là 1oC và sai số của đồng hồ đo điện là 2 lần độ chia nhỏ nhất của thang đo đó. Nhiệm vụ 2: Xác định đặc tuyến I-V theo nhiệt độ Lặp lại thí nghiệm trên ở các nhiệt độ khác nhau, chú ý nên làm từ nhiệt độ thấp lên nhiệt độ cao. Với mỗi nhiệt độ được khảo sát: a. Lập bảng giá trị của đặc tuyến I-V trên phần mềm Origin. Ghi lại file dữ liệu khi kết thúc quá trình đo và ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời. b. Vẽ lại đặc tuyến I-V của điốt ở các nhiệt độ khác nhau trên cùng một đồ thị. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). c. Sử dụng phần mềm Origin để xác định Is ở các nhiệt độ khác nhau từ đó vẽ đường cong sự phụ thuộc của Is vào nhiệt độ. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). d. Thành lập biểu thức xác định giá trị vùng cấm Eg theo Is. e. Dựa vào dữ liệu thực nghiệm, hãy tính giá trị Eg mà không cần tính sai số. 19
Nhiệm vụ 3: Sử dụng điốt như một “nhiệt kế” Trước khi thực hiện nhiệm vụ này, các em cần thay nước cho bình điều nhiệt để đưa nhiệt độ của điốt về nhiệt độ phòng. Điều chỉnh hiệu điện thế đặt vào điốt để có thể thu được khoảng dữ liệu rộng nhất cho mối quan hệ giữa Id và nhiệt độ của điốt. a. Đọc và ghi lại số chỉ của vôn kế. Thực hiện việc gia nhiệt cho bình điều nhiệt mỗi lần 50C và khi nhiệt độ ổn định thì ghi lại dòng điện qua qua điốt và giá trị nhiệt độ tương ứng. b. Lập bảng giá trị của nhiệt độ theo dòng điện qua điốt trên Origin. Ghi lại file dữ liệu khi kết thúc quá trình đo và ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời. c. Vẽ đường đặc tuyến đó. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). d. Khớp hàm tuyến tính (thực hiện trên Origin) và đưa ra phương trình mô tả sự phụ thuộc của nhiệt độ theo cường độ dòng điện qua điốt ở hiệu điện thế đã chọn. Xử lí hình ảnh và đổi tên hình ảnh theo qui định (ghi đường dẫn của file vào phiếu trả lời). 2.4. CÂU HỎI MỞ RỘNG 1. Định nghĩa bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại p, loại n. 2. Giải thích sự hình thành điện trường tiếp xúc. 3. Xây dựng và giải thích công thức, đường đặc trưng I -V của lớp chuyển tiếp p-n. 4. Giải thích ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất dẫn điện của bán dẫn. 5. Các cơ chế đánh thủng lớp chuyển tiếp p-n. 20