Bài giảng Môn Vật lý lớp 11 - Bài 2 : Khảo sát đặc tính chỉnh lưu của điôt bán dẫn và đặc tính khuếch đại của tranzito

BÀI 2 : KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU CỦA ĐIÔT BÁN DẪN VÀ 
ĐẶC TÍNH KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANZITO
A. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU CỦA ĐIỐT BÁN DẪN 
I - MỤC ĐÍCH
 - Khảo sát đặc tính chỉnh lưu của điôt
- Vẽ đặc tuyến Vôn-Ampe của điôt 
II - CƠ SỞ LÍ THUYẾT
 Chất bán dẫn và tính chất
Chất bán dẫn là chất có điện trở suất nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và chất điện môi. Các chất bán dẫn tinh khiết điển hình là gecmani (Ge) và silic (Si). Từ sách Vật lí lớp 11 ta đã biết dòng điện trong chất bán dẫn, các đặc điểm của chất bán dẫn tinh khiết và bán dẫn có tạp chất, chất bán dẫn loại n, loại p và lớp chuyển tiếp p-n cũng như các hiện tượng vật lí xảy ra trong chất bán dẫn. 
Điôt bán dẫn 
Điôt bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp p-n. Nó chỉ cho dòng điện đi qua theo chiều từ p sang n. Ta nói điôt bán dẫn có tính chỉnh lưu. Với tính chất này nó được thương dùng để lắp mạch chỉnh lưu, biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Điôt bán dẫn có nhiều loại như loại chỉnh lưu, loại tách sóng, loại ổn áp, loại phát quang…, về nguyên lí chung thì chúng đều ứng dụng bán dẫn có một lớp chuyển tiếp p-n.
Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện bán dẫn như
Diode (điôt), Transistor (Tranzito), IC để dùng trong các thiết bị điện tử ngày nay.
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Dòng điện thuận và dòng điện ngược qua lớp chuyển tiếp p-n
Lớp chuyển tiếp p-n mắc vào nguồn điện theo chiều thuận
p
n
- Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn ghép p-n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương của nguồn nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n, như trên hình sau. Điện trường ngoài do nguồn điện gây ra tại lớp chuyển tiếp p-n ngược chiều với điện trường trong của lớp chuyển tiếp, do đó làm yếu điện trường trong. Kết quả là dòng chuyển dời của các hạt mang điện đa số được tăng cường. Dòng các hạt đa số gây nên dòng điện I có cường độ lớn chạy theo chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Đó là dòng điện thuận. Dòng điện này do hiệu điện thế thuận của nguồn điện gây nên và tăng nhanh khi hiệu điện thế tăng. Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận (còn gọi là lớp chuyển tiếp p-n được phân cực thuận).
-Ta đổi cực của nguồn điện mắc vào mẫu bán dẫn, tức là mắc cực dương vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p. Điện trường ngoài cùng chiều với điện trường trong , làm tăng cường điện trường trong. Chuyển dời của các hạt thiểu số được tăng cường, ngược lại, chuyển dời của các hạt đa số hoàn toàn bị ngăn cản. Qua lớp chuyển tiếp có dòng các hạt mang điện thiểu số, gây nên dòng điện I chạy từ phía n sang phía p. Dòng điện này có cường độ rất nhỏ và hầu như không thay đổi khi ta tăng hiệu điện thế U. Đó là dòng điện ngược, do hiệu điện thế ngược của nguồn gây nên. Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược (hay phân cực ngược).
Như vậy, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận (từ p sang n) có cường độ lớn, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược có cường độ rất nhỏ. Lớp chuyển tiếp p-n dẫn điện tốt theo một chiều, từ p sang n. Lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉnh lưu.
Kí hiệu và một số hình dạng của điôt bán dẫn 
Thông thường, dụng cụ bán dẫn có hai cực, sử dụng lớp chuyển tiếp p-n, được gọi là điôt bán dẫn. Dưới đây là một số hình dạng và kí hiệu của điôt bán dẫn. 
Kí hiệu điôt 
Điôt được ứng dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, tách sóng, biến điệu… Đối với điôt chỉnh lưu thường làm bằng tấm Si tinh thể, trên đó bằng phương pháp khuếch tán tạp chất, người ta tạo nên lớp chuyển tiếp p-n. Để điôt có thể làm việc với cường độ dòng điện lớn, lớp chuyển tiếp p-n cần có tiết diện lớn. Nhiệt độ càng cao, tác dụng chỉnh lưu càng kém, nên để giữ cho điôt không nóng lên quá do hiệu ứng Jun-Lenxơ của dòng điện, người ta mắc bộ phận tản nhiệt vào điôt. Điôt chỉnh lưu dùng loại tiếp mặt, tức lớp tiếp xúc p-n có bề mặt lớn. Điôt tách sóng là một loại điôt dùng để tách tín hiệu ra khỏi sóng mang cao tần, chẳng hạn trong các máy thu thanh, máy thu hình. Điôt tách sóng làm việc với các dòng điện nhỏ, nhưng tần số cao, nên lớp chuyển tiếp cần có tiết diện nhỏ để giảm điện dung của lớp p-n. Thường dùng điôt tiếp điểm, tức lớp tiếp xúc p-n có tiết diện nhỏ.
Đo kiểm tra điôt
Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω (loại đồng hồ điện động hiển thị bằng kim), hoặc ở thang điôt (đồng hồ hiện số), đặt hai que đo vào hai đầu điôt, nếu:
Đặt hai que đo đỏ và đen vào 2 cực khác nhau của điôt (lần 1), cũng làm như vậy nhưng đổi lại cực của điôt (lần 2). Nếu hai lần đo mà thấy kim chỉ lên có một lần thì điôt tốt.
Nếu đo cả hai lần kim lên gần bằng 0Ω thì điôt bị chập.
Đối với lần kim không lên, nếu để thang 1KΩ mà đo mà kim vẫn lên một chút là thì điôt bị rò.
Để hiểu kỹ hơn về đặc tính của điôt, cần khảo sát mối quan hệ dòng và điện thế qua nó, tức là khảo sát đường đặc trưng Vôn-Ampe.
 III - DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
Bộ dụng cụ điện lớp 11 THPT, được duyệt mua sắm, với các chi tiết sau: 
1. Hộp gỗ (350 x 200 x 150)mm có bảng lắp ráp mạch điện.
2. Điện trở 820 W - 0,5 W và đế.
3. Biến trở loại xoay từng mức (10 x 10 W).
4. Điôt chỉnh lưu loại D4007.
5. Biến thế nguồn dùng chốt ra một chiều.
6. Hai đồng hồ vạn năng hiện số D 830.
7. Bộ dây nối có phích cắm đàn hồi.
IV. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
1. Tiến hành mắc sơ đồ khảo sát
A
V
Đ
R0
R
a)
U
K
b)
A
V
Đ
R0
R
U
K
Sơ đồ a) dùng để khảo sát tính chất dòng điện thuận qua điôt, còn sơ đồ b) dùng khảo sát tính chất dòng điện ngược qua điôt. Trong đó:
- Nguồn điện U đặt ở chốt 6 V một chiều.
- Biến trở R sử dụng kiểu phân áp, tức sử dụng dạng 3 chốt cắm.
- Vôn kế V dùng đồng hồ vạn năng DT 830 đặt ở thang đo DCV 20 và chú ý các cực đúng như trên sơ đồ.
- Ampe kế A dùng đồng hồ vạn năng DT 830 đặt ở thang DCA 20m và chú ý các cực tình như trên sơ đồ.
- Trong hai sơ đồ trên có khác nhau về đặc tính kỹ thuật, đó là dòng thuận lớn còn dòng ngược rất nhỏ. Do vậy ampe kế trường hợp đo dòng điện ngược cần mắc vào nhánh của điôt để tránh đo cả dòng qua vôn kế.
2. Khảo sát dòng điện thuận qua điôt
- Dùng sơ đồ a). Tiến hành điều chỉnh biến trở con chạy để có các giá trị của U và giá trị I tương ứng. Nếu sử dụng biến trở theo các mức thì thay đổi các mức giá trị điện áp 1V, 2V, 3V, 4V, 5V bằng cách thay đổi vị trí chốt cắm giữa của biến trở R. Đọc các giá trị tương ứng trên ampe kế và ghi vào bảng sau. Chú ý thời gian thao tác nên nhanh chóng tránh để điôt nóng lên nhiều làm thay đổi tính chất của nó. 
U
I
1V
2V
3V
4V
5V
- Vẽ đồ thị theo các giá trị trong bảng, với hai trục tương ứng U và I.
3. Khảo sát dòng điện ngược qua điôt 
Dùng sơ đồ b). Các bước tiến hành tương tự như trên. Có thể dùng các mức điện áp rộng hơn như: 2V, 4V, 6V, 8V, 10V.
- Vẽ đồ thị cùng với hệ trục toạ độ của dòng điện thuận qua điôt.
- So sánh đường đặc trưng Vôn-Ampe thực nghiệm với đường lí thuyết có dạng sau:
I
U
U0
Uđt
B. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANZITO
I. MỤC ĐÍCH
 - Khảo sát đặc tính khuếch đại của tranzito bằng một mạch điện đơn giản.
 - Xác định hệ số khuếch đại của mạch tranzito
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 - Tranzito (lưỡng cực) n-p-n là dụng cụ bán dẫn, được cấu tạo từ một tinh thể bán dẫn có một miền mang tính dẫn p rất mỏng kẹp giữa hai miền mang tính dẫn n.
 - Điện cực nối với miền n có mật độ electron rất lớn gọi là cực eemitơ E, điện cực nối với miền n còn lại gọi là cực colectơ C, điện cực nối với miền p ở giữa gọi là cực bazơ B. Tranzito n-p-n ký hiệu như hình vẽ:
 - Để tranzito hoạt động, ta phải đặt nguồn điện có hiệu điện thế U1 vào giữa hai cực B-E và phải đặt nguồn điện có hiệu điện thế U2 (với U2>U1) vào giữa hai cực C-E, sao cho lớp chuyển tiếp B-E phân cực thuận và lớp chuyển tiếp C-B phân cực ngược. Tranzito có tác dụng khuếch đại cường độ dòng điện hoặc hiệu điện thế - gọi chung là khuếch đại tín hiệu điện.
 - Trong thí nghiệm này, ta sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số để khảo sát đặc tính khuếch đại dòng điện của tranzito n-p-n bằng một mạch điện đơn giản.
III. DỤNG CỤ 
 Bộ thí nghiệm “Khảo sát đặc tính khuếch đại của tranzito”
 - Tranzito lưỡng cực n-p-n.
	- Nguồn điện U (AC-DC: 0-3-6-9-12V/3A)
	- Biến trở núm xoay R 
	- Điện trở RB=220K; RC=680.
	- 2 đồng hồ đo điện đa năng hiện số.
	- Bảng lắp ráp mạch điện.
	- Dây nối, khoá K.
IV. TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM
	1. Mắc tranzito n-p-n và các đồng hồ đo điện đa năng hiện số theo hình vẽ, trong đó chú ý đặt đúng:
	- Khoá K ở vị trí OFF.
	- Nguồn điện U ở vị trí 9V một chiều.
	- Biến trở R nối với hai cực dương và âm của nguồn điện một chiều U theo kiểu phân áp.
	- Micrôampe kế A1 ở vị trí DCA 200, mắc nối tiếp với điện trở RB=220k và cực bazơ B của tranzito.
	- Miliampe kế A2 ở vị trí DCA 20m, mắc nối tiếp với điện trở RC=680 và cực colectơ C của tranzito.
	2. Gạt công tắc của nguồn điện U về bên phải. Đóng khoá K và vặn núm xoay của biến trở R đến vị trí sao cho micrôampe kế A1 chỉ cường độ dòng điện IB lớn nhất. Ghi giá trị tương ứng của dòng điện IB trên micrôampe kế A1 và cường độ dòng điện IC trên miliampe kế A2 vào bảng thực hành 18.2.
	3. Thực hiện năm lần động tác trên, mỗi lần lại thay đổi vị trí núm xoay của biến trở R từ 100 đến 50 (mỗi lần giảm 10) để giảm dần cường độ dòng điện IB. Ghi giá trị tương ứng của cường độ dòng điện IB và cường độ dòng điện IC vào bảng thực hành 18.2.
	4. Tắt điện của các đồng hồ hiện số A1, A2 và nguồn điện một chiều U khi thực hiện xong các phép đo.
BÀI BÁO CÁO
KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU CỦA ĐIỐT BÁN DẪN VÀ
 ĐẶC TÍNH KHUẾCH ĐẠI CỦA TRAN ZITO
Họ và tên :……………………………………; Lớp:………., ngày thực hành:………………
MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:
NGUYÊN TẮC: ( VẼ CÁC MẠCH ĐIỆN)
ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU CỦA DIODE :
ĐẶC TÍNH KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANSISTOR:
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU CỦA DIODE BÁN DẪN:
DIODE PHÂN CỰC THUẬN
DIODE PHÂN CỰC NGƯỢC
U (V)
Ith(mA)
U (V)
Ing (μA)
Vẽ đồ thị I = f(U) :
Từ đồ thị rút ra nhận xét và kết luận :
ĐẶC TÍNH KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANSISTOR:
RC = ……………….
Lần TN
1
2
3
4
5
IB (μA)
IC (Ma)
β = IC/IB
Tính giá trị trung bình của β và sai số lớn nhất của phép đo :
 = 	
 =	
Ghi kết quả của phép đo:
Vẽ đồ thị IC = f(IB) :
C. Câu hỏi:
1. Điốt chỉnh lưu có đặc tính gì? Hãy nói rõ chiều của dòng điện chạy qua điốt này. Giải thích tại sao?
2. Tranzito có đặc tính gì? Muốn dùng tranzito n-p-n để khuếch đại dòng điện, ta phải nối các cực của nó với nguồn điện như thế nào?
MỘT SỐ LƯU Ý KHI TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
Vì dòng ngược của điôt Si rất nhỏ, nên các số đo rất nhỏ và gần nhau. Để mô tả được trên đồ thị, tỷ lệ xích của phía trục âm cần chọn khác về phía trục dương của nhánh thuận.
Để có thể quan sát được đồ thị của điôt tại điện áp đánh thủng, khó có thể dùng điôt chỉnh lưu bình thường, vì điện áp khá lớn (vượt quá bộ nguồn cung cấp được trang bị). Trong trường hợp này có thể thay điôt chỉnh lưu bằng điôt ổn áp (Zener loại 12V), lúc này điện áp âm làm dòng tăng lên chính là điện áp ổn sử dụng hiệu ứng đánh thủng.
 - Đối với Tranzito, dòng IB khá nhỏ, ta cho biến thiên chậm để lấy các giá trị IC tương ứng. Gợi ý, dòng IB chọn các mức 5, 10, 15, 20 µA hoặc xung quanh các giá trị đó. Vì dòng nhỏ, nêm cấp chính xác của đồng hồ rất quan trọng, đồng hồ kim cấp chính xác thấp hơn thì có thể chọn mức dòng cao hơn một chút, nhưng tránh chọn dòng IB để tranzito ở vào mức bão hoà.