Báo cáo thí nghiệm vật lý bán dẫn bài thí nghiệm 1 khảo sát linh kiện r l c

- Với độ chia của trục thời gian là 50 μs thì qua quan sát màn hình máy đo dạng sóng, dạng sóng Vs được thể hiện trên kênh 1, màu vàng đến điểm Vs=0 nhanh hơn dạng sóng ở kênh 2, màu xan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LÝ BÁN DẪN Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Hoàng Minh Tuấn

LỚP L09 NHÓM 1

TP Hồ Chí Minh – 2024

BẢNG TỰ ĐÁNH GIÁ

Môn học: VẬT LÝ BÁN DẪN (Thí nghiệm) (MSMH: EE1008)

Nhóm/Lớp: L09 – Nhóm: 1 – HK232 – Năm học: 2023 – 2024

Họ & Tên đệm Tên MSSV Lớp Nhóm Bài 1 Bài 2 Bài 3 Bài 4

Bùi Quốc Anh 2012571

BÀI THÍ NGHIỆM 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN R-L-C MỤC TIÊU:

Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

Nắm được đặc tính các linh kiện điện trở, tụ điện, cuộn cảm

Thiết lập được mạch đo đơn giản cho tụ điện, cuộn cảm

CHUẨN BỊ:

Chuẩn bị PreLab và nộp cho giáo viên trước khi vào lớp

Đo giá trị của biến trở VR5

Các kết quả điền vào Bảng 1:

Biên độ điện áp trên tụ C1 là bao nhiêu?

- Biên độ điện áp trên tụ C1: 1.86

- Nhận xét: Sóng ngõ ra trên tụ C1 trễ pha hơn sóng ngõ vào

- Với độ chia của trục thời gian là 50 μs thì qua quan sát màn hình máy đo dạng sóng, dạng sóng Vs được thể hiện trên kênh 1, màu vàng đến điểm Vs=0 nhanh hơn dạng sóng ở kênh 2, màu xanh 1 khoảng thời gian ~ 75 μs nói cái khác Vs nhanh pha hơn Vc

- Khi có dòng xoay chiều đi vào tụ điện, dòng điện sẽ bắt đầu tích điện cho tụ điện

và nhờ lượng điện tích đã nạp tụ điện mới bắt đầu tăng điện áp lên Điện áp không tăng cùng lúc với cường độ dòng điện mà nó cần thời gian để phân bố điện tích và tạo nên điện áp trong tụ Do đó, đối với tụ điện thì điện áp trễ pha hơn cường độ dòng điện

Khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào thì biên độ trên tụ thay đổi như thế nào? Giải thích?

- Khi tăng tần số tín hiệu vào thì biên độ trên tụ giảm, và khi giảm tần số tín hiệu

vào thì biên độ trên tụ tăng

- Giải thích: tần số dòng điện càng lớn thì trở kháng của tụ càng nhỏ, cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch càng lớn và ngược lại Với dòng điện một chiều, tụ điện

có trở kháng dương vô cùng

Chuyển tín hiệu Vin thành xung vuông tần số 1Khz, biên độ 2V Vẽ dạng sóng Vin

và dạng sóng trên tụ điện Giải thích

- Giải thích: do nguyên lý hoạt động tích và phóng điện của tụ Tụ cần 1 khoảng thời gian nhất định để nạp - xả do đó có sự khác biết thời gian lên đỉnh của 2 sóng Vs và

Vc

Trong đó Vs-pp=2.12V; Vc-pp= 2.08 V

- Quan sát dạng sóng thì ta thấy dạng sóng Vs vuông, cần khoảng 30 μs để đạt đỉnh trong khi đó Vc cần khoảng 350 μs , có sự khác biệt rõ về hình dạng của 2 sóng khi quan sát kĩ hơn Thời gian nạp xả của tụ theo lí thuyết là τ = 5 T với T=R.C = 988*80.63 * 10^(-9) = 398.3 μs

Vin pp= 2.12V

Vc pp = 2.08V

Biên độ điện áp trên tụ C6 là bao nhiêu?

- Biên độ điện áp trên tụ C6: 380

Đọc giá trị in trên tụ C6 Giá trị và điện áp tối đa theo lý thuyết của C6 là bao nhiêu?

Kết nối máy phát sóng như sau Dùng kênh 1 của oscilloscope đo dạng sóng Vin,

kênh 2 đo dạng sóng trên L5

Biên độ điện áp trên cuộn dây L5 là bao nhiêu?

- Biên độ điện áp trên cuộn dây: 1,16

Vẽ lại dạng sóng ngõ vào và trên L5 Hai sóng này có tương quan về phase như thế

- Nhận xét: Sóng ngõ ra ở L5 có pha sớm hơn sóng ngõ vào Cụ thể khoảng ~1μs

dựa trên hình cut dạng sóng

- Khi có dòng điện đi qua cuộn dây thì cuộn dây cũng đồng thời tạo từ trường chạy trong lòng cuộn dây Dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, khi từ trường tăng dần theo dòng điện thì trong cuộn dây cũng sinh ra dòng điện cảm ứng để chống lại sự tăng dần

đó Khi dòng điện giảm, từ trường giảm thì cũng có một dòng điện cảm ứng sinh ra để

chống lại sự giảm đó Vì vậy trong cuộn dây, dòng điện trễ pha hơn so với điện áp Khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào thì biên độ trên L5 thay đổi như thế nào? Giải thích

- Khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào thì biên độ trên L5 cũng tăng/giảm tương ứng

Khi ZL tăng thì UL cũng tăng và ngược lại, khi ZL giảm thì UL cũng giảm do Uin và R là

cố định Mà ZL tỉ lệ thuận với f nên khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào thì biên độ trên L5 cũng tăng/giảm tương ứng

BÀI THÍ NGHIỆM 2: KHẢO SÁT DIODE CHỈNH LƯU VÀ

ZENER MỤC TIÊU:

Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

Nắm được đặc tính các linh kiện diode chỉnh lưu, LED phát quang và diode zener Thiết lập được mạch ổn áp đơn giản

CHUẨN BỊ:

Chuẩn bị bài prelab

Xem lại cách sử dụng các dụng cụ đo VOM, oscilloscope, máy phát sóng

đó đo điện áp trên diode

Kiểm tra

Chỉnh điện áp Vin về vị trí nhỏ nhất, bật nguồn Tăng dần Vin và ghi các giá trị đo:

Vin (V) 2 4 6 8 10 12 14 16 18

ID (mA) 1.4 3.37 5.34 7.33 9.32 11.31 13.31 15.31 17.31

VD (V) 0.5996 0.64 0.661 0.676 0.688 0.697 0.704 0.711 0.716

Vẽ đặc tuyến thuận của diode

Xác định điện áp ngưỡng của diode D:

0,65

Lặp lại thí nghiệm cho Led D2

Vin (V) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 ID2 (mA) 0.26 2.16 4.11 6.09 8.07 10.04 12.02 14.02 16 VD2 (V) 1.74 1.844 1.886 1.917 1.941 1.963 1.984 2.001 2.018 Điện áp ngưỡng của D2: 1.84

Lặp lại thí nghiệm cho Led D3

Vin (V) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 ID3 (mA) 0 1.38 3.32 5.27 7.22 9.18 11.15 13.11 15.09 VD3 (V) 2 2.609 2.68 2.734 2.781 2.822 2.859 2.893 2.924 Điện áp ngưỡng của D3: 2.609

Kết nối nguồn điện thay đổi 0-20V vào diode D8 và điện trở R2 như hình vẽ, Dùng

1 VOM ở chế độ đo điện áp đo điện áp trên R2 (VR2), một VOM khác đo điện áp 2 đầu diode VD

Chỉnh điện áp Vin về vị trí nhỏ nhất rồi bật nguồn

Tăng dần Vin, quan sát VD và ghi các giá trị đo được vào bảng sau:

VD (V) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 VR2

(mV)

27.1 53.7 87.7 114.5 146.8 176 205.4 234.6 263.7

Id(µA) 0,181 0.358 0.585 0.763 0.979 1.173 1.37 1.564 1.758 Nhận xét về điện trở của diode trong miền ngược:

Điện trở diode rất lớn , xấp xỉ 105 Ω Dòng điện ngược bão hòa Is bằng bao nhiêu? (Gợi ý: dựa vào công thức liên hệ giữa

ID, IS, VD ta tính được Is, chú ý dấu của VD)

Nhận xét giá trị thu được, giải thích:

Nối ngõ ra vào tụ C1 Vẽ lại dạng sóng ngõ ra

Giải thích sự khác nhau của ngõ ra khi có và không có tụ C1

-Dạng sóng ngõ ra khi nối tụ vào tải phẳng hơn khi không có tụ, nguyên nhân là do khi

có tụ điện thì tụ điện được nạp khi điện áp tăng và khi điện áp giảm thì tụ điện xả để duy trì điện áp qua tải được ổn định Nhờ tác dụng lọc của tụ mà dạng sóng ở ngõ ra phẳng

Vẽ dạng sóng ngõ vào và dạng sóng ngõ ra trên R1

Giá trị đỉnh của sóng ngõ ra là bao nhiêu? Giải thích

- Giá trị đỉnh của song ngõ ra là 0,912 Vpp

- Nguyên nhân sóng ngõ ra có giá trị đỉnh thấp hơn sóng ngõ vào và thấp hơn giá trị đỉnh của sóng ngõ ra trong trường hợp chỉnh lưu bán kì là do trong mỗi bán kì, giữa hai đầu chỉnh lưu cầu đều phải có sụt áp lớn hơn hai lần điện áp ngưỡng của mỗi diode thì diode mới dẫn, cho nên Vout ≈ Vin− 2VON

Nối ngõ ra vào tụ C1 Vẽ lại dạng sóng ngõ ra

Giải thích sự khác nhau khi có và không có tụ C1

Dạng sóng ngõ ra khi nối tụ vào tải phẳng hơn khi không có tụ, nguyên nhân là

do khi có tụ điện thì tụ điện được nạp khi điện áp tăng và khi điện áp giảm thì tụ điện xả để duy trì điện áp qua tải được ổn định Nhờ tác dụng lọc của tụ mà dạng sóng ở ngõ ra phẳng hơn

Kết nối nguồn điện 0-20V vào mạch, chỉnh điện áp về 0V Dùng VOM ở chế độ đo

mA kết nối R3 và D9 Dùng 2 VOM đo điện áp vào và điện áp ra

Vẽ đặc tuyến của Zener và xác định Vz

Tính công suất R3 khi Id = IR3 = 20mA

PR3 = IR32 R3 = (20.10−3)2 546,4 = 0,22(W)

Xác định dòng ổn áp tối thiểu, cách làm như thế nào?

Chỉnh Vin sao cho Id = IR3 = 5 mA Sau đó kết nối tải R4 song song với Zener.Dòng ổn áp tối thiểu Izmin = 1,62 mA

Quan sát sự thay đổi của Volt kế và Miliampe kế khi có tải và không có tải, giải thích

sự thay đổi đó

Giảm Vin cho đến khi mạch không còn ổn áp Mạch không còn ổn áp khi nào?

𝑉𝐷𝑍 < 𝑉𝑍Ghi nhận lại giá trị Vin khi mạch không còn ổn áp

Vin = 13,8V Tính Vin theo lý thuyết để mất ổn áp, biết VZ = 5.6V

- Sau khi kết nối tải R4, số chỉ của Miliampe là 9,09mA , song song với Zener thì

số chỉ của volt kế sẽ là 2,97 V

- Quan sát : Số chỉ trên Miliampe kế tăng nhưng số chỉ trên Volt kế lại giảm

- Nguyên nhân: với thí nghiệm này, diode zener đã đạt trạng thái ổn áp do dòng điện đã đạt giá trị ổn áp tối thiểu nên điện áp giữa hai đầu diode zener ổn định Miliampe kế lúc này thể hiện dòng điện tổng của mạch, tức là là tổng của cả dòng điện qua diode zener và tải nên Miliampe kế hiển thị giá trị lớn hơn ban đầu khi chỉ có dòng điện qua diode zener

Vin = VR3+ Vz = IR3R3+ Vz trong đó IR3 = IZ+ IR3 và VR4 = VZ (với điều kiện là Zener ổn áp, VZ không đổi )

So sánh hai giá trị Vin theo lý thuyết và thực tế

𝑉𝑖𝑛 𝑡ℎự𝑐 𝑡ế < 𝑉𝑖𝑛 𝑙ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡

BÀI THÍ NGHIỆM 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA DIODE MỤC TIÊU:

Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

Nắm được đặc tính các linh kiện diode chỉnh lưu, LED phát quang và diode zener Thiết lập được mạch ổn áp đơn giản

CHUẨN BỊ:

Chuẩn bị bài prelab

Xem lại cách sử dụng các dụng cụ đo VOM, oscilloscope, máy phát sóng

- Khi tăng dần Vs đến gần 4Vp-p thì biên độ V2 có xuất hiện phần bị xén ở nữa

Ghi chú: cả hai kênh đều phải quan sát ở chế độ DC trong bài thí nghiệm này trở về sau

- Theo sơ đồ trên, kênh 1 đo điện áp giữa 2 đầu nguồn xoay chiều, nên khi thay đổi biên độ của nguồn Vs, biên độ của sóng trên kênh 1 cũng thay đổi theo

- Còn ở kênh 2, đo điện áp ngõ ra, ở bán kỳ dương, đều bị xén ở giá trị V = Vdc + Von Ở bán kỳ âm, dạng sóng ra như dạng sóng ở kênh 1

Giữ biên độ của nguồn xoay chiều Vsine là 10Vp-p, thay đổi giá trị điện áp của nguồn

DC từ 1VDC đến 3VDC, quan sát hiện tượng thu được

- Ở kênh 2, khi thay đổi nguồn DC, mức xén ở các dạng sóng lần lượt bị thay đổi theo

- Độ giới hạn của sóng ngõ ra được tăng dần lên

Điều chỉnh nguồn Vsine có biên độ 10Vp-p, nguồn DC có điện áp 1V, vẽ lại dạng sóng thu được trên dao động ký

Vs

V2

Giải thích vì sau ta thu được đồ thị như vậy

- Trong mạch này, khi dòng vào >Von+Vdc thì diode hoạt động giới hạn dòng đi qua ở mức Von+Vdc tạo ra sóng đầu ra bị xén ở đỉnh, phần dương Khi dòng vào

<Von+Vdc thì dạng sóng ra trùng với dòng vào Vì khi điện áp tín hiệu đầu vào là dương

và đạt độ lớn > Von + Vdc, diode phân cực thuận, điều này làm cho nó hoạt động như một công tắc đóng

- Phần xén của dạng sóng CH2 so với CH1 khoảng 3.4V

2 THÍ NGHIỆM 2

Mục tiêu

Khảo sát mạch xén phân cực dương dùng diode

Yêu cầu

Kết nối mạch như hình vẽ Trong đó nguồn VDC là nguồn DC có điện áp 1V Nguồn xoay chiều Vsine là sóng sine biên độ ban đầu là 2Vp-p, tần số 1kHz, mức offset là 0V

Các bộ nguồn trên chưa được bật cho đến khi được GVHD xem qua

Thay đổi biên độ của nguồn xoay chiều Vsine từ 2Vp-p đến 10Vp-p Trong quá trình thay đổi đó, quan sát dạng sóng thu được trên cả hai kênh của dao động ký, mô tả lại hiện tượng thu được

- Kênh 1: Tương tự dạng sóng ở thí nghiệm 1, khi thay đổi dần biên độ của nguồn, dạng sóng trên kênh 1 cũng thay đổi theo và có biên độ tương ứng với nguồn xoay chiều

Vs

- Kênh 2: Ngược lại với thí nghiệm 1, nếu ở thí nghiệm 1, khi thay đổi Vs, dạng sóng cũng bị giới hạn lại, nhưng lúc này bị giới hạn ở bán kì âm và mỗi lần thay đổi, dạng sóng tương tự như Kênh 1 và mức xén không thay đổi

Giữ biên độ của nguồn xoay chiều Vsine là 10Vp-p, thay đổi giá trị điện áp của nguồn

DC từ 1VDC đến 3VDC, quan sát hiện tượng thu được

- Độ giới hạn của tín hiệu sóng ngõ ở kênh 2 bị thay đổi, nhưng ở bán kỳ âm nên

độ giới hạn giảm, Vpp CH2 tăng

Điều chỉnh nguồn Vsine có biên độ 10Vp-p, nguồn DC có điện áp 1V, vẽ lại dạng sóng thu được trên dao động ký

V2

Vs

Giải thích vì sau ta thu được đồ thị như vậy

- Ở bán kỳ dương, diode phân cực ngược nên dạng sóng ngõ ra tương tự dạng sóng ngõ vào

- Ở bán kỳ âm, diode sẽ phân cực thuận khi điện áp ngõ vào > Von + Vdc Khi đó điện áp ngõ ra đúng bằng Von + Vdc

- Phần xén của dạng sóng CH2 có biên độ nhỏ nhất khoảng -2.08V

Điều chỉnh nguồn Vsine có biên độ 10Vp-p, nguồn DC có điện áp 1V, vẽ lại dạng sóng thu được trên dao động ký

So sánh hình dạng đồ thị trên với đồ thị thu được tại thí nghiệm 2, mô tả lại các điểm giống và khác nhau giữa hai đồ thị, giải thích

- Giống nhau: Mức xén của cả hai dạng sóng vẫn ở mức Von + Vdc

4 THÍ NGHIỆM 4

Mục tiêu

Khảo sát mạch xén phân cực dương dùng diode, có thêm điện trở trên diode

Yêu cầu

Kết nối mạch như hình vẽ Trong đó nguồn VDC là nguồn DC có điện áp 1V Nguồn xoay chiều Vsine là sóng sine biên độ là 8Vp-p, tần số 1kHz, mức offset là 0V Các bộ

nguồn trên chưa được bật cho đến khi được GVHD xem qua

Điều chỉnh nguồn Vsine có biên độ 10Vp-p, nguồn DC có điện áp 1V, vẽ lại dạng sóng thu được trên dao động ký

So sánh hình dạng đồ thị trên với đồ thị thu được tại thí nghiệm 2, mô tả lại các điểm khác nhau giữa hai đồ thị và giải thích

- Giống : Đồ thị của cả hai thí nghiệm đều bị giới hạn ở bán kì âm do diode được phân cực thuận ở bán kỳ âm của nguồn Vs

- Khác : Độ giới hạn và hình dạng sóng kênh CH2 Ở TN2, mức giới hạn là Von + Vdc cố định, còn ở TN này mức giới hạn của nó là một dạng sóng có đỉnh âm cao hơn đỉnh âm của dạng sóng ngõ vào

- Giải thích: Do ở TN4, sự xuất hiện của con trở nối tiếp với nguồn DC làm cho có

sự rơi áp trên con trở này Ở bán kỳ âm, khi diode phân cực thuận, theo định luật Kirchhoff, ta có được phương trình sau: −𝑉𝑖𝑛 + 𝐼 𝑅1+ 𝑉𝐷𝐶 + 𝑉𝑜𝑛+ 𝐼 𝑅3 = 0 ⟺

𝑉 = 𝑉 − 𝐼 𝑅

V2

Vs

- Do đó, ở thời điểm con diode chưa được phân cực thuận tức Vin < Vdc+Von+I.R1, dạng sóng của CH2 tương tự dạng sóng trên CH1, từ lúc con diode được phân cực thuận, dạng sóng trên CH2 sẽ theo biểu thức Vout ở trên

BÀI THÍ NGHIỆM 4: KHẢO SÁT BJT MỤC TIÊU:

Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

Nắm được đặc tính các linh kiện BJT loại npn, pnp

Khảo sát mạch khuếch đại, mạch đóng/ngắt dùng BJT

CHUẨN BỊ:

Chuẩn bị bài prelab

Xem lại cách sử dụng các công cụ đo VOM, DVM và Oscilloscope (dao động ký- dđk)

Đưa VOM về chế độ đo diode Đo điện áp giữa các chân của BJT trong khối I và II

và ghi nhận vào bảng sau:

Xác định xem transistor loại gì và các chân P1-P2-P3 là chân gì, BJT còn tốt hay không Giải thích

Q1 Base Collector Emitter N-P-N Tốt

Q2 Collector Base Emitter P-N-P Tốt

Hình 1 Sơ đồ phần III

Hình 2 Layout thực tế trên module thí nghiệm

Tiến hành thí nghiệm

Bật nguồn Chỉnh biến trở để thay đổi dòng điện Ib, quan sát giá trị Ic và Vce và điền

vào bảng sau:

Với Ib trong khoảng nào thì transistor dẫn khuếch đại? Khi đó hfe là bao nhiêu?

Ib trong khoảng 10μA →25μA thì transistor dẫn khuếch đại

đi qua

Ic (mA) 3,36 5,02 6,78 8,05 8,95 9,12 9,17 9,2 9,22

Vce (V) 6,12 4,3 2,8 1,1 393,3m 258,6m 207,4m 184m 170,3m

THÍ NGHIỆM 3

Mục tiêu

Khảo sát các miền hoạt động tắt/khuếch đại/bão hòa của BJT pnp

Chuẩn bị

Đọc xem điện trở R2 có giá trị là bao nhiêu và kiểm chứng lại bằng VOM

Chỉnh nguồn điện về 12V và kết nối mạch như Hình 4 Một VOM đo dòng điện Ib ở

tầm uA, một VOM đo dòng Ic ở tầm mA, và 1 VOM đo điện áp Vce

Hình 3 Sơ đồ khối BJT pnp

Hình 4 Sơ đồ kết nối trên module thí nghiệm phần BJT pnp

Ih trong khoảng 10μA →45μA thì transistor dẫn khuếch đại

Nếu thay vì đặt tải (điện trở+led) ở cực C, ta đặt ờ cực E như hình sau Khi đó BJT

có bão hòa được không? Vì sao? (Câu hỏi này trả lời khi nộp báo cáo, không cần trả

lời lúc tiến hành thí nghiệm

Phần trả lời: BJT sẽ không hoặc rất khó bão hoà vì theo sơ đồ nối như trên Vì để

transistor p-n-p có bão hoà thì điện áp tại cực B phải đủ thấp hơn cực E, theo sơ đồ như hình ta có điện áp tại B tương đương hoặc lớn hơn điện áp tại cực C, mà điện áp chênh lệch giữa cực E và cực C lại thấp hơn điện áp chênh lệch giữa cực B và E trong chế độ bão hoà