Thiết kế mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương tại trường đại học thủ dầu một

Mục tiêu: - Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, lắp đặt mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương tại Trường Đại học Thủ Dầu Một, gồm có: i Khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của diode thuậ

1TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

Đon vị: Khoa Khoa học tự nhiên

THÔNG TIN KÉT QUẢ NGHIÊN cửu

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương

tại Trường Đại học Thủ Dầu Một

- Mã số:

- Chủ nhiệm: ThS Nguyễn Thanh Tùng

- Đơn vị chủ trì: Khoa Khoa học tự nhiên

- Thời gian thực hiện: 12 tháng

2 Mục tiêu:

- Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, lắp đặt mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương tại Trường Đại học Thủ Dầu Một, gồm có:

i) Khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của diode thuận, nghịch

ii) Khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của diode zener

iii) Khảo sát hoạt động của Transistor

iv) Khảo sát dao động điện bằng dao động ký (Oscilloscope-OSC)

v) Khảo sát mạch điện xoay chiều RTC Cộng hưởng điện

vi) Thí nghiệm biểu diễn giao thoa sóng nước

vii) Thí nghiệm về sóng dừng trên dây

- Biên soạn tập tài liệu Hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý đại cương kèm theo các bài mới đưọ'c

thiết kế

3 Tính mói và sáng tạo:

- Đề tài có tính mới nổi bật thể hiện cách thiết kế tinh gọn, các thiết bị, vật tư đều được lắp đặt trên một khối thống nhất

- Khi thực hiện các bài thí nghiệm, các bước tiến hành đơn giản, nhanh và chính xác

4 Kết quả nghiên cứu:

Đề tài đã đạt được kết quả nghiên, gồm 7 bài thí nghiệm vật lý đại cương phù họp theo các mục tiêu mà đề tải đặt ra, thiết kế mới theo hướng tích họp, tinh gọn và hiện đại

Phụ lục đề tải bao gồm cá Tài liệu “Hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý đại cương” đối với các bài mới thiết kế

Các bài thí nghiệm đã được triển khai áp dụng giảng dạy thực nghiệm sư phạm cho đối tượng

là sình viên các lóp Cao đăng sư phạm vật lý C14VL01, C14VT02 với kết qưả khảo sát rất tin cậy

5 Sản phàm:

- Các sản phẩm của đề tài gồm 07 bài thí nghiệm vật lý đại cương;

- Hướng dẫn thực hành thí nghiệm (lý thuyết và báo cáo thực nghiệm) tương ứng.

- Bài tạp chí có chủ đề tương tự đã đưọ'c Ban biên tập tạp chí xác nhận clĩấp nhận đãng trên Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một

6 Hiệu quả, phương thúc chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Sản phàm đề tài đã được tiến hành thực nghiệm SU' phạm và ngay sau khi báo cáo tổng kết đề tài, tác giả sẽ tiến hành chuyến giao sản phẩm cho Bộ môn Vật lý, thuộc Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Thủ Dầu Một đế sử dụng trong giảng dạy các học phần Thực hành vật lý đại cương 2,3 trong thời gian tới

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương’’

1.3 Khảo sát đặc tuyến diode bán dẫn, diode zener, transistor 13

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương’’

Đề tài NCICH cấp trường: "Thiết kế mó'i một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương”

3

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

•

Hình 1 Sơ đồ sự truyền sóng cơ dạng hình sin

Hĩnh 2 Hình dạng sóng dừng ở thời diêm t khác nhau

Hình 3 Sóng dừng trên sợi dây đàn hồi có 2 đâu cô định

Hình 4 Sóng dừng trên sợi dây dàn hồi cỏ một đâu tự do

Hĩnh 5 Hĩnh ảnh giao thoa tạo bởi nguồn kết họp

Hĩnh 6 Cấu trúc tinh thế của Silic (Si)

Hình 7 Giản đồ năng lượng của bán dân tinh khiêt Si

Hình 8 Sự hĩnh thành bản dân loại N

Hĩnh 9 Sự hĩnh thành bán dân loại p

Hĩnh 10 Cấu tạo diode bản dân PN

Hĩnh 11 Sự hĩnh thành mối nốipn và điện thê rào cản

Hĩnh 12 Giản đồ năng lượng tại mối nổi pn và vùng nghèo

Hình 13 Phân cực thuận P-N

Hình 14 Phân cực nghịch P-N

Hĩnh 15 Đặc tuyến Vôn-Ampe phân cực thuận của diode

Hình 16 Đặc tuyến Vôn-Ampe khi phân cực nghịch

Hĩnh 17 Đặc tuyến Vôn - Ampe của diode phụ thuộc nhiệt độ T

Hĩnh 18 Sơ đồ mạch và đặc tuyến của diode lý tưởng

Hình 19 Sơ đồ mạch và đặc tuyến của diode thực nghiệm

Hĩnh 20 Sơ đồ mạch điện và dặc tuyến mô hình diode hoàn chỉnh

Hĩnh 21 Các loại diode trong thực tế

Hình 22 Sơ đồ mạch chỉnh lưu 1 bán kỳ dùng diode

Hình 23 Sơ đồ mạch chỉnh lưu toàn ký dùng cầu diode

Hĩnh 24 Đặc tuyến vôn-ampe của diode zener cho thấy độ dóc của Vy Hình 25 Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode zener

Hình 26 Đặc tuyến Vôn -Ampe của diode zener Si và Ge

Hĩnh 22 Sơ dồ mạch cách lấy diện của 2 diode zener 9V và 5 V

Hỉnh 28 Cẩu tạo, ký hiệu của transistor PNP và NPN

Hình 29 Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN Hình 30 Mạch khuyếch đại tín hiệu dùng Transistor PNP

Hĩnh 31 Đặc tuyến Vôn-Ampe của transistor

Hình 32 So' đô phân tích mạch phân cực transistor

Hình 33 Đặc tuyên ngỏ vào Transistor NPN

Hĩnh 34 Đặc tuyến ngỏ ra Transistor NPN

Hình 35 Đặc tuyến truyền của Transistor NPN

Hình 36 Đô thị đặc tuyến Vôn-Ampe theo nhiệt độ

Hĩnh 37 Sơ đồ mạch dao động đa hài dùng Transistor

Hĩnh 38 Sơ đồ khối các mạch chức năng của OSC

Hỉnh 39 Sơ đồ hệ thông làm lệch tia điện tử

Hĩnh 40 Chức năng các cuộn quét ngang, quét dọc tia điện tử

Hĩnh 41 Sơ đồ tín hiệu xung dọc và ngang

Hỉnh 42 Cấu tạo mặt ngoài của một dao động kí điện tử

Hĩnh 43 Sóng dừng trên dây đàn hoi tan so 47Hz, k = 3

Hìhh 44 Máy phát tần sổ sản xuất tại Việt Nam

Hĩnh 45 Bộ thí nghiệm giao thoa sóng nước nhìn từ phía trên

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mới một số hài thí nghiệm Vật lý đụi cương"

4

Hĩnh 46 Hĩnh ảnh giao thoa sóng nước ở 20Hz

Hình 47 Hình ảnh nguồn phát, sóng nước từ can rung tan so 15Hz qua ỉ khe

Hình 48 Hình ảnh nhiêu xạ của sóng nước qua 2 khe ở 17Hz

Hĩnh 49a Sơ đồ mạch nguồn của bài thí nghiêm diode

Hĩnh 49b Hĩnh ảnh bộ thí nghiệm khảo sát đặc tuyến vôn-ampe của diode

Hình 50 Đặc tuyển Vôn-Ampe của 3 diode

Hình 51 Đặc tuyến truyền (thuận, nghịch) của các loại diode

Hình 52 Sơ đồ mạch khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của diode zener

Hình 53 Đặc tuyến Vôn-Ampe diode zener 6,2V

Hình 54 Sơ đồ mạch điện khảo sát đặc tuyến Transistor

Hình 55 Đặc tuyển Vân-Ampe của transistor với các dòng I B khác nhau

Hĩnh 56 Đặc tuyến V-A của C945 trên trang hltp.7/www alldatasheet, com

Hình 57 Sơ đồ mạch điện khảo sát dòng điện qua điện trở thuân

Hĩnh 58 Sơ đồ hai sóng tín hiệu có độ lệch pha theo thời gian là t

Hình 59 Sơ đồ mạch điện khảo sát pha dòng điện qua RvàC

Hĩnh 60 Sơ đồ mạch điện khảo sát dòng điện qua R và L

Hình 6ỉa Hình ảnh mạch khảo sát RLC mắc nói tiếp

Hình 61b Hình ảnh thí nghiệm khi xảy ra cộng hưởng ỉ=ỉ max

Hình 62 Hĩnh ảnh xác định Vpp trên mảy dao động kỷ

Hĩnh 63 Hĩnh ảnh xác định tần số theo phương pháp so sánh Litsadu

Hình 64 Hình ảnh mạch điện khảo sát chỉnh lưu diode

Hình 65 Hình ảnh dạng tín hiệu chỉnh lưu 2 bán kỳ chưa lọc qua tụ điện

Hĩnh 66 Đồ thị kết quả khảo sát ỷ kiến sinh viên

Ký hiệu - Chũ’ viêt tăt

- Giáo dục và Đào tạo

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cưong”

Cụ thể, các thiết bị thí nghiệm được trang bị tại Phòng thí nghiệmVật lý, Trường Đại học Thủ Dâu Mộttrong thời gian trước và hiện nay được nhập từ các nước như: Đức, hệ thống Chuẩn Châu Âu (CE), hayTrung Quốc, Nhìn chung chất lượng thì rất chuẩn, các thông số kỹ thuật, kết quả đo chính xác, mẫu mãđẹp Tuy nhiên, việc đưa vào sử dụng để mang lại hiệu quả cao bởi quá trình giảng dạy thực hành trongthòi gian dài cũng có những nhược điểm như: không phù họp môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) giữa nơi sảnxuất và nơi sử dụng, độ ẩm cao làm thiết bị dễ rỉ sét, ẩm mốc Đa số các thiết bị thí nghiệm rất đắt tiền,không có phụ tùng đi kèm, hướng dẫn sử dụng hoàn toàn bằng tiếng Đức, tiếng Anh, Mặt khác, khitrang bị dụng cụ thí nghiệm các giảng viên không được tập huấn sử dụng mà phải tự mài mò, tự nghiêncứu để giảng dạy

Vả lại, mỗi khi các giảng viên hướng dẫn thực hành hoặc sinh viên nào đó lỡ tay làm hỏng một chitiết tương đối quan trọng của bộ thiết bị thí nghiệm thì xem như toàn bộ bài thí nghiệm trên không thểhoạt động được, việc mua thiết bị bổ sung từ nuớc ngoài gần như không thể hay đúng hơn là một việcquá khó khăn trong hoàn cảnh hiện tại, có thể hàng hóa không còn vật tư phụ tùng do “lỗi thời”, nếuthay thế vật tư tạm cũng không đồng bộ

Cùng với phong trào chung trên cả nước, các cơ sở đào tạo (các Sở Giáo dục và Đào tạo, cáctrường đại học, cao đẳng ) đang khuyến khích các giáo viên chế tạo đồ dùng dạy học bằng các vật tư,thiết bị dễ tìm kiếm nhằm mang tính giáo dục học sinh, sinh viên có tinh thần tiết kiệm, chống lãng phítrong cơ quan, đơn vị Mặt khác, tại Phòng thí nghiệm Vật lý còn tôn kho 03 máy dao động ký osc(Oscilloscope) có giá đầu tư cao, còn khá mới và không sử dụng

Việc tác giả có tâm huyết muốn thiết kế, chế tạo mới, đưa vào sử dụng một số bài thí nghiệm vật

lý, giảng dạy môn học thực hành vật lý đại cương cho các 1Ó'P cao đăng, đại học thuộc khôi kỹ thuật,các lớp ngành sư phạm vật lý băng các vật tư, thiết bị đang có trên thị trường Việt Nam (do các nước có

uy tín sản xuất như: Nhật Bản, Đức ) sẽ mang lại nhiều điều tiện lợi cho các giảng viên phụ trách mônhọc, tạo tâm lý không quá căng thẳng trong quá trình sử dụng thiết bị do SỌ' làm hỏng và cũng gópphần tiết kiệm nhiều kinh phí cho Nhà trường

2 Lịch sử vấn đề nghiên cứu

Thực tế hiện nay tại các trường đại học, cao đẳng trong nước đã có nhiều dự án nâng cấp phòngthí nghiệm, chế tạo mới các bài thí nghiệm và các cuộc thi sáng tạo đồ dung dạy học mang lại hiệu quảcao, ví dụ như:

- Đe án nâng cấp phòng thí nghiệm môi trường cơ sở, Khoa Môi trường, Đại học Khoa học Huế, năm2014

- Thiết kế một số thí nghiệm phương pháp giảng dạy vật lý phổ thông, tác giả Giang Văn Phúc, TrườngĐại học An Giang, năm 2002

- Hội thi "Thiết bị dạy học tự làm" của Sở GD&ĐT Lâm Đồng tổ chức năm học 2012 -2013

- Đại học Cần Thơ hàng năm có tổ chức “Hội thi đồ dung dạy học” thành phần tham gia gồm có cácgiảng viên, sinh viên thuộc các ngành sư phạm nhằm khuyến khích thiết kế, chế tạo mới đồ dùng dạyhọc phục vụ nhu câu giảng dạy thực hành

- Sở Giáo dục-Đào tạo tỉnh Bình Dương tố chức “Hội thi làm và sử dụng đồ dùng dạy học tự làm nămhọc 2013-2014” và các năm tiếp theo

- Hội thi thiết bị dạy học tự làm của giáo viên tiểu học cấp tỉnh năm học 2013 - 2014 do Sở GD&DTBắc ICạn

- Hội thi thiết bị, đồ dùng dạy học tự làm ngành GD&ĐT Hà Nội năm học 2015- 2016

- Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Tp HCM hàng năm có tổ chức “Hội thi Sáng tạo kỹ thuật

Đe tài NCK.H cấp trường: "Thiết kẻ mới một số bài thi nghiệm Vật lý đại cương"

6

thuộc nhiều lĩnh vực như: y tế; điện - điện tử - công nghệ thông tin; cơ khí tự động hóa - giao thông vậntải; công nghệ sinh học; công nghệ môi trường - công nghệ hóa học; giáo dục - đồ dùng dạy học”

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Thiết kế, xây dựng mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương tại Trường Đại học Thủ Dầu Một

- Biên soạn tập tài liệu “Hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý đại cương” kèm theo các bài mới đượcthiết kế

4 Đối tượng - phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Các bài thí nghiệm vật lý đại cương

- Tài liệu “Hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lý đại cương”

- Thông qua học hỏi từ các Hội thi sáng tạo đồ dùng dạy học từ vật liệu dễ tìm mua của các tỉnh, thànhtrong nước và tham khảo các Dự án đầu tư, nâng cấp phòng thí nghiệm của các trường đại học, cao đẳngtrên cả nước

- Dựa trên thực tế, có một số thiết bị còn mới, giá đầu tư cao nhưng không sử dụng gây lãng phí chođơn vị

5.2 Phương pháp nghiên cứu:

Tác giả thực hiện đề tài dựa trên các phương pháp nghiên cứu sau đây:

+ Phưoìig pháp lý thuyết:

Dựa trên nghiên cứu tài liệu, giáo trình, bài giảng thực hành thí nghiệm vật lý đại cương của nhiều tácgiả

+ Phương pháp quan sát khoa học:

Dựa trên thực tiển giảng dạy môn thực hành vật lý, tại Phòng thí nghiệm vật lý của Trường Đại học ThủDầu Một

Đe tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bùi thí nghiệm Vật lý đại cương"

7

+ Pliiroìỉg pháp thực nghiệm khoa học:

Nghiên cứu, thiết kế mới các bài thí nghiệm dựa trên yếu tố lý thuyết mang tính khoa học thựcnghiệm chính xác

+ Phuong pháp chuyên gia:

Xin ý kiến đóng góp của các giảng viên có uy tín trong lĩnh vực chuyên môn

6 Điểm mó'i của đề tài

Cái mới của đề tài là tác giả chọn cách thiết kế lap đặt các bài thí nghiệm ở dạng tinh gọn, giảmthể tích, tích họp nhiều thiết bị trong một khôi chung thay vì các thiết bị nằm rời rạc nhiều phần, nhómthiết bị; sử dụng toàn bộ thiết bị kỹ thuật mới như: dùng đồng hồ VOM hiện số thay cho vôn kế hayampe kế hiện kim, dùng ứng dụng của dao động ký (OSC) giải quyết các bài toán cộng hưởng điện thay

vì sử dung sự thay đổi điện trở thông qua biển trở và dòng cực đại hay công suât cực đại

CHƯƠNG 1 CO SỎ LÝ THUYẾT 1.1 Sóng CO’, Sóng dừng

1.1.1 Sóng CO’

1.1.1.1 Định nghĩa- phân loại

+ Sóng cơ là những dao động lan truyền trong môi trường

+ Khi sóng cơ truyền đi chỉ có pha dao động của các phần tử vật chất lan truyền còn các phần tử vật chấtthì dao động xung quanh vị trí cân bằng cố định

Sóng được chia làm hai loại: sóng ngang và sóng dọc:

+ Sóng ngang là sóng trong đó các phần tử của môi trường dao động theo phương vuông góc vớiphương truyên sóng; Ví dụ: sóng trên mặt nước, sóng trên sợi dây cao su

+ Sóng dọc là sóng trong đó các phần tử của môi trường dao động theo phương trùng vó’i phươngtruyền sóng; Ví dụ: sóng âm, sóng trên một lò xo

1.1.1.2 Các đặc tru ng của một sóng hình sin

+ Biên độ của sóng A: là biên độ dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua

+ Chu kỳ sóng T: là chu kỳ dao động của một phần tử của môi trường sóng truyền qua

+ Tần số f: là đại lượng nghịch đảo của chu kỳ sóng : f = 1/T

+ Tốc độ truyền sóng V : là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường, phụ thuộc bản chất môi trường( VR > Vị > VK ) và nhiệt độ (nhiệt độ của môi trường tăng thì tốc độ lan truyền càng nhanh)

+ Bước sóng X: là quảng đường mà sóng truyền được trong một chu kỳ X = V T

+ Bước sóng X cũng là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng dao độngcùng pha

+ Khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng mà dao động ngược pha là: L = X/2

+ Khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng mà dao động vuông pha là: L = X/4

+Khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ trên phương truyền sóng mà dao động cùng pha là: L = kX

+Khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ trên phương truyền sóng mà dao động ngược pha là: L = (2k+l)X+Lưu ý: Giữa n đỉnh (ngọn) sóng có (n - 1) bước sóng

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bùi thí nghiêm Vật ìý đại cương"

8

Hình 1 Sơ đồ sự truyền sóng cơ dạng hỉnh sin

1.1.1.3 Sự phản xạ sóng

Sóng đang truyền trong một môi trường mà gặp vật cản thì bị phản xạ Sóng phản xạ có cùng tần số

và bưó'c sóng với sóng tới Nếu đầu phản xạ cố định thì sóng phản xạ ngưọ’c pha vói sóng tới

1.1.2 Sóng dừng

1.1.2.1 Định nghĩa

Khi sóng tới và sóng phản xa của nó cùng truyền theo một phương, chúng giao thoa vói nhau,trong đó có những điểm đứng yên (không dao động) gọi là các nút và những điểm dao động với biên độcực đại goi là các bụng Đó là hiện tượng sóng dừng

Sóng dừng là sóng có các nút và các bụng cố định trong không gian

Những nút và bụn xen kẻ, cách đều nhau Khoảng cách giữa hai nút kế tiếp bàng khoảng cách giữa hai

bụng kê tiêp và băng M2 Khoảng cách giữa một bụng và một nút gần nhau nhất là Ầ/4

Hình 2 Hỉnh dạng sóng dừng ở thời điếm t khác nhau

Hĩnh 3 Sóng dừng trên sợi dây đàn hồi có 2 đầu cố định

Hình 4 Sóng dừng trên sợi dây dàn hồi có một đầu tự do

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết ké mới một sổ bài thí nghiệm Vật lý đụi cương '

1.2 Giao thoa sóng nước

1.2.1 Khái niệm về nguồn kết họp, sóng kết họp

a Nguồn kết hợp:

- Hai nguồn A, B được gọi là nguồn kết họp nếu chúng có cùng tần số và độ lệch pha không đổi (hay cùng pha)

b Sóng kết họp:

- Hai sóng kết hợp là hai sóng được phát ra từ các nguồn két hợp

1.2.2 Khái niệm giao thoa sóng

Giao thoa sóng là sự tổng hợp của hai hay nhiều sóng kết họp mà cho trên phương truyền sóng những điểm dao động với biên độ cực đại hoặc những điểm dao động với biên độ cực tiểu (những điểm dao động với biên độ bằng 0 hoặc không dao động)

í 271x1, ) u= Aco (0t + <p A - —-A

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bùi thí nghiêm Vật ìý đại cương"

10

Do sóng truyền từ các nguồn là sóng kết hợp nên tại M có sự giao thoa của hai sóng phát

ra từ hai nguồn Khi đó phương trình dao động tổng hợp tại M là:

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mói một số bài thỉ nghiệm Vật ìý đại cương’’

n = cp B = 0 Khi đó phương trình dao động của hai nguồn là:

Phương trình sóng tại M do sóng từ u-ủ' 11)5 Acoslwt + XA)

nguyên lần bước sóng thì dao động tổng hợp có biên độ cực đại:

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mói một số bài thỉ nghiệm Vật ìý đại cương’’

Vậy khi hiệu đường truyền bằng một số nguyên lẻ lần nửa bưó'c sóng thì dao động tông hợp có biên

độ bị triệt tiêu, “Ujxai

* Trường họp 2: Hai nguồn dao động ngược pha

<P A = M>B = ô

Khi đó phương trình dao động của hai nguồn là:

U A = A.cos(cot + ir),u E = Acos(cot) Q 12)

Phương trình sóng tại M do sóng từ nguồn A truyền đến là:

Đề tài NCKH cấp truồng: “Thiết kế mới một sẻ bài thí nghiệm Vật lý đại cương

Báo cáo tổng kết đề tài

12

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một sỏ bài thi nghiệm Vật lỷ đại cương”

13

— -s

— -Chủ nhiệm đê tài: Nguyên Thanh Tùng

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một sỏ bài thi nghiệm Vật lỷ đại cương”

14

1.3 Khảo sát đặc tuyến diode bán dẫn, diode zener, transistor

1.3.1 Chất bán dẫn

1.3.1.1 Chất bán dẫn tinh khiết

Chất cách điện là vật liệu trung gian giũa chất dẫn điện và chất cách điện Chất bán dẫnthuần không phải là chất dẫn điện tốt cũng không phải là chất cách điện tốt Chất bán dẫn đơnnguyên tử thông thường bao gồm:Si (Silicon); Ge (germanium);C (Carbon) Hợp chất bán dần nhưlà: Gallinium Asernide Vó'i các chất bán dẫn đơn nguyên tử ta có được 4 điện tử hóa trị trên shellhóa trị Khi các nguyên tử tổ hợp tao thành vật rắn, tinh thể vật liệu, chúng tự sắp xếp theo mô hìnhđối xứng Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nối kết với nhau bằng nối cộng hóa trị, kết nối nàyđuợc hình thành do sự tương tác giữa các điện tử hóa trị trong các nguyên tử Silicon là loại vật liệutinh thể (crystalline material) Trong hình 6 trình bày cấu trúc của tinh thể Silicon tạo bỏ’i cácnguyên tử Silicon

Hình 6 Cấu trúc tinh thể của Silic (Si)

Một tinh thể silicon thuần khiết tại nhiệt độ môi trường có đủ nhiệt năng để vài điện tử hóa trịnhảy qua khe năng lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở thành điện tử tự do Các điện tử tự dođược gọi là các điện tử dẫn (conduction electrons) Sự kiện này được

trình bày trong giản đồ năng lượng (energy diagram) và giản đồ nối cộng hóa trị (bonding diagram)trong hình Hình 7

Hình 7 Giản đồ năng lượng của bán dân tinh khiết Si

Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo sự khiếm khuyết trong dãy hóa trị của tinh thể Vị trí khiếm khuyết này gọi là lỗ trống (hole) Vó'i mỗi điện tử hấp thu năng lượng ngoài

'Xi ■%

: Heal ene rgy

•díliỉlẾ*

(b 1 B o ml I Hỹĩ i! i api'n ni

(a) Energy diagram

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mới một số hài thí nghiệm Vật ỉý đụi cương”

15

và nhảy đén dãy dẫn sẽ hình thành lổ trống trong dãy hóa trị tại lúc này ta có một cặp điện tử và lô trông, xem hình Hình 7 Tại nhiệt độ bình thường của môi trường, trong một tinh thê Silicon quá trình hình thành cặp điện tử tự do và lô trông tạo ra một cách ngẩu nhiên Khi cấp điện áp một chiều ngang qua hai đầu của của một tấm tinh thể Silicon, các điện tử tự do trong dãy dân sẽ di chuyên tự

do một cách ngâu nhiên trong cấu trúc tinh thể và dễ dàng đi về phía cực dương (+) của nguồn áp cung cấp

Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt và có giói hạn tại trạng thái thuẵn khiết, do số lượngrất ít các điện tử tự do trong dãy dẫn và lỗ trống trong dãy hóa trị Silicon thuần khiết (hay Ge) phảiđược cải thiện băng cách gia tăng lượng điện tủ' tự do hay lổ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành cáclinh kiện điện tử hữu ích Công việc này được thực hiện bằng cách thêm tạp chất vào vật liệu thuầnkhiết Có hai loại vật liệu bán dẫn không thuần khiết (extrinsic semiconductor) là bán dẫn loại n vàbán dẫn loại p Tính dẫn của silicon và germanium có thể được gia tăng một cách mạnh mẽ bằng

Để gia tăng lượng điện tử trong dãy dẫn của silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị

5 đưọ'c thêm vào Các nguyên tử có 5 điện tử hóa trị chẳng hạn như:As; P; Bi và Sb Trong hình 8trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử Sb với 4 nguyên tử Si lân cận Bổn điện tử hóa trịcủa Sb dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên từ Si và một điện tử thừa tách ly thành điện tử tụ dokhông liên kết với các nguyên tử Nguyên tử có hóa trị 5 dùng làm tăng điện tử tự do được gọi lànguyên tử cho (donor atom), số lượng điện tử tự do được kiểm soát bỏi số lượng nguyên tử tạp chấtthêm vào Phương pháp tạo ra các điện tử tự do theo phương thức này không hình thành lố trốngtrong dãy hóa trị Bán dẫn tạo nên từ Si (hay Ge) liên kết với nguyên tử hóa trị 5 được gọi là bán dẫnloại n và dòng tải được tạo nên do các điện tử Trong trường hợp này các điện tử được gọi là hạt tải

đa (majority carriers) trong bán dần loại n Mặc dù dòng tải chủ yếu là do các điện tử nhưng cũng cómột số lố trống được tạo ra khi có điện tử thóa khỏi tầng hóa trị do tác dụng nhiệt Các lổ trống nàykhông được tạo thành do sự thêm vào cấu trúc nguyên tử tạp chất hóa trị 5 Lổ trống trong chất bándẫn n được gọi là hạt tải thiếu (minority carriers)

Hĩnh 8 Sự hình thành bán dân loại N

- Bán dẫn loại p

Để gia tăng lượng lổ trống trong bán dẫn Si thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 3 đưọ'c thêm vào.Các nguyên tủ' có 3 điện tử hóa trị chăng hạn như : B; In và Ga Trong hình 9 trình bày liên kết cộnghóa trị của một nguyên tử B vói 4 nguyên tử Si lân cân Ba điện tử hóa trị của B dùng tạo nôi cộnghóa trị với 4 nguyên tử Si và thiếu một điện tử nên tạo thành lỗ trống Nguyên tử có hóa trị 3 có thểlấy thêm một điện tử nên được gọi là nguyên tử nhận (acceptor atom), số lượng lỗ trống được kiểmsoát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào và các lỗ trống được tạo bỏ'i phương thức trên không

đi cùng với điện tử tự do

Hình 9 Sự hĩnh thành bán dẫn loại p

Dòng điện tải trong trường hợp này là do các lỗ trống, chất bán dẫn Si (hay Ge) liên kết với nguyên

tử hóa tri 3 cho bán dẫn loại p Lỗ trống có thể hiểu là điện tích dương; vì khi nguyên tử thiếu đi mộtđiện tử, điện tích toàn phần của nguyên tử mang giá trị dương Lổ trống xem là hạt tải đa trong bándẫn loại p Mặc dù dòng dẫn trong bán dẫn p chủ yếu là do các lỗ trống, nhưng cũng vẫn có một sốđiện tử tự do sinh ra khi có sự tác động nguồn nhiệt bên ngoài Các điện tử tự do này không được tạo

do sự thêm vào tạp chất là nguyên tử hóa trị 3 Điện tử trong chất bán dẫn p là hạt tải thiểu

1.3.2 Diode bán dẫn

1.3.2.1 Định nghĩa, cấu tạo

Khi tạo thành mối nối pn giữa khối bán dẫn loại n và khối bán dẫn p ta có diode cơ bản.Diode là linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện qua nó theo một hướng định trước

Diode là linh kiện bán dẫn đầu tiên Khả năng chỉnh lưu của tinh thể đưọ'c nhà vật lý ngu'ò'iĐức Ferdinand Braun phát hiện năm 1874 Diode bán dân đâu tiên đươc phát triển vào khoảng năm

1906 được làm từ các tinh thê khoáng vật như galena

Vói cấu tạo của mối nối pn trong hình 10, các điện tử tự do trong vùng n di chuyển một cáchngẫu nhiên theo mọi hướng Khi đã tạo thành môi nôi pn, các điện tử tự do gần mối nối trong vùng nbắt đầu khuếch tán sang vùng p, tại dây chúng tái hợp với các lỗ trống gần mối nối

Khi hình thành mối nối pn, vùng n mất đi điện tử khi khuếch tán sang mối nối Sự kiện nàysinh ra lóp điện tích dương gần mối nối Khi điện tử di chuyển sang mối nối, vùng p sẽ mất đi các lổtrống do sự tái hợp Sự kiện này sinh ra lớp điện tích âm gần mối nối Hai lớp điện tích dương và âmtạo thành vùng nghèo (depletion region), xem hình 11

Danh từ “nghèo” được sử dụng cho vùnbg gần tiếp giáp pn do sự thiết hụt các hạt tải tùy thuộc vàoquá trình khuếch tán tại mối nối cần nhớ rằng, vùng nghèo hình thành rất nhanh và có độ dầy rấtmỏng so với độ dầy của các lớp bán dẫn p và n

Hĩnh 11 Sự hình thành mối nối pn và điện thế rào cản

Quá trình khuếch tán chấm dứt khi vùng nghèo tạo thành rào cản ngăn cản các điện tử đi qua mối nối

DiỘR thé rốo cản (Barrier Voltage)

a./ Tại lúc hình thành tiẽp giáp pn b, Tại trang ỉháj cản b'ẳng

Hĩnh 12 Giản đồ năng lượng tại mối nối pn và vùng nghèo

Điện thế chênh lệch tạo bởi điện trường ngang qua vùng nghèo là lượng điện áp cần thiết để di chuyển điện tử tự do qua khỏ điện trường rào cản Điện thế chênh lệch này gọi là điện thế rào cản được tính bang Volt Nói một cách khác,cần một lượng điện áp nào đó bằng điện thế rào cản vàcó cực tính tương ứng được đặt ngang qua tiếp giáp pn trước khi các điện tữ tụ do hình thành dòng ngang qua mối nối Quá trình này được gọi là phân cực Điện thê rảo cản phụ thuộc vào một sô các

hệ sô bao gôm lạoi vật liệu bán dẫn, hàm lượng tạp chât và nhiệt độ Với Silicon điện thê rảo cản có giá trị khoảng 0,7 V và với Germanium điện thế rào cản có giá trị khoảng 0,3 V tại nhiệt độ môi trường 25°c

ỉ 3.2.2 Hoạt động của diode

i) Phân cực thuận

Phân cực diode là câp điện áp một chiêu (DC) ngang qua hai đâu diode Phân cực thuận là sự phâncực tạo điều kiện thuận lợi cho dòng đi ngang qua môi nối pn Điện áp phân cực ngoài được ký hiệu

là VBIAS , cần nối tiếp diode với điện trở ngoài để giới hạn dòng có giá trị quá lớn qua diode, có thể

Giá trị của điện áp VB1AS phải ló'n hơn giá trị của điện thế rào cản

Như đã trình bày trong các mục trên, sau khi các điện tử đến vùng p thải bót các năng lượng

và rơi vào dãy hóa trị vùng p, trong dãy này hiện các lỗ trống là các hạt tải đa Lúc này quá trình táihọp sẽ không diễn ra vì tác dụng của cực (+) nguồn áp VB1AS có khuynh hướng tác động kéo các

điện tử đi về phía nguồn Các lố trống trong vùng p tạo thành môi trường hay đường dẫn (path way)

để các điện tử hóa trị đi ngang qua vùng này, điện tử tử lỗ trống này sang lỗ trống ke tiếp để đi đếncực dương cũa nguồn áp phân cực Chúng ta có thể xem như lổ trống làm thành phương tiện để cácđiện tử đi ngang qua vùng p Khi các điện tử qua khỏi vùng p, các điện tử trờ thành các điện tử dẫntrong vật dẫn Hơn nữa với vật dẫn điện do dãy hóa trị và dày dẫn nằm chồng lên nhau nên các điện

tử trong vật dẫn trở thành điện tử tự do dễ dàng hơn so với trường hợp bán dẫn Khi có nhiều điện tử

đi ngang qua vùng nghèo, số lượng ion dương giảm

khi có nhiều lỗ trổng đi ngang qua vùng nghèo số lượng ion âm giảm xuống

Quá trình giảm thấp các ion dương và ion âm trong vùng này làm thu hẹp vùng nghèo

Ịỉ (vgion ụv junuú:ú(i /II tg J > I

lk yy

Dãy hoá tri

,1?

FCi'iOl? ịiriCLuiỉì ?i

Hỉnh 13 Phân cực thuận P-N

Khi UAK > 0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là dòng điệnthuận (thường được ký hiệu là IF tức I-F0RWARD hoặc ID tức I-DIODE) Dòng điện thuận có chiều

từ anode sang cathode

Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trởcủa diode lúc đó rất thấp (khoảng vài chục Ohm) Do vậy phần diện áp để tạo ra dòng điện thuậnthường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với Ưtiểp xúc- Thông thường phần điện

áp dùng để cân bằng với Utiếp xúc cần khoảng 0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1Vđến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampe Như vậy giá trị của UAK đủ đế códòng qua diode

Đề tài NCKII cấp trường: “Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đạicưirng”

20

khoảng 0.6V đến 1.1V Ngưỡng 0.6V là ngưỡng diode bắt đầu dẫn và khi UAK = 0.7V thì dòng quadiode khoảng vài chục mA

tử hóa trị di chuyển từ lổ trống này đến lổ trống khác lân cận để đến vùng nghèo tạo thành các ion

âm Hiện tượng này làm mở rộng vùng nghèo Dòng điện tử hóa trị có thể xem tương đương nhưdòng lổ trống được “kéo” về phía đầu (-) của nguồn áp phân cực Quá trình quá độ của các hạt tảidiền ra và kêt thúc trong khoảng thời gian rất ngán ngay sau khi cấp điện áp phân cực vào diode Khivùng nghèo mở rộng và giảm nhanh các hạt tải đa, điện trường tạo bởi các ion dương và ion âm giatăng cho đến khi tạo thành điện áp ngang qua vùng nghèo có giá trị bằng điện áp phân cực.Tại lúcnày dòng quá độ chấm dứt và cho dòng phân cực ngược có giá trị rất bé

Hĩnh 14 phân cực nghịch P-N

Dòng điện phân cực nghịch thường có giá trị rất nhỏ và có thể bỏ qua Mặc dù vậy, khi điện áp ngoàiphân cực ngược được gia tăng đến giá trị được gọi là “điện áp phá vở” (breakdown voltage), dòngđiện ngược gia tãng một cách mãnh liệt Với giá trị cao của điện áp phân cực ngược mang đến nănglượng cho các điện tử tải thiểu, làm tăng tốc cho chúng đi qua vùng p va chạm các nguyên tử vóimức năng lượng đủ lớn làm bật ra các điện tử hóa trị khỏi quỉ đạo trong dảy dẫn Các điện tử hóa trị

bị đánh bật khỏi quỉ đạo tăng nhanh số lượng, khi các điện tử có mức năng lượng cao qua được vùngnghèo chúng có đủ năng lượng để đến vùng n như các điện tử dẫnvà không thực hiện quá trình táihợp với lố trống Quá trình nhân các điện tử dẫn như vừa trình bày được gọi là hiện tượng

“avalanche” và tạo ra dòng điện ngược có giá trị rất lớn có thể phá hủy diode do quá trình nhiệt tiêután trong diode tăng quá mức

uol—-N

Đe tải NCKH cấp trường: "Thiết kế mó'i một số hài thí nghiệm Vật ỉý đại cương”

21

Hình 15 Đặc tuyến Vôn-Ampe phân cực thuận của diode

iii) Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode khi phân cực thuận

Đặc tuyến Volt Ampere là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp giữa hai đầu diode với dòng điện qua diode Thực hiện mạch thí nghiệm theo hình 13 để xác định đặc tuyến Volt Ampere cho diode lúc phân cực thuận, gọi: VF : điện áp đặt ngang qua hai đầu diode hìc phân cực thuận

VBIAS: điện áp phân cực cấp vào mạch diode

IF : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận

Két quả thí nghiệm ghi nhận như sau:

• Khi VF= ov không có dòng qua diode IF =0 Khi gia tăng điện áp ngoài phân cực VB]AS điện áp VF

gia tăng và dòng phân cực thuận IF gia tăng dần

• Khi điện áp VBIAS đến mức để điện áp VF = 0,7V, xấp xỉ bằng điện thế rào cản đặt ngang qua vùng nghèo của mối nối pn, dòng điện IF gia tăng nhanh

• Khi tiếp thục gia tăng điện áp VB]AS, dòng điện IF càng gia tăng nhưng điện áp ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7V

iv) Điện trỏ’ động (dynamic resistance):

Khi mở rộng (hay khuếch đại) đặc tuyến Volt Ampere của diode lúc phân cực thuận như trong hình 15 b, điện trở động của diode được định nghĩa như sau:

Điện trở động lúc phân cực thuận diode không là hằng số và có giá trị thay đổi dọc theo đặc tuyến Điện trở động còn được gọi là điện trở AC Giá trị điện trở động bắt đầu giảm trong vùng khuỷu (knee) của đặc tuyến và có giá trị nhỏ hơn trên vùng cao hơn điểm khuỷu

v) Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode khi phân cực nghịch (REVERSE BIAS)

Khi cấp điện áp ngoài phân cực nghịch ngang qua hai đầu diode, ta chỉ nhận được dòng điệnngược IR có giá trị rất nhỏ đi ngang qua mối nối pn Với điện áp ngang qua diode là ov sẽ không tạothành dòng điện ngược IR = 0 Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, ta nhận được dòng điện ngượcrất bé và điện áp ngược VR đặt ngang qua hai đầu diode Khi điện áp phân cực nghịch gia tăng đếnmức cao hơn, áp ngược VR đặt trên hai đầu diode đạt đến mức bằng áp phá vở phân cực nghịch VBR

dòng điện ngược gia tăng rat nhanh Neu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực ngược,

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thi nghiệm Vật ìý đại cưong "

22

dòng điện tiếp tục gia tăng rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode chỉ hơi gia tăng so với giá trị VBR.Trạng thái phá vở với các trường hợp ngoại lệ không là trạng thái làm việc bình thường của hầu hếtcác mối nối bán dẫn pn

Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp của diode cho các trạng thái phân cực thuận và phân cựcnghịch trình bày trong hình 16

/R (,ừA)

Hình 16 Đặc tuyến Vôn-Ampe khi phân cực nghịch

Cần chú ý thang đo dòng IF tính theo [mA]; trong khi thang đo của dòng IR tính theo [pA]

Hĩnh 17 Đặc tuyến Vôn - Ampe của diode phụ thuộc nhiệt độ T

* Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi diode phân cực thuận

* Giai đoạn ứng với UAK= 0.7V< 0 mô tả quan hệ dòng áp khi diode phân cực nghịch (UAK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các diode Si, với diode Ge thông số này khác)

Khi diode được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở củamạch ngoài (được mắc nối tiếp với diode) Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của diode vìđiện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện

Khi nhiệt độ gia tăng, trên đặc tuyến phân cực thuận dòng IF gia tăng khi xét tại điện áp VF

định trước Ngược lại tươg ứng với giá trị dòng phân cực thuận IF chọn

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thi nghiệm Vật ìý đại cưong "

23

thấp giá trị khi nhiệt độ gia tăng Với đặc tuyến phân cực

Sự khác biệt giữa các đặc tuyến Vôn-Ampe vẽ tại 25° c và tại nhiệt độ cao hơn trình bày trong hình 17 Điều quan trọng cần nhớ, dòng phân cực nghịch trước khi xãy ra hiện tượng phá vở phân cực nghịch (breakdown) có giá trị rất thấp không đáng kể

có thể bỏ qua.

Theo lý thuyết Vật liệu bán dẫn, áp dụng hàm xác suất theo Fermi-Dirac để tiên đoán sựtrung hòa điện tích ta có được phương trình tỉnh (không thay đối theo thời gian) của dòng điện quamối nối pn của diode xác định theo William Bradford Schockley:

Trong đó: V r =— (V) , với hằng số Boltzmann k = 1,38.1 O'23 [J/° K] và T [° K] là q

nhiệt độ tuyệt đổi tại mối nối pn của diode; ID [A] : dòng tức thòi qua diode; VD [V] : điện áp tức thờiđặt ngang qua hai đầu diode; q [C] : điện tích của electron (âm điện tử); q = 1,6.10-19 C; ĩ| : hằng số tới hạn ( T| = 1 cho Ge và q = 2 cho Si); Io [A] : dòng điện bảo hòa tại trạng thái phân cực nghịch

vi) Mô hình diode lý tường của mạch diode:

Mô hình diode lý tưởng được xem tương đương như khóa điện: Khi diode phân cực thuận,

nó tác động như khóa điện đóng kín mạch Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch Điện thế rào cản, điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua không xét đến

RLIMIT: Điện trở giói hạn dòng trong mạch diode

Trong hình 18 trình bày đặc tuyến Volt Ampere của diode lý tưởng Khi bỏ qua điện thế rào cản và điện trở động của diode khi phân cực thuận diode điện áp đặt ngang qua 2 đầu diode là Vp =

0 Dòng điện phân cực thuận được xác định theo định

luật Ohm như sau: Zz = fílAS

Khi bỏ qua dòng điện ngược, IR = 0 , điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp VBIAS

Mô hình diode lý tưởng thường được áp dụng trong trường hợp cần xác định nguyên tắc hoạt động của mạch điện tử (xác định định tính) và chưa cần quan tâm đến các giá trị chính xác của áp và dòng trong mạch (chưa cần thiết xác định định lượng một cách chính xác)

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thi nghiệm Vật ìý đại cưong "

24

c./Đặc tuyến Volt Ampere cùa diode lý tường

Hình 18 Sơ đồ mạch và đặc tuyến của diode lý tưởng

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết ké mỏi một số hài thỉ nghiệm Vật lý đại cương''

25

vii) Mô hình thực nghiệm của diode:

Mô hình thực nghiệm của diode chính là mô hình lý tưởng của diode đưọ'c thêm vào điện thếrào cản Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch Trong trạng thái nàymạch tương đương bao gồm khóa diện nối tiếp với nguồn áp rào cản VF= 0,7V Điện áp này duy trìgiá trị trong suôt quá trình phân cực thuận Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điệnlàm hở mạch Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch Điện trở động và dòngđiện ngược được bỏ qua không xét đến

của diode thực nghiệm

Dòng phân cực thuận xác định theo định luật K2 như sau, xem hình 19 a: VBIAS = VF + RLIMIT • IF

(1-21)Suy ra:

-V.

Ị _ 1 ỊÌỊAS 1 !■ R I IMIT (1.22)Dòng điện ngược qua diode là IR = 0 , điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp VBIAS

viii) Mô hình hoàn chỉnh của diode:

Mô hình hoàn chỉnh của diode bào gồm: mô hình của diode lý tưởng thêm vào điện thế rào

cản, điện trở động phân cực thuận có giá trị nhỏ r'j và điện trở nội phân cực nghịch có giá trị ló’n.

Khi diode phân cực thuận, nó tác dộng như khóa điện đóng kín mạch Trong trạng thái này mạch

tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản 0,7V và nối tiếp với điện trỏ’ động r d

Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện hở mạch, đấu song song với điện trở nội phân

cực nghịch r R

b.l Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere

cùa diode thực nghiệm

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết ké mỏi một số hài thỉ nghiệm Vật lý đại cương''

Hình 20 Sơ đồ mạch điện và đặc tuyến mô hĩnh diode hoàn chỉnh

DỉOíle hoan chinh

a./ Phân cực thuận diode

Diode hoán chính

b./ Phân cực nghịch diode c.l Đặc tuyến Volt Ampere

cùa diode hoàn chình

Đe tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mói một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương’’

27

Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch Đặc tuyên Vôn- Ampe của diodehoàn chỉnh trình bày trong hình 20 Điện áp xuất hiện ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuậnxác định theo quan hệ sau:

^ = 0,7 + /;.// Q 23)Dòng qua diode tại trạng thái phân cực thuận xác định theo quan hệ: 7 ^.s -0-7

R iJMư +r d (1.24)Dòng điện ngược tại trạng thái diode phân cực nghịch :

r/

Ị _ WAS 1

(1.25)

ix) ứng dụng của diode

Vì diode có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode đến cathode khi phân cực thuận nên diodeđược dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

Hình 21 Các loại diode trong thực tế

Ngoài ra diode có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD = 0 (nối tắt), phân cựcnghịch RD (hở mạch), nên diode được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiểnmức điện áp Diode chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyến dòng điện xoay chiều thành dòng điện mộtchiều, điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật điện tử Vì vậy diode được ứng dụng rộng rãi trong

kỹ thuật điện và điện tử

5

Hĩnh 22 Sơ đô mạch chỉnh lưu 1 bản kỳ dùng diode

Đề tài NCK.H cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương"

Nó được chế tạo sao cho khi phân cực ngược thì diode Zener sẽ ghim một mức điện áp gần

cố định bằng giá trị ghi trên diode, làm ổn áp cho mạch điện

1.3.3.2 Nguyên lý hoạt động của diode zener

Diode Zener, còn gọi là "diode đánh thủng" hay diode ổn áp: là loại diode được chế tạo tối

ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng Khi sử dụng diode này mắc ngược chiều lại, nếu điện áptại mạch lớn hơn điện áp định mức của diode thì diode sẽ cho dòng điện đi qua

Hình 24 Đặc tuyến vôn-ampe của diode zener cho thây độ dôc của Vy

Khi được phân cực thuận diode Zener hoạt động giống diode bình thường Khi được phân cựcnghịch, lúc đầu chỉ có dòng điện thật nhỏ qua diode Nhưng nếu điện áp nghịch tăng đến một giá trịthích ứng: Vngược = Vz (Vz: điện áp Zener) thì dòng qua diode tăng mạnh, nhưng hiệu điện thếgiữa hai đầu diode hầu như không thay đổi, gọi là hiệu thế Zener

Đề tài NCK.H cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương"

29

/R

Hình 25 Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode zener

Thông thường diode Zener công suất nhỏ được dùng để cấp điện áp mốc (ổn áp) hoặc hạnchế mức điện áp cho mạch điện

uloU'H —1

♦ V/

Đề tài NCK.H cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương"

30

Hình 26 Đặc tuyên Vôn - Ampe của diode zener Si và Ge

Diode Zener công suất lớn được dùng trong mạch ôn áp kiêu song song, tuy nhiên vì tổn haođiện và mức nhiệt phát ra nhiều trên diode và điện trở chặn, nên mạch này ít được sử dụng

Cặp diode Zener đấu đối nhau sẽ tạo ra mạch cắt đỉnh tín hiệu xoay chiều, dùng khi cần tạodạng (Waveform clipper) hoặc hạn chế mức điện áp, như ở ngõ vào các khuếch đại

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mới một sổ bài thí nghiệm Vật ỉỷ đại cương”

31

Hình 27 Sơ đồ mạch cách lấy điện của 2 diode zener 9V và 5 V

1.3.4 Transistor

1.3.4.1 Cẩu tạo của Transistor

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theothứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược, về phương diện cấu tạo, Transistor tương đương với hai Diode đâu ngược chiều nhau

1.3.4.2 Nguyên tắc hoạt động của Transistor.

* Xét hoạt động của Transistor NPN

Input

21 zS1ovc -

9X

ị

B

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kể mới một sổ bài thí nghiệm Vật lý đại cương”

32

Hình 29 Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động cùa transistor NPN Ta cấp một

nguồn một chiều UCE vào hai cực c và E trong đó (+) nguồn vào cực c và (-) nguồn vào cực E

Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và điện trở hạn dòng vào hai cực B và E, trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở, ta thấy rằng, mặc dù hai cực c và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối CE (lúc này dòng Ic = 0)

Khi công tắc đóng, mối P-N đuọc phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn

UBE qua công tắc và qua R hạn dòng rồi qua mối BE về cực (-) tạo thành dòngIB

Ngay khi dòng 13 xuất hiện thì lập tức cũng có dòng Ic chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng Icmạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng Ic hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức:

* Xét hoạt động của Transistor PNP

Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của cácnguồn điện ƯCE và ƯBE ngược lại Dòng Ic đi từ E sang c còn dòng

IB đi từ E sang B

Đề tài NCKH cấp trường: “Thiết kế mó'i một số bài thí nghiêm Vật lý đại cương’’

Hỉnh 30 Mạch khuyếch đại tín hiệu dùng Transistor PNP

1.3.4.3 Các thông số kỹ thuật của Transistor

- Dòng điện cực đại : Là dòng điện giới hạn của transistor, vượt qua dòng giói hạn này Transistor

- Hệ số khuyếch đại : Là tỷ lệ biến đổi của dòng ICE lớn gấp bao nhiêu lần dòng IBE

- Công suất cực đại: Khi hoat động Transistor tiêu tán một công suất

, P = UCB;ICE (1.27)nếu công suất này vượt quá công suất cực đại của Transistor thì Transistor sẽ bị hỏng Khi cáctransistor NPN hay PNP được kết nối với các nguồn áp DC phân cực, gọi: VBB là nguồn áp DC phâncực thuận mối nối nền phát và Vcc là nguồn áp DC phân cực nghịch mối nối nền thu

1.3.4.4 Đặc tuyến Vôn-Ampe của Transistor

Là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi của dòng điện cực thu Ic theo điện thế thu nền VCB vớidòng điện cực phát IE làm thông số Đặc tuyến có dạng như sau:

Ta chú ý đến ba vùng hoạt động của transistor:

+ Vùng tác động: Nối nền phát phân cực thuận, nối thu nền phân cực nghịch Trong vùng này đặctuyến là những đường thẳng song song và cách đều Trong các ứng dụng thông thường, transistorđược phân cực trong vùng tác động

Đề tài NCKH cấp trường: "Thiết kể mới một sổ bài thí nghiệm Vật lý đại cương”

34

Hĩnh 31 Đặc tuyến Vôn-Ampe của transistor

+ Vùng ngưng: nổi nền phát phân cực nghịch (IE=O), nối thu nền phân cực nghịch Trong vùng này transistor không hoạt động

+ Vùng bảo hoà: nối phát nền phân cực thuận, nối thu nền phân cực thuận Trong các ứng dụng đặc biệt, transistor mới được phân cực trong vùng này

Mắc theo kiếu cực phát chung, đây là cách mắc thông dụng nhất trong ứng dụng của Transistor

Hình 32 Sơ đồ phân tích mạch phần cực transistor

i) Đặc tuyến ngỏ vào:

Biểu diễn sự thay đổi dòng điện IB theo điện thế ngỏ vào VBE trong đó điện thế thu phát VCE chọn làm thông số

Đề tài NCKIỈ cấp trường: "Thiết kể mới một số bài thỉ nghiệm Vật lý đại cương’’

3 5

Hình 33 Đặc tuyến ngỏ vào Transistor NPN

ii) Đặc tuyến ngỏ ra:

Biếu diễn dòng điện cực thu Ic theo điện thế ngỏ ra VCEVỚÍ dòng điện ngỏ vào IB được chọn làmthông số

Hình 34 Đặc tuyến ngỏ ra Transistor NPN

Ta thây cũng có 3 vùng hoạt động của transistor: vùng bảo hoà, vùng tác động và vùng ngưng

• Khi nối tắt VBE (tức IB = 0) dòng điện cực thu xấp xĩ dòng điện rĩ ICE0

iii) Đặc tuyến truyền: (Transfer characteristic curve)

Từ đặc tuyến ngỏ vào và đặc tuyến ngỏ ra chúng ta có thể suy ra đặc tuyến truyên củaTransistor Đặc tuyến truyền biễu diễn sự thay đổi của dòng điện Ic của ngỏ ra theo điện thế ngỏ vào

VBE với điện thế ngỏ ra VCE làm thông số

-V fE = DV

v í£ = IV

V BE (V)

Đề tài NCK.H cấp trường: "Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương”

iiJBO

lc (niA)

1

Ị Ị

/

1 V CE

=1C(V) 1 / í

V K (V)

tào đíỉig

Hĩnh 35 Đặc tuyến truyền của Transistor NPN

Đối với transistor Si, vùng hoạt động có VBE nằm trong khoảng 0,5-0,8V Trong vùng này,đặc tuyến truyền có dạng hàm mũ ở vùng bão hoà, dòng Ic tăng nhanh khi VBE thay đổi ở vùngngưng, khi VBE còn nhỏ, dòng ri qua transistor ICES rất nhỏ, thường xấp xĩ ICB0 Ngay cả trong vùnghoạt động, khi VBE thay đổi một lượng nhỏ (từ dòng IB thạy đổi) thì dòng Ic thay đổi một lượng khálớn Vì thế, trong các ứng dụng, người ta dùng điện thế cực nền VBE làm điện thế điều khiển và cực

B còn gọi là cực khiển

iv) Ánh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tuyến của BJT.

Như ta đã thấy, các tính chất điện của chất bán dẫn đều thay đổi theo nhiệt độ Do đó, cácđặc tuyến của BJT đều thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

• Khi nhiệt độ tăng, các dòng điện rỉ của cực thu (ICBo,lceo, ICES) đều tăng

• Khi nhiệt độ tăng, các độ lợi điện thế aDC, Poc cũng tăng

• Khi nhiệt độ tăng, điện thế phân cực thuận (điện thế ngưỡng) nối nền phát VBE giảm Thôngthường, VBE giảm 2,2mV khi nhiệt độ tăng l°c

Hĩnh 36 Đồ thị đặc tuyến Vôn-Ampe theo nhiệt độ

• Dòng điện rỉ ICBO tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 8°c trong transistor Si, theo công thức: