BÁO cáo THÍ NGHIỆM vật lí bán dẫn bài TN 1 KHẢO sát LINH KIỆN r l c

Điện áp không tăng cùng lúc với cường độ dòng điện mà nó cần thời gian để phân bố điện tích vàtạo nên điện áp trong tụ.. - Giải thích: tần số dòng điện càng lớn thì trở kháng của tụ càng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LÍ BÁN DẪN

GV: Nguyễn Phạm Minh Luân

L10 – Nhóm 8.

Phan Sơn Phúc

Võ Thị Kim Anh.

Hồ Việt Anh.

BÀI TN 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

THÍ NGHIỆM 1

Đo giá trị của biến trở VR5

Các kết quả điền vào bảng 1

Quan sát điện áp trên tụ C1 trên dao động ký.

Biên độ điện áp trên tụ C1 là bao nhiêu?

- Biên độ điện áp trên tụ C1:

Từ đó, giá trị C1 bằng bao nhiêu? Trình bày cách tính

Giá trị in trên C1 là bao nhiêu? Từ đó suy ra sai số giữa giá trị lý thuyết và giá trị

thực Giá trị in trên C1 là 0,1 Vậy sai số giữa giá trị lý thuyết và giá trị thực là

Vẽ lại dạng sóng ngõ vào và trên tụ C1 Hai sóng này có tương quan về phase như thế nào? Giải thích

- Nhận xét: Sóng ngõ ra trên tụ C1 trễ phase hơn sóng ngõ vào Khi có dòng xoay chiều đi vào tụđiện, 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 vàtạo 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 hiệudụng trong mạch càng lớn và ngược lại Với dòng điện một chiều, tụ điện có trở kháng dương vô cùng.Đặc tính này được ứng dụng trong các mạch truyền tín hiệu

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.Do điện áp trên tụ thay đổi theo phương trình dạng mũ

Quan sát điện áp trên tụ C5 trên dao động ký.

Biên độ điện áp trên tụ C5 là bao nhiêu?

- Biên độ điện áp trên tụ C6: 312mV

Từ đó, giá trị C6 bằng bao nhiêu? Trình bày cách tính

Đọc giá trị in trên tụ C5 Giá trị và điện áp tối đa theo lý thuyết của C5 là bao nhiêu?

Quan sát điện áp trên cuộn dây L5 trên dao động ký.

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

- Biên độ điện áp trên cuộn dây: mV

Từ đó, giá trị L5 bằng bao nhiêu? Trình bày cách tính

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

- Nhận xét: Sóng ngõ ra ở L5 có pha sớm hơn sóng ngõ vào Khi có dòng điện đi qua cuộn dây thìcuộn dây cũng đồng thời tạo từ trường chạy trong lòng cuộn dây Dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, khi từtrường 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 vậytrong 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

- Giải thích: ta có và

Khi ZL tăng thì UL cũng tăng và ngược lại, khi ZL giảm thì UL cũng giảm do Uin và R là cốđịnh Mà ZL tỉ lệ thuận với f nên khi tăng/giảm tần số tín hiệu vào thì biên độ trên L5 cũngtăng/giảm tương ứng

BÀI TN 2 KHẢO SÁT DIOCE 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

THÍ NGHIỆM 1

Mục tiêu

Khảo sát đặc tính diode trong miền thuận

Yêu cầu

Kết nối nguồn điện thay đổi 0-20V vào diode D1, dùng VOM ở chế độ đo mA kết nối D1 và R1.Dùng 1 VOM ở chế độ đo điện áp đo điện áp vào Vin, một VOM khác đo điện áp 2 đầu diode Nếunhư thiếu VOM thì có thể dùng 1 VOM đo điện áp Vin rồi sau đó đo điện áp trên diode

Kiểm tra

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

Tăng dần Vin và ghi các giá trị đo được vào bảng sau

Xác định điện áp ngưỡng của diode

Điện áp ngưỡng của diode là 0,68 V

Lặp lại thí nghiệm cho Led D2

Id (mA) 0,28 2,15 4,09 6,04 8 9,95 12,07 13,90 15,90Vd2 (V) 1,713 1,843 1,91 1,961 2,005 2,043 2,077 2,110 2,135Điện áp ngưỡng của D2: 1,961 V

Lặp lại thí nghiệm cho Led D3

Id (mA) 0 1,56 3,44 5,36 7,30 9,24 11,11 13,15 15,2Vd2 (V) 2 2,428 2,54 2,624 2,69 2,741 2,783 2,82 2,853Điện áp ngưỡng của D3: 2,624 V

THÍ NGHIỆM 2

Mục tiêu

Khảo sát đặc tính diode trong miền ngược.

Yêu cầu

Dùng VOM đo giá trị điện trở R2

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

Kiểm tra

Giá trị R2 là: 22 KΩ

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

VR2 (V) 1,875 3,750 5,585 7,850 9,81 11,78 13,74 15,70 17,66

Id (µA) 1,264 2,514 3,759 5,458 6,816 8,16 9,509 10,88 12,25Nhận xét về điện trở của diode trong miền ngược:

Trong miền ngược diode có điện trở rất lớn

Dòng điện ngược bão hòa Is bằng bao nhiêu: -6,469 ( với n = 1,76869)

Dùng dòng điện ngược bão hòa đã có, kiểm chứng lại dòng điện thuận theo lý thuyết của diode D1 với bảng đo đã thực hiện ở trên, coi nhiệt độ phòng là 30oC

Id (mA) 1,39 3,35 5,33 7,32 9,31 11,3 13,3 15,3 17,3

Vd (V) 0,60 0,644 0,605 0,68 0,691 0,7 0,707 0,713 0,718Id(theory) 1,46 3,25 5,3 7,43 9,33 11,55 13,25 15,5 17,39(mA)

Chỉnh máy phát sóng phát ra sóng sine, tần số 1Khz, biên độ 4Vp-p Quan sát kênh 1 dao động ký

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

Dùng kênh 2 đo dạng sóng hai đầu R1, lưu ý tháo probe kênh 1 ra khỏi mạch.

có sụt áp lớn hơn hai lần điện áp ngưỡng của mỗi diode thì diode mới dẫn, cho nên

Nối ngõ ra vào tụ C1 Vẽ lại dạng sóng ngõ ra và giải thích sự khác nhau so với khi 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

Kiểm tra

Tăng dần điện áp vào, ghi nhận điện áp trên Zener và dòng điện qua Zener như bảng sau

Khi ID=5 mA thì số chỉ của Volt kế là 4,926V

Sau khi kết nối tải R4, số chỉ của Miliampe là 9mA song song với Zener thì số chỉ của volt kế sẽ là 2,9 V.Quan sát : Số chỉ trên Miliampe kế tăng nhưng số chỉ trên Volt kế lại không khá nhiều

Nguyên nhân là do với điều kiện của 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 ở mức điện áp áp Đối với Miliampe kế thì Miliampe kế lúc này đang hiển thị cường độ dòng điện trong cả mạch, tức là là tổng của cả dòng điện qua diode zener và tải nên lúc này Miliampe kế hiển thị giá trị lớn hơn ban đầu khi chỉ có dòng điện qua diode zener

Giảm Vin cho đến khi mạch không còn ổn áp So sánh với giá trị Vin theo lý thuyết

Vin= 14 V

Vin theo lý thuyết để mất ổn áp:

Xét mạch ta có : trong đó và (với điều kiện là Zener ổn áp, VZ không đổi )

Suy ra:

Vì Vin là hàm đồng biến với IZ và các thành phần còn lại là không đổi nên với điều kiện là diode zener ổn áp

là ngay khi đạt giá trị điện áp VZ nên điện áp Vin nhỏ nhất để diode zener vẫn ổn áp theo lý thuyết :

BÀI TN 3

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)

THÍ NGHIỆM 1

Mục tiêu

Đo và kiểm tra BJT

Chuẩn bị

Đọc xem điện trở R1 có giá trị là bao nhiêu và kiểm chứng lại bằng VOM

R1 = 1000±5% Ω (giá trị đọc)

R1 = 990 Ω (giá trị đo)

Chỉnh nguồn điện về 12V và kết nối mạch như Hình 2 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 2: Layout thực tế trên module thí nghiệm

Tiến hành

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

Ib 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA

Ic (mA) 3,55 5,18 6,67 8,13 8,93 8,99 9,05 9,09 9,1

Vce (V) 5,88 4,15 2,66 1,08 0,261 0,19 0,168 0,155 0,145Với Ib trong khoảng nào thì transistor dẫn khuếch đại? Khi đó hfe là bao nhiêu?

- Với Ib trong khoảng 10 ~ 30 uA thì transistor dẫn khuếch đại với hfe khoảng 355

Khi dùng transistor làm nhiệm vụ đóng/ngắt, ta đưa transistor vào chế độ nào? Vì sao?

- Khi làm nhiệm vụ đóng/ngắt, ta đưa transistor vào chế độ ngắt Vì khi không có dòng điện thích

hợp vào Base thì transistor ngắt và không cho dòng điện đi qua Khi có dòng điện thích hợp đi vào Base thì

transistor chuyển sang chế độ bão hoà và cho dòng điện đi qua

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

Vặn biến trở VR5 về mức lớn nhất.

Tiến hành

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

Ib 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA

Ic (mA) 2,24 3,24 4,29 5,25 6,13 6,97 7,71 8,4 8,94

Vce (V) 7,2 6,17 5,117 4,145 3,255 2,43 1,69 1,012 0,478Với Ib trong khoảng nào thì transistor dẫn khuếch đại? Khi đó hfe là bao nhiêu?

V C C

D 1

L E D

R 2

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)

BJT sẽ không hoặc rất khó bão hoà vì theo sơ đồ nối như trên Vì để transitor PNP có bão hoàthì điện áp tại cục 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 ápchênh lệch giữa cực E và cực C lại thấp hơn điện áp chênh lệch giữa cực B và E trong chế độ

Chỉnh biến trở VR2 về vị trí nhỏ nhất.

Kết nối nguồn điện 5V vào mạch cấp nguồn dòng, nguồn điện thay đổi 0-5V vào hai cực C-E của Q2

Các VOM kết nối như hình vẽ

Hình 5 Kết nối mạch đo đặc tuyến vào của BJT

Tiến hành

Bật nguồn Chỉnh điện áp VCE cố định là 2V, chỉnh biến trở R2 để thay đổi dòng IB và ghi vào bảng

sau Trong quá trình thí nghiệm lưu ý giữ VCE cố định là 2V

I B (mA) 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA

V BE (V) 0,417 0.464 0,518 0,555 0,577 0,598 0,613 0,628 0,645

Chỉnh điện áp VCE cố định là 4V, chỉnh biến trở R2 để thay đổi dòng I B và ghi vào bảng sau Trong

quá trình thí nghiệm lưu ý giữ VCE cố định là 4V

I B (uA) 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA

V BE (V) 0,313 0,444 0,510 0,550 0,574 0,593 0,607 0,622 0,641

Vẽ đặc tuyến vào IB-VBE ứng với hai trường hợp VCE =2V và VCE=4V Nhận xét

- Nhận xét: Đối với trường hợp VCE =2V, VBE tăng chậm khi IB nằm trong khoảng 10-15uA và 25-35uA,các khoảng còn lại VBE tăng nhanh, với trường hợp VCE =4V, khi IB trong khoảng 10-20uA, VBE tăng chậm,khi IB trong khoảng 20-50uA, VBE tăng nhanh.

Bật nguồn Chỉnh dòng điện IB cố định là 20uA, thay đổi Vin để có được các giá trị VCE theo bảng sau.

Điền các giá trị tương ứng của dòng IC

Vẽ đặc tuyến ngõ ra IC-VCE ứng với 3 trường hợp trên.

Nhận xét tương quan giữa 3 đặc tuyến Ước tính điện áp Early

Tương quan giữa ba đặc tuyến: Nếu IC=f(VCE) thì IC (IB=30µA)>IC(IB=25µA)> IC(IB=20µA) Dựa

Kết nối mạch như Hình 7 Nguồn cấp Vin là 12V

Chỉnh nguồn tín hiệu Vs có biên độ 1V, tần số 1Khz Sau đó giảm biên độ Vs về 0V

Dùng 1 VOM đo điện áp giữa cực C và E của Q3.

Dùng kênh 1 dao động ký đo dạng sóng Vs, kênh 2 đo dạng sóng tại cực C của Q3

Hình 6: Sơ đồ mạch khuếch đại E chung

Hình 7: Sơ đồ kết nối mạch khuếch đại E chung

Tiến hành

Bật nguồn Chỉnh biến trở VR8 để VCE = 6V

Tăng dần biên độ Vs Xác định biên độ tối đa của Vs để ngõ ra không bị méo dạng (max swing) Nếu dạng sóng ngõ ra bị méo dạng ở 1 đầu hình sine, chỉnh biến trở R8 để thay đổi phân cực sao cho đạtmax swing Vẽ dạng sóng vs và vce trên cùng hệ tọa độ

Xác định độ lợi của mạch khuếch đại ở max-swing Kiểm chứng lại so với lý thuyết.

- Độ lợi của mạch khuếch đại ở max-swing: hfe = in

Tắt nguồn, đo giá trị VR8 tại max swing và kiểm chứng lại so với lý

thuyết - Giá trị VR8: 34,56 kΩ

Kết nối tải R13 vào mạch Chuyển kênh 2 của dao động ký sang đo dạng sóng ngõ ra trên R3 Nhận xét

Chỉnh lại Vs sao cho đạt max swing trong trường hợp có tải R13 Xác định độ lợi và Vs tại Max Swing Kiểm chứng lại so với lý thuyết

- Độ lợi tại max-swing: hfe