Thiết kế ba bài thí nghiệm khảo sát đặc tuyến vôn – ampe của transistor lưỡng cực (bjt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

“THIẾT KẾ BA BÀI THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐẶC TUYẾN

VÔN-AMPE CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)”

Người thực hiện : BÙI VŨ MY NA

Lớp : 10SVL

Khóa : 2010 – 2014

Ngành : SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn : ThS NGUYỄN VĂN ĐÔNG

Đà Nẵng, 05/2014

K uậ t t K Vật

SVT V M N 1 V T S N u V

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu Tên gốc Ý nghĩa

BJT Bipolar Junction Transistor Transistor lƣỡng cực nối

DMM Digital Multimeter Máy đo vạn năng

VOM Volt – Ohm – Miliammeter Đồng hồ đo V-Ω- mA

CC Common collector Thu chung

CE Common Emitter Phát chung

CB Common Base Nền chung

DC Direct current Dòng điện một chiều

AC Alternating current Dòng điện xoay chiều

K uậ t t K Vật

SVT V M N 2 V T S N u V

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Mạng tinh thể ..............................................................................................9

Hình 1.2: Đồ thị năng lƣợng .....................................................................................10

Hình 1.3: Chuyển tiếp P-N ở trạng thái cân bằng.....Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1: Cấu tạo BJT...............................................Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2: Hình dáng kí hiệu BJT.......................................................................... 16

Hình 2.3: Mắc BJT để khảo sát.................................................................................17

Hình 2.4: Chiều dòng điện trong BJT.......................................................................18

Hình 2.5: Phân cực BE và BC trong BJT..................................................................19

Hình 2.6: Phân cực mối nối BE ................................................................................19

Hình 2.7: Phân cực thuận mối nối BE và nghịch BC ...............................................20

Hình 2.8: Transistor khuếch đại................................................................................20

Hình 2.9: Trạng thái dẫn bão hòa.............................................................................. 21

Hình 2.10: Sơ đồ BJT mắc E chung.......................................................................... 23

Hình 2.11: Họ đặc tuyến ra BJT mắc E chung.......................................................... 24

Hình 2.12: Họ đặc tuyến ra BJT mắc E chung.......................................................... 24

Hình 2.13: Đặc tuyến vào B chung ........................................................................... 25

Hình 2.15: Họ đặc tuyến vào mắc C chung ..............................................................26

Hình 3.9: Hình dạng điện trở trong thực tế ...............................................................36

Hình 4.1.5: Sơ đồ mắc mạch E chung.......................................................................46

Hình 4.2.5: Sơ đồ mắc mạch B chung ......................................................................58

Hình 4.3.5: Sơ đồ mắc mạch C chung ...................................................................... 70

K uậ t t K Vật

SVT V M N 3 V T S N u V

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Văn Đông đã tận tình

hƣớng dẫn, động viên em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Nhật Quang đã tạo điều kiện cho em

đƣợc mƣợn các dụng cụ thí nghiệm cần thiết cho đề tài của mình.

Em xin cảm ơn đến Thầy Vũ Văn Thanh và Thầy Nguyễn Thế Nghĩa – Giảng

viên trƣờng Đai Học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em

hoàn thành việc đo đạc thực nghiệm kiểm chứng.

Em cũng chân thành cảm ơn các thầy cô đã dạy dỗ em trong suốt thời gian

ngồi trên ghế nhà trƣờng để em có đủ kiến thức, xin cảm ơn các cô chú nhân viên

trong trƣờng đã cho em điều kiện học tập và làm việc tốt.

Hơn hết, con xin cảm ơn ba má đã sinh con ra, vất vả nuôi con khôn lớn, cận

kề bên con mỗi bƣớc đi để con hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.

Cuối cùng, mình xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ và

động viên mình trong suốt thời gian làm bài khóa luận này.

Mặt dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho

phép nhƣng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận

đƣợc sự cảm thông và tận tình chỉ bảo cuả quý Thầy, Cô và các bạn.

Đà Nẵng, tháng 5 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Bùi Vũ My Na

K uậ t t K Vật

SVT V M N 4 V T S N u V

MỞ ẦU

1. L ề t

Trƣớc những yêu cầu mới về phát triển kinh tế - xã hội và của sự nghiệp đổi

mới giáo dục, hơn bao giờ hết, vai trò của đội ngũ giáo viên lại càng trở nên quan

trọng trong sự nghiệp "trồng ngƣời". Nghị quyết Trung Ƣơng 2 khoá VIII đã xác

định: “Xây dựng đội ngũ giáo viên, tạo động lực cho ngƣời dạy, ngƣời học, tiếp tục

đổi mới nội dung, phƣơng pháp giáo dục và đào tạo, biến những mục tiêu giáo dục

trở thành hiện thực”. Luật giáo dục 2005, tại Điều 15, cũng đã ghi rõ: “Nhà giáo giữ

vai trò quyết định trong việc bảo đảm chất lƣợng giáo dục…”.

Mặt khác, trong các trƣờng Đại học Sƣ phạm nói chung và trong trƣờng Đại

Học Sƣ Phạm Đà Nẵng nói riêng luôn có sự tiếp nối của các lớp thế hệ nhà giáo

tƣơng lai, trong đó có giáo viên vật lý. Vì vậy, việc phát triển đội ngũ nhà giáo, đặc

biệt là bồi dƣỡng chuyên môn và nghiệp vụ sƣ phạm cho đội ngũ sinh viên, những

ngƣời sắp sửa vào nghề nhà giáo, luôn là một công tác thƣờng xuyên, quan trọng và

cấp thiết của các trƣờng Đại học Sƣ phạm.

Bên cạnh đó, chúng ta đều biết, Vật Lý học là một môn khoa học thực

nghiệm. Bởi vậy, để dạy giỏi môn Vật Lý, ngƣời giáo viên không chỉ cần hiểu biết

sâu sắc lí thuyết mà còn phải có năng lực giảng dạy thực nghiệm. Vì vậy việc bồi

dƣỡng, rèn luyện và phát triển ở sinh viên ngành sƣ phạm Vật Lý những kĩ năng, kĩ

xảo thí nghiệm Vật Lý phục vụ tốt cho việc giảng dạy sau này là một nhân tố mang

tính chất quyết định. Và chất lƣợng của đội ngũ nhà giáo tƣơng lai này sẽ càng đƣợc

nâng cao hơn nếu đƣợc mở rộng phạm vi các bài thực hành thí nghiệm: Không

dừng lại ở các bài thí nghiệm của phổ thông mà có thể đƣợc tiếp xúc với các mô

hình, cũng nhƣ đƣợc thực hành các bài thí nghiệm ở các bộ môn vật lý đại cƣơng,

đặc biệt là các bài thí nghiệm về Transistor lƣỡng cực (BJT).

Hiện nay, các sách giáo khoa bằng tiếng việt giới thiệu loại linh kiện này đã

đƣợc xuất bản, tuy nhiên chủ yếu vẫn là lý thuyết và rất ít tài liệu về các bài thực

hành thí nghiệm.

Xuất phát từ cơ sở lí luận và thực tiễn trên, cũng để hoàn thiện kiến thức của

bản thân, em xin chọn đề tài: "Thiết kế ba bài thí nghi m khả sát ặc tuyến

Vôn - Ampe củ Tr s st r ƣỡng cự ( JT)”

K uậ t t K Vật

SVT V M N 5 V T S N u V

Lí do em chọn thiết kế các bài thí nghiệm về Transistor lƣỡng cực vì đây là

một linh kiện thiết yếu trong bất kì thiết bị điện tử nào. Và cũng vì Transistor lƣỡng

cực là một trong số ít những linh kiện điện tử đƣợc sử dụng để giảng dạy trong

chƣơng trình vật lý phổ thông, sách giáo khoa vật lý 11.

2. Mụ í ê ứu

Bƣớc đầu vận dụng đƣợc lý thuyết để nghiên cứu và thiết kế đƣợc năm bài

thí nghiệm về Transistor lƣỡng cực.Giúp sinh viên vật lý có thêm các bài thí nghiệm

về loại linh kiện điện tử này. Qua đó, hiểu rõ đƣợc những đặc điểm của transistor

lƣỡng cực và các ứng dụng của nó.

Ngoài mục đích trên cũng nhƣ mục đích thực hiện đề tài là điều kiện để tốt

nghiêp ra trƣờng, đề tài còn giúp em có thêm lƣợng kiến thức phong phú, kĩ năng

tìm và đọc tài liệu tiếng nƣớc ngoài.

3 tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1 tƣợng nghiên cứu

Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là các tài liệu đã đƣợc giảng dạy, các bài thí

nghiệm tiếng nƣớc ngoài, từ các ý tƣởng thực tế, linh kiện thiết bị có sẵn.

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Do năng lực có hạn và thời gian không cho phép, trong khóa luận này, em

chỉ lắp ráp các mạch cũng nhƣ thiết kế 3 bài thí nghiệm về khảo sát các đặc tuyến

Vôn-Ampe của BJT.

4. Giả thuyết khoa h c củ ề tài

Qua khảo sát thực tế cho thấy việc lắp ráp các linh kiện điện tử thành bài thí

nghiệm giúp sinh viên củng cố vững chắc kiến thức lý thuyết, đồng thời dễ dàng

hình thành ở sinh viên các kỹ năng ứng dụng.

Trong chƣơng trình khung hệ đại học của ngành sƣ phạm Vật Lý có học

phần điện tử học. Vì thế các bài thí nghiệm thiết kế đƣợc có thể đƣa vào giảng thử

nghiệm ngay để kịp thời điều chỉnh cho phù hợp.

K uậ t t K Vật

SVT V M N 6 V T S N u V

5 P ƣơ á ê ứu

5 1 P ƣơ á ê ứu lí thuyết:

Đọc và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.

5 2 P ƣơ á ê ứu thực ti n

- Phƣơng pháp quan sát: Quan sát sƣ phạm, tham quan các mô hình thí nghiệm

điện tử ở trƣờng Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.

- Phƣơng pháp phỏng vấn, trò chyện: Trao đổi và thăm dò ý kiến với giảng

viên và sinh viên, nhằm tìm hiểu về thực tế giảng dạy và các thiết bị thực

hành hiện có liên quan đến đề tài.

6. Nhữ ủ ề tài

Là tài liệu tham khảo cho sinh viên.

7. Cấu trúc của luậ v

Luận văn gồm 3 phần nhƣ sau: Phần mở đầu, phần nội dung, phần kết luận.

Trong đó, phần nội dung đƣợc chia làm 4 chƣơng:

C ƣơ 1 Tổng quan về chất bán dẫn

C ƣơ 2: Tổng quan về Tr s st r ƣỡng cực (BJT)

C ƣơ 3: Giới thi u dụng cụ và linh ki n có trong bài thí nghi m

C ƣơ 4: Thiết kế ba bài thí nghi m

K uậ t t K Vật

SVT V M N 7 V T S N u V

NỘI DUNG

C ƢƠN I TỔN QUAN VỀ C ẤT ÁN ẪN

BJT là một linh kiện bán dẫn, đƣợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Để hiểu rõ

nguyên lí làm việc của Transistor BJT, ta cần biết đƣợc các hiệu ứng vật lý xảy ra

trong chất bán dẫn trong các điều kiện khác nhau. Vì vậy trong luận văn này, Em

xin đƣợc giới thiệu sơ lƣợc về chất bán dẫn.

1.1 Bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp

1.1.1 Bán dẫn thuần

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) thuộc

nhóm bốn bảng tuần hoàng Mendeleep, nó có cấu trúc vùng năng lƣợng dạng hình 1.1b

với Eg=1,12eV. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) của chúng có dạng hình 1.2a

với bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử hóa trị vành ngoài. Ở 0

0K chúng là các chất

cách điện. Khi đƣợc một nguồn năng lƣợng ngoài kích thích thì trong bán dẫn đã xảy ra

hiện tƣợng ion hóa các nguyên tử ở nút mạng và sinh ra các cặp hạt dẫn tự do: điện tử

bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại một liên kết bị khuyến (lỗ trống).

Điều này tƣơng ứng với sự chuyển điện tử từ một mức năng lƣợng trong vùng hóa trị

lên mức trong vùng dẫn để lại một mức tự do (trống) trong vùng hóa trị. Các cặp hạt

dẫn tự do này, dƣới tác dụng của trƣờng ngoài hay một Gradien nồng độ có khả năng

dịch chuyển có hƣớng trong mạng tinh thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn thuần.

Kết quả là:

1. Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lƣợng kích

thích đủ lớn Ekt ≥ Eg.

2. Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai quá trình kích thích năng lƣợng

và dƣới tác dụng của điện trƣờng do quá trinh phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo

ra ni= pi

.

1.1.2 Bán dẫn pha tạp

Trong mạng tinh thể của bán dẫn pha tạp xuất hiện những sai hỏng ở một số

nút mạng của tinh thể bán dẫn.

K uậ t t K Vật

SVT V M N 8 V T S N u V

Để làm rõ vấn đề này ta lấy trƣờng hợp bán dẫn Gecmani thuần và Gecmani

pha tạp có thể mô tả cấu tạo của chúng nhƣ sau:

+ Cấu tạo của bán dẫn Gecmani thuần

Mỗi nguyên tử có 4 điện tử hóa trị góp chung với 4 nguyên tử bên cạnh để

tạo thành mối liên kết đồng hóa trị. Lực liên kết tác dụng lên các điện tử hóa trị

tƣơng đối lớn, vì vậy năng lƣợng cần thiết để đƣa điện tử từ vùng hóa trị lên vùng

dẫn cũng tƣơng đối lớn. Trong trƣờng hợp này, nếu các điện tử hóa trị nhận đƣợc

năng lƣợng từ bên ngoài (nhiệt độ hoặc ánh sáng) đủ để có thể tách khỏi mối liên

kết trở thành điện tử tụ do nhảy lên vùng dẫn đồng thời tạo ra tại đây lỗ trống (nằm

trong vùng hóa trị) quá trình này đƣợc gọi là quá trình phát xạ cặp điện điện tử lỗ

trống. Nhƣ vậy trong bán dẫn thuần các hạt dẫn đƣợc tạo ra chủ yếu bởi quá trình

hình thành cặp điện tử lỗ trống.

+ Cấu tạo của bán dẫn Gecmani pha tạp

Nếu nhƣ ở một vị trí đó của nút mạng tinh thể Ge đƣợc thay thế bằng một

nguyên tử nguyên tố nhóm V, ví dụ nhƣ P, As, Sb thì khi ấy 4 điện tử hóa trị của

nguyên tử này đã đủ điền vào các mối liên kết với mạng Ge còn điện tử hóa trị thứ 5

thì không tham gia vào liên kết mạng tinh thể.

Nó trở thành điện tử tự do, hiện tƣợng này đƣợc biểu diễn nhƣ hình 1.1a,

b

Hình 1.1a.

Mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần.

Hình 1.1b.

Mạng tinh thể Ge có pha tạp chất nhóm 1

1.Điện tử và lỗ trống trong vùng hóa trị

2. Điện tử trong vùng hóa trị

1. Dono bị ion hóa

2. Điện tử trong vùng dẫn

K uậ t t K Vật

SVT V M N 9 V T S N u V

Những tạp chất nhóm V kể trên đƣợc gọi là tạp chất dono (tạp chất cho điện

tử) khi pha các tạp chất này vào bán dẫn thuần chúng bị ion hóa trở thành những ion

dƣơng và cho những điện tử tự do. Bán dẫn đƣợc pha tạp chất dono gọi là bán dẫn

loại n. Số lƣợng điện tử tự do trong nhóm bán dẫn loại n nhiều hơn hẳn số lỗ trống

bởi vậy trong trƣờng hợp này gọi điện tử là hạt dẫn đa số lỗ trống là hạt dẫn thiểu

số. Tính dẫn điện trong bán dẫn loại n. Do điện tử quyết định việc làm sai hỏng

mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần bàng tạp chất dono tƣơng ứng với việc làm xuất

hiện trong vùng cấm của bán dẫn này những mức năng lƣợng nằm sát đáy vùng dẫn

nhƣ hình 1.2.

1. 2 C u ể t ế P-N

Tiếp xúc P-N đƣợc tạo thành cùng một loại bán dẫn.

1.2.1 Chuyển tiếp P-N ở trạng thái cân bằng nhi t

Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng là chuyển tiếp p-n chƣa có điện áp bên

ngoài đặt vào. Nó đƣợc tạo thành ở miền tiếp xúc tinh thể bán dẫn loại n và loại p.

Khi cho hai bán dẫn này tiếp xúc với nhau, tại bề mặt tiếp xúc lỗ trống sẽ khuếch

tán từ bán dẫn p sang bán dẫn n.

Ngƣợc lại điện tử khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p. Kết quả dẫn tới

là phía bán dẫn p tại gần bề mặt tiếp xúc sẽ còn lại những ion âm của các nguyên tử

acxepto đã bị ion hóa và phía bán dẫn n tại gần bề mặt tiếp xúc còn lại là các ion

dƣơng của các dono đã bị ion hóa. Nhƣ vậy do sự khuếch tán các hạt đa số mà tại

a) b)

Hình 1.2:

Đồ thị vùng năng lượng và cơ chế sinh hạt dẫn trong chất bán dẫn pha tạp chất:

a. Loại n b. loại p

Mức đono

+

_

+

_

+

_

+

_

E

+

_

Mức acxepto

+

_

+

_

+

_

+

_

+

_

E