Quan sát các Hình 3.4 và 3.5, nhận xét và giải thích về cách mắc ampe kế A trong mạch điện.

Dòng điện được truyền từ nhà máy đến nơi tiêu thụ là dòng điện xoay chiều, nhưng một số thiết bị điện tử lại sử dụng dòng điện một chiều. Làm thế nào từ dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều?

Mục đich thí nghiệm: Vẽ đường đặc trưng I - U (đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua diode bán dẫn và điện áp giữa hai cực của nó).

Dụng cụ: 

Diode bán dẫn (1), điện trở 10\(\Omega \) (2), biến trở 0 - 100\(\Omega \) (3), công tắc (4), hai đồng hồ đo điện đa năng (5), biến áp nguồn (6), bảng lắp mạch điện (7), dây nối (8) (Hình 4.5).

Thiết kế phương án:

- Thảo luận các bước thí nghiệm để tìm mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp.

- Nêu các bước vẽ đường đặc trưng I - U của diode.

Tiến hành:

- Điều chỉnh biến áp nguồn ở chế độ dòng điện một chiều có điện áp đầu ra 7 V.

a) Phân cực thuận

- Lắp ráp dụng cụ theo sơ đồ mạch điện như Hình 4.5a.

- Điều chỉnh biến trở để số chỉ vôn kế tăng dần từ 0.

- Ghi số chỉ trên vôn kế, ampe kế vào vở sau mỗi lần điều chỉnh biến trở theo mẫu Bảng 4.1 (mắc thuận).

b) Phân cực ngược

- Lắp ráp dụng cụ theo sơ đồ mạch điện như Hình 4.5b.

- Điều chỉnh biến trở để số chỉ vôn kế tăng dần từ 0.

- Ghi số chỉ trên vôn kế, ampe kế vào vở sau mỗi lần điều chỉnh biến trở theo mẫu Bảng 4.1 (mắc ngược).

Khi mắc mạch phân cực ngược U < 0.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Từ kết quả thí nghiệm thu được ở Bảng 4.1, hãy vẽ đường đặc trưng I - U của diode.

2. Nhận xét về giá trị của cường độ dòng điện qua diode khi diode mắc thuận và khi diode mắc ngược.

Quan sát Hình 4.7a và Hình 4.7b, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nêu sự khác nhau về hình dạng đồ thị điện áp vào và điện áp ra theo thời gian.

2. Mô tả dòng điện chạy trong mạch khi hiệu điện thế giữa anode và cathode của diode là âm hoặc dương.

Từ sơ đồ như Hình 4.8, hãy chứng tỏ rằng dù hiệu điện thế giữa hai điểm 1 và 3 có giá trị dương hay âm thì hiệu điện thế giữa điểm 2 và điểm 4 luôn có giá trị dương.

Quan sát Hình 4.9 và Hình 4.10, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nêu sự khác nhau về hình dạng đồ thị điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và hai đầu điện trở.

2. Hãy mô tả chiều dòng điện chạy qua điện trở R (Hình 4.8) trong mỗi chu kì.

3. Hãy so sánh đồ thị điện áp chỉnh lưu nửa chu kì (Hình 4.7b) và chỉnh lưu cả chu kì (Hình 4.10).

Dựa trên các dụng cụ ở trường của mình, hãy thiết kế phương án thí nghiệm và thực hiện phương án đo được hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua diode bán dẫn. Từ kết quả thí nghiệm, hãy vẽ đặc tuyến vôn - ampe của diode bán dẫn.

Nêu điểm khác nhau cơ bản giữa sơ đồ Hình 2.6 và Hình 2.8.

Mục đích

• Đo được hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua diode bán dẫn.

• Vẽ được đường đặc tuyến vôn-ampe của một diode bán dẫn.

Dụng cụ thí nghiệm

• Diode (1).

• Biến áp nguồn (có thể thay bằng bộ pin 6 V).

• Điện trở R₀ (2).

• Đồng hồ đo điện áp (3).

• Đồng hồ đo cường độ dòng điện (4).

• Biến trở R (5).

Hình 2.7 là ảnh chụp bộ dụng cụ.

Phương án thí nghiệm

• Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho.

• Thiết kế phương án thí nghiệm với các dụng cụ này.

Tiến hành

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ trên.

a) Diode phân cực thuận

• Lắp đặt dụng cụ thí nghiệm theo sơ đồ mạch điện ở Hình 2.6, đặt đầu ra của biến áp nguồn ở điện áp một chiều.

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở như Bảng 2.1.

b) Diode phân cực ngược

• Tắt nguồn. Đảo đầu diode và mắc mạch điện theo sơ đồ Hình 2.8.

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở như ở Bảng 2.1.

• Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp giữa hai cực của diode.

• Nhận xét hình dạng đồ thị (so với đồ thị ở Hình 2.5).

Kết quả

Bảng 2.1 là kết quả thí nghiệm với phương án đo trên.

Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p 

Hiện nay, hầu hết các dụng cụ bán dẫn được dùng trong thực tế sử dụng chất bán dẫn có thêm một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Chất bán dẫn như vậy được gọi là chất bán dẫn pha tạp, chúng được tạo ra bằng cách pha thêm các chất thích hợp với tỉ lệ rất nhỏ vào chất bán dẫn nguyên chất.

Silicon là một chất bán dẫn thường dùng và có bốn electron hóa trị. Trong silicon nguyên chất, mỗi nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử lân cận bằng các electron góp chung (Hình 2.9a).

Thêm một nguyên tố có ba electron hóa trị, chẳng hạn như boron, vào silicon (Hình 2.9b). Khi đó, một trong bốn liên kết của nguyên tử boron với silicon sẽ thiếu một electron. Nếu một electron từ nguyên tử silicon gần đấy di chuyển vào chỗ thiếu này thì để lại một “lỗ trống”. Chất bán dẫn được pha tạp như vậy là bán dẫn loại p và hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại này là lỗ trống.

Thêm một nguyên tố có năm electron hóa trị, chẳng hạn như phosphorus, vào silicon (Hình 2.9c). Vì chỉ có bốn electron của nguyên tử phosphorus được góp chung với bốn nguyên tử silicon lân cận nên có một electron tự do. Chất bán dẫn pha tạp như vậy được gọi là bán dẫn loại n và hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại này là electron.

Lớp chuyển tiếp p-n

Lớp chuyển tiếp p-n được hình thành khi cho mẫu bán dẫn loại p và mẫu bán dẫn loại n tiếp xúc với nhau (Hình 2.8).

Tại lớp chuyển tiếp p-n, khi electron gặp lỗ trống thì một cặp electron - lỗ trống sẽ biến mất và dẫn đến hình thành một lớp không có hạt tải điện gọi là lớp nghèo. Ở lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion tích điện dương và về phía bán dẫn p có các ion tích điện âm.

Nếu mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p - n vào một nguồn điện một chiều, với cực dương của nguồn nối với phía bán dẫn p, cực âm nối với phía bán dẫn n thì lỗ trống trong bán dẫn p sẽ chạy vào lớp nghèo (theo chiều từ cực dương đến cực âm); electron trong bán dẫn n sẽ chạy vào lớp đó (theo chiều ngược lại). Lúc này, lớp nghèo trở nên dẫn điện. Vì vậy sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền p sang miền n. Khi đảo cực nguồn điện, dòng điện chạy từ miền n sang miền p hầu như không đáng kể. Chiều dòng điện qua lớp nghèo (từ p sang n) được gọi là chiều thuận, chiều kia (từ n sang p) là chiều ngược.

Diode bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp p-n. Vì sao khi nối cực âm của nguồn điện với phía bán dẫn p, còn cực dương nối với phía bán dẫn n thì cường độ dòng điện chạy qua diode hầu như không đáng kể?

So sánh đồ thị (u_R - t) ở Hình 2.11c và Hình 2.13b, rút ra đặc điểm của điện áp u_R.

Thảo luận để nêu được dòng điện chạy qua điện trở R chỉ theo một chiều trong cả chu kì của nguồn xoay chiều khi sử dụng mạch cầu gồm bốn diode làm mạch chỉnh lưu.

Ở Hình 2.14b, khi điểm B có hiệu điện thế dương, tại sao dòng điện chỉ chạy qua diode 4 và diode 1, nhưng không qua diode 2 và diode 3?

Nêu hai điểm khác nhau chủ yếu giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều.

Tìm thông tin và thảo luận để nêu hai ưu điểm của chỉnh lưu cả chu kì.

Trong cuộc sống, bên cạnh các thiết bị điện sử dụng dòng điện xoay chiều như quạt điện, nồi cơm điện, bóng đèn,… còn có các thiết bị điện sử dụng dòng điện một chiều như điện thoại, xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện (Hình 3.1a)…Tuy nhiên, khi sạc pin cho điện thoại (Hình3.1b) ta vẫn cắm điện thoại vào ổ điện xoay chiều thông qua bộ sạc pin. Làm thế nào có thể chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều?

Tiến hành thí nghiệm theo các bước gợi ý, từ đó thu thập và ghi nhận số liệu vào vở theo mẫu Bảng 3.1, Bảng 3.2.

Từ đồ thị, nhận xét về tính dẫn điện của diode khi phân cực thuận và phân cực ngược.

Dựa vào tính dẫn điện một chiều của diode bán dẫn, giải thích kết quả của đồ thị điện áp ra trong Hình 3.8b.

Dựa vào tính dẫn điện một chiều của diode bán dẫn, hãy mô tả chiều dòng điện chạy qua điện trở R trong mỗi nửa chu kì.

Từ Hình 3.11, giải thích tại sao tần số của điện áp sau chỉnh lưu lớn gấp đôi tần số điện áp trước chỉnh lưu.

So sánh đồ thị điện áp ra trong chỉnh lưu nửa chu kì (Hình3.8b) và đồ thị điện áp ra trong chỉnh lưu cả chu kì (Hình 3.11b) về: chu kì và biên độ.

Sử dụng đèn LED bán dẫn (Hình 3.12) để tạo ra mạch điện minh hoạ cho chỉnh lưu nửa chu kì và chỉnh lưu cả chu kì.

Giả sử có sẵn một số diode bán dẫn giống nhau chỉ cho phép dòng điện thuận tối đa cỡ 1,0 A. Trong khi ta lại cần một mạch chỉnh lưu cả chu kì cho phép hoạt động với dòng điện 2,5 A. Hãy vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu thoả mãn yêu cầu bài toán.

Một bạn học sinh dự định lắp một mạch điện chỉnh lưu cả chu kì sử dụng cầu chỉnh lưu, nhưng do sơ suất nên mắc nhầm cực của diode Đ₃ (Hình 3P.1a). Đặt vào hai đầu A, B một điện áp xoay chiều có dạng như Hình 3P.1b. Hỏi ở đầu ra trên điện trở R có tạo được điện áp chỉnh lưu cả chu kì như Hình 3.11b không? Hãy vẽ hình dạng đồ thị điện áp ra trên điện trở R khi đó.