Tài liệu Skkn tìm hiểu kiến thức các linh kiện bán dẫn trong thực tế - công nghệ thpt

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: “TÌM HIỂU KIẾN THỨC CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN TRONG THỰC TẾ - CÔNG NGHỆ THPT” 1 PHẦN 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Môn công nghệ là một phân môn có số giờ thực thực hành tương đối nhiều và nó cũng là phân môn phụ trợ cho các môn học chính . Tư tưởng suy nghĩ của học sinh chỉ tập chung vào các môn chính để thi vào các trường đại học . Còn học môn công nghệ chỉ là để hoàn thành chương trình và đủ điểm để dự thi tốt nghiệp . Cho nên việc giảng dạy môn này thực sự là khó khăn khi lên lớp nếu giáo viên quản lý lớp không tốt và không đổi mới phơng pháp khi giảng dạy . Trong chương trình có rất nhiều bài thực hành gần gũi với thực tế nếu giáo viên không thường xuyên tổ chức các giờ thực hành mà lại tăng việc dạy lý thuyết thì các em thực sự là chán học môn này . Vì lẽ đó trong quá trình giảng dạy môn công nghệ tuy kinh nghiệm chưa có nhiều nhưng tôi mạnh dạn đưa ra một số ý kiến mang tính đổi mới phương pháp giảng dạy sao cho khi dạy học môn công nghệ học sinh sẽ hứng thú hơn và tích cực hơn, Với tiêu đề “Giúp học tìm hiểu kiến thức các linh kiện bán dẫn trong thực tế” Ý kiến của tôi đưa ra tuy chưa được sâu sắc nhưng cũng phần nào nói nên đợc những vấn đề cần khắc phục và cần vận dụng trong quá trình giảng dạy môn công nghệ . Mong các đồng chí đồng nghiệp tham gia góp ý kiến xây dựng cho bài sáng kiến kinh nghiệm của tôi được chọn vẹn hơn . Tôi xin chân thành cảm ơn 2 I - Cơ sở lý luận : : Trong quá trình giảng dạy, khi tiếp xúc với học sinh , yêu cầu học sinh phải hiểu các thiết bị điện nào trong thực tế hay phải sử dụng linh kiện bán dẫn . Các em rất lúng túng, sợ sệt khi phải kể tên các thiết bị điện trong gia đình có dùng linh kiện bán dẫn và tại sao phải dùng dùng chúng . Nắm bắt được tình hình đó nên việc chủ động của người giáo viên phải hướng dẫn chỉ bảo các em nắm bắt kiến thức thực tế chu đáo, cụ thể những yêu cầu như trên trong từng tiết dạy . Sau mỗi bài dạy cần có kiểm tra, đánh giá rút kinh nghiệm . II- cơ sở thực tiễn : Qua giảng dạy nhiều năm ở lớp 12 cho thấy để học sinh hiểu rõ công dụng, ứng dụng của linh kiện bán dẫn đối với từng lĩnh vực thì ta phải giúp các em tìm hiểu và nghiên cứu thêm các nội dung sau: 1- Khái niệm về linh kiện bán dẫn. 2- Các phần tử bán dẫn. 3- Kiểm tra đánh giá học sinh. III- Đối tượng nghiên cứu : Học sinh lớp 12 IV- Thời gian thực hiện : Học kỳ I năm học 2010-2011 . 3 PHẦN II CÁC NỘI DUNG ĐỀ TÀI 2.1 -KHÁI NIỆM VỀ CHẤT BÁN DẪN 2.1.1 Khái niệm Chất bán dẫn là chất trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn thường gặp trong kỹ thuật là Gécmany (Ge), Silíc (Si), Indi (In)… 2.1.2 Đặc điểm của chất bán dẫn. - Điện trở của chất bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại. - Điện trở của chất bán dẫn thay đổi theo độ tinh khiết của chất bán dẫn do đó nếu pha tạp chất vào trong chất bán dẫn thì có thể thay đổi được điện trở của chất bán dẫn. - Giá trị điện trở của chất bán dẫn thay đổi theo cường độ của ánh sáng chiếu vào. 2.2. CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN 2.2.1. Các chất bán dẫn thông dụng. Ge 1. Chất bán dẫn loại P (Positive) (Còn được gọi là bán dẫn dương hay bán dẫn lỗ trống) - Nếu pha vào tinh thể Ge tinh khiết 1 lượng nhỏ In, (chất In có 3 điện tử hoá trị lớp ngoài Ge In Ge cùng) thì sẽ tăng mật độ lỗ trống lên rất nhiều trong mạng tinh thể. - Trong mạng tinh thể Ge - In mỗi nguyên tử Điệtrống n tử Lỗ của In liên kết với 4 nguyên tử Ge xung quanh Ge In bằng 3 vòng liên kết, nên còn thiếu 1 điện tử, tức là nó đã dư ra 1 lỗ trống. Vậy lỗ trống này không phải do 1 điện tử tách ra khỏi vòng liên Mạng tinh thể Ge - In kết mà do có sự pha trộn của tạp chất. - Chất bán dẫn có mật độ lỗ trồng nhiều hơn hẳn mật độ điện tử tự do nên chất bán dẫn này gọi là chất bán dẫn lỗ trống Ge 2. Chất bán dẫn loại N (Negative) (Còn được gọi là bán dẫn âm hay bán dẫn điện tử) - Nếu pha vào tinh thể Ge tinh khiết 1 lượng nhỏ As, (chất As có 5 điện tử hoá trị lớp ngoài cùng) thì sẽ tăng mật độ điện tử lên rất nhiều trong mạng tinh thể. - Trong mạng tinh thể Ge - As mỗi nguyên tử của As liên kết với 4 nguyên tử Ge xung quanh bằng 4 vòng liên kết, nên còn thừa 1 điện tử thứ Ge Điện tử As Ge Ge As Mạng tinh thể Ge - As 4 5 liên kết yếu ớt với hạt nhân và dẽ dàng tách ra khỏi liên kết. Vậy điện tử này là do có sự pha trộn của tạp chất. - Chất bán dẫn có mật độ điện tử nhiều hơn hẳn mật độ lỗ trống nên chất bán dẫn này gọi là chất bán dẫn điện tử 2.2.2 Diode (điốt) bán dẫn 1. Cấu tạo a. Ký hiệu và hình dạng của Điốt * Ký hiệu * Hình dạng A D K A D1 DIODE K b. Cấu tạo - Điốt có cấu tạo gồm 2 miếng bán dẫn loại P và N ghép lại với nhau. Ở giữa 2 chất bán dẫn hình thành lớp tiếp giáp P - N. ở điều kiện bình thường thì lớp tiếp giáp như hàng rào ngăn cách không cho điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau. - Ở hình vẽ kí hiệu quy ước: đầu P của miếng ghép gọi là Anốt (A), đầu N của miếng ghép gọi là Katốt (K). N P Lớp tiếp giáp 2. Đặc tính Vôn - Ampe. * Khái niệm: Biểu thị quan hệ bằng đồ thị giữa dòng điện chảy qua Điốt và điện áp đặt giữa Anốt và Katốt của Điốt đó. * Đồ thị - Phân cực thuận: Đặt dương nguồn vào dương của Điôt (Anôt), còn âm nguồn vào âm của Điôt (Ktôt), lúc này điốt mở cho dòng điện chạy qua. - Phân cực ngược: Đặt dương nguồn vào âm của Điôt (Ktôt), còn âm nguồn vào dương của Điôt (Anôt), lúc này điốt khoá không cho dòng điện chạy qua. 5 Ith D 2 DIODE R1 1k V1 D1 10V + R Ung D V1 DIODE R1 1k 10V D1 Ungmax Ung cp 3 4 0 1 U Uth Um + R U 5 Ing * Nhánh Thuận: - Phân áp thuận, Điốt mở cho dòng điện chạy qua. - Khi đặt 1 điện áp là Umở vào Điốt thì đường đặc tính có dạng Parabol (1). - Khi tăng điện áp thuận thì đường đặc tính gần như đường thẳng (2) Lúc này điện trở thuận của Điốt rất nhỏ. * Nhánh ngược: - Phân áp ngược, Điốt khoá, chỉ có dòng điện rò rất nhỏ chạy qua. - Khi tăng điện áp ngược thì dòng rò tăng chậm. Khi điện áp ngược ở mức cho phép thì dòng rò gần như không đổi, đường đặc tính là đường (3) - Khi tăng điện áp ngược đến giá trị Umax thì dòng rò tăng nhanh (4) và cuối cùng Điốt bị đánh thủng (5) * Kết luận: - Muốn Điốt mở thì phân cực thuận - Muốn Điốt khóa thì phân cực ngược bằng cách đặt điện áp ngược lên D nhưng không đặt điện áp quá lớn sẽ phá hỏng D. 3. Tính chỉnh lưu của Điốt bán dẫn. - Chuyển tiếp P - N là bộ phận quan trọng nhất của tiếp xúc giữa 2 bán dẫn khác loại. Tuỳ theo điện áp đặt vào theo chiều thuận hay ngược mà nó có đặc tính khác nhau. + Khi phân cực thuận, chuyển tiếp P - N hẹp, điện trở R nhỏ, dòng điện I lớn và tăng nhanh theo điện áp U. + Khi phân cực nghịch, chuyển tiếp P - N mở rộng, điện trở R rất lớn, dòng điện rất nhỏ và ít thay đổi theo điện áp U. - Như vậy: Chuyển tiếp P - N dẫn điện theo 2 chiều không giống nhau, nếu có điện áp xoay chiều đặt vào thì nó chỉ dẫn điện chủ yếu theo 1 chiều. Ta gọi đó là tính chất van hay đặc tính chỉnh lưu của Điốt. 4. Đặc tính kỹ thuật. Một Điốt có các thông số kỹ thuật cần biết khi sử dụng là: + Chất bán dẫn dùng để chế tạo. + Dòng điện thuận - nghịch cực đại + Dòng điện bão hoà 6 + Điện áp nghịch cực đại. 5. Cách thử Điốt * Kiểm tra chất lượng Điốt: Dùng đồng hồ vạn năng (thang đo điện trở) hoặc đồng hồ Ômmét để kiểm tra - Cách thử: + Vặn núm xoay về R x 1 + Đấu 2 que đo với 2 cực Điốt. Lần lượt đảo đầu que đo để tìm được 2 giá trị điện trở khác nhau. + Điện trở có giá trị khoảng vài trăm kilô ôm gọi là điện trở ngược Rng + Điện trở từ vài chục đến vài trăm ôm có khi tới vài KΩ gọi là điện trở thuận Rth - Kết luận: + Rng càng lớn hơn so với Rth càng tốt + Nếu Rng ≈ Rth thì Điốt bị hỏng * Xác định cực cho Điốt Nếu Điốt còn tốt nhưng không có ký hiệu để phân biệt cực thì dùng đồng hồ vạn năng (thang đo điện trở) hoặc đồng hồ Ômmét để xác định. - Vặn núm xoay về R x 1 - Đấu 2 que đo với 2 cực để phân cực cho Điốt - Nếu giá trị điện trở đo được khoảng vài trăm kilô ôm thì có nghĩa là lúc này điốt đang được phân cực ngược. Ta kết luận: Chân đấu về phía cực dương pin trong đồng hồ là cực âm Điốt (K) Chân đấu về phía cực âm pin trong đồng hồ là cực dương Điốt (A) - Ngược lại: Nếu giá trị điện trở đo được chỉ khoảng vài chục đến vài trăm ôm thì có nghĩa là lúc này điốt đang được phân cực thuận. Ta kết luận: Chân đấu về phía cực dương pin trong đồng hồ là cực dương Điốt (A) Chân đấu về phía cực âm pin trong đồng hồ là cực âm Điốt (K) Đánh dấu các cực để thuận lợi trong quá trình làm việc sau này. 6. Các loại Điôt khác a. Điốt Zener - Điốt Zener có cấu tạo giống Điốt thường nhưng các chất bán dẫn được pha tạp chất với tỷ lệ cao hơn điốt thường. Điốt zener thường được sử dụng trong các mạch ổn áp. - Ký hiệu: Hình dạng D1 ZENER P P N P N N b. Điốt phát quang (LED) - Ở một số chất bán dẫn đặc biệt khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng phát ra ánh sáng (bức xạ quang) 7 - Tuỳ theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra có màu khác nhau. Dựa vào tính chất này người ta chế tạo ra các đèn LED khác nhau. - Ký hiệu: A D1 LED1 K c. Điốt biến dung - Là loại linh kiện bán dẫn 2 cực có chuyển tiếp P - N được chế tạo 1 cách đặc biệt sao cho điện dung của nó thay đổi nhiều theo điện áp ngược đặt vào. - Ứng dụng: mạch tự động điều chỉnh tần số cộng hưởng, trong các bộ khuếch đại tần số hoặc nhân tần… - Ký hiệu: D2 VARACTOR A K d. Điốt Tunen - Là loại linh kiện bán dẫn 2 cực có chuyển tiếp P - N có nồng độ tạp chất cao. - Ứng dụng: Dùng trong các mạch khuếch đại, tạo dao động siêu cao tần. - Ký hiệu: D2 DIODE A K 2.2.3. Tranzitor 1. Cấu tạo - TZT là 1 linh kiện điện tử được ghép lại từ 3 lớp bán dẫn, sao cho 2 lớp liền nhau khác loại, tạo thành 2 tiếp giáp P - N - Tuỳ theo cách sắp xếp các vùng bán dẫn mà ta có 2 loại TZT là loại PNP và NPN. - Miền thứ nhất của TZT được gọi là miền Emittor, miền này được pha với nồng độ tạp chất lớn nhất. Cực nối với miền này được gọi là cực Emittor (ký hiệu: E) - Miền thứ hai của TZT được gọi là miền Base, miền này được pha với nồng độ tạp chất nhỏ nhất. Cực nối với miền này được gọi là cực Base, (ký hiệu: B) - Miền thứ nhất của TZT được gọi là miền Colector, miền này được pha với nồng độ tạp chất trung bình. Cực nối với miền này được gọi là cực Colector (ký hiệu: C) - Loại TZT PNP được gọi là TZT thuận, gồm 1 miếng bán dẫn N ở giữa và 2 miếng bán dẫn P ở 2 bên. (hình a). Ký hiệu với mũi tên ở cực E có chiều đi vào chỉ chiều đi của dòng điện trong chất bán dẫn. (hình c) 8 - Loại TZT NPN được gọi là TZT ngược, gồm 1 miếng bán dẫn P ở giữa và 2 miếng bán dẫn N ở 2 bên. (hình b). Ký hiệu với mũi tên ở cực E có chiều đi ra chỉ chiều đi của dòng điện trong chất bán dẫn. (hình d) P N P N E C P N E C B B Hình b Hình a C B C B PNP E Hinh c NPN Q3 Q2 E Hinh d 2. Nguyên lý làm việc - Xét 1 TZT thuận PNP đấu theo kiểu mạch cực gốc chung. + Nguồn E1 phân cực thuận cho tiếp giáp E - B + Nguồn E2 phân cực nghịch cho tiếp giáp B - C. Có phân cực đúng như vậy thì TZT mới làm việc được. - Tiép giáp EB được phân cực thuận nên lỗ trống từ vùng phát chạy sang vùng gốc, điện tử thừa từ vùng gốc chạy sang phát tái hợp với lỗ trống. - Người ta chế tạo sao cho số lỗ trống vùng phát rất nhiều so vơí số điện tử thừa ở vùng gốc. - Các điện tử từ cục âm nguồn E1 tới bổ xung. - Dòng điện tử từ cục âm nguồn E1 vào vùng gốc sinh ra dòng gốc từ cực gốc ra âm nguồn Để 1 TZT làm việc được thì đồng thời phải có các điều kiện sau: + Có nguồn 1 chiều E1 phân cục thuận cho lớp tiếp giáp E - B + Có nguồn 1 chiều E12 phân cục ngược cho lớp tiếp giáp B – C + Nguồn E2 > E1 2.2.4. Thyritor 9 SCR SCR1 A K G Để 1 TRT mở cho dòng điện chạy qua thì phải có các điều kiện sau: + Phân cực thuận cho TRT (Cực dương nguồn nối với Anot, cực âm nguồn nối với Ktôt) + Có xung dương đặt vào cực điều khiển G 2.2.5. Triac Q5 A1 A2 TRIAC G Triac có tác dụng như 2 TRT mắc song song ngược, cho nên nó mở cho dòng điện đi qua theo cả 2 chiều, nếu có xung đặt vào cực điều khiển G 2.2.6 – KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ HỌC SINH. Sau khi giới thiệu xong các linh kiện bán dẫn và các loại sơ cấu tạo và nguyên lý làm việc của từng linh kiện trong thực tế tôi đã tiến hành kiểm tra đánh giá học sinh với nội dung sau : Câu 1 : Công dụng của Diode (điốt) bán dẫn ? Câu 2 : Công dụng của Tranzito ? Câu 3 : Tại sao trong các thiết bị điện gia dụng ( ti vi , đầu đĩa , máy tính ...) lại phải sử dụng Diode (điốt) bán dẫ,Tranzito . Kết quả kiểm tra lớp 12A2 : TS HS Giỏi Khá TB Yếu Kém 41 11 28 2 0 0 10 Kết quả kiểm tra lớp 12A4 : TS HS Giỏi Khá TB Yếu Kém 44 10 31 3 0 0 PHẦN III KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 1- KẾT LUẬN: Qua bài giảng trên học sinh đã phần nào hiểu giá trị của việc vận dụng kiến thức trong bài học vào thực tế cuộc sống hơn và làm cho các em hứng thú tìm tòi và biết khai thác kiến thức về các linh kiện bán dẫn: Diode, Tranzito, Triac, Thyritor, các em có thể sưu tầm các linh kiện và lắp thành mạch thực hành khi đã có sãn sơ đồ . Vì các linh kiện này có nhiều trên thị trường và giá rẻ . Như vậy giờ dạy của giáo viên sẽ đạt hiệu quả cao hơn . 2- ĐỀ NGHỊ : Nhà trường cần bổ sung thêm các linh kiện như : Diod, Tranzit, Triac, Thyritor để bài thực hành của các em học sinh được phong phú và đa dạng hơn. Lào cai , Ngày 25 tháng 12 năm 2010 Người viết Lương Văn Thắng 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO TT Tên tài liệu 1 LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ VI ĐIỆN TỬ 2 VẼ VÀ THIẾT KẾ MẠCH IN VỚI ORCAD 10 Tên tác giả Nhà giáo : Võ Thạch Sơn- Đại học bách khoa Hà Nội Việt Hùng Vũ, Trần Thị Hoàng Oanh, Đậu Tọng Hiến 3 SÁCH CÔNG NGHỆ LỚP 12 Trần Ngọc Khánh, Phạm Thị Phượng NXBGD 12