bài giảng môn cấu kiện điện tử và quang điện tử

Những thiết bị này có chất lượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn +» PCs minh hoạ rất rõ xu hướng này +» Nhân tố chính đem lại sự phát triển thành công của nền công nghiệp máy tính

Giảng viên: ThS Trần Thục Linh

Điện thoại/E-mail: 0914932955/thuclinh_dt@yahoo.com

Bo mon: Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử 1 Học kỳy/Năm biên soạn: 2/2009

Nội dung môn học

» Chương †1- Giới thiệu chung

+» Chương 2- Câu kiện thụ động

‹» Chương 3- Vat ly ban dan

+» Chương 4- Diode (Điốt)

s» Chương 5- BJT (Transistor lưỡng cực)

» Chương 6- FET (Transistor hiệu ứng trường)

+» Chương 7- Thyristors: SCE — Triac — Diac - UJT

+» Chương 8- Câu kiện quang điện tử

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Tài liệu học tap

+ Tài liệu chính:

= Slide bai giang

= Bài giảng Câu kiện điện tử và quang điện tử, Đỗ Mạnh Hà,

Học viện CNBCVT, 2009-2010 + Tài liệu tham khảo:

= Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition,

Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006

= Linh kién ban dan va vi mach, H6 van Sung, NXB GD, 2005

=_ Giáo trình Câu kiện điện tử và quang điện tử, Trần Thị Cam,

Học viện CNBCVT, 2002

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Yêu câu môn hoc

+ Sinh viên phải đọc trước các slide bài giảng trước khi lên lớp

+ Tích cực trả lời và đặt câu hỏi trên lớp hoặc qua email của GV

“+ Lam bài tap thường xuyên, nộp vở bài tập bất cứ khi nào Giảng

viên yêu câu

+» Tự thực hành theo yêu câu với các phần mềm EDA

% Điêm môn học: Kiểm tra: - Câu hỏi ngăn

= Chuyên cân : 10% - Bài tập

= Kiểm tra giữa kỳ: 10 % Thi kết thúc:

= Thí nghiệm - 40 % - Lý thuyết: + Trắc nghiệm

eB

Chương 1- Gioi thieu chung

1 Giới thiệu chung vê câu kiện điện tử

2 Phân loại câu kiện điện tử

3 Giới thiệu vê vật liệu điện tử

4 Giới thiệu các phần mêm EDA hỗ trợ môn học

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

1 Giới thiệu chung về Câu kiện điện tử

+» Câu kiện điện tử là các phần tử linh kiên rời rạc, mạch

tích hợp (IC) tạo nên mạch điện tử, hệ thông điện tử

+» Câu kiện ĐT ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Nỗi bật nhất

là ứng dụng trong lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT

+» Cầu kiện ĐT rất phong phú, nhiều chủng loại đa dạng

+» Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triên mạnh mẽ

tạo ra những vi mạch co mat do rat Ion (Vi xu ly Pentium

4: > 40 triệu Transistor, )

+» Xu thê các câu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày

càng cao, tính năng mạnh, tôc độ lớn

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

re : BÀI GIẢNG MÔN : ị

[PTẤT CÂU KIEN ĐIỆN TƯ & QUANG DIEN TU

Chips on Silicon wafers

GIANG VIEN: ThS Tran Thuc Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Lịch sử phát triển công nghệ (1)

» Các câu kiện bán dan như diodes, transistors và mạch tích hợp

(ICs) có thể tìm thây khắp nơi trong cuộc sống (Walkman, TV,

ôtô, máy giặt, máy điều hoà, máy tính, ) Những thiết bị này có chất lượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn

+» PCs minh hoạ rất rõ xu hướng này

+» Nhân tố chính đem lại sự phát triển thành công của nền công

nghiệp máy tính là việc thông qua các kỹ thuật và kỹ năng công

nghiệp tiên tiễn người ta chế tạo được các transistor với kích

thước ngày càng nhỏ —› giảm giá thành và công suất

+ Bài học khám phá các đặc tính bên trong của thiết bị bán dẫn -> SV hiểu được mỗi quan hệ giữa câu tạo hình học và các tham số của vật liệu; hiêu được c

re : BÀI GIẢNG MÔN : ị

[PTẤT CÂU KIEN ĐIỆN TƯ & QUANG DIEN TU

Lịch sử phát triển công nghệ (2)

“7 Audion (Triode)

J, puso cee De Fores! 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect’)

“«* 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode’)

«* 1906 Lee de Forest (“Triode’) Vacuum tube devices continued to evolve s*» 1940 Russel Ohl (PN junction)

“* 1947 Bardeen and Brattain (Transistor)

“* 1952 Geoffrey W A Dummer (IC concept)

“* 1954 First commercial silicon transistor mẽ / W °* 1955 First field effect transistor - FET

“ 16ffianium) 1947,.John* Bardeen and Walter

Lịch sử phát triển công nghệ (3)

“* 1958 Jack Kilby (Integrated circuit)

“* 1959 Planar technology invented

“* 1960 First MOSFET fabricated

= At Bell Labs by Kahng

“* 1961 First commercial ICs

= Fairchild and Texas Instruments

“¢ 1962 TTL invented

First integrated circuit

ee ley 08 “* 1963 First PMOS IC produced by RCA

Instruments “¢ 1963 CMOS invented

Contained five components, au Frank Wanlass at Fairchild

Transistors, resistors and Semiconductor

capacitors = U.S patent # 3,356,858

GIANG VIEN: ThS Tran Thuc Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Đặc điểm phát triển của mạch tích hợp (IC)

» Tỷ lệ giá thành/tính năng của IC giảm 25% -30%_ mỗi

năm

+» SỐ chức năng, tốc độ, hiệu suất cho mỗi IC tăng:

= Kích thước wafer hợp tăng

= _ Mật độ tích hợp tăng nhanh

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

2 Phân loại câu kiện điện tử

2.1 Phân loại dựa trên đặc tính vật lý

2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu

2.3 Phân loại theo ứng dụng

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

a

2.1 Phân loại dựa trên đặc tính vật lý

s» Linh kiện hoạt động trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dân, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, dién dung

MOS IC ter mat do tháp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI

+» Linh kiện hoạt động trên nguyên lý quang điện: quang trở, Photodiot, PIN, APD, CCD, ho linh kiện phát quang LED, LASER,

ho linh kiện chuyển hoá năng lượng quang điện như pin mặt trời,

họ linh kiện hiễn thị, IC quang điện tử

s*» Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm bién: ho sensor nhiệt, điện, tỪ, hoá học; họ sensor cơ, áp suất, quang bức xạ, sinh học và các chủng loại IC thong minh dựa trên cơ sở tố hợp công nghệ IC truyền thông và công nghệ chế tạo sensor

s*» Linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới: các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ nano có câu

trúc siêu nhỏ: Bộ nhớ một điện tử, Transistor một điện tử, giêễng

và dây lượng tử, linh kiện xuyên ham một điện tử,

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

2.3 Phân loại theo ứng dụng

s* Linh kiện thụ động: R,L,C

‹+ Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET

+ Vi mạch tích hop IC: IC tương tự, IC số, Vi xử lý

+ Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển

s* Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử

“+ Ly thuyết vật lý chat ran

“+ Ly thuyết vật lý cơ học lượng tử

+ Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn

+ Lý thuyết vật lý bán dẫn

ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Ly thuyét vat ly chat ran

“+ Vat ligu dé ché tao phần lớn các linh kiện điện từ là loại vật liệu tinh thé ran

+» Câu trúc đơn tỉnh thê: trong tinh thể rắn nguyên tử được sắp

xêp theo một trat tu nhat dinh, chi can biét vi trí và một vài dac

tính của một so it nguyên tử ta có thể đoán vị trí và bản chất

hóa học của tât cả các nguyên tử trong mẫu

+» Ở một số vật liệu người ta nhận thây rằng các sắp xếp chính

xác của các nguyên tử chỉ tôn tại chính xác tại cỡ vài nghìn nguyên tứ Những miên có trật tự như vậy được ngăn cách bởi

bờ biên và dọc theo bờ biên này không có trật tự - câu trúc đa

tinh thé

+ Tính chất tuần hoàn của tinh thể có ảnh hưởng quyết định đến

các tính chất điện của vật liệu

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử

s* Trong câu trúc nguyên tử, điện tử chỉ có thể nằm trên các mức

nang lượng gián đoạn nhật định nào đó - các mức năng lượng

= m.— sô lượng tử spin: +1/2

s n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp

xêp ở lớp, phân lớp có năng lượng nhỏ trước

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

= Nêu các NT cách xa nhau đến mức có thê coi chúng là hoàn toàn

độc lập với nhau thì vị trí của các mức năng lượng của chúng là

hoàn toàn trùng nhau (một mức trùng chập)

s_ Khi các NT tiên lại gần nhau đến khoảng cách cỡ A° thì chúng bắt đầu tương tác với nhau —›> không thê coi chung là độc lập nữa Kết

quả là các mức năng lượng nguyên tử không còn trùng chập nữa

mà tách ra thành các mức năng lượng rời rạc khác nhau VD: mức

1s sẽ tạo thành 2N mức năng lượng khác nhau + Nếếu sỐ lượng các NT rất lớn và gần nhau thì các mức năng lượng rời rạc đó rat gan nhau và tạo thành một vùng năng lượng gân như liên

tục

s* Sự tách một mức năng lượng NT ra thành vùng năng lượng rộng hay hẹp phụ thuộc vào sự tương tác giữa các điện tử thuộc các NT khác nhau với nhau

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

= Vung khong cho phép giữa Vùng hóa tri va Vung dan -

“Vung cam’

s* Tùy theo sự phân bô của các vùng ma tinh the rắn có tính chất

điện khác nhau: Chât cách điện, Chât dân điện, Chât bán dân

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

Eo Điện tử —}>e e e © Ec Vung

a- Chat cach dién; b - Chat ban dan; c- Chat dan dién

= D6 dan điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ

" Chất bán dẫn: sự mất 1 điện tử trong vùng hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống

" Cầu trúc vùng năng lượng của kim loại không có vùng câm, dưới tác dụng

của điện trường ngoài các e- tự do có thể nhận năng lượng và di chuyền lên

các trạng thái cao hơn, sự di chuyển này tạo nên dòng điện

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh

: Kỹ thuật điện tử - K

Các loại vật liệu điện tử

= Chất cách điện (chất điện môi)

° Chất dẫn điện

= Vat liệu từ

= Chất bán dẫn (Chương 3)

“+ La chat dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao (107 +

101⁄.m) ở nhiệt độ bình thường Chất cách điện gồm phân lớn

các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ

+ Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện

b Các tính chất của chất điện môi

b.1 Độ thâm thấu điện tương đôi (hằng số điện môi - e)

b.2 Độ tôn hao điện môi (P,)

b.3 Độ bên về điện của chất điện môi (Ea

b.4 Nhiệt độ chịu dựng

b.5 Dòng điện trong chất điện môi (I)

b.6 Điện trở cách điện của chất điện môi

+ C„ : điện dung của tụ điện sử dụng chat điện môi

+ Cọ : điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân

không hoặc không khí

* c biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi

Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có hằng số điện môi

(s) lon, còn chất điện môi dùng làm chất dẫn điện có ¢ nhỏ

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

b.2 Độ tồn hao điện môi (P,)

là công suất điện tôn hao đề làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong

điện trường, được xác định thông qua dòng điện rò

P, = U-aCtgd

Trong do:

U là điện áp đặt lên tụ điện (V)

C là điện dung của tụ điện dùng chất điện môi (F)

œ là tần số góc (rad/s) tgồ là góc tôn hao điện môi

Nếu tôn hao điện môi trong tụ điện cơ bản là do điện trở của các bản

cực, dây dân và tiêp giáp (vd: lớp bạc mỏng trong tụ mi ca vả tụ gôm)

thì tôn hao điện môi sẽ tăng tỉ lệ với bình phương của tân sô:

P„ = U2o^C“R Thực tê, các tụ điện làm việc ở tân số cao cần phải có các bản cực,

dây dân và tiêp giáp được tráng bạc đê giảm điện trở của chúng

eB

b3 Độ bên về điện của chất điện môi (E¿,)

+» Đặt một chất điện môi vào trong một điện trường, khi tăng

cường độ điện trường lên quá một giá trị giới hạn thì chất

điện môi đó mất khả năng cách điện — hiện tượng đánh

thủng chất điện môi

s* Cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi là

độ bên vê điện của chất điện môi đó (Ex,)

U

E@ = _ [KV/mm;KV/em]

U„, - điện áp đánh thủng chất điện môi d_ - độ dày của chất điện môi

+» Hiện tượng đánh thủng chất điện môi có thê do nhiệt, do điện

và do quá trình điện hóa

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

b5 Dòng điện trong chất dién mdi (I)

+» Dòng điện chuyền dịch lc „ (dòng điện cảm ứng):

được tạo ra do quá trình chuyển dịch phân cực của các điện

tích liên kêt trong chât điện môi xảy ra cho đến khi đạt được

trang thai can bang

** Dong dién ro [., : dwoc tao ra do cac dién tich ty do và điện

tử phát xạ ra chuyên động dưới tác động của điện trường

+» Nếu dòng rò lớn sẽ làm mất tính chất cách điện của chất điện

môi

+ Dòng điện tổng qua chất điện môi sẽ là: I Z lc w + l,„

*» Sau khi quá trình phân cực kết thúc thì qua chất điện môi chỉ

còn dòng điện rò

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Phân loại và ứng dụng của chất điện môi

+» Chất điện môi thụ động (vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện):

là các vật chất được dùng làm chất cách điện và làm chất điện

môi trong các tụ điện như mi ca, gồm, thuỷ tinh, pôlyme tuyên

tính, cao su, sơn, giây, bột tổng hợp, keo dính,

+» Chất điện môi tích cực là các vật liệu có e có thể điều khiển

được băng:

=_ Điện trường (VD: gồm, thuỷ tinh, )

= Cơ học (chất áp điện như thạch anh)

=_ Ánh sáng (chất huỳnh quang)

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

3.2 CHAT DAN DIEN

a Dinh nghia

+» là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất của nó

(khoảng 103 + 105 Om) nhỏ hơn so với các loại vật liệu khác

+ Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn — kim loại, chất

lỏng — kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân hoặc chất khí ở

điện trường cao

b Các tính chất của chất dẫn điện

b.1 Điện trở suất b.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất (œ) b.3 Hệ số dẫn nhiệt : 2

b.4 Công thoát của điện tử trong kim loại b.5 Điện thê tiếp xúc

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

b.1 Dién tro suat

+ Điện trở của vật liệu trong một đơn vị thiết diện và chiều dài:

` [94m], [O2.mm] , [wom]

b.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất (œ)

+ biểu thị sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 109C Khi

nhiệt độ tăng thì điện trở suất cũng tăng lên theo quy luật:

Ð: = pọ(l+ dt)

b.3 Hệ số dẫn nhiệt : ^ [w/ (m.K)]

s* là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời

gian khi gradien nhiệt độ bằng đơn vị

eB

b.4 Cong thoat cua dién tu trong kim loai:

s* Công thoát của kim loại biéu thi năng lượng tôi thiêu cân

cung cấp cho điện tử đang chuyên động nhanh nhật ở 0°K để điện tử này có thê thoát ra khỏi bề mặt kim loại

eB

Phân loại và ứng dụng của chất dẫn điện

+» Chất dẫn điện có điện trở suất thấp — Ag, Cu, AI, Sn,

Pb và một số hợp kim: thường dùng làm vật liệu dẫn

điện

+» Chất dẫn điện có điện trở suất cao - Hợp kim

Manganin, Constantan, Niken-Crôm, Cacbon: thường

dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện, các điện trở, biễn

trở, các dây may so, các thiết bị nung nóng bằng điện

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

b.2 Độ từ thâm tương đôi (u,)

b.3 Duong cong tu hoa

GIANG VIEN: ThS Tran Thuc Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Phan loại và ứng dụng của vật liệu từ

«+ Vật liệu từ mem có độ từ thâm cao và lực kháng từ nhỏ (u lớn và H,

nhỏ) đê làm lõi biên áp, nam châm điện, lõi cuộn cảm

+ Vật liệu từ cứng có độ từ thâm nhỏ và lực kháng từ cao

s» Theo ứng dụng thi vật liệu từ cứng có 2 loại:

- Vật liệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu

- Vật liệu từ để ghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v

+» Theo công nghệ chế tạo thì chia vật liệu từ cứng thành:

- Hợp kim thép được tôi thành Martenxit (là vật liệu đơn giản và

rẻ nhât đê chê tạo nam châm vĩnh cửu)

- Hợp kim lá từ cứng

- Nam châm từ bột

- Ferit từ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chê tạo nam châm

dùng ở tân sô cao

- Bang, sợi kim loại và không kim loại dùng để ghi âm thanh

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

4 Các phần mềm EDA hỗ trợ môn học

*» OrCAD: Phân tích, mô phỏng câu kiện và mạch điện tử dùng Pspice

Cai dat cac tool sau:

+ OrCAD Capture CIS + OrCAD Capture CIS Option + PSpice A/D

+ PSpice Optimizer + PSpice Advanced Analysis + SPECCTRA 6U for OrCAD (Huong dan str dung Pspice: Tutorial on Pspice (McGill), Pspice Tutorial (UIUC), CircuitMaker User Manual .)

«+ Multisim (R 7)-Electronic Workbench, Circuit Maker, Proteus

“* TINA 7

“¢ (Sinh vién nén sử dụng Tina/ Circuit Maker/ OrCAD (R 9.2) dé thuc

hành phân tích, mô phỏng câu kiện và mạch điện tử ở nhà)

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh ÒN: Kỹ thuật điện tử - K

eB

Chương 2- Câu kiện thụ động

1 Điện tro (Resistor)