Cấu kiện Điện tử và quang Điện tử (tt)

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

Gx HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN

CÁU KIỆN ĐIỆN TỬ &

QUANG ĐIỆN TƯ

Giảng viên: ThS Trần Thục Linh

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

Bộ môn: Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử 1 Học kỳ/Năm biên soạn: 2/2009

Gr BAI GIANG MON

ey" CÁU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Nội dung môn học

+» Chương †1- Giới thiệu chung

Chương 2- Cấu kiện thụ động

s* Chương 3- Vật lý bán dẫn

* Chương 4- Diode (Điết) +» Chương 5- BJT (Transistor lưỡng cực) s» Chương 6- FET (Transistor hiệu ứng trường)

s* Chương 7- Thyristors: SCR — Triac — Diac - UJT

* Chương 8- Cấu kiện quang điện tử

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trằn Thục Linh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA.KTĐT1 Trang 2

= Slide bai giang

= Bai giang Cấu 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, Hé van Sung, NXB GD, 2005

= Giao trinh Cau kién dién ti va quang dién ti, Tran Thi Cam,

Hoc viện CNBCVT, 2002

C' — ©ÁUKENBIENTỬEQUANGĐINIU —

Yêu cầu môn học

s 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

Làm bài tập thường xuyên, nộp vở bài tập bắt cứ khi nào Giảng

viên yêu cầu

* Tự thực hành theo yêu cầu với các phần mềm EDA

=_ Kiểm tra giữa kỳ: 10 % Thi két thúc:

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

* Thi kếtthúc :70% „ , +Câu hỏi ngăn

- Bài tập

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

Chương 1- Giới thiệu chung

1 Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử

2 Phân loại cấu kiện điện tử

3 Giới thiệu về vật liệu điện tử

4 Giới thiệu các phần mềm EDA hỗ trợ môn học

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

1 Giới thiệu chung về Cấu kiện điện tử

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

tích hợp (IC) tao nén mach điện tử, hệ thống điện tử

s* Cấu kiện ĐT ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Nỗi bật nhát

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

s* Cấu kiện ĐT rất phong phú, nhiều chủng loại đa dạng 4» Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ,

tạo ra những vi mạch có mật độ rất lớn (Vi xử lý Pentium

4: > 40 triệu Transistor, )

+» Xu thế các cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày

càng cao, tính năng mạnh, tốc độ lớn

Gr BÀI GIẢNG MÔN ’

CAU KIEN DIEN TU’ & QUANG DIEN TU’

www ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh Trang 7

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA.KTĐT1

Gr BAI GIANG MON ’

CÁU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Ứng dụng của linh kiện điện tử

Chips

Sand Chips on Silicon wafers

www ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA.KTĐT1 Trang

Í2' — OÁUKENBIENTỪ&QUANGĐIENTU —_

Lịch sử phát triển công nghệ (1)

* Cac cau kién ban dan nhu diodes, transistors va mach tich hop

(ICs) có thê tìm thây khắp nơi trong cuộc sông (Walkman, TM

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

s* PCs minh hoạ rất rõ xu hướng nay

+» 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 tiên người ta chê 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 mối quan hệ giữa cấu tạo hình học và các

tham sô của vật liệu; hiệu được các đặc tính về điện của chúng

GIẢNG VIÊN: ThS Trằn Thục Linh

: Kỹ thuật điện tử

-Gr : BAI GIANG MON ’

PY CAU KIEN DIEN TU & QUANG DIEN TU

Lịch sử phát triển công nghệ (2)

Fr Me Audion (rr |

VA Kee DeForest 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect’)

** 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming

Diode”)

“+ 1906 Lee de Forest (“Triode”)

Vacuum tube devices continued to evolve

** 1940 Russel Ohl (PN junction)

“* 1947 Bardeen and Brattain (Transistor)

“* 1952 Geoffrey W A Dummer (IC concept)

* 1954 First commercial silicon transistor

First point confdct ‘transistor “+ 1955 First field effect transistor - FET

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 10

GH : BÀI GIẢNG MÔN ’ -

CÂU KIỆN ĐIỆN TỪ & QUANG ĐIỆN TỪ

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

Jack S Kilby, Texas ate

Instruments “+ 1963 CMOS invented

Contained five components, = Frank Wanlass at Fairchild

s* Số chức năng, tốc độ, hiệu suất cho mỗi IC tăng:

= Kich thước wafer hợp tăng

“_ Mật độ tích hợp tăng nhanh

GH : BÀI GIẢNG MÔN :

2.1 Phân loại dựa trên đặc tính vật lý

+» Linh kiện hoạt động trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề

mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung

MOS IC tle mat 46 thap đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI

+* Linh kiện hoạt động trên nguyên lý quang điện: quang trỏ,

Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER,

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

họ linh kiện hiền thị, IC quang điện tử

+» Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến: họ sensor

nhiệt, điện, từ, hoá học; họ sensor cơ, áp suất, quang bức xạ, sinh học và các chủng loại IC thông minh dựa trên cơ sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo sensor

* 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, giếng

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

GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA.KTĐT1 Trangité

www.ptit.edu.vn

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu

hw Oe

3 Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển

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

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

3 Giới thiệu về vật liệu điện tử

3.1 Chất cách điện 3.2 Chát dẫn điện

3.3 Vật liệu từ

3.4 Chất bán dẫn (Chương 3)

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử

+ Lý thuyết vat ly chat ran

s* Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử

+ Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn

s* Lý thuyết vật lý bán dẫn

xếp theo một trật tự nhất định, chỉ cần biết vị trí và một vài đặc tính của một số ít nguyên tử ta có thể đoán vị trí và bản chất

hóa học của tắt cả các nguyên tử trong mẫu

% Ở một số vật liệu người ta nhận thấy rằng các sắp xếp chính

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

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

tinh thé

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

các tính chát điện của vật liệu

Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử

‹+ Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử chỉ có thể nằm trên các mức

năng lượng gián đoạn nhất định nào đó - các mức năng lượng

% n, | tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp

xếp ở lớp, phân lớp có năng lượng nhỏ trước

GH : BÀI GIẢNG MÔN :

Sự hình thành vùng năng lượng (1)

kư Dé tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tận

tiến lại gần liên kết với nhau:

Nếu các NT cách xa nhau đến mức có thể 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)

Khi các NT tiến lại gần nhau đến khoảng cách cỡ A°thì chúng bắt đầu tương tác với nhau -> không thể coi chúng 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

+% Nếu số lượng các NT rất lớn và gần nhau thì các mức năng lượng rời

rạc đó rất gần 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

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA.KTĐT1 Trang|22

+ Các điện tử trong chất rắn sẽ điền đầy vào các mức năng

lượng trong các vùng cho phép từ thâp đên cao

s»Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tỉnh thể rắn có tính chất

điện khác DU: Chat cach dién, u Ga dan dién, chet ban dan

op BAI GIANG MON

CÁU KIỆN ĐIỆN TU & QUANG BIEN TU’

Cấu trúc vùng năng lượng của vật chất

Eo Dién tu —++e eee JE Vin

E,>2eV [Ec Zev] tin Ey

“ Độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ

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

" Câu trúc vùng năng lượng của kim loại không có vùng cắm dưới tác dung

của điện trường ngoài các e- tự do có thể nhận năng lượng và di chuyên lên các trạng thái cao hơn, sự di chuyền này tạo nên dòng điện

www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: Ths Tran Thục Linh Trang 25

BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA.KTĐT1

3.1 CHÁT CÁCH ĐIỆN (CHÁT ĐIỆN MÔI)

a Định nghĩa

+ Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao (107 +

10170.m) ở nhiệt độ bình thường Chất cách điện gồm phần lớn

các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ

s* Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện

b Các tính chất của chất điện môi

b.1 Độ thẩm thấu điện tương đối (hằng số điện môi - s)

b.2 Độ tốn hao điện môi (P,) b.3 Độ bền về điện của chất điện môi (Eạ,)

b.4 Nhiệt độ chịu đựng

b.5 Dòng điện trong chất điện môi (l)

b.6 Điện trở cách điện của chất điện môi

% Cạ : điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi

s* Cọ : điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân không hoặc không khí

s4 c biểu thị khả năng phân cực của chát điện môi

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

(c) lớn, còn chat điện môi dùng làm chât dan điện có e nhỏ

Í/` — GÁUKIENĐIENTỪAQUANGĐIENTƯ —_

b.2 Độ tổn hao điện môi (P,)

4 là công suất điện tổn hao để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong

điện trường, được xác định thông qua dòng điện rò

P, = U7 wCtgd

s% Trong đó:

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)

†gồ là góc tổn hao điện môi

4+ Nếu tổn hao điện môi trong tụ điện cơ bản là do điện trở của các bản

cực, dây dẫn và tiếp giáp (vd: lớp bạc mỏng trong tụ mi ca và tụ gốm)

thì tổn hao điện môi sẽ tăng tỉ lệ với bình phương của tần số:

P„=U2o2C2R

s* Thực tế, các tụ điện làm việc ở tần số cao cần phải có các bản cực,

dây dẫn và tiếp giáp được tráng bạc để giảm điện trở của chúng

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

b3 Độ bền về điện của chất điện môi (Eạ;)

s* 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 mát khả năng cách điện —› hiện tượng đánh

thủng chất điện môi

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

độ bền về điện của chát điện môi đó (Eạ,)

Eat [KV/mm; KV /cm]

Uạ¿ - điện áp đánh thủng chát điện môi

d_ - độ dày của chất điện môi

5 Hiện tượng đánh thủng chất điện môi có thể do nhiệt, do điện

và do quá trình điện hóa

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

b5 Dòng điện trong chát điện môi (I)

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

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

tích liên kết trong chất điện môi xảy ra cho đến khi đạt được

trạng thai can bang +» Dòng điện rò I,: : được tao ra do các điện tích tự do và điện

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

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

môi

3 Dòng điện tổng qua chát điện môi sẽ là: I = lc „ + l„;

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

còn dòng điện rò

ÍÚ/` — GÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTU —_

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, gốm, thuỷ tinh, pôlyme tuyến

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

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

được bằng:

= Điện trường (VD: gốm, thuỷ tinh, )

>_ Cơ học (chất áp điện như thạch anh)

» Anh sang (chat huynh quang)

ÍÚ/` — GÁUKIENĐIENTỪAQUANGĐIENTU —_

3.2 CHAT DAN DIEN

a Dinh nghia

s* là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất của nó

(khoảng 1038 + 105 Om) nhỏ hơn so với các loại vật liệu khác

s4 Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn — kim loại, chát

lỏng — kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân hoặc chât khí ở điện trường cao

b.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất (œ)

% biểu thị sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10°C Khi

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

b.3 Hệ sô dân nhiệt : 2 [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

&

b.4 Công thoát của điện tử trong kim loại:

s4 Công thoát của kim loại biểu thị năng lượng tối thiểu cần

cung cấp cho điện tử đang chuyển động nhanh nhát ở

0%K để điện tử này có thẻ thoát ra khỏi bề mặt kim loại

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 ché tạo các dụng cụ đo điện, các điện trở, biến

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

b.2 Độ từ thẩm tương đối (u)

b.3 Đường cong từ hóa

“Theo teng dung 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 nhất để chế tạo nam châm vĩnh cửu)

Í/` —_ CÁUKIENBIENTỪAQUANGĐIENTƯ —_

4 Cac phan mém EDA hé tro mén học

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

Cài đặt các tool sau:

+ OrCAD Capture CIS + OrCAD Capture CIS Option

+ PSpice A/D + PSpice Optimizer

+ PSpice Advanced Analysis

+ SPECCTRA 6U for OrCAD

(Hướng dan stv dung Pspice: Tutorial on Pspice (McGill), Pspice Tutorial (UIUC), CircuitMaker User Manual .)

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

+ TINA7

s* (Sinh viên nên sử dụng Tina/ Circuit Maker/ OrCAD (R 9.2) dé thực

hành phân nh, mô phỏng cấu kiện và mạch ci lên tử ở nhà)