Nghiên cứu công nghệ lập trình IC vi xử lí 8051

ở nhiệt độ thấp trong bán dẫn tinh khiết bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử, hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó bán dẫn là chất không dẫn điện.. 2 2 h kT m p π m

Trờng đại học vinh

Khoa vật lý - -

hoàng thùy linh

nghiên cứu công nghệ lập trình

ic vi xử lý 8051

Khóa luận tốt nghiệpngành: cử nhân khoa học vật lý

Vinh- 2007

Lời cảm ơn

Đầu tiên em chân thành cảm ơn đến Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý đã tạo

điều kiện và cho em đợc làm quen với việc nghiên cứu khoa học Cám ơn các Thầy Cô giáo trong Khoa đã bồi dỡng kiến thức cho em trong thời gian học tập ở Khoa Vật lý

Để hoàn thành Luận văn này em xin bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy giáo hớng dẫn TS Võ Thanh Cơng đã giúp em có đợc ý tởng của luận văn và đã giúp em hoàn thành luận văn này Cũng qua đây em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo phản biện Thầy Dơng Kháng những ý kiến đóng góp bổ ích cho luận văn Em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô giáo trong Hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp về những ý kiến góp ý cho luận văn Xin chân thành cám

ơn các bạn sinh viên trong Khoa vật lý đã động viên cổ vũ em hoàn thành luận văn này

Tuy nhiên đã cố gắng nhng là lần đầu tiên làm đề tài chắc chắn Luận văn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong đợc sự góp ý những ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn.

Chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 5 năm 2007

Sinh viên thực hiện

Hoàng Thùy Linh

Mục lục

Trang

Phần mở đầu………

Chơng I: Tổng quan lý thuyết về chất bán dẫn………

1.1 Chất bán dẫn thuần ………

1.2 Bán dẫn pha tạp………

1.3 Tiếp giáp P-N………

1.3.1 Tiếp giáp P- N không đợc phân cực………

1.3.2 Tiếp giáp P- N đợc phân cực………

1.4 Diode phát quang………

Kết luận chơng I………

Chơng II: Tổng quan mạch tích hợp logic………

2.1 Hệ thống đếm cơ số 2………

2.2 Các hệ thống logic………

2.3 Các phần tử logic………

2.3.1 Mạch Hoặc………

2.3.2 Mạch Và………

2.3.3 Mạch Không………

2.3.4 Các thuật toán logic khác………

2.4 Các mạch logic thông dụng………

2.4.1 Mạch DTL………

2.4.2 Mạch logic RTL………

2.4.3 Mạch logic TTL………

2.4.4 Mạch ECL………

2.5 Các đặc trng chủ yếu của mạch tích hợp logic………

2.6 Các tổ hợp logic tiêu chuẩn………

2.7 Các loại trigơ………

2.7.1 Trigơ R- S………

2.7.2 Trigơ J- K………

2.7.3 Trigơ D………

1 4 5 7 9 9 13 16 16 17 17 18 19 19 19 20 20 20 20 21 22 23 24 25 26 26 27 27

2.7.4 Trigơ T………

2.8 ứng dụng của Trigơ………

2.8.1 Bộ đếm không đồng bộ………

2.8.2 Bộ đếm thuận nghịch………

2.8.3 Bộ đếm chia N………

2.9 Một vài ví dụ về ứng dụng của bộ đếm………

2.9.1 Đếm trực tiếp………

2.9.2 Đồng hồ điện tử………

2.9.3 Công tắc điện tử IC 74 HC 245………

2.9.4 Bộ hiển thị 7 nét………

Kết luận chơng II………

Chơng III: Mạch vi xử lý………

3.1 Chip vi xử lý MCS 8051………

3.1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản………

3.1.2 Các chi tiết cơ bản của IC MCS 8051………

3.2 Một số lệnh của ngôn ngữ lập trình cho MCS 8051………

3.3 Chơng trình minh hoạ cho công nghệ lập trình………

Kết luận ………

28 29 29 31 32 33 33 34 35 36 37 38 38 38 39 44 49 52

Phần Mở đầu

Kỹ thuật điện tử là một trong những ngành khoa học phát triển nhanh nhất hiện nay Trong những năm đầu tiên thế kỷ trớc kỹ thuật điện tử ra đời với các đèn điện tử ba cực, thế hệ thiết bị điện tử này đã dần đợc thay thế bởi các đèn bán dẫn (transitor) Thế hệ thiết bị điện tử này cũng có những u điểm

so với đèn điện tử nhng lại có quá nhiều vấn đề cần giải quyết Do đó thế hệ thiết bị kỹ thuật số( DIGITAL) ra đời đã đa kỹ thuật điện tử phát triển với bớc tiến nhảy vọt và một thời gian dài đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau, ví dụ nh: trong thiết bị tự động hoá, thiết bị nghe nhìn, thiết bị bu chính viễn thông Mặc dù có những thành tựu nhất định nh… ng các thiết bị kỹ thuật số vẫn có những nhợc điểm nh: các thiết bị kỹ thuật số thờng

đợc lắp ráp nhiều IC kỹ thuật số nên khi h hỏng khó tìm đợc IC bị h hỏng và khó tìm đợc IC cùng loại thay thế Trong những năm gần đây ngời ta đã đa vào một công nghệ mới để chế tạo các thiết bị điện tử đó là công nghệ lập trình IC vi xử lý mà một trong những ứng dụng rộng rãi là IC 8051 Công nghệ này ra đời đợc giới kỹ thuật chấp nhận ngay bởi những u điểm của nó, chẳn hạn nh: với công nghệ này kích thớc các thiết bị nhỏ gọn, giá thành rẻ,

dễ sữa chữa, vv Thế hệ kỹ thuật này ra đời thay thế thế hệ điện tử kỹ thuật số

với tất cả những u điểm của mạch tích hợp và khắc phục đợc tất cả những

nh-ợc điểm của nó với công nghệ lập trình hiện đại với ngôn ngữ lập trình ASEMBLE Các IC vi xử lý đợc hoạt động nh một máy tính nhỏ có thể lập trình đợc và có các bộ nhớ đọc đợc(ROM), bộ nhớ đọc ghi đợc(RAM), có các lệnh ngầm định, các vùng nhớ trên hoạt động nh một đĩa cứng, có nhiều cổng vào ra(I/O) song song hoặc nối tiếp, có nhiều thanh ghi có thể ghi nhiều lần(trên 1000 lần) thuận tiện cho việc sửa chữa và mạch tạo dao động chủ nhờ thạch anh có thể đạt tới 24MHz, suy ra tốc độ truyền dữ liệu cho phép đạt tới 10MB/s Thiết bị chế tạo đợc “mềm” hoá, trên một thiết bị có thể sử dụng đợc nhiều chức năng khác nhau mà không cần thay đổi sơ đồ mạch Khi h hỏng chỉ cần nạp lại chơng trình rất thuận tiện

Để đáp ứng đợc với tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật, cũng nh hiểu và ứng dụng công nghệ lập trình vào cuộc sống thì việc nghiên cứu thiết bị kỹ thuật số nói chung và công nghệ lập trình nói riêng là một việc làm hết sức

cần thiết Đó là lý do tại sao tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ lập

Với mục đích trên này, luận văn ngoài Phần mở đầu và Phần kết luận,

nội dung của luận văn đợc triển khai trong 3 chơng:

Ch

ơng I: Tổng quan về lý thuyết bán dẫn

Trong chơng này đã trình bày những kiến thức về chất bán dẫn và các loại tiếp xúc, đồng thời trình bày ứng dụng của bán dẫn cho các linh kiện bán dẫn Tổng quan về các loại transsitor và các loại điôt, đặc biệt là các loại điôt phát sáng (LED)

Ch

ơng II : Tổng quan mạch tích hợp lôgíc

Trong chơng này đã tổng quan những kiến thức về mạch tích hợp lôgic, các chế tạo mạch đếm thời gian Qua đó rút ra một số nhận xét u điểm và khuyết điểm của mạch kỹ thuật số

Ch

ơng III: Mạch vi xử lý

Trong chơng này đã trình bày về công nghệ lập trình Chip vi xử lý 8051

về cấu tạo các chỉ số kỹ thuật và các lệnh cơ bản để lập trình Sau đó là chơng trình (program) minh hoạ cho công nghệ lập trình đó

Với nội dung trên luận văn đã tập trung giải quyết các vấn đề sau:

 Tổng quan lý thuyết bán dẫn

 Nghiên cứu công nghệ lập trình với ngôn ngữ TURBO C

 Nghiên cứu cụ thể một loại IC vi xử lý, đó là IC MCS 8051 mà ứng dụng là IC AT89C51 của hãng Intel

 Bớc đầu chế tạo và lập trình một số ứng dụng cụ thể, đó là mạch

điều khiển đèn trang trí và viết một số program cho thiết bị này.Vì thời gian hạn chế, nếu đợc đầu t hơn và với sự góp ý tận tình của các Thầy, Cô và các bạn sinh viên đồng nghiệp, hi vọng, các kết quả của luận văn

nµy thÓ dïng lµm tµi liÖu tham kh¶o bæ Ých cho häc sinh, sinh viªn chuyªn ngµnh ®iÖn tö viÔn th«ng nãi riªng vµ sinh viªn khoa vËt lý nãi chung.

chơng I Tổng quan lý thuyết về chất bán dẫn

Các chất bán dẫn đợc chia th nh các chất bán dẫn iôn v chất bán dẫnà àelectron dựa theo các loại phần tử mang điện Trong các chất bán dẫn iôn các phần tử mang điện l các iôn của mạng, trong các chất bán dẫn electron, cácàphần tử mang điện l các electrôn hoặc các lỗ trống Các chất bán dẫn iônàkhông đợc sử dụng trong kỹ thuật vì dòng chảy qua chất bán dẫn gây ra h hỏng các chất bán dẫn đó Các chất bán dẫn electrôn có nhiều ý nghĩa thực tiễn Các chất bán dẫn tinh khiết đợc sử dụng cụ thể l : B, C, Si, Ge, Se, Sn,à

Sb, Te, J Các chất n y có độ rộng vùng cấm nhà : B (1,1 eV), C (5, 2 eV), Si(1,1 eV), Ge (0,75 eV), Se (1,7 eV), Sn (0,08 eV) Các chất bán dẫn th… ờng

sử dụng là chất bán Ge (Các nớc Đông Âu), chất bán dẫn Si (Mỹ , Nhật ) Các chất bán dẫn mà tính dẫn điện đợc tạo ra do sự chuyển dời các electrôn từ vùng hoá trị sang vùng dẫn đợc gọi là chất bán dẫn riêng Các chất bán dẫn mà tính dẫn điện sinh ra do sự iôn hoá của tạp chất gọi là chất bán dẫn có tạp chất Các chất bán dẫn tạp chất đợc phân thành hai loại bán dẫn electron và bán dẫn lỗ trống Trong chất bán dẫn electron, các phần tử tải điện cơ bản là các electron Các electrôn này xuất hiện trong quá trình các nguyên

tử tạp chất nhờng electron cho chất bán dẫn riêng và chúng trở thành các iôn mang điện dơng Các tạp chất nh thế gọi là chất cho Chất cho có hoá trị năm

ví dụ nh phốtpho Ngợc lại nếu các phân tử tạp chất nhận electron của chất bán dẫn riêng tạo thành các lỗ trống trong chất bán dẫn này Các tạp chất đó gọi là chất bán nhận Chất nhận là chất có hoá trị ba ví dụ nh nhôm Để nắm

rõ nguyên tắc hoạt động của từng loại chất bán dẫn ta điểm lại lý thuyết cơ bản của các chất bán dẫn đã nêu trên

1.1 Chất bán dẫn thuần

ở nhiệt độ thấp trong bán dẫn tinh khiết bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử, hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó bán dẫn là chất không dẫn điện Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên một số điện tử đợc kích thích bởi năng lợng nhiệt và nếu năng lợng đủ lớn, chúng sẽ vợt qua dải cấm

và chiếm một số mức năng lợng trong dải dẫn Các điện tử khi nhảy lên dải dẫn để lại trong vùng hóa trị các lỗ trống tơng ứng Quá trình trên đã tạo ra các điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tức là chúng tạo ra khả năng dẫn điện trong bán dẫn

Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lợng đợc phân bố theo phân bố Fermi-Dirac:

trong đó Ef là mức năng lợng tơng ứng khi f(E) = 0,5 còn gọi là mức năng lợng Fermi và f(E) là xác suất tìm thấy hạt điện tử tại mức năng lợng E.

Nh vậy theo biểu thức (1) thì khi nhiệt độ tăng thì xác suất phân bố điện

tử trong dải dẫn tăng lên, tức là trong dải dẫn luôn có điện tử tự do Ngợc lại khi nhiệt độ giảm dần tới không thì xác suất xuất hiện các điện tử trong dải dần tiến tới không

Nồng độ điện tử tự do n trong vùng dẫn đợc xác định bằng tích phân trên toàn dải của tích giữa nồng độ các mức năng lợng trong vùng dẫn và xác suất xuất hiện điện tử trong vùng năng lợng đó

3

) 2 ( 2

h

kT

m e

π

m e là khối lợng của electron.

3

) 2 ( 2

h

kT

m p

π

m p là khối lợng hiệu dụng của lỗ trống

Vì các điện tử đợc kích thích bởi nhiệt độ sẽ nhảy lên vùng dẫn và để lại trong vùng hóa trị các lỗ trống Do đó số lỗ trống trong vùng hóa trị bằng số

2 (1.5) trong đó Eg là độ rộng của vùng cấm của chất bán dẫn Do Nv ≈ NC nên

3

) 2 ( 2

1.2 Bán dẫn pha tạp

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, ngời ta thờng pha một lợng nhỏ các nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn Có hai loại bán dẫn pha tạp là loại p nếu nguyên tử pha tạp là chất có ít hơn một điện tử ở lớp ngoài cùng (hóa trị 3) so với chất bán dẫn và là lớp n nếu nguyên tử pha tạp có nhiều hơn một điện tử ở lớp ngoài cùng (hóa trị 5) so với chất bán dẫn Trong bán dẫn mỗi nguyên tử sẽ đóng góp một lỗ trống trong vùng hóa trị

Trong bán dẫn n một điện tử của nguyên tử tạp chất không liên kết chặt chẽ với tinh thể dể thành điện tử tự do tham gia quá trình dẫn điện

H1 2 Phân bố diện tử và lỗ trống

Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n trong chất bán dẫn là Nd (donor) và loại p là Na (acepptor) xác định lại mức năng lợng Fermi của án dẫn theo biểu thức:

(1.10)

Nh vậy theo biểu thức (1.8) và (1.10)thì trong bán dẫn pha tạp loại n

có mức năng lợng Fermi tăng dần tiến tới đáy của vùng dẫn khi nồng độ pha tạp Nd tăng, ngợc lại mức năng lợng Fermi trong bán dẫn pha tạp loại p lại giảm khi nồng độ pha tạp tăng Phân bố điện tử và lỗ trống trình bày trong hình 2.

1.3 Tiếp giáp p-n

Cấu tạo cơ bản của các loại nguồn quang là các tiếp giáp bán dẫn p-n

Có hai loại tiếp giáp, tiếp giáp p-n hình thành từ hai chất bán dẫn và nếu chúng có cùng độ dải rộng nh nhau đợc gọi là bán dẫn có tiếp giáp đơn thể, ngợc lại đợc gọi là tiếp giáp dị thể

1.3.1 Tiếp giáp p-n không đợc phân cực

Phân bố hạt dẫn trong tiếp giáp đơn thể không đợc phân cực đợc trình bày nh hình vẽ 3 Lỗ trống đợc tập trung với nồng độ cao trong bán dẫn loại

p, nơi mà lỗ trống là hạt đa số, điện tử tập trung nhiều tại bán dẫn loại n nới

điện tử là hạt dẫn đa số Do phân bố nồng độ không đồng đều hai bên của tiếp giáp p-n nên các hạt dẫn đa số điện tử và lỗ trống có xu hớng khuếch tán theo chiều gradient nồng độ phân bố của chúng Khi điện tử và lỗ trống vợt qua tiếp giáp chúng lại trở thành hạt thiểu số và tái hợp với hạt đa số làm giảm nồng độ hạt dẫn trong vùng khuếch tán Do đó vùng khuếch tán còn đợc gọi là vùng nghèo, bởi vì trong vùng này nồng độ hạt dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ hạt đa số(điện tử hoặc lỗ trống) ban đầu Nh vậy vùng nghèo tồn tại

đồng thời cả hai bên tiếp giáp p-n

của tiếp giáp p-n lại mang điện tích dơng Cũng nh thế, lỗ trống trong bán dẫn

p của tiếp giáp sau khi khuếch tán qua tiếp giáp để lại nguyên tử mang điện tích âm, do đó vùng nghèo trong bán dẫn p của tiếp giáp p-n lại mang điện tích âm Quá trình khuếch tán đã để lại trong vùng nghèo các nguyên tử mang diện tích, tạo ta tại miền tiếp giáp một điện trờng hớng từ bán dẫn n sang bán dẫn p Điện trờng này hạn chế sự khuếch tán của hạt nhng lại tăng dòng trôi theo ngợc chiều dòng khuếch tán (Dòng trôi là dòng các hạt dẫn chuyển động qua tiếp giáp do điện trờng của vùng nghèo gây ra)

Dòng trôi của điện tử đợc phóng vào bán dẫn p là:

J nt = -nqàn E

trong đó: E =

dx

dV

− và àn là độ linh động của điện tử

Tơng tự nh thế dòng trôi của lỗ trống đi vào bán dẫn p là:

J pt = -nqàp E

Nh vậy dòng trôi của lỗ trống và điện tử đều phụ thuộc vào cờng độ

điện trờng của tiếp giáp Trong khi đó dòng khuếch tán lại phụ thuộc vào biến thiên građient nồng độ của chúng Dòng khuếch tán của các lỗ trống trong bán dẫn loại n là:

J ktp = -D p

dx qdp n

và của điện tử trong bán dẫn p là:

J ktn = -D n

dx qdn p

trong đó: D p , D p lần lợt là hệ số khuếch tán của lỗ trống và điện tử.

Khi không phân cực ngoài cho tiếp giáp p-n, tổng các dòng chảy qua tiếp giáp bằng không tức là dòng trôi và dòng khuếch tán có cờng độ bằng nhau nhng ngợc chiều nhau

=0

V B =

p

n n

n

n

n D

ln

à

Khi nn = Np và ni2 =np và

n n

D

à ln  2 

i

a d

n

N N

n

N N

(1.12)

Vì ni2 = NcNV exp( -Eg/kT)

VB = kT q lnN N exp(−E /kT)

N N

g V

c

a d

= +

q

E g q

a d

N N

N N

ln (1.13)

Từ biểu thức trên ta có thể nhận đợc biểu thức xác định mối quan hệ giữa rào thế của lớp tiếp giáp p-n và độ rộng dải cấm của bán dẫn cùng nhiệt độ làm việc, nồng độ pha tạp Nd và Na của bán dẫn Nồng độ pha tạp càng tăng dẫn đến hàng rào thế tăng

Nồng độ hạt dẫn đến biến thiên dọc theo chiều dài của vùng nghèo Chúng ta có thể xác định quy luật biến đổi của chúng từ các điều kiện biên của vùng nghèo Tại vị trí x = -Wdp ( Eg = 0) từ phơng trình (12) ta có thể viết:

n

N N

do đó ta có thể viết:

2

i

a d

n

N N

nên

a p

a d

N n

N N

1.3.2 Tiếp giáp đợc phân cực thuận

Khi ta đã xét khi không đặt điện áp ngoài lên tiếp giáp p-n, tổng các dòng khuếch tán và dòng trôi qua tiếp giáp bằng không, tức là không có dòng chảy qua tiếp giáp và vùng nghèo xuất hiện trong phạm vi tái hợp của các hạt dẫn Nếu bây giờ ta phân cực thuận cho tiếp giáp tức là đặt một nguồn cung cấp điện cho chất bán dẫn thì trạng thái cân bằng giữa dòng trôi và dòng không tán bị phá vỡ do đó qua tiếp giáp sẽ xuất hiện một dòng điện Nếu điện

áp ngoài đặt trên tiếp giáp là V và ta đặt V d = V b V– , thì nồng độ hạt dẫn thiểu

số tại bờ của vùng nghèo bây giờ đợc tính theo công thức:

) (1.19)

Nh vậy nồng độ hạt tối thiểu tại bờ của tiếp giáp phân cực thuận lại tỉ lệ theo mũ với điện áp phân cực Nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng nhanh nguyên nhân chính là do dòng khuếch đại của hạt đa số tăng nhanh.

Để tìm đợc biểu thức xác định dòng qua tiếp giáp p-n, để đơn giản ta giả

sử rằng các dòng thành phần qua tiếp giáp chỉ là dòng khuếch tán của các hạt

đa số mà không tính đến sự tái hợp của chúng Hạt dẫn tiểu số tập trung trong bán dẫn p biến thiên từ np tại bờ của vùng nghèo tới giá trị lớn nhất np tại điểm tiếp xúc Cũng nh thế trong bán dẫn n nồng độ hạt thiểu số thay đổi giá trị nhỏ nhất tại bờ vùng nghèo pn tới giá trị lớn nhất pn tại điểm tiếp xúc Dòng khuếch tán bây giờ ta có thể tính:

W x

n n

−

− ) ' (

- D p q n nd

n n

W x

p p

−

− ) ' (

(1.21) trong đó: xp và xn là chiều rộng tơng ứng của bán dẫn p và n

Chiều rộng vùng nghèo giảm đi đáng kể khi đã đợc phân cực thuận, vì vậy trong hai biểu thức (1.20) và (1.21) ta có thể bỏ qua các giá trị Wpd và Wvd

so với xp và xn Biểu thức trên đợc viết lại dới dạng:

J = D n q p

p p

p n

x

qp D x

qn D

p n

x

qp D x

qn D

Nếu bỏ qua hiện tợng tái hợp giữa các lỗ trống và các điện tử công

thức (1.23) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng chảy qua tiếp giáp p-n vào điện

áp thuận đặt trên bán dẫn và nhiệt độ T

Bây giờ ta xét đến ảnh hởng của dòng điện chảy qua diode, tức là quá trình tái hợp khi điện tử đợc phóng vào bán dẫn loại p và tái hợp lỗ trống để duy trì trạng thái cân bằng nhiệt thì dòng điện chảy qua diode sẽ thay đổi Số

lợng các lỗ trống bị giảm đi trong quá trình tái hợp sẽ đợc bù bằng các hạt dẫn phóng từ ngoài lớp tiếp xúc và do đó xuất hiện điện trờng dọc theo diode

Cấu trúc tiếp giáp dị thể p-n

Nh ta đã biết, bình thờng ở diode, phát xạ ánh sáng có thể xảy ra cả hai phía tiếp giáp p-n Chính vì vậy hiệu suất phát quang của diode rất thấp Tuy nhiên nếu tập trung sự tái hợp các hạt đa số vào một vùng kích thớc nhỏ, thì mật dộ công suất ánh sáng phát ra sẽ tăng lên Ta có thể thực hiện điều đó bằng cách hình thành một tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau (tiếp giáp dị thể- Heterojunction), tạo ra một hàng rào thế, hàng rào thế này ngăn các hạt đi sâu vào mạng tinh thể cua chất bán dẫn Để giảm điện tử và các lỗ trống ta cần phải có tỉếp giáp dị thể, gọi là dị thể kép hay cấu trúc DH

( Double-Heterojunction) Trong kĩ thuật hầu hết các diode phát sáng đều dùng cấu trúc DH, nhng để thấy rõ sự u việt của cấu trúc dị thể kép, trớc hết ta bắt

đầu từ khảo sát diode có một tiếp giáp dị thể hay đơn tiếp giáp dị thể SH (single Heterojunction)

Hình 1.3 mô tả giản đồ năng lợng của một SH diode trong trờng hợp tiếp giáp không đợc phân cực Đây là tiếp giáp đặc biệt đợc chế tạo bởi Ga0,8Al0,2As có vùng cấm rộng và GaAs có vùng cấm hẹp (chỉ số bên dới chỉ

số tỉ lệ của hợp kim pha trộn) Các diode này đực gọi là P-n hoặc N-p với chữ cái viết hoa biểu thị chất bán dẫn có vùng cấm rộng hơn Từ giản đồ ta thấy rào thế với lỗ trống thấp hơn so với rào thế của điện tử Điều này thể hiệ rõ khi diode phân cực thuận (H1.3), vì dới điện áp phân cực thuận các lỗ trống đợc phun vào bán dẫn loại n, trong khi đó các điện tử lại không thể vợt qua đợc hàng rào thế để đi vào vùng bán dẫn p đợc Do đó, một lợng lỗ trống lớn trong vùng bán dẫn loại n GaAs, và chúng sẽ hợp lại với nhau trong khoảng chiều dài của khuếch tán của tiếp giáp, vùng này đợc gọi là vùng hoạt tính

Cấu trúc dị thể kép DH sẽ giam các lỗ trống và điện tử vào trong một lớp hoạt tính cực hẹp Trên hình cho thấy hàng rào thế ở mổi bên của vùng hoạt tính sẽ ngăn cản các hạt đa số di chuyển Vì vậy dới điện áp phân cực thuận,

sẽ có một lợng lớn các hạt đa số đợc phun vào vùng hoạt tính Tái hợp các hạt

đa số trong vùng hoạt tính có kích thớc nhỏ vì thế hiệu suất phát quang của diode cao

Trong kỹ thuật, chất bán dẫn GaAs phát xạ ánh sáng có bớc sóng 870

nm, nhng cửa sổ quang thứ nhất laị lại ở bớc sóng 850 nm Để diode phát xạ ở bớc sóng 850 nm ngời ta thêm Aluminium vào lớp GaAs để tác động lên dải cấm và do đó làm thay đổi bớc sóng phát xạ, vì thế các diode cho bớc sóng ở cửa sổ thứ nhất thờng đợc chế tạo từ lớp hoạt tính Alx Ga1-xAs bao xung quanh

là Aly Ga1-yAs với y > x Hợp kim này dẫn đến dịch chuyển trực tiếp khi x < 0,37 Nếu 0 < x < 0,45 thì ta có thể tìm Eg theo công thức kinh nghiệm:

Chơng 2

Tổng quan Mạch tích hợp logic

Một trong ứng dụng quan trọng của chất bán dẫn là các IC kỹ thuật số còn gọi là các mạch logic cơ bản Các mạch logic hiện nay đợc sử dụng hết sức rộng rãi trong kỹ thuật máy tính điện tử, điều khiển tự động, đo lờng Trong các hệ thống logic phức tạp nh máy tính điện chẳng hạn, số thuật toán cơ bản cần thực hiện cũng không lớn và những thuật toán đó đợc lặp đi lặp lại nhiều lần nên trong các hệ thông logic thờng ta chỉ gặp một số rất ít các mạch cơ bản đợc lặp đi lặp lại rất nhiều lần Đó cũng chính là lí do vì sao việc sử dụng mạch tích hợp trong các hệ thống logic (hay hệ thống số) lại rất thuận lợi Trên thực tế, mạch tích hợp đầu tiên đợc áp dụng cho các hệ thống số và hiện nay đa số các mạch tích hợp cũng đợc dùng trong các hệ thống số

Các mạch số làm việc theo cơ chế nhị phân, nghĩa là chúng chỉ tồn tại

đ-ợc hai trạng thái Chẳng hạn một tranzito chỉ có thể hoặc là hoàn toàn không dẫn hoặc là hoàn toàn thông chứ không thể ở một trạng thái trung gian Hai trạng thái đó của mạch số đợc kí hiệu là 1 và 0

2 1 Hệ thống đếm cơ số 2

Chúng ta thờng quen thuộc với hệ thống đếm cơ số 10 (decode), trong

hệ thống đếm này ngời ta dùng 10 chữ số để biểu thị bất kỳ một con số nào (0,

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ) ví dụ con số 1975 có ý nghĩa nh sau:

1975 = 1 x 103 + 9 x102 + 7x 101 + 5x 100

Nh vậy mỗi một chữ số trong con số nói trên ( 1, 9,7,5 ) biểu diễn một hệ thống trong phép khai triển con số đó theo các luỹ thừa của 10.Trong kỹ thuật số thờng dùng hệ thống đếm cơ số 2(binary) Trong hệ thống đếm này ngời ta chỉ dùng 2 chữ số (1 và 0) để biểu thị bất kỳ con số nào Ví dụ: con số 19 đợc viết trong hệ cơ số 2 là 10011 và có nghĩa là:

10011 = 1 x24 + 0x23 + 0x22 + 1x21 +1x20

nh vậy mỗi chữ số biểu diễn 1 hệ số của luỹ thừa cơ số 2

Sau này các hệ thống mở rộng nh bát phân và thập lục phân (Hex) đợc

sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử cũng nh trong máy tính điện tử Các thiết bị này đợc sử dụng nhờ các hệ thông logic

2 2 Các hệ thống logic

Trong một hệ thống logic, mỗi một trong 2 mức điện áp nói trên đợc gọi là 1 bit Nếu chúng ta qui ớc trong 2 mức đó, mức nào dơng hơn là 1 và mức kia là 0 thì ta có 1 hệ thống logic dơng (2.1a)

H.2.1 Minh hoạ định nghĩa logic dơng và logic âm

Ngợc lại, nếu trong 2 mức, mức nào âm hơn đợc qui ớc là 1 thì ta có hệ thống logic âm (hình 2.1b )

Vì trong mạch điện luôn luôn có “tiếng ồn” hoặc thăng giáng điện áp khác (chẳng hạn điện áp nguồn cung cấp) nên các mức logic thờng không đợc quy định chính xác mà có kèm 1 phạm vi biến thiên, nh hình 2.1 quy định rõ chẳng hạn mức 1 là 4 1V và mức 0 là 0,2 0,2 V.± ±

Trong một hệ thống logic động, mỗi bit đợc quy định nh là sự có mặt hoặc không có mặt hoặc không có mặt của một xung Trong hệ thống logic d-

ơng sự có mặt một xung dơng đợc coi là bit 1, trong hệ thống logic âm sự có mặt một xung âm đợc coi là bit 1 Trong cả 2 hệ thống logic trên sự không có mặt của xung đợc coi là bit 0

2 3 Các phần tử logic

H 2.3 Mạch LOGIC NOR và NOT

2.3.3 Mạch NOT (KHÔNG hoặc mạch Đảo)

Mạch này chỉ có một lối vào và một lối ra Nguyên tắc làm việc của nó là phủ định logic, nghĩa là lối ra chỉ ở trạng thái 1, nếu lối vào không ở trạng thái

ở trạng thái 1

Hình 2.3 là kí hiệu mạch KHÔNG, bảng 11 là bảng chân lý ứng với mạch KHÔNG

Lối vào lối ra

Bảng 3 Bảng chân lý mạch notMạch KHÔNG thực hiện phép phủ định logic Y= A

2.3.4 Các thuật toán logic khác

sẽ dẫn và điên thế ở điểm P sẽ thấp, các diot D4, D5 sẽ không dẫn IB=0 và

transsito Q1 không dẫn.Vậy điện áp ở lối ra Q sẽ cao tức là lối ra ở trạng thái 1 (Y=1), điều này phù hợp với 3 trồng hợp đầu của bảng 12 Nếu tất cả các lối vào đều ở mức 1 thì tất cả các diot tơng ứng đều không dẫn, điện thế ở điểm P

sẽ tăng đến giá trị UC, dòng IB xuất hiện đủ lớn sẽ làm cho transsito T1 bão hoà

và lối ra sẽ có điện thế thấp(Y=0), điều này thoả mãn trờng hợp cuối cùng ở bảng 12

H 2 5 Mạch DTL NAND Diot D4 có thể đợc thay thế bằng transrito Q2 lắp theo kiểu lặp lại êmitơ(H.2 5), nhờ đó có thể cung cấp dòng lớn để điều khiển Q1 và tăng khả năng chịu tải lối ra Mặt khác cũng có thể dùng điện trở R3 với giá trị nhỏ hơn

để giải thoát các điện tích tập trung ở bazơ của Q1 nhờ đó giảm đợc thời gian ngắt dòng

2.4.2 Mạch logic RTL (điện trở- transrito)

Thờng gọi là mạch RTL Hình 2.6 là sơ đồ hoặc- KHÔNG trên cơ

sở mạch RTL Nếu một trong các lối vào ở mức 1, Transrito sẽ bão hoà và lối

ra ở mức 0 nếu tất cả các lối vào đều ở mức 0 thì transrito không dẫn ( không

có thiên áp) và lối ra ở mức 1 Điều đó thoả mãn bảng chân lý của sơ đồ NAND

của transrito bão hoà Q2 gần bằng 0.7 V, mặt khác điện áp êmitơ của Q3 lại cao hơn điện áp lối ra một lợng bằng khoảng 0.7V nhờ sụt áp trên bản thân diôt D1,

do đó chênh lệch điện áp bazơ-emitơ của Q3 không đủ làm cho Q3 dẫn Nếu có một lối vào nào đó của Q1 ở mức 0 thì Q1làm việc ở chế độ bình thờng, điện áp colectơ của nó thấp, Q2 không dẫn, điện áp colectơ của Q2 do đó sẽ cao và Q3 sẽ dẫn Điện áp emitơ của Q2 thấp do diode Q4 sẽ không dẫn Điện áp lối ra bây giờ bằng điện áp cung cấp trừ đi sụt áp trên R3 và trên transrito bão hoà Q3, do

đó nó có trị số cao, lối ra sẽ ở trạng thái 1 Những điều nói trên chứng tỏ sơ đồ hoạt động theo chức năng NAND thoả mãn bảng 4

2 4 4 Mạch ECL (logic liên kết êmitơ- Emiter Coupled Logic)

Còn gọi là mạch ECL Hình 2.8 là sơ đồ một mạch ELC Mạch này có hai chức năng : NOR với lối ra 1, hoặc với lối ra 2

Nếu tất cả các lối vào đều ở mức thấp (0), các transrito Q1, Q2, Q3, Q4 không dẫn và điện áp colectơ của chúng cao Colectơ chung này đợc nối với lối ra hoặc – KHÔNG qua tần lặp lại emitơ Q6, do đó lối ra này cũng ở mức cao (1) Các êmitơ Q1, Q2, Q3, Q4 đựoc nối chung êmitơ của Q5, khi các lối vào

ở mức thấp thì điện áp ở emitơ chung thấp và Q5 sẽ dẫn, do đó colectơ của Q5

ở mức thấp và qua tầng lặp lại emitơ của Q7 lối ra hoặc cũng ở mức thấp (0) Nếu có một lối vào nào đó ở mức cao, transrito tơng ứng sẽ dẫn và điện áp colectơ chung sẽ thấp, lối ra NOR sẽ ở mức thấp , đồng thời điện áp emitơ chung cao sẽ làm cho Q5 không dẫn, điện áp colectơ của Q5 sẽ cao do đó điện

áp lối ra hoặc cũng cao Vậy sơ đồ nói trên thoả mãn chức năng NOR với lối

ra 1 và hoặc với ra 2, đúng nh bảng 1 và bảng 3 Các tầng lặp lại êmitơ Q6, Q7

đảm bảo cho trở kháng lối ra thấp và hệ số khuếch đại dòng lớn, cốt để tăng khả năng chịu tải lối ra Để đơn giản, trên hình 2.8 không vẽ mạch cung cáp

điện áp chuẩn UB