Giáo Trình Lý Thuyết Cấu Kiện điện Tử - 123doc

LỜI NÓI ĐẦU Cấu kiện điện tử là môn học nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính, so đồ tương đương và một số ứng dụng của các linh kiện được sử dụng trong các mạch điện tử

LỜI NÓI ĐẦU

Cấu kiện điện tử là môn học nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính,

so đồ tương đương và một số ứng dụng của các linh kiện được sử dụng trong các mạch điện tử để thực hiện một chức năng kỹ thuật nào đó của một bộ phận trong một thiết bị điện tử chuyên dụng cũng như thiết bị điện tử dân dụng

Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch điện tử Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây đến các linh kiện không thể thiếu được như điốt, transistor và các linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học

để thực hiện chức năng của thiết bị thông thường như máy radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết bị điện tử y tế đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v Nói chung cấu kiện điện tử là loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và nắm chắc các đặc điểm của chúng Bài giảng "Cấu kiện điện" được biên soạn để làm tài liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, Điện tử - Viễn thông, đồng thời bài giảng cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên của các chuyên ngành kỹ thuật khác

Bài giảng được viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử" của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ban hành tháng 6/2009 Nội dung của bài giảng được trình bày một cách rõ ràng, có hệ thống các kiến thức cơ bản và hiện đại về vật liệu và các cấu kiện điện tử đang sử dụng trong ngành Điện, Điện tử, Viễn thông, và CNTT…

Bài giảng "Cấu kiện điện tử" gồm 9 chương

+ Chương 1: Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử

+ Chương 2: Vật liệu điện tử

+ Chương 3 : Cấu kiện thụ động

+ Chương 4: Điốt bán dẫn

+ Chương 5: Transistor lưỡng cực – BJT

+ Chương 6: Transistor hiệu ứng trường FET

+ Chương 7: Thyristor

+ Chương 8: Cấu kiện quang điện tử

+ Chương 9: Giới thiệu công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn

Trong đó từ chương 1 đến chương 6 và chương 9 do giảng viên Đỗ Mạnh Hà biên soạn, chương 8 do giảng viên Trần Thị Thúy Hà biên soạn, chương 7 và phần bài tập các chương do giảng viên Trần Thục Linh biên soạn, giảng viên Phạm Văn Sự và giảng viên Nguyễn Văn Thuận phản biện

Trong tập bài giảng này các tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên soạn theo một trật tự logic nhất định Tuy nhiên, do thời gian biên soạn ngắn,tập bài giảng có thể còn những thiếu sót và hạn chế Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp, sinh viên, cũng như các bạn đọc quan tâm để bổ sung và hoàn chỉnh tập bài giảng "Cấu kiện điện tử" được tốt hơn

Các ý kiến đóng góp xin gửi đến Bộ môn Kỹ thuật điện tử - Khoa kỹ thuật điện tử 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, km 10 đường Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà Nội

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3 

MỤC LỤC 5 

CHƯƠNG 1 12 

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN TỬ 12 

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG 12 

1.1.1 Vai trò của khái niệm kỹ thuật trừu tượng 12 

1.1.2 Tín hiệu 13 

1.1.3 Khái niệm cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử 17 

1.2 CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN 20 

1.2.1 Các phần tử tuyến tính R, L, C 21 

1.2.2 Mô hình nguồn điện 23 

1.2.3 Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện 24 

1.3 PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 24 

1.3.1 Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1) 24 

1.3.2 Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) 26 

1.3.3 Dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton 27 

1.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH PHI TUYẾN 28 

1.4.1 Phương pháp phân tích 29 

1.4.2 Phương pháp đồ thị 29 

1.4.3 Phương pháp phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) 30 

1.5 PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 32 

1.5.1 Phân loại dựa trên đặc tính vật lý: 32 

1.5.2 Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử: 33 

1.5.3 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu: 33 

1.5.4 Phân loại dựa vào ứng dụng: 33 

1.5.5 Phân loại theo đặc tính điện 34 

CÂU HỎI ÔN TẬP 34 

CHƯƠNG 2 – VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ 36 

2.1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ 36 

2.1.1 Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử 36 

2.1.2 Phân loại vật liệu điện tử 40 

2.2 CHẤT CÁCH ĐIỆN 40 

2.2.1 Định nghĩa 40 

2.2.2 Các tính chất của chất điện môi 40 

2.2.3 Phân loại chất điện môi 42 

2.3 CHẤT DẪN ĐIỆN 43 

2.3.1 Định nghĩa 43 

2.3.2 Các tính chất của chất dẫn điện 44 

2.4 VẬT LIỆU TỪ 47 

2.4.1 Định nghĩa 47 

2.4.2 Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ 48 

2.4.3 Phân loại và ứng dụng của vật liệu từ 52 

2.5 THẠCH ANH VÀ ỨNG DỤNG 55 

2.6 CHẤT BÁN DẪN 56 

2.6.1 Định nghĩa chất bán dẫn 56 

2.6.2 Chất bán dẫn thuần nguyên chất (Intrinsic semiconductor) 57 

2.6.3 Chất bán dẫn không thuần 64 

CÂU HỎI ÔN TẬP 72 

BÀI TẬP 73 

CHƯƠNG 3 – CẤU KIỆN THỤ ĐỘNG 75 

3.1 ĐIỆN TRỞ (Resistor) 75 

3.1.1 Định nghĩa 75 

3.1.2 Cấu tạo điện trở 76 

3.1.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở 76 

3.1.4 Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở 80 

3.1.5 Điện trở cao tần và mạch tương đương 82 

3.1.6 Phân loại điện trở 83 

3.1.7 Một số điện trở đặc biệt 85 

3.1.8 Hình ảnh của một số loại điện trở trong thực tế 87 

3.2 TỤ ĐIỆN (Capacitor) 90 

3.2.1 Định nghĩa 90 

3.2.2 Cấu tạo của Tụ điện 90 

3.2.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện 91 

3.2.4 Ký hiệu của tụ điện 93 

3.2.5 Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện 93 

3.2.6 Tụ điện cao tần và mạch tương đương: 95 

3.2.7 Phân loại 96 

3.2.8 Ứng dụng của tụ điện 98 

3.8.9 Hình ảnh của một số loại tụ trong thực tế 99 

3.3 CUỘN CẢM (Inductor) 103 

3.3.1 Định nghĩa 103 

3.3.2 Cấu tạo cuộn cảm 103 

3.3.3 Ký hiệu của cuộn cảm 104 

3.3.4 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây 104 

3.3.5 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn dây 105 

2.3.6 Phân loại 107 

3.5.7 Hình ảnh của một số loại cuộn cảm trong thực tế 108 

3.4 BIẾN ÁP (Transformer) 109 

3.4.1 Định nghĩa và cấu tạo của biến áp 109 

3.4.2 Nguyên lý hoạt động của biến áp 109 

3.4.3 Các tham số kỹ thuật của biến áp 110 

3.4.4 Ký hiệu của biến áp 111 

3.4.5 Phân loại và ứng dụng 112 

3.4.6 Thiết kế biến áp nguồn 115 

3.5 CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC 118 

CHƯƠNG 4 – ĐIỐT 121 

4.1 TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN Ở ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG NHIỆT 121 

4.1.1 Chất bán dẫn nồng độ pha tạp không đồng đều 121 

4.1.2 Quan hệ Boltzman (Quan hệ giữa điện thế tĩnh điện φ(x) và nồng độ hạt tải điện) 125 

4.2 TIẾP GIÁP PN 126 

4.2.1 Giới thiệu chung 127 

4.2.2 Chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng nhiệt 127 

4.2.3 Chuyển tiếp PN khi có điện áp phân cực 133 

4.2.4 Đặc tuyến V-A của tiếp giáp PN 137 

5.2.5 Cơ chế đánh thủng trong chuyển tiếp PN 141 

4.2.6 Điện dung của chuyển tiếp PN 142 

4.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỐT BÁN DẪN 143 

4.4 ĐIỐT CHỈNH LƯU 145 

4.4.1 Cấu tạo 145 

4.4.2 Nguyên lý hoạt động 145 

4.4.3 Đặc tuyến Vôn-Ampe 146 

4.4.4 Các tham số tĩnh của Điốt chỉnh lưu 147 

4.4.5 Mô hình tương đương của Điốt chỉnh lưu 152 

4.4.6 Một số hình ảnh của Điốt chỉnh lưu 157 

4.5 ĐIỐT ỔN ÁP 157 

4.5.1 Cấu tạo chung 157 

4.5.2 Các tham số cơ bản của Điốt ổn áp: 159 

4.6 ĐIỐT BIẾN DUNG VARICAP (VARACTOR) 161 

4.7 CÁC LOẠI ĐIỐT ĐẶC BIỆT KHÁC 163 

4.8 MỘT SỐ MẠCH ỨNG DỤNG ĐIÔT 164 

BÀI TẬP 171 

CHƯƠNG 5 – TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) 182 

GIỚI THIỆU CHUNG 182 

5.1 CẤU TẠO, KÝ HIỆU CỦA BJT 183 

5.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BJT 185 

5.2.1 BJT làm việc trong chế độ tích cực (Forward Active) 186 

5.2.2 BJT làm việc trong chế độ đảo (Reverse) 195 

5.2.3 BJT làm việc ở chế độ ngắt (Cut-off ) 196 

5.2.4 BJT ở chế độ bão hòa (Saturation) 196 

5.3 MÔ HÌNH Ebers-Moll 198 

5.4 CÁC CÁCH MẮC BJT VÀ CÁC HỌ ĐẶC TUYẾN TƯƠNG ỨNG 201 

5.4.1 Các cách mắc BJT 201 

5.4.2 Các tham số đặc trưng cho BJTở mỗi chế độ mắc 202 

5.4.3 BJT npn mắc cực phát chung – CE 202 

5.4.4 BJT npn mắc cực gốc chung – CB 205 

5.4.5 BJT npn mắc cực góc chung - CC 206 

5.5 PHÂN CỰC CHO BJT 208 

5.5.1 Khái niệm phân cực cho các chế độ làm việc của BJT 208 

5.3.2 Mạch định thiên cực gốc (BB: Base Bias) 213 

5.5.3 Mạch định thiên hồi tiếp âm 216 

5.5.4 Mạch định thiên phân áp (VDB – Voltage – Divider Bias) 226 

5.5.5 Phân cực kiểu bù 230 

5.6 BJT TRONG CHẾ ĐỘ CHUYỂN MẠCH (chế độ xung) 233 

5.7 CÁC MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG XOAY CHIỀU CỦA BJT 236 

5.7.1 Mô hình tham số Hybrid (Hybrid parameter/h–Parameter Model) 237 

5.7.2 Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ hybrid-π 239 

5.7.3 Mô hình tương đương re 244 

5.7.4 Mô hình tương đương tín hiệu lớn 245 

5.7.5 Mô hình Spice 247 

5.8 THAM SỐ KỸ THUẬT CỦA BJT 250 

5.9 PHÂN LOẠI BJT 252 

5.10 ỨNG DỤNG CỦA BJT 252 

BÀI TẬP 254 

CHƯƠNG 6 – TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET) 276 

6.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FET 276 

6.2 TRANSISTOR TRƯỜNG LOẠI TIẾP GIÁP – JFET 277 

6.2.1 Cấu tạo của JFET 277 

6.2.2 Nguyên lý hoạt động của JFET 278 

6.2.3 Tham số cơ bản của nJFET 284 

6.2.3 Các cách mắc của JFET 287 

6.2.4 Phân cực cho JFET 288 

6.2.5 Các mô hình tương đương của JFET 292 

6.2.6 JFET làm việc ở chế độ chuyển mạch 295 

6.2.7 Một số mạch ứng dụng đơn giản của JFET 296 

6.3 CẤU TRÚC MOS 297 

6.3.1 Cấu tạo của cấu trúc MOS 297 

6.3.2 Cấu trúc MOS trong điều kiện cân bằng nhiệt 298 

6.3.3 Cấu trúc MOS khi có điện áp phân cực 301 

6.3.4 Đặc tuyến Q-V 306 

6.4 TRANSISTOR TRƯỜNG LOẠI CỰC CỬA CÁCH LY – IGFET 308 

6.4.1 Giới thiệu chung về IGFET 308 

6.4.2 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET: D-MOSFET, E-MOSFET 309 

6.4.3 Nguyên lý làm việc của MOSFET 310 

6.4.4 Các cách mắc của MOFET 316 

5.4.5 Định thiên cho MOSFET: D-MOSFET, E-MOSFET 317 

6.4.6 Mô hình tương đương của MOSFET: D-MOSFET, E-MOSFET 324 

6.4.7 MOSFET làm việc ở chế độ chuyển mạch 327 

6.5 CẤU TRÚC CMOS 330 

BÀI TẬP 330 

CHƯƠNG 7 - THYRISTORS 350 

7.0 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THYRISTORS 350 

7.1 HIỆN TƯỢNG TRỄ 351 

7.2 ĐIỐT SHOCKLEY 351 

7.3 DIAC 357 

7.4 CẤU KIỆN CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN SILIC (SCR- Silicon-Controlled Rectifier) 359 

7.5 TRIAC 373 

7.6 TRANSISTOR ĐƠN NỐI (Unijunction Transistor – UJT) 376 

7.7 CHUYỂN MẠCH ĐIỀU KHIỂN SILIC (The Silicon-Controlled Switch - SCS) 382 

7.8 THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN BẰNG HIỆU ỨNG TRƯỜNG (Field-effect-controlled Thyristor) 383 

TÓM TẮT CHƯƠNG 385 

CHƯƠNG 8 - CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 389 

8.1 PHẦN MỞ ĐẦU 389 

8.1.1 Khái niệm chung về kỹ thuật quang điện tử 389 

8.1.2 Hệ thống thông tin quang 390 

8.1.3 Vật liệu bán dẫn quang 391 

8.2 CÁC CẤU KIỆN PHÁT QUANG 393 

8.2.1 Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất 393 

8.2.2 Diode phát quang (LED- Light Emitting Diode) 397 

8.2.3 Điôt LASER 403 

8.2.4 Mặt chỉ thị tinh thể lỏng (LCD) 408 

Các linh kiện thu quang 410 

8.3.1 Giới thiệu chung 410 

8.3.2 Điện trở quang 410 

8.3.3 Điôt quang (photodiode) 414 

Tế bào quang điện 423 

Transistor quang lưỡng cực 425 

Thyrixto quang 428 

Các bộ ghép quang (Opto- Couplers) 430 

CẤU KIỆN CCD (Charge Coupled Devices - Cấu kiện tích điện kép) 432 

TÓM TẮT 434 

CÂU HỎI ÔN TẬP 434 

CHƯƠNG 9 436 

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TÍCH HỢP 436 

9.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI MẠCH TÍCH HỢP 436 

9.1.1 Định nghĩa 436 

9.1.2 Phân loại 437 

9.2 CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP: 438 

9.3 QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ SẢN XUẤT VI MẠCH 440 

9.4 ỨNG DỤNG VI MẠCH 446 

9.4.1 Vi mạch tích hợp tương tự (Analog IC) 446 

9.4.2 Vi mạch tích hợp số (Digital IC): 448 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 449 

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN TỬ

• Khái niệm chung

• Khái niệm về cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử

• Các mô hình phần tử mạch điện cơ bản

• Tổng quan các phương pháp cơ bản phân tích mạch điện

• Phương pháp phân tích mạch điện phi tuyến

• Phân loại cấu kiện điện tử

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

1.1.1 Vai trò của khái niệm kỹ thuật trừu tượng

Các lĩnh vực kỹ thuật (Engieering) là cách sử dụng có mục đích của các lĩnh vực khoa học Khoa học có nhiệm vụ giải thích về các hiện tượng tự nhiên Nghiên cứu khoa học thường gắn liền với thực nghiệm, và các định luật khoa học là những phát biểu ngắn gọn hay biểu thức giải thích những số liệu thực nghiệm Các định luật vật lý có thể được xem như là lớp trừu tượng giữa những số liệu thực nghiệm và người thực hiện để không cần quan tâm đến những chi tiết thực nghiệm và số liệu đã được đúc kết thành các định luật Khái niệm kỹ thuật trừu tượng được xây dựng với tập riêng các mục đích trong ý nghĩ, và chúng được sử dụng khi những ràng buộc thích hợp xuất hiện

Kỹ thuật điện – điện tử là một trong nhiều ngành kỹ thuật và là ngành sử dụng có mục đích các phương trình của Maxwell về hiện tượng điện từ trường Để thuận tiện cho việc sử dụng các kết quả của hiện tượng điện từ trường, kỹ thuật điện – điện tử đã tạo ra một lớp khái niệm trừu tượng mới trên các phương trình Maxwell là khái niệm về linh kiện và mạch điện được thu gọn Trong giáo trình này sẽ cung cấp mối liên hệ giữa vật lý

và kỹ thuật điện – điện tử Bên cách đó có mối liên hệ chặt chẽ, thống nhất giữa điện tử - viễn thông, khoa học máy tính đến kỹ thuật điện – điện tử Kỹ thuật điện – điện tử là nền tảng cho phát triển các hệ thống viễn thông, công nghệ thông tin và ngược lại viễn thông

và công nghệ thông tin phát triển hỗ trợ đắc lực và hiệu quả cho quá trình quản lý, xây dựng những hệ thống điện – điện tử phức tạp

Trải qua nhiều thập kỷ phát triển, kỹ thuật điện – điện tử đã phát triển tập các khái niệm kỹ thuật trừu tượng cho phép chúng ta chuyển các lý thuyết khoa học vật lý chuyên

ngành sang kỹ thuật và do đó xây dựng được những hệ thống điện, điện tử phức tạp và hữu ích

Sử dụng mô hình kỹ thuật trừu tượng giúp cho việc nghiên cứu các bài toán vật lý thực tế trở lên dễ dàng hơn Giả sử có mạch điện thực tế như – dùng nguồn Pin thắp sang

bóng đèn sợi đốt Làm thế nào để tính toán dòng điện I qua bóng đèn?

Thay vì đưa ra các mô tả toán học của bài toán dưới dạng các phương trình Maxwell, chúng ta thay thế các thành phần mạch điện bằng các mô hình trừu tượng rời rạc Bỏ qua cách dòng điện tích chạy trong sợi đốt, cũng như bỏ qua tham số về nhiệt độ, hình dạng của nó, nếu chỉ để tính cường độ dòng điện qua bóng đèn thì chúng ta có thể thay thế tương đương bóng đèn bằng mô hình điện trở rời rạc có trị số điện trở R Bỏ qua tham số về cấu tạo, dung lượng của Pin, chúng ta có thể thay thế nó bằng mô hình nguồn

áp không đổi có giá trị V Từ mô hình mạch điện có thể xác định cường độ dòng điện quan bóng đèn theo định luật Ôm như sau:

Hình 1.1 - Bài toán vật lý thực tế và mô hình trừu tượng

1.1.2 Tín hiệu

a Khái niệm tín hiệu

Tín hiệu là đại lượng vật lý mang thông tin vào và ra của hệ thống Tín hiệu chứa thông tin về sự biến đổi của những sự vật, hành động trong thế giới vật lý của chúng ta

Ví dụ thông tin về thời tiết được chứa trong tín hiệu biểu diễn nhiệt độ của không khí, áp suất khí quyển, tốc độ gió Tiếng nói của phát thanh viên đọc bản tin qua microphone tạo ra tín hiệu âm chứa thông tin về các sự kiện trên thế giới Tiếng nói, âm nhạc, âm thanh … Các dạng tín hiệu thường gặp trong tự nhiên như dao động từ các hệ thống cơ học, chuỗi video và ảnh chụp, ảnh cộng hưởng từ (MRI), Ảnh x-ray, sóng điện từ phát ra

từ các hệ thống truyền thông, điện áp và dòng điện trong cấu kiện, mạch, hệ thống…, biểu đồ điện tâm đồ (ECG), điện não đồ, Emails, web pages… Mỗi loại tín hiệu tương

ứng với nguồn nào đó trong tự nhiên, và thường được biểu diễn bằng hàm số theo thời gian, tần số hay khoảng cách

Có hai dạng tín hiệu phổ biến là:

+ Tín hiệu tương tự (Analog Signal): Tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục theo thời gian Hầu hết tín hiệu trong tự nhiên là tín hiệu tương tự, x(t)

+ Tín hiệu rời rạc (Discrete Signal): Tín hiệu có giá trị rời rạc theo thời gian Tín hiệu số là loại tín hiệu rời rạc chỉ nhận các giá trị trong một tập hữu hạn xác định Ví dụ tín hiệu sử dụng trong các hệ thống máy tính là tín hiệu số dạng nhị phân (hai mức logic

hệ thống điện tử Do đó tín hiệu phi điện trước hết phải được biến đổi thành tín hiệu điện

nhờ các bộ biến đổi (Transducers) Ví dụ để biến đổi sóng âm thành tín hiệu điện dùng microphone Tín hiệu điện mang thông tin cũng chính là đối tượng được nghiên cứu chủ yếu trong lĩnh vực điện, điện tử, viễn thông Cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử chính là các phương tiện để thực hiện việc sao lưu, xử lý, truyền tải các tín hiệu điện đó Trong tài liệu này sẽ tập trung trình bày về các loại cấu kiện điện tử thông dụng

Tín hiệu điện là tín hiệu chứa dòng điện, điện từ trường biến đổi theo thời gian và không gian với các tham số xác định Tín hiệu điện thường được sử dụng dưới dạng dưới

ba dạng là sóng điện từ, tín hiệu dòng điện, và tín hiệu điện áp,

Dòng điện (Current): Là dòng dịch chuyển có hướng của các điện tích thông qua

vật dẫn hoặc phần tử mạch điện Ký hiệu: I -thường được hiểu là dòng không đổi, i(t) – dòng biến thiên theo thời gian Đơn vị: Ampere (A), mA Nguồn tạo ra dòng điện được gọi là nguồn dòng

Điện áp (Voltage): Khái niệm điện áp hay hiệu điện thế thường được dùng khi so

sánh điện thế giữa hai điểm, hoặc nói về điện thế của một điểm khi lấy điểm kia là mốc

tx(t)

Tín hiệu tương tự

ℜ

∈ ) (

, t x t

, n x n

có điện thế bằng 0 Điện áp chính là năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian của điện tích dịch chuyển giữa 2 điểm

Ký hiệu điện áp là V hoặc U , v(t) hoặc u(t) Đơn vị V, mV, kV Nguồn tạo ra

điện áp được gọi là nguồn áp

c Dòng một chiều và dòng xoay chiều

Hình 1.3 – Đồ thị minh họa dòng một chiều và dòng xoay chiều

DC (Direct current) - Dòng một chiều: dòng điện có chiều không đổi theo thời

gian Về mặt biểu thức toán học thì giá trị của dòng luôn dương hoặc luôn âm Chú ý tránh hiểu nhầm DC = không đổi Xem Hình 1.3

Ví dụ: Dòng không đổi I=3A;

Dòng một chiều biến thiên i(t)=10+5 sin(100πt)(A)

AC (Alternating Current): Dòng xoay chiều: Dòng điện có chiều thay đổi theo

thời gian Về mặt biểu thức toán học thì giá trị của dòng vừa có giá trị dương và vừa có giá trị âm Xem Hình 1.3

Ví dụ: Dòng xoay chiều i(t)=2cos( )2πt (A);

i(t)

d Các thành phần và trị số điện áp, dòng điện

Tín hiệu điện áp và dòng điện có dạng bất kỳ tuần toàn với chu kỳ T có thể được phân tích thành tổng của thành phần một chiều giá trị không đổi và thành phần xoay chiều

Ngoài ra, để đánh giá về cường độ của tín hiệu có thể dùng tham số trị số trung bình, trị số hiệu dụng của tín hiệu

Biểu thức xác định các thành phần và trị số của điện áp, dòng điện như sau:

o

dt t u U

+ Thành phần điện áp xoay chiều uAC

RMS

o

dt t u T U

dt t u U

o

dt t i I

t

RMS

o

dt t i T I

o

dt t i I

Ví dụ 1.1: Xác định các thành phần của điện áp dạng hình sin có dạng như sau:

(a)

u(t)=Umsinωt(V)

(b) u(t)=|Umsinωt| (V)

(c) u(t) = Umsinωt với 0≤t≤T/2 = 0 với T/2≤t≤T

UDC=0 V

)(

U

RMS =

1.1.3 Khái niệm cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử

a Cấu kiện điện tử

Cấu kiện điện tử: là các phần tử linh kiện rời rạc, mạch tích hợp (IC) … có tính

năng thu nhận, lưu trữ, truyền dẫn, hoặc xử lý tín hiệu điện tạo nên mạch điện tử, các

hệ thống điện tử có chức năng kỹ thuật nào đó Xem hình ảnh một số loại cấu kiện trong thực tế trong Hình 1.4

Hình 1.4 - Hình ảnh của một số loại cấu kiện điện tử trong thực tế

Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch điện tử Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây các linh kiện không

thể thiếu được như Điốt, transistor đến các linh kiện tích hợp (IC) phức tạp Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học để thực hiện chức năng của thiết bị điện tử, ví dụ như máy radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết

bị điện tử y tế đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v Nói chung cấu kiện điện tử là loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và nắm chắc nguyên lý hoặc động, đặc điểm, tham số, và ứng dụng của chúng

Trong thực tế cấu kiện điện tử rất đa dạng, có nhiều tham số, đặc tính khác nhau,

tuy nhiên khi nghiên cứu về cấu kiện điện tử chúng ta thường sử dụng các mô hình của cấu kiện với những tham số đặc trưng, quan trọng nhất

b Mạch điện tử

Hình 1.5 - Hình ảnh của một số mạch điện tử trong thực tế

iPhone 3G

Mạch điện là một tập hợp gồm có nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng nếu có)

và các cấu kiện điện tử cùng dây dẫn điện được đấu nối với nhau theo một sơ đồ mạch đã thiết kế nhằm thực hiện một chức năng nào đó của một thiết bị điện tử hoặc một hệ thống điện tử Ví dụ như mạch tạo dao động hình sin, mạch khuếch đại micro, mạch giải mã nhị phân, mạch đếm xung, hoặc đơn giản chỉ là một mạch phân áp, Hình ảnh một số mạch điện tử trong thực tế như Hình 1.5

Cấu hình vật lý của mạch điện tử rất đa dạng và phức tạp, khi nghiên cứu về mạch

chúng ta thường nghiên cứu chúng dưới dạng mô hình mạch điện (Tập hợp của nhiều mô

hình cấu kiện kết nối với nhau)

Hình 1.6 - Hình ảnh của một số hệ thống điện tử trong thực tế

1.2 CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

Trong thực tế cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử rất đa dạng, để nghiên cứu, thiết kế, tính toán chúng thường sử dụng mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng Mô hình mạch điện nguyên lý được xây dựng từ các mô hình các phần tử mạch điện

Trong mô hình mạch điện nguyên lý, mỗi cấu kiện điện tử có thể được thay thế tương ứng bằng một mô hình phần tử tương ứng hoặc bằng một khối mạch tương tương gồm nhiều phần tử cơ bản ghép với nhau Trong thực tế nhiều cấu kiện phức tạp có thể chỉ thay thế bằng một mô hình đơn giản gồm hộp đen có các chân vào/ra và kèm theo là

mô tả hoạt động của chúng dưới dạng các phương trình quan hệ, bảng trạng thái, giải thuật, mô tả bằng ngôn ngữ đặc tả hay ngôn ngữ tự nhiên Ví dụ về mạch điện trong thực

tế và mô hình mạch điện nguyên lý như Hình 1.7

Mạch điện thực tế

Mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng Hình 1.7 - Mạch điện thực tế và mô hình mạch tương ứng

Các cấu kiện điện tử được trình bày trong tài liệu này chủ yếu được nghiên cứu dưới dạng mô hình và kết chúng với nhau trong mô hình mạch nguyên lý xác định Như vậy trong tài liệu này khi nói đến mạch điện chúng ta hiểu đó là mô hình mạch điện nguyên lý

Các mô hình phần tử cơ bản của mạch điện bao gồm: Các phần tử nguồn điện, Phần tử thụ động cơ bản: Điện trở, Điện cảm, Điện dung Còn mô hình của các phần tử phức tạp hơn như Điốt, Transistor, sẽ lần lượt được xét trong các chương tiếp theo

1.2.1 Các phần tử tuyến tính R, L, C

1.2.1.1 Phần tử điện trở

Ta hiểu một cách đơn giản – Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện Nếu vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn Mức độ cản điện được đặc trưng bởi phần tử điện trở, thường

được ký hiệu là R (Resistor) và có 2 dạng mô hình (hoàn toàn tương đương) như Hình

1.8

Hình 1.8 – Mô hình của phần tử điện trở

Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên điện trở tuân theo định luật Ôm rất nổi tiếng:

U=I.R

hay u(t)=i(t).R

Trong đó:

U, u(t) : là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản V (Vôn)

I, i(t) : là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản A (Ampe)

R : trị số điện trở của vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản Ω (Ohm)

- Trị số điện dẫn của điện trở: G=1/R

1.2.1.2 Phần tử điện dung (tụ điện)

Tụ điện là phần tử mạch có khả năng Tích, Lưu và phóng điện tích dưới dạng năng lượng của Điện trường Thường được tạo ra bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi (chất cách điện) Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên

i(t) R

u(t)

i(t) R

u(t)

hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện

Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron -

nó chỉ lưu trữ chúng Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh, đây là một ưu thế của nó

so với ắc qui

Hình 1.9 – Mô hình của phần tử tụ điện

Mức độ tích điện của tụ điện được đặc trưng bởi trị số điện dung C (F), và cũng được ký hiệu là C và có mô hình như Hình 1.9:

Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên tụ như sau:

dt

t du C t

i( )= ( )

1.2.1.3 Phần tử điện cảm

Điện cảm là phần tử mạch điện có khả năng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện biến thiên đi qua); và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90° Tham số Điện cảm được đặc trưng bằng độ tự cảm L, đơn vị henri (H) Cuộn cảm có độ tự cảm L càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng Trong sơ đồ mạch điện, điện cảm cũng được ký hiệu là L và có mô hình như Hình 1.10:

Hình 1.10 – Mô hình của phần tử điện cảm

Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên điện cảm như sau:

dt

t di L t

u( )= ( )

u(t) i(t) C

u(t) i(t) L

1.2.2 Mô hình nguồn điện

Nguồn phụ thuộc (nguồn có điều khiển)

a Nguồn áp có điều khiển

Nguồn áp điều khiển bằng áp Nguồn áp điều khiển bằng dòng

Lý tưởng Không lý tưởng Lý tưởng Không lý tưởng

a Nguồn dòng có điều khiển

Nguồn dòng điều khiển bằng áp Nguồn dòng điều khiển bằng dòng

Lý tưởng Không lý tưởng Lý tưởng Không lý tưởng

I(I) R S I(I) R S I(U) R S

I(U)

+_ U(I)

R S

+_ U(I)

R S

+_ U(I)

+_ U(I)

+_ U(U)

R S

+_ U(U)

R S

+_ V; v(t)

R S

+_ V; v(t)

+_ V; v(t)

+

V

+

V

1.2.3 Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện

1.3 PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN

+ m1 (method 1): Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL

+ m2 (method 2): Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules)

+ m3 (method 3): Phương pháp điện áp nút (Node Method)

+ m4 (method 4): Phương pháp xếp chồng (Superposition)

+ m5 (method 5): Phương pháp dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton

Các phương pháp phân tích mạch điện cơ bản ở trên sinh viên sẽ được học đầy đủ trong môn “Lý thuyết mạch” ở học kỳ tiếp theo Trong bài giảng này chỉ giới thiệu một

số phương pháp như m1, m2, m5 nhằm trang bị cho sinh viên công cụ để phân tích, tính toán mạch định thiên, mô hình mạch xoay chiều cho các loại cấu kiện điện tử

1.3.1 Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1)

a Định luật Kirchhoff 1 (KCL - Kirchhoff’s Current Law)

Định luật KCL có thể được phát biểu như sau:

- Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và ra tại một nút bằng không

- Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào nút bằng Tổng giá trị cường độ dòng điện

n i t

a

1

0)( an= 1 Nếu in(t) đi vào nút

an=-1 Nếu in(t) đi ra khỏi nút

Ví dụ 1.2:

Điểm đầu cuối Đất (GND) Nguồn áp dương

+V

Nguồn áp âm

-V

b Định luật Kirchhoff 2 (KVL - Kirchhoff’s Voltage Law)

- Tổng các thành phần điện áp trong một vòng kín bằng không

Giả sử trong vòng kín có N thành phần điện áp thì ta có:

∑

=

=

N n n

nv t

b

1

0 ) ( bn= 1 Nếu vn(t) cùng chiều với vòng

bn=-1 Nếu vn(t) ngược chiều với vòng

Phương pháp chung phân tích mạch dùng các định luật Kirchhoff (KCL, KVL) m1:

Để tìm tất cả các thành phần dòng điện và điện áp trong mạch, có thể thực hiện theo các bước sau đây:

1 Ký hiệu tất cả các thành phần dòng điện, điện áp trong có trong mạch, đặt chúng là các ẩn phải tìm

2 Viết quan hệ V-I của tất cả các phần tử mạch điện (trừ các phần tử nguồn)

3 Viết KCL cho tất cả các nút

4 Viết KVL cho tất cả các vòng

5 Rút ra được hệ nhiều phương trình, nhiều ẩn => Giải hệ

Chú ý: Trong quá trình viết các phương trình có thể rút gọn ngay (kết hợp bước 2

và 3 hoặc 4) để giảm số phương trình số ẩn

) (

)

(

R R

t v t

I

A i

A A A

i A i

KCL

2

)13(22

i

t t v R R

R t v

R t

(

) (

)

(

2 1 2

2 2

=>

2 1

2

R R

R t v t

1 2

R R

R i

1.3.2 Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules)

Biến đổi tương đương các mạch mắc song song hoặc nối tiếp các phần tử cùng loại

về mạch đơn giản hơn

+ Nếu N điện trở mắc nối tiếp (trường hợp A) thì được thay tương đương bằng điện trở R:

R =R1+R2+ +RN

+ Nếu N điện trở mắc song (trường hợp B) thì được thay tương đương bằng điện trở có trị số điện dẫn G là:

G =G1+G2+ +GN=1/R1+1/R2+ +1/RN

+Nhiều nguồn áp lý tưởng mắc nối tiếp thì có thể thay bằng một nguồn áp lý tưởng tương đương có trị số V:

V= (Tổng các nguồn áp cùng chiều V) – (Tổng các nguồn áp ngược chiều V)

Ví dụ: V1, V2 cùng chiều mắc nối tiếp (trường hợp C thì có thể thay thế bằng nguồn

áp lý tưởng V:

=> V=V1+V2

+ Nhiều nguồn dòng lý tưởng mắc song song thì có thể thay bằng một nguồn dòng

lý tưởng tương đương có trị số I:

I= (Tổng các nguồn dòng cùng chiều I) – (Tổng các nguồn dòng ngược chiều I)

Ví dụ: Hai nguồn dòng lý tưởng I1, I2 cùng chiều mắc song song (trường hợp D) thì

có thể thay bằng một nguồn dòng lý tưởng tương đương I:

+Biến đổi tương đương Thevenin

Một đoạn mạch tuyến tính chỉ chứa các phần tử điện trở, và các nguồn độc lập có thể thay thế tương tương bằng một nguồn áp độc lập không lý tưởng (VTH, RTH)

+ Biến đổi tương đương Norton

Một đoạn mạch tuyến tính chỉ chứa các phần tử điện trở, và các nguồn độc lập có thể thay thế tương tương bằng một nguồn dòng độc lập không lý tưởng (IN, RN)

Trong đó:

VTH: Điện áp hở mạch của mạch tuyến tính

IN: Dòng diện ngắn mạch 2 đầu của mạch tuyến tính

RTH=RN=VTH/IN hay đó là điện trở tương đương của đoạn mạch khi các nguồn áp ngắn mạch, nguồn dòng hở mạch

Áp dụng biến đổi tương đương Thevenin và Norton ta có thể thực hiện biến đổi tương đương giữa Nguồn dòng không lý tưởng và Nguồn áp không lý tưởng như sau:

Biến đổi tương đương Nguồn dòng ↔ Nguồn áp

S

R

V U V

1.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH PHI TUYẾN

Phương pháp phân tích mạch phi tuyến

+ Phương pháp phân tích: dựa vào m1, m2, m3

+ Phương pháp đồ thị

+ Phương pháp phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) Giả sử có mạch điện phi tuyến như hình vẽ sau, trong đó D là phần tử phi tuyến, xác định iD và vD?

R

1.4.1 Phương pháp phân tích

- Áp dụng phương pháp m1, m2, m3 cho các phần tử tuyến tính và phi tuyến, được

hệ 2 phương trình, 2 ẩn iD và vD

=> Việc giải hệ phương trình phức tạp

Giải hệ phương trình theo phương pháp gần đúng:

Tìm giao điểm của 2 đồ thị (1) và (2), tạo độ của giao điểm Q(VD,ID) (ví dụ Q(0.5V, 0,4A)) là kết quả phải tìm

Đồ thị (2) là đặc tuyến V-A của phần tử phi tuyến, còn đồ thị (1) là đặc tuyến V-A của phần mạch tuyến tính còn lại mắc với phần tử phi tuyến Đồ thị (1) có dạng đường

thẳng và còn được gọi là đường tải (Load Line) của mạch Giao điểm của đường tải và đặc tuyến V-A của phần tử phi tuyến còn được gọi là điểm làm việc (Operation Point)

Q của phần tử phi tuyến Điểm làm việc chính là vị trí mà tham số dòng, áp của phần tử phi tuyến và của mạch tuyến tính bằng nhau

Đường tải, điểm làm việc thường được sử dụng để phân tích mạch trong chế độ một chiều DC (khi nguồn V=const), nên còn được gọi là Đường tải tĩnh, và điểm làm việc tĩnh Có thể sử dụng điểm làm việc, và đường tải tĩnh để phân tích định tính hoạt động của mạch, chế độ làm việc của phần tử phi tuyến trong chế độ một chiều và dự đoán được hoạt động của mạch trong chế độ xoay chiều (có nguồn tín hiệu biến thiên tác động) Do đó chúng cũng thường được sử dụng để phân tích, thiết kế mạch có phần tử phi tuyến

1.4.3 Phương pháp phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method)

a Cơ sở toán học của phương pháp phân tích gia số

- Từ quan hệ phi tuyến:

Δ+

D D

V v D

D D

D

dv

v f d v

dv

v df V f v

f

i

D D D

D

- Bỏ qua các thành phần bậc cao ta có:

V v D

D D

dv

v df V

f

i

D D

Δ+

≈

=

.Trong đó nếu các thành phần điện áp và dòng điện biến thiên nhỏ có thể đạt:

d D D D

d D D D

D D

d D

dv

v df V

f i I

i

D D

=

+

=+

=

dv

v df

i

D D

D

D V v D

I = .

d D

i =

b Ý nghĩa hình học

Cặp giá trị (VD, ID) chính là điểm làm việc tĩnh của phần tử phi tuyến, đặc tuyến

V-A của phân tử phi tuyến trong lân cận điểm làm việc (đường phi tuyến (V-A)) có thể được thay xấp xỉ bằng bằng đường thẳng tiếp xúc đường (A) tại điểm làm việc tĩnh

c Mô hình hình tương đương của phần tử phi tuyến

- Chế độ một chiều:

- Mô hình tín hiệu nhỏ của phần tử phi tuyến:

i d = I D.b.v d =>

- Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ:

Tóm lại: Các bước thực hiện phân tích mạch theo phương pháp gia số như sau:

1 Xác định chế độ làm việc một chiều của mạch (ID, VD)

2 Xác định mô hình tín hiệu nhỏ của các phần tử phi tuyến tại điểm làm việc một chiều đã tính

3 Vẽ mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của toàn mạch và tính toán các tham số tín hiệu nhỏ (id, vd)

4 Viết kết quả của tham số cần tính trong mạch: Tổng tham số một chiều và tham

số tín hiệu nhỏ:

iD=ID+id

vD=VD+id

1.5 PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

Có nhiều cách phân loại cấu kiện điện tử dựa theo những tiêu chí khác nhau Trong phần này chúng ta xét theo một số cách phân loại thông thường như sau:

1.5.1 Phân loại dựa trên đặc tính vật lý:

Dựa vào đặc tính vật lý, cấu kiện điện tử được phân chia thành 4 loại sau:

- Cấu 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 từ mật độ thấp đến mật độ siêu

cỡ lớn UVLSI

- Cấu kiện hoạt động trên nguyên lý quang điện như: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ Cấu kiện phát quang LED, LASER, họ lịnh kiện chuyển hoá năng lượng quang điện như pin mặt trời, họ Cấu kiện hiển thị, IC quang điện tử

- Cấu kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến như: Họ sensor nhiệt, điện,

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

- Cấu kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới: các Cấu kiện được chế tạo bằng công nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ như : Bộ nhớ một điện tử, Transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử, Cấu kiện xuyên hầm một điện tử, cấu kiện dựa vào cấu trúc sinh học phân tử …

1.5.2 Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử:

Dựa theo lịch sử phát triển công nghệ điện tử, cấu kiện điện tử được phân chia thành 5 loại như sau:

- Cấu kiện điện tử chân không: là các cấu kiện điện tử mà sự dẫn điện xảy ra trong môi trường chân không

- Cấu kiện điện tử có khí: là các cấu kiện điện tử mà sự dẫn điện xảy ra trong môi

1.5.3 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu:

Dựa theo chức năng xử lý tín hiệu người ta chia cấu kiện điện tử thành 2 loại là cấu kiện điện tử tương tự và cấu kiện điện tử số

- Cấu kiện điện tử tương tự: là các Cấu kiện có chức năng xử lý các tín hiệu điện xảy ra liên tục theo thời gian

- Cấu kiện điện tử số: là các Cấu kiện có chức năng xử lý các tín hiệu điện xảy ra

rời rạc, không liên tục theo thời gian

1.5.4 Phân loại dựa vào ứng dụng:

Dựa vào ứng dụng của cấu kiện điện tử người ta chia cấu kiện điện tử ra làm 2 loại

là các cấu kiện điện tử thụ động và các cấu kiện điện tử tích cực:

- Cấu kiện kiện thụ động (Passive Devices): là linh kiện không thể có tính năng điều khiển dòng và điện áp, cũng như không thể tạo ra chức năng khuếch đại công suất, điện áp, dòng diện trong mạch, không yêu cầu tín hiệu khác điều khiển ngoài tín hiệu để

thực hiện chức năng của nó (“Devices with no brains!“) Ví dụ các cấu kiện điện trở R, tụ

điện C, cuộn cảm L, biến áp,

- Cấu kiện tích cực (Active Devices): là linh kiện có khả năng điều khiển điện áp, dòng điện và có thể tạo ra chức năng hoạt động khuếch đại, chuyển mạch trong mạch

"Devices with smarts!" Ví dụ DIOT, BJT, JFET, MOSFET, IC, Thysistor, Linh kiện thu

quang, phát quang …

1.5.5 Phân loại theo đặc tính điện

Dựa vào đặc tính điện của cấu kiện điện tử người ta chia cấu kiện thành hai loại là cấu kiện tuyến tính và cấu kiện phi tuyến

- Cấu kiện tuyến tính: là cấu kiện điện tử thỏa mãn nguyên lý xếp chồng, hay khi đặt điện áp hình sin tần số f ở đầu vào thì dòng điện qua cấu kiện cũng là dạng hình sin tần số f Ví dụ R, L, C, bộ khuếch đại tuyến tính, bộ tích phân, vi phân

- Cấu kiện phi tuyến: là cấu kiện điện tử không thỏa mãn nguyên lý xếp chồng, hay khi đặt điện áp hình sin tần số f ở đầu vào thì dòng điện qua cấu kiện không chỉ là dạng hình sin tần số f mà có thể tạo ra nhiều thành phần hình sin với tần số khác nữa Ví

dụ Điốt, BJT, MOSFET,

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Cho mạch điện như hình vẽ xác định biểu thức của uout theo uin theo các phương pháp khác nhau (m1, m5)

+ _

uout

uin rπ vπ

gm.vπ

RE

3 Cho mạch điện như hình vẽ xác định biểu thức của uout theo uin theo các phương pháp khác nhau (m1, m5)

+ _

CHƯƠNG 2 – VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

• Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử

2.1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

2.1.1 Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử

vậy được ngăn cách bởi bờ biên và dọc theo bờ biên này không có trật tự - cấu trúc đa

tinh thể

Tính chất tuần hoàn của tinh thể có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất điện của vật liệu Cấu kiện bán dẫn thường được chế tạo từ các cấu trúc đơn tinh thể

b) 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 gọi là các mức năng lượng nguyên tử

Nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng lượng khác nhau

Một mức năng lượng được đặc trưng bởi một bộ 4 số lượng tử:

+ n – số lượng tử chính: 1,2,3,4…

+ l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h…}

+ ml– số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3… ±l

+ ms– số lượng tử spin: ±1/2

n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp xếp ở lớp, phân lớp

có năng lượng nhỏ trước

c) Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn

Để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tận tiến lại gần liên kết với nhau tạo thành cấu trúc tinh thể:

Nếu các nguyên tử 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 (tức là một mức trùng chập) – minh họa trong Hình 2.2-(b)

Khi các NT tiến lại gần nhau đến khoảng cách cỡ A0, thì chúng bắt đầu tương tác với nhau thì 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 Ví

dụ mức 1s sẽ tạo thành 2.N mức năng lượng khác nhau – như minh họa trong Hình (d)

2.2-Nếu số lượng các nguyên tử rất lớn và gần nhau thì các mức năng lượng rời rạc đó rất gần nhau và tạo thành một vùng năng lượng như liên tục – như minh họa trong Hình 2.2 -(d)

Sự tách một mức năng lượng nguyên tử ra thành vùng năng lượng rộng hay hẹp phụ thuộc vào sự tương tác giữa các điện tử thuộc các nguyên tử khác nhau với nhau Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm Các điện tử trong tinh thể rắn sẽ điền đầy vào các mức năng lượng trong các vùng cho phép từ thấp đến cao Như vậy có thể có: vùng điền đầy hoàn toàn (thường có năng lượng thấp), vùng

trống hoàn toàn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầy một phần Tính chất hóa, lý, điện của chất rắn thường phụ thuộc chủ yếu vào các điện tử thuộc lớp ngoài cùng

Hình 2.2 - Minh họa sự hình thành vùng năng lượng trong cấu trúc gồm nhiều NT

(nguyên tử)

Nếu xét trên lớp ngoài cùng:

+ Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử gọi là “Vùng hóa trị”

+ Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy ngay trên vùng hóa trị gọi là “Vùng

dẫn”

+ Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn là “Vùng cấm”

Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắn có tính chất điện khác nhau: Chất cách điện – dẫn điện kém, Chất dẫn điện – dẫn điện tốt, Chất bán dẫn Tuy nhiên độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ

4

Số trạng thái lớn nhất

2N 6N

d N Nguyên tử tương tác

2N

Số trạng thái lớn nhất

+ Chất cách điện: Có cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm lớn EG>2eV, như hình 2.3(a)

(a) Chất cách điện (b) Chất bán dẫn (c) Chất bán dẫn

Hình 2.3 – Minh họa sự sắp xếp của các dải năng lượng

Hình 2.4 – Minh họa sự hình thành vùng năng lượng

+ Chất dẫn điện: Cấu trúc dải năng lượng không có vùng cấm, điện tử hóa trị liên kết yếu với hạt nhân, dưới tác dụng của điện trường ngoài các e này có thể dễ dàng di

4N trạng thái không có điện tử

6N trạng thái có 2N điện tử 2N trạng thái có 2N điện tử

Các mức năng lượng của lớp trong cùng không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc

Dải dẫn

Điện tử

Lỗ trống

Dải dẫn

Dải hoá trị

EC

E

chuyển lên các trạng thái cao hơn tạo thành các e tự do, nên chất như vậy dẫn điện tốt, cấu trúc dải năng lượng như hình 2.3 c

+ Chất bán dẫn: Chất có vùng cấm 0eV<EG≤2eV, cấu trúc dải năng lượng như Hình 2.3-(c) Do độ rộng của vùng cấm nhỏ nên ở điều kiện thường, có thể có một số điện tử ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Sự mất 1 điện tử trong vùng hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống (Mức năng lượng bỏ trống trong vùng hóa trị điền đầy, lỗ trống cũng dẫn điện như các điện tử tự do) – minh họa như Hình 2.3-(b)

Minh họa sự tạo thành những vùng năng lượng khi các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm IV được đưa vào để tạo ra tinh thể như Hình 2.4

2.1.2 Phân loại vật liệu điện tử

Các vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện, điện tử thường được phân chia thành 4 loại:

• Chất cách điện (chất điện môi)

Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu hữu cơ và một số vật liệu vô cơ

Đặc tính của vật liệu cách điện ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện Các đặc tính gồm: trị số giới hạn độ bền về điện, nhiệt, cơ học, độ cách điện, sự tổn hao điện môi… Các tính chất của chất điện môi lại phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm môi trường Trong lĩnh vực linh kiện điện tử, chất cách điện chủ yếu được dùng dưới dạng chất rắn, chất này có cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm lớn EG>2eV, như Hình 2.3-(a)

2.2.2 Các tính chất của chất điện môi

a Độ thẩm thấu điện tương đối (hay còn gọi là hằng số điện môi)

Hằng số điện môi tương đối của của 1 chất cách điện được xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có chất điện môi và điện dung của tụ điện có cùng kích thước nhưng là điện môi chân không

dC

C

ε= (không thứ nguyên)

Trong đó:

+ Cd là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi;

+ C0 là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân không hoặc không khí

Do đó ε biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có hằng số điện môi ε lớn, còn chất điện môi dùng làm chất cách điện có ε nhỏ

b Độ tổn hao điện môi (Pa)

Độ tổn hao điện môi 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

ωCtgδU

a =

Trong đó:

U là điện áp đặt lên tụ điện (V)

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

ω là tần số góc đo bằng rad/s

δ là góc tổn hao điện môi

Nếu tổn hao điện môi trong tụ điện cơ bản là do điện trở của các bản cực, dẫn và tiếp giáp (ví dụ 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: Pa = U2.ω.C.tgδ

Do đó, trên thực tế các tụ điện làm việc ở tần số cao cần phải có điện trở của các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp nhỏ nên các chi tiết này thường được tráng bạc để giảm điện trở của chúng

c Độ bền về điện của chất điện môi (E đ.t. )

Nếu ta đặt một chất điện môi vào trong một điện trường, khi ta tăng cường độ điện trường lên quá một giá trị giới hạn thì chất điện môi đó mất khả năng cách điện - ta gọi

đó là hiện tượng đánh thủng chất điện môi

Cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi là độ bền về điện của

Trong đó: Uđt - là điện áp đánh thủng chất điện môi

d - độ dày của chất điện môi

Hiện tượng đánh thủng chất điện môi có thể do nhiệt, do điện hoặc do quá trình điện hóa

d Dòng điện trong chất điện môi (I)

Khi đặt điện môi trong điện trường, trong điện môi diễn ra 2 hiện tượng cơ bản là:

Hiện tượng phân cực điện môi (trên bề mặt điện môi xuất hiện các điện tích trái dấu với

điện tích trên bề mặt bản cực) và Hiện tượng dẫn điện của điện môi (trong điện môi xuất

hiện sự chuyển dời của các điện tích tự do tạo thành dòng điện có trị số nhỏ giữa các bản cực Do đó có 2 thành phần dòng điện như sau:

- Dòng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi là dòng điện cảm ứng): Quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng sẽ tạo nên dòng điện phân cực hay còn gọi là dòng điện chuyển dịch trong chất điện môi IC.M

- Dòng điện rò Irò : được tạo ra do các điện tích tự do và điện tử phát xạ ra chuyển động dưới tác động của điện trường, tạo ra dòng điện chạy từ bản cực này sang bảng cực kia 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 = IC.M + Irò

+ Sau khi quá trình phân cực kết thúc thì qua chất điện môi chỉ còn dòng điện rò

- Điện trở cách điện của chất điện môi: Điện trở cách điện được xác định theo trị

số của dòng điện rò:

CM

UR

c.®=

−∑

Trong đó: I - Dòng điện nghiên cứu

ΣIC.M - Tổng các thành phần dòng điện phân cực

2.2.3 Phân loại chất điện môi

Có hai loại chất điện môi: chất điện môi thụ động và tích cực

- Chất điện môi thụ động còn gọi là vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện Đây 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, Đối với vật liệu dùng để cách điện thì cần có độ thẩm thấu điện ε nhỏ, còn vật liệu dùng làm chất điện môi cho tụ điện cần có ε lớn

- Chất điện môi tích cực là các vật liệu có ε thể điều khiển được bằng:

+ Điện trường có gốm, thuỷ tinh,

+ Cơ học có chất áp điện như thạch anh