cau kien dien tu electronic devices do manh ha 8756

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES Đỗ Mạnh Hà KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT 8/2009 Ha M Do -PTIT Lecture 1/176 (ECE) Electrical and Computer Engineering Specialties CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES Digital signal processing Communications Information theory Information Control theory Engineering … Đỗ Mạnh Hà KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT Electronics Electrical Circuits Engineering Optics Power systems Electromagnetic … 8/2009 Ha M Do -PTIT Lecture 1 Ha M Do -PTIT Giới thiệu môn học Algorithms Architecture Complexity Computer Programming Engineering / Language Computer Compilers Science Operating Systems … Lecture Cấu kiện điện tử Mục đích mơn học: - Trang bị cho sinh viên kiến thức nguyên lý hoạt động, đặc tính, tham số lĩnh vực sử dụng loại cấu kiện (linh kiện) điện tử để làm tảng cho môn học chuyên ngành - Môn học khám phá đặc tính bên linh kiện bán dẫn, từ SV hiểu mối quan hệ cấu tạo hình học tham số cấu kiện, hiểu đặc tính điện, sơ đồ tương đương, phân loại ứng dụng chúng Cấu kiện điện tử? Là phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện tử, hệ thống điện tử Gồm nội dung sau: + Giới thiệu chung cấu kiện điện tử + Vật liệu điện tử + Cấu kiện thụ động: R, L, C, Biến áp + Điốt + Transistor lưỡng cực – BJT + Transistor hiệu ứng trường – FET + Cấu kiện quang điện tử 2/176 Ha M Do -PTIT Lecture Ha M Do -PTIT Lecture Sơ đồ khối hệ thống điện tử điển hình Hệ thống điện tử (1) Đầu vào Nguồn tín hiệu: điện, cơ, sóng âm Sensor, detector, or transducer: Tín hiệu dạng dòng điện áp Mạch vào: Bộ lọc, khuếch đại, hạn biên… Đầu ra: Màn hình, kích hoạt thiết bị, tín hiệu đưa tới hệ thống Tính tốn: định, điều khiển ADC, Xử lý tín hiệu số ‹ ‹ CD / DVD recoders and players Cell phones… Ha M Do -PTIT ‹ ‹ Robotic control Weather prediction systems… Lecture Ha M Do -PTIT Hệ thống điện tử (2) Lecture Hệ thống điện tử (3) Images: amazon.com 3/176 Ha M Do -PTIT Lecture Ha M Do -PTIT Lecture Hệ thống điện tử (4) Hệ thống điện tử (5) NOKIA 8260 (Mặt trước) Ha M Do -PTIT Lecture Ha M Do -PTIT Lecture 10 Giới thiệu chung Cấu kiện điện tử Hệ thống điện tử (6) NOKIA 8260 (Mặt sau) - Cấu kiện điện tử ứng dụng nhiều lĩnh vực Nổi bật ứng dụng lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT - Cấu kiện điện tử phong phú, nhiều chủng loại đa dạng - Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ, tạo vi mạch có mật độ lớn (Vi xử lý Intel COREi7 - khoảng 1,3 tỉ Transistor…) - Xu cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày cao, có tính mạnh, tốc độ lớn… 4/176 Ha M Do -PTIT Lecture 11 Ha M Do -PTIT Lecture 12 Ứng dụng cấu kiện điện tử Ứng dụng cấu kiện điện tử - Các linh kiện bán dẫn diodes, transistors mạch tích hợp (ICs) tìm thấy khắp nơi sống (Walkman, TV, ôtô, máy giặt, máy điều hồ, máy tính,…) Chúng ta ngày phụ thuộc vào chúng thiết bị có chất lượng ngày cao với giá thành rẻ - PCs minh hoạ rõ xu hướng - Nhân tố đem lại phát triển thành công công nghiệp máy tính việc thơng qua kỹ thuật kỹ công nghiệp tiên tiến người ta chế tạo Transistor với kích thước ngày nhỏ → giảm giá thành công suất Chips… Sand… Ha M Do -PTIT Chips on Silicon wafers Lecture 13 Ha M Do -PTIT Đặc điểm phát triển mạch tích hợp (IC) Lecture 14 Định luật MOORE - Tỷ lệ giá thành/tính IC giảm 25% –30% năm - Số chức năng, tốc độ, hiệu suất cho IC tăng: - Kích thước wafer tăng - Mật độ tích hợp tăng nhanh - Thế hệ cơng nghệ IC: + SSI - Small-Scale Integration + MSI – Medium-Scale Integration + LSI- Large-Scale Integration + VLSI- Very-large-scale integration + SoC - System-on-a-Chip + 3D-IC - Three Dimensional Integrated Circuit + Nanoscale Devices, … 5/176 Ha M Do -PTIT Lecture 15 Ha M Do -PTIT Lecture 16 Ví dụ: Intel Processor Silicon Process 1.5μ Technology Intel386TM DX Processor Intel486TM Processor Cấu trúc chương trình Lecture 1- Introduction (Giới thiệu chung) 1.0μ 0.8μ 0.6μ 0.35μ 0.25μ Lecture 2- Passive Components (Cấu kiện thụ động) Lecture 3- Semiconductor Physics (Vật lý bán dẫn) Lecture 4- P-N Junctions (Tiếp giáp P-N) 45nm DX Lecture 5- Diode (Điốt) Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) Nowadays! Lecture 7- FET (Transistor hiệu ứng trường) Lecture 8- OptoElectronic Devices Pentium® Processor (Cấu kiện quang điện tử) Lecture 9- Thyristor Pentium® Pro & Pentium® II Processors Ha M Do -PTIT Lecture 17 Ha M Do -PTIT Lecture 18 Tài liệu học tập Yêu cầu mơn học - Tài liệu chính: + Lecture Notes (Electronic Devices – DoManhHa – PTIT – 8/2009) - Tài liệu tham khảo: Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006 MicroElectronics, an Intergrated Approach, Roger T Home - University of California at Berkeley, Charles G Sodini – MIT , 1997 Giáo trình Cấu kiện điện tử quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, 2002 Electronic Devices, Second edition, Thomas L.Floyd, Merill Publishing Company, 1988 Introductory Electronic Devices and Circuits, conventional Flow Version, Robert T Paynter, Prentice Hall, 1997 Electronic Principles, Albert Paul Malvino, Fifth edition Linh kiện bán dẫn vi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 MicroElectronic Circuits and Devices, Mark N Horenstein, Boston University, 1996 Lecture Notes (MIT, Berkeley, Harvard, Manchester University…) - Sinh viên phải nắm kiến thức vật lý bán dẫn, tiếp giáp PN, cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ tương đương, tham số, phân cực, chế độ xoay chiều, phân loại, số ứng dụng loại cấu kiện điện tử học - Sinh viên phải đọc trước Lecture Notes trước lên lớp - Sinh viên phải tích cực trả lời câu hỏi giảng viên tích cực đặt câu hỏi lớp qua email: caukien@gmail.com - Làm tập thường xuyên, nộp tập Giảng viên yêu cầu, qua email: caukien@gmail.com - Tự thực hành theo yêu cầu với phần mềm EDA - Điểm môn học: 6/176 Ha M Do -PTIT Lecture 19 + Chuyên cần + Bài tập : 10 % + Kiểm tra kỳ : 10 % + Thí nghiệm : 10 % + Thi kết thúc : 70 % Ha M Do -PTIT Kiểm tra : - Câu hỏi ngắn - Bài tập Thi kết thúc: -Câu hỏi ngắn trắc nghiệm - Bài tập Lecture 20 Giới thiệu phần mềm EDA hỗ trợ môn học Yêu cầu kiến thức lý thuyết mạch cần biết - Circuit Maker: Phân tích, mơ cấu kiện tương tự số dễ sử dụng - OrCAD (R 9.2): - Multisim (R 7)-Electronic Workbench, Proteus … - Tina Pro 7.0: Phân tích, mơ cấu kiện tương tự số trực quan nhất, có cơng cụ máy đo ảo nên tính thực tiễn cao - Mathcad (R 11): Làm tập: tính tốn biểu thức, giải phương trình tốn học, vẽ đồ thị (Sinh viên nên sử dụng Tina Pro 7.0 để thực hành, làm tập, phân tích, mơ cấu kiện mạch điện tử nhà) - Khái niệm phần tử mạch điện bản: R, L, C; Nguồn dòng, nguồn áp khơng đổi; Nguồn dịng, nguồn áp có điều khiển… - Phương pháp phân tích mạch điện: + m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2: Luật kết hợp (Composition Rules) + m3: Phương pháp điện áp nút (Node Method) + m4: Xếp chồng (Superposition) + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton - Phương pháp phân tích mạch phi tuyến + Phương pháp phân tích: dựa vào m1, m2,m3 + Phương pháp đồ thị + Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) - Mạng bốn cực: tham số hỗn hợp H Ha M Do -PTIT Lecture 21 Ha M Do -PTIT Lecture – Giới thiệu chung Lecture 22 1.1 Khái niệm + Điện tích dịng điện + DC AC + Tín hiệu điện áp dịng điện + Tín hiệu (Signal) Hệ thống (System) + Tín hiệu Tương tự (Analog) Số (Digital) + Tín hiệu điện áp Tín hiệu dịng điện 1.1 Khái niệm 1.2 Phần tử mạch điện 1.3 Phương pháp phân tích mạch điện 1.4 Phương pháp phân tích mạch phi tuyến 1.5 Phân loại cấu kiện điện tử 1.6 Giới thiệu vật liệu điện tử 7/176 Ha M Do -PTIT Lecture 23 Ha M Do -PTIT Lecture 24 Điện tích dịng điện DC AC + Mỗi điện tử mang điện tích: –1.602 x 10-19 C (Coulombs) + 1C = Điện tích 6.242 x 1018 điện tử (electron) + Ký hiệu điện tích: Q Đơn vị: coulomb (C) Dịng điện (Current) DC (Direct current): Dịng chiều – Dịng điện có chiều không đổi theo thời gian – Tránh hiểu nhầm: DC = khơng đổi, – Ví dụ I=3A, i(t)=10 + sin(100πt) (A) – Là dòng dịch chuyển điện tích thơng qua vật dẫn phần tử mạch điện – Ký hiệu: I, i(t) – Đơn vị: Ampere (A) 1A=1C/s – Mối quan hệ dòng điện điện tích i (t ) = AC (Alternating Current): Dịng xoay chiều – Dịng điện có chiều thay đổi theo thời gian – Tránh hiểu nhầm: AC = Biến thiên theo thời gian – Ví dụ: d q(t ) dt i (t ) = cos(2πt ); i (t ) = + 12 cos(200πt ) t q (t ) = ∫ i (t )dt + q (t ) Nikola Tesla (1856 – 1943) t0 Ha M Do -PTIT Lecture 25 Ha M Do -PTIT signals output signals Speaker Encoder signals Decoder Transmitter signals Receiver 26 • Tín hiệu: đại lượng vật lý mang thông tin vào hệ thống • Ví dụ output Microphone Lecture Signal (Tín hiệu) Tín hiệu (Signal) Hệ thống (System) input Thomas Edison (1847 – 1931) – Tiếng nói, âm nhạc, âm … – Dao động từ hệ thống học – Chuỗi video ảnh chụp – Ảnh cộng hưởng từ (MRI), Ảnh x-ray – Sóng điện từ phát từ hệ thống truyền thông – Điện áp dòng điện cấu kiện, mạch, hệ thống… – Biểu đồ điện tâm đồ (ECG), Điện não đồ – Emails, web pages … Channel • Mỗi loại tín hiệu tương ứng với nguồn tự nhiên • Tín hiệu thường biểu diễn hàm số theo thời gian, tần số hay khoảng cách input Ví dụ hệ thống điện thoại 8/176 Ha M Do -PTIT Lecture 27 Ha M Do -PTIT Lecture 28 Hệ thống (Systems) mơ hình Tín hiệu Tương tự (Analog) Số (Digital) • Mơ hình (Model): Các hệ thống thực tế mơ tả mơ hình thể mối quan hệ tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu hệ thống • Một hệ thống chứa nhiều hệ thống • Mơ hình hệ thống biểu diễn biểu thức toán học, bảng biểu, đồ thị, giải thuật … • Ví dụ hệ thống liên tục: ‹ Tương tự (Analog) ‹ ‹ ‹ Tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục theo thời gian Hầu hết tín hiệu tự nhiên tín hiệu tương tự Digital ‹ ‹ Tín hiệu có giá trị rời rạc theo thời gian Tín hiệu lưu hệ thống máy tính tín hiệu số, theo dạng nhị phân x[n] x(t) … … t Ha M Do -PTIT Lecture 29 Analog Signal Digital Signal t , x(t ) ∈ ℜ n, x[n] ∈ Ζ Ha M Do -PTIT Biểu diễn dạng tín hiệu liên tục Rời rạc Biên độ liên tục x(t) t x[n] Thời gian rời rạc (Space) Ha M Do -PTIT t telegraph x[n] n n Switched capacitor filter, speech CD, DVD, cellular phones, storage chip, half-tone digital camera & camcorder, photography digital television, inkjet printer Lecture 30 Dòng điện (Current) – Là dịng dịch chuyển điện tích thơng qua vật dẫn phần tử mạch điện – Ký hiệu: I, i(t) – Đơn vị: Ampere (A) 1A=1C/s – Nguồn tạo tín hiệu dịng điện: Nguồn dịng Biên độ rời rạc Local telephone, cassette-tape recording & playback, phonograph, photograph Lecture Tín hiệu điện áp Tín hiệu dịng điện x(t) Thời gian liên tục (Space) n 31 9/176 Điện áp (Voltage) – Hiệu điện giữa điểm – Năng lượng truyền đơn vị thời gian điện tích dịch chuyển điểm – Ký hiệu: v(t), Vin; Uin; Vout; V1;U2… – Đơn vị: Volt (V) – Nguồn tạo tín hiệu điện áp: Nguồn áp Ha M Do -PTIT Lecture 32 Nguồn độc lập 1.2 Các phần tử mạch điện Nguồn áp + Nguồn độc lập + Nguồn có điều khiển + Phần tử thụ động + Ký hiệu phần tử mạch điện sơ đồ mạch (Schematic) Nguồn Pin + Nguồn áp độc lập lý tưởng Nguồn áp độc lập không lý tưởng + + _ V + _ V; v(t) RS V; v(t) _ Nguồn dòng Nguồn dòng độc lập lý tưởng I, i(t) Ha M Do -PTIT Lecture 33 Ha M Do -PTIT Nguồn có điều khiển Nguồn dịng độc lập khơng lý tưởng I, i(t) I, i(t) Lecture RS 34 Phần tử thụ động Nguồn áp Nguồn áp có điều khiển lý tưởng Nguồn áp có điều khiển khơng lý tưởng + _ U(I) + _ U(U) RS U(I) + _ + _ RS U(U) Nguồn dịng Nguồn dịng có điều khiển lý tưởng Nguồn dịng có điều khiển khơng lý tưởng I(I) I(U) I(I) RS RS I(U) 10/176 Ha M Do -PTIT Lecture 35 Ha M Do -PTIT Lecture 36 1.3 Phương pháp phân tích mạch điện Ký hiệu phần tử sơ đồ mạch (Schematic) + m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2: Luật kết hợp (Composition Rules) + m3: Phương pháp điện áp nút (Node Method) ~ = Dẫn điện tuyệt đối Điểm nối Dây dẫn Không nối + m4: Xếp chồng (Superposition) + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton R + Điện trở V Nguồn Pin + _ V I Nguồn áp Nguồn dòng L C Điểm đầu cuối Ha M Do -PTIT Đất (GND) Tụ điện Điện cảm Lecture 37 Ha M Do -PTIT Lecture KCL - Kirchhoff’s Current Law m1: Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL Kirchhoff’s current law (KCL) Mục tiêu: Tìm tất thành phần dịng điện điện áp mạch N ∑ a i (t ) = Các bước thự hiện: Viết quan hệ V-I tất phần tử mạch điện Viết KCL cho tất nút Viết KVL cho tất vòng n =1 an= Nếu in(t) vào nút an=-1 Nếu in(t) khỏi nút Nút i2 i1 + i2 = i3 i1 + i2 − i3 = Ha M Do -PTIT i3 i1 i2 11/176 39 i3 i1 Chú ý: Trong q trình viết phương trình rút gọn để giảm số phương trình số ẩn Lecture n n –Tổng giá trị cường độ dòng điện vào nút không – Tổng giá trị cường độ dòng điện vào nút Tổng giá trị cương độ dòng điện khỏi nút Rút hệ nhiều phương trình, nhiều ẩn => Giải hệ Ha M Do -PTIT 38 Gustav Kirchhoff (1824 – 1887) Lecture 40 Ví dụ sử dụng KCL KVL - Kirchhoff’s Voltage Law A N1 : i A = i B N : i B = iC N ∑ b v (t ) = B iB C n =1 n n loop i A = i B = iC 3A 1A 1A 2A 3A 4A i=? i = −2 A Ha M Do -PTIT Ví dụ: 2A 41 + p a + pb + pc = ⇒ v a i + vb i − vc i = ⇒ v a + vb − v c = + 5_ 3+ loop + 12 _ +4 Loop : − 3V + 12V − 4V − 5V = Loop : 1V − 3V + 12V − 4V + 3V − 9V = Ha M Do -PTIT Ví dụ sử dụng KVL Xét mặt lượng loop _3 + Loop : 1V + 5V + 3V − 9V = 2A Lecture + 9_ +1 _ _ Ví dụ bn= Nếu vn(t) chiều với vòng bn=-1 Nếu vn(t) ngược chiều với vòng – Tổng điện áp vịng kín khơng N2 iC ⇒ Kirchhoff’s voltage law (KVL) N1 _ iA Mạch nối tiếp Lecture 42 Ví dụ phân tích mạch dùng m1 vA _ A i + B _v B C + v _ C Mạch song song + + + − v a + vb = ⇒ v a = vb A v A B v B C vC − vb + v c = ⇒ vb = v c _ _ _ ⇒ v a = vb = v c 12/176 Ha M Do -PTIT Lecture 43 Ha M Do -PTIT Lecture 44 Mạch chia áp Mạch chia dòng i (t ) + v1 (t ) _ R1 vS (t ) + _ iS + R2 v2 (t ) Ohm' s Law : Ha M Do -PTIT v _ i1 i2 R1 R2 R2 v iS = R1 R1 + R2 R1 v iS ⇒ i2 = = R2 R1 + R2 ⇒ i1 = _ Ohm' s Law : + vS (t ) R1 + R2 v2 (t ) = i (t ) R2 = vs (t ) i (t ) = R2 < vS (t ), ∀t R1 + R2 Lecture 45 Ha M Do -PTIT m2: Luật kết hợp (Composition Rules) = + iS Req = v _ iS Req RR = R1 + R2 R1 + R2 ⇒ v = i S Req = i S Lecture R1 R2 R1 + R2 46 + m4: Xếp chồng (Superposition) - Trong mạch tuyến tính (gồm phần tử tuyến tính nguồn độc lập nguồn có điều khiển) phân tích mạch theo nguyên lý xếp chồng sau: Ví dụ + Cho nguồn tác động làm việc riêng rẽ, nguồn khác không làm việc phải theo nguyên tắc sau đây: Nguồn áp ngắn mạch, Nguồn dòng hở mạch + Tính tổng cộng đáp ứng mạch tất nguồn tác động riêng rẽ gây 13/176 Ha M Do -PTIT Lecture 47 Ha M Do -PTIT Lecture 48 + m4: Xếp chồng (Superposition) + m4: Xếp chồng (Superposition) e=? Ha M Do -PTIT Lecture 49 Ha M Do -PTIT + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton Lecture 50 + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton Ví dụ: Biến đổi tương đương Nguồn dòng ↔ Nguồn áp RS + _ V I= + _ VTH: Điện áp hở mạch IN : Dòng điện ngắn mạch RTH=RN=VTH/IN Lecture 51 I (V ) = Ha M Do -PTIT Lecture RS I(V) RS V RS RS U(V) 14/176 Ha M Do -PTIT I U (V ) RS 52 Ví dụ i=? R1 + _ R2 V1 _ + V2 R3 I3 1.4 Phương pháp phân tích mạch điện phi tuyến Mạch điện có phần tử phi tuyến (D) - Tìm biểu thức tính i=? a Chỉ dùng phương pháp m1? b Chỉ dùng phương pháp m4? c Chỉ dùng phương pháp m5? d Dùng kết hợp phương pháp m1, m2, m4,m5 học để tìm lời giải ngắn gọn nhất? R - Phương pháp phân tích mạch phi tuyến + Phương pháp phân tích: dựa vào m1, m2, m3 + Phương pháp đồ thị + Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) Ha M Do -PTIT Lecture 53 Ha M Do -PTIT Phương pháp phân tích - Áp dụng phương pháp m1, m2, m3 cho phần tử tuyến tính phi tuyến, hệ phương trình, ẩn iD vD Lecture 54 Phương pháp đồ thị - Giải hệ phương trình (1) (2) phương pháp đồ thị R Đường tải (Loadline) - Giải hệ phương trình: + Dùng phương pháp thử sai + Dùng phương pháp số => Việc giải hệ phương trình phức tạp 15/176 Ha M Do -PTIT Lecture 55 Ha M Do -PTIT Lecture 56 Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) (1) Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method)(2) Thực theo bước sau: Xác định chế độ làm việc chiều mạch (ID, VD) Xác định mơ hình tín hiệu nhỏ phần tử phi tuyến điểm làm việc chiều tính Vẽ mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ tồn mạch tính tốn tham số tín hiệu nhỏ (id, vd) Viết kết tham số cần tính mạch R Ha M Do -PTIT Lecture 57 Ha M Do -PTIT Cơ sở tốn học phương pháp phân tích gia số Lecture 58 Cơ sở toán học phương pháp phân tích gia số - Từ quan hệ phi tuyến: - Viết lại biểu thức: - Thay thế: - Suy ra: - Khai triển Taylor hàm f(vD) VD: - Như qua hệ id vd tuyến tính - Áp dụng với ví dụ trên: 16/176 Ha M Do -PTIT Lecture 59 Ha M Do -PTIT Lecture 60 Ý nghĩa hình học Mơ hình hình tương đương phần tử phi tuyến - Chế độ chiều: R - Mơ hình tín hiệu nhỏ phần tử phi tuyến: - Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ: R - Xấp xỉ A đường thẳng B tiếp xúc với A điểm làm việc Ha M Do -PTIT Lecture 61 Ha M Do -PTIT 1.5 Phân loại cấu kiện điện tử Lecture 62 Phân loại dựa đặc tính vật lý - Linh kiện hoạt động nguyên lý điện từ 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 - Linh kiện hoạt động nguyên lý quang điện như: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ lịnh kiện chuyển hoá lượng quang điện pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử - Linh kiện hoạt động dựa nguyên lý cảm biến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang xạ, sinh học chủng loại IC thông minh sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống công nghệ chế tạo sensor - Linh kiện hoạt động dựa hiệu ứng lượng tử hiệu ứng mới: linh kiện chế tạo công nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ : Bộ nhớ điện tử, Transistor điện tử, giếng dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm điện tử, cấu kiện dựa vào cấu trúc sinh học phân tử … • Phân loại dựa đặc tính vật lý • Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu • Phân loại theo ứng dụng 17/176 Ha M Do -PTIT Lecture 63 Ha M Do -PTIT Lecture 64 Phân loại dựa loại tín hiệu làm việc Phân loại theo chức Linh kiện thụ động: R,L,C… Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET, IC, Thysistor, Linh kiện thu quang, phát quang … (+ Linh kiện tích cực (Active Devices): linh kiên có khả điều khiển điện áp, dịng điện tạo chức hoạt động chuyển mạch mạch "Devices with smarts!" ; + Linh kiện thụ động (Passive Devices) linh kiện khơng thể có tính điều khiển dịng điện áp, tạo chức khuếch đại cơng suất, điện áp, dịng diện mạch, khơng u cầu tín hiệu khác điều khiển ngồi tín hiệu để thực chức “Devices with no brains!“) Ha M Do -PTIT Lecture 65 Ha M Do -PTIT 1.6 Giới thiệu vật liệu điện tử • • • • • Lecture 66 Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Chất cách điện Chất dẫn điện Vật liệu từ Chất bán dẫn (Lecture 3) - Lý thuyết vật lý chất rắn Lý thuyết vật lý học lượng tử Lý thuyết dải lượng chất rắn Lý thuyết vật lý bán dẫn 18/176 Ha M Do -PTIT Lecture 67 Ha M Do -PTIT Lecture 68 a Lý thuyết vật lý chất rắn b Lý thuyết vật lý học lượng tử - Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử nằm mức lượng gián đoạn định gọi mức lượng nguyên tử - Nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm mức lượng khác - Một mức lượng đặc trưng 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 mức lượng nguyên tử tăng, e- xếp lớp, phân lớp có lượng nhỏ trước - Vật liệu để chế tạo phần lớn linh kiện điện từ loại vật liệu tinh thể rắn - Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử xếp theo trật tự định, cần biết vị trí vài đặc tính số ngun tử dự đốn vị trí chất hóa học tất nguyên tử mẫu - Tuy nhiên số vật liệu nhấn thấy xếp xác nguyên tử tồn xác cỡ vài nghìn ngun tử Những miền có trật tự ngăn cách bờ biên dọc theo bờ biên trật tự - cấu trúc đa tinh thể - Tính chất tuần hồn tinh thể có ảnh hưởng định đến tính chất điện vật liệu Ha M Do -PTIT Lecture 69 Ha M Do -PTIT c Sự hình thành vùng lượng (1) Lecture 70 c Sự hình thành vùng lượng (2) - Để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống xa vô tận tiến lại gần liên kết với nhau: + Nếu NT xa đến mức coi chúng hồn tồn độc lập với vị trí mức lượng chúng hoàn toàn trùng (tức mức trùng chập) + Khi NT tiến lại gần đến khoảng cách cỡ Ao, chúng bắt đầu tương tác với khơng thể coi chúng độc lập Kết mức lượng ngun tử khơng cịn trùng chập mà tách thành mức lượng rời rạc khác Ví dụ mức 1s tạo thành 2.N mức lượng khác - Nếu số lượng NT lớn gần mức lượng rời rạc gần tạo thành vùng lượng liên tục - Sự tách mức lượng NT thành vùng lượng rộng hay hẹp phụ thuộc vào tương tác điện tử thuộc NT khác với C 1s22s22p2 Si 14 1s22s22p63s23p2 Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2 Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2 (Si) 19/176 Ha M Do -PTIT Lecture 71 Ha M Do -PTIT Lecture 72 Minh họa hình thành vùng lượng (1) Mức 2p Số trạng thái Số trạng thái Số trạng thái 12 12 1s a Một NT độc lập b NT không tương tác Ha M Do -PTIT 6N + Vùng lượng điền đầy điện tử gọi là“Vùng hóa trị” + Vùng lượng trống chưa điền đầy vùng hóa trị gọi “Vùng dẫn” + Vùng không cho phép Vùng hóa trị Vùng dẫn “Vùng cấm” 2N - Tùy theo phân bố 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 2N c NT tương tác - Các vùng lượng cho phép xen kẽ nhau, chúng vùng cấm - Các điện tử chất rắn điền đầy vào mức lượng vùng cho phép từ thấp đến cao - Có thể có : vùng điền đầy hồn tồn (thường có lượng thấp), vùng trống hồn tồn (thường có lượng cao), vùng điền đầy phần - Xét lớp cùng: Số trạng thái 4 2s Minh họa hình thành vùng lượng (1) d N Nguyên tử tương tác Lecture 73 Ha M Do -PTIT Minh họa tạo thành vùng lượng nguyên tử thuộc phân nhóm nhóm IV đưa vào để tạo tinh thể E Lecture Cấu trúc dải lượng vật chất Dải dẫn E vùng dẫn Năng lượng trạng thái 4N trạng thái khơng có điện tử S Cấm vùng hố trị 2N trạng thái có 2N điện tử X2 X3 a- Chất cách điện; X X4 20/176 Lecture EC Lỗ trống Dải hoá trị Các mức lượng lớp không bị ảnh hưởng cấu trúc mạng tinh thể Ha M Do -PTIT EV EV 4N trạng thái có 4N điện tử X1 EC Dải dẫn EG < eV EG > eV 6N trạng thái có 2N điện tử E E Điện tử EC P 75 74 b - Chất bán dẫn; EV EG = Dải hoá trị c- Chất dẫn điện + Độ dẫn điện của vật chất tăng theo nhiệt độ + Chất bán dẫn: Sự điện tử dải hóa trị hình thành lỗ trống (Mức lượng bỏ trống dải hóa trị điền đầy, lỗ trống dẫn điện điện tử tự do) + Cấu trúc dải lượng kim loại khơng có vùng cấm, điện tử hóa trị liê kết yếu với hạt nhân, tác dụng điện trường e dễ dàng di chuyển lên trạng thái cao tạo thành e tự do, nên kim loại dẫn điện tốt Ha M Do -PTIT Lecture 76 ... phones… Ha M Do -PTIT ‹ ‹ Robotic control Weather prediction systems… Lecture Ha M Do -PTIT Hệ thống điện tử (2) Lecture Hệ thống điện tử (3) Images: amazon.com 3/176 Ha M Do -PTIT Lecture Ha M Do. .. động riêng rẽ gây 13/176 Ha M Do -PTIT Lecture 47 Ha M Do -PTIT Lecture 48 + m4: Xếp chồng (Superposition) + m4: Xếp chồng (Superposition) e=? Ha M Do -PTIT Lecture 49 Ha M Do -PTIT + m5: Biến đổi... Lecture 9- Thyristor Pentium® Pro & Pentium® II Processors Ha M Do -PTIT Lecture 17 Ha M Do -PTIT Lecture 18 Tài liệu học tập Yêu cầu môn học - Tài liệu chính: + Lecture Notes (Electronic Devices