Giáo trình linh kiện điện tử

Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Lời nói đầu ********* Linh kiện điện tử kiến thức bước đầu ngành điện tử Giáo trình biên soạn từ giảng tác giả nhiều năm qua Khoa Công Nghệ Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại học Cần Thơ Trung Tâm Giáo dục thường xuyên đồng sông Cửu Long sau trình sửa chữa cập nhật Giáo trình chủ yếu dùng cho sinh viên chuyên ngành Điện Tử Viễn Thơng Tự Động Hóa Các sinh viên khối Kỹ thuật ham thích điện tử tìm thấy nhiều điều bổ ích Giáo trình bao gồm chương: Từ chương đến chương 3: Nhắc lại số kiến thức vật lý vi mô, mức lượng dải lượng cấu trúc kim loại chất bán dẫn điện dùng chìa khóa để khảo sát linh kiện điện tử Từ chương đến chương 8: Đây đối tượng giáo trình Trong chương này, ta khảo sát cấu tạo, chế hoạt động đặc tính chủ yếu linh kiện điện tử thông dụng Các linh kiện q đặc biệt thơng dụng giới thiệu ngắn gọn mà không vào phân giải Chương 9: Giới thiệu hình thành phát triển vi mạch Người viết chân thành cảm ơn anh Nguyễn Trung Lập, Giảng viên Bộ mơn Viễn Thơng Tự Động Hóa, Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin, Trường Đại học Cần Thơ đọc kỹ thảo cho nhiều ý kiến quý báu Cần Thơ, tháng 12 năm 2003 Trương Văn Tám Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Mục lục Chương I MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG .4 I KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG: II PHÂN BỐ ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: .6 III DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS) Chương II 12 SỰ DẪN ĐIỆN TRONG KIM LOẠI 12 I II III IV V VI ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT: 12 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG: 14 THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI: .15 SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: 18 CÔNG RA (HÀM CÔNG): 20 ĐIỆN THẾ TIẾP XÚC (TIẾP THẾ): 21 Chương III 22 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN .22 I CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN THUẦN HAY NỘI BẨM: 22 II CHẤT BÁN DẪN NGOẠI LAI HAY CÓ CHẤT PHA: 24 Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor) .24 Chất bán dẫn loại P: .25 Chất bán dẫn hỗn hợp: .26 III DẪN SUẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN: .27 IV CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN: 29 V PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC: 30 Chương IV .32 NỐI P-N VÀ DIODE 32 I CẤU TẠO CỦA NỐI P-N: .32 II DÒNG ĐIỆN TRONG NỐI P-N KHI ĐƯỢC PHÂN CỰC: .34 Nối P-N phân cực thuận: .35 Nối P-N phân cực nghịch: 38 III ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN NỐI P-N: 40 IV NỘI TRỞ CỦA NỐI P-N 41 Nội trở tĩnh: (Static resistance) 41 Nội trở động nối P-N: (Dynamic Resistance) 42 V ĐIỆN DUNG CỦA NỐI P-N 44 Điện dung chuyển tiếp (Điện dung nối) 44 Điện dung khuếch tán (Difusion capacitance) 45 VI CÁC LOẠI DIODE THÔNG DỤNG .45 Diode chỉnh lưu: 45 Diode tách sóng 53 Diode schottky: 53 Diode ổn áp (diode Zenner): 54 Diode biến dung: (Varicap – Varactor diode) 57 Diode hầm (Tunnel diode) .58 Bài tập cuối chương 59 Chương V .61 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC .61 I II III IV V VI CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT 61 TRANSISTOR Ở TRẠNG THÁI CHƯA PHÂN CỰC 61 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC .63 CÁC CÁCH RÁP TRANSISTOR VÀ ĐỘ LỢI DÒNG ĐIỆN .64 DÒNG ĐIỆN RỈ TRONG TRANSISTOR 66 ĐẶC TUYẾN V-I CỦA TRANSISTOR .67 Mắc theo kiểu cực chung: 68 Mắc theo kiểu cực phát chung 69 Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc tuyến BJT 72 VII ĐIỂM ĐIỀU HÀNH – ĐƯỜNG THẲNG LẤY ĐIỆN MỘT CHIỀU .73 VIII KIỂU MẪU MỘT CHIỀU CỦA BJT 78 Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IX BJT VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU 80 Mơ hình BJT: 80 Điện dẫn truyền (transconductance) 82 Tổng trở vào transistor: .83 Hiệu ứng Early (Early effect) 85 Mạch tương đương xoay chiều BJT: 86 Bài tập cuối chương 90 CHƯƠNG 91 TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG 91 I CẤU TẠO CĂN BẢN CỦA JFET: 91 II CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA JFET: 93 III ĐẶC TUYẾN TRUYỀN CỦA JFET 99 IV ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET 100 V MOSFET LOẠI HIẾM (DEPLETION MOSFET: DE MOSFET) 102 VI MOSFET LOẠI TĂNG (ENHANCEMENT MOSFET: E-MOSFET) 107 VII XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐIỀU HÀNH: 111 VIII FET VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU VÀ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TÍN HIỆU NHỎ 113 IX ĐIỆN DẪN TRUYỀN (TRANSCONDUCTANCE) CỦA JFET VÀ DEMOSFET 117 X ĐIỆN DẪN TRUYỀN CỦA E-MOSFET 118 XI TỔNG TRỞ VÀO VÀ TỔNG TRỞ RA CỦA FET 119 XII CMOS TUYẾN TÍNH (LINEAR CMOS) .120 XIII MOSFET CÔNG SUẤT: V-MOS VÀ D-MOS 122 V-MOS: 122 D-MOS: 123 Bài tập cuối chương 125 CHƯƠNG VII .126 LINH KIỆN CÓ BỐN LỚP BÁN DẪN PNPN VÀ NHỮNG LINH KIỆN KHÁC .126 I SCR (THYRISTOR – SILICON CONTROLLED RECTIFIER) 126 Cấu tạo đặc tính: .126 Đặc tuyến Volt-Ampere SCR: .128 Các thông số SCR: 129 SCR hoạt động điện xoay chiều 130 Vài ứng dụng đơn giản: 131 II TRIAC (TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH) 133 III SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH) 135 IV DIAC 136 V DIOD SHOCKLEY 137 VI GTO (GATE TURN – OFF SWITCH) .138 VII UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR ĐỘC NỐI) 140 Cấu tạo đặc tính UJT: 140 Các thông số kỹ thuật UJT vấn đề ổn định nhiệt cho đỉnh: 143 Ứng dụng đơn giản UJT: .144 VIII PUT (Programmable Unijunction Transistor) .145 CHƯƠNG VIII 148 LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 148 I ÁNH SÁNG 148 II QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE) 149 III QUANG DIOD (PHOTODIODE) 151 IV QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR) 152 V DIOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTING DIODE) 154 VI NỐI QUANG 155 CHƯƠNG IX .157 SƠ LƯỢC VỀ IC 157 I KHÁI NIỆM VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 157 II CÁC LOẠI IC .159 IC màng (film IC): .159 IC đơn tính thể (Monolithic IC): 159 IC lai (hibrid IC) .160 III SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC ĐƠN TINH THỂ 160 IV IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC ANALOG) 162 IC Digital: 162 IC analog: 163 Tài liệu tham khảo 163 Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chương I MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG Trong chương chủ yếu nhắc lại kiến thức học nguyên lượng, phân bố điện tử nguyên tử theo lượng, từ hình thành dải lượng tinh thể chất bán dẫn Để học chương này, sinh viên cần có kiến thức tương đối vật lý hóa học đại cương Mục tiêu cần đạt hiểu ý nghĩa dải dẫn điện, dải hóa trị dải cấm, từ phân biệt chất dẫn điện, bán dẫn điện cách điện I KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG: Ta biết vật chất cấu tạo từ nguyên tử (đó thành phần nhỏ nguyên tố mà giữ ngun tính chất ngun tố đó) Theo mơ hình nhà vật lý Anh Rutherford (1871-1937), nguyên tử gồm có nhân mang điện tích dương (Proton mang điện tích dương Neutron trung hồ điện) số điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động chung quanh nhân chịu tác động lực hút nhân Ngun tử ln ln trung hịa điện tích, số electron quay chung quanh nhân số proton chứa nhân - điện tích proton điện tích electron trái dấu) Điện tích electron -1,602.10-19Coulomb, điều có nghĩa để có Coulomb điện tích phải có 6,242.1018 electron điện tích điện tử đo trực tiếp khối lượng điện tử đo trực tiếp Tuy nhiên, người ta đo tỉ số điện tích khối lượng (e/m), từ suy khối lượng điện tử là: mo=9,1.10-31Kg Đó khối lượng điện tử chuyển động với vận tốc nhỏ so với vận tốc ánh sáng (c=3.108m/s) Khi vận tốc điện tử tăng lên, khối lượng điện tử tính theo công thức Lorentz-Einstein: me = mo v2 1− c Mỗi điện tử chuyển động đường tròn chịu gia tốc xuyên tâm Theo thuyết điện từ chuyển động có gia tốc, điện tử phải phát lượng Sự lượng làm cho quỹ đạo điện tử nhỏ dần sau thời gian ngắn, điện tử rơi vào nhân Nhưng thực tế, hệ thống hệ thống bền theo thời gian Do đó, giả thuyết Rutherford không đứng vững Nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr (1885- 1962) bổ túc giả thuyết sau: Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Có quỹ đạo đặt biệt, điện tử di chuyển mà không phát lượng Tương ứng với quỹ đạo có mức lượng định Ta có quỹ đạo dừng Khi điện tử di chuyển từ quỹ đạo tương ứng với mức lượng w1 sang quỹ đạo khác tương ứng với mức lượng w2 có tượng xạ hay hấp thu lượng Tần số xạ (hay hấp thu) là: w − w1 h Trong đó, h=6,62.10-34 J.s (hằng số Planck) f= Trong quỹ đạo dừng, moment động lượng điện tử bội số Moment động lượng: m.v.r = n h = nh 2π h =h 2π v r -e +e Hình Với giả thuyết trên, người ta dự đoán mức lượng nguyên tử hydro giải thích quang phổ vạch Hydro, khơng giải thích ngun tử có nhiều điện tử Nhận thấy đối tính sóng hạt, Louis de Broglie (Nhà vật lý học Pháp) cho liên kết hạt điện khối lượng m, chuyển động với vận tốc v bước sóng λ = h mv Tổng hợp tất giả thuyết môn học nguyên lượng, giải thích tượng quan sát cấp nguyên tử Phương trình mơn học ngun lượng phương trình Schrodinger viết sau: h2 − ∇ϕ + ( E − U ) ϕ = 2.m ∇ toán tử Laplacien Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử ∇ϕ = δ2ϕ δ2ϕ δ2ϕ + + δx δy δz E: lượng toàn phần U: (E-U): động ϕ hàm số gọi hàm số sóng Hàm số xác định xác suất tìm thấy hạt điện miền không gian khảo sát Trong giải phương trình Schrodinger để tìm lượng điện tử nguyên tử nhất, người ta thấy trạng thái lượng electron phụ thuộc vào số nguyên gọi số nguyên lượng: Số nguyên lượng xuyên tâm: (Số nguyên lượng chính) Xác định kích thước quỹ đạo n=1,2,3,…7 Số nguyên lượng phương vị: (Số nguyên lượng phụ) Xác định hình thể quỹ đạo l=1,2,3,…,n-1 Số nguyên lượng từ: Xác định phương hướng quỹ đạo ml=0,±1, …, m l Số nguyên lượng Spin: 1 Xác định chiều quay electron m s = + 2 Trong hệ thống gồm nhiều nguyên tử, số nguyên lượng tuân theo nguyên lý ngoại trừ Pauli Nguyên lý cho rằng: hệ thống khơng thể có trạng thái ngun lượng giống nhau, nghĩa khơng thể có hai điện tử có số ngun lượng hồn tồn giống II PHÂN BỐ ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: Tất nguyên tử có số ngn lượng hợp thành tầng có tên K,L,M,N,O,P,Q ứng với n=1,2,3,4,5,6,7 Ở tầng, điện tử có số l tạo thành phụ tầng có tên s,p,d,f tương ứng với l=0,1,2,3 Tầng K (n=1) có phụ tầng s có tối đa điện tử Tầng L (n=2) có phụ tầng s có tối đa điện tử phụ tầng p có tối đa điện tử Tầng M (n=3) có phụ tầng s (tối đa điện tử), phụ tầng p (tối đa điện tử) phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) Tầng N (n=4) có phụ tầng s (tối đa điện tử), phụ tầng p (tối đa điện tử), phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) phụ tầng f (tối đa 14 điện tử) Như vậy: Tầng K có tối đa điện tử Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Tầng L có tối đa điện tử Tầng M có tối đa 18 điện tử Tầng N có tối đa 32 điện tử Các tầng O,P,Q có phụ tầng có tối đa 32 điện tử Ứng với phụ tầng có mức lượng mức lượng xếp theo thứ tự sau: 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 7d 4f 5f 6f 7f Hình Khi khơng bị kích thích, trạng thái lượng nhỏ bị điện tử chiếm trước (gần nhân hơn) hết chỗ sang mức cao (xa nhân hơn) Thí dụ: ngun tử Na có số điện tử z=11, có phụ tầng 1s,2s,2p bị điện tử chiếm hồn tồn có điện tử chiếm phụ tầng 3s Cách biểu diễn: Theo mẫu Bohr Theo mức lượng Na11 NATRI 1s2 2s2 2p6 3s1 Na +11 Na 2-8-1 Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Si14 SILICIUM 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Si +14 Si 2-8-4 Ge32 GERMANIUM 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 Ge +32 Ge 2-8-18-4 Hình Lớp bảo hịa: Một phụ tầng bảo hịa có đủ số điện tử tối đa Một tầng bảo hòa phụ tầng bảo hòa Một tầng bảo hòa bền, khơng nhận thêm khó điện tử Tầng ngồi cùng: Trong ngun tử, tầng ngồi khơng chứa điện tử Nguyên tử có điện tử tầng bền vững (trường hợp khí trơ) Các điện tử tầng ngồi định hầu hết tính chất hóa học nguyên tố III DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS) Những cơng trình khảo cứu tia X chứng tỏ hầu hết chất bán dẫn dạng kết tinh Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta xét mạng tinh thể gồm N ngun tử thuộc nhóm 4A, thí dụ C6 Ta tưởng tượng thay đổi khoảng cách nguyên tử mà không thay đổi cấu tạo tinh thể Nếu nguyên tử cách khoảng d1 cho tác động lẫn khơng đáng kể mức lượng chúng trùng với mức lượng ngun tử độc Hai phụ tầng ngồi có điện tử s điện tử p (C6=1s22s22p2) Do đó, ta khơng để ý đến tầng trong, ta có 2N điện tử chiếm tất 2N trạng thái s có mức lượng; Ta có 2N điện tử p chiếm 2N trạng thái p Vậy có 4N trạng thái p chưa bị chiếm Giả sử khoảng cách nguyên tử thu nhỏ thành d2, tác dụng nguyên tử lên nguyên tử lân cận trở thành quan trọng Năng lượng E 4N trạng thái chưa bị chiếm 6N trạng thái p (2N trạng thái bị chiếm) Dải dẫn điện 2p Dải cấm EG Dải cấm 4N trạng thái bị chiếm 2s 2N trạng thái s bị chiếm Dải hóa trị d0 d4 d3 d2 d1 Hình Ta có hệ thống gồm N nguyên tử, nguyên tử phải tuân theo nguyên lý Pauli 2N điện tử s khơng thể có mức lượng mà phải có 2N mức lượng khác nhau; khoảng cách hai mức kượng nhỏ N lớn nên khoảng cách mức lượng cao thấp lớn, ta có dải lượng 2N trạng thái dải lượng bị 2N điện tử chiếm Tương tự, bên dải lượng ta có dải gồm 6N trạng thái p có 2N trạng thái p bị chiếm chỗ Ta để ý rằng, hai dải lượng mà điện tử chiếm-được có dải cấm Điện tử khơng thể có lượng nằm dải cấm, khoảng cách (dải cấm) thu hẹp khoảng cách d nhỏ (xem hình) Khi khoảng cách d=d3, dải lượng chồng lên nhau, 6N trạng thái dải hoà với 2N trạng thái dải cho ta 8N trạng thái, có 4N trạng thái bị chiếm Ở khoảng cách này, ngun tử có điện tử tầng ngồi ta phân biệt điện tử điện tử s điện tử điện tử p, khoảng cách từ đó, tác dụng nguyên tử lên mạnh Sự phân Trang Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử bố dải lượng tuỳ thuộc vào dạng tinh thể nguyên tử số Người ta xác định phân bố cách giải phương trình Schrodinger có kết hình vẽ Ta có dải hoá trị (valence band) gồm 4N trạng thái hoàn toàn bị chiếm dải dẫn điện (conduction band) gồm 4N trạng thái chưa bị chiếm Giữa hai dải lượng này, có dải lượng cấm có lượng khoảng 6eV (eV: ElectronVolt) volt hiệu điện hai điểm mạch điện lượng cung cấp Joule để chuyển điện tích Coloumb từ điểm đến điểm → Joule Vậy, volt ← V = W Q → Coloumb Vậy lượng mà điện tử tiếp nhận vượt hiệu điện volt là: V= W Q W 1,602 10 -19 ⇒ W = 1,602.10 −19 Joule ⇒ 1V = Năng lượng gọi 1eV (1eV=1,602.10-19J) Ta khảo sát trường hợp đặc biệt tinh thể Cacbon Nếu ta khảo sát tinh thể bất kỳ, lượng điện tử chia thành dải Dải lượng cao bị chiếm gọi dải hóa trị, dải lượng thấp chưa bị chiếm gọi dải dẫn điện Ta đặc biệt ý đến hai dải lượng E Năng lượng Dải dẫn điện (Dải lượng thấp chưa bị chiếm) EG Dải cấm Dải hố trị (Dải lượng cao bị chiếm) Hình * Ta có trường hợp: Trang 10 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chú ý giới hạn có tính cách tương đối Sự khác tần số lại dẫn đến khác biệt quan trọng lượng xạ Năng lượng xạ tỉ lệ với tần số theo công thức: E=h.f với h: số planck = 6,624.10-34J.sec Như ta thấy, biên độ trung bình phổ gọi cường độ sáng đo đơn vị footcandles Thí dụ nguồn sáng bóng đèn trịn, điểm xa nguồn, cường độ sáng yếu số lượng ánh sáng tỏa góc khối (hình nón) không đổi gọi quang thông Đơn vị quang thông Lumens (Lm) hay Watt Lm = 1,496.10-10 watt Đơn vị cường độ ánh sáng foot-candles (fc), Lm/ft2 hay W/m2 Trong đó: Lm/ft2 = fc = 1,609.10-12 W/m2 II QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE) Là điện trở có trị số giảm chiếu sáng mạnh Điện trở tối (khi khơng chiếu sáng - bóng tối) thường 1MΩ, trị số giảm nhỏ 100Ω chiếu sáng mạnh λ Ký hiệu Hình dạng Hình Nguyên lý làm việc quang điện trở ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh điện tử tự do, tức dẫn điện tăng lên làm giảm điện trở chất bán dẫn Các đặc tính điện độ nhạy quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng chế tạo Điện trở Ω 105 10000 1000 0,1 10 100 1000 fc Hình Về phương diện lượng, ta nói ánh sáng cung cấp lượng E=h.f để điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện Như lượng cần thiết h.f phải lớn lượng dãi cấm Trang 149 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vài ứng dụng quang điện trở: Quang điện trở dùng phổ biến mạch điều khiển Mạch báo động: B+ Bóng đèn chng tải R1 SCR λ Nguồn sáng hồng ngoại Hình Khi quang điện trở chiếu sáng (trạng thái thường trực) có điện trở nhỏ, điện cổng SCR giảm nhỏ không đủ dịng kích nên SCR ngưng Khi nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện, dòng điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động Người ta dùng mạch trên, với tải bóng đèn để cháy sáng đêm tắt vào ban ngày Hoặc tải relais để điều khiển mạch báo động có cơng suất lớn Mạch mở điện tự động đêm dùng điện AC: Bóng đèn DIAC 15K A TRIAC 220V/50Hz 110V/50Hz 1K λ Hình Trang 150 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ban ngày, trị số quang điện trở nhỏ Điện điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện điểm A, thông Diac kích Triac dẫn điện, bóng đèn sáng lên III QUANG DIOD (PHOTODIODE) Ta biết nối P-N phân cực thuận vùng hẹp dịng thuận lớn hạt tải điện đa số (điện tử chất bán dẫn loại N lỗ trống chất bán dẫn loại P) di chuyển tạo nên Khi phân cực nghịch, vùng rộng có dịng điện rỉ nhỏ (dòng bảo hòa nghịch I0) chạy qua I R V Ký hiệu Phân cực Hình Bây ta xem nối P-N phân cực nghịch Thí nghiệm cho thấy chiếu sáng ánh sáng vào mối nối (giả sử diod chế tạo suốt), ta thấy dòng điện nghịch tăng lên gần tỉ lệ với quang thơng lúc dịng điện thuận khơng tăng Hiện tượng dùng để chế tạo quang diod Khi ánh sáng chiếu vào nối P-N có đủ lượng làm phát sinh cặp điện tử - lỗ trống sát hai bên mối nối làm mật độ hạt tải điện thiểu số tăng lên Các hạt tải điện thiểu số khuếch tán qua mối nối tạo nên dòng điện đáng kể cộng thêm vào dòng điện bảo hòa nghịch I0 tự nhiên diod, thường vài trăm nA với quang diod Si vài chục µA với quang diod Ge Độ nhạy quang diod tùy thuộc vào chất bán dẫn Si, Ge hay Selenium… Hình vẽ sau cho thấy độ nhạy theo tần số ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn này: Trang 151 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Độ nhạy (%) 100 Se Si Ge 75 50 25 2000 Tử ngoại λ(Ao) 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Ánh sáng thấy Hồng ngoại Dòng điện nghịch mA 0,5 4000fc 0,4 3000fc 0,3 2000fc 0,2 1000fc 0,1 Dòng tối L=0 Điện phân cực nghịch Hình Đặc tuyến V-I quang diod với quang thông thông số cho thấy quang thông nhỏ điện phân cực nghịch nhỏ, dòng điện tăng theo điện phân cực, điện phân cực lớn vài volt, dịng điện gần bảo hịa (khơng đổi điện phân cực nghịch tăng) quang thơng lớn, dịng điện thay đổi theo điện phân cực nghịch Tần số hoạt động quang diod lên đến hành MHz Quang diod quang điện trở thường dùng mạch điều khiển để đóng - mở mạch điện (dẫn điện có ánh sáng chiếu vào ngưng tối) IV QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR) Quang transistor nới rộng đương nhiên quang diod Về mặt cấu tạo, quang transistor giống transistor thường cực để hở Quang transistor có thấu kính suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N thu Khi cực để hở, nối nền-phát phân cực thuậnchút dòng điện rỉ (điện VBE lúc khoảng vài chục mV transistor Si) nối thu-nền phân cực nghịch nên transistor vùng tác động Vì nối thu-nền phân cực nghịch nên có dòng rỉ Ico chạy cực thu cực Vì cực bỏ trống, nối nền-phát phân cực thuận chút nên dịng điện cực thu Ico(1+β) Đây dòng tối quang transistor Trang 152 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC (mA) hf N IC R Quang thông ∅5 P ∅4 ∅3 N VCC B ∅2 Ký hiệu ∅1 Phân cực VCE Đặc tuyến V-I Hình Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu xuất cặp điện tử lỗ trống quang diod làm phát sinh dòng điện Iλ ánh sáng nên dòng điện thu trở thành: IC=(β+1)(Ico+Iλ) Như vậy, quang transistor, dòng tối lẫn dòng chiếu sáng nhân lên (β+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng Hình trình bày đặc tính V-I quang transistor với quang thông thông số Ta thấy đặc tuyến giống đặc tuyến transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung Có nhiều loại quang transistor loại transistor dùng để chuyển mạch dùng mạch điều khiển, mạch đếm… loại quang transistor Darlington có độ nhạy cao Ngồi người ta chế tạo quang SCR, quang triac… T2 A G Quang transistor K Quang SCR Quang Darlington T1 Quang TRIAC Hình Vài ứng dụng quang transistor: Quang kế: Đây mạch đơn giản để đo cường độ ánh sáng, biến trở 5K dùng để chuẩn máy nhờ quang kế mẩu Khi ánh sáng chiếu vào mạch, quang transistor dẫn mạnh, kim điện kế lệch nhiều Dĩ nhiên mạch ta dùng quang điện trở hay quang diod nhạy Trang 153 volt Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử K 5KΩ 9V Hình 10 Đóng hay tắt Relais: +12V +12V C Relay T2 R C R T2 T1 Relay T1 Hình 11 Trong mạch đóng relais, quang transistor chiếu sáng dẫn điện làm T1 thông, Relais hoạt động Ngược lại mạch tắt relais, trạng thái thường trực quang transistor không chiếu sáng nên quang transistor ngưng T1 thông, Relais trạng thái đóng Khi chiếu sáng, quang transistor dẫn mạnh làm T1 ngưng, Relais không hoạt động (ở trạng thái tắt) V DIOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTING DIODE) Ở quang trở, quang diod quang transistor, lượng củaq ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn cấp lượng cho điện tử vượt dãi cấm Ngược lại điện tử từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hố trị thí phát lượng E=h.f Khi phân cực thuận nối P-N, điện tử tự từ vùng N xuyên qua vùng P tái hợp với lỗ trống (về phương diện lượng ta nói điện tử dãi dẫn điện – có lượng cao – rơi xuống dãi hố trị - có lượng thấp – kết hợp với lỗ trống), tái hợp sinh lượng Trang 154 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Dải dẫn điện Dải cấm hf Dải hóa trị Hình 12 Đối với diod Ge, Si lượng phát dạng nhệit Nhưng diod cấu tạo GaAs (Gallium Arsenide) lượng phát ánh sáng hồng ngoại (không thấy được) dùng mạch báo động, điều khiển từ xa…) Với GaAsP (Gallium Arsenide phosphor) lượng phát ánh sáng vàng hay đỏ Với GaP (Gallium phosphor), lượng ánh sáng phát màu vàng xanh Các Led phát ánh sáng thấy dùng để làm đèn báo, trang trí… Phần ngồi LED có thấu kính để tập trung ánh sáng phát ID (mA) R Vcc LED ID VD 10 Ký hiệu Phân cực GaAsP đỏ GaAsP vàng Si GaAs GaP lục 1.5 Đặc tuyến VD (volt) Hình 13 Để có ánh sáng liên tục, người ta phân cực thuận LED Tùy theo vật liệu cấu tạo, điện thềm LED thay đổi từ đến 2.5V dòng điện qua LED tối đa khoảng vài mA VI NỐI QUANG (OPTO COUPLER-PHOTOCOUPLER-OPTOISOLATOR) Một đèn LED linh kiện quang điện tử quang transistor, quang SCR, quang Triac, quang transistor Darlington tạo nên truyền tín hiệu mà không cần đường mạch chung Các nối quang thường chế tạo dạng IC cho phép cách ly phần điện công suất mà thường cao khỏi mạch điều khiển tinh vi phía LED Đây ưu điểm lớn nối quang Hình sau giới thiệu số nối quang điển hình: Trang 155 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 6 5 λ λ 4N25 (Transistor output) 4N29 (Darlington output) 6 λ λ HC11C2 (SCR output) MOC3021 (Triac output) Hình 14 Hình sau giới thiệu áp dụng nối quang 270 Tải U1 MOC3021 Q1 510 510 In 3V →30V 150 51 110Vrms 220VAC Hình 15 - Q1: Bảo vệ nối quang điện nguồn lớn (chia bớt dòng điện qua LED) - Khi LED sáng, nối quang hoạt động kích hai SCR hoạt động (mỗi SCR hoạt động bán kỳ có xung kích từ nối quang) cấp dòng cho tải - Khi LED tắt, nối quang ngưng, SCR ngưng, ngắt dòng qua tải - Mạch ví dụ mạch SSR (Solid – State – Relay) Trang 156 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CHƯƠNG IX SƠ LƯỢC VỀ IC I KHÁI NIỆM VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ IC (Intergated-Circuit) mạch điện tử mà thành phần tác động thụ động chế tạo kết tụ đế (subtrate) hay thân tách rời Đế này, phiến bán dẫn (hầu hết Si) phiến cách điện Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron, dày cỡ vài trăm micron đựng vỏ kim lọai plastic Những IC thường phận chức (function device) tức phận có khả thể chức điện tử Sự kết tụ (integration) thành phần mạch điện tử phận cấu thành hệ thống điện tử hướng tìm tịi theo đuổi từ lâu ngành điện tử Nhu cầu kết tụ phát minh từ kết tụ tất nhiên mạch hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến phức tạp, từ nhỏ đến lớn, từ tần số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao (tốc độ nhanh) Sự tiến triển hậu tất yếu nhu cầu ngày tăng việc xử lý lượng tin tức (information) ngày nhiều xã hội phát triển Những hệ thống điện tử công phu phức tạp gồm nhiều thành phần, phận Do nảy nhiều vấn đề cần giải quyết: Khoảng không gian mà số lượng lớn thành phần chiếm đoạt (thể tích) Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu, hàng vài chục triệu phận rời Nếu khơng thực mạch IC, khơng thể tích lớn cách bất tiện mà điện cung cấp cho vơ phức tạp Mà có thỏa mãn nữa, máy khơng thực dụng Độ khả tín (reliability) hệ thống điện tử: độ đáng tin cậy hoạt động theo tiêu chuẩn thiết kế Độ khả tín hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ khả tín thành phần cấu thành phận nối tiếp chúng Hệ thống cáng phức tạp, số phận tăng chỗ nối tiếp nhiều Vì vậy, dùng phận rời cho hệ thống phức tạp, độ khả tín giảm thấp Một hệ thống trục trặc nhanh Tuổi thọ trung bình t hệ thống điện tử gồm n thành phần là: 1 = + + t t1 t2 Nếu t1=t2= =tn t = + tn ti n Trang 157 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vậy transistor có tuổi thọ 108h, máy tính gồm 500000 ngàn 10 transistor có tuổi thọ = 200 5.10 Các thành phần IC chế tạo đồng thời phương pháp, nên tuổi thọ IC xấp xỉ tuổi thọ transistor Planar Một hệ thống (hay máy) điện tử có cấu tạo hình vẽ: Bộ phận linh kiện Vật liệu Mạch điện tử Bộ phận cấu thành hệ thống Hệ thống điện tử ố Bộ phận chức Sự kết tụ áp dụng vào IC thường thực giai đoạn phận chức Song khái niệm kết tụ không thiết dừng lại giai đoạn Người ta nỗ lực để kết tụ với mật độ cực cao IC, nằm hướng tới việc kết tụ toàn thể hệ thống điện tử phiếm (chíp) Năm 1947 1950 Công nghệ Phát minh Transi -stor Linh kiện rời Số Transistor chip sản phẩm thương mại 1 Các sản phẩm tiêu biểu BJT Diode 1966 1971 1980 1985 1990 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 10 100→ 1000 1000→ 20000 20000 → 500000 >500000 >1000000 1961 Linh Mạch kiện đếm, đa planar, hợp, Cổng mạch logic, cộng Flip Flop Vi xử Vi xử lý bit, lý 16 ROM, 32 bit RAM Vi xử lý chuyên dụng, xử lý ảnh, thờI gian thực SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mơ nhỏ MSI: Medium scale intergration: Tích hợp qui mơ trung bình LSI: Large scale integration: Tích hợp theo qui mơ lớn GSI: Ultra large scale integration: Tích hợp qui mơ khổng lồ Tóm lại, công nhệ IC đưa đến điểm lợi so với kỹ thuật linh kiện rời sau: - Giá thành sản phẩm hạ - Kích cỡ nhỏ - Độ khả tín cao (tất thành phần chế tạo lúc khơng có Trang 158 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử điểm hàn, nối) - Tăng chất lượng (do giá thành hạ, mặt phức tạp chọn để hệ thống đạt đến tính tốt nhất) - Các linh kiện phối hợp tốt (matched) Vì tất transistor chế tạo đồng thời qui trình nên thơng số tương ứng chúng có độ lớn biến thiên nhiệt độ - Tuổi thọ cao II CÁC LOẠI IC Dựa qui trình sản xuất, chia IC làm loại: IC màng (film IC): Trên đế chất cách điện, dùng lớp màng tạo nên thành phần khác Loại gồm thành phần thụ động điện trở, tụ điện, cuộn cảm mà − Dây nối phận: Dùng màng kim loại có điện trở súât nhỏ Au, Al,Cu − Điện trở: Dùng màng kim loại hợp kim có điện trở suất lớn Ni-Cr; Ni-Cr-Al; Cr-Si; Cr tạo nên điện trở có trị số lớn − Tụ điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trị cực dùng màng điện mơi SiO; SiO2, Al2O3; Ta2O5 Tuy nhiên khó tạo tụ có điện dung lớn 0,02µF/cm2 − Cuộn cảm: dùng màng kim loại hình xoắn Tuy nhiên khó tạo cuộn cảm lớn q 5µH với kích thước hợplý Trong sơ đồ IC, người ta tránh dùng cuộn cảm để khơng chiếm thể tích − Cách điện phận: Dùng SiO; SiO2; Al2O3 Có thời, Transistor màng mỏng nghiên cứu nhiều để ứng dụng vào IC màng Nhưng tiếc transistor màng chưa đạt đến giai đoận thực dụng, khơng phải có triển vọng thực dụng IC đơn tính thể (Monolithic IC): Còn gọi IC bán dẫn (Semiconductor IC) – IC dùng đế (Subtrate) chất bán dẫn (thường Si) Trên (hay trong) đế đó, người ta chế tạo transistor, diode, điện trở, tụ điện Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho phận lớp SiO2, dùng màng kim loại để nối phận với − Transistor, diode phận bán dẫn − Điện trở: chế tạo cách lợi dụng điện trở lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất − Tụ điện: Được chế tạo cách lợi dụng điện dung vùng nối P-N bị phân cực nghịch Đơi người ta thêm thành phần khác thành phần kể để dùng cho mục đích đặc thù Trang 159 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Các thành phần chế tạo thành số nhiều chip Có nhiều mối nối chúng chúng cách ly nhờ nối P-N bị phân cực nghịch (điện trở có hàng trăm MΩ) IC lai (hibrid IC) Là loại IC lai hai loại Từ vi mạch màng mỏng (chỉ chứa thành phần thụ động), người ta gắn đế thành phần tích cực (transistor, diode) nơi dành sẵn Các transistor diode gắn mạch lai khơng cần có vỏ hay để riêng, mà cần bảo vệ lớp men tráng Ưu điểm mạch lai là: - Có thể tạo nhiều IC (Digital hay Analog) Có khả tạo phần tử thụ động có giá trị khác với sai số nhỏ Có khả đặt đế, phần tử màng mỏng, transistor, diode loại IC bán dẫn Thực chế tạo, người ta dùng qui trình phối hợp Các thành phần tác động chế tạo theo thành phần kỹ thuật planar, cịn thành phần thụ động theo kỹ thuật màng Nhưng trình chế tạo thành phần tác động thụ động thực khơng đồng thời nên đặc tính thơng số thành phần thụ động không phụ thuộc vào đặc tính thơng số thành phần tác động mà phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu, bề dầy hình dáng Ngồi ra, transistor IC loại nằm đế, nên kích thước IC thu nhỏ nhiều so với IC chứa transistor rời IC chế tạo qui trình phối hợp nhiều ưu điểm Với kỹ thuật màng, diện tích nhỏ tạo điện trở có giá trị lớn, hệ số nhiệt nhỏ Điều khiển tốc độ ngưng động màng, tạo màng điện trở với độ xác cao III SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC ĐƠN TINH THỂ Các giai đoạn chế tạo IC đơn tinh thể có thành phần tác động BJT, đơn giản hóa gồm bước sau: Bước 1: SiO2 25 – 75mm 0.025mm n - Si 0.15mm Nền P-Si 0.5µm n - Si Nền P-Si 0.15mm Hình Trang 160 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử a Từ P-Si (hoặc n-Si) đơn tinh thể b Tạo lớp epitaxy mỏng loại N-Si c Phủ lớp cách điện SiO2 Bước 2: uv Dùng phương pháp quang khắc để khử lớp SiO2 film số chỗ định, tạo cửa sổ bề mặt tinh Chất cảm quang thể Từ cửa sổ, khuếch tán tạp chất vào Đầu tiên, vẽ sơ đồ nơi cần mở cửa sổ, chụp hình sơ đồ lấy phim âm bản, thu nhỏ lại Những nơi cần mở sổ vùng tối phim a Bôi lớp cản quang bề mặt Đặt phim rọi tia cực tím vào nơi cần mở cửa sổ lớp đen phim bảo vệ Nhúng tinh thể vào dung dịch tricloetylen Chỉ nơi cần mở cửa sổ lớp cản quang bị hòa tan, nơi khác rắn lại b.Lại đem tinh thể nhúng vào dung dịch fluorhydric Chỉ nơi cần mở cửa sổ lớp SiO2 bị hòa tan, nơi khác nhờ lớp cản quang che chở c Đem tẩy lớp cản quang d Khuếch tán chất bán dẫn P sâu đến thân, tạo đảo N e Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn P vào đảo N (khuếch tán Base) f Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn N vào (khuếch tán Emitter) g Phủ kim loại Thực chỗ nối SiO2 n-Si P-Si Hòa tan Rắn lại Chất cảm quang SiO2 n-Si P-Si Hòa tan SiO2 n-Si P-Si Khuếch tán p SiO2 Đảo n Thân P n Khuếch tán Base Thí dụ: Một mạch điện đơn giản sau, chế tạo dạng IC đơn tinh thể SiO2 p n SiO2 R n p D1 Hình p n Khuếch tán Emitter D1 Nền P n n Nền P p n Hình Trang 161 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Điện trở Kim loại Al Diode B B Diode nối B n+ SiO2 Transistor B n+ B n+ n+ Base B p n n+ p p n n Collector Thân p Hình Emitter Tiếp xúc kim loại B IV IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC ANALOG) Dựa chức xử lý tín hiệu, người ta chia IC hai loại: IC Digital IC Analog (cịn gọi IC tuyến tính) IC Digital: Là loại IC xử lý tín hiệu số Tín hiệu số (Digital signal) tín hiệu có trị giá nhị phân (0 1) Hai mức điện tương ứng với hai trị giá (hai logic) là: - Mức High (cao): 5V IC CMOS 3,6V IC TTL - Mức Low (thấp): 0V IC CMOS 0,3V IC TTL Thông thường logic tương ứng với mức H, logic tương ứng với mức L Logic logic để hai trạng thái đối nghịch nhau: Đóng mở, sai, cao thấp… Chủng loại IC digital không nhiều Chúng gồm số loại mạch logic bản, gọi cổng logic Về công nghệ chế tạo, IC digital gồm loại: - RTL: Resistor – Transistor logic - DTL: Diode – Transistor logic - TTL: Transistor – Transistor logic Trang 162 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử - MOS: metal – oxide Semiconductor - CMOS: Complementary MOS IC analog: Là loại IC xử lý tín hiệu Analog, loại tín hiệu biến đổi liên tục so với IC Digital, loại IC Analog phát triển chậm Một lý IC Analog phần lớn mạch chuyện dụng (special use), trừ vài trường hợp đặc biệt OP-AMP (IC khuếch đại thuật toán), khuếch đại Video mạch phổ dụng (universal use) Do để thoả mãn nhu cầu sử dụng, người ta phải thiết kế, chế tạo nhiều loại khác Tài liệu tham khảo ********** Fleeman - Electronic Devices, Discrete and Intergrated - Printice - Hall International1998 Boylestad and Nashelky - Electronic Devices and Circuit Theory - Printice - Hall International 1998 J.Millman - Micro electronics, Digital and Analog, Circuits and Systems - Mc.Graw.Hill Book Company - 1979 Nguyễn Hữu Phương - Điện tử trung cấp - Sở Giáo Dục & Đào Tạo TP HCM-1992 Trang 163 Biên soạn: Trương Văn Tám