Giáo trình Cấu kiện điện tử (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) gồm 8 chương với các nội dung: giới thiệu chung về cấu kiện điện tử, cấu kiện điện tử thụ động, Điốt bán dẫn, Tranzitor lưỡng cực, Tranzitor trường FET, cấu kiện Thyristor, vi mạch tích hợp, cấu kiện quang điện tử.
H C VI N CƠNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG C U KI N I NT (Dùng cho sinh viên h đào t o đ i h c t xa) L u hành n i b HÀ N I - 2007 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THƠNG C U KI N Biên so n : CuuDuongThanCong.com I NT THS TR N TH C M https://fb.com/tailieudientucntt CÊu kiƯn ®iƯn tư L I NĨI U T p giáo trình "C u ki n n t " đ c biên so n đ làm tài li u gi ng d y h c t p cho sinh viên chuyên ngành k thu t i n t - Vi n thông, đ ng th i giáo trình c ng có th đ c s d ng cho sinh viên chuyên ngành Công ngh thông tin, làm tài li u tham kh o cho k s chuyên ngành i n t - Vi n thơng Giáo trình đ c vi t theo ch ng trình đ c ng mơn h c "C u ki n n t quang n t " c a H c vi n Cơng ngh B u Vi n thơng N i dung c a giáo trình đ c trình bày m t cách rõ ràng, có h th ng ki n th c c b n hi n đ i v v t li u c u ki n n t - quang n t s d ng ngành k thu t n t k thu t vi n thông Giáo trình "C u ki n n t " g m ch ng + Ch ng Gi i thi u chung v c u ki n n t v t li u n t Trong ch ng đ a rađ nh ngh a cách phân lo i c a c u ki n n t , đ c tính tham s k thu t c a lo i v t li u s d ng k thu t n t - vi n thông nh ch t cách n, ch t d n n, ch t bán d n v t li u t + Ch ng trình bày v c u ki n n t th đ ng nh n tr , t n, cu n dây bi n áp, đ c tính tham s c b n c a c u ki n này, cách nh n bi t cách đ c tham s c a linh ki n th c t + Ch ng trình bày v t bán d n Trong ch ng này, giáo trình nêu lên tính ch t v t lý đ c bi t c a l p ti p xúc P - N, đ ng th i trình bày chi ti t v c u t o nguyên lý ho t đ ng c ng nh đ c n, tham s k thu t c a t bán d n Ngồi ra, ch ng trình bày v ch đ làm vi c c a t bán d n gi i thi u m t s lo i t thông d ng đ c bi t + Ch ng trình bày v c u t o nguy n lý ho t đ ng c a tranzito l ng c c (BJT) ng th i, ch ng c ng trình bày c th v ba cách m c c b n c a tranzito s đ m ch khu ch đ i, đ c tính đ c m c a t ng cách m c ng th i ch ng c ng trình bày v cách phân c c m ch t ng đ ng c a tranzito + Ch ng gi i thi u chung v tranzito hi u ng tr ng (FET) phân lo i tranzito tr ng Trong ch ng trình bày c th v c u t o nguy n lý ho t đ ng c ng nh cách phân c c cho tranzito tr ng lo i JFET MOSFET + Ch ng gi i thi u v c u ki n thu c h thyristo nh ch nh l u silic có u n, triac, diac; n u c u t o nguy n lý ho t đ ng c ng nh ng d ng c a chúng ng th i, ch ng c ng trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a tranzito đ n n i (UJT) + Ch ng đ c p đ n s phát tri n ti p theo c a k thu t n t vi m ch tích h p Trong ch ng trình bày v khái ni m, phân lo i c ng nh s l c v công ngh ch t o vi m ch bán d n, lo i vi m ch đ c s n xu t s d ng r ng rãi hi n Ngoài ra, ch ng trình bày đ c tính tham s c a trình bày v đ c m c ng nh tham s c a hai lo i vi m ch: vi m ch n tính vi m ch s Trong gi i thi u chi ti t v vi m ch khu ch đ i thu t toán (OA), lo i vi m ch v n n ng đ c s d ng r ng rãi nhi u ch c n ng khác + Ch ng trình bày v c u ki n quang n t Ch ng trình bày t m h th ng v lo i c u ki n quang n t bán d n không bán d n đ c s d ng k thu t n t k thu t vi n thơng trình bày v c u ki n quang n t s d ng k thu t n t thông tin quang: - Các linh ki n phát quang: LED ch th , LED h ng ngo i, LASER, m t ch th tinh th l ng LCD CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CÊu kiƯn ®iƯn tư - Các linh ki n thu quang: n tr quang, điôt quang, tranzito quang, thyristo quang, t bào quang n pin m t tr i Trong t p giáo trình tác gi s d ng nhi u tài li u tham kh o biên so n theo m t tr t t logic nh t đ nh Tuy nhiên, t p giáo trình khơng tránh kh i nh ng thi u sót h n ch Chúng tơi r t mong nh n đ c s góp ý c a nhà chuyên môn, b n đ ng nghi p nh ng quan tâm đ n chuyên ngành đ b sung hoàn ch nh t p giáo trình "C u ki n n t " đ c t t h n Các ý ki n đóng góp xin g i đ n b môn K thu t n t - Khoa K thu t n t I, H c vi n Cơng ngh B u Vi n thơng, km 10 đ ng Nguy n Trãi Hà N i - Hà ông Xin chân thành c m n! CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiƯn ®iƯn CH NG GI I THI U CHUNG V C U KI N I N T GI I THI U CH NG Ch ng gi i thi u khái ni m chung v c u ki n n t , giúp cho sinh viên chuyên ngành i n t Vi n thông có khái ni m ban đ u bao quát v nh ng linh ki n n t đ c s d ng m ch n t ng th i ch ng c ng gi i thi u v đ c tính v t lý n c a v t li u c b n dùng k thu t n t H c xong ch ng 1, sinh viên ph i n m đ c khái ni m chung v c u ki n n t , khái ni m s b v m ch n n t Sinh viên c ng ph i hi u đ c đ c tính k thu t c a lo i v t li u dùng l nh v c k thu t n t , m t s lo i v t li u thông d ng th ng dùng ng d ng chúng N I DUNG 1.1 GI I THI U CHUNG C u ki n n t môn h c v c u t o, nguyên lý ho t đ ng m t s ng d ng c a linh ki n đ c s d ng m ch n t đ th c hi n m t ch c n ng k thu t c a m t b ph n m t thi t b n t chuyên d ng c ng nh thi t b n t dân d ng C u ki n n t có r t nhi u lo i th c hi n ch c n ng khác m ch n t Mu n t o m t thi t b n t ph i s d ng r t nhi u linh ki n n t , t nh ng linh ki n đ n gi n nh n tr , t n, cu n dây đ n linh ki n không th thi u đ c nh t, tranzito linh ki n n t t h p ph c t p Chúng đ c đ u n i v i theo s đ m ch đ c thi t k , tính tốn khoa h c đ th c hi n ch c n ng c a thi t b thông th ng nh máy radiocassettes, tivi, máy tính, thi t b n t y t đ n thi t b thông tin liên l c nh t ng đài n tho i, tr m thu - phát thông tin hay thi t b v tinh v tr v.v Nói chung c u ki n n t lo i linh ki n t o thi t b n t v y chúng r t quan tr ng đ i s ng khoa h c k thu t mu n s d ng chúng m t cách hi u qu ph i hi u bi t n m ch c đ c m c a chúng 1.2 PHÂN LO I C U KI N I N T Có nhi u cách phân lo i c u ki n n t d a theo nh ng tiêu chí khác k đ n m t s cách phân lo i thông th ng: 1.2.1 Phân lo i d a đ c tính v t lý: D a vào đ c tính v t lý c u ki n n t có th chia làm lo i: - Các c u ki n n t thông th ng: ây linh ki n n t có đ c tính v t lý n n t thông th ng Chúng ho t đ ng d i tác d ng c a sóng n t có t n s t c c th p (f = 1Khz÷10Khz) đ n t n s siêu cao t n(f = 10Ghz ÷ 100Ghz) ho c sóng milimet - C u ki n quang n t : ây linh ki n n t có đ c tính v t lý n – quang Chúng ho t đ ng d i tác d ng c a sóng n t có t n s r t cao (f = 10 đ n 10 Ghz) th ng đ c g i ánh sáng 1.2.2 Phân lo i d a theo l ch s phát tri n c a công ngh n t : Ng i ta chia c u ki n n t làm lo i: - C u ki n n t chân không: c u ki n n t mà s d n n x y môi tr ng chân không CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiƯn ®iƯn C u ki n n t có khí: c u ki n n t mà s d n n x y mơi tr ng khí tr - C u ki n n t bán d n: c u ki n n t mà s d n n x y môi tr ng ch t bán d n - C u ki n vi m ch: chíp bán d n đ c tích h p t c u ki n bán d n theo s đ m ch thi t k tr c có m t ho c m t s ch c n ng nh t đ nh - C u ki n nanô: c u ki n có kích th c nanomet đ c ch t o theo cơng ngh nanơ nên có tính ch t c ng nh kh n ng ti n ích vơ đ c bi t, khác h n v i c u ki n có kích th c l n h n thơng th ng (t μm tr lên) 1.2.3 Phân lo i d a ch c n ng x lý tín hi u: D a theo ch c n ng x lý tín hi u ng i ta chia c u ki n n t thành lo i c u ki n n t t ng t (đi n t analoge) c u ki n n t s (đi n t digital) - C u ki n n t t ng t linh ki n có ch c n ng x lý tín hi u n x y liên t c theo th i gian - C u ki n n t s linh ki n có ch c n ng x lý tín hi u n x y r i r c, không liên t c theo th i gian 1.2.4 Phân lo i d a vào ng d ng c a c u ki n n t : D a vào ng d ng c a c u ki n n t ng i ta chia c u ki n n t làm lo i c u ki n n t th đ ng c u ki n n t tích c c: - C u ki n n t th đ ng linh ki n n t ch có kh n ng x lý tiêu th tín hi u n - C u ki n n t tích c c linh ki n n t có kh n ng bi n đ i tín hi u n, t o khu ch đ i tín hi u n 1.3 KHÁI NI M V M CH I N VÀ H TH NG I N T 1.3.1 M ch n: M ch n m t t p h p g m có ngu n n (ngu n áp ho c ngu n dòng) c u ki n n t dây d n n đ c đ u n i v i theo m t s đ m ch thi t k nh m th c hi n m t ch c n ng c a m t thi t b n t ho c m t h th ng n t Ví d nh m ch t o dao đ ng hình sin, m ch khu ch đ i micro, m ch gi i mã nh phân, m ch đ m xung, ho c đ n gi n ch m t m ch phân áp, 1.3.2 H th ng n t H th ng n t m t t p h p m ch n t đ n gi n có ch c n ng k thu t riêng thành m t thi t b n t có ch c n ng k thu t nh t đ nh ho c m t h th ng n t ph c t p có ch c n ng k thu t riêng nh máy thu hình, máy hi n sóng, h th ng phát truy n hình, tr m truy n d n vi ba, h th ng thông tin quang M ch n t hay m t h th ng n t bao gi c ng có ngu n n cung c p m t chi u (DC) đ phân c c cho c u ki n n t ho t đ ng ch đ ngu n tín hi u c n x lý m ch - 1.4 V T LI U I N T Các v t li u s d ng k thu t n t r t đa d ng r t nhi u Chúng đ c g i chung v t li u n t đ phân bi t v i lo i v t li u s d ng l nh v c khác Tu theo m c đích s d ng yêu c u k thu t mà l a ch n v t li u cho thích h p đ m b o v ch tiêu k thu t, d gia công giá thành r - D a vào lý thuy t vùng n ng l ng ng i ta chia v t ch t làm ba lo i ch t cách n, ch t bán d n ch t d n n Theo lý thuy t tr ng thái n ng l ng c a CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiƯn ®iƯn ngun t v t ch t đ c phân chia thành ba vùng n ng l ng khác là: vùng hóa tr , vùng d n vùng c m M c n ng l ng cao nh t c a vùng hóa tr ký hi u EV; m c n ng l ng th p nh t c a vùng d n ký hi u EC đ r ng vùng c m ký hi u EG + Ch t cách n: C u trúc vùng n ng l ng c a ch t cách n đ c mơ t hình 1-1a r ng vùng c m EG có giá tr đ n vài eV (EG ≥ 2eV) + Ch t bán d n: Ch t bán d n có đ r ng vùng c m r t nh (EG < 2eV), xem hình 1-1b D i d n E i nt EC E E EC D i d n EG < eV EG > eV EV EV EC L tr ng EV EG = D i hoá tr D i hố tr a/ b/ c/ Hình 1- 1: C u trúc d i n ng l ng c a v t ch t a- Ch t cách n; b- Ch t bán d n; c- Kim lo i + Kim lo i: C u trúc vùng n ng l ng c a tinh th khơng có vùng c m, vùng hóa tr hòa vào vùng d n (hình 1-1c) nên n t hóa tr n t t - D a vào ng d ng, v t li u n t th ng đ c phân chia thành lo i ch t cách n (hay ch t n môi), ch t d n n, ch t bán d n v t li u t 1.4.1 Ch t cách n (hay ch t n môi) a nh ngh a Ch t cách n, hay g i ch t n mơi Ch t cách n có n tr su t cao vào kho ng 107 ÷ 1017Ωm nhi t đ phòng Ch t cách n g m ph n l n v t li u vô c c ng nh h u c Chúng có th th khí, th l ng th r n b Các tính ch t c a ch t n môi th m th u n t ng đ i (hay g i h ng s n môi): H ng s n môi ký hi u ε, bi u th kh n ng phân c c c a ch t n môi đ c xác đ nh b ng bi u th c: C ε= d (1 1) C0 Trong đó: Cd n dung c a t n s d ng ch t n môi; C0 n dung c a t n s d ng ch t n môi chân khơng ho c khơng khí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiƯn ®iƯn t n hao n mơi (Pa): t n hao n môi công su t n chi phí đ làm nóng ch t n mơi đ t n tr ng đ c tính theo cơng th c t ng quát sau: - Pa = U 2ωCtgδ (1 2) Trong đó: Pa đ t n hao n mơi đo b ng ốt (w) U n áp đ t lên t n đo b ng vôn (V) C n dung c a t n dùng ch t n môi đo b ng Farad (F) ω t n s góc đo b ng rad/s tgδ góc t n hao n môi b n v n c a ch t n môi (Eđ.t.): N u ta đ t m t ch t n môi vào m t n tr ng mà b m t kh n ng cách n - ta g i hi n t ng đánh th ng ch t n môi Tr s n áp x y hi n t ng đánh th ng ch t n môi g i n áp đánh th ng Uđ.t th ng đo b ng KV, c ng đ n tr ng t ng ng v i m đánh th ng g i đ b n v n b n v n ký hi u Eđ.t đ c tính theo cơng th c: - E ®.t = U ®.t d [KV / mm;KV / cm] (1 3) Trong đó: Uđ.t - n áp đánh th ng ch t n môi d - b dày c a ch t n môi b đánh th ng - Nhi t đ ch u đ ng: Là nhi t đ cao nh t mà ch t n mơi gi đ c tính ch t lý hóa c a - Dòng n ch t n mơi (I): Dòng n ch t n mơi g m có thành ph n dòng n chuy n d ch dòng n rò • Dòng n chuy n d ch IC.M (hay g i dòng n phân c c): Q trình chuy n d ch phân c c c a n tích liên k t ch t n mơi s t o nên dòng n phân c c IC.M Khi n áp xoay chi u dòng n chuy n d ch t n t i su t th i gian ch t n môi n m n tr ng Khi n áp m t chi u dòng n chuy n d ch ch t n t i th i m đóng ho c ng t n áp • Dòng n rò Irò: Dòng n rò dòng n đ c t o n tích t n t phát x chuy n đ ng d i tác đ ng c a n tr ng Dòng n t ng qua ch t n môi s là: I = IC.M + Irò - i n tr cách n c a ch t n môi: i n tr cách n đ c xác đ nh theo tr s c a dòng n rò: R c.® = U (1 4) I − ∑ ICM Trong đó: I - Dòng n nghiên c u CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiƯn ®iƯn ΣIC.M - T ng thành ph n dòng n phân c c c.Phân lo i ng d ng c a ch t n môi Ch t n môi đ c chia làm lo i ch t n môi th đ ng ch t n mơi tích c c - Ch t n mơi th đ ng g i v t li u cách n v t li u t n B ng 1.1 gi i thi u m t s ch t n môi thơng d ng đ c tính c a chúng - Ch t n mơi tích c c v t li u có th u n đ c nh : + V n tr ng có g m, thu tinh, + V c h c có ch t áp n nh th ch anh áp n + V ánh sáng có ch t hu nh quang + Electric hay châm n v t ch t có kh n ng gi đ c s phân c c l n lâu dài B ng 1.1 Gi i thi u đ c tính c a m t s ch t n môi th đ ng thông d ng V t li u Eđ.t KV/mm Mi ca 50 ÷ 200 S 15 ÷ 30 G m làm t 10 ÷ 40 tg 6÷8 0,0004 T (Ω.m) tr ng KG/m3 1015 2,8.103 3.1014 6,3÷7,5 12÷900 0,002÷0,025 1700÷4500 0,0006 ÷ 4,6 0,05 ÷ 0,12 4.103 1,6.103 1,2.103 Nh a t ng h p Bìa cáchđi n Gi y ÷ 12 30 3÷4 3÷4 L a Sáp ÷ 60 20 ÷ 35 3,8 ÷ 4,5 2,8 ÷ 2,9 0,04 ÷ 0,08 Paraphin 20 ÷ 30 2,2 ÷ 2,3 1016 Nh a thơng 10 ÷15 3,5 0,0003÷ 0,0007 0,01 Polime 15 ÷20 2,3 ÷ 2,4 1.10-4÷5 10-4 Cao su D u t n 20÷30 20 3÷7 2,2 0,02÷0.1 0,002÷0.005 1015 ÷1017 1015 0,15 1,5.103 0,9.103 1,6.103 ng d ng T n, cách n Giá đ , t n T cao t n, t t n th p Cách n Cách n T n, cách n Cách n T m ch ng m T m ch ng m Làm s ch m i hàn Cách n cao t n V dây d n T n, cáp n 1.4.2 Ch t d n n a nh ngh a Ch t d n n v t li u có đ d n n cao i n tr su t c a ch t d n n n m kho ng 10-8 ÷ 10-5 Ωm Trong t nhiên ch t d n n có th ch t r n, ch t l ng ho c ch t khí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiÖn ®iƯn b Các tính ch t c a ch t d n n - i n tr su t: ρ=R S [Ω.m] , [Ω.mm] , [μΩ.m] l (1 5) đó: S - ti t di n ngang c a dây d n [mm2; m2] l - chi u dài dây d n [mm; m] R - tr s n tr c a dây d n [Ω] i n tr su t c a ch t d n n n m kho ng t : ρ = 0,016 μΩ.m (c a b c Ag) đ n ρ= 10 μΩ.m (c a h p kim s t - crôm - nhôm) - H s nhi t c a n tr su t (α): H s nhi t c a n tr su t bi u th s thay đ i c a n tr su t nhi t đ thay đ i C Khi nhi t đ t ng n tr su t c ng t ng lên theo quy lu t: ρ t = ρ0 (1 + αt) (1 6) đó: ρt - n tr su t nhi t đ ρ0 - n tr su t nhi t đ α - h s nhi t c a n tr cho kim lo i nguyên ch t h s α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 K-1 - H s d n nhi t : λ L ng nhi t truy n qua di n tích b m Q=λ t (0C) 00C su t [K-1] nhi t c a chúng h u nh đ u b ng b ng: t S th i gian t là: ΔT St Δl (1 7) Trong đó: λ - h s d n nhi t [w/ (m.K)] ΔT/Δl - gradien nhi t đ (ΔT l ng chênh l ch nhi t đ hai m cách m t kho ng Δl) S - di n tích b m t t - th i gian - Cơng c a n t kim lo i: N ng l ng c n thi t c p thêm cho n t đ kh i b m t kim lo i đ c g i công thoát c a kim lo i EW - i n th ti p xúc: Nghiên c u hai ch t kim lo i ti p xúc v i nh ti p xúc C hình 1- A B C Hình 1- : Hai kim lo i có ti p xúc C CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T T hình 8- 48 ta th y có r t nhi u vùng ho t đ ng ph có th thêm vào M t cách lý t ng, s t ng đ t bi n dung l ng thông tin c a m t s i quang có th đ t đ c b ng vi c truy n d n đ ng th i tín hi u quang m t s i quang t nhi u ngu n ánh sáng khác có b c sóng đ nh b c x đ t cách m t cách xác B i m i ngu n sáng ho t đ ng t i m t b c sóng đ nh khác nhau, tính tồn v n c a tin t c đ c l p t m i ngu n đ c trì đ vi c chuy n đ i tu n t sang tín hi u n đ u thu ây c s c a ghép kênh phân chia theo b c sóng (WDM) Hai c c u WDM khác mơ t hình 8- 49 hình 8- 50 Trong hình 8-49, linh ki n WDM đ n h ng đ c s d ng đ k t h p b c sóng mang tín hi u khác m t s i quang đ n t i m t đ u đ tách chúng vào b tách quang thích h p t i đ u S đ h th ng WDM hai h ng đ c mơ t hình 8- 50 S đ g m vi c g i tin t c m t h ng t i m t b c sóng λ1 đ ng th i h ng ng c l i t i b c sóng λ2 Kênh Kênh Ngu n λ1 Linh ki n Ngu n λ2 S i quang đ n WDM λ1, λ2, λN Kênh N Linh ki n Tách quang λ1 Kênh Tách quang λ2 Kênh Tách quang λN Kênh N WDM Ngu n λN Hình 8- 49 : H th ngWDM đ n h ng k t h p N tín hi u đ c l p đ truy n s i quang đ n Kênh vào Kênh Ngu n λ1 Linh ki n Tách quang λ2 WDM S i quang đ n λ1 λ2 Linh ki n Tách quang Kênh λ1 WDM Ngu n λ2 Kênh vào Hình 8- 50: H th ng WDM hai h ng, đó, hai b c sóng ho c nhi u h n đ truy n đ ng th i h ng ng c m t s i quang c Trong h th ng thông tin quang hai hình trên, b ghép kênh phân chia theo b c sóng có hai lo i đ c s d ng r ng rãi nh t linh ki n tán s c c nh nh l ng kính ho c cách t , b l c màng m ng ho c linh ki n tích h p quang đ n m t 8.5.2 B l c quang b ng linh ki n tán s c (hay b ghép kênh tán s c c nh) S đ c a m t b ghép kênh tán s c c nh đ b c sóng s d ng, c mơ t hình 8- 51 đ i v i h th ng dθ đ tán s c c nh c a linh ki n dλ 212 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T Th u kính L1 Ph n t tán s c c nh Th u kính L2 λ1 λ λ λ1 λ2 λ3 dθ dλ S i quang Hình 8- 51:S đ bi u di n m t ph n t WDM tán s c c nh cho b c sóng Nhi u b c sóng có th k t h p ho c phân chia v i lo i linh ki n Khi linh ki n s d ng nh tr c b ng th u kính L1 (g i th phân chia thành kênh có b Th u kính L2 (th u kính h m t b phân kênh, ánh sáng t s i quang đ c chu n u kính chu n tr c) qua ph n t tán s c c nh đ c c sóng vào chùm tia có đ nh h ng khơng gian khác i t ) s h i t tia đ u vào s i quang thu thích h p ho c b tách quang thích h p S tán s c n tính dx t i s i quang thu đ c xác dλ đ nh: dθ dx = f dλ dλ (8 43) f chi u dài tiêu c c a th u kính L2 Trong tr ng h p lý t ng khơng có quang sai, đ r ng ph ngu n zero, t n hao chèn nguyên tính xen ti ng zero n u tín hi u đ c phân chia l n h n đ ng kính c a (dk), ngh a là: dx Δλ ≥ d k dλ v i: (8 44) Δλ - kho ng cách ph gi a kênh (kho ng cách b c sóng) dk - đ ng kính c a s i quang gi thi t r ng t t c s i quang (phát thu) đ u có đ ng kính dk kh u đ s NA thu nh n t t c ánh sáng t s i quang phát, th u kính chu n tr c L1 c n có đ ng kính b tho mãn u ki n: b > 2f NA n' (8 45) n’ chi t su t c a môi tr ng gi a th u kính L1 linh ki n tán s c c nh K t h p công th c (8 43), (8 44) (8 45), ta có: ⎛ NA ⎞ 2⎜ ⎟d k n' ⎠ ⎝ b≥ ⎛ dθ ⎞ Δλ⎜ ⎟ ⎝ dλ ⎠ (8 46) Trong h th ng th c t , chùm tia b tr i r ng b i kích th c h u h n c a ngu n sáng k t qu tán s c c nh s tr i r ng b c sóng c a đ r ng ph c a ngu n t ng t l ng S c a đ ng kính chùm tia đ c tính g n b ng: S= b'−b w.d k (NA ) ≈ (1 + m ) b b n ' (8 47) 213 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T đó: m – s l ng kênh b c sóng b’ - đ ng kính c a th u kính L2 w - đ dài n t ng t đ u c a th u kính L1 đ n đ u vào c a th u kính L2 lo i b hi n t ng tràn đ y đ m s c a s i quang thu, đ tr i r ng tia sáng t ng c n ph i m t ph n nh đ ng kính c a th u kính chu n tr c, ngh a S-V2>-V3 n tích s d ch chuy n v phía bên ph i theo cách th c c a CCD lo i pha Cho ng thu hình màu c n chip CCD cho màu màu đ , xanh xanh da tr i Trên th c t , ng hình màu đ c ch t o ch có chip v i b l c đ s p x p cho kênh xanh có s m g p l n s m màu đ xanh da tr i m t ng i nh y v i màu xanh t t nh t thu hình màu c n có kho ng 400 m hình cho m t hàng s cho ta m t nh màu t t Ví d : i v i ng thu hình màu dùng chip theo tiêu chu n c a NTSC c n kho ng 484x400 đ n v detector, c a PAL c n t i 580x400 đ n v detector 217 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T a/ C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T -V1 -V1 -V2 +++ b/ +++ -V1 -V3 -V2 +++ c/ +++ -V1 -V2 -V1 +++ +++ Hình – 56: Ho t đ ng c a m t CCD v i –V1>-V2>-V3 Tùy theo s s p x p gi a ph n detector ph n nh mà ta có lo i CCD khác nh : IT (Interline Transfer); FT (Frame Transfer); XY (C u trúc v i b d ch chuy n digital) TÓM T T C u ki n quang n t nghiên c u ch ng g m c u ki n phát quang (c u ki n bi n đ i n – quang) nh LED, LASER c u ki n thu quang (c u ki n bi n đ i quang-đi n) nh n tr quang, t quang, tranzito quang, thyristo quang i t phát quang- LED linh ki n ph thông c a quang n t , có t n s ho t đ ng r t cao, th tích nh , cơng su t tiêu hao bé không s t áp ho t đ ng i t phát quang đ c s d ng r ng rãi hai l nh v c LED b c x ánh sáng nhìn th y g i LED ch th LED b c x ánh sáng h ng ngo i g i LED h ng ngo i Hai lo i LED có c u t o nguyên lý ho t đ ng g n gi ng nhau, ch có b c sóng b c x vùng khác v t li u bán d n có đ r ng vùng c m khác theo m i quan h : hc λ= EG Trong đó: h- h ng s Plank (h = 4,16 10 −15 eV) c- v n t c ánh sáng (c = 10 m/s) EG- đ r ng vùng c m, (eV) 218 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T C u t o c a LED ch th g m có m t l p ti p xúc P-N, hai chân c c an t cat t V t li u bán d n liên k t c a nguyên t thu c nhóm nhóm c a b ng tu n hoàn Mendeleep Nguyên lý ho t đ ng d a vào trình tái h p c a h t d n t đ c phân c c thu n đ b c x quang i n áp phân c c cho LED g n b ng đ r ng vùng c m, đó, đ i v i LED b c x b c sóng khác s có n áp phân c c khác c ng đ b c x cao, v t li u ch t o LED có đ pha t p l n, v y n tr c a chúng r t nh Do v y, đ u LED m ch ta ph i đ u n i ti p v i m t n tr đ u n i ti p v i ngu n n i n áp phân c c cho LED n m kho ng t 1,6V ÷ 3V i n áp phân c c ng c gi i h n cho t c ng gi i h n kho ng t 3V ÷ 5V LED r t nh y v i nhi t đ , h s nhi t c a có giá tr âm Nh v y, nhi t đ t ng c ng đ b c x quang c a LED gi m (kho ng 1%/ C ) LED h ng ngo i có c u trúc đ c bi t đ t o ánh sáng có c ng đ cao, th i gian đáp ng nhanh hi u su t quang l ng t cao LED c u trúc d th kép g m l p bán d n có v t li u n ng đ pha t p khác đ t o l p giam gi h t d n giam gi ánh sáng Nh l p giam gi h t d n mà hi u su t quang l ng t đ c nâng cao c ng nh l p mà t p trung đ c b c x quang theo m t h ng nh t đ nh Tuy nhiên, ánh sáng b c x LED đ u đ ng h ng đ u ánh sáng không k t h p, có c ng đ b c x khơng cao ph b c x l n LASER bán d n m t c u ki n bán d n quang dùng đ t o khu ch đ i ánh sáng đ n s c có tính liên k t v pha t b c x t phát c a ánh sáng nên c ng đ b c x c a Laser r t l n có ph b c xa r t nh (kho ng vài nm) C u t o c a Laser g n gi ng nh LED nh ng ph c t p h n y u c u v đ giam gi h t d n ánh sáng m t h c c ng h ng Trong LASER, ba trình quang n đ u x y ra: trình h p th photon, trình b c x t phát trình b c x kích thích Mu n LASER b c x ta ph i cung c p cho m t dòng n có c ng đ l n h n giá tr ng ng (ICC ≥ ICC ng ng) Lúc tr ng thái “đ o n” s x y l p bán d n i u ki n đ có b c x Laser s khu ch đ i ánh sáng th ng đ c s h p th quang bu ng c ng h ng c a t laser S lan truy n ánh sáng d c theo chi u dài L c a h c c ng h ng đ c vi t theo công th c sau: E(z,t) = I(z).e j (ωt − βz ) Trong I(z)- m t đ tr ng quang theo h ng d c (z) z- kho ng cách theo h ng d c c a h c c ng h ng - t n s góc c a ánh sáng - h s lan truy n M t đ b c x quang ng v i photon có n ng l ng h đ c tính theo cơng th c: I(z) = I(0)R1R2.e [I g ( hν ) −α ( hν ) ]z / - h s h p th h u ích c a v t li u Trong đó: / I - h s giam gi ánh sáng I(0)- m t đ tr ng quang ban đ u g- h s khu ch đ i quang R1 R2- đ ph n x c a g ng ph n x h c c ng h ng i u ki n đ có lasing m t dao đ ng tr ng thái b n chi m gi đ l n c ng nh pha c a sóng ph n h i có th b ng sóng g c t o nó, là: / / 219 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T v biên đ : I(2L) = I(0) v pha: e − jβ L = đ t đ c u kienj đ khu ch đ i t i ng ng lasing gth ph i l n h n ho c b ng t ng m t mát t h c c ng h ng c tính tham s c a Laser: c n phát x bi u th quan h gi a công su t b c x quang dòng n cung c p cho Laser có lasing ICC ≥ ICC ng ng Hi u su t l ng t vi phân xác đ nh s photon b c x đôi n t -l tr ng: qdP dP = 0,806λ ext = E dI dI Kho ng cách t n s Kho ng cách b ∆ = c sóng C Ln ∆ = λ2 Ln Trong n – chi t su t c a v t li u bán d n ch t o Laser C u ki n thu quang có nhi m v bi n đ i tín hi u quang sang tín hi u n i n tr quang c u ki n bán d n khơng có ti p xúc P-N Hi n t ng bi n đ i quang –đi n đ c th c hi n nh hi n t ng h p th quang đ t o đôi n t -l tr ng Nh ng h t d n m i xu t hi n s chuy n đ ng d i tác d ng c a n tr ng t o nên dòng quang n vi c chuy n đ i quang-đi n đ c th c hi n i t quang c u ki n thu quang có t n s làm vi c r t cao i t quang có m t ti p xúc P-N trình h p th quang x y c b n l p ti p xúc P-N i t quang lo i ti p xúc P-N cho dòng n rò nh nh t nh ng có đ nh y th p l p ti p xúc P-N h p, nên hi u su t quang l ng t th p t ng đ nh y c a t quang ng i ta ch t o t quang lo i P-IN t quang thác APD i t quang lo i P-I-N có vùng tích c c l p bán d n nguyên tính (Intrinsic) dày h n l p ti p xúc P-N nhi u Do v y, hi u su t quang l ng t đ c nâng cao d n đ n c ng đ dòng n quang t ng lên rõ r t Dòng n quang đ c tính theo cơng th c: ⎡ e −α λ w ⎤ − ⎥ (1 − R f ) ⎢ α + L λ P ⎦ ⎣ q- n tích c a n t P0 – công su t quang t i t quang h – n ng l ng photon – h s h p th ánh sáng t i b c sóng w – b dày c a l p bán d n nguyên tính Rf – đ ph n x t i b m t c a t quang I phot / q e −α λ w ng t là: = =1P0 / hν + α λ LP Iphot = q Trong đó: Hi u su t l P0 hν nh y c a t quang: S= I phot P0 = qη ηλ = hν 1,24 [A/w] i t quang thác (APD) có c u trúc đ c bi t đ t o m t vùng có bi n đ i n áp nhanh vùng thác Khi h t d n di chuy n đ n vùng thác s đ c t ng t c chúng va ch m v i nguyên t trung hòa vùng này, gây hi n t ng i-on hóa 220 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T va ch m Do v y, s h t d n đ c t ng lên theo c p s nhân d n đ n c ng đ dòng n quang c a t t ng lên nh đ c khu ch đ i v i h s nhân M đ c tính theo cơng th c: I M= M I phot Trong IM giá tr trung bình c a dòng quang n nhân t ng đ u T bào quang n pin m t tr i c u ki n bi n đ i n ng l ng quang thành n ng l ng n i t APD cho đ nh y cao nh t nh ng yêu ngu n cung c p cao n đ nh Tranzito quang c u ki n bi n đ i tín hi u quang sang tín hi u n khu ch đ i chúng Tranzito quang có c u t o nh tranzito th ng nh ng c c g c c a có di n tích b m t l n đ chi u ánh sáng vào Khi đ c chi u sáng, ph n g c s xu t hi n đôi n t -l tr ng m i Nh ng h t d n chuy n đ ng d i tác d ng c a n tr ng t o nên thành ph n dòng n quang T ng dòng n sáng tranzito: ICS = Iphot + IPphot + ICt i Tranzito quang có đ nh y cao h n so v i t quang nh ng t n s làm vi c th p h n nhi u Thyristo quang c u ki n đóng ng t m ch Ánh sáng ch có tác d ng m cho thyristo d n ch khơng có tác d ng bi n đ i tín hi u c u ki n Các b ghép quang có nhi m v cách n gi a m ch n có s khác bi t v n th l n mà v n truy n d n đ c tín hi u gi a chúng C u t o c a b ghép quang g m có m t linh ki n phát quang (LED) m t linh ki n thu quang đ t g n Khi dòng n đ u vào c a m t m ch n s t o m t dòng n thích ng đ u c a m t m ch n khác v i h s truy n đ t CTR đ c tính theo cơng th c: I CTR = I vào C u ki n hình h c thông tin quang nh ng b l c quang ó b l c quang dùng linh ki n tán s c b l c quang màng m ng B l c quang b ng linh ki n tán s c (hay g i b ghép kênh tán s c c nh) nh m t b phân kênh, ánh sáng qua b l c quang s đ c phân chia thành kênh có b c sóng vào chùm tia có đ nh h ng khơng gian khác B l c quang màng m ng đ c thi t k đ truy n ánh sáng m t b c sóng c th đ ho c h p th , ho c ph n x t t c b c sóng khác B l c lo i ph n x th ng đ c s d ng t n hao c a chúng th p M ch t h p detector- CCD m t b d ch chuy n tín hi u CCD có th đ c t o t t ho c t n MOS Các n tích đ c tích tr CCD d ch chuy n n tích gi a t n đ c th c hi n c p cho chúng nh ng n áp thích ng Các CCD đ c s d ng ng thu hình màu, máy video, máy FAX,… đ đ c d li u CÂU H I ƠN T P Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a LED ch th ? Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a LED h ng ngo i d th kép? Hãy cho bi t tham s c b n c a LED? Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a m t ch th tinh th l ng LCD lo i ph n x ? 221 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T C u ki n quang n t VÀ QUANG I N T Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a LASER có bu ng c ng h ng c u trúc d th kép? Hãy cho bi t tham s c b n c a Laser? Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a n tr quang? Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a t quang lo i P-I-N? Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a t APD? 10 Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a tranzito quang? 11 Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a thyristo quang? 12 Hãy trình bày v b ghép quang tham s k thu t c a chúng? 13 Trình bày v b l c quang màng m ng? 14 Trình bày v c u t o nguyên lý ho t đ ng c a b CCD dùng t MOS? 15 N ng l ng c a ánh sáng có b c sóng 820nm 1,3μm electron vôn (eV)? 16 M t laser ch t o t Ga1-xAlxAs v i x = 0,07 có EG = 1,5 eV Hãy tính đ dài b c sóng b c x ra? 17 M t laser ho t đ ng b c sóng λ = 850nm có chi u dài h c c ng h ng L = 500μm chi t su t n = 3,7 H i kho ng cách t n s kho ng cách b c sóng ? 18 Hãy n vào ch tr ng c a m nh đ d i m t nhóm t sau: “ dài b c sóng b c x đ c quy t đ nh b i…….c a ch t bán d n a đ d n n; b n ng đ h t d n c lo i t p ch t pha t p; d đ r ng vùng c m 19 Ngu n sáng LED trình…… a b c x t phát b b c x t phát b c x kích thích c b c x kích thích d h p th b c x kích thích 20 Ngu n sáng LASER trình…… a b c x t phát b b c x t phát b c x kích thích c b c x kích thích d h p th b c x kích thích TÀI LI U THAM KH O Giáo trình “C u ki n n t quang n t ”- Tr n Th C m, H c vi n CNBCVT, n m 2003 “C u ki n quang n t ” - D ng Minh Trí, NXB KHKT n m 1998 “Optical fiber communications” – Gerd Keiser, Mc Graw Hill Inc 1991 222 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T VÀ QUANG I N T áp án t p ÁP ÁN BÀI T P Ch ng 1: Câu 13: nn = 10 15 cm −3 pn = 2,25.10 cm −3 Ch ng 3: Câu 8: UD = 0,53V; Câu 9: a/ Pn(0) = 10 14 cm −3 ; n p (0) = 1011 cm −3 ; b/T s = 3.10 Ch ng 4: Câu 15: IC2 = 96mA; IB2 = 4mA; IC1 = 3,92mA; IB1 = 0,08mA; UCE = 12V Câu 16: IE = 7,5mA; IB = 1,47mA; IC = 7,35mA; UCE = 4,55V; S = 24,88 Câu 17: R = 110KΩ; S = 9,5; Câu 18: RB = 7KΩ; S = 94,3 Ch ng 5: Câu 15: a/ s đ m c SC; đ nh thiên t c p; c/ UGS = -0,6V; RS= 600Ω Câu 16: UGS = -0,62V; gm = 1,11mA/V; RS = 770Ω; RD ≥ 9KΩ Câu 17: R1 = 2KΩ Câu 18: a/ FET đ u DC; b/ phân c c ki u phân áp; c/ tài li u Câu 19: ID = 24mA; R3 = 83Ω Ch ng 8: Câu 15: EG1 = 1,5eV; EG2 = 0,95eV Câu 16: = 0,826µm Câu 17: ∆ = 81GHz; ∆ = 0,2nm 223 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T VÀ QUANG I N T M cl c M CL C Ch ng 1: Gi i thi u chung v c u ki n n t Gi i thi u ch ng N i dung 1.1 Gi i thi u chung 1.2 Phân lo i c u ki n n t 1.3 Khái ni m v m ch n h th ng n t 1.4 V t li u n t 1.5 V t li u t Tóm t t n i dung 24 Câu h i ôn t p 25 Tài li u tham kh o 26 Ch ng 2: C u ki n n t th đ ng 27 Gi i thi u ch ng 27 N i dung 27 2.1 i n tr 27 2.2 T n 34 2.3 Cu n c m 40 2.4 Bi n áp 44 Tóm t t n i dung 49 Câu h i ôn t p 50 Tài li u tham kh o 51 Ch ng 3: iot bán d n 52 Gi i thi u ch ng 52 N i dung 52 3.1 L p ti p xúc P-N 52 3.2 iot bán d n 58 Tóm t t n i dung 70 Câu h i ôn t p 72 Tài li u tham kh o 72 Ch ng 4: Tranzitor l ng c c (BJT) 73 Gi i thi u ch ng 73 N i dung 73 4.1 C u t o ký hi u c a BJT s đ m ch 73 4.2 Các ch đ làm vi c c a Tranzitor BJT 74 4.3 c tính đ c a BJT 78 4.4 Các cách m c c a Tranzitor BJT s đ khu ch đ i 80 4.5 Phân c c cho Tranzitor l ng c c 88 4.6 S đ t ng đ ng ch đ khu ch đ i tín hi u nh t n s th p 96 Tóm t t n i dung 102 Câu h i ôn t p 103 Tài li u tham kh o 105 Ch ng 5: Tranzitor tr ng FET 106 Gi i thi u ch ng 106 224 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I N T VÀ QUANG I N T M cl c N i dung 106 5.1 Gi i thi u chung v FET 106 5.2 Tranzitor tr ng lo i u n b ng ti p xúc P-N 107 5.3 Tranzitor tr ng lo i c c c a cách ly 116 Tóm t t n i dung 125 Câu h i ôn t p 126 Tài li u tham kh o 128 Ch ng 6: C u ki n Thyristor 129 Gi i thi u ch ng 129 N i dung 129 6.1 Ch nh l u Silic có u n 129 6.2 Triac 132 6.3 Diac 134 6.4 Tranzitor đ n n t 136 Tóm t t n i dung 139 Câu h i ôn t p 140 Tài li u tham kh o 140 Ch ng 7: Vi m ch tích h p 141 Gi i thi u ch ng 141 N i dung 141 7.1 Khái ni m phân lo i vi m ch tích h p 141 7.2 Các ph ng pháp ch t o m ch tích h p bán d n 143 7.3 Các c u ki n đ c tích h p vi m ch 148 7.4 Vi m ch n tính 151 7.5 Vi m ch s 159 7.6 Vi m ch nh 160 7.7 Nh ng m c n ý s d ng vi m ch tích h p 163 Tóm t t n i dung 164 Câu h i ôn t p 165 Tài li u tham kh o 166 Ch ng 8: C u ki n quang n t 167 Gi i thi u ch ng 167 N i dung 167 8.1 Gi i thi u chung 167 8.2 Các c u ki n bi n đ i n - quang 169 8.3 Các c u ki n bi n đ i quang - n 190 8.4 Các b ghép quang 204 8.5 C u ki n quang hình h c dùng thông tin quang 211 8.6 C u ki n CCD 216 Tóm t t n i dung 221 Câu h i ôn t p 221 Tài li u tham kh o 222 áp án t p 223 225 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt C U KI N I NT Mã s : 492CKT220 Ch u trách nhi m b n th o TRUNG TÂM ÐÀO T O B U CHÍNH VI N THƠNG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... U T p giáo trình "C u ki n n t " đ c biên so n đ làm tài li u gi ng d y h c t p cho sinh viên chuyên ngành k thu t i n t - Vi n thông, đ ng th i giáo trình c ng có th đ c s d ng cho sinh viên. .. kh o cho k s chuyên ngành i n t - Vi n thơng Giáo trình đ c vi t theo ch ng trình đ c ng mơn h c "C u ki n n t quang n t " c a H c vi n Công ngh B u Vi n thơng N i dung c a giáo trình đ c trình. .. này, giáo trình nêu lên tính ch t v t lý đ c bi t c a l p ti p xúc P - N, đ ng th i trình bày chi ti t v c u t o nguyên lý ho t đ ng c ng nh đ c n, tham s k thu t c a t bán d n Ngoài ra, ch ng trình