Vật liệu linh kiện điện tử

BÀI GIẢNG: KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU, LINH KIỆN ĐIỆN TỬ I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN Sơ lược vật rắn tính dẫn điện - Tính dẫn điện vật liệu: Trạng thái bình thường có điện tích tự do, đặt điện trường có dịng điện vật dẫn - Các hạt dẫn vật dẫn điện electron, ion (các nguyên tử bị ion hóa chuyển động tự vật liệu) + Vật dẫn với tính dẫn điện tử: Dịng điện hình thành chuyển động electron; vật liệu này, hoạt động điện tích không làm biến đổi thực thể vật liệu, loại vật dẫn chủ yếu thuộc thể rắn (kim loại, hợp kim, bán dẫn) + Vật dẫn với tính dẫn ion: Dịng điện hình thành chuyển động ion (âm dương); loại vật liệu này, dịng điện gây biến đổi hóa học (trong q trình dẫn điện có diễn phản ứng hóa học), loại vật dẫn chủ yếu thuộc thể lỏng, phổ biến dung dịch axit, kiềm, muối + Vật dẫn có tính dẫn điện tử tính dẫn ion: Dịng điện hình thành chuyển động electron ion đồng thời có mặt vật liệu, electron ion hình thành đồng thời q trình ion hóa, loại vật dẫn phổ biến trường hợp vật dẫn thể khí; q trình ion hóa chất khí nhiều nguyên nhân: Nhiệt độ, va chạm, điện trường,… - Vật liệu, linh kiện điện tử tạo nên từ vật chất; dạng lỏng (dung dịch điện phân, điện mơi lỏng), có loại chứa khí (đèn điện tử có khí), có chứa thể plasma (đèn điện tử có khí hoạt động) Tuy nhiên, vật liệu linh kiện điện tử phần lớn thuộc thể rắn Việc tìm hiểu cấu trúc, đặc điểm chất rắn tính chất điện liên quan cần thiết để học tập vật liệu, linh kiện điện tử - Các chất rắn chia thành nhóm theo cấu tạo chúng: Chất tinh thể chất vơ định hình; Chất rắn tinh thể giữ vai trò quan trọng bậc vật liệu điện Đặc điểm chất tinh thể: hình dạng tinh thể hồn tồn xác định, hạt có trật tự, có nhiệt độ nóng chảy xác định, bất đẳng hướng với số tính chất vật lý Một số khái niệm tinh thể cần ý: Mạng tinh thể, chất điểm, mặt tinh thể, hàng tinh thể, mắt tinh thể, ô sở (khối bản, ô đơn vị), thơng số mạng (hằng số mạng), trình bày kỹ chương trình Hóa học đại cương - Kết nghiên cứu lĩnh vực học lượng tử, vật lý chất rắn, vật lý thống kê đặt móng cho ngành vật liệu điện, sở để phân loại tính tốn vấn đề liên quan đến vật liệu, linh kiện điện tử, cụ thể: + Kết việc giải phương trình sóng mạng tinh thể-thuyết phân vùng lượng vật rắn cho phép giải thích tính dẫn điện kim loại, chất bán dẫn, chất cách điện + Sử dụng thuyết phân vùng lượng vật rắn, mơ hình thống kê FermiDirac để tính tốn tham số điện chất bán dẫn + Lấy kết học lượng tử (giải phương trình sóng ngun tử) làm sở giải thích từ tính vật liệu + Lý thuyết khuếch tán giải thích hình thành mặt ghép p-n, sở hình thành nên linh kiện bán dẫn Một số kết quan trọng khoa học Phân vùng lượng vật rắn tinh thể a) Một số kết luận quan trọng hóa học đại cương, học lượng tử - Theo lý thuyết học lượng tử, trạng thái chuyển động electron nguyên tử mô tả hàm sóng, thể liên hệ tọa độ thời gian chuyển động vi hạt Các hàm sóng orbital, chúng có tính thống kê; hàm sóng cho biết xác suất xuất eletron (theo tọa độ, hay mức lượng) xác định xác tọa độ theo thời gian chúng - Việc giải phương trình sóng (trường hợp đơn giản với nguyên tử Hidro) dẫn tới việc xuất tự nhiên tham số nguyên: n-Số lượng tử chính; lsố lượng tử phụ; m-số lượng tử từ + Các thơng tin quan trọng cần thiết cung cấp từ ba số (n,l,m) + Khi nghiên cứu tính chất từ tính nguyên tử, người ta bổ sung thêm tham số ms số lượng tử từ spin electron Trạng thái electron thể số (n,l,m,ms) - Các orbital có mức lượng định ứng với số lượng tử, nói cách khác, electron có mức lượng định nằm orbital Electron nhận cho lượng để dịch chuyển mức khác b) Đặc điểm phân vùng lượng vật rắn tinh thể - Khi hình thành tinh thể, mức lượng nguyên tử bắt đầu dịch chuyển, tạo thành vùng lượng (có bề rộng phụ thuộc loại mạng) + Khi nguyên tử xa nhau, orbital giống có mức lượng nhau; nhiên hình thành tinh thể orbital mức phủ lên nhau, tạo orbital phân tử khác orbital nguyên tử đứng tự do, orbital phân tử có mức lượng chênh lệch (gián đoạn), hợp thành vùng, gọi vùng lượng (dải lượng) + Mỗi orbital nguyên tử độc lập tham gia liên kết tinh thể tạo dải tương ứng; dải lượng có bề rộng khác nhau, dải bên hẹp dải bên ngồi; orbital hóa trị tạo dải lượng hóa trị có bề rộng lớn Tinh thể hữu hạn số mức lượng giải hữu hạn giá trị lượng vùng biến thiên gián đoạn Nếu tinh thể vơ hạn giá trị lượng biến thiên liên tục + Electron di chuyển dễ dàng mức lượng dải Ở 0ºK, electron lấp đầy mức lượng từ thấp đến cao; mức lượng cao electron dải hóa trị gọi mức lượng Fermi Với vật liệu có mức lượng Fermi cao tính dẫn điện tốt - Do cấu trúc tuần hoàn tinh thể, đặc điểm cấu trúc lượng rơi vào hai trường hợp sau: + Tinh thể với phổ lượng có vùng cho phép điền đầy phần Các mức lượng bị điền đầy mức trống khơng bị ngăn cách, electron dễ dàng nhận lượng dịch chuyển lên mức Các tinh thể tinh thể kim loại, có tính dẫn điện tốt + Tinh thể với phổ lượng có vùng: vùng cho phép điền đầy hoàn toàn vùng cho phép trống hoàn toàn, vùng cho phép đầy hoàn toàn gọi vùng hóa trị, vùng cho phép trống hồn tồn vùng dẫn; xuất khe lượng ngăn cách vùng dẫn vùng hóa trị, vùng lượng mà khơng tồn nghiệm phương trình sóng Vùng lượng cịn gọi vùng cấm W Vùng dẫn - Với tinh thể có vùng lượng cấm: Các electron trở thành eletron tự nhận lượng vượt qua vùng cấm Do bề rộng vùng Wg cấm định tính chất dẫn điện vật liệu Với bán dẫn, độ rộng vùng cấm nhỏ khoảng vài eV, eletron nhận nhiệt năng lượng xạ Vùng hóa trị để vượt qua vùng cấm, trở thành electron dẫn điện Giải thích tính dẫn điện: Trên trục lượng vật rắn tinh thể người ta chia vùng: + Vùng hóa trị: Các electron liên kết hóa trị có mức lượng nằm vùng hóa trị + Vùng dẫn: Các electron tự do, tách khỏi liên kết hóa trị có mức lượng nằm vùng dẫn + Vùng cấm: Khoảng cách vùng hóa trị vùng dẫn, khơng có electron có mức lượng vùng cấm Các electron vùng hóa trị nhận lượng để chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, trao lượng chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị - Tùy thuộc chất rắn chất dẫn điện, chất cách điện hay chất bán dẫn mà có cấu trúc vùng lượng khác Điểm khác biệt độ rộng vùng cấm Wg: + Vật liệu bán dẫn: Wg hẹp (có tài liệu ghi từ 0,2 đến 1,5 eV), electron nhận lượng vượt qua vùng cấm thành electron tự (ở nhiệt độ phịng electron nhận lượng nhiệt đủ lớn để tham gia dẫn điện) Khi lên vùng dẫn, electron để lại vùng hóa trị lỗ trống + Vật liệu dẫn điện: Wg nhỏ (có tài liệu ghi nhỏ 0,2 eV), chí vùng dẫn vùng hóa trị chồng lấn lên Các electron dễ dàng nhận lượng vượt qua vùng cấm tham gia dẫn điện + Vật liệu cách điện: Wg có giá trị lớn, cỡ vài eV, electron khó vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện II CÁC LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN CƠ BẢN Vật liệu dẫn điện - Vật liệu có tính dẫn điện, trạng thái bình thường có điện dẫn suất lớn, sử dụng kỹ thuật điện chủ yếu cho mục đích dẫn điện - Các nguyên tố kim loại chiếm phần lớn bảng tuần hồn Đặc điểm cấu hình electron ngun tử lớp vỏ ngồi thường có 1, electron Các electron lớp ngồi có ảnh hưởng nhiều đến tính chất nguyên tố; với kim loại, electron khơng định tính chất hóa học, mà cịn định tính chất dẫn điện nó, ảnh hưởng đến số tính chất vật lý khác, chẳng hạn tạo vẻ sáng ánh kim, …Với electron này, dễ nhận lượng kích thích để thoát khỏi quỹ đạo trở thành điện tử tự do, nguyên tử kim loại thành ion dương Ngay nhiệt độ thường, electron trở thành electron tự do; đặt điện trường, electron chuyền động có hướng tạo thành dòng điện, kim loại trở thành vật dẫn điện - Kim loại tinh khiết có điện trở suât nhỏ hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ lớn ; hợp kim có điện trở suất lớn hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ nhỏ kim loại Ngoài ra, ưu điểm tính chất cơ-lýhóa hợp kim hẳn so với kim loại tinh khiết nên thực tế sử dụng phổ biến - Các nhóm vật liệu dẫn điện bản: + Kim loại, hợp kim điện dẫn suất lớn: Cu, Al, Fe, Zn, Ni, W, Ag, Pt,… + Vật liệu dùng làm điện trở: Chủ yếu hợp kim (Cu, Ni, Mn,….) + Vật liệu làm tiếp điểm: Cu, Al, thép, hợp kim Cu-Cd, Ag-Cd, Pt-Ir, … Vật liệu cách điện - Trong hệ thống điện, bên cạnh vật liệu dẫn điện, cần vật liệu làm nhiệm vụ cách điện phận thiết bị, thiết bị thiết bị với mơi trường bên ngồi, đặc biệt hệ thống với điện áp cao Vật liệu cách điện thường gọi điện môi - Phân loại theo trạng thái vật lý: Vât liệu cách điện (điện môi) thể khí, thể lỏng thể rắn + Các đặc điểm vật liệu cách điện thể khí: Hằng số điện mơi xấp xỉ 1; Điện trở cách điện lớn phụ thuộc điện áp; hệ số tổn hao phụ thuộc điện áp, độ bền cách điện phụ thuộc vào áp suất, dạng hình học điện cực, thời gian tác dụng điện áp +Vật liệu cách điện thể lỏng: Độ bền cách điện cao (hiệu dụng 160 kV/cm); điện trở suất lớn; số điện mơi 2,2 ÷ 2,3; có khả phục hồi sau bị đánh thủng, khả dập tắt hồ quang, làm mát; tính biến đổi nhiều bị bụi bẩn; dễ bị ảnh hưởng độ ẩm;dễ cháy; nhiệt độ cao gây biến đổi hóa học +Vật liệu cách điện thể rắn: Đóng vai trị quan trọng kỹ thuật cách điện, bao gồm nhiều chủng loại phong phú, có mặt hầu hết thiết bị hệ thống điện: * Vật liệu cách điện dạng sợi; giấy chế phẩm từ giấy: Bao gồm giấy xenlulo, giấy cứng, phíp, giấy amiăng, giấy ép tẩm nhựa; cánh kiến, mica; vật liệu gốm sứ: Bao gồm sứ, xteatit loại gốm sứ đặc biệt; thủy tinh; cao su; * Nhựa: Sử dụng phổ biến cho cách điện khí cụ điện, thiết bị điện, dây dẫn, với ưu điểm lớn sản xuất, chế tạo, đúc khn, tính chống chịu môi trường tốt * Sơn tẩm: Sơn tẩm phân loại theo hóa khơ: Có loại hóa khơ bốc dung mơi loại phải nhờ lị sấy; hóa khơ khơng dùng dung mơi Sơn emay cách điện cho dây dẫn có nhiều loại, khác cách hóa khơ thành phần hóa học Vật liệu bán dẫn a) Bán dẫn tinh khiết - Chất bán dẫn nhìn theo khía cạnh tính dẫn điện, vật liệu trung gian chất dẫn điện chất cách điện, có điện trở suất khoảng 10   10  m - Chất bán dẫn hoạt động chất cách điện điều kiện thường, hoạt động chất dẫn điện điều kiện đặc biệt (kích thích nhiệt độ, điện trường, xạ, ) Tính dẫn điện (điện dẫn) chất bán dẫn điều khiển Ngồi tính chất dẫn điện kể trên, số vật liệu bán dẫn có tính chất đặc biệt khác, chẳng hạn cảm quang, phát quang, - Bán dẫn đơn thường sử dụng nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần hồn ngun tố hóa học làm chất tạo nên bán dẫn Kỹ thuật bán dẫn sử dụng chủ yếu silic giecmani có cấu trúc tinh thể, silic phổ biến, giecmani nguyên tố hiếm; kết hợp với tạp chất nguyên tố nhóm III nhóm V để tạo loại bán dẫn với tính chất khác - Bán dẫn hợp chất nguyên tố nhóm III với nguyên tố nhóm V; nguyên tố nhóm II với nguyên tố nhóm VI bảng tuần hồn, hợp chất có thành phần phức tạp, Cấu trúc tinh thể kim cương Kim cương tạo nên từ nguyên tử cacbon cấu trúc theo dạng tinh thể, bán dẫn thông dụng (Si, Ge, GaAs) có cấu trúc theo dạng Tinh thể kim cương gồm nguyên tử cacbon sếp theo trật tự sau: + Các nguyên tử cacbon liên kết hóa trị, nguyên tử liên kết với nguyên tử kế cận tạo thành tứ diện (hình a), tứ diện đặt lập phương (hình b) với nguyên tử đỉnh nguyên tử tâm + Ô sở tinh thể kim cương tích gồm hình lập phương kể trên, nhiên có hình lập phương có ngun tử, nghĩa sở tinh thể kim cương có cấu trúc tứ diện xen chéo Nguồn gốc tính dẫn điện bán dẫn Nguồn gốc giải thích đặc điểm, tính chất dẫn điện bán dẫn nằm cấu trúc vùng lượng Cấu trúc vùng lượng vật liệu bán dẫn: - Cũng chất rắn tinh thể, electron W Vùng dẫn nguyên tử vật liệu bán dẫn có mức lượng định Trên trục lượng người ta chia vùng: vùng hóa trị, vùng dẫn, vùng cấm Wg - Vật liệu bán dẫn: Wg hẹp (từ 0,2 đến 1,5 eV), electron nhận lượng vượt qua vùng cấm thành electron tự Vùng hóa trị - Ở nhiệt độ phịng electron nhận lượng nhiệt đủ lớn để tham gia dẫn điện Khi trở thành electron tự do, chuyển lên vùng dẫn electron để lại vùng hóa trị lỗ trống - Mức thấp vùng dẫn (đáy vùng dẫn) tương ứng với lượng electron đứng yên, electron, electron mức lượng cao mức đáy đó, phần cao động Mức cao vùng hóa trị lỗ trống, lỗ trống có mức lượng thấp đỉnh phần động lỗ trống - Độ linh động hạt dẫn: Các electron tự lỗ trống chuyển động với tính linh động khác độ dẫn điện vật liệu bán dẫn phụ thuộc độ linh động hạt dẫn  cm  + Độ linh động electron, ký hiệu  n   Độ linh động lỗ trống ký V s    cm  hiệu  p   ; vật liệu bán dẫn ln có  n lớn  p  Vs  + Điện dẫn suất vật liệu bán dẫn:      cm    n c e. n  n h e  p  Với nc mật độ electron tự do, nh mật độ lỗ trống, e điện tích electron Mật độ hạt dẫn phụ thuộc vào chất bán dẫn, nhiệt độ b) Bán dẫn tạp - Để tăng mật độ hạt dẫn, thực đưa tạp chất vào bán dẫn tinh khiết + Cho thêm vào bán dẫn tinh khiết nhóm IV lượng tạp chất nguyên tố nhóm V P, As, Sb… vật liệu có sẵn điện tử thừa khơng tham gia liên kết hóa trị, cần kích thích nhỏ trở thành điện tử tự (có nhiệt độ thường) Tạp chất nhóm V đưa vào gọi tạp chất cho; bán dẫn bán dẫn tạp loại n, hạt dẫn electron + VLBD tinh khiết pha tạp chất nhóm III B, Al, In… có liên kết hoàn chỉnh, liên kết bỏ hở nên cần kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng) có electron liên kết hồn chỉnh bên cạnh vào Tạp chất bị ion hóa thành ion âm, mối liên kết mà electron khỏi xuất điện tích dương tức lỗ trống Vậy tạp chất làm tăng mật độ lỗ trống mà không làm tăng mật độ điện tử Tạp chất nhóm III làm tăng mật độ lỗ trống gọi tạp chất nhận bán dẫn gọi bán dẫn tạp loại p; hạt dẫn lỗ trống - Nồng độ tạp nhỏ-cỡ vài phần triệu, tạp chất định đến điện dẫn suất bán dẫn tạp Vật liệu từ Sự hình thành từ tính ngun tử nguồn gốc tính chất từ tính vật liệu - Mômen từ electron: + Mômen chuyên động quanh hạt nhân: Mơ men từ spin: Electron có mơmen động lượng riêng, gọi spin có độ lớn xác định số lượng tử spin Như mô men từ electron gây nên gồm hai thành phần trên, nguyên tử nhiều electron gây nên tổng cộng mômen từ electron - Mômen từ hạt nhân: Hạt nhân dịch chuyển nhiệt, có mô men từ spin, khối lượng lớn so với e, nên mômen từ hạt nhân nhỏ so với electron, qua Tuy nhiên có số trường hợp cộng hưởng từ hạt nhân mơ men từ hạt nhân quan trọng - Mômen từ tổng hợp ngun tử: Tìm mơmen động lượng tổng cộng electron, tổng cộng mômen động lượng riêng, sau kết hợp với tỷ số hồi chuyển tìm mơmen từ tổng cộng, sau chiếu lên trục Oz - Từ kết học lượng tử, có nhận xét sau đây: + Ở tất nguyên tử có lớp vỏ lấp đầy, mơmen từ chúng Nên tính từ hóa gắn liền với ngun tử có lớp vỏ khơng lấp đầy electron Các electron cặp đôi triệt tiêu mơ men từ Các ngun tố có electron vỏ khơng cặp đơi có mơ men từ Ví dụ H, K, Na, Ag, … + Khi tính tổng mômen từ quỹ đạo mô men từ spin, bù trừ hết mơmen tổng hợp 0, khác vật liệu có từ tính, mơmen từ spin đóng vai trị quan trọng từ hóa vật liệu sắt từ + Những vật liệu mà ngun tử khơng có khả tạo mơmen từ gọi vật liệu nghịch từ Nếu có gọi thuận từ, sắt từ, phản sắt từ, feri từ - Quá trình từ hóa vật liệu : + Khi vật liệu khơng đặt từ trường ngồi, mơ men từ miền từ hóa đặt hỗn loạn, tổng mơ men từ vật thể không, vật liệu không từ hóa + Dưới tác động từ trường ngồi, làm tăng lên khu vực mà mômen từ hướng góc nhỏ với từ trường, giảm kích cỡ khu vực khác, bão hòa từ xảy tồn mơmen từ vật thể hướng với hướng từ trường ngồi B - Các q trình từ hóa mơ tả đồ thị B-H (gọi đường cong từ hóa) - Tỷ lệ cảm ứng từ B với cường độ từ trường H độ thấm từ vật liệu (không kể tới số từ μ0); độ thấm từ đại lượng thay đổi phụ thuộc cường độ từ trường H - Nếu tiến hành từ hoá vật liệu sắt từ từ Đường cong từ hóa trường ngồi sau bắt đầu điểm B đường cong từ hoá ta giảm cường độ từ trường cảm ứng từ giảm khơng theo đường cũ mà giảm chậm tượng từ trễ Br Khi tăng từ trường theo hướng ngược lại vật liệu -HK -Hm bị khử từ sau từ hoá lại đổi chiều từ HK Hm H trường cảm ứng từ quay điểm ban đầu Ta có đường cong kín đặc trưng cho tình trạng từ hố vật liệu gọi vịng từ trễ chu trình từ hố - Phân loại, ứng dụng vật liệu từ: Chu trình từ trễ + Vật liệu từ cứng: độ thấm từ (µ) nhỏ, lực kháng từ (Hk) lớn; chu trình từ trễ rộng Sử dụng làm nam châm vĩnh cửu, băng từ, đĩa từ + Vật liệu từ mềm: độ thấm từ (µ) lớn, lực kháng từ (Hk) nhỏ; chu trình từ trễ hẹp Sử dụng làm lõi từ mạch từ (nam châm điện, biến áp, động điện, ) III LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Linh kiện thụ động - Trạng thái điện phần tử thể qua hai thông số điện áp dịng điện Khi phần tử tự tạo thơng số phần tử gọi nguồn Nếu phần tử khơng tạo phải cấp từ nguồn Mối qua hệ hai thông số i = f(u) hàm số, gọi trở kháng phần tử - Nếu quan hệ i, u phương trình đại số bậc nhất, theo phương trình vi phân tuyến tính bậc phần tử phần tử tuyến tính Đặc điểm quan hệ có tính xếp chồng - Nếu quan hệ i, u khơng có tính chất xếp chồng phần tử phi tuyến - Các linh kiện tuyến tính phổ biến điện trở (ký hiệu R), tụ điện (C) điện cảm (L) Chúng có tên gọi linh kiện thụ động Quan hệ i, u theo biểu thức sau: + Điện trở: u = i.R + Tụ điện: I = C (du/dt) + Điện cảm: u = L.(di/dt) Linh kiện bán dẫn a) Điốt bán dẫn - Cấu tạo từ mặt ghép p-n Thực ghép bán dẫn tạp loại p bán dẫn tạp loại n hình thành lớp tiếp giáp có nhiều tính chất đặc biệt: Chỉ cho dòng điện theo chiều, số loại có khả phát quang, cảm quang, … - Sự hình thành tiếp giáp p-n giải thích tính tốn nhờ lý thuyết khuếch tán hạt dẫn, tìm hiểu phần Điốt bán dẫn Etx P (-) (-) (-) (-) (+) (+) (+) (+) N - Tiếp giáp p-n đặc tính tảng quan trọng hầu hết linh kiện bán dẫn Linh kiện bán dẫn đơn giản nhất: gồm tiếp giáp p-n điốt bán dẫn - Ứng dụng: Dựa vào quan hệ i, u loại điốt, người ta sử dụng ứng dụng sau: + Sử dụng tính chất cho dịng qua theo hướng, điốt sử dụng cho mạch chỉnh lưu điện áp; ghim điện áp, tách sóng + Sử dụng hiệu ứng Zener (đánh thủng mặt ghép), điốt sử dụng cho mạch ổn áp + Sử dụng hiệu ứng phát quang, điốt sử dụng để phát quang (LED) + Sử dụng phần phi tuyến đặc tính Vơn-Ampe, điốt sử dụng cho trộn tần số; mạch tạo hàm phi tuyến b) Transistor lưỡng cực (BJT) Linh kiện bán dẫn gồm bán dẫn tiếp xúc xen kẽ hình thành nên tiếp giáp p-n, linh kiện tạo gồm điện cực - Transistor cấu tạo từ miền bán dẫn P, N xen kẽ tạo thành hai chuyển tiếp PN Do thứ tự xếp miền P, N mà ta có: transistor PNP transistor NPN E P N C P E N P B E C N B E C C B B - Tùy thuộc cách phân cực (cấp nguồn) cho mặt ghép mà transistor làm việc chế độ khác nhau: + Chế độ khuếch đại: Dòng điện đầu BJT tỷ lệ với tín hiệu đầu vào, BJT sử dụng cho mục đích khuếch đại tín hiệu, thường sử dụng kỹ thuật tương tự + Chế độ cắt chế độ thơng bão hịa: BJT làm việc khóa điện tử, sử dụng kỹ thuật số Transistor đóng vai trị quan trọng bậc tiến kỹ thuật điện tử, kỹ thuật bán dẫn-số-vi xử lý c) Transistor trường - Cấu kiện bán dẫn có sử dụng hiệu ứng trường gọi transistor trường (field – Effect – Transistor viết tắt FET), tượng điện dẫn suất vật liệu bán dẫn thay đổi điện trường đặt lên khối bán dẫn thay đổi Ngày transistor trường ngày hoàn thiện cấu trúc ổn định tham số - Có thể chia transistor trường chuyển tiếp PN (Junction Field Effect Transistor JFET) làm hai loại chính: + JFET kênh N + JFET kênh P D G S - Transistor hiệu ứng trường có ưu điểm: Tạp âm nội nhỏ, trở kháng vào Zv >>, trở kháng Zr nhỏ, thời gian đống mở nhanh, cơng suất dịng điện lớn, dải tần cơng tác rộng d) Thyristor - Cấu tạo Thyristor (Điốt điều khiển) SCR (Silicon Controlled Rectifier) chế tạo bốn lớp bán dẫn xếp xen kẽ P1-N1-P2-N2, hình thành ba mặt ghép J1, J2, J3, có cực A, K, cực điều khiển G Thực tế coi Thyristor cấu tạo từ hai transistor: P1N1P2 (Q1) N1P2 N2 (Q2) mắc nối tiếp A A G - Ký hiệu G K K - Phương pháp kích thích xung (phương pháp điều khiển): Khi UAK cịn nhỏ chưa đủ để kích mở Thyristor, ta đưa vào cực điều khiển G điện áp xung UG có cực tính dương đặt vào G âm đặt vào K, làm cho Q2 thông  Ic2 tăng  Ib1 tăng Q1 thơng, Thyristor thơng hồn tồn ngắt xung UG Ứng dụng: Sử dụng lĩnh vực điện tử cơng suất, để điều chỉnh dịng điện công suất cao e) Linh kiện quang điện tử Thu quang - Khi chiếu chùm tia sáng vào bán dẫn, phần bị phản xạ trở lại, phần lượng chùm sáng bị bán dẫn hấp thụ Năng lượng chùm tia sáng sâu vào bán dẫn giảm - Khi bán dẫn hấp thụ lượng tử ánh sáng (photon), phải tuân theo định luật bảo toàn lượng bảo toàn xung lượng - Hiệu ứng quang tượng xuất điện động cực chuyển tiếp P-N chiếu sáng Một số linh kiện: + Điốt quang Điốt quang sử dụng với hai mục đích sau: Khi làm việc chế độ phân cực ngược có tác dụng quang trở (thay đổi điện trở thân điốt Rt lượng chiếu sáng thay đổi) + P N - Khi làm việc chế độ phân cực thuận, tác dụng dụng cụ quang áp (tế bào quang điện, nguồn điện) Dựa vào hiệu ứng quang, chế tạo tế bào quang điện sử dụng thiết bị tự động điện ảnh Nếu ghép nhiều tế bào quang điện lại tạo pin mặt trời dùng để biến lượng ánh sáng thành lượng điện + Điện trở quang: Hiệu ứng quang dẫn: Là thay đổi điện dẫn suất bán dẫn chiếu lên chùm tia sáng nhiệt độ cố định Điện dẫn suất bán dẫn thay đổi chiếu sáng gọi điện dẫn sáng + Transistor quang: Transistor quang tương tự transistor thông thường, khác chỗ khơng có cực Bazơ nối mà để chiếu sáng làm việc Hình thức bên ngồi khác transistor thơng thường chỗ vỏ có cửa sổ suốt cho ánh sáng chiếu vào cưc B Khi sử dụng, transistor quang mắc tương tự transistor thường mắc cực E chung (chế độ KĐ), chuyển tiếp Emito phân cực thuận, chuyển tiếp Colectơ mắc phân cực ngược C E C E + Các linh kiện khác: Transistor trường quang, Thyritor quang, Linh kiện ghép nối quang học Phát quang - Dựa sở tái hợp thẳng hạt dẫn xẩy vật liệu bán dẫn định luật bảo toàn động lượng Khi điện tử chuyển rời từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp, Photon giải phóng phát sáng, dựa vào người ta chế tạo linh kiện phát quang LED bán dẫn sử dụng hợp chất GaAs - Cơ chế tái hợp xảy chất bán dẫn có cấu trúc vùng lượng đơn giản, đáy thấp vùng dẫn đỉnh vùng hoá trị tương ứng với xung lượng - Đối với loại bán dẫn thông thường khác Si, Ge …chúng có cấu trúc vùng lượng, có đáy thấp vùng dẫn đỉnh vùng hố trị khơng tương ứng với giá trị xung lượng điện tử Sự tái hợp trường hợp tái hợp xiên nên không phát photon Một số linh kiện: + Điốt phát quang: Cấu tạo (LED hiển thị): Điốt phát quang có cấu tạo đơn mặt ghép P-N chế tạo từ vật liệu GaAs, GaP + LED hồng ngoại: Đối với hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200 Mbit/s sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μw, điôt phát quang bán dẫn thường nguồn sáng tốt + Laze bán dẫn: Laze phát xạ điện từ kích thích, xạ hình thành vùng định vật liệu dụng cụ bán dẫn + Hiển thị tinh thể lỏng: LED dùng làm hiển thị chữ số, có nhược điểm dịng tiêu thụ tương đối lớn Để khắc phục vấn đề này, dùng tinh thể lỏng để làm hiển thị thay cho LED trường hợp cần thiết f) Mạch tổ hợp bán dẫn (IC) - Nhiệm vụ kỹ thuật vi điện tử tạo phần tử sơ đồ điện tử có độ tin cậy cao, kích thước nhỏ - Sử dụng vật liệu tinh khiết, quy trình kỹ thuật tiến hành điều kiện sạch, giảm cực tiểu số chỗ nối mạch, chế tạo mạch có kích thước nhỏ, chắn - Trong q trình chế tạo mạch vi điện tử phức tạp, có số phần tử nhiều, mật độ liên kết linh kiện cao, phải đảm bảo phối hợp thật tốt quy trình cơng nghệ sản xuất khác Vi mạch tuyến tính nhóm mạch có nhiệm vụ sử lý tín hiệu điện liên tục theo thời gian có biên độ dao động nhỏ - Phân loại: Vi mạch tuyến tính có mạch KĐ điện áp thành phần gồm có: * Bộ KĐ điện áp lối vào, lối * Bộ KĐ điện áp lối vào, lối * Bộ KĐ vi sai * Bộ KĐ thuật toán Tiêu biểu cho vi mạch tuyến tính vi mạch thuật tốn Vi mạch số: Mạch vi điện tử làm việc xử lý tín hiệu rời rạc gián đoạn theo thời gian (tín hiệu xung) gọi vi mạch tích hợp số hay Các vi mạch phần tử lôgic làm việc với tín hiệu điện dạng xung Hệ mã hoá trạng thái logic vi mạch hệ số Mức lơ gíc ứng với điện dương cao mức lô gic ứng với điện dương thấp Các phần tử logic mạch “không”, “và”, “hoặc”, “và - không”, “hoặc - không” Họ mạch TTL Đây họ mạch sử dụng phổ biến chế tạo nhiều ThS Vũ Tất Điệp ... dẫn điện + Vật liệu cách điện: Wg có giá trị lớn, cỡ vài eV, electron khó vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện II CÁC LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN CƠ BẢN Vật liệu dẫn điện - Vật liệu có tính dẫn điện, ... (nam châm điện, biến áp, động điện, ) III LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Linh kiện thụ động - Trạng thái điện phần tử thể qua hai thông số điện áp dòng điện Khi phần tử tự tạo thơng số phần tử gọi nguồn... cao Vật liệu cách điện thường gọi điện môi - Phân loại theo trạng thái vật lý: Vât liệu cách điện (điện mơi) thể khí, thể lỏng thể rắn + Các đặc điểm vật liệu cách điện thể khí: Hằng số điện