Cấu kiện điện tử quang điện tử

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giảng viên: ThS Trần Thục Linh Điện thoại/E-mail: 0914932955/thuclinh_dt@yahoo.com Bộ môn: Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử Học kỳ/Năm biên soạn: 2/2009 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Nội dung môn học Chương 1- Giới thiệu chung Chương 2- Cấu kiện thụ động Chương 3- Vật lý bán dẫn Chương 4- Diode (Điốt) Chương 5- BJT (Transistor lưỡng cực) Chương 6- FET (Transistor hiệu ứng trường) Chương 7- Thyristors: SCR – Triac – Diac - UJT Chương 8- Cấu kiện quang điện tử www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Tài liệu học tập Tài liệu chính: Slide giảng Bài giảng Cấu kiện điện tử quang điện tử, Đỗ Mạnh Hà, Học viện CNBCVT, 2009-2010 Tài liệu tham khảo: Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006 Linh kiện bán dẫn vi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 Giáo trình Cấu kiện điện tử quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, 2002 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Yêu cầu môn học Sinh viên phải đọc trước slide giảng trước lên lớp Tích cực trả lời đặt câu hỏi lớp qua email GV Làm tập thường xuyên, nộp tập Giảng viên yêu cầu Tự thực hành theo yêu cầu với phần mềm EDA Điểm môn học: Kiểm tra : - Câu hỏi ngắn Chuyên cần : 10 % - Bài tập Kiểm tra kỳ: 10 % Thi kết thúc: - Lý thuyết: + Trắc nghiệm Thí nghiệm : 10 % + Câu hỏi ngắn Thi kết thúc : 70 % - Bài tập www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Chương 1- Giới thiệu chung Giới thiệu chung cấu kiện điện tử Phân loại cấu kiện điện tử Giới thiệu vật liệu điện tử Giới thiệu phần mềm EDA hỗ trợ môn học www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giới thiệu chung Cấu kiện điện tử Cấu kiện điện tử phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện tử, hệ thống điện tử Cấu kiện ĐT ứng dụng nhiều lĩnh vực Nổi bật ứng dụng lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT Cấu kiện ĐT 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 Pentium 4: > 40 triệu Transistor,…) Xu cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày cao, tính mạnh, tốc độ lớn… www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Vi mạch ứng dụng Processors CPU, DSP, Controllers Memory chips RAM, ROM, EEPROM Analog Thông tin di động, xử lý audio/video Programmable PLA, FPGA Embedded systems Thiết bị ô tô, nhà máy Network cards System-on-chip (SoC) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Ảnh: amazon.com Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Ứng dụng linh kiện điện tử Chips… Sand… www.ptit.edu.vn Chips on Silicon wafers GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Lịch sử phát triển công nghệ (1) Các cấu kiện bán dẫn diodes, transistors mạch tích hợp (ICs) tìm thấy khắp nơi sống (Walkman, TV, ơtơ, máy giặt, máy điều hồ, máy tính,…) Những thiết bị có chất lượng ngày cao với giá thành rẻ PCs minh hoạ rõ xu hướng Nhân tố đem lại phát triển thành cơng cơng nghiệp máy tính việc thông qua kỹ thuật kỹ công nghiệp tiên tiến người ta chế tạo transistor với kích thước ngày nhỏ → giảm giá thành công suất Bài học khám phá đặc tính bên thiết bị bán dẫn → SV hiểu mối quan hệ cấu tạo hình học tham số vật liệu; hiểu đặc tính điện chúng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Lịch sử phát triển công nghệ (2) Audion (Triode) 1906, Lee De Forest First point contact transistor (germanium) 1947, John Bardeen and Walter Brattain Bell Laboratories www.ptit.edu.vn 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”) 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode”) 1906 Lee de Forest (“Triode”) Vacuum tube devices continued to evolve 1940 Russel Ohl (PN junction) 1947 Bardeen and Brattain (Transistor) 1952 Geoffrey W A Dummer (IC concept) 1954 First commercial silicon transistor 1955 First field effect transistor - FET GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 10 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ APD • Miền tăng tốc (miền hấp thụ ánh sáng) & miền nhân hạt tải tách biệt • Khi có ánh sáng chiếu vào, hạt tải qua miền hấp thụ tăng tốc, chúng va đập mạnh vào nguyên tử bán dẫn gây nên ion hoá tạo cặp e - lỗ trống Quá trình lặp lặp lại nhiều lần → hiệu ứng thác lũ → tăng dịng quang điện bên ngồi, tăng độ khuếch đại (tăng độ nhạy APD) • Điện áp phân cực ngược cao (>100V) → Photon tạo cặp e-lỗ trống → cặp e/lỗ trống tăng thêm hiệu ứng thác lũ M = độ khuếch đại thác lũ (vd: 100) q R A P D ≈ l λ , R A P D = M R , hc Độ khuếch đại cao, băng thông thường thấp hơn, nhiều nhiễu so với điốt PIN www.ptit.edu.vn Hình 8.19 Mơ hình APD với vùng nhân vùng hấp thụ tách biệt GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh Trang 30 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các đặc điểm điốt quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 31 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (1) Cấu tạo ngun lý: ¾Transistor quang có cấu trúc lớp BJT thông thường miền cực gốc để hở, có diện tích thích hợp để tiếp nhận ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ ¾Khi Transistor quang chế độ hoạt động tiếp giáp BC phân cực ngược tiếp giáp BE phân cực thuận ¾Khi ánh sáng chiếu vào Transistor quang, hạt tải sinh khuếch tán tới tiếp giáp BC, tiếp giáp tách điện tử lỗ trống để góp phần tạo nên dịng quang điện ¾Tiếp giáp BC có vai trị điốt quang, hạt tải từ phía tiếp giáp thuận BE tiêm chích vào cực gốc B Dịng quang điện miền B (dòng rò ICB) trở thành dòng IB khuếch đại lên (β+1) lần collector www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 32 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (2) Ký hiệu: (a) (b) !NPN !NPN Hình 8.20 Ký hiệu Transistor quang cực (a) Transistor quang cc (b) c im: ắ khuch i: 100 ữ1000 ln độ khuếch đại khơng tuyến tính theo cường độ ánh sáng chiếu vào mối nối cực C B ¾Tốc độ làm việc chậm tụ điện kí sinh Ccb gây hiệu ứng Miller ¾Tần số làm việc max ∼vài trăm KHz ¾Để tăng độ nhạy người ta chế tạo loại Transistor lắp theo kiểu Darlington www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 33 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (3) (a) (b) +VCC 1m 1N1183 RY RY 1k R !NPN +VCC +VCC R 1k D D (c) 1m 1N1183 Ứng dụng: !NPN !NPN !NPN 1m 1N1183 !NPN !PNP RY Hình 8.21 ¾Mạch điện a) dùng transistor quang lắp Darlington với transistor công suất để điều khiển rơle RY Khi chiếu sáng transistor quang dẫn làm transistor công suất dẫn cấp điện cho rơle www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 34 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Transistor quang (4) ¾Mạch điện hình (b) lấy điện áp Vc transistor quang để phân cực cho cực B transistor công suất Khi transistor quang chiếu sáng dẫn điện làm điện áp Vc giảm, cực B transistor công suất không phân cực nên ngưng dẫn rơle không cấp điện ¾Mạch điện hình (c) dùng transistor loại PNP nên có ngun lý ngược lại mạch điện hình (b) quang transistor chiếu sáng dẫn điện tạo sụt áp điện trở để phân cực cho cực B transistor công suất loại PNP làm transistor công suất dẫn, cấp điện cho rơle ¾Hiện người ta cịn chế tạo JFET quang Thyristor quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 35 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (Opto- Couplers) (1) ¾Mục đích: dùng để cách điện mạch có khác biệt lớn điện áp ¾VD: mạch tự động điều khiển cơng suất có điện áp cao (U = 200V÷380V, 660V hay 1000V); mạch điều khiển thường có điện áp thấp mạch logic, máy tính hay hệ thống phải tiếp xúc với người ¾Cấu tạo: Bộ ghép quang gồm thành phần gọi sơ cấp thứ cấp Phần sơ cấp điốt loại GaAs phát tia hồng ngoại, phần thứ cấp Transistor quang loại Silic Khi phân cực thuận, điốt phát xạ hồng ngoại chiếu lên mạch Transistor quang ¾Nguyên lý: Phần sơ cấp LED hồng ngoại biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng Tín hiệu ánh sáng phần thứ cấp (Transistor quang) biến đổi lại thành tín hiệu điện www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 36 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (2) !NPN !NPN Hình 8.22 Nguyên lý 1N1183 IC 1N1183 IF 3 !NPN 1N1183 Hình 8.23 Bộ ghép quang transistor ¾ Đặc điểm: Điện áp cách điện sơ cấp thứ cấp (vài trăm vơn ÷ hàng ngàn vơn) Bộ ghép quang làm việc với IDC IAC có tần số cao Điện trở cách điện sơ cấp thứ cấp có trị số lớn (vài chục MΩ÷vài trăm MΩ) IDC Hệ số truyền đạt dòng điện (IC/IF): vài chục % ÷ vài trăm % tuỳ loại ghép quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 37 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (3) ¾ Các loại ghép quang: a) Bộ ghép quang Transistor: Phần thứ cấp: Transistor loại Si Đối với ghép quang transistor có chân transistor khơng có cực B, trường hợp ghép quang transistor có chân cực B nối ngồi (hvẽ) Bộ ghép quang khơng có cực B có ưu điểm hệ số truyền đạt lớn, có nhược điểm độ ổn định nhiệt Nếu nối cực B E điện trở ghép quang transistor làm việc ổn định với nhiệt độ hệ số truyền đạt bị giảm www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 38 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (4) b) Transistor quang Darlington: có nguyên lý ghép quang với transistor quang với hệ số truyền đạt lớn vài trăm lần nhờ tính chất khuếch đại mạch Darlington NDAR1 1N1183 Nhược điểm: ảnh hưởng nhiệt độ lớn nên chân B E transistor sau thường có điện trở để ổn định nhiệt 1k Hình 8.24 Transistor quang Darlington www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 39 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (5) FD1 BP104S c) Bộ ghép quang với Thyristor quang: Gồm điốt quang transistor lắp theo nguyên lý SCR Khi có ánh sáng hồng ngoại LED sơ cấp chiếu vào điốt quang có dịng điện IB cấp cho transistor NPN transistor NPN dẫn điều khiển transistor PNP dẫn điện Thyristor quang dẫn điện trì trạng thái dẫn mà khơng cần kích liên tục sơ cấp Để tăng khả chống nhiễu người ta nối chân G K điện trở từ vài KΩ÷vài chục KΩ A 1N1183 Hình 8.25 Ký hiệu cấu trúc bán dẫn tương đương Thyristor quang www.ptit.edu.vn 2N1595 !PNP G GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 !NPN K Trang 40 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (6) d) OPTO- Triac: có cấu trúc bán dẫn hình vẽ T2 Hình 8.26 Ký hiệu cấu trúc bán dẫn tương đương Triac quang G!PNP FD1 BP104S !NPN !PNP FD1 BP104S !NPN 1k 1k 2N5444 1N1183 T1 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 41 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (7) ¾ Ứng dụng: Các loại ghép quang có dịng điện sơ cấp cho LED hồng ngoại khoảng 10 mA Đối với transistor quang thay đổi trị số dòng điện qua LED hồng ngoại sơ cấp làm thay đổi dòng điện IC transistor quang thứ cấp Các ghép quang dùng thay cho rơle hay biến áp xung để giao tiếp với tải thường có điện áp cao dòng điện lớn www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 42 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (8) ¾ Mạch điện hình 8.27 ứng dụng transistor quang để điều khiển đóng ngắt rơle ¾Transistor quang ghép quang ghép Darlington với transistor công suất bên ngồi www.ptit.edu.vn RY D NDAR1 1N1183 ¾Khi LED hồng ngoại sơ cấp cấp nguồn 5V transistor quang dẫn, điều khiển transistor 390 1kΩ công suất dẫn để cấp điện cho rơle RY +5V ¾ Điện trở 390Ω để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng 10mA 1m 1N1183 +24V Hình 8.27 GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 43 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các ghép quang (9) ¾ Mạch điện hình 8.28 ứng dụng OPTO- Triac để đóng ngắt điện cho tải dùng nguồn xoay chiều 220V ¾ Điện trở 1kΩ để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng 10mA ¾ Khi LED sơ cấp cấp nguồn 12V Triac quang kích dẫn điện tạo dịng kích cho Triac cơng suất Khi Triac cơng suất kích dẫn điện cơng tắc để đóng điện cho tải 1k Tải www.ptit.edu.vn U1 D30 2N5444 1N1183 +12V ~220V Hình 8.28 GIẢNG VIÊN: ThS Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 44 ... thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Chương 1- Giới thiệu chung Giới thiệu chung cấu kiện điện tử Phân loại cấu kiện điện tử Giới thiệu vật liệu điện tử. .. thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giới thiệu chung Cấu kiện điện tử Cấu kiện điện tử phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện. .. GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Lý thuyết vật lý học lượng tử Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử nằm mức lượng gián đoạn định - mức lượng nguyên tử Nguyên lý Pauli: điện tử phải nằm

Định dạng
Số trang	380
Dung lượng	5,29 MB