Tài liệu Giáo trình: "Cấu kiện điện tử" ppt

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 H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THƠNG C U KI N Biên so n : I NT THS TR N TH C M 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 Công 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 thơng 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 Ngoài ra, ch ng cịn 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 Ngồi ra, ch ng cịn 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 thông 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 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 r t mong nh n đ c s góp ý c a nhà chun mơn, b n đ ng nghi p nh ng quan tâm đ n chuyên ngành đ b sung hồn 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 thông, km 10 đ ng Nguy n Trãi Hà N i - Hà ông Xin chân thành c m n! 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 thơng 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 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 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 hoá 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 hịa 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 cịn 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 không ho c khơng khí Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiƯn ®iƯn t n hao n môi (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 qt sau: - Pa = U 2ωCtgδ (1 2) Trong đó: Pa đ t n hao n môi đo b ng oát (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 mơi 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 - Dịng n ch t n mơi (I): Dịng n ch t n mơi g m có thành ph n dòng n chuy n d ch dòng n rị • Dịng n chuy n d ch IC.M (hay g i dòng n phân c c): Quá trình chuy n d ch phân c c c a n tích liên k t ch t n môi 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 • Dịng 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 dịng n rị: R c.® = U (1 4) I − ∑ ICM Trong đó: I - Dòng n nghiên c u 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 môi 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 thông 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 Gi i thi u chung v t li u n t CÊu kiƯn ®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 cơng 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 ... kiÖn ®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 thơng, đ ng th i giáo trình c ng có th đ c... làm tài li u tham kh o cho k s chuyên ngành i n t - Vi n thông Giáo trình đ c vi t theo ch ng trình đ c ng môn 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. .. 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