HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2007 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Biên soạn : CuuDuongThanCong.com THS TRẦN THỊ CẦM https://fb.com/tailieudientucntt CÊu kiƯn ®iƯn tư LỜI NĨI ĐẦU Tập giáo trình "Cấu kiện điện tử " biên soạn để làm tài liệu giảng dạy học tập cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Điện tử - Viễn thơng, đồng thời giáo trình sử dụng cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư chuyên ngành Điện tử - Viễn thơng Giáo trình viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử quang điện tử" Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Nội dung giáo trình trình bày cách rõ ràng, có hệ thống kiến thức đại vật liệu cấu kiện điện tử - quang điện tử sử dụng ngành kỹ thuật điện tử kỹ thuật viễn thông Giáo trình "Cấu kiện điện tử" gồm chương + Chương Giới thiệu chung cấu kiện điện tử vật liệu điện tử Trong chương đưa rađịnh nghĩa cách phân loại cấu kiện điện tử, đặc tính tham số kỹ thuật loại vật liệu sử dụng kỹ thuật điện tử - viễn thông chất cách điện, chất dẫn điện, chất bán dẫn vật liệu từ + Chương trình bày cấu kiện điện tử thụ động điện trở, tụ điện, cuộn dây biến áp, đặc tính tham số cấu kiện này, cách nhận biết cách đọc tham số linh kiện thực tế + Chương trình bày điốt bán dẫn Trong chương này, giáo trình nêu lên tính chất vật lý đặc biệt lớp tiếp xúc P - N, đồng thời trình bày chi tiết cấu tạo nguyên lý hoạt động đặc tuyến, tham số kỹ thuật điốt bán dẫn Ngoài ra, chương trình bày chế độ làm việc ốt bán dẫn giới thiệu số loại ốt thông dụng đặc biệt + Chương trình bày cấu tạo nguyờn lý hoạt động tranzito lưỡng cực (BJT) Đồng thời, chương trình bày cụ thể ba cách mắc tranzito sơ đồ mạch khuếch đại, đặc tính đặc điểm cách mắc Đồng thời chương trình bày cách phân cực mạch tương đương tranzito + Chương giới thiệu chung tranzito hiệu ứng trường (FET) phân loại tranzito trường Trong chương trình bày cụ thể cấu tạo nguyện lý hoạt động cách phân cực cho tranzito trường loại JFET MOSFET + Chương giới thiệu cấu kiện thuộc họ thyristo chỉnh lưu silic có điều khiển, triac, diac; nờu cấu tạo nguyờn lý hoạt động ứng dụng chúng Đồng thời, chương trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động tranzito đơn nối (UJT) + Chương đề cập đến phát triển kỹ thuật điện tử vi mạch tích hợp Trong chương trình bày khái niệm, phân loại sơ lược công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn, loại vi mạch sản xuất sử dụng rộng rãi Ngoài ra, chương trình bày đặc tính tham số trình bày đặc điểm tham số hai loại vi mạch: vi mạch tuyến tính vi mạch số Trong giới thiệu chi tiết vi mạch khuếch đại thuật toán (OA), loại vi mạch vạn sử dụng rộng rãi nhiều chức khác + Chương trình bày cấu kiện quang điện tử Chương trình bày tỉ mỉ hệ thống loại cấu kiện quang điện tử bán dẫn không bán dẫn sử dụng kỹ thuật điện tử kỹ thuật viễn thơng Ở trình bày cấu kiện quang điện tử sử dụng kỹ thuật điện tử thông tin quang: - Các linh kiện phát quang: LED thị, LED hồng ngoại, LASER, mặt thị tinh thể lỏng LCD CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CÊu kiƯn ®iƯn tư - Các linh kiện thu quang: điện trở quang, điôt quang, tranzito quang, thyristo quang, tế bào quang điện pin mặt trời Trong tập giáo trình tác giả sử dụng nhiều tài liệu tham khảo biên soạn theo trật tự logic định Tuy nhiên, tập giáo trình khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế Chúng tơi mong nhận góp ý nhà chuyên môn, bạn đồng nghiệp quan tâm đến chuyên ngành để bổ sung hồn chỉnh tập giáo trình "Cấu kiện điện tử" tốt Các ý kiến đóng góp xin gửi đến môn Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử I, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông, km 10 đường Nguyễn Trãi Hà Nội - Hà Đông Xin chân thành cảm ơn! CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung vật liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương giới thiệu khái niệm chung cấu kiện điện tử, giúp cho sinh viên chuyên ngành Điện tử Viễn thơng có khái niệm ban đầu bao quát linh kiện điện tử sử dụng mạch điện tử Đồng thời chương giới thiệu đặc tính vật lý điện vật liệu dùng kỹ thuật điện tử Học xong chương 1, sinh viên phải nắm khái niệm chung cấu kiện điện tử, khái niệm sơ mạch điện điện tử Sinh viên phải hiểu đặc tính kỹ thuật loại vật liệu dùng lĩnh vực kỹ thuật điện tử, số loại vật liệu thông dụng thường dùng ứng dụng chúng NỘI DUNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Cấu kiện điện tử môn học cấu tạo, nguyên lý hoạt động số ứng dụng linh kiện sử dụng mạch điện tử để thực chức kỹ thuật phận thiết bị điện tử chuyên dụng thiết bị điện tử dân dụng Cấu kiện điện tử có nhiều loại thực chức khác mạch điện tử Muốn tạo thiết bị điện tử phải sử dụng nhiều linh kiện điện tử, từ linh kiện đơn giản điện trở, tụ điện, cuộn dây đến linh kiện thiếu điốt, tranzito linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp Chúng đấu nối với theo sơ đồ mạch thiết kế, tính tốn khoa học để thực chức thiết bị thông thường máy radiocassettes, tivi, máy tính, thiết bị điện tử y tế đến thiết bị thông tin liên lạc tổng đài điện thoại, trạm thu - phát thông tin hay thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v Nói chung cấu kiện điện tử loại linh kiện tạo thiết bị điện tử chúng quan trọng đời sống khoa học kỹ thuật muốn sử dụng chúng cách hiệu phải hiểu biết nắm đặc điểm chúng 1.2 PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Có nhiều cách phân loại cấu kiện điện tử dựa theo tiêu chí khác Ở kể đến số cách phân loại thông thường: 1.2.1 Phân loại dựa đặc tính vật lý: Dựa vào đặc tính vật lý cấu kiện điện tử chia làm loại: - Các cấu kiện điện tử thông thường: Đây linh kiện điện tử có đặc tính vật lý điện điện tử thơng thường Chúng hoạt động tác dụng sóng điện từ có tần số từ cực thấp (f = 1Khz÷10Khz) đến tần số siêu cao tần(f = 10Ghz ÷ 100Ghz) sóng milimet - Cấu kiện quang điện tử: Đây linh kiện điện tử có đặc tính vật lý điện – quang Chúng hoạt động tác dụng sóng điện từ có tần số cao (f = 10 đến 10 Ghz) thường gọi ánh sáng 1.2.2 Phân loại dựa theo lịch sử phát triển công nghệ điện tử: Người ta chia cấu kiện điện tử làm loại: - Cấu kiện điện tử chân không: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy môi trường chân không CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung vật liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn - Cấu kiện điện tử có khí: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy mơi trường khí trơ - Cấu kiện điện tử bán dẫn: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy môi trường chất bán dẫn - Cấu kiện vi mạch: chíp bán dẫn tích hợp từ cấu kiện bán dẫn theo sơ đồ mạch thiết kế trước có chức định - Cấu kiện nanô: cấu kiện có kích thước nanomet chế tạo theo cơng nghệ nanơ nên có tính chất khả tiện ích vơ đặc biệt, khác hẳn với cấu kiện có kích thước lớn thơng thường (từ μm trở lên) 1.2.3 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu: Dựa theo chức xử lý tín hiệu người ta chia cấu kiện điện tử thành loại cấu kiện điện tử tương tự (điện tử analoge) cấu kiện điện tử số (điện tử digital) - Cấu kiện điện tử tương tự linh kiện có chức xử lý tín hiệu điện xảy liên tục theo thời gian - Cấu kiện điện tử số linh kiện có chức xử lý tín hiệu điện xảy rời rạc, không liên tục theo thời gian 1.2.4 Phân loại dựa vào ứng dụng cấu kiện điện tử: Dựa vào ứng dụng cấu kiện điện tử người ta chia cấu kiện điện tử làm loại cấu kiện điện tử thụ động cấu kiện điện tử tích cực: - Cấu kiện điện tử thụ động linh kiện điện tử có khả xử lý tiêu thụ tín hiệu điện - Cấu kiện điện tử tích cực linh kiện điện tử có khả biến đổi tín hiệu điện, tạo khuếch đại tín hiệu điện 1.3 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 1.3.1 Mạch điện: Mạch điện tập hợp gồm có nguồn điện (nguồn áp nguồn dòng) cấu kiện điện tử dây dẫn điện đấu nối với theo sơ đồ mạch thiết kế nhằm thực chức thiết bị điện tử hệ thống điện tử Ví dụ mạch tạo dao động hình sin, mạch khuếch đại micro, mạch giải mã nhị phân, mạch đếm xung, đơn giản mạch phân áp, 1.3.2 Hệ thống điện tử Hệ thống điện tử tập hợp mạch điện tử đơn giản có chức kỹ thuật riêng thành thiết bị điện tử có chức kỹ thuật định hệ thống điện tử phức tạp có chức kỹ thuật riêng máy thu hình, máy sóng, hệ thống phát truyền hình, trạm truyền dẫn vi ba, hệ thống thông tin quang Mạch điện tử hay hệ thống điện tử có nguồn điện cung cấp chiều (DC) để phân cực cho cấu kiện điện tử hoạt động chế độ nguồn tín hiệu cần xử lý mạch 1.4 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ Các vật liệu sử dụng kỹ thuật điện tử đa dạng nhiều Chúng gọi chung vật liệu điện tử để phân biệt với loại vật liệu sử dụng lĩnh vực khác Tuỳ theo mục đích sử dụng yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn vật liệu cho thích hợp đảm bảo tiêu kỹ thuật, dễ gia công giá thành rẻ - Dựa vào lý thuyết vùng lượng người ta chia vật chất làm ba loại chất cách điện, chất bán dẫn chất dẫn điện Theo lý thuyết trạng thái lượng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung vật liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn ngun tử vật chất phân chia thành ba vùng lượng khác là: vùng hóa trị, vùng dẫn vùng cấm Mức lượng cao vùng hóa trị ký hiệu EV; mức lượng thấp vùng dẫn ký hiệu EC độ rộng vùng cấm ký hiệu EG + Chất cách điện: Cấu trúc vùng lượng chất cách điện mơ tả hình 1-1a Độ rộng vùng cấm EG có giá trị đến vài eV (EG ≥ 2eV) + Chất bán dẫn: Chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ (EG < 2eV), xem hình 1-1b Dải dẫn E EC E Điện tử EC Dải dẫn EG < eV EG > eV EV Lỗ trống E EV EC EV EG = Dải hoá trị Dải hoá trị a/ b/ c/ Hình 1- 1: Cấu trúc dải lượng vật chất a- Chất cách điện; b- Chất bán dẫn; c- Kim loại + Kim loại: Cấu trúc vùng lượng tinh thể khơng có vùng cấm, vùng hóa trị hòa vào vùng dẫn (hình 1-1c) nên điện tử hóa trị điện tử tự - Dựa vào ứng dụng, vật liệu điện tử thường phân chia thành loại chất cách điện (hay chất điện môi), chất dẫn điện, chất bán dẫn vật liệu từ 1.4.1 Chất cách điện (hay chất điện môi) a Định nghĩa Chất cách điện, hay gọi chất điện mơi Chất cách điện có điện trở suất cao vào khoảng 107 ÷ 1017Ωm nhiệt độ phòng Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu vô hữu Chúng thể khí, thể lỏng thể rắn b Các tính chất chất điện mơi - Độ thẩm thấu điện tương đối (hay gọi số điện môi): Hằng số điện môi ký hiệu ε, biểu thị khả phân cực chất điện môi xác định biểu thức: C ε= d (1 1) C0 Trong đó: Cd điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi; C0 điện dung tụ điện sử dụng chất điện mơi chân khơng khơng khí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung vật liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn - Độ tổn hao điện mơi (Pa): Độ tổn hao điện mơi cơng suất điện chi phí để làm nóng chất điện mơi đặt điện trường tính theo cơng thức tổng qt sau: Pa = U 2ωCtgδ (1 2) Trong đó: Pa độ tổn hao điện mơi đo ốt (w) U điện áp đặt lên tụ điện đo vôn (V) C điện dung tụ điện dùng chất điện môi đo Farad (F) ω tần số góc đo rad/s tgδ góc tổn hao điện môi - Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t.): Nếu ta đặt chất điện môi vào điện trường mà bị khả cách điện - ta gọi tượng đánh thủng chất điện môi Trị số điện áp xẩy tượng đánh thủng chất điện môi gọi điện áp đánh thủng Uđ.t thường đo KV, cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi độ bền điện Độ bền điện ký hiệu Eđ.t tính theo cơng thức: E ®.t = U ®.t d [KV / mm;KV / cm] (1 3) Trong đó: Uđ.t - điện áp đánh thủng chất điện môi d - bề dày chất điện môi bị đánh thủng - Nhiệt độ chịu đựng: Là nhiệt độ cao mà chất điện mơi giữ tính chất lý hóa - Dòng điện chất điện mơi (I): Dòng điện chất điện mơi gồm có thành phần dòng điện chuyển dịch dòng điện rò • Dòng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi dòng điện phân cực): Quá trình chuyển dịch phân cực điện tích liên kết chất điện mơi tạo nên dòng điện phân cực IC.M Khi điện áp xoay chiều dòng điện chuyển dịch tồn suốt thời gian chất điện môi nằm điện trường Khi điện áp chiều dòng điện chuyển dịch tồn thời điểm đóng ngắt điện áp • Dòng điện rò Irò: Dòng điện rò dòng điện tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển động tác động điện trường Dòng điện tổng qua chất điện mơi là: I = IC.M + Irò - Điện trở cách điện chất điện môi: Điện trở cách điện xác định theo trị số dòng điện rò: R c.® = U (1 4) I − ∑ ICM Trong đó: I - Dòng điện nghiên cứu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung vật liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn ΣIC.M - Tổng thành phần dòng điện phân cực c.Phân loại ứng dụng chất điện môi Chất điện môi chia làm loại chất điện môi thụ động chất điện mơi tích cực - Chất điện mơi thụ động gọi vật liệu cách điện vật liệu tụ điện Bảng 1.1 giới thiệu số chất điện mơi thơng dụng đặc tính chúng - Chất điện mơi tích cực vật liệu điều khiển như: + Về điện trường có gốm, thuỷ tinh, + Về học có chất áp điện thạch anh áp điện + Về ánh sáng có chất huỳnh quang + Electric hay châm điện vật chất có khả giữ phân cực lớn lâu dài Bảng 1.1 Giới thiệu đặc tính số chất điện môi thụ động thông dụng Vật liệu Eđ.t KV/mm ε tgδ ρ (Ω.m) Mi ca 50 ÷ 200 6÷8 0,0004 1015 15 ÷ 30 Sứ Gốm làm tụ 10 ÷ 40 Tỷ trọng KG/m3 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 Nhựa tổng hợp Bìa cáchđiện Giấy ÷ 12 30 3÷4 3÷4 Lụa Sáp ÷ 60 20 ÷ 35 3,8 ÷ 4,5 2,8 ÷ 2,9 0,04 ÷ 0,08 Paraphin 20 ÷ 30 2,2 ÷ 2,3 1016 Nhựa 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 Dầu tụ điện 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 Ứng dụng Tụ điện, cách điện Giá đỡ, tụ điện Tụ cao tần, tụ tần thấp Cách điện Cách điện Tụ điện, cách điện Cách điện Tẩm chống ẩm Tẩm chống ẩm Làm mối hàn Cách điện cao tần Vỏ dây dẫn Tụ điện, cáp điện 1.4.2 Chất dẫn điện a.Định nghĩa Chất dẫn điện vật liệu có độ dẫn điện cao Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện chất rắn, chất lỏng chất khí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung vật liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn b Các tính chất chất dẫn điện - Điện trở suất: ρ=R S [Ω.m] , [Ω.mm] , [μΩ.m] l (1 5) S - tiết diện ngang dây dẫn [mm2; m2] l - chiều dài dây dẫn [mm; m] R - trị số điện trở dây dẫn [Ω] Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m (của bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm) - Hệ số nhiệt điện trở suất (α): Hệ số nhiệt điện trở suất biểu thị thay đổi điện trở suất nhiệt độ thay đổi C Khi nhiệt độ tăng điện trở suất tăng lên theo quy luật: ρ t = ρ0 (1 + αt) (1 6) đó: ρt - điện trở suất nhiệt độ t (0C) ρ0 - điện trở suất nhiệt độ 00C α - hệ số nhiệt điện trở suất [K-1] Để cho kim loại nguyên chất hệ số nhiệt chúng bằng: α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 K-1 - Hệ số dẫn nhiệt : λ Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S thời gian t là: đó: Q=λ ΔT St Δl (1 7) Trong đó: λ - hệ số dẫn nhiệt [w/ (m.K)] ΔT/Δl - gradien nhiệt độ (ΔT lượng chênh lệch nhiệt độ hai điểm cách khoảng Δl) S - diện tích bề mặt t - thời gian - Cơng điện tử kim loại: Năng lượng cần thiết cấp thêm cho điện tử để khỏi bề mặt kim loại gọi cơng kim loại EW - Điện tiếp xúc: Nghiên cứu hai chất kim loại tiếp xúc với tiếp xúc C hình 1- A B C Hình 1- : Hai kim loại có tiếp xúc C CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử Từ hình 8- 48 ta thấy có nhiều vùng hoạt động phổ thêm vào Một cách lý tưởng, tăng đột biến dung lượng thơng tin sợi quang đạt việc truyền dẫn đồng thời tín hiệu quang sợi quang từ nhiều nguồn ánh sáng khác có bước sóng đỉnh xạ đặt cách cách xác Bởi nguồn sáng hoạt động bước sóng đỉnh khác nhau, tính toàn vẹn tin tức độc lập từ nguồn trì để việc chuyển đổi sang tín hiệu điện đầu thu Đây sở ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Hai cấu WDM khác mơ tả hình 8- 49 hình 8- 50 Trong hình 8-49, linh kiện WDM đơn hướng sử dụng để kết hợp bước sóng mang tín hiệu khác sợi quang đơn đầu để tách chúng vào tách quang thích hợp đầu Sơ đồ hệ thống WDM hai hướng mô tả hình 8- 50 Sơ đồ gồm việc gửi tin tức hướng bước sóng λ1 đồng thời hướng ngược lại bước sóng λ2 Kênh Kênh Nguồn λ1 Nguồn λ2 Linh kiện Sợi quang đơn WDM λ1, λ2, λN Kênh N Linh kiện Tách quang λ1 Kênh Tách quang λ2 Kênh WDM Nguồn λN Tách quang λN Kênh N Hình 8- 49 : Hệ thốngWDM đơn hướng kết hợp N tín hiệu độc lập để truyền sợi quang đơn Kênh vào Kênh Nguồn λ1 Tách quang λ2 Linh kiện WDM Sợi quang đơn λ1 λ2 Linh kiện Tách quang Kênh λ1 WDM Nguồn λ2 Kênh vào Hình 8- 50: Hệ thống WDM hai hướng, đó, hai bước sóng nhiều truyền đồng thời hướng ngược sợi quang Trong hệ thống thông tin quang hai hình trên, ghép kênh phân chia theo bước sóng có hai loại sử dụng rộng rãi linh kiện tán sắc cạnh lăng kính cách tử, lọc màng mỏng linh kiện tích hợp quang đơn mốt 8.5.2 Bộ lọc quang linh kiện tán sắc (hay ghép kênh tán sắc cạnh) Sơ đồ ghép kênh tán sắc cạnh mô tả hình 8- 51 hệ thống bước sóng sử dụng, dθ độ tán sắc cạnh linh kiện dλ 212 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Thấu kính L1 Cấu kiện quang điện tử Phần tử tán sắc cạnh Thấu kính L2 λ1 λ λ λ1 λ2 λ3 dθ dλ Sợi quang Hình 8- 51:Sơ đồ biểu diễn phần tử WDM tán sắc cạnh cho bước sóng Nhiều bước sóng kết hợp phân chia với loại linh kiện Khi linh kiện sử dụng phân kênh, ánh sáng từ sợi quang chuẩn trực thấu kính L1 (gọi thấu kính chuẩn trực) qua phần tử tán sắc cạnh phân chia thành kênh có bước sóng vào chùm tia có định hướng khơng gian khác Thấu kính L2 (thấu kính hội tụ) hội tụ tia đầu vào sợi quang thu thích hợp tách quang thích hợp Sự tán sắc tuyến tính dx sợi quang thu xác dλ định: dθ dx = f dλ dλ (8 43) f chiều dài tiêu cự thấu kính L2 Trong trường hợp lý tưởng khơng có quang sai, độ rộng phổ nguồn zero, tổn hao chèn nguyên tính xen tiếng zero tín hiệu phân chia lớn đường kính (dk), nghĩa là: dx Δλ ≥ d k dλ với: (8 44) Δλ - khoảng cách phổ kênh (khoảng cách bước sóng) dk - đường kính sợi quang Ở giả thiết tất sợi quang (phát thu) có đường kính dk độ số NA Để thu nhận tất ánh sáng từ sợi quang phát, thấu kính chuẩn trực L1 cần có đường kính b thoả mãn điều kiện: b > 2f NA n' (8 45) n’ chiết suất mơi trường thấu kính L1 linh kiện tán sắc cạnh Kết hợp công thức (8 43), (8 44) (8 45), ta có: ⎛ NA ⎞ 2⎜ ⎟d k n' ⎠ ⎝ b≥ ⎛ dθ ⎞ Δλ⎜ ⎟ ⎝ dλ ⎠ (8 46) Trong hệ thống thực tế, chùm tia bị trải rộng kích thước hữu hạn nguồn sáng kết tán sắc cạnh trải rộng bước sóng độ rộng phổ nguồn Độ tăng tỉ lượng S đường kính chùm tia tính gần bằng: S= b'−b w.d k (NA ) ≈ (1 + m ) b b n ' (8 47) 213 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử đó: m – số lượng kênh bước sóng b’ - đường kính thấu kính L2 w - độ dài tuyến tổng từ đầu thấu kính L1 đến đầu vào thấu kính L2 Để loại bỏ tượng tràn đầy độ mở số sợi quang thu, độ trải rộng tia sáng tổng cần phải phần nhỏ đường kính thấu kính chuẩn trực, nghĩa S-V2>-V3 điện tích dịch chuyển phía bên phải theo cách thức CCD loại pha Cho ống thu hình màu cần chip CCD cho màu màu đỏ, xanh xanh da trời Trên thực tế, ống hình màu chế tạo có chip với lọc để xếp cho kênh xanh có số điểm gấp lần số điểm màu đỏ xanh da trời mắt người nhạy với màu xanh tốt Để thu hình màu cần có khoảng 400 điểm hình cho hàng cho ta ảnh màu tốt Ví dụ: Đối với ống thu hình màu dùng chip theo tiêu chuẩn NTSC cần khoảng 484x400 đơn vị detector, PAL cần tới 580x400 đơn vị detector 217 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ a/ Cấu kiện quang điện tử -V1 -V1 -V2 +++ b/ +++ -V1 -V3 -V2 +++ c/ +++ -V1 -V2 -V1 +++ +++ Hình – 56: Hoạt động CCD với –V1>-V2>-V3 Tùy theo xếp phần detector phần nhớ mà ta có loại CCD khác như: IT (Interline Transfer); FT (Frame Transfer); XY (Cấu trúc với dịch chuyển digital) TÓM TẮT Cấu kiện quang điện tử nghiên cứu chương gồm cấu kiện phát quang (cấu kiện biến đổi điện – quang) LED, LASER cấu kiện thu quang (cấu kiện biến đổi quang-điện) điện trở quang, điốt quang, tranzito quang, thyristo quang Điốt phát quang- LED linh kiện phổ thơng quang điện tử, có tần số hoạt động cao, thể tích nhỏ, cơng suất tiêu hao bé không sụt áp hoạt động Điốt phát quang sử dụng rộng rãi hai lĩnh vực LED xạ ánh sáng nhìn thấy gọi LED thị LED xạ ánh sáng hồng ngoại gọi LED hồng ngoại Hai loại LED có cấu tạo nguyên lý hoạt động gần giống nhau, có bước sóng xạ vùng khác vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác theo mối quan hệ: hc λ= EG Trong đó: h- số Plank (h = 4,16 10 −15 eV) c- vận tốc ánh sáng (c = 10 m/s) EG- độ rộng vùng cấm, (eV) 218 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử Cấu tạo LED thị gồm có lớp tiếp xúc P-N, hai chân cực anốt catốt Vật liệu bán dẫn liên kết nguyên tố thuộc nhóm nhóm bảng tuần hồn Mendeleep Ngun lý hoạt động dựa vào trình tái hợp hạt dẫn điốt phân cực thuận để xạ quang Điện áp phân cực cho LED gần độ rộng vùng cấm, đó, LED xạ bước sóng khác có điện áp phân cực khác Để cường độ xạ cao, vật liệu chế tạo LED có độ pha tạp lớn, điện trở chúng nhỏ Do vậy, đấu LED mạch ta phải đấu nối tiếp với điện trở đấu nối tiếp với nguồn điện Điện áp phân cực cho LED nằm khoảng từ 1,6V ÷ 3V Điện áp phân cực ngược giới hạn cho điốt giới hạn khoảng từ 3V ÷ 5V LED nhạy với nhiệt độ , hệ số nhiệt có giá trị âm Như vậy, nhiệt độ tăng cường độ xạ quang LED giảm (khoảng 1%/ C ) LED hồng ngoại có cấu trúc đặc biệt để tạo ánh sáng có cường độ cao, thời gian đáp ứng nhanh hiệu suất quang lượng tử cao LED cấu trúc dị thể kép gồm lớp bán dẫn có vật liệu nồng độ pha tạp khác để tạo lớp giam giữ hạt dẫn giam giữ ánh sáng Nhờ lớp giam giữ hạt dẫn mà hiệu suất quang lượng tử nâng cao nhờ lớp mà tập trung xạ quang theo hướng định Tuy nhiên, ánh sáng xạ LED đẳng hướng ánh sáng không kết hợp, có cường độ xạ khơng cao phổ xạ lớn LASER bán dẫn cấu kiện bán dẫn quang dùng để tạo khuếch đại ánh sáng đơn sắc có tính liên kết pha từ xạ tự phát ánh sáng nên cường độ xạ Laser lớn có phổ xa nhỏ (khoảng vài nm) Cấu tạo Laser gần giống LED phức tạp yếu cầu độ giam giữ hạt dẫn ánh sáng hốc cộng hưởng Trong LASER, ba trình quang điện xảy ra: trình hấp thụ photon, trình xạ tự phát trình xạ kích thích Muốn LASER xạ ta phải cung cấp cho dòng điện có cường độ lớn giá trị ngưỡng (ICC ≥ ICC ngưỡng) Lúc trạng thái “đảo điện” xảy lớp bán dẫn Điều kiện để có xạ Laser khuếch đại ánh sáng thắng hấp thụ quang buồng cộng hưởng điốt laser Sự lan truyền ánh sáng dọc theo chiều dài L hộc cộng hưởng viết theo công thức sau: E(z,t) = I(z).e j (ωt − βz ) Trong I(z)- mật độ trường quang theo hướng dọc (z) z- khoảng cách theo hướng dọc hốc cộng hưởng ω- tần số góc ánh sáng β- hệ số lan truyền Mật độ xạ quang ứng với photon có lượng hν tính theo cơng thức: I(z) = I(0)R1R2.e [I g ( hν ) −α ( hν ) ]z Trong đó: α / - hệ số hấp thụ hữu ích vật liệu I / - hệ số giam giữ ánh sáng I(0)- mật độ trường quang ban đầu g- hệ số khuếch đại quang R1 R2- độ phản xạ gương phản xạ hốc cộng hưởng Điều kiện để có lasing dao động trạng thái bền chiếm giữ độ lớn pha sóng phản hồi sóng gốc tạo nó, là: / / 219 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử biên độ: I(2L) = I(0) pha: e − jβ L = Để đạt điều kienj độ khuếch đại ngưỡng lasing gth phải lớn tổng mát αt hốc cộng hưởng Đặc tính tham số Laser: Đặc tuyến phát xạ biểu thị quan hệ công suất xạ quang dòng điện cung cấp cho Laser Để có lasing ICC ≥ ICC ngưỡng Hiệu suất lượng tử vi phân xác định số photon xạ đôi điện tử-lỗ trống: qdP dP ηext = = 0,806λ E dI dI Khoảng cách tần số ∆ν = Khoảng cách bước sóng C Ln ∆λ = λ2 Ln Trong n – chiết suất vật liệu bán dẫn chế tạo Laser Cấu kiện thu quang có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện Điện trở quang cấu kiện bán dẫn khơng có tiếp xúc P-N Hiện tượng biến đổi quang –điện thực nhờ tượng hấp thụ quang để tạo đôi điện tử-lỗ trống Những hạt dẫn xuất chuyển động tác dụng điện trường tạo nên dòng quang điện việc chuyển đổi quang-điện thực Điốt quang cấu kiện thu quang có tần số làm việc cao Điốt quang có tiếp xúc P-N trình hấp thụ quang xảy lớp tiếp xúc P-N Điốt quang loại tiếp xúc P-N cho dòng điện rò nhỏ có độ nhạy thấp lớp tiếp xúc P-N hẹp, nên hiệu suất quang lượng tử thấp Để tăng độ nhạy điốt quang người ta chế tạo điốt quang loại P-IN điốt quang thác APD Điốt quang loại P-I-N có vùng tích cực lớp bán dẫn ngun tính (Intrinsic) dày lớp tiếp xúc P-N nhiều Do vậy, hiệu suất quang lượng tử nâng cao dẫn đến cường độ dòng điện quang tăng lên rõ rệt Dòng điện quang tính theo cơng thức: ⎡ e −α λ w ⎤ − ⎢ ⎥ (1 − R f ) α + L λ P ⎣ ⎦ Trong đó: q- điện tích điện tử P0 – công suất quang tới điốt quang hν – lượng photon αλ – hệ số hấp thụ ánh sáng bước sóng λ w – bề dày lớp bán dẫn nguyên tính Rf – độ phản xạ bề mặt điốt quang I phot / q e −α λ w Hiệu suất lượng tử là: η= =1P0 / hν + α λ LP Iphot = q P0 hν Độ nhạy điốt quang: S= I phot P0 = qη ηλ = hν 1,24 [A/w] Điốt quang thác (APD) có cấu trúc đặc biệt để tạo vùng có biến đổi điện áp nhanh vùng thác Khi hạt dẫn di chuyển đến vùng thác tăng tốc chúng va chạm với nguyên tử trung hòa vùng này, gây tượng i-on hóa 220 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử va chạm Do vậy, số hạt dẫn tăng lên theo cấp số nhân dẫn đến cường độ dòng điện quang điốt tăng lên khuếch đại với hệ số nhân M tính theo cơng thức: I M= M I phot Trong IM giá trị trung bình dòng quang điện nhân tổng đầu Tế bào quang điện pin mặt trời cấu kiện biến đổi lượng quang thành lượng điện Điốt APD cho độ nhạy cao yêu nguồn cung cấp cao ổn định Tranzito quang cấu kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện khuếch đại chúng Tranzito quang có cấu tạo tranzito thường cực gốc có diện tích bề mặt lớn để chiếu ánh sáng vào Khi chiếu sáng, phần gốc xuất đôi điện tử-lỗ trống Những hạt dẫn chuyển động tác dụng điện trường tạo nên thành phần dòng điện quang Tổng dòng điện sáng tranzito: ICS = βIphot + IPphot + ICtối Tranzito quang có độ nhạy cao so với điốt quang tần số làm việc thấp nhiều Thyristo quang cấu kiện đóng ngắt mạch Ánh sáng có tác dụng mở cho thyristo dẫn khơng có tác dụng biến đổi tín hiệu cấu kiện Các ghép quang có nhiệm vụ cách điện mạch điện có khác biệt điện lớn mà truyền dẫn tín hiệu chúng Cấu tạo ghép quang gồm có linh kiện phát quang (LED) linh kiện thu quang đặt gần Khi dòng điện đầu vào mạch điện tạo dòng điện thích ứng đầu mạch điện khác với hệ số truyền đạt CTR tính theo cơng thức: I CTR = I vào Cấu kiện hình học thơng tin quang lọc quang Đó lọc quang dùng linh kiện tán sắc lọc quang màng mỏng Bộ lọc quang linh kiện tán sắc (hay gọi ghép kênh tán sắc cạnh) phân kênh, ánh sáng qua lọc quang phân chia thành kênh có bước sóng vào chùm tia có định hướng khơng gian khác Bộ lọc quang màng mỏng thiết kế để truyền ánh sáng bước sóng cụ thể để hấp thụ, phản xạ tất bước sóng khác Bộ lọc loại phản xạ thường sử dụng tổn hao chúng thấp Mạch tổ hợp detector- CCD dịch chuyển tín hiệu CCD tạo từ điốt tụ điện MOS Các điện tích tích trữ CCD dịch chuyển điện tích tụ điện thực cấp cho chúng điện áp thích ứng Các CCD sử dụng ống thu hình màu, máy video, máy FAX,… để đọc liệu ngồi CÂU HỎI ƠN TẬP Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động LED thị? Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động LED hồng ngoại dị thể kép? Hãy cho biết tham số LED? Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động mặt thị tinh thể lỏng LCD loại phản xạ? 221 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động LASER có buồng cộng hưởng cấu trúc dị thể kép? Hãy cho biết tham số Laser? Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động điện trở quang? Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động điốt quang loại P-I-N? Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động điốt APD? 10 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động tranzito quang? 11 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động thyristo quang? 12 Hãy trình bày ghép quang tham số kỹ thuật chúng? 13 Trình bày lọc quang màng mỏng? 14 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động CCD dùng tụ MOS? 15 Năng lượng ánh sáng có bước sóng 820nm 1,3μm electron vôn (eV)? 16 Một laser chế tạo từ Ga1-xAlxAs với x = 0,07 có EG = 1,5 eV Hãy tính độ dài bước sóng xạ ra? 17 Một laser hoạt động bước sóng λ = 850nm có chiều dài hốc cộng hưởng L = 500μm chiết suất n = 3,7 Hỏi khoảng cách tần số khoảng cách bước sóng ? 18 Hãy điền vào chỗ trống mệnh đề nhóm từ sau: “Độ dài bước sóng xạ định bởi…….của chất bán dẫn a độ dẫn điện; b nồng độ hạt dẫn c loại tạp chất pha tạp; d độ rộng vùng cấm 19 Nguồn sáng LED trình…… a xạ tự phát b xạ tự phát xạ kích thích c xạ kích thích d hấp thụ xạ kích thích 20 Nguồn sáng LASER trình…… a xạ tự phát b xạ tự phát xạ kích thích c xạ kích thích d hấp thụ xạ kích thích TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử”- Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, năm 2003 “Cấu kiện quang điện tử” - Dương Minh Trí, NXB KHKT năm 1998 “Optical fiber communications” – Gerd Keiser, Mc Graw Hill Inc 1991 222 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Đáp án tập ĐÁP ÁN BÀI TẬP Chương 1: Câu 13: nn = 10 15 cm −3 pn = 2,25.10 cm −3 Chương 3: Câu 8: UD = 0,53V; Câu 9: a/ Pn(0) = 10 14 cm −3 ; n p (0) = 1011 cm −3 ; b/Tỉ số = 3.10 Chương 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 Chương 5: Câu 15: a/ sơ đồ mắc SC; định thiên tự cấp; 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 đấu DC; b/ phân cực kiểu phân áp; c/ tài liệu Câu 19: ID = 24mA; R3 = 83Ω Chương 8: Câu 15: EG1 = 1,5eV; EG2 = 0,95eV Câu 16: λ = 0,826µm Câu 17: ∆ν = 81GHz; ∆λ = 0,2nm 223 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Mục lục MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu chung cấu kiện điện tử Giới thiệu chương Nội dung 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Phân loại cấu kiện điện tử 1.3 Khái niệm mạch điện hệ thống điện tử 1.4 Vật liệu điện tử 1.5 Vật liệu từ Tóm tắt nội dung 24 Câu hỏi ôn tập 25 Tài liệu tham khảo 26 Chương 2: Cấu kiện điện tử thụ động 27 Giới thiệu chương 27 Nội dung 27 2.1 Điện trở 27 2.2 Tụ điện 34 2.3 Cuộn cảm 40 2.4 Biến áp 44 Tóm tắt nội dung 49 Câu hỏi ôn tập 50 Tài liệu tham khảo 51 Chương 3: Điot bán dẫn 52 Giới thiệu chương 52 Nội dung 52 3.1 Lớp tiếp xúc P-N 52 3.2 Điot bán dẫn 58 Tóm tắt nội dung 70 Câu hỏi ôn tập 72 Tài liệu tham khảo 72 Chương 4: Tranzitor lưỡng cực (BJT) 73 Giới thiệu chương 73 Nội dung 73 4.1 Cấu tạo ký hiệu BJT sơ đồ mạch 73 4.2 Các chế độ làm việc Tranzitor BJT 74 4.3 Đặc tính độ BJT 78 4.4 Các cách mắc Tranzitor BJT sơ đồ khuếch đại 80 4.5 Phân cực cho Tranzitor lưỡng cực 88 4.6 Sơ đồ tương đương chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ tần số thấp 96 Tóm tắt nội dung 102 Câu hỏi ôn tập 103 Tài liệu tham khảo 105 Chương 5: Tranzitor trường FET 106 Giới thiệu chương 106 224 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Mục lục Nội dung 106 5.1 Giới thiệu chung FET 106 5.2 Tranzitor trường loại điều khiển tiếp xúc P-N 107 5.3 Tranzitor trường loại cực cửa cách ly 116 Tóm tắt nội dung 125 Câu hỏi ôn tập 126 Tài liệu tham khảo 128 Chương 6: Cấu kiện Thyristor 129 Giới thiệu chương 129 Nội dung 129 6.1 Chỉnh lưu Silic có điều khiển 129 6.2 Triac 132 6.3 Diac 134 6.4 Tranzitor đơn nốt 136 Tóm tắt nội dung 139 Câu hỏi ôn tập 140 Tài liệu tham khảo 140 Chương 7: Vi mạch tích hợp 141 Giới thiệu chương 141 Nội dung 141 7.1 Khái niệm phân loại vi mạch tích hợp 141 7.2 Các phương pháp chế tạo mạch tích hợp bán dẫn 143 7.3 Các cấu kiện tích hợp vi mạch 148 7.4 Vi mạch tuyến tính 151 7.5 Vi mạch số 159 7.6 Vi mạch nhớ 160 7.7 Những điểm cần ý sử dụng vi mạch tích hợp 163 Tóm tắt nội dung 164 Câu hỏi ôn tập 165 Tài liệu tham khảo 166 Chương 8: Cấu kiện quang điện tử 167 Giới thiệu chương 167 Nội dung 167 8.1 Giới thiệu chung 167 8.2 Các cấu kiện biến đổi điện - quang 169 8.3 Các cấu kiện biến đổi quang - điện 190 8.4 Các ghép quang 204 8.5 Cấu kiện quang hình học dùng thông tin quang 211 8.6 Cấu kiện CCD 216 Tóm tắt nội dung 221 Câu hỏi ôn tập 221 Tài liệu tham khảo 222 Đáp án tập 223 225 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Mã số: 492CKT220 Chịu trách nhiệm thảo TRUNG TÂM ÐÀO TẠO BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn - Cấu kiện điện tử có khí: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy mơi trường khí trơ - Cấu kiện điện tử bán dẫn: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy môi trường chất bán dẫn - Cấu. .. tạo cấu kiện mà quen gọi cấu kiện điện tử chân không, cấu kiện điện tử có khí, cấu kiện điện tử bán dẫn, vi mạch cấu kiện điện tử nanô Trong chương cho khái quát chung cấu trúc mạch điện tử hệ... nghĩa cấu kiện điện tử cách khái quát, đưa số cách phân loại cấu kiện điện tử thông dụng Thông thường ta chia cấu kiện điện tử dựa theo ứng dụng cấu kiện điện tử thụ động cấu kiện điện tử tích