CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT 7/2008 FEE1-PTIT Lecture 1 1/116 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nôi dung môn học CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 1- Giới thiệu chung ELECTRONIC DEVICES Lecture 2- Cấu kiện thụ động Lecture 3- Vật lý bán dẫn Lecture 4- P-N Junctions (Tiếp giáp P-N) Lecture 5- Diode (Điốt) Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Lecture 7- FET (Transistor hiệu ứng trường) HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT Lecture 8- Other Semiconductor Devices: Thyristor – Triac- Diac-UJT Lecture 9- OptoElectronic Devices 7/2008 FEE1-PTIT (Cấu kiện quang điện tử) Lecture 1 FEE1-PTIT Tài liệu học tập Lecture Yêu cầu môn học - Sinh viên phải nắm kiến thức vật lý bán dẫn, tiếp giáp PN, cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ tương đương, tham số, phân cực, chế độ xoay chiều, phân loại, số ứng dụng loại cấu kiện điện tử học - Sinh viên phải đọc trước Lecture Notes trước lên lớp - Tích cực trả lời đặt câu hỏi lớp qua email: caukien@gmail.com - Làm tập thường xuyên, nộp tập Giảng viên yêu cầu, qua email: caukien@gmail.com - Tự thực hành theo yêu cầu với phần mềm EDA - Điểm môn học: - Tài liệu chính: + Lecture Notes + Giáo trình Cấu kiện điện tử quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, 2002 - 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 + Chuyên cần + Bài tập + Kiểm tra kỳ + Thí nghiệm + Thi kết thúc : 10 % : 10 % : 10 % : 10 % : 60 % Kiểm tra : - Câu hỏi ngắn - Bài tập Thi kết thúc: - Lý thuyết: + Trắc nghiệm + Câu hỏi ngắn - Bài tập 2/116 FEE1-PTIT Lecture CuuDuongThanCong.com FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt Lecture – Giới thiệu chung Giới thiệu chung Cấu kiện 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 điện tử ứng dụng nhiều lĩnh vực Nổi bật ứng dụng lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT - Cấu kiện điện tử 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 - khoảng 40 triệu Transistor…) - Xu cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày cao, có tính mạnh, tốc độ lớn… - Phân loại cấu kiện điện tử - Giới thiệu vật liệu điện tử - Nhắc lại kiến thức lý thuyết mạch cần biết - Giới thiệu phần mềm EDA hỗ trợ môn học FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT Vi mạch ứng dụng Lecture Ứng dụng linh kiện điện tử 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) Chips… Sand… Images: amazon.com FEE1-PTIT Lecture CuuDuongThanCong.com Chips on Silicon wafers 3/116 FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt Lịch sử phát triển công nghệ Lịch sử phát triển cơng nghệ • Các thiết bị bán dẫn diodes, transistors mạch tích hợp (ICs) tìm thấy khắp nơi sống (Walkman, TV, ơtơ, máy giặt, máy điều hồ, máy tính,…) Chúng ta ngày phụ thuộc vào chúng 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 cơng suất • Bài học khám phá đặc tính bên thiết bị bán dẫn, từ SV hiểu mối quan hệ cấu tạo hình học tham số vật liệu, ngồi hiểu đặc tính điện chúng FEE1-PTIT Lecture 1906 1947 First point contact transistor (germanium) 1947, John Bardeen and Walter Brattain Bell Laboratories FEE1-PTIT Lịch sử phát triển công nghệ (cont.) 1958 First integrated circuit (germanium), 1958 Jack S Kilby, Texas Instruments Contained five components, three types: transistors resistors and capacitors FEE1-PTIT CuuDuongThanCong.com 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 Lecture 10 Đặc điểm phát triển mạch tích hợp (IC) 1958 Jack Kilby (Integrated circuit) 1959 Planar technology invented 1960 First MOSFET fabricated –At Bell Labs by Kahng 1961 First commercial ICs –Fairchild and Texas Instruments 1962 TTL invented 1963 First PMOS IC produced by RCA 1963 CMOS invented –Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor –U S patent # 3,356,858 –Standby power reduced by six orders of magnitude Lecture Audion (Triode) 1906, Lee De Forest 11 Tỷ lệ giá thành/tính IC giảm 25% –30% năm Số chức năng, tốc độ, hiệu suất cho IC tăng: Kích thước wafer hợp tăng Mật độ tích hợp tăng nhanh 4/116 FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt 12 Ví dụ: Intel Processor Định luật MOORE Silicon Process 1.5μ Technology Intel386TM DX Processor 1.0μ 0.8μ 0.6μ 0.35μ 0.25μ 45nm Intel486TM DX Processor Nowadays! Pentium® Processor Pentium® Pro & Pentium® II Processors FEE1-PTIT Lecture 13 FEE1-PTIT Phân loại cấu kiện điện tử Lecture 14 2.1 Phân loại dựa đặc tính vật lý - Linh kiện hoạt động nguyên lý điện từ hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS… IC từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI - Linh kiện hoạt động nguyên lý quang điện như: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ linh kiện chuyển hoá lượng quang điện pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử - Linh kiện hoạt động dựa nguyên lý cảm biến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang xạ, sinh học chủng loại IC thông minh sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống công nghệ chế tạo sensor - Linh kiện hoạt động dựa hiệu ứng lượng tử hiệu ứng mới: linh kiện chế tạo cơng nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ : Bộ nhớ điện tử, Transistor điện tử, giếng dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm điện tử, … 2.1 Phân loại dựa đặc tính vật lý 2.2 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu 2.3 Phân loại theo ứng dụng 5/116 FEE1-PTIT Lecture CuuDuongThanCong.com 15 FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt 16 2.2 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu 2.3 Phân loại theo ứng dụng Linh kiện thụ động: R,L,C… Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET… Vi mạch tích hợp IC: IC tượng tự, IC số, Vi xử lý… Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang FEE1-PTIT Lecture 17 FEE1-PTIT Giới thiệu vật liệu điện tử Lecture 18 Cơ sở vật lý vật liệu điện tử 3.1 Chất cách điện 3.2 Chất dẫn điện 3.3 Vật liệu từ 3.4 Chất bán dẫn (Lecture 3) - Lý thuyết vật lý chất rắn Lý thuyết vật lý học lượng tử Lý thuyết dải lượng chất rắn Lý thuyết vật lý bán dẫn 6/116 FEE1-PTIT Lecture CuuDuongThanCong.com 19 FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt 20 Lý thuyết vật lý chất rắn Lý thuyết vật lý học lượng tử - Vật liệu để chế tạo phần lớn linh kiện điện từ loại vật liệu tinh thể rắn - Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử xếp theo trật tự định, cần biết vị trí vài đặc tính số nguyên tử đốn vị trí chất hóa học tất nguyên tử mẫu - Tuy nhiên số vật liệu nhấn thấy xếp xác nguyên tử tồn xác cỡ vài nghìn nguyên tử Những miền có trật tự ngăn cách bờ biên dọc theo bờ biên khơng có trật tự - cấu trúc đa tinh thể - Tính chất tuần hồn tinh thể có ảnh hưởng định đến tính chất điện vật liệu - Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử nằm mức lượng gián đoạn định gọi mức lượng nguyên tử - Nguyên lý Pauli: điện tử phải nằm mức lượng khác - Một mức lượng đặc trưng số lượng tử: + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4… + l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h…} + ml– số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3… ±l + ms– số lượng tử spin: ±1/2 - n, l tăng mức lượng nguyên tử tăng, e- xếp lớp, phân lớp có lượng nhỏ trước FEE1-PTIT Lecture 21 FEE1-PTIT Lecture Sự hình thành vùng lượng 22 Sự hình thành vùng lượng - Giả sử để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống xa vô tận tiến lại gần liên kết với nhau: + Nếu NT cách xa đến mức coi chúng hồn tồn độc lập với vị trí mức lượng chúng hoàn toàn trùng (tức mức trùng chập) + Khi NT tiến lại gần đến khoảng cách cỡ Ao, chúng bắt đầu tương tác với khơng thể coi chúng độc lập Kết mức lượng ngun tử khơng trùng chập mà tách thành mức lượng rời rạc khác Ví dụ mức 1s tạo thành 2.N mức lượng khác - Nếu số lượng NT lớn gần mức lượng rời rạc gần tạo thành vùng lượng liên tục - Sự tách mức lượng NT thành vùng lượng rộng hay hẹp phụ thuộc vào tương tác điện tử thuộc NT khác với C 1s22s22p2 Si 14 1s22s22p63s23p2 Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2 Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2 (Si) 7/116 FEE1-PTIT Lecture CuuDuongThanCong.com 23 FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt 24 Minh họa hình thành vùng lượng Cấu trúc dải lượng vật chất EV EV EG = a- Chất cách điện; b - Chất bán dẫn; Dải hoá trị c- Chất dẫn điện + Độ dẫn điện của vật chất tăng theo nhiệt độ + Chất bán dẫn: Sự điện tử dải hóa trị hình thành lỗ trống (Mức lượng bỏ trống dải hóa trị điền đầy, lỗ trống dẫn điện điện tử tự do) + Cấu trúc dải lượng kim loại khơng có vùng cấm, Dưới tác dụng điện trường ngồi e- tự nhận lượng di chuyển lên trạng thái cao , di chuyển tạo lên dòng điện 25 FEE1-PTIT Lecture 26 3.1 CHẤT CÁCH ĐIỆN (CHẤT ĐIỆN MƠI) -Chất cách điện (chất điện mơi) -Chất dẫn điện -Vật liệu từ -Chất bán dẫn (Lecture 3) 8/116 CuuDuongThanCong.com EV Dải hoá trị Các vật liệu sử dụng kỹ thuật điện tử thường phân chia thành loại: Lecture EC Lỗ trống Các loại vật liệu điện tử FEE1-PTIT EC Dải dẫn EG < eV EG > eV - Tùy theo phân bố vùng mà tinh thể rắn có tính chất điện khác nhau: Chất cách điện – dẫn điện kém, Chất dẫn điện – dẫn điện tốt, Chất bán dẫn Lecture E E Điện tử EC + Vùng lượng điền đầy điện tử hóa gọi là“Vùng hóa trị” + Vùng lượng trống chưa điền đầy vùng hóa trị gọi “Vùng dẫn” + Vùng không cho phép Vùng hóa trị Vùng dẫn “Vùng cấm” FEE1-PTIT Dải dẫn E - Các vùng lượng cho phép xen kẽ nhau, chúng vùng cấm - Các điện tử chất rắn điền đầy vào mức lượng vùng cho phép từ thấp đến cao - Có thể có : vùng điền đầy hồn tồn (thường có lượng thấp), vùng trống hồn tồn (thường có lượng cao), vùng điền đầy phần - Xét lớp cùng: 27 a Định nghĩa Là chất dẫn điện kém, vật chất có điện trở suất cao vào khoảng 107 ÷ 1017Ωm nhiệt độ bình thường Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu vô hữu Đặc tính ảnh hưởng lớn đến chất lượng linh kiện Các đặc tính trị số giới hạn độ bền điện, nhiệt, học, độ cách điện, tổn hao điện mơi… Các tính chất chất điện mơi lại phụ thuộc vào nhiệt độ độ ẩm môi trường b Các tính chất chất điện mơi b.1 Độ thẩm thấu điện tương đối (hay gọi số điện môi) b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa) b.3 Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t.) b.4 Nhiệt độ chịu đựng b.5 Dòng điện chất điện môi (I) b.6 Điện trở cách điện chất điện môi FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt 28 b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa) b.1 Hằng số điện môi C ε= d C0 Độ tổn hao điện môi cơng suất điện tổn hao để làm nóng chất điện mơi đặt điện trường , xác nh thụng qua dũng in rũ (không thứ nguyên) Pa = U 2ωCtgδ Trong đó: U điện áp đặt lên tụ điện (V) C điện dung tụ điện dùng chất điện môi (F) ω tần số góc đo rad/s tgδ góc tổn hao điện môi Nếu tổn hao điện môi tụ điện điện trở cực, dây dẫn tiếp giáp (ví dụ lớp bạc mỏng tụ mi ca tụ gốm) tổn hao điện mơi tăng tỉ lệ với bình phương tần số: Pa = U2ω2C2R Do đó, thực tế tụ điện làm việc tần số cao cần phải có điện trở cực, dây dẫn tiếp giáp nhỏ tiết thường tráng bạc để giảm điện trở chúng - Cd điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi; - C0 điện dung tụ điện sử dụng chất điện mơi chân khơng khơng khí Do ε biểu thị khả phân cực chất điện môi Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có số điện mơi ε lớn, chất điện mơi dùng làm chất cách điện có ε nhỏ FEE1-PTIT Lecture 29 FEE1-PTIT b3 Độ bền điện chất điện mơi (Eđ.t) Lecture 30 b5 Dòng điện chất điện mơi (I) - Dòng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi dòng điện cảm ứng): Quá trình chuyển dịch phân cực điện tích liên kết chất điện môi xảy đạt trạng thái cân tạo nên dòng điện phân cực hay gọi dòng điện chuyển dịch chất điện mơi IC.M - Dòng điện rò Irò : tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển động tác động điện trường Nếu dòng rò lớn làm tính chất cách điện chất điện mơi Dòng điện tổng qua chất điện mơi là: I = IC.M + Irò Sau q trình phân cực kết thúc qua chất điện mơi dòng điện rò - Đặt chất điện mơi vào điện trường, tăng cường độ điện trường lên q giá trị giới hạn chất điện mơi khả cách điện → tượng đánh thủng chất điện môi - Cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi độ bền điện chất điện mơi (Eđ.t.) U E ®.t = ®.t [KV / mm; KV / cm] d Uđ.t - điện áp đánh thủng chất điện môi d - độ dày chất điện môi - Hiện tượng đánh thủng chất điện mơi nhiệt, điện q trình điện hóa 9/116 FEE1-PTIT Lecture CuuDuongThanCong.com 31 FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt 32 Phân loại ứng dụng chất điện môi 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN a Định nghĩa - Chất dẫn điện vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất nhỏ so với loại vật liệu khác Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm - Trong tự nhiên chất dẫn điện chất rắn – kim loại, chất lỏng – kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân chất khí điện trường cao b Các tính chất chất dẫn điện Phân loại: Chất điện mơi thụ động tích cực - Chất điện mơi thụ động gọi vật liệu cách điện vật liệu tụ điện Đây vật chất dùng làm chất cách điện làm chất điện môi tụ điện mi ca, gốm, thuỷ tinh, pơlyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính, - Chất điện mơi tích cực vật liệu có ε điều khiển bằng: + Điện trường (VD: gốm, thuỷ tinh, ) + Cơ học (chất áp điện thạch anh) + Ánh sáng (chất huỳnh quang) … FEE1-PTIT Lecture b.1 Điện trở suất b.2 Hệ số nhiệt điện trở suất (α) b.3 Hệ số dẫn nhiệt : λ b.4 Cơng điện tử kim loại b.5 Điện tiếp xúc 33 FEE1-PTIT 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN 34 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN b.1 Điện trở suất - Điện trở vật liệu đơn vị thiết diện chiều dài: ρ=R Lecture b.4 Cơng điện tử kim loại: - Cơng kim loại biểu thị lượng tối thiểu cần cung cấp cho điện tử chuyển động nhanh 00K để điện tử khỏi bề mặt kim loại EW = EB - EF S [ Ω m ] , [ Ω m m ] , [ μΩ m ] l - Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m (bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (hợp kim sắt - crôm - nhôm) b.2 Hệ số nhiệt điện trở suất (α) - Hệ số nhiệt điện trở suất biểu thị thay đổi điện trở suất nhiệt độ thay đổi 100C - Khi nhiệt độ tăng điện trở suất tăng lên theo quy luật: b.5 Điện tiếp xúc - Sự chênh lệch EAB điểm A B tính theo công thức: A B VAB= EAB = EW2 - EW1 ρ t = ρ0 (1 + αt) b.3 Hệ số dẫn nhiệt : λ [w/ (m.K)] - Hệ số dẫn nhiệt lượng nhiệt truyền qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian gradien nhiệt độ đơn vị ΔT Q=λ St Δl FEE1-PTIT Lecture CuuDuongThanCong.com 35 C 10/116 FEE1-PTIT Lecture https://fb.com/tailieudientucntt 36 SCR (6) SCR (7) Khi ta đưa dòng điện điều khiển vào cực điều khiển G (IG ≠ 0): Khi cho dòng điện vào cực điều khiển G, làm tăng hệ số α mà khơng phụ thuộc vào điện áp dòng điện Như vậy, dòng IG có tác dụng gia tăng hạt dẫn thiểu số cho lớp bán dẫn P2 T2 thơng sớm Tuỳ theo trị số dòng IG mà điện áp đánh thủng T2 trị số dòng điện trì IH thay đổi Khi IG có giá trị lớn UBo nhỏ IH nhỏ Quan hệ thể qua đặc tuyến Vơn-Ampe SCR biểu diễn hình 6-3 Dòng điện tổng qua SCR là: I = IC1 + IC2 = I(α1 + α2) + ICBo1 + ICBo2 (6 2) Thay: ICBo1 + ICBo2 = ICBo ICBo dòng điện ngược bão hòa tiếp xúc P-N Vậy ta có: ICBo I= 1-(α + α ) (6 3) Như vậy, (α1 + α2) = dòng điện tăng vọt khơng giới hạn được, tương ứng với tiếp xúc T2 phân cực thuận Lúc này, SCR dẫn điện có nghĩa hai tranzito Q1 Q2 dẫn bão hòa Lúc này, SCR chế độ "ON": đóng mạch, hệ số khuếch đại hai tranzito hở nên nhỏ đạt điều kiện (α1 + α2) = I Hình 6- : Đặc tuyến vôn-ampe SCR Uđ.t UBo2 UBo1 UBo Vùng chặn ngược Chuong8-Thyristor +α +UAK Vùng chặn thuận 10 SCR (9) - Trong trường hợp dòng điện qua SCR có biểu thức tính là: α I G + I C Bo (6 4) I = IG0=0 Chuong8-Thyristor SCR (8) 1-( α IG3 > IG2 > IG1 IH Đặc điểm SCR: ) - Điện áp, mà SCR chuyển từ chế độ ngắt sang chế độ dẫn điều khiển tín hiệu nhỏ cực điều khiển Ở SCR cơng suất lớn, để kích thích cho SCR hoạt động ta dùng dòng điện IG có hiệu ứng nhỏ Còn SCR cơng suất thấp, dòng IG sử dụng để bật tắt SCR - Khi SCR dẫn dù ta cắt dòng điện điều khiển IG , tiếp tục dẫn điện Khi SCR dẫn điện ta gọi khởi động SCR ngừng dẫn dòng điện bị giảm xuống mức IH điện áp đặt lên SCR nửa chu kỳ âm - Khi SCR ngừng dẫn, muốn hoạt động trở lại ta phải kích khởi động cho - Như ta thấy, thực tế, đặt điện áp UAK lên SCR có dòng điện ngược chạy qua SCR, dòng điều khiển IG tạo thành phần dòng điện kích thích cho tổng hệ số khuếch đại kiểu thác lũ dòng điện (α1+ α2)→ SCR khởi động - Khi UAK thuận tăng lên dòng điều khiển cần thiết để khởi động SCR giảm xuống ¾Thời gian mở tắt (hay thời gian phục hồi tp) nhanh (vài μs đến vài chục μs) ¾Cường độ dòng điện cao (hàng nghìn ampe) ¾Điện áp cao (hàng nghìn Vơn) ¾Sụt áp cc nh (t ữ 2V) ắKh nng iu khin lớn 102/116 Chuong8-Thyristor CuuDuongThanCong.com 11 Chuong8-Thyristor https://fb.com/tailieudientucntt 12 TRIAC (Triode Alternative Current) (1) TRIAC (2) U Là cấu kiện thuộc họ Thyristo Triac có chân cực có khả dẫn điện hai chiều có tín hiệu kích khởi động (dương âm) Rt Cấu tạo triac: Do tính dẫn điện hai chiều nên hai đầu triac dùng để nối với nguồn điện gọi đầu MT1 MT2 Giữa hai đầu MT1 MT2 có năm lớp bán dẫn bố trí theo thứ tự P-N-P-N SCR theo chiều Đầu thứ ba gọi cực điều khiển G Như triac coi hai SCR đấu song song ngược chiều với nhau, xem hình 6-4 K1 G1 MT1 a/ K2 MT1 G2 MT1 b/ Theo quy ước, tất điện áp dòng điện quy ước theo đầu MT1 Như vậy, điện áp nguồn cung cấp cho MT2 phải dương (hoặc âm) so với MT1 Còn tín hiệu điều khiển đưa vào hai chân cực G chân cực MT1 P N A1 IG MT2 N A2 MT2 G Hình – 5: Ký hiệu (a) sơ đồ nguyên lý (b) triac MT2 MT2 I MT2 P N N G MT1 G MT1 Hình 6- 4: Cấu tạo triac Chuong8-Thyristor 13 Chuong8-Thyristor TRIAC (3) 14 TRIAC (4) I - Có hai phương pháp kích khởi động cho triac hoạt động nhạy là: + Cực cổng G dương cực MT2 dương so với MT1 + Cực cổng G âm cực MT2 âm so với MT1 Vùng chặn ngược -UBo -UBo1 IH UAK -IH UBo1 UBo - Trong mạch điện, triac cho qua nửa chu kỳ điện áp xoay chiều điều khiển cực điều khiển G - Khác với SCR, Triac tắt khoảng thời gian ngắn lúc dòng điện tải qua điểm O Nếu mạch điều khiển triac có gánh điện trở việc ngắt mạch khơng có khó khăn Nhưng tải cuộn cảm vấn đề làm tắt triac trở nên khó khăn dòng lệch pha trễ Thơng thường để tắt Thyristo người ta sử dụng ngắt điện mạch đảo lưu dòng điện mạch Vùng chặn thuận Hình 6- : Đặc tuyến Vôn- Ampe triac - Đặc tuyến V-A triac thể khả dẫn điện hai chiều triac - Phương pháp kích cổng triac giống SCR khác dùng dòng dương hay dòng âm cho phần tư thứ I phần tư thứ III đặc tuyến Vôn- Ampe triac 103/116 Chuong8-Thyristor CuuDuongThanCong.com 15 Chuong8-Thyristor https://fb.com/tailieudientucntt 16 DIAC (1) DIAC (2) Cấu tạo ký hiệu diac Diac cấu kiện lớp bán dẫn có chân cực A1 A2 Cấu trúc Diac giống triac khơng có cực điều khiển G nên Diac dẫn điện hai chiều Hình 6-7 giới thiệu ký hiệu Diac sơ đồ mạch Nguyên lý hoạt động Diac • Do khơng có cực điều khiển nên việc kích mở cho Diac thực cách nâng cao điện áp đặt vào hai cực Khi điện áp nguồn đạt đến giá trị UB0 Diac dẫn điện điện áp sụt xuống đến vơn (UV) • Trong ứng dụng, Diac thường dùng làm phần tử mở cho Triac dẫn • Khi Diac dẫn điện, độ sụt áp là: ∆U = UB0 – UV đưa vào cực điều khiển Triac xung kích để làm cho Triac dẫn điện • Thơng thường, thực tế ứng dụng, Diac Triac tổ hợp thành linh kiện I A1 UB0 IH UB0 -IH A2 U UB0 UV UB0 Hình – 7: Ký hiệu diac Hình 6- : Đặc tuyến V-A diac Chuong8-Thyristor 17 Chuong8-Thyristor Ứng dụng Thyristo TRANZITO ĐƠN NỐI (UJT - UNITJUNCTION TRANSISTOR) (1) Thyristo dùng chuyển mạch điện tử Nó thường dùng để điều khiển nguồn điện, điều khiển cơng suất cho lò nung, điều khiển tốc độ ô tô, điều khiển đèn tắt - sáng, điều khiển mô tơ điện chiều v.v Sau xem xét thí dụ mạch kiểm sốt pha (hay gọi mạch điều khiển nguồn): Đây trình tắt mở dùng để nối nguồn điện xoay chiều cho tải phần chu kỳ xem hình 6-8: a/ mạch điều khiển nửa chu kỳ dùng SCR b/ mạch điều khiển chu kỳ dùng Triac Cấu tạo tranzito đơn nối UJT linh kiện bán dẫn có tiếp xúc P-N chân cực Nó gồm bán dẫn Silic loại N có gắn thêm miếng bán dẫn Silic loại P để tạo thành tiếp xúc P-N Chân cực nối với mẩu bán dẫn P gọi cực phát E Hai đầu lại Silic loại N đưa chân cực gọi Nền ( ký hiệu B1) Nền (ký hiệu B2) B2 Tải Tải Triac U~ SCR Si(p) U~ B2 B2 E RE D E Hình - : Mạch điều khiển nguồn B2 RB2 Thanh Si(N) E Kích Kích 18 Tiếp xúc P-N E B2 t t Xung kích a Mạch điều khiển nửa sóng a/ Xung kích b Mạch điều khiển sóng Chuong8-Thyristor CuuDuongThanCong.com 104/116 19 + UE b/ B1 UBB d/ UBB + B1 c/ B1 t t UE B1 RB1 B1 θK θD UEE + e/ Hình 6- 10: a) Cấu tạo; b) ký hiệu; c) Sơ đồ nguyên lý; d) sơ đồ tương đương UJT ; e) bố trí chân cực UJT Chuong8-Thyristor https://fb.com/tailieudientucntt 20 TRANZITO ĐƠN NỐI (2) TRANSISTOR ĐƠN NỐI (3) Nguyên lý làm việc UJT Trong sơ đồ tương đương, điốt thay cho tiếp xúc P-N; RB1 điện trở phần bán dẫn 1; RB2 điện trở phần bán dẫn Để cho tranzito đơn nối hoạt động ta phân cực cho hình 6- 9c Cung cấp điện áp dương cho B2 so với B1 (UBB > 0) Như vậy, hở mạch cực phát RB1và RB2 phân áp cho nguồn UBB Do đó, điện áp điểm O là: R B1 U BB R B η gọi hệ số khiết U0 = = ηU BB η = RB + RB R B1 + R B2 Đặc tuyến Vơn- Ampe biểu thị quan hệ dòng điện cực phát IE với điện áp cực phát UE Mối quan hệ biểu diễn hàm IE = f(UE) Nếu cực (B2) hở mạch, nghĩa dòng IB2=0 quan hệ V-A lối vào đặc tuyến V-A tiếp xúc P-N: ⎛ UE ⎞ ta có đường đặc tuyến ứng với IB2=0 hình I E = I E ⎜ e VT − ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Qua hình 6-10 ta thấy, thay đổi điện áp đặt lên (UBB) điện áp đỉnh (UP) thay đổi theo đưa đặc tuyến dịch lên Tại vùng điện trở âm, dòng điện bị giới hạn linh kiện mắc mạch ngồi, mạch ngồi phải bảo đảm để dòng điện IE < IEmax Khi IE tăng đến IV, muốn tăng thêm dòng IE lên ta buộc phải tăng UE số lượng lỗ trống điện tử đạt đến tình trạng di chuyển bão hòa, đặc tuyến UE(V) chuyển sang vùng điện trở dương 14 -Nếu UE < η UBB (UE < UO) tiếp xúc P-N (điốt D) phân cực ngược qua có dòng điện ngược IEO nhỏ Ta có vùng ngắt đặc tuyến vônampe UJT -Khi UE > η UBB , tiếp xúc P-N phân cực thuận, dòng IE tăng dần Khi UE > UP (Up gọi điện áp kích khởi cho UJT hoạt động hay gọi điện áp đỉnh) dòng IE tăng nhanh Dưới tác dụng điện trường, lỗ trống chuyển động từ cực phát E xuống Nền (B1), điện tử chuyển động từ Nền đến phần phát tạo nên dòng điện IE Do gia tăng ạt hạt dẫn Nền nên điện trở RB1 giảm dòng điện IE tăng điện áp UE giảm nên ta có vùng điện trở âm đặc tuyến vơn- ampe Chuong8-Thyristor Hình 6-11: Đặc tuyến Vôn – Ampe UJT IE0 IP 21 UBB=30V 12 UP 10 UV UBB=5V IB2=0 Chuong8-Thyristor 105/116 CuuDuongThanCong.com T=250C UBB=20V UBB=10V https://fb.com/tailieudientucntt 10 12 14 16 IE(mA) 22 Nội dung GIỚI THIỆU CÁC CẤU KIỆN BIẾN ĐỔI ĐIỆN – QUANG 2.1 Điôt phát quang (LED) 2.2 Laser bán dẫn 2.3 Mặt thị tinh thể lỏng (LCD) CÁC CẤU KIỆN CHUYỂN ĐỔI QUANG – ĐIỆN 3.1 Điện trở quang 3.2 Điôt quang 3.3 Transistor quang lưỡng cực CÁC BỘ GHÉP QUANG (OPTO- COUPLERS) CHƯƠNG CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Chuong8 Chuong8 Giới thiệu chung (1) Giới thiệu chung (2) Khái niệm chung kỹ thuật quang điện tử Hệ thống truyền dẫn quang a Định nghĩa kỹ thuật quang điện tử: Quang điện tử hiệu ứng tương hỗ xạ ánh sáng mạch điện tử Bức xạ ánh sáng dạng xạ điện từ có dải tần số dao động Cao(λ: khoảng 50nm đến khoảng 100μm) Các xạ quang chia thành ba vùng là: – Vùng cực tím có λ = 50nm ÷ 380nm – Vùng ánh sáng nhìn thấy có λ = 380nm ÷ 780nm – Vùng hồng ngoại có λ = 780nm ÷ 100μm b Phân loại linh kiện quang điện tử: – Linh kiện quang điện tử gồm có linh kiện bán dẫn quang điện tử linh kiện không bán dẫn quang điện tử – Linh kiện bán dẫn quang điện tử: linh kiện chế tạo từ vật liệu bán dẫn điện trở quang, điôt quang, tranzito quang, LED, LASER bán dẫn,v.v – Linh kiện bán dẫn quang điện tử: sợi quang dẫn, mặt thị tinh thể lỏng LCD, ống nhân quang v.v Chuong8 CuuDuongThanCong.com Sơ đồ khối hệ thống thông tin: Nguồn tín hiệu Mạch điện tử Khối điều chế Sợi đồng Khối giải điều chế Tín hiệu Mạch thu điện tử a Hệ thống thơng tin điện Nguồn tín hiệu Mạch điện tử Khối E/ O Khối O/ E Mạch điện tử Tín hiệu thu Sợi quang b Hệ thống thơng tin quang Hình 8-1: a Hệ thống thơng tin điện b Hệ thống thông tin quang 106/116 Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt Giới thiệu chung (3) CÁC CẤU KIỆN BIẾN ĐỔI ĐIỆN – QUANG (Cấu kiện phát quang) Sự tương tác ánh sáng vật chất Sự tương tác ánh sáng vật chất gồm có trình: trình hấp thụ, trình phát xạ tự phát q trình phát xạ kích thích (Xem hình 2a,b,c) Ưu điểm hệ thống truyền dẫn quang: ¾ Sợi quang nhỏ, nhẹ dây kim loại, dễ uốn cong, tốn vật liệu ¾ Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh không bị ảnh hưởng nước, axit, kiềm nên khơng bị ăn mòn Đồng thời, sợi chất điện mơi nên cách điện hồn tồn, tín hiệu truyền sợi quang khơng bị ảnh hưởng nhiễu bên ngồi tới khơng gây nhiễu mơi trường xung quanh ¾ Đảm bảo bí mật thơng tin, khơng sợ bị nghe trộm ¾ Khả truyền nhiều kênh sợi quang có đường kính nhỏ Tiêu hao nhỏ khơng phụ thuộc tần số nên cho phép truyền dẫn băng rộng tốc độ truyền lớn nhiều so với sợi kim loại ¾ Giá thành rẻ a Quá trình hấp thụ hf = Ei − Ek b Quá trình phát xạ tự phát c Quá trình phát xạ kích thích Ei: Mức lượng kích thích Hình 8- : Ba trình chủ yếu tương tác ánh sáng vật chất Chuong8 Chuong8 Sự tương tác ánh sáng vật chất Điơt phát quang (LED) thị (1) - Q trình hấp thụ: Quá trình hấp thụ (hình 8-2a) trình mà có photon tương tác với vật chất điện tử mức lượng Ek nhận thêm lượng photon (quang năng) nhảy lên mức lượng kích thích Ei - Q trình phát xạ tự phát: Bức xạ tự phát (hình 8-2b) trình mà điện tử nhảy lên mức lượng kích thích Ei, chúng nhanh chóng trở mức lượng Ek phát photon có lượng hν Mỗi phát xạ tự phát ta thu photon Hiện tượng xảy khơng có kích thích bên ngồi gọi q trình phát xạ tự phát Phát xạ đẳng hướng có pha ngẫu nhiên - Q trình phát xạ kích thích: Nếu có photon có lượng hν tới tương tác với vật chất mà lúc có điện tử trạng thái kích thích Ei, điện tử kích thích di chuyển trở mức lượng Ek phát xạ photon khác có lượng Photon phát xạ có pha với photon đến gọi phát xạ kích thích (hay phát xạ cảm ứng) Xem hình 8-2c • Điơt phát quang linh kiện bán dẫn quang điện tử Nó có khả phát ánh sáng có tượng tái hợp xảy tiếp xúc P-N • Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sáng xạ vùng bước sóng khác Trong mục ta trình bày trước hết LED xạ ánh sáng nhìn thấy gọi LED thị LED thị có ưu điểm tần số hoạt động cao, kích thước nhỏ, cơng suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp bắt đầu làm việc LED khơng cần kính lọc mà cho màu sắc LED thị rõ trời tối Tuổi thọ LED khoảng 100 ngàn Chuong8 CuuDuongThanCong.com 107/116 Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt LED thị (2) a Cấu tạo ký hiệu LED: Các cấu trúc LED: P Light output Light output Tiếp xúc P-N N A K p type epitaxial layer n type substrate n Dome LED A K ohmic contacts Hình 8- : Mơ hình cấu tạo ký hiệu LED Chuong8 ohmic contacts thị với lợi ích rút lượng ánh sáng cực đại từ thiết bị => ánh sáng phát theo tất hướng sử dụng ống kính xếp theo trật tự định để hội tụ ánh sáng ⋅ Burrus LED LED phát xạ cạnh chủ yếu dùng hệ thống thông tin sợi quang Chuong8 ~ 250 μm Multimode optical fiber 10 LED thị (3) 250 μm b Nguyên lý làm việc: + 50 μm Epoxy resin Metal tab Planar LED ⋅ LED vòm LED phẳng sử dụng phần lớn thiết bị hiển Vật liệu chế tạo điôt phát quang liên kết nguyên tố thuộc nhóm nhóm bảng tuần hồn Menđêlêep GaAs, liên kết nguyên tố GaAsP v.v Đây vật liệu tái hợp trực tiếp, có nghĩa tái hợp xảy điện tử sát đáy dải dẫn lỗ trống sát đỉnh dải hóa trị Burrus LED diffused p-type LED U R _ Etched well 50μm n-AlGaAs p-GaAs p-AlGaAs p+-GaAs SiO2 Gold stud Metal contact ~ 50 μm Primary lightemitting region Hình 8- : Sơ đồ nguyên lý LED n-GaAs substrate Metal contact SiO2 Edge-emitting p+-AlGaAs LED p-AlGaAs AlGaAs (Active layer) n-AlGaAs n-GaAs Các lớp giới hạn hạt dẫn : p-AlGaAs and n-AlGaAs Chuong8 CuuDuongThanCong.com 11 108/116 • Khi LED phân cực thuận, hạt dẫn đa số khuếch tán ạt qua tiếp xúc P-N, chúng gặp tái hợp photon phát sinh • Tốc độ tái hợp trình xạ tự phát tỉ lệ với nồng độ điện tử phần bán dẫn P nồng độ lỗ trống phần bán dẫn N Đây hạt dẫn thiểu số chất bán dẫn Như vậy, để tăng số photon xạ cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số phần bán dẫn • Cường độ dòng điện điơt tỉ lệ với nồng độ hạt dẫn "chích" vào phần bán dẫn, cường độ phát quang LED tỉ lệ với cường độ dòng điện qua điôt Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 12 LED thị (5) LED thị (4) • Điện áp phân cực cho LED gần độ rộng vùng cấm vật liệu, đó, LED xạ bước sóng khác chế tạo từ vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác điện áp phân cực cho chúng khác • Tuy nhiên LED có điện áp phân cực thuận tương đối cao (1,6 v ÷ v) có điện áp ngược cho phép tương đối thấp (3 v ÷ v) Một số loại LED thị: LED đơn: linh kiện LED LED đôi: dùng cho ứng dụng đặc biệt Đỏ Đặc tuyến Vôn - Ampe LED: Đặc tuyến Vôn - Ampe điôt phát quang biểu diễn mối quan hệ dòng điện quang với điện áp đặt lên LED Xanh/Vàng LED1 LED2 Hình 8- : LED đôi A I a f b Ungược max g UD UAK e Hình 8- 7: Cấu trúc LED đoạn sáng đấu kiểu Anơt chung Hình 8- 5: Đặc tuyến Vơn - Ampe LED Chuong8 13 Chuong8 LED hồng ngoại (1) Nguyên lý làm việc: Khi phân cực thuận cho điôt, hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc P-N, chúng tái hợp với phát xạ hồng ngoại Các tia hồng ngoại xạ theo nhiều hướng khác Những tia hồng ngoại có hướng vào lớp chất bán dẫn, gặp gương phản chiếu phản xạ trở lại để theo hướng với tia khác Điêù làm tăng hiệu suất LED Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống ánh sáng nhìn thấy, nghĩa có khả hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại khác ánh sáng nhìn thấy khả xuyên suốt qua vật chất, có chất bán dẫn Điều giải thích LED hồng ngoại có hiệu suất cao LED thị tia hồng ngoại khơng bị yếu vượt qua lớp bán dẫn để Tuổi thọ LED hồng ngoại dài đến 100.000 LED hồng ngoại khơng phát ánh sáng nhìn thấy nên có lợi thiết bị kiểm sốt khơng gây ý GaAsSi (N) (N) GaAsSi - Với pha tạp chất Silic ta có xạ với bước sóng 950nm Mặt LED mài nhẵn tạo thành gương phản chiếu tia hồng ngoại phát từ lớp tiếp xúc P-N Chân cực Mặt mài nhẵn Hình 8- : Cấu trúc LED hồng ngoại xạ bước sóng 950nm Chuong8 CuuDuongThanCong.com 14 LED hồng ngoại (2) Các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μW điơt phát quang bán dẫn thường nguồn sáng tốt Cấu tạo: Cấu tạo LED hồng ngoại giống LED thị Để xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1,43 eV tương ứng với xạ bước sóng khoảng 900nm Hình 8- mơ tả cấu trúc LED hồng ngoại xạ ánh sáng 950nm Ánh sáng phát - Trong phần epitaxy lỏng suốt GaAs Chân cực λ = 950nm (N) tạo lớp tinh thể có tính chất lưỡng GaAs (P) Tiếp xúc P-N tính với tạp chất Silic GaAsSi (N) tiếp xúc P-N hình thành GaAs (N) suốt c d 15 109/116 Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 16 Một số hình ảnh LED Mặt thị tinh thể lỏng (LCD: Liquid Crystal Display) (1) Khái niệm: ™ Tinh thể lỏng sử dụng LCD hợp chất hữu đặc biệt Các phân tử tinh thể lỏng phân bố cho trục dọc chúng nằm song song với ™ Ở nhiệt độ thấp LCD trạng thái rắn, t0 tăng lên đến nhiệt độ nóng chảy LCD chuyển sang trạng thái lỏng Pha trung gian hai trạng thái trạng thái tinh thể lỏng ™ Mặt thị tinh thể lỏng- LCD- linh kiện bán dẫn quang điện tử LCD chế tạo dạng chấm- ma trận LCD cấu kiện thụ động, khơng phát sáng nên dễ đọc xung quanh sáng ™ LCD: dùng làm mặt thị cho đồng hồ, máy tính con, thiết bị đo số, đồ chơi trẻ em, hình ti vi Chuong8 17 Chuong8 18 LCD (2) LCD (3) Đặc điểm: •Khoảng nhit s dng: (- 100C ữ + 600C) in ỏp: 3V ữ 6V (chun l 4,5V) Tn s: 30 Hz ữ200 Hz Thi gian úng: 40 ms Thi gian ngắt: 80 ms •Dòng điện tiêu hao khoảng 0,2 μA •LCD có tuổi thọ cao từ 10.000 đến 100.000 thay dần mặt thị loại LED hay huỳnh quang Cấu tạo LCD: o Gồm có kính đặt cách khoảng 10μm Mặt phía kính tráng lớp oxit kẽm (ZnO) suốt làm hai điện cực o Xung quanh bên cạnh hai kính hàn kín, sau đổ tinh thể lỏng vào khoảng kính gắn kín lại o Hai nhựa có tính phân cực ánh sáng dán bên ngồi hai kính cho hình ảnh phản chiếu mặt thị nhìn từ phía nhờ gương phản chiếu Tấm nhựa phân cực thứ Gương phản chiếu Kính Điện cực suốt Keo Tinh thể lỏng Kính Tấm nhựa phân cực thứ Ánh sáng chiếu vào Mắt người quan sát 110/116 Chuong8 CuuDuongThanCong.com 19 Hình 8-9 : Cấu tạo LCD Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 20 • Đặc điểm: - Phổ phát sáng hẹp - Kích thước nhỏ - Độ ổn định cao - Có bước sóng ánh sáng cửa sổ quang 1, 2, - Điều chế trực tiếp lên đến vài Gb/s - Bán kính xạ nhỏ (ghép với sợi quang) Diode Laser Light output (mW) • Laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser bán dẫn (2) Relative optical power Laser bán dẫn (1) < nm LED ~ 75 nm Wavelength (nm) T→ Lasing emission Ith Dòng điện (mA) 40 Bức xạ kích thích Hình 8-11 Hình 8-10 Chuong8 Slope gives external efficiency η - Giảm dòng điện ngưỡng - Tăng công suất tổng ánh sáng đầu - Tăng hiệu suất quantum mở rộng 21 cải thiện chất lượng thiết bị laser Chuong8 Cấu trúc laser 22 CÁC CẤU KIỆN CHUYỂN ĐỔI QUANG – ĐIỆN Kết nối điện • Các thu quang điện hoạt động dựa nguyên lý hiệu ứng chuyển đổi quang điện Ở hấp thụ photon vật liệu bán dẫn tạo cặp điện tử-lỗ trống -> tạo tín hiệu quang điện dạng dòng điện hay điện đo • Thiết bị quan trọng điốt quang bán dẫn (photodiode) • Yêu cầu: - Độ nhạy cao - Nhiễu nhỏ - Băng thơng rộng Hình 8-12 Laser với cấu trúc dị thể kép a) Index-Guided b) Gain-Guided Các loại laser: Laser đa mode: Fabry-Perot Laser Laser đơn mode: dùng hệ thống thông tin tiên tiến - DFB Laser (Distributed Feedback) - DBR Laser (Distributed Bragg Reflector) - MQW Laser (Multi Quantum Well) Laser điều chỉnh được: điều chỉnh bước sóng phát cách (i) thay đổi chiều dài hố (kéo dãn học), (ii) thay đổi hệ số khúc xạ (điều khiển nhiệt độ) 111/116 Chuong8 CuuDuongThanCong.com 23 Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 24 Quang trở (LDR-Light Dependent Resistor) (1) Quang trở (2) • Trị số điện trở quang trở thay đổi theo độ sáng chiếu vào Khi bị che tối quang trở có trị số điện trở lớn (vài MΩ), chiếu sáng điện trở giảm nhỏ (vài chục ữ vi trm ) u im ca quang tr: có khuếch đại trong, nghĩa dòng quang điện thu có số điện tử (hay lỗ trống) lớn số điện tử (hay lỗ trống) photon tạo Cấu tạo- ngun lý: • Là thu tín hiệu quang đơn giản Quang trở thường làm chất Sunfit Cadimium (CdS), Selenid Cadimium (CdSe), Sunfit chì (PbS)… loại quang trở CdS có độ nhạy phổ gần với mắt người nên thơng dụng • Quang trở chế tạo cách tạo bán dẫn cách điện nối đầu kim loại đặt vỏ nhựa, mặt có lớp thuỷ tinh suốt để nhận ánh sáng bên tác động vào hυ RCdS Bản điện cực Dây dẫn nối từ điện cực Bán dẫn Đế cách điện Lux Hình 8-13 Hình 8.14 Ký hiệu, hình dạng quang trở Ứng dụng: dùng mạch thu tín hiệu quang, báo động, đóng ngắt mạch điện, đo đạc, điều khiển tự động hố • Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt quang trở, cặp e-lỗ trống sinh điện trường phía điện cực Phụ thuộc vào thơng lượng ánh sáng chiếu vào, dòng điện bên thay đổi theo Chuong8 25 Chuong8 26 PIN Diode (Photodiode có lớp bán dẫn thuần) Nguyên lý điốt quang p hν n +V Electric field ƒ Cung cấp điện áp phân cực ngược phù hợp cho tiếp giáp p-n đơn giản => -V tạo điện trường => tách cặp e-lỗ trống ánh sáng tạo (do hấp thu ánh sáng chất bán dẫn) ƒ Tốc độ đáp ứng xác định điện dung thiết bị => bị chi phối độ dày vùng chuyển tiếp => thiết bị diện tích nhỏ vùng tích cực có pha tạp thấp có điện dung nhỏ, nghĩa tốc độ cao ƒ Nhiễu: nhiễu thấp giảm nhỏ dòng điện rò (chủ yếu dòng rò bề mặt) cách dùng vật liệu có vùng cấm rộng bề mặt Hình 8.15 Đặc tính quang trở (a) Mơ hình thu quang PIN (b) Đáp ứng / bước sóng thu quang InGaAs/InP Hình 8-17 Distance (x) • Điốt PIN bao gồm lớp P, lớp I lớp N Lớp I lớp bán dẫn có điện trở cao để Điốt PIN phân cực ngược, lớp nghèo lan rộng lớp I để hướng phần lớn photon rơi hấp thụ • Trong lớp I có điện trường cao để hạt tải nhanh chóng cực tạo nên dòng quang điện mạch ngồi Hình 8-16 112/116 Chuong8 CuuDuongThanCong.com 27 Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 28 PIN Diode (2) 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 dòng quang điện bên ngoài, tăng độ khuếch đại (tăng độ nhạy APD) Hấp thụ photon -> cặp e-lỗ trống -> dòng điện: i ( t ) = R p ( t ) R E ( t ) q R =η λ R = Đáp ứng hc η = hiệu suất lượng tử < (vd: 0,95%), q = điện tích e; h = số Planck (6,63.10-34 J/Hz) Điện áp phân cực ngược cao (>100V) -> Photon tạo cặp e/lỗ trống -> cặp e/lỗ trống tăng them hiệu ứng thác lũ q RAPD l λ , RAPD = M R, hc M = độ khuếch đại thác lũ (vd: 100) Đặc tuyến PIN Cấu trúc PIN có thời gian đáp ứng nhanh hiệu suất lượng tử cao Nhược điểm: dòng tối nhiễu tương đối lớn, đặc biệt bán dẫn có vùng cấm nhỏ Ge Độ khuếch đại cao, băng thông thường thấp hơn, nhiều nhiễu so với điốt PIN Hình 8-18 Chuong8 29 Chuong8 Các đặc điểm điốt quang Hình 8.19 Mơ hình APD với vùng nhân vùng hấp thụ tách biệt 30 Transistor quang (1) Cấu tạo nguyên lý: • Transistor quang có cấu trúc lớp BJT thơng thường miền cực gốc để hở, có diện tích thích hợp để tiếp nhận ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ • Khi Transistor quang chế độ hoạt động tiếp giáp BC phân cực ngược tiếp giáp BE phân cực thuận • Khi 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 dòng quang điện • Tiếp giáp BC có vai trò điốt quang, hạt tải từ phía tiếp giáp thuận BE tiêm chích vào cực gốc B Dòng quang điện miền B (dòng rò ICB ) trở thành dòng IB khuếch đại lên (β+1) lần collector 113/116 Chuong8 CuuDuongThanCong.com 31 Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 32 Transistor quang (2) Transistor quang (3) (a) (b) +VCC !NPN !NPN D RY RY 1k R !NPN !NPN !NPN Đặc điểm: • Độ khuếch đại: 100 ÷1000 lần độ khuếch đại khơng tuyến tính theo cường độ ánh sáng chiếu vào mối nối cực C B • Tốc độ làm việc chậm tụ điện kí sinh Ccb gây hiệu ứng Miller • Tần số làm việc max ∼vài trăm KHz • Để tăng độ nhạy người ta chế tạo loại Transistor lắp theo kiểu Darlington Chuong8 +VCC +VCC D R Hình 8.20 Ký hiệu Transistor quang cực (a) Transistor quang cực (b) (c) 1k (b) 1m 1N1183 (a) 1m 1N1183 Ứng dụng: Ký hiệu: !PNP !NPN 1m 1N1183 !NPN RY Hình 8.21 Mạch 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 33 Chuong8 34 Transistor quang (4) Các ghép quang (Opto- Couplers) (1) Mạch 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 Mạch điện hìh (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 Hiện người ta chế tạo JFET quang Thyristor quang Mục đích: dùng để cách điện mạch có khác biệt lớn điện áp VD: 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 Cấu 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 Nguyên 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 114/116 Chuong8 CuuDuongThanCong.com 35 Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 36 Các ghép quang (2) 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 Hình 8.23 Bộ ghép quang transistor Đặc điểm: • Điện áp cách điện sơ cấp thứ cấp (vài trm vụn ữ hng ngn vụn) B ghộp quang làm việc với IDC IAC có tần số cao • Điện trở cách điện sơ cấp thứ cấp có trị số lớn (vài chục Mữvi trm M) i vi IDC H s truyn đạt dòng điện (IC/IF): vài chục % ÷ vài trăm % tuỳ loại ghép quang Chuong8 b) Transistor quang Darlington: có nguyên lý ghép quang với quang transistor với hệ số truyền đạt lớn vài trăm lần nhờ tính chất khuếch đại mạch Darlington Nhược điểm: ảnh hưởng nhiệt độ lớn nên chân B E transistor sau thường có điện trở để ổn định nhiệt 37 2N1595 1N1183 1k Hình 8.24 Transistor quang Darlington 38 d) OPTO- Triac: có cấu trúc bán dẫn hình vẽ T2 2N5444 1N1183 FD1 BP104S G!PNP FD1 BP104S !NPN !PNP FD1 BP104S !NPN 1k 1k Các ghép quang (5) c) Bộ ghép quang với quang Thyristor: - Gồm điốt quang transistor lắp theo nguyên lý SCR - Khi có ánh sang hồng ngoại LED sơ cấp chiếu vào điốt quang có dòng điện IB cấp cho transistor NPN transistor NPN dẫn điều khiển transistor PNP dẫn điện Như 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 Chuong8 Các ghép quang (4) NDAR1 1N1183 Hình 8.22 Nguyên lý 3 !NPN 1N1183 !NPN IC 1N1183 IF 1N1183 !NPN Các ghép quang (3) !PNP G Chuong8 CuuDuongThanCong.com T1 !NPN K Hình 8.25 Ký hiệu cấu trúc bán dẫn tương đương Thyristor quang 39 115/116 Hình 8.26 Ký hiệu cấu trúc bán dẫn tương đương Triac quang Chuong8 https://fb.com/tailieudientucntt 40 Các ghép quang (6) Các ghép quang (7) * Mạch điện hình 5.27 ứng dụng transistor quang để điều khiển đóng ngắt rơle Transistor quang ghép quang ghép Darlington với transistor cơng suất bên ngồi Khi LED hồng ngoại sơ cấp cấp cấp nguồn 5V transistor quang dẫn điều khiển transistor cơng suất dẫn để cấp điện cho rơle RY Điện trở 390Ω để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng 10mA Ứng dụng: - Các loại ghép quang có dòng 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 D 390 1kΩ 1m 1N1183 +24V Hình 8.27 RY NDAR1 1N1183 +5V Chuong8 41 Chuong8 Các ghép quang (8) * Mạch điện hình 5.28 ứng dụng OPTO- Triac để đóng ngắt điện cho tải dùng nguồn xoay chiều 220V Điện trở 1kΩ để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng 10mA Khi LED sơ cấp cấp nguồn 12V triac quang kích dẫn điện tạo dòng kích cho triac cơng suất Khi triac cơng suất kích dẫn điện cơng tắc để đóng điện cho tải 1k Tải 1N1183 U1 D30 2N5444 +12V ~220V Hình 8.28 116/116 Chuong8 CuuDuongThanCong.com 43 https://fb.com/tailieudientucntt 42 ... chung Cấu kiện 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 điện tử ứng dụng... Linh kiện hoạt động dựa hiệu ứng lượng tử hiệu ứng mới: linh kiện chế tạo cơng nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ : Bộ nhớ điện tử, Transistor điện tử, giếng dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm điện tử, ... hóa trị bị phá vỡ tạo điện +4 +4 +4 tử tự lỗ trống - Lỗ trống có khả dẫn Si điện điện tử tự do, mang điện Si Si +4 +4 +4 tích dương có độ lớn với điện tích điện tử Điện tử tự - Bán dẫn có nồng