PHAN VĂN ĐƯỜNG ĐIỆN TỬ HỌC Trường Đại học sư phạm - Đại học Huế Huế, tháng 12 năm 2011 1 Giáo trình này được viết bởi Phan Văn Đường, giảng viên Khoa Vật lý, Trường ĐHSP - Đại học Huế. Giáo trình này được dùng để giảng dạy và học tập học phần Điện tử học mã số: VALY 3372. 2 LỜI NÓI ĐẦU Điện tử học là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu và sử dụng các dụng cụ điện tử, các dụng cụ này hoạt động dựa theo việc điều khiển các dòng điện tử hoặc các hạt tải điện, Dụng cụ bán dẫn được nghiên cứu ở đây là các loại diode, các loại transistor, làm việc dựa trên sự biến đổi nồng độ và sự dịch chuyển của các hạt tải điện.Từ đó biết được nguyên lý hoạt động, các họ đặc tuyến tĩnh và động, các tham số tĩnh và động, các ứng dụng củ a các dụng cụ bán dẫn trên. Trong chương trình học ở phổ thông trung học cũng có dành một số chương thích đáng đề cập đến điện tử học. Các trường đại học cao đẳng chuyên ngành kỹ thuật cũng đã có các giáo trình, các tài liệu tham khảo về điện tử học. Nhưng để dành cho sinh viên Đại học sư phạm khoa Vật lý, khoa sư phạm kỹ thuật các tài liệu phù hợ p khi ra trường giảng dạy các phần có liên quan đến điện tử học vẫn đang còn ít. Chúng tôi biên soạn giáo trình này để làm tài liệu học tập cho sinh viên Khoa Vật lý trường Đại học sư phạm, trước mắt là sinh viên khoa vật lý trường Đại học sư phạm Huế khi học học phần Điện tử học. Khi soạn chúng tôi bám sát đề cương chi tiết học phần Điện tử học đã được duyệt. Ngoài ra giáo trình còn có thể làm tài liêu học tập cho sinh viên Khoa Sư pham kỹ thuật khi học về kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đo lường điện điện tử. Giáo trình có 8 chương. Chương đầu tiên trình bày khái niệm cơ bản nhất về chất bán dẫn làm nòng cốt để sinh viên nắm bắt được kiến thức của các chương sau. Từ chương hai trở đi giáo trình lần lượt trình bày theo thứ tự các dụng cụ bán dẫn chỉ có một tiếp giáp, các dụng cụ bán dẫn có hai tiếp giáp, các dụng cụ bán dẫn có nhiều tiếp giáp và cuối cùng là các dụng cụ quang bán dẫn. Ở chương cuối, tuy vi mạch không phải là một dung cụ bán dẫn mà là một mạch chức năng (function device), nhưng theo đề cương chi tiết, chúng tôi cũng đưa vào để sinh viên biết được một thành tựu mới nhất của điện tử học. Do trình độ và thời gian hạn chế, giáo trình chắc chắn có các sai sót, chúng tôi rất mong các thầy, cô giáo, các bạn đọc góp ý, chúng tôi rất mong và rất cần các góp ý đó để sửa chữa, bổ sung, hoàn chỉnh giáo trình. Phan Văn Đường 3 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ VẬT LÝ DỤNG CỤ BÁN DẪN CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mở đầu Điện tử học nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trong các linh kiện điện tử, chủ yếu là các linh kiện tích cưc. Trước đây là các đèn điện tử 3 cực, 4 cực, 5 cực ngày nay là những dụng cụ bán dẫn. Những linh kiện này đóng vai trò khuếch đại trong các mạch điện tử như khuếch đại cao tần, khuếch đại âm tần, khuếch đại xung Những hiện tượng đó đã nghiên cứu khi đề cập đến dòng điện trong chất rắn. Dụng cụ bán dẫn được nghiên cứu là các loại diode (chỉnh lưu, zener, biến dung, SCR…), các loại transistor (BJT, FET, MOSFET ), các dụng cụ quang điện tử. Làm việc dựa trên sự biến đổi nồng độ và sự dịch chuyển của các hạt mang điện: điện tử và lỗ trống dưới tác dụng của tác nhân bên ngoài như điện áp, dòng điện, ánh sáng Mục tiêu của chương Mục tiêu của chương này là tạo điều kiện cho sinh viên: -Nắm được những khái niệm cơ bản về điện tử học như,thông số (parameter), đặc tuyến (characteristic), họ đặc tuyến - Nắm được lịch sử phát triển các linh kiện điện tử. - Hiểu được nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử mà chủ yếu là các linh kiện bán dẫn. - Nắm vững các tính chất của bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp chất. - Hiểu rõ cách hình thành tiếp giáp PN Sau khi học xong chương này, sinh viên có khả năng: Phân tích được sự thay đỗi nồng độ của các hạt dẫn điện cơ bản có trong chất bán dẫn là điện tử và lỗ trống khi di chuyể n qua tiếp giáp PN có và không có điện trường ngoài. Đây là chương mở đầu, có thể xem như là nhập môn để sinh viên thâm nhập vào điện tử học. Từ những kiến thức rất cơ bản về tiếp giáp PN ở chương này, sinh viên nắm bắt dễ dàng nguyên lý hoạt động và các ứng dụng cơ bản của các linh kiện điện tử ở các chương sau. 4 1.Lịch sử phát triển các dụng cụ điện tử - Năm 1904 John Ambrose Fleming (1849 - 1945) nhà vật lý và kỹ sư người Anh, nhờ sự khám phá hiện tượng phát xạ điện tử của Thomas Edison đã phát minh diode chân không (Hình 1.1). Hình 1.1: Cấu tạo và hình dạng của diode chân không Hình 1.1 cho ta hình dạng của diode EZ81 được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử vào thập niên 60 của thế kỷ 20 và cấu tạo của nó. -Năm 1906 Lee de Forest (1873 - 1961) nhà phát minh người Mỹ đã phát minh ra đèn điện tử 3 cực (triode chân không). Đây là cuộc cách mạng lần thứ nhất của kỹ thuật điện tử. Có đèn điện tử ta có thể khuếch đại biên độ các tín hiệu đang còn rất bé, nhờ vậy có thể nâng công suất của tín hiệu lên rất nhiều lần. Hình 1.2: Ký hiệu, cấu tạo và hình dạng của triode chân không Hình 1.2 là ký hiệu, cấu tạo và hình dạng đèn điện tử 3 cực 12AX7 do hảng RCA Mỹ sản xuất năm 1947. 5 - Năm 1948 Từ phòng thí nghiệm của hãng Bell, ba nhà khoa học người Mỹ John Bardeen (1908 - 1991), William Bradford Shockley (1910 - 1989) và Walter Houser Brattain (1902 - 1987) đã chế tạo thành công transistor, còn gọi là triode bán dẫn (Hình 1.3). Việc xuất hiện của transistor gây ra một cuộc cách mạng lần thứ hai của kỹ thuật điện tử, làm cho kỹ thuật vô tuyến điện tử bước một bước khổng lồ trong việc nâng cao chất lượng, tăng hiệu suất, thu gọn kích thước, trọng lượng và giảm giá thành một cách rất đáng kể các thiết bị điện tử. Hình 1.3: Các loại Transistor. - Ngày 12 tháng 9 năm 1958 vi mạch đầu tiên, hay còn được gọi là mạch tích hợp (IC – Intergrated Circuit), được chế tạo tại công ty Texas Instruments (Mỹ) bởi một nhân viên mới của công ty này là Jack Kilby. Đây là một thành tựu vô cùng to lớn của điện tử học, nó giúp con người tiếp tục hoàn thiện các chỉ tiêu quan trọng của các thiết bị điện tử là giảm kích thước, giảm tiêu thụ năng lượng, giảm giá thành sản xuất, tăng độ bền, độ tin cậy. Nhờ phát minh này Kilby được trao giải Nobel Vật lý năm 2000. 2.Đại cương về chất bán dẫn 2.1. Chất bán dẫn thuần Dụng cụ bán dẫn được chế tạo từ chất bán dẫn. Chất bán dẫn là chất có điện trở suất trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Điện trở suất củ a: Kim loại (chất dẫn điện) : ρ = 10 -6 Ωm ÷ 10 -4 Ωm Bán dẫn : ρ = 10 -4 Ωm ÷ 10 4 Ωm Điện môi (chất cách điện) : ρ = 10 4 Ωm ÷ 10 10 Ωm 6 Ngược với chất dẫn điện, khi nhiệt độ tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng theo. Nghĩa là điện trở suất của chất bán dẫn nghịch biến với nhiệt độ. Ta nói chất bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm Hai chất bán dẫn được dùng chủ yếu để chế tạo các dụng cụ bán dẫn là Germanium (Ge) và Silicon (Si). Cả hai đều nằm trong nhóm 4 của bảng phân hạng tuần hoàn. Hiện nay người ta không dùng Ge để chế tạo các dụng cụ bán dẫn vì giá thành cao, dòng điện rò lớn và nhiệt độ chịu đựng bé (<100 0 C). Theo nguyên lý loại trừ của Pauli ta suy ra số điện tử tối đa trong mỗi tầng: 2n 2 . Vận dụng vào Si (có 14 điện tử) và Ge (có 32 điện tử), ta có cấu hình diện tử của chúng như sau: Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Ge: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 2 Như thế, các mức năng lượng bên trong của nguyên tử Ge và Si đều được làm đầy trong khi đó mức ngoài cùng còn thiếu 4 điện tử mới được làm đầy. Xem hình vẽ phân bố điện tử ở các vòng của Si và Ge (Hình 1.4), ta thấy Si và Ge có 4 điện tử hóa trị. (điện tử hóa trị là điện tử ở lớp ngoài cùng trong nguyên tử). Do đó Si và Ge đều có hóa trị 4. Hình 1.4: Phân bố điện tử ở các vòng của Si và Ge. Theo quan điểm lý thuyết miền năng lượng của chất rắn, ta thấy đồ thị năng lượng của một chất rắn có 3 miền (Hình 1.5abc): Miền hóa trị (Valence band): Còn gọi là miền đầy, miền chứa đầy các electron. Miền cấm (Forbidden band): Miền năng lượng không thể có electron chiếm chổ. Miền cấm ngăn cách giữa hai mi ền hóa trị và miền dẫn. 7 Miền dẫn (Conduction band): Miền chưa có các electron chiếm chổ. Từ hình 1.5 ta có: * Chất dẫn điện: Không có vùng cấm ngăn cách giữa hai miền hóa trị và miền dẫn (Hình 1.5a). Do đó điện tử ở miền hóa trị sẵn sàng di chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài, ngay khi cả điện trường ngoài yếu để tham gia vào việc dẫn điện. Hình 1.5: Bố trí các mức năng lượng của chất dẫn điện, cách điện và bán dẫn * Chất cách điện: Vùng cấm có độ rộng lớn (5eV ÷ 10 eV). Do đó các điện tử ở miền hóa trị không thể nhảy mức lên vùng dẫn. Chất cách điện hoàn toàn không dẫn điện dưới tác dụng của điện trường ngoài. * Chất bán dẫn: Vùng cấm của chất bán dẫn có độ rộng bé (0,2eV ÷ 1,5 eV). Electron có khả năng nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn. Khi nhảy mức, nó tạo nên lỗ trống (hole) ở vúng hóa trị. Ta thấy nồng độ n của điện tử trong miền dẫn bằng nồng độ p của lỗ trống ở miền hóa trị (n = p). Sự dẫn điện ở vùng hóa trị do các lỗ trống gây ra. Trong chất bán dẫn, điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dẫn điện, và được gọi chung là các hạt tải điện. Như thế, sự nhảy mức của electron từ miền hóa trị lên miền dẫn sẽ tạo thành cặp điện tử - lỗ trống. Sự nhảy mức này xảy ra do electron nhận được một năng lượng phụ lớn hơn độ rộng Δw của miền cấm. Nguồn năng lượng này có thể do tác dụng của điện trường ngoài, hoặc do dao động nhiệt của mạng tinh thể (đốt nóng, chiếu chùm tia bức xạ ). 8 Quá trình ngược lại gọi là quá trình kết hợp hoặc tái hợp (recombination) giữa lỗ trống và điện tử. Mỗi một kết hợp lại mất đi một cặp điện tử - lỗ trống. Ứng với một nồng độ của điện tử và lỗ trống nhất định thì có sự cân bằng động giữa quá trình kích thích và quá trình tái hợp. Lúc đó nồng độ được gọi là cân bằng đối với chất bán dẫn thuần. Nồng độ này có thể được xác định theo công thức: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − === KT ΛW 32 i 22 eATnpn n i : Ký hiệu tổng quát về nồng độ lỗ trống hay điện tử. A : Hằng số phụ thuộc chất bán dẫn Si: A = 1,08 . 10 31 (K -3 cm -6 ). Ge: A = 2,31 . 10 30 (K -3 cm -6 ). T : Nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin) của chất bán dẫn. Δw : Độ rộng của miền cấm k : Hằng số Bolzman (1,38(24).10 -23 J/K o = 8,617(15).10 -5 eV/K o ) 1 đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng. Tích số kT xác định cở của năng lượng chuyển động nhiệt của electron. Ở nhiệt độ phòng 300 o K khoảng 1,38.10 -23 . 300 Chất bán dẫn thuần được đặt trưng bằng mức Fermi W f nằm ở trung tâm miền cấm Như vậy, nồng độ của electron và lỗ trống càng lớn khi miền cấm càng hẹp và nhiệt độ của chất bán dẫn càng cao. 2.2.Bán dẫn pha tạp chất (doping) Việc dẫn điện của chất bán dẫn sẽ tăng lên rất đáng kể khi ta pha thêm tạp chất vào nó. Người ta thường pha tạp chất thuộc nhóm 5 (As, P, Sb ) để có chất bán dẫn loại N. Pha tạp chất thuộc nhóm 3 (In, B, Al ) để có bán dẫn loại P. 2.2.1.Bán dẫn loại N (n – type semiconductor) Giả sử ta đang dùng chất bán dẫn Silic (chất bán dẫn được sử dụng chủ yếu hiện nay để chế tạo các dụng cụ bán dẫn). Silic là nguyên tố thuộc nhóm 4 trong bảng phân hạng tuần hoàn, vòng ngoài cùng có 4 điện tử hóa trị. Cũng như chất khí, trong chất bán dẫn các nguyên tử trong phân tử liên kết nhau bằng mối nối đồng hóa trị. Đó là mối liên kết hóa học của hai nguyên tử kề nhau bằng đôi điện tử góp chung, chuyển động trên quỷ đạo chung cho hai nguyên tử. Theo quy ước 9 người ta biểu diễn mối quan hệ này bằng hai vạch thẳng nối hai nguyên tử (Hình 1.6). Nếu Si hoàn toàn nguyên chất, tất cả các điện tử hóa trị dều ở trạng thái liên kểt trong mạng nên không có có điện tử tự do. Khi đó nguyên tử Si hoàn toàn không dẫn điện Hình 1.6: Mạng liên kết hóa học của Si Nếu ta pha tạp chất thuộc nhóm 5 ví dụ Phosphor (Hình 1.7) vào Si thì 4 điện tử ở vòng ngoài của P sẽ liên kết đồng hóa trị với 4 điện tử vòng ngoài của Si bằng 4 đôi điện tử góp chung. Còn một điện tử thừa của Phosphor không tham gia vào liên kết mạng. Nó trở thành điện tử tự do. Như vậy ngoài số lượng điện tử và lỗ trống có sẵn trong chất bán dẫn thuần Silic, còn có thêm một số lượng điện tử do tạp chất tạo ra. Hình 1.7: Mạng liên kết hóa học của bán dẫn loại N Tạp chất nhóm 5 đã cho điện tử nên được gọi là tạp chất cho (donor). Bán dẫn được pha tạp chất nhóm 5 được gọi là bán dẫn loại N. Số lượng điện tử tự do trong bán dẫn loại N rất nhiều hơn lỗ trống. Điện tử là hạt dẫn điện đa số (majority carrier), lỗ tr ống là hạt dẫn điện thiểu số (minority carrier). Độ dẫn điện [...]... nồng độ điện tử trong bán dẫn loại P nN là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại N pN là nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại N Chuyển động trên gọi là chuyển động khuếch tán, một trong những chuyển động cơ bản của các hạt tải điện trong môi trường bán dẫn Sự chuyển động khuếch tán này tạo ra dòng điện khuếch tán (diffusion curent) Ikt I kt = qD dn dx Với: q : Điện tích của động tử (q = -e nếu là điện tử, ... dx D : Hệ số khuếch tán Khi điện tử và lỗ trống khuếch tán qua mặt tiếp xúc như trên, chúng sẽ để lại những ion dương của tạp chất cho và ion âm của tạp chất nhận, đồng thời làm tăng nồng độ điện tích tại những nơi chúng vừa tới Những điện tích này sẽ tái hợp với động tử đa số của nơi đó (điện tử sẽ tái hợp với lỗ khi khuếch tán từ N sang P, ngược lại lỗ trống sẽ tái hợp với điện tử khi khuếch tán từ... lượng điện tử lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều b/ Số lượng lỗ trống lớn hơn số lượng điện tử rất nhiều c/ Số lượng lỗ trống và điện tử bằng nhau d/Không có lỗ trống trong ban dẫn thuần 20 CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN RCL Mở đầu Trong kỹ thuật điện tử, linh kiện RCL được gọi là linh kiện thụ động, đây là các phần tử tuyến tính vì quan hệ giữa điện áp và dòng điện của chúng là tuyến tính: Dòng điện, điện. .. bằng nồng độ p của lỗ trống ở miền hóa trị (n = p) Điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dẫn điện được gọi chung là các hạt tải điện Sự nhảy mức của electron từ miền hóa trị lên miền dẫn sẽ tạo thành cặp điện tử - lỗ trống Quá trình ngược lại là quá trình tái hợp (recombination) giữa lỗ trống và điện tử Mỗi một kết hợp lại mất đi một cặp điện tử - lỗ trống Nồng độ này có thể được xác định theo... lỗ trống sẽ khuếch tán từ P sang N, ngược lại điện tử sẽ khuếch tán từ N sang P Sự chuyển động khuếch tán này tạo ra dòng điện khuếch tán (diffusion curent) Ikt Utx làm cản trở sự chuyển động của các phần tử tải điện cơ bản nên nó được gọi là hàng rào thế (barrier potential) 17 Do có Etx các phần tử tải điện thiểu số sẽ chuyển động qua mặt tiếp xúc theo chiều ngược với chiều chuyển động khuếch tán của... điện tử cho liên kết thứ tư Do đó In dễ dàng nhận một nguyên tử của Si gần đó Nguyên tử Si này mất đi một điện tử biến thành lỗ trống Nguyên tử này lại có thể lấy điện tử của Si bên cạnh Hình 1.9: Mạng liên kết hóa học của bán dẫn loại P Nếu có điện trường ngoài E thì sự dịch chuyển có hướng tạo thành dòng điện Các tạp chất nhóm 3 đã nhận điện tử nên được gọi là tạp chất nhận (Acceptor) Bán dẫn được pha... loại Tụ điện được ký hiệu trên các sơ đồ như hình 2.17 Hình 2.17: Ký hiệu các loại tụ điện Tụ điện được cấu tạo gồm 2 tấm dẫn điện gọi là bản cực, được cách điện với nhau bằng một lớp điện môi (Hình 2.18) Điện dung của chúng phụ thuộc vào 32 chất điện môi, diện tích bản cực và khoảng cách hai bản cực theo công thức đã S học: C = ε d Hình 2.18: Cấu tạo của một tụ điện Trong đó C: Điện dung tụ điện (F)... chạy, dòng điện trong mạch bị thay đổi (Hình 2.11) Hình 2.11: Biến trở mắc theo kiểu phân dong 1.3 Điện trở đặc biệt 1.3.1 .Điện trở cầu chì Do nhu cầu an toàn cho hoạt động của các thiết bị điện tử, người ta dùng loại điện trở cầu chì Loại điện trở này thường có trị số bé và hoạt động như một cầu chì Khi dòng điện trong mạch tăng cao, điện trở sẽ bị đứt để tách rời mạch điện khỏi nguồn cung cấp Điện trở... điện, điện tử Chương 2 mở đầu cho sinh viên làm quen với các linh kiện thụ động trong các mạch điện tử trước khi nghiên cứu các linh kiện tích cực 1 Điện trở 1.1 Điện trở cố định R (Resistor) 21 Điện trở là các linh kiện điện tử mắc trong mạch điện để hạn chế hoặc điều chỉnh dòng điện Khi dòng điện đi qua điện trở nó sẽ gây sụt áp, nhờ đó ta có thể dễ dàng xác định mức dòng và mức áp cung cấp cho các... chắn, giữa hai miền điện tích khác dấu nhau sẽ có hiệu điện thế tiếp xúc Utx, tương ứng là điện trường tiếp xúc Etx chiều từ N sang P Utx làm cản trở sự chuyển động của các phần tử tải điện cơ bản nên nó được gọi là hàng rào thế (barrier potential) Do có Etx các phần tử tải điện thiểu số sẽ chuyển động qua mặt tiếp xúc theo chiều ngược với chiều chuyển động khuếch tán của các phần tử tải điện đa số, chuyển