Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung của giáo trình được trình bày một cách rõ ràng, có hệ thống các kiến thức cơ bản và hiện đại về vật liệu và các cấu kiện điện tử - quang điện tử đang sử dụng trong ngành kỹ thuật điện tử và kỹ thuật viễn thôn
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 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Biên soạn : THS TRẦN THỊ CẦM 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 thông, đồng thời giáo trình sử dụng cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư chun ngành Điện tử - Viễn thơng Giáo trình viết theo chương trình đề cương mơn học "Cấu kiện điện tử quang điện tử" Học viện Công 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 thơng 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 Ngồi ra, chương cịn trình bày chế độ làm việc ốt bán dẫn giới thiệu số loại ốt thơng 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 cịn 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 CÊu kiƯn ®iƯn tö - 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 mong nhận góp ý nhà chun mơn, 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 mơn Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử I, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, km 10 đường Nguyễn Trãi Hà Nội - Hà Đông Xin chân thành cảm ơn! 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 chun 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 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 dịng) 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 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 hịa 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 cịn 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 vơ 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 môi chân khơng khơng khí Giới thiệu chung vật liệu điện tử CÊu kiƯn ®iƯn - Độ tổn hao điện môi (Pa): Độ tổn hao điện môi 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 mơi - 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 mơi 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 - Dịng điện chất điện mơi (I): Dịng điện chất điện mơi gồm có thành phần dịng điện chuyển dịch dịng điện rị • Dịng 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 dịng 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 • Dịng điện rò Irò: Dòng điện rò dòng điện tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển động tác động điện trường Dịng 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 - Dịng điện nghiên cứu 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 cịn 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 mơi thụ động thông dụng Vật liệu Eđ.t KV/mm ε tgδ ρ (Ω.m) Mi ca 50 ÷ 200 6÷8 0,0004 1015 Sứ 15 ÷ 30 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 thông 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 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 ... 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 Ngồi ra, chương cịn trình bày chế độ làm việc ốt bán dẫn giới... ra, chương cịn 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... 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