Bài giảng Điện tử học - ĐH Phạm Văn Đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG<br /> KHOA CƠ BẢN<br /> <br /> <br /> Bµi gi¶ng<br /> ĐIỆN TỬ HỌC<br /> <br /> Người biên soạn:<br /> <br /> Trương Văn Thanh<br /> <br /> Quảng Ngãi, tháng 05 năm 2014<br /> <br /> LỜI NÓI ĐẦU<br /> Tập bài giảng Điện tử học này được biên soạn theo chương trình đào tạo mã<br /> ngành 51140211 ban hành theo Quyết định số 705/QĐ-ĐHPVĐ ngày 07 tháng 9 năm<br /> 2012 của Hiệu trưởng trường Đại học Phạm Văn Đồng. Đây là một trong những học<br /> phần đào tạo giáo viên giảng dạy môn Vật lí Trung học cơ sở.<br /> Thời lượng của học phần là 3 tín chỉ, bao gồm 30 tiết lí thuyết và 30 tiết thực<br /> hành.<br /> Nội dung của phần lý thuyết giúp sinh viên:<br /> - Biết được những kiến thức về điện tử học đại cương như: vật liệu bán dẫn, một<br /> số linh kiện bán dẫn thông dụng và các ứng dụng của chúng trong kỹ thuật tương tự;<br /> biết được các phép toán, các định luật của Đại số logic, sử dụng chúng để tối ưu hóa<br /> các hàm logic; biết được các cổng logic cơ bản, các khối logic thông dụng, các mạch<br /> flip-flop và ứng dụng chúng để xây dựng các mạch số điển hình.<br /> - Hiểu được nguyên lí hoạt động của các thiết bị điện tử thông dụng được sử dụng<br /> phổ biến trong đời sống và kỹ thuật<br /> Nội dung của phần thực hành giúp sinh viên:<br /> - Nhận biết được một số linh kiện bán dẫn thông dụng như điện trở, tụ điện, cuộn<br /> cảm, điôt, tranzito, IC…<br /> - Lắp đặt được một số mạch điện tử thông dụng như mạch chỉnh lưu, mạch<br /> khuếch đại trong máy tăng âm; mô phỏng được một vài mạch logic thông dụng như bộ<br /> giải mã hiển thị kí tự…<br /> - Vận hành được một số thiết bị điện tử thông dụng trong đời sống và ở trường<br /> THCS như máy thu thanh, máy thu hình màu, dao động ký điện tử, máy vi tính…<br /> - Làm việc cẩn trọng, kiên trì; gắn lí thuyết với thực tế<br /> Để sử dụng tốt tập bài giảng này sinh viên phải học xong các học phần Điện học<br /> trong chương trình đào tạo vì Điện tử học là khoa học có sơ sở là Điện học.<br /> Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn trong quá trình biên soạn không tránh khỏi<br /> những sai sót. Rất mong được ý kiến đóng góp của người sử dụng để tập bài giảng<br /> ngày càng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến xin được gửi về địa chỉ E-mail:<br /> totoanly@pdu.edu.vn<br /> <br /> 1<br /> <br /> PHẦN LÍ THUYẾT<br /> <br /> 2<br /> <br /> Chương 1. LINH KIỆN BÁN DẪN<br /> Từ năm 1947 tới nay, trong suốt hơn một nữa thế kỉ, vật liệu bán dẫn và các sản<br /> phẩm điện tử được chế tạo từ chúng giữ vai trò quan trọng mang tính chất quyết định<br /> đến các tiến bộ của khoa học và công nghệ.<br /> Chương này đề cập bước đầu về vật liệu bán dẫn và một số linh kiện bán dẫn<br /> thông dụng. Trong các chương sau, dựa trên các tính chất của các linh kiện bán dẫn để<br /> tìm hiểu về các ứng dụng của chúng.<br /> 1.1. Chất bán dẫn<br /> 1.1.1. Cấu trúc tinh thể chất bán dẫn<br /> Theo tính chất dẫn điện, người ta chia vật liệu thành 3 nhóm:<br /> - Loại vật liệu cách điện (có điện trở suất lớn) điển hình là chất điện môi.<br /> - Loại vật liệu dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) điển hình là đồng. Nguyên tử đồng<br /> có một điện tử hoá trị nằm ở quỹ đạo ngoài cùng. Do lực hút yếu, nên lực bên ngoài có<br /> thể dễ dàng đánh bật điện tử ngoài cùng này ra khỏi nguyên tử đồng. Đó là lý do tại sao<br /> đồng là chất dẫn điện tốt.<br /> - Loại vật liệu bán dẫn là chất có điện tử hoá trị 4. Điển hình là các nguyên tố<br /> thuộc nhóm 4 bảng tuần hoàn Menđêlêep như Silic (Si) và Gemani (Ge).<br /> Cấu trúc mạng tinh thể của một chất bán dẫn điển hình như Si có đồ thị cấu trúc<br /> vùng năng lượng của chất bán dẫn và cơ chế sinh hạt dẫn của chúng được cho trên hình<br /> 1.1a.<br /> Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn điện có dạng ba vùng tách biệt nhau:<br /> Vùng cấm nằm giữa một vùng có nhiều mức năng lượng cao còn bỏ trống (gọi là vùng<br /> dẫn) và một vùng có các mức năng lượng thấp đã bị hạt chiếm đầy (gọi là vùng hoá<br /> trị). Việc hình thành cơ chế dẫn điện gắn liền với quá trình sinh từng cặp hạt dẫn tự do<br /> là điện tử (trong vùng dẫn) và lỗ trống (trong vùng hoá trị) nhờ việc ion hoá một<br /> nguyên tử silic tương đương với việc một điện tử hoá trị nhảy mức năng lượng qua<br /> vùng cấm lên vùng dẫn để lại một liên kết bị khuyết (lỗ trống) trong vùng hoá trị. Kết<br /> quả là dòng điện trong chất bán dẫn sạch gồm hai thành phần tương đương nhau (do<br /> các cặp sinh đôi điện tử tự do - lỗ trống) đóng góp và muốn đạt được điều này cần một<br /> năng lượng kích thích đủ lớn (vài eV) đủ để gây ra quá trình nhảy mức của electron<br /> <br /> 3<br /> <br /> qua vùng cấm từ vùng hoá trị (năng lượng thấp) lên vùng dẫn (các mức năng lượng cao<br /> hơn).<br /> 1.1.2. Chất bán dẫn tạp chất loại n<br /> Người ta tiến hành pha các nguyên tố có 5 điện tử hoá trị (ví dụ Asen (As),<br /> Photpho (P)...) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn sạch thuộc nguyên tố nhóm 4 (Si,<br /> Ge), kết quả thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng<br /> điện tử (hạt đa số) gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n.<br /> Tuy nhiên vẫn tồn tại cơ chế của chất bán dẫn nền (trước khi pha tạp chất) để<br /> hình thành từng cặp hạt dẫn tự do, nên lỗ trống cũng tham gia dẫn điện và gọi tên là hạt<br /> thiểu số. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn tạp loại n cho trên hình 1.1b.<br /> Mức năng lượng của tạp chất loại n nằm trong vùng cấm và sát đáy vùng dẫn của<br /> đồ thị năng lượng của chất bán dẫn làm nền. Điều này tạo khả năng các nguyên tử tạp<br /> chất dễ dàng bị ion hoá giải phóng ra điện tử tự do (nhảy từ mức năng lượng tạp chất<br /> lên vùng dẫn) và làm xuất hiện các ion dương tạp chất (là loại hạt có khối lượng lớn<br /> không di chuyển được và do đó không tham gia vào dòng điện).<br /> Điện tử tự do<br /> <br /> Si<br /> Si<br /> <br /> Si<br /> Si<br /> a)<br /> <br /> Si<br /> Si<br /> <br /> Si<br /> <br /> As<br /> <br /> Lỗ trống dư<br /> <br /> Si<br /> <br /> Si<br /> <br /> Al<br /> <br /> Si<br /> <br /> Si<br /> <br /> Si<br /> <br /> c)<br /> <br /> b)<br /> Vùng dẫn<br /> (điện tử tự do)<br /> <br /> Lỗ trống tự do<br /> (Vùng hóa trị)<br /> Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể chất bán dẫn<br /> <br /> 4<br /> <br /> d)<br /> <br /> Si<br /> <br />