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