Cấu kiện điện tử - Đỗ Mạnh Hà

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:176

Thêm vào BST

Báo xấu

199
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cấu kiện điện tử trang bị cho sinh viên những kiến thức về nguyên lý hoạt động, đặc tính, tham số và lĩnh vực sử dụng của các loại cầu kiện (linh kiện) điện tử để làm nền tảng cho các môn học chuyên ngành. Bài giảng khám phá các đặc tính bên trong của linh kiện bán dẫn, từ đó sinh viên có thể hiểu được mối quan hệ giữa cấu tạo hình học và các tham số của cấu kiện, ngoài ra hiểu được các đặc tính về điện, sơ đồ tương đương, phân loại và ứng dụng của chúng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cấu kiện điện tử - Đỗ Mạnh Hà

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES Đỗ Mạnh Hà KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 8/2009 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 1 1/176
(ECE) Electrical and Computer Engineering Specialties CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES Digital signal processing Communications Information theory Information Control theory Engineering Đỗ Mạnh Hà … Algorithms KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Architecture HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT Complexity Electronics Computer Electrical Programming Circuits Engineering / Engineering Language Optics Computer Compilers Power systems Science Operating 8/2009 Electromagnetic Systems Ha M. Do -PTIT Lecture 1 1 … … Ha M. Do -PTIT Lecture 1 2 Giới thiệu môn học Cấu kiện điện tử Mục đích môn học: - Trang bị cho sinh viên những kiến thức về nguyên lý hoạt động, đặc tính, tham số và lĩnh vực sử dụng của các loại cấu kiện (linh kiện) điện tử để làm nền tảng cho các môn học chuyên ngành. - Môn học khám phá các đặc tính bên trong của linh kiện bán dẫn, từ đó SV có thể hiểu được mối quan hệ giữa cấu tạo hình học và các tham số của cấu kiện, ngoài ra hiểu được các đặc tính về điện, sơ đồ tương đương, phân loại và ứng dụng của chúng. Cấu kiện điện tử? Là các phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện tử, các hệ thống điện tử. Gồm các nội dung chính sau: + Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử. + Vật liệu điện tử + Cấu kiện thụ động: R, L, C, Biến áp + Điốt + Transistor lưỡng cực – BJT. + Transistor hiệu ứng trường – FET + Cấu kiện quang điện tử. 2/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 3 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 4
Sơ đồ khối một hệ thống điện tử điển hình Hệ thống điện tử (1) Sensor, detector, Mạch vào: Đầu vào hoặc or transducer: Bộ lọc, khuếch Nguồn tín hiệu: Tín hiệu dưới dạng đại, hạn biên… điện, cơ, sóng âm dòng hoặc điện áp Đầu ra: Màn hình, kích hoạt thiết bị, Tính toán: ADC, tín hiệu đưa tới ra quyết định, Xử lý tín hiệu số hệ thống tiếp theo điều khiển CD / DVD recoders and players Robotic control Cell phones… Weather prediction systems… Ha M. Do -PTIT Lecture 1 5 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 6 Hệ thống điện tử (2) Hệ thống điện tử (3) Images: amazon.com 3/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 7 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 8
Hệ thống điện tử (4) Hệ thống điện tử (5) NOKIA 8260 (Mặt trước) Ha M. Do -PTIT Lecture 1 9 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 10 Hệ thống điện tử (6) Giới thiệu chung về Cấu kiện điện tử NOKIA 8260 (Mặt sau) - Cấu kiện điện tử ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Nổi bật nhất là ứng dụng trong lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT. - Cấu kiện điện tử rất phong phú, nhiều chủng loại đa dạng. - Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ, tạo ra những vi mạch có mật độ rất lớn (Vi xử lý Intel COREi7 - khoảng hơn 1,3 tỉ Transistor…) - Xu thế các cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày càng cao, có tính năng mạnh, tốc độ lớn… 4/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 11 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 12
Ứng dụng của cấu kiện điện tử Ứng dụng của cấu kiện điện tử - Các linh kiện bán dẫn như diodes, transistors và mạch tích hợp (ICs) có thể tìm thấy khắp nơi trong cuộc sống (Walkman, TV, ôtô, máy giặt, máy điều hoà, máy tính,…). Chúng ta ngày càng phụ thuộc vào chúng và những thiết bị này có chất lượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn. - PCs minh hoạ rất rõ xu hướng này. - Nhân tố chính đem lại sự phát triển thành công của nền công nghiệp máy tính là việc thông qua các kỹ thuật và kỹ năng công nghiệp tiên tiến người ta chế tạo được các Transistor với kích thước ngày càng nhỏ → giảm giá thành và công suất. Chips… Sand… Chips on Silicon wafers Ha M. Do -PTIT Lecture 1 13 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 14 Đặc điểm phát triển của mạch tích hợp (IC) Định luật MOORE - Tỷ lệ giá thành/tính năng của IC giảm 25% –30% mỗi năm. - Số chức năng, tốc độ, hiệu suất cho mỗi IC tăng: - Kích thước wafer tăng - Mật độ tích hợp tăng nhanh - Thế hệ công nghệ IC: + SSI - Small-Scale Integration + MSI – Medium-Scale Integration + LSI- Large-Scale Integration + VLSI- Very-large-scale integration + SoC - System-on-a-Chip + 3D-IC - Three Dimensional Integrated Circuit + Nanoscale Devices, … 5/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 15 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 16
Ví dụ: Intel Processor Cấu trúc chương trình Lecture 1- Introduction (Giới thiệu chung) Silicon Process 1.5μ 1.0μ 0.8μ 0.6μ 0.35μ 0.25μ Lecture 2- Passive Components (Cấu kiện thụ động) Technology Lecture 3- Semiconductor Physics (Vật lý bán dẫn) Intel386TM DX Processor Lecture 4- P-N Junctions (Tiếp giáp P-N) 45nm Lecture 5- Diode (Điốt) Intel486TM DX Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) Processor Nowadays! Lecture 7- FET (Transistor hiệu ứng trường) Lecture 8- OptoElectronic Devices Pentium® Processor (Cấu kiện quang điện tử) Lecture 9- Thyristor Pentium® Pro & Pentium® II Processors Ha M. Do -PTIT Lecture 1 17 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 18 Tài liệu học tập Yêu cầu môn học - Tài liệu chính: - Sinh viên phải nắm được kiến thức cơ bản về vật lý bán dẫn, về tiếp + Lecture Notes (Electronic Devices – DoManhHa – PTIT – 8/2009) giáp PN, cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ tương đương, tham số, phân cực, - Tài liệu tham khảo: chế độ xoay chiều, phân loại, một số ứng dụng của các loại cấu kiện 1. Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006. điện tử được học. 2. MicroElectronics, an Intergrated Approach, Roger T. Home - University of - Sinh viên phải đọc trước các Lecture Notes trước khi lên lớp. California at Berkeley, Charles G. Sodini – MIT , 1997 3. Giáo trình Cấu kiện điện tử và quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện - Sinh viên phải tích cực trả lời câu hỏi của giảng viên và tích cực đặt CNBCVT, 2002 câu hỏi trên lớp hoặc qua email: caukien@gmail.com 4. Electronic Devices, Second edition, Thomas L.Floyd, Merill Publishing - Làm bài tập thường xuyên, nộp vở bài tập bất cứ khi nào Giảng viên Company, 1988. yêu cầu, hoặc qua email: caukien@gmail.com 5. Introductory Electronic Devices and Circuits, conventional Flow Version, Robert T. Paynter, Prentice Hall, 1997. - Tự thực hành theo yêu cầu với các phần mềm EDA. 6. Electronic Principles, Albert Paul Malvino, Fifth edition. - Điểm môn học: 7. Linh kiện bán dẫn và vi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 Kiểm tra : - Câu hỏi ngắn + Chuyên cần + Bài tập : 10 % 8. MicroElectronic Circuits and Devices, Mark N. Horenstein, Boston University, - Bài tập 1996 + Kiểm tra giữa kỳ : 10 % Thi kết thúc: -Câu hỏi ngắn và trắc nghiệm 9. Lecture Notes (MIT, Berkeley, Harvard, Manchester University…) + Thí nghiệm : 10 % - Bài tập + Thi kết thúc : 70 % 6/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 19 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 20
Giới thiệu các phần mềm EDA hỗ trợ môn học Yêu cầu kiến thức lý thuyết mạch cần biết - Circuit Maker: Phân tích, mô phỏng cấu kiện tương tự và số dễ sử - Khái niệm về các phần tử mạch điện cơ bản: R, L, C; Nguồn dòng, dụng nhất. nguồn áp không đổi; Nguồn dòng, nguồn áp có điều khiển… - OrCAD (R 9.2): - Phương pháp cơ bản phân tích mạch điện: - Multisim (R 7)-Electronic Workbench, Proteus … + m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL - Tina Pro 7.0: Phân tích, mô phỏng cấu kiện tương tự và số trực quan + m2: Luật kết hợp (Composition Rules) nhất, có các công cụ máy đo ảo nên tính thực tiễn rất cao. + m3: Phương pháp điện áp nút (Node Method) - Mathcad (R 11): Làm bài tập: tính toán biểu thức, giải phương trình + m4: Xếp chồng (Superposition) toán học, vẽ đồ thị... (Sinh viên nên sử dụng Tina Pro 7.0 để thực hành, làm bài tập, phân + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton tích, mô phỏng cấu kiện và mạch điện tử ở nhà) - Phương pháp phân tích mạch phi tuyến + Phương pháp phân tích: dựa vào m1, m2,m3 + Phương pháp đồ thị + Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) - Mạng bốn cực: tham số hỗn hợp H Ha M. Do -PTIT Lecture 1 21 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 22 Lecture 1 – Giới thiệu chung 1.1 Khái niệm cơ bản 1.1 Khái niệm cơ bản + Điện tích và dòng điện + DC và AC 1.2 Phần tử mạch điện cơ bản + Tín hiệu điện áp và dòng điện 1.3 Phương pháp cơ bản phân tích mạch điện + Tín hiệu (Signal) và Hệ thống (System) 1.4 Phương pháp phân tích mạch phi tuyến + Tín hiệu Tương tự (Analog) và Số (Digital) + Tín hiệu điện áp và Tín hiệu dòng điện 1.5 Phân loại cấu kiện điện tử 1.6 Giới thiệu về vật liệu điện tử 7/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 23 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 24
Điện tích và dòng điện DC và AC + Mỗi điện tử mang điện tích: –1.602 x 10-19 C (Coulombs) DC (Direct current): Dòng một chiều + 1C = Điện tích của 6.242 x 1018 điện tử (electron) – Dòng điện có chiều không đổi theo thời gian. + Ký hiệu điện tích: Q. Đơn vị: coulomb (C) – Tránh hiểu nhầm: DC = không đổi, Dòng điện (Current) – Ví dụ – Là dòng dịch chuyển của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc phần tử I=3A, i(t)=10 + 5 sin(100πt) (A) mạch điện AC (Alternating Current): Dòng xoay chiều Thomas Edison – Ký hiệu: I, i(t) (1847 – 1931) – Dòng điện có chiều thay đổi theo thời gian – Đơn vị: Ampere (A). 1A=1C/s – Tránh hiểu nhầm: AC = Biến thiên theo thời gian – Mối quan hệ giữa dòng điện và điện tích – Ví dụ: d i (t ) = q(t ) i (t ) = 2 cos(2πt ); dt t i (t ) = 5 + 12 cos(200πt ) q (t ) = ∫ i (t )dt + q (t 0 ) Nikola Tesla t0 (1856 – 1943) Ha M. Do -PTIT Lecture 1 25 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 26 Tín hiệu (Signal) và Hệ thống (System) Signal (Tín hiệu) • Tín hiệu: là đại lượng vật lý mang thông tin vào và ra của hệ thống. input output • Ví dụ Microphone Encoder Transmitter – Tiếng nói, âm nhạc, âm thanh … – Dao động từ các hệ thống cơ học – Chuỗi video và ảnh chụp – Ảnh cộng hưởng từ (MRI), Ảnh x-ray signals signals signals signals Channel – Sóng điện từ phát ra từ các hệ thống truyền thông – Điện áp và dòng điện trong cấu kiện, mạch, hệ thống… – Biểu đồ điện tâm đồ (ECG), Điện não đồ – Emails, web pages …. Speaker Decoder Receiver • Mỗi loại tín hiệu tương ứng với nguồn nào đó trong tự nhiên. output input • Tín hiệu thường được biểu diễn bằng hàm số theo thời gian, tần số hay khoảng cách Ví dụ hệ thống điện thoại 8/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 27 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 28
Hệ thống (Systems) và mô hình Tín hiệu Tương tự (Analog) và Số (Digital) • Mô hình (Model): Các hệ thống trong thực tế có thể mô tả bằng mô Tương tự (Analog) hình thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của hệ thống. Tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục theo thời gian • Một hệ thống có thể chứa nhiều hệ thống con. Hầu hết tín hiệu trong tự nhiên là tín hiệu tương tự • Mô hình hệ thống có thể được biểu diễn bằng biểu thức toán học, bảng Digital biểu, đồ thị, giải thuật … Tín hiệu có giá trị rời rạc theo thời gian • Ví dụ hệ thống liên tục: Tín hiệu lưu trong các hệ thống máy tính là tín hiệu số, theo dạng nhị phân x(t) x[n] … … t n Analog Signal Digital Signal t , x(t ) ∈ ℜ n, x[n] ∈ Ζ Ha M. Do -PTIT Lecture 1 29 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 30 Biểu diễn dạng tín hiệu liên tục và Rời rạc Tín hiệu điện áp và Tín hiệu dòng điện Dòng điện (Current) Biên độ liên tục Biên độ rời rạc – Là dòng dịch chuyển của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc x(t) phần tử mạch điện x(t) – Ký hiệu: I, i(t) Thời gian – Đơn vị: Ampere (A). 1A=1C/s liên tục t – Nguồn tạo tín hiệu dòng điện: Nguồn dòng (Space) Local telephone, cassette-tape t recording & playback, phonograph, photograph telegraph Điện áp (Voltage) x[n] x[n] – Hiệu điện thế giữa giữa 2 điểm – Năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian của điện tích Thời gian dịch chuyển giữa 2 điểm. rời rạc n n – Ký hiệu: v(t), Vin; Uin; Vout; V1;U2…. (Space) Switched capacitor filter, speech CD, DVD, cellular phones, – Đơn vị: Volt (V) storage chip, half-tone digital camera & camcorder, photography digital television, inkjet printer – Nguồn tạo tín hiệu điện áp: Nguồn áp 9/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 31 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 32
1.2 Các phần tử mạch điện cơ bản Nguồn độc lập + Nguồn độc lập Nguồn áp + Nguồn có điều khiển Nguồn áp độc lập lý tưởng Nguồn áp độc lập không lý tưởng Nguồn Pin + Phần tử thụ động + Ký hiệu các phần tử mạch điện trong sơ đồ mạch (Schematic) + RS + + + V _ V; v(t) _ V; v(t) _ Nguồn dòng Nguồn dòng độc lập lý tưởng Nguồn dòng độc lập không lý tưởng I, i(t) I, i(t) I, i(t) RS Ha M. Do -PTIT Lecture 1 33 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 34 Nguồn có điều khiển Phần tử thụ động Nguồn áp Nguồn áp có điều khiển lý tưởng Nguồn áp có điều khiển không lý tưởng RS RS + _ U(I) + _ U(U) + _ U(I) + _ U(U) Nguồn dòng Nguồn dòng có điều khiển lý tưởng Nguồn dòng có điều khiển không lý tưởng I(I) I(U) I(I) RS I(U) RS 10/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 35 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 36
Ký hiệu của các phần tử cơ bản trong sơ đồ mạch (Schematic) 1.3 Phương pháp cơ bản phân tích mạch điện + m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2: Luật kết hợp (Composition Rules) + m3: Phương pháp điện áp nút (Node Method) ~ Dây dẫn = Dẫn điện tuyệt đối Điểm nối Không nối + m4: Xếp chồng (Superposition) + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton R + + V _ V I Điện trở Nguồn Pin Nguồn áp Nguồn dòng L C Điểm đầu cuối Điện cảm Đất (GND) Tụ điện Ha M. Do -PTIT Lecture 1 37 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 38 m1: Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL KCL - Kirchhoff’s Current Law Mục tiêu: Tìm tất cả các thành phần dòng điện và điện áp trong mạch. Kirchhoff’s current law (KCL) N an= 1 Nếu in(t) đi vào nút Các bước thự hiện: ∑ a i (t ) = 0 n =1 n n an=-1 Nếu in(t) đi ra khỏi nút 1. Viết quan hệ V-I của tất cả các phần tử mạch điện 2. Viết KCL cho tất cả các nút –Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và ra tại một nút bằng không 3. Viết KVL cho tất cả các vòng – Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào nút bằng Tổng giá trị cương độ dòng điện đi ra khỏi nút. Rút ra được hệ nhiều phương trình, nhiều ẩn => Giải hệ Nút i1 i3 i1 i3 Chú ý: Trong quá trình viết các phương trình có thể rút gọn ngay để giảm số phương trình số ẩn. i2 i2 i1 + i2 = i3 Gustav Kirchhoff i1 + i2 − i3 = 0 (1824 – 1887) 11/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 39 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 40
Ví dụ sử dụng KCL KVL - Kirchhoff’s Voltage Law Mạch nối tiếp iA Kirchhoff’s voltage law (KVL) N1 A N ∑ b v (t ) = 0 bn= 1 Nếu vn(t) cùng chiều với vòng N1 : i A = i B n n bn=-1 Nếu vn(t) ngược chiều với vòng B iB n =1 N 2 : i B = iC C – Tổng điện áp trong một vòng kín bằng không N2 loop 3 iC ⇒ i A = i B = iC +1 _ _3 + + + + Ví dụ 9 _ loop 1 5 _ loop 2 12 _ 1A Ví dụ: 1A 3+ +4 3A _ _ 3A 2A 2A 4A Loop 1 : 1V + 5V + 3V − 9V = 0 i=? 2A i = −2 A Loop 2 : − 3V + 12V − 4V − 5V = 0 Loop 3 : 1V − 3V + 12V − 4V + 3V − 9V = 0 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 41 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 42 Ví dụ sử dụng KVL Ví dụ phân tích mạch dùng m1 Xét về mặt năng lượng + vA _ p a + pb + pc = 0 A + i v B _B ⇒ v a i + vb i − vc i = 0 ⇒ v a + vb − v c = 0 C + v _ C Mạch song song − v a + vb = 0 ⇒ v a = vb + + + A v A B v B C vC − vb + v c = 0 ⇒ vb = v c _ _ _ ⇒ v a = vb = v c 12/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 43 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 44
Mạch chia áp Mạch chia dòng i (t ) + i1 i2 iS v1 (t ) R1 + + _ iS v R1 R2 = iS v Req _ _ vS (t ) + _ + R2 v2 (t ) v R2 1 RR ⇒ i1 = = iS Req = = 1 2 _ R1 R1 + R2 1 R1 + 1 R2 R1 + R2 vS (t ) v R1 R1 R2 Ohm' s Law : i (t ) = ⇒ i2 = = iS ⇒ v = i S Req = i S R1 + R2 R2 R1 + R2 R1 + R2 R2 Ohm' s Law : v2 (t ) = i (t ) R2 = vs (t ) < vS (t ), ∀t R1 + R2 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 45 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 46 m2: Luật kết hợp (Composition Rules) + m4: Xếp chồng (Superposition) Ví dụ - Trong mạch tuyến tính (gồm các phần tử tuyến tính và nguồn độc lập hoặc nguồn có điều khiển) có thể phân tích mạch theo nguyên lý xếp chồng như sau: + Cho lần lượt mỗi nguồn tác động làm việc riêng rẽ, các nguồn khác không làm việc phải theo nguyên tắc sau đây: Nguồn áp ngắn mạch, Nguồn dòng hở mạch. + Tính tổng cộng các đáp ứng của mạch do tất cả các nguồn tác động riêng rẽ gây ra. 13/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 47 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 48
+ m4: Xếp chồng (Superposition) + m4: Xếp chồng (Superposition) e=? Ha M. Do -PTIT Lecture 1 49 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 50 + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton + m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton Ví dụ: Biến đổi tương đương Nguồn dòng ↔ Nguồn áp RS + _ V I RS V I= RS RS + _ U(V) I(V) RS VTH: Điện áp hở mạch IN : Dòng điện ngắn mạch RTH=RN=VTH/IN U (V ) I (V ) = 14/176 RS Ha M. Do -PTIT Lecture 1 51 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 52
Ví dụ 1.4 Phương pháp phân tích mạch điện phi tuyến - Tìm biểu thức tính i=? Mạch điện có phần tử phi tuyến (D) i=? a. Chỉ dùng phương pháp m1? b. Chỉ dùng phương pháp m4? R R1 R2 c. Chỉ dùng phương pháp m5? R3 I3 d. Dùng kết hợp các phương pháp _ + _ V1 m1, m2, m4,m5 đã học để tìm + V2 lời giải ngắn gọn nhất? - Phương pháp phân tích mạch phi tuyến + Phương pháp phân tích: dựa vào m1, m2, m3 + Phương pháp đồ thị + Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) Ha M. Do -PTIT Lecture 1 53 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 54 Phương pháp phân tích Phương pháp đồ thị - Áp dụng phương pháp m1, m2, - Giải hệ 2 phương trình (1) và (2) bằng phương pháp đồ thị m3 cho các phần tử tuyến tính và R phi tuyến, được hệ 2 phương trình, 2 ẩn iD và vD Đường tải (Loadline) - Giải hệ phương trình: + Dùng phương pháp thử sai + Dùng phương pháp số => Việc giải hệ phương trình phức tạp 15/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 55 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 56
Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method) (1) Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method)(2) R Thực hiện theo các bước sau: 1. Xác định chế độ làm việc một chiều của mạch (ID, VD) 2. Xác định mô hình tín hiệu nhỏ của các phần tử phi tuyến tại điểm làm việc một chiều đã tính. 3. Vẽ mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của toàn mạch và tính toán các tham số tín hiệu nhỏ (id, vd) 4. Viết kết quả của tham số cần tính trong mạch Ha M. Do -PTIT Lecture 1 57 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 58 Cơ sở toán học của phương pháp phân tích gia số Cơ sở toán học của phương pháp phân tích gia số - Từ quan hệ phi tuyến: - Viết lại biểu thức: - Thay thế: - Suy ra: - Khai triển Taylor hàm f(vD) tại VD: - Như vậy qua hệ giữa id và vd là tuyến tính. - Áp dụng với ví dụ ở trên: 16/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 59 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 60
Ý nghĩa hình học Mô hình hình tương đương của phần tử phi tuyến - Chế độ một chiều: R - Mô hình tín hiệu nhỏ của phần tử phi tuyến: - Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ: R - Xấp xỉ A bằng đường thẳng B tiếp xúc với A tại điểm làm việc. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 61 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 62 1.5 Phân loại cấu kiện điện tử Phân loại dựa trên đặc tính vật lý - Linh kiện hoạt động trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt: điện • Phân loại dựa trên đặc tính vật lý trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS… IC từ mật độ • Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI - Linh kiện hoạt động trên nguyên lý quang điện như: quang trở, • Phân loại theo ứng dụng Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ lịnh kiện chuyển hoá năng lượng quang điện như pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử - Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang bức xạ, sinh học và các chủng loại IC thông minh trên cơ sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo sensor. - Linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới: các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ như : Bộ nhớ một điện tử, Transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm một điện tử, cấu kiện dựa vào cấu trúc sinh học phân tử … 17/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 63 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 64
Phân loại dựa trên loại tín hiệu làm việc Phân loại theo chức năng Linh kiện thụ động: R,L,C… Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET, IC, Thysistor, Linh kiện thu quang, phát quang … (+ Linh kiện tích cực (Active Devices): là linh kiên có khả năng điều khiển điện áp, dòng điện và có thể tạo ra chức năng hoạt động chuyển mạch trong mạch "Devices with smarts!" ; + Linh kiện thụ động (Passive Devices) là linh kiện không thể có tính năng điều khiển dòng và điện áp, cũng như không thể tạo ra chức năng khuếch đại công suất, điện áp, dòng diện trong mạch, không yêu cầu tín hiệu khác điều khiển ngoài tín hiệu để thực hiện chức năng của nó “Devices with no brains!“) Ha M. Do -PTIT Lecture 1 65 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 66 1.6 Giới thiệu về vật liệu điện tử 0. Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử • Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử - Lý thuyết vật lý chất rắn • Chất cách điện - Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử • Chất dẫn điện - Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn • Vật liệu từ - Lý thuyết vật lý bán dẫn • Chất bán dẫn (Lecture 3) 18/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 67 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 68
a. Lý thuyết vật lý chất rắn b. Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử - Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử chỉ có thể nằm trên các mức năng lượng gián đoạn nhất định nào đó gọi là các mức năng lượng nguyên tử. - Nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng lượng khác nhau. - Vật liệu để chế tạo phần lớn các linh kiện điện từ là loại vật liệu tinh thể rắn - Một mức năng lượng được đặc trưng bởi một bộ 4 số lượng tử: - Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử được sắp xếp theo một + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4…. trật tự nhất định, chỉ cần biết vị trí và một vài đặc tính của một số ít nguyên tử + l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h…} chúng ta có thể dự đoán vị trí và bản chất hóa học của tất cả các nguyên tử trong mẫu. + ml– số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3… ±l - Tuy nhiên trong một số vật liệu có thể nhấn thấy rằng các sắp xếp chính xác + ms– số lượng tử spin: ±1/2 của các nguyên tử chỉ tồn tại chính xác tại cỡ vài nghìn nguyên tử. Những - n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp xếp ở lớp, miền có trật tự như vậy được ngăn cách bởi bờ biên và dọc theo bờ biên này phân lớp có năng lượng nhỏ trước. không có trật tự - cấu trúc đa tinh thể - Tính chất tuần hoàn của tinh thể có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất điện của vật liệu. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 69 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 70 c. Sự hình thành vùng năng lượng (1) c. Sự hình thành vùng năng lượng (2) - Để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tận tiến lại gần liên kết với nhau: + Nếu các NT các xa nhau đến mức có thể coi chúng là hoàn toàn độc lập C 6 1s22s22p2 với nhau thì vị trí của các mức năng lượng của chúng là hoàn toàn Si 14 1s22s22p63s23p2 trùng nhau (tức là một mức trùng chập). Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2 + Khi các NT tiến lại gần nhau đến khoảng cách cỡ Ao, thì chúng bắt đầu tương tác với nhau thì không thể coi chúng là độc lập nữa. Kết quả là Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2 các mức năng lượng nguyên tử không còn trùng chập nữa mà tách ra thành các mức năng lượng rời rạc khác nhau. Ví dụ mức 1s sẽ tạo thành 2.N mức năng lượng khác nhau. - Nếu số lượng các NT rất lớn và gần nhau thì các mức năng lượng rời rạc đó rất gần nhau và tạo thành một vùng năng lượng như liên tục - Sự tách một mức năng lượng NT ra thành vùng năng lượng rộng hay (Si) hẹp phụ thuộc vào sự tương tác giữa các điện tử thuộc các NT khác nhau với nhau. 19/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 71 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 72
Minh họa sự hình thành vùng năng lượng (1) Minh họa sự hình thành vùng năng lượng (1) Mức Số trạng Số trạng Số trạng Số trạng - Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm thái thái thái thái - Các điện tử trong chất rắn sẽ điền đầy vào các mức năng lượng trong các vùng cho phép từ thấp đến cao. - Có thể có : vùng điền đầy hoàn toàn (thường có năng lượng thấp), vùng 2p 6 12 12 6N trống hoàn toàn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầy một phần. - Xét trên lớp ngoài cùng: + Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử gọi là“Vùng hóa trị” 2s 2 4 4 2N + Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy ngay trên vùng hóa trị gọi là “Vùng dẫn” + Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn là “Vùng cấm” - Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắn có tính chất điện khác nhau: Chất cách điện – dẫn điện kém, Chất dẫn điện – dẫn điện 1s 2 4 4 2N tốt, Chất bán dẫn. a. Một NT b. 2 NT không c. 2 NT d. N Nguyên tử độc lập tương tác tương tác tương tác Ha M. Do -PTIT Lecture 1 73 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 74 Minh họa sự tạo thành những vùng năng lượng khi các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm IV được đưa vào để tạo ra tinh thể Cấu trúc dải năng lượng của vật chất E Dải E E E vùng 4N trạng thái dẫn dẫn không có điện tử Năng EC Điện tử EC Dải lượng EG > 2 eV dẫn EV EG < 2 eV của các P 6N trạng thái có trạng 2N điện tử EV thái EV Lỗ trống EC EG = 0 Cấm S Dải 2N trạng thái có 2N điện tử hoá vùng Dải trị hoá trị 4N trạng thái có 4N hoá trị điện tử a- Chất cách điện; b - Chất bán dẫn; c- Chất dẫn điện Các mức năng lượng của lớp trong cùng không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc mạng + Độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ tinh thể + Chất bán dẫn: Sự mất 1 điện tử trong dải hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống X1 X2 X3 X4 X (Mức năng lượng bỏ trống trong dải hóa trị điền đầy, lỗ trống cũng dẫn điện như các điện tử tự do) + Cấu trúc dải năng lượng của kim loại không có vùng cấm, điện tử hóa trị liê kết yếu với hạt nhân, dưới tác dụng của điện trường ngoài các e này có thể dễ dàng di 20/176 chuyển lên các trạng thái cao hơn tạo thành các e tự do, nên kim loại dẫn điện tốt. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 75 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 76