cau kien dien tu electronic devices do manh ha 8756
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.04 MB, 20 trang )
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
ELECTRONIC DEVICES
Đỗ Mạnh Hà
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT
8/2009
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
1/176
1
(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
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT
Electronics
Electrical
Circuits
Engineering
Optics
Power systems
Electromagnetic
…
8/2009
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
1
Ha M. Do -PTIT
Giới thiệu môn học
Algorithms
Architecture
Complexity
Computer
Programming
Engineering /
Language
Computer
Compilers
Science
Operating
Systems
…
Lecture 1
2
Cấu kiện điện tử
Mục đích mơn 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,
ngồi 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)
Đầu vào hoặc
Nguồn tín hiệu:
điện, cơ, sóng âm
Sensor, detector,
or transducer:
Tín hiệu dưới dạng
dịng hoặc điện áp
Mạch vào:
Bộ lọc, khuếch
đại, hạn biên…
Đầu ra: Màn hình,
kích hoạt thiết bị,
tín hiệu đưa tới
hệ thống tiếp theo
Tính tốn:
ra quyết định,
điều khiển
ADC,
Xử lý tín hiệu số
CD / DVD recoders and players
Cell phones…
Ha M. Do -PTIT
Robotic control
Weather prediction systems…
Lecture 1
5
Ha M. Do -PTIT
Hệ thống điện tử (2)
Lecture 1
6
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
Giới thiệu chung về Cấu kiện điện tử
Hệ thống điện tử (6)
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 hồ, 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 cơng của nền cơng 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 cơng suất.
Chips…
Sand…
Ha M. Do -PTIT
Chips on Silicon wafers
Lecture 1
13
Ha M. Do -PTIT
Đặc điểm phát triển của mạch tích hợp (IC)
Lecture 1
14
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 cơng 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
Silicon Process 1.5μ
Technology
Intel386TM DX
Processor
Intel486TM
Processor
Cấu trúc chương trình
Lecture 1- Introduction (Giới thiệu chung)
1.0μ
0.8μ
0.6μ
0.35μ 0.25μ
Lecture 2- Passive Components (Cấu kiện thụ động)
Lecture 3- Semiconductor Physics (Vật lý bán dẫn)
Lecture 4- P-N Junctions (Tiếp giáp P-N)
45nm
DX
Lecture 5- Diode (Điốt)
Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực)
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:
+ Lecture Notes (Electronic Devices – DoManhHa – PTIT – 8/2009)
- Tài liệu tham khảo:
1. Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad,
Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006.
2. MicroElectronics, an Intergrated Approach, Roger T. Home - University of
California at Berkeley, Charles G. Sodini – MIT , 1997
3. Giáo trình Cấu kiện điện tử và quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện
CNBCVT, 2002
4. Electronic Devices, Second edition, Thomas L.Floyd, Merill Publishing
Company, 1988.
5. Introductory Electronic Devices and Circuits, conventional Flow Version,
Robert T. Paynter, Prentice Hall, 1997.
6. Electronic Principles, Albert Paul Malvino, Fifth edition.
7. Linh kiện bán dẫn và vi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005
8. MicroElectronic Circuits and Devices, Mark N. Horenstein, Boston University,
1996
9. Lecture Notes (MIT, Berkeley, Harvard, Manchester University…)
- Sinh viên phải nắm được kiến thức cơ bản về vật lý bán dẫn, về tiếp
giáp PN, cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ tương đương, tham số, phân cực,
chế độ xoay chiều, phân loại, một số ứng dụng của các loại cấu kiện
điện tử được học.
- Sinh viên phải đọc trước các Lecture Notes trước khi lên lớp.
- Sinh viên phải tích cực trả lời câu hỏi của giảng viên và tích cực đặt
câu hỏi trên lớp hoặc qua email:
- Làm bài tập thường xuyên, nộp vở bài tập bất cứ khi nào Giảng viên
yêu cầu, hoặc qua email:
- Tự thực hành theo yêu cầu với các phần mềm EDA.
- Điểm môn học:
6/176
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
19
+ Chuyên cần + Bài tập : 10 %
+ Kiểm tra giữa kỳ
: 10 %
+ Thí nghiệm
: 10 %
+ Thi kết thúc
: 70 %
Ha M. Do -PTIT
Kiểm tra :
- Câu hỏi ngắn
- Bài tập
Thi kết thúc: -Câu hỏi ngắn và trắc nghiệm
- Bài tập
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, mơ phỏng cấu kiện tương tự và số dễ sử
dụng nhất.
- OrCAD (R 9.2):
- Multisim (R 7)-Electronic Workbench, Proteus …
- Tina Pro 7.0: Phân tích, mơ phỏng cấu kiện tương tự và số trực quan
nhất, có các cơng cụ máy đo ảo nên tính thực tiễn rất cao.
- Mathcad (R 11): Làm bài tập: tính tốn biểu thức, giải phương trình
tốn học, vẽ đồ thị...
(Sinh viên nên sử dụng Tina Pro 7.0 để thực hành, làm bài tập, phân
tích, mơ phỏng cấu kiện và mạch điện tử ở nhà)
- Khái niệm về các phần tử mạch điện cơ bản: R, L, C; Nguồn dịng,
nguồn áp khơng đổi; Nguồn dịng, nguồn áp có điều khiển…
- 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)
+ m4: Xếp chồng (Superposition)
+ m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton
- 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 – Giới thiệu chung
Lecture 1
22
1.1 Khái niệm cơ bản
+ Điện tích và dịng điện
+ DC và AC
+ Tín hiệu điện áp và dịng điện
+ Tín hiệu (Signal) và Hệ thống (System)
+ Tín hiệu Tương tự (Analog) và Số (Digital)
+ Tín hiệu điện áp và Tín hiệu dịng điện
1.1 Khái niệm cơ bản
1.2 Phần tử mạch điện cơ bản
1.3 Phương pháp cơ bản phân tích mạch điện
1.4 Phương pháp phân tích mạch phi tuyến
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 dịng điện
DC và AC
+ Mỗi điện tử mang điện tích: –1.602 x 10-19 C (Coulombs)
+ 1C = Điện tích của 6.242 x 1018 điện tử (electron)
+ Ký hiệu điện tích: Q. Đơn vị: coulomb (C)
Dịng điện (Current)
DC (Direct current): Dịng một chiều
– Dịng điện có chiều khơng đổi theo thời gian.
– Tránh hiểu nhầm: DC = không đổi,
– Ví dụ
I=3A, i(t)=10 + 5 sin(100πt) (A)
– Là dịng dịch chuyển của các điện tích thơng qua vật dẫn hoặc phần tử
mạch điện
– Ký hiệu: I, i(t)
– Đơn vị: Ampere (A). 1A=1C/s
– Mối quan hệ giữa dòng điện và điện tích
i (t ) =
AC (Alternating Current): Dịng xoay chiều
– Dịng điện có chiều thay đổi theo thời gian
– Tránh hiểu nhầm: AC = Biến thiên theo thời gian
– Ví dụ:
d
q(t )
dt
i (t ) = 2 cos(2πt );
i (t ) = 5 + 12 cos(200πt )
t
q (t ) = ∫ i (t )dt + q (t 0 )
Nikola Tesla
(1856 – 1943)
t0
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
25
Ha M. Do -PTIT
signals
output
signals
Speaker
Encoder
signals
Decoder
Transmitter
signals
Receiver
26
• Tín hiệu: là đại lượng vật lý mang thông tin vào và ra của hệ thống.
• Ví dụ
output
Microphone
Lecture 1
Signal (Tín hiệu)
Tín hiệu (Signal) và Hệ thống (System)
input
Thomas Edison
(1847 – 1931)
– 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
– Sóng điện từ phát ra từ các hệ thống truyền thơng
– Điện áp và dịng điện trong cấu kiện, mạch, hệ thống…
– Biểu đồ điện tâm đồ (ECG), Điện não đồ
– Emails, web pages ….
Channel
• Mỗi loại tín hiệu tương ứng với nguồn nào đó trong tự nhiên.
• Tín hiệu thường được biểu diễn bằng hàm số theo thời gian, tần số
hay khoảng cách
input
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 mơ hình
Tín hiệu Tương tự (Analog) và Số (Digital)
• Mơ hình (Model): Các hệ thống trong thực tế có thể mơ tả bằng mơ
hình thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của
hệ thống.
• Một hệ thống có thể chứa nhiều hệ thống con.
• Mơ hình hệ thống có thể được biểu diễn bằng biểu thức toán học, bảng
biểu, đồ thị, giải thuật …
• Ví dụ hệ thống liên tục:
Tương tự (Analog)
Tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục theo thời gian
Hầu hết tín hiệu trong tự nhiên là tín hiệu tương tự
Digital
Tín hiệu có giá trị rời rạc theo thời gian
Tín hiệu lưu trong các hệ thống máy tính là tín hiệu số,
theo dạng nhị phân
x[n]
x(t)
…
…
t
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
29
Analog Signal
Digital Signal
t , x(t ) ∈ ℜ
n, x[n] ∈ Ζ
Ha M. Do -PTIT
Biểu diễn dạng tín hiệu liên tục và Rời rạc
Biên độ liên tục
x(t)
t
x[n]
Thời gian
rời rạc
(Space)
Ha M. Do -PTIT
t
telegraph
x[n]
n
n
Switched capacitor filter, speech CD, DVD, cellular phones,
storage
chip,
half-tone digital camera & camcorder,
photography
digital television, inkjet printer
Lecture 1
30
Dòng điện (Current)
– Là dịng dịch chuyển của các điện tích thơng qua vật dẫn hoặc
phần tử mạch điện
– Ký hiệu: I, i(t)
– Đơn vị: Ampere (A). 1A=1C/s
– Nguồn tạo tín hiệu dịng điện: Nguồn dịng
Biên độ rời rạc
Local telephone, cassette-tape
recording
&
playback,
phonograph, photograph
Lecture 1
Tín hiệu điện áp và Tín hiệu dịng điện
x(t)
Thời gian
liên tục
(Space)
n
31
9/176
Điện áp (Voltage)
– Hiệu điện thế giữa giữa 2 điểm
– Năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian của điện tích
dịch chuyển giữa 2 điểm.
– Ký hiệu: v(t), Vin; Uin; Vout; V1;U2….
– Đơn vị: Volt (V)
– Nguồn tạo tín hiệu điện áp: Nguồn áp
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
32
Nguồn độc lập
1.2 Các phần tử mạch điện cơ bản
Nguồn áp
+ Nguồn độc lập
+ Nguồn có điều khiển
+ Phần tử thụ động
+ Ký hiệu các phần tử mạch điện trong sơ đồ mạch (Schematic)
Nguồn Pin
+
Nguồn áp độc lập lý tưởng
Nguồn áp độc lập khơng lý tưởng
+
+
_
V
+
_
V; v(t)
RS
V; v(t)
_
Nguồn dịng
Nguồn dịng độc lập lý tưởng
I, i(t)
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
33
Ha M. Do -PTIT
Nguồn có điều khiển
Nguồn dịng độc lập khơng lý tưởng
I, i(t)
I, i(t)
Lecture 1
RS
34
Phần tử thụ động
Nguồn áp
Nguồn áp có điều khiển lý tưởng
Nguồn áp có điều khiển khơng lý tưởng
+
_
U(I)
+
_
U(U)
RS
U(I)
+
_
+
_
RS
U(U)
Nguồn dịng
Nguồn dịng có điều khiển lý tưởng Nguồn dịng có điều khiển khơng lý tưởng
I(I)
I(U)
I(I)
RS
RS
I(U)
10/176
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
35
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
36
1.3 Phương pháp cơ bản phân tích mạch điện
Ký hiệu của các phần tử cơ bản trong sơ đồ mạch (Schematic)
+ m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL
+ m2: Luật kết hợp (Composition Rules)
+ m3: Phương pháp điện áp nút (Node Method)
~ = Dẫn điện tuyệt đối Điểm nối
Dây dẫn
Không nối
+ m4: Xếp chồng (Superposition)
+ m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton
R
+
Điện trở
V
Nguồn Pin
+
_
V
I
Nguồn áp
Nguồn dòng
L
C
Điểm đầu cuối
Ha M. Do -PTIT
Đất (GND) Tụ điện
Điện cảm
Lecture 1
37
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
KCL - Kirchhoff’s Current Law
m1: Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL
Kirchhoff’s current law (KCL)
Mục tiêu: Tìm tất cả các thành phần dòng điện và điện áp trong mạch.
N
∑ a i (t ) = 0
Các bước thự hiện:
1. Viết quan hệ V-I của tất cả các phần tử mạch điện
2. Viết KCL cho tất cả các nút
3. Viết KVL cho tất cả các vòng
n =1
an= 1 Nếu in(t) đi vào nút
an=-1 Nếu in(t) đi ra khỏi nút
Nút
i2
i1 + i2 = i3
i1 + i2 − i3 = 0
Ha M. Do -PTIT
i3
i1
i2
11/176
39
i3
i1
Chú ý: Trong quá trình viết các phương trình có thể rút gọn ngay để
giảm số phương trình số ẩn.
Lecture 1
n n
–Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và ra tại một nút bằng
không
– 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
Ha M. Do -PTIT
38
Gustav Kirchhoff
(1824 – 1887)
Lecture 1
40
Ví dụ sử dụng KCL
KVL - Kirchhoff’s Voltage Law
A
N1 : i A = i B
N 2 : i B = iC
N
∑ b v (t ) = 0
B iB
C
n =1
n n
loop 3
i A = i B = iC
3A
1A
1A
2A
3A
4A
i=?
i = −2 A
Ha M. Do -PTIT
Ví dụ:
2A
41
+
p a + pb + pc = 0
⇒ v a i + vb i − vc i = 0
⇒ v a + vb − v c = 0
+
5_
3+
loop 2
+
12
_
+4
Loop 2 : − 3V + 12V − 4V − 5V = 0
Loop 3 : 1V − 3V + 12V − 4V + 3V − 9V = 0
Ha M. Do -PTIT
Ví dụ sử dụng KVL
Xét về mặt năng lượng
loop 1
_3 +
Loop 1 : 1V + 5V + 3V − 9V = 0
2A
Lecture 1
+
9_
+1 _
_
Ví dụ
bn= 1 Nếu vn(t) cùng chiều với vòng
bn=-1 Nếu vn(t) ngược chiều với vòng
– Tổng điện áp trong một vịng kín bằng khơng
N2
iC
⇒
Kirchhoff’s voltage law (KVL)
N1
_
iA
Mạch nối tiếp
Lecture 1
42
Ví dụ phân tích mạch dùng m1
vA _
A
i
+
B _v B
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 )
+
v1 (t )
_
R1
vS (t ) +
_
iS
+
R2
v2 (t )
Ohm' s Law :
Ha M. Do -PTIT
v
_
i1
i2
R1
R2
R2
v
iS
=
R1 R1 + R2
R1
v
iS
⇒ i2 =
=
R2 R1 + R2
⇒ i1 =
_
Ohm' s Law :
+
vS (t )
R1 + R2
v2 (t ) = i (t ) R2 = vs (t )
i (t ) =
R2
< vS (t ), ∀t
R1 + R2
Lecture 1
45
Ha M. Do -PTIT
m2: Luật kết hợp (Composition Rules)
=
+
iS
Req =
v
_
iS
Req
RR
1
= 1 2
1 R1 + 1 R2 R1 + R2
⇒ v = i S Req = i S
Lecture 1
R1 R2
R1 + R2
46
+ m4: Xếp chồng (Superposition)
- 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 ngun lý xếp
chồng như sau:
Ví dụ
+ 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
+ m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton
Lecture 1
50
+ m5: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton
Ví dụ:
Biến đổi tương đương
Nguồn dịng ↔ Nguồn áp
RS
+
_
V
I=
+
_
VTH: Điện áp hở mạch
IN : Dòng điện ngắn mạch
RTH=RN=VTH/IN
Lecture 1
51
I (V ) =
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
RS
I(V)
RS
V
RS
RS
U(V)
14/176
Ha M. Do -PTIT
I
U (V )
RS
52
Ví dụ
i=?
R1
+
_
R2
V1
_
+ V2
R3
I3
1.4 Phương pháp phân tích mạch điện phi tuyến
Mạch điện có phần tử phi tuyến (D)
- Tìm biểu thức tính i=?
a. Chỉ dùng phương pháp m1?
b. Chỉ dùng phương pháp m4?
c. Chỉ dùng phương pháp m5?
d. Dùng kết hợp các phương pháp
m1, m2, m4,m5 đã học để tìm
lời giải ngắn gọn nhất?
R
- 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
Phương pháp phân tích
- Áp dụng phương pháp m1, m2,
m3 cho các phần tử tuyến tính và
phi tuyến, được hệ 2 phương
trình, 2 ẩn iD và vD
Lecture 1
54
Phương pháp đồ thị
- Giải hệ 2 phương trình (1) và (2) bằng phương pháp đồ thị
R
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)
Thực hiện theo các bước sau:
1. Xác định chế độ làm việc một chiều của mạch (ID, VD)
2. Xác định mơ hình tín hiệu nhỏ của các phần tử phi tuyến tại điểm làm
việc một chiều đã tính.
3. Vẽ mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ của tồn mạch và tính tốn các
tham số tín hiệu nhỏ (id, vd)
4. Viết kết quả của tham số cần tính trong mạch
R
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
57
Ha M. Do -PTIT
Cơ sở tốn học của phương pháp phân tích gia số
Lecture 1
58
Cơ sở tốn 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
Mơ hình hình tương đương của phần tử phi tuyến
- Chế độ một chiều:
R
- Mơ 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
1.5 Phân loại cấu kiện điện tử
Lecture 1
62
Phân loại dựa trên đặc tính vật lý
- Linh kiện hoạt động trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt: điện
trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS… IC từ mật độ
thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI
- Linh kiện hoạt động trên nguyên lý quang điện như: quang trở,
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 cơng 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 …
• Phân loại dựa trên đặc tính vật lý
• Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu
• Phân loại theo ứng dụng
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, dịng 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 khơng thể có tính
năng điều khiển dịng và điện áp, cũng như khơng thể tạo ra chức năng
khuếch đại cơng suất, điện áp, dịng diện trong mạch, khơng u cầu tín
hiệu khác điều khiển ngồi tín hiệu để thực hiện chức năng của nó
“Devices with no brains!“)
Ha M. Do -PTIT
Lecture 1
65
Ha M. Do -PTIT
1.6 Giới thiệu về vật liệu điện tử
•
•
•
•
•
Lecture 1
66
0. Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử
Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử
Chất cách điện
Chất dẫn điện
Vật liệu từ
Chất bán dẫn (Lecture 3)
-
Lý thuyết vật lý chất rắn
Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử
Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn
Lý thuyết vật lý bán dẫn
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.
- Một mức năng lượng được đặc trưng bởi một bộ 4 số lượng tử:
+ n – số lượng tử chính: 1,2,3,4….
+ l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h…}
+ ml– số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3… ±l
+ ms– số lượng tử spin: ±1/2
- n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp xếp ở lớp,
phân lớp có năng lượng nhỏ trước.
- Vật liệu để chế tạo phần lớn các linh kiện điện từ là loại vật liệu tinh thể rắn
- Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử được sắp xếp theo một
trật tự nhất định, chỉ cần biết vị trí và một vài đặc tính của một số ít ngun tử
chúng ta có thể dự đốn vị trí và bản chất hóa học của tất cả các nguyên tử
trong mẫu.
- Tuy nhiên trong một số vật liệu có thể nhấn thấy rằng các sắp xếp chính xác
của các nguyên tử chỉ tồn tại chính xác tại cỡ vài nghìn ngun tử. Những
miền có trật tự như vậy được ngăn cách bởi bờ biên và dọc theo bờ biên này
khơng có trật tự - cấu trúc đa tinh thể
- Tính chất tuần hồn 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
c. Sự hình thành vùng năng lượng (1)
Lecture 1
70
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 hồn tồn độc lập
với nhau thì vị trí của các mức năng lượng của chúng là hoàn toàn
trùng nhau (tức là một mức trùng chập).
+ Khi các NT tiến lại gần nhau đến khoảng cách cỡ Ao, thì chúng bắt đầu
tương tác với nhau thì khơng thể coi chúng là độc lập nữa. Kết quả là
các mức năng lượng ngun tử khơng cịn 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
hẹp phụ thuộc vào sự tương tác giữa các điện tử thuộc các NT khác
nhau với nhau.
C
6
1s22s22p2
Si
14
1s22s22p63s23p2
Ge
32
1s22s22p63s23p63d104s24p2
Sn
50
1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2
(Si)
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)
Mức
2p
Số trạng
thái
6
Số trạng
thái
Số trạng
thái
12
12
1s
2
a. Một NT
độc lập
b. 2 NT không
tương tác
Ha M. Do -PTIT
4
6N
+ Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử gọi là“Vùng hóa trị”
+ Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy ngay trên vùng hóa trị gọi
là “Vùng dẫn”
+ Vùng khơng cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn là “Vùng cấm”
2N
- 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
tốt, Chất bán dẫn.
2N
4
c. 2 NT
tương tác
- Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm
- 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 hồn tồn (thường có năng lượng thấp), vùng
trống hồn tồn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầy một phần.
- Xét trên lớp ngoài cùng:
Số trạng
thái
4
4
2
2s
Minh họa sự hình thành vùng năng lượng (1)
d. N Nguyên tử
tương tác
Lecture 1
73
Ha M. Do -PTIT
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
E
Lecture 1
Cấu trúc dải năng lượng của vật chất
Dải
dẫn
E
vùng
dẫn
Năng
lượng
của các
trạng
thái
4N trạng thái
khơng có điện tử
S
Cấm
vùng
hố trị
2N trạng thái có
2N điện tử
X2
X3
a- Chất cách điện;
X
X4
20/176
Lecture 1
EC
Lỗ trống
Dải
hoá trị
Các mức năng lượng của lớp trong cùng không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc mạng
tinh thể
Ha M. Do -PTIT
EV
EV
4N trạng thái có 4N
điện tử
X1
EC Dải
dẫn
EG < 2 eV
EG > 2 eV
6N trạng thái có
2N điện tử
E
E
Điện tử
EC
P
75
74
b - Chất bán dẫn;
EV
EG = 0
Dải
hoá
trị
c- Chất dẫn điện
+ Độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ
+ Chất bán dẫn: Sự mất 1 điện tử trong dải hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống
(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 khơng có vùng cấm, điện tử hóa trị liê kết
yếu với hạt nhân, dưới tác dụng của điện trường ngồi các e này có thể dễ dàng di
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
76
