bài giảng môn cấu kiện điện tử và quang điện tử

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ &
QUANG ĐIỆN TỬ
Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh
Điệnthoại/E-mail: 0914932955/
Bộ môn: Kỹ thuật điệntử - Khoa Kỹ thuật điệntử 1
Họckỳ/Nămbiênsoạn: 2/2009
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 2
Nội dung môn học
 Chương 1- Giớithiệu chung
 Chương 2- Cấukiệnthụđộng
 Chương 3- Vậtlýbándẫn
 Chương 4- Diode (Điốt)
 Chương 5- BJT (Transistor lưỡng cực)
 Chương 6- FET (Transistor hiệu ứng trường)
 Chương 7- Thyristors: SCR – Triac – Diac - UJT
 Chương 8- Cấukiện quang điệntử
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 3
Tài liệuhọctập
 Tài liệu chính:

 Slide bài giảng
 Bài giảng Cấukiện điệntử và quang điệntử, Đỗ Mạnh Hà,
Họcviện CNBCVT, 2009-2010
 Tài liệuthamkhảo:
 Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition,
Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall
International, Inc, 2006.
 Linh kiện bán dẫnvàvi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005
 Giáo trình Cấukiện điệntử và quang điệntử, TrầnThị Cầm,
Họcviện CNBCVT, 2002
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 4
Yêu cầumônhọc
 Sinh viên phải đọctrướccácslide bài giảng trướckhilênlớp
 Tích cựctrả lờivàđặtcâuhỏitrênlớphoặc qua email củaGV
 Làm bài tậpthường xuyên, nộpvở bài tậpbấtcứ khi nào Giảng
viên yêu cầu
 Tự thực hành theo yêu cầuvới các phầnmềmEDA
 Điểmmônhọc:
 Chuyên cần : 10 %
 Kiểm tra giữa kỳ: 10 %
 Thí nghiệm : 10 %
 Thi kết thúc : 70 %
Kiểmtra: -Câuhỏingắn
-Bàitập
Thi kết thúc:

-Lýthuyết: + Trắc nghiệm
+ Câu hỏingắn
-Bàitập
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 5
Chương 1- Giớithiệu chung
1. Giớithiệu chung về cấukiện điệntử
2. Phân loạicấukiện điệntử
3. Giớithiệuvề vậtliệu điệntử
4. GiớithiệucácphầnmềmEDA hỗ trợ môn học
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 6
1. Giớithiệu chung về Cấukiện điệntử
 Cấukiện điệntử là các phầntử linh kiên rờirạc, mạch
tích hợp(IC) …tạo nên mạch điệntử, hệ thống điệntử
 Cấukiện ĐT ứng dụng trong nhiềulĩnh vực. Nổibậtnhất
là ứng dụng trong lĩnh vực điệntử -viễn thông, CNTT
 Cấukiện ĐT rất phong phú, nhiềuchủng loại đadạng
 Công nghệ chế tạolinhkiện điệntử phát triểnmạnh mẽ,
tạoranhững vi mạch có mật độ rấtlớn(Vi xử lý Pentium
4: > 40 triệu Transistor,…)
 Xu thế các cấukiện điệntử có mật độ tích hợp ngày

càng cao, tính năng mạnh, tốc độ lớn…
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 7
Vi mạch và ứng dụng
 Processors
 CPU, DSP, Controllers
 Memory chips
 RAM, ROM, EEPROM
 Analog
 Thông tin di động,
xử lý audio/video
 Programmable
 PLA, FPGA
 Embedded systems
 Thiếtbị ô tô, nhà máy
 Network cards
 System-on-chip (SoC)
Ảnh: amazon.com
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 8
Ứng dụng của linh kiện điệntử
Sand… Chips on Silicon wafers

Chips…
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 9
Lịch sử phát triển công nghệ (1)
 Các cấukiện bán dẫnnhư diodes, transistors và mạch tích hợp
(ICs) có thể tìm thấykhắpnơi trong cuộcsống (Walkman, TV,
ôtô, máy giặt, máy điều hoà, máy tính,…). Những thiếtbị này có
chấtlượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn
 PCs minh hoạ rấtrõxuhướng này
 Nhân tố chính đem lạisự phát triển thành công củanềncông
nghiệpmáytínhlàviệc thông qua các kỹ thuậtvàkỹ năng công
nghiệptiêntiếnngườitachế tạo được các transistor v
ớikích
thước ngày càng nhỏ→giảm giá thành và công suất
 Bài họckhámphácácđặc tính bên trong củathiếtbị bán dẫn
→ SV hiểu đượcmối quan hệ giữacấutạohìnhhọcvàcác
tham số củavậtliệu; hiểu đượccácđặc tính vềđiệncủa chúng
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 10
 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”)
 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming
Diode”)

 1906 Lee de Forest (“Triode”)
Vacuum tube devices continued to evolve
 1940 Russel Ohl (PN junction)
 1947 Bardeen and Brattain (Transistor)
 1952 Geoffrey W. A. Dummer (IC concept)
 1954 First commercial silicon
transistor
 1955 First field effect transistor - FET
Audion (Triode)
1906, Lee De Forest
First point contact transistor
(germanium)
1947, John Bardeen and Walter
Brattain
Bell Laboratories
Lịch sử phát triển công nghệ (2)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 11
 1958 Jack Kilby (Integrated circuit)
 1959 Planar technology invented
 1960 First MOSFET fabricated
 At Bell Labs by Kahng
 1961 First commercial ICs
 Fairchild and Texas Instruments
 1962 TTL invented
 1963 First PMOS IC produced by RCA

 1963 CMOS invented
 Frank Wanlass at Fairchild
Semiconductor
 U. S. patent # 3,356,858
Lịch sử phát triển công nghệ (3)
1958
First integrated circuit
(germanium), 1958
Jack S. Kilby, Texas
Instruments
Contained five components,
three types:
Transistors, resistors and
capacitors
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 12
Đặc điểmpháttriểncủamạch tích hợp(IC)
 Tỷ lệ giá thành/tính năng củaIC giảm 25% –30% mỗi
năm.
 Số chứcnăng, tốc độ, hiệusuấtchomỗiIC tăng:
 Kích thước wafer hợptăng
 Mật độ tích hợptăng nhanh
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 13
Định luậtMOORE
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 14
2. Phân loạicấukiện điệntử
2.1 Phân loạidựatrênđặctínhvậtlý
2.2 Phân loạidựatrênchứcnăng xử lý tín hiệu
2.3 Phân loạitheoứng dụng
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 15
2.1 Phân loạidựa trên đặctínhvậtlý
 Linh kiệnhoạt động trên nguyên lý điệntừ và hiệu ứng bề
mặt: điệntrở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung
MOS… IC từ mật độ thấp đếnmật độ siêu cỡ lớn UVLSI
 Linh kiệnhoạt động trên nguyên lý quang điện: quang trở,
Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER,
họ linh kiện chuyểnhoánăng lượng quang điệnnhư pin mặttrời,
họ linh kiệ
nhiểnthị, IC quang điệntử
 Linh kiệnhoạt động dựa trên nguyên lý cảmbiến: họ sensor
nhiệt, điện, từ, hoá học; họ sensor cơ, áp suất, quang bứcxạ,

sinh họcvàcácchủng loại IC thông minh dựatrêncơ sở tổ hợp
công nghệ IC truyềnthống và công nghệ chế tạo sensor
 Linh kiệnhoạt động dựatrênhiệu ứng lượng tử và hiệu ứng
m
ới: các linh kiện đượcchế tạobằng công nghệ nano có cấu
trúc siêu nhỏ: Bộ nhớ một điệntử, Transistor một điệntử, giếng
và dây lượng tử, linh kiệnxuyênhầmmột điệntử, …
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 16
2.2 Phân loạidựa trên chứcnăng xử lý tín hiệu
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 17
2.3 Phân loạitheoứng dụng
 Linh kiệnthụđộng: R,L,C…
 Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET…
 Vi mạch tích hợp IC: IC tương tự, IC số, Vi xử lý…
 Linh kiệnchỉnh lưucóđiềukhiển
 Linh kiện quang điệntử: Linh kiện thu quang, phát quang
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh

BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 18
3. Giớithiệuvề vậtliệu điệntử
3.1. Chấtcáchđiện
3.2. Chấtdẫn điện
3.3. Vậtliệutừ
3.4. Chấtbándẫn(Chương 3)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 19
Cơ sở vậtlýcủavậtliệu điệntử
 Lý thuyếtvậtlýchấtrắn
 Lý thuyếtvậtlýcơ họclượng tử
 Lý thuyếtdảinăng lượng củachấtrắn
 Lý thuyếtvậtlýbándẫn
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 20
Lý thuyếtvậtlýchấtrắn
 Vậtliệu để chế tạophầnlớncáclinhkiện điệntừ là loạivậtliệu
tinh thể rắn
 Cấutrúcđơntinhthể: trongtinhthể rắn nguyên tửđượcsắp
xếp theo mộttrậttự nhất định, chỉ cầnbiếtvị trí và mộtvàiđặc
tính củamộtsố ít nguyên tử ta có thểđoán vị trí và bảnchất

hóa họccủatấtc
ả các nguyên tử trong mẫu
 Ở mộtsố vậtliệungườitanhậnthấyrằng các sắpxếp chính
xác của các nguyên tử chỉ tồntại chính xác tạicỡ vài nghìn
nguyên tử. Những miềncótrậttự như vậy đượcngăncáchbởi
bờ biên và dọc theo bờ biên này không có trậttự - cấutrúcđa
tinh thể
 Tính chấttuần hoàn củatinhthể có ảnh hưởng quyết định
đến
các tính chất điệncủavậtliệu
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 21
Lý thuyếtvậtlýcơ họclượng tử
 Trong cấu trúc nguyên tử, điệntử chỉ có thể nằmtrêncácmức
năng lượng gián đoạnnhất định nào đó-cácmứcnăng lượng
nguyên tử
 Nguyên lý Pauli: mỗi điệntử phảinằmtrênmộtmứcnăng
lượng khác nhau
 Mộtmứcnăng lượng được đặctrưng bởimộtbộ 4 số lượng tử:
 n – số lượng tử
chính: 1, 2, 3, 4….
 l – số lượng tử quỹđạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p, d, f, g, h…}
 m
l
–số lượng tử từ: 0, ±1, ±2, ±3…, ±l
 m

s
–số lượng tử spin: ±1/2
 n, l tăng thì mứcnăng lượng của nguyên tử tăng, e- đượcsắp
xếp ở lớp, phân lớpcónăng lượng nhỏ trước
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 22
Sự hình thành vùng năng lượng (1)
 Để tạo thành vậtliệugiả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tận
tiếnlạigầnliênkếtvới nhau:
 Nếu các NT cách xa nhau đếnmứccóthể coi chúng là hoàn toàn
độclậpvới nhau thì vị trí củacácmứcnăng lượng của chúng là
hoàn toàn trùng nhau (mộtmức trùng chập)
 Khi các NT tiếnlạigần nhau đếnkhoảng cách cỡ A
o
thì chúng bắt
đầutương tác với nhau → không thể coi chúng là độclậpnữa. Kết
quả là các mứcnăng lượng nguyên tử không còn trùng chậpnữa
mà tách ra thành các mứcnăng lượng rờirạc khác nhau. VD: mức
1s sẽ tạo thành 2N mứcnăng lượng khác nhau
 Nếusố lượng các NT rấtlớnvàgần nhau thì các mứcnăng lượng rời
rạc đórấtgần nhau và tạo thành một vùng năng lượng gầnnh
ư liên
tục
 Sự tách mộtmứcnăng lượng NT ra thành vùng năng lượng rộng hay
hẹpphụ thuộcvàosự tương tác giữacácđiệntử thuộc các NT khác
nhau với nhau

BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 23
Sự hình thành vùng năng lượng (2)
C6 1s
2
2s
2
2p
2
Si 14 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
2
Ge 32 1s
2
2s
2
2p
6
3s

2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
2
Sn 50 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
5s
2
5p

2
(Si)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 24
 Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là
vùng cấm
 Các điệntử trong chấtrắnsẽđiền đầyvàocácmứcnăng
lượng trong các vùng cho phép từ thấp đếncao
 Xét trên lớp ngoài cùng:
 Vùng năng lượng đã được điền đầycácđiệntử hóa trị -
“Vùng hóa trị”
 Vùng năng lượng trống hoặcchưa điền đầy trên vùng hóa
trị -“Vùng dẫn”
 Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn-
“Vùng cấm”
Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắn có tính chất
điện khác nhau: Chấtcáchđiện, Chấtdẫn điện, Chấtbándẫn
Sự hình thành vùng năng lượng (3)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
Trang 25
Cấutrúcvùngnăng lượng củavậtchất
E

G
> 2 eV
E
E
C
E
V
E
G
< 2 eV
E
E
C
E
V
E
G
= 0
E
E
C
E
V
Vùng
hoá trị
Vùng
dẫn
Điệntử
Lỗ trống
Vùng

dẫn
Vùng
hoá
trị
a- Chất cách điện; b - Chất bán dẫn; c- Chấtdẫn điện
 Độ dẫn điệncủacủavậtchấtcũng tăng theo nhiệt độ
 Chấtbándẫn: sự mất1 điệntử trong vùng hóa trị sẽ hình thành mộtlỗ trống
 Cấutrúc
vùng năng lượng củakimloại không có vùng cấm, dướitácdụng
của điệntrường ngoài các e- tự do có thể nhậnnăng lượng và di chuyểnlên
các trạng thái cao hơn, sự di chuyểnnàytạo nên dòng điện