Nghiên cứu công nghệ lập trình IC vi xử lí 8051

Trờng đại học vinh
Khoa vật lý
---------------

hoàng thùy linh

nghiên cứu công nghệ lập trình
ic vi xử lý 8051

Khóa luận tốt nghiệp
ngành: cử nhân khoa học vật lý


Vinh- 2007

Lời cảm ơn
Đầu tiên em chân thành cảm ơn đến Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý đã tạo
điều kiện và cho em đợc làm quen với việc nghiên cứu khoa học. Cám ơn các
Thầy Cô giáo trong Khoa đã bồi dỡng kiến thức cho em trong thời gian học
tập ở Khoa Vật lý.
Để hoàn thành Luận văn này em xin bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy giáo
hớng dẫn TS. Võ Thanh Cơng đã giúp em có đợc ý tởng của luận văn và đã
giúp em hoàn thành luận văn này. Cũng qua đây em xin chân thành cảm ơn
Thầy giáo phản biện Thầy Dơng Kháng những ý kiến đóng góp bổ ích cho
luận văn. Em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô giáo trong Hội đồng bảo vệ
luận văn tốt nghiệp về những ý kiến góp ý cho luận văn. Xin chân thành cám
ơn các bạn sinh viên trong Khoa vật lý đã động viên cổ vũ em hoàn thành
luận văn này
Tuy nhiên đã cố gắng nhng là lần đầu tiên làm đề tài chắc chắn Luận
văn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong đợc sự góp ý những ý kiến
của các thầy cô giáo và các bạn.

Chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 5 năm 2007
Sinh viên thực hiện

Hoàng Thùy Linh

2


Mục lục
Phần mở đầu ..

Trang
1

Chơng I: Tổng quan lý thuyết về chất bán dẫn

4

1.1. Chất bán dẫn thuần .

5

1.2. Bán dẫn pha tạp

7

1.3. Tiếp giáp P-N.......

9

1.3.1. Tiếp giáp P- N không đợc phân cực

9

1.3.2. Tiếp giáp P- N đợc phân cực...

13

1.4. Diode phát quang.

16

Kết luận chơng I...

16

Chơng II: Tổng quan mạch tích hợp logic

17

2.1. Hệ thống đếm cơ số 2..

17

2.2. Các hệ thống logic...

18

2.3. Các phần tử logic.

19

2.3.1. Mạch Hoặc

19

2.3.2. Mạch Và

19

2.3.3. Mạch Không..

20

2.3.4. Các thuật toán logic khác

20

2.4. Các mạch logic thông dụng

20

2.4.1. Mạch DTL

20

2.4.2. Mạch logic RTL

21

2.4.3. Mạch logic TTL

22

2.4.4. Mạch ECL

23

2.5. Các đặc trng chủ yếu của mạch tích hợp logic.....

24

2.6. Các tổ hợp logic tiêu chuẩn.

25

2.7. Các loại trigơ..

26

2.7.1. Trigơ R- S

26

2.7.2. Trigơ J- K

27

2.7.3. Trigơ D ..

27

3


2.7.4. Trigơ T ..

28

2.8. ứng dụng của Trigơ.

29

2.8.1. Bộ đếm không đồng bộ

29

2.8.2. Bộ đếm thuận nghịch

31

2.8.3. Bộ đếm chia N..

32

2.9. Một vài ví dụ về ứng dụng của bộ đếm

33

2.9.1. Đếm trực tiếp

33

2.9.2. Đồng hồ điện tử

34

2.9.3. Công tắc điện tử IC 74 HC 245

35

2.9.4. Bộ hiển thị 7 nét

36

Kết luận chơng II..

37

Chơng III: Mạch vi xử lý...

38

3.1. Chip vi xử lý MCS 8051..

38

3.1.1. Thông số kỹ thuật cơ bản..

38

3.1.2. Các chi tiết cơ bản của IC MCS 8051...

39

3.2. Một số lệnh của ngôn ngữ lập trình cho MCS 8051

44

3.3. Chơng trình minh hoạ cho công nghệ lập trình.

49

Kết luận .

52

4


Phần Mở đầu
Kỹ thuật điện tử là một trong những ngành khoa học phát triển nhanh
nhất hiện nay. Trong những năm đầu tiên thế kỷ trớc kỹ thuật điện tử ra đời
với các đèn điện tử ba cực, thế hệ thiết bị điện tử này đã dần đ ợc thay thế bởi
các đèn bán dẫn (transitor). Thế hệ thiết bị điện tử này cũng có những u điểm
so với đèn điện tử nhng lại có quá nhiều vấn đề cần giải quyết. Do đó thế hệ
thiết bị kỹ thuật số( DIGITAL) ra đời đã đa kỹ thuật điện tử phát triển với bớc
tiến nhảy vọt và một thời gian dài đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

công nghệ khác nhau, ví dụ nh: trong thiết bị tự động hoá, thiết bị nghe nhìn,
thiết bị bu chính viễn thôngMặc dù có những thành tựu nhất định nh ng các
thiết bị kỹ thuật số vẫn có những nhợc điểm nh: các thiết bị kỹ thuật số thờng
đợc lắp ráp nhiều IC kỹ thuật số nên khi h hỏng khó tìm đợc IC bị h hỏng và
khó tìm đợc IC cùng loại thay thế. Trong những năm gần đây ngời ta đã đa
vào một công nghệ mới để chế tạo các thiết bị điện tử đó là công nghệ lập
trình IC vi xử lý mà một trong những ứng dụng rộng rãi là IC 8051. Công
nghệ này ra đời đợc giới kỹ thuật chấp nhận ngay bởi những u điểm của nó,
chẳn hạn nh: với công nghệ này kích thớc các thiết bị nhỏ gọn, giá thành rẻ,
dễ sữa chữa, vv... Thế hệ kỹ thuật này ra đời thay thế thế hệ điện tử kỹ thuật số
với tất cả những u điểm của mạch tích hợp và khắc phục đợc tất cả những nhợc điểm của nó với công nghệ lập trình hiện đại với ngôn ngữ lập trình
ASEMBLE. Các IC vi xử lý đợc hoạt động nh một máy tính nhỏ có thể lập
trình đợc và có các bộ nhớ đọc đợc(ROM), bộ nhớ đọc ghi đợc(RAM), có các
lệnh ngầm định, các vùng nhớ trên hoạt động nh một đĩa cứng, có nhiều cổng
vào ra(I/O) song song hoặc nối tiếp, có nhiều thanh ghi có thể ghi nhiều
lần(trên 1000 lần) thuận tiện cho việc sửa chữa và mạch tạo dao động chủ nhờ
thạch anh có thể đạt tới 24MHz, suy ra tốc độ truyền dữ liệu cho phép đạt tới
10MB/s. Thiết bị chế tạo đợc mềm hoá, trên một thiết bị có thể sử dụng đợc
nhiều chức năng khác nhau mà không cần thay đổi sơ đồ mạch. Khi h hỏng
chỉ cần nạp lại chơng trình rất thuận tiện.
5


Để đáp ứng đợc với tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật, cũng nh hiểu và
ứng dụng công nghệ lập trình vào cuộc sống thì việc nghiên cứu thiết bị kỹ
thuật số nói chung và công nghệ lập trình nói riêng là một việc làm hết sức
cần thiết. Đó là lý do tại sao tôi chọn đề tài: Nghiên cứu công nghệ lập
trình IC vi xử lý 8051 .
Với mục đích trên này, luận văn ngoài Phần mở đầu và Phần kết luận,
nội dung của luận văn đợc triển khai trong 3 chơng:

Chơng I: Tổng quan về lý thuyết bán dẫn
Trong chơng này đã trình bày những kiến thức về chất bán dẫn và các
loại tiếp xúc, đồng thời trình bày ứng dụng của bán dẫn cho các linh kiện bán
dẫn. Tổng quan về các loại transsitor và các loại điôt, đặc biệt là các loại điôt
phát sáng (LED).
Chơng II: Tổng quan mạch tích hợp lôgíc
Trong chơng này đã tổng quan những kiến thức về mạch tích hợp lôgic,
các chế tạo mạch đếm thời gian. Qua đó rút ra một số nhận xét u điểm và
khuyết điểm của mạch kỹ thuật số.
Chơng III: Mạch vi xử lý
Trong chơng này đã trình bày về công nghệ lập trình Chip vi xử lý 8051
về cấu tạo các chỉ số kỹ thuật và các lệnh cơ bản để lập trình. Sau đó là chơng
trình (program) minh hoạ cho công nghệ lập trình đó.
Với nội dung trên luận văn đã tập trung giải quyết các vấn đề sau:
Tổng quan lý thuyết bán dẫn.
Nghiên cứu công nghệ lập trình với ngôn ngữ TURBO C.
Nghiên cứu cụ thể một loại IC vi xử lý, đó là IC MCS 8051 mà
ứng dụng là IC AT89C51 của hãng Intel.
Bớc đầu chế tạo và lập trình một số ứng dụng cụ thể, đó là mạch
điều khiển đèn trang trí và viết một số program cho thiết bị này.
Vì thời gian hạn chế, nếu đợc đầu t hơn và với sự góp ý tận tình của các
Thầy, Cô và các bạn sinh viên đồng nghiệp, hi vọng, các kết quả của luận văn

6


này thể dùng làm tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh, sinh viên chuyên
ngành điện tử viễn thông nói riêng và sinh viên khoa vật lý nói chung.

7

chơng I
Tổng quan lý thuyết về chất bán dẫn
Các chất bán dẫn đợc chia thnh các chất bán dẫn iôn v chất bán dẫn
electron dựa theo các loại phần tử mang điện. Trong các chất bán dẫn iôn các
phần tử mang điện l các iôn của mạng, trong các chất bán dẫn electron, các
phần tử mang điện l các electrôn hoặc các lỗ trống. Các chất bán dẫn iôn
không đợc sử dụng trong kỹ thuật vì dòng chảy qua chất bán dẫn gây ra h
hỏng các chất bán dẫn đó. Các chất bán dẫn electrôn có nhiều ý nghĩa thực
tiễn. Các chất bán dẫn tinh khiết đợc sử dụng cụ thể l: B, C, Si, Ge, Se, Sn,
Sb, Te, J. Các chất ny có độ rộng vùng cấm nh : B (1,1 eV), C (5, 2 eV),
Si(1,1 eV), Ge (0,75 eV), Se (1,7 eV), Sn (0,08 eV) Các chất bán dẫn th ờng
sử dụng là chất bán Ge (Các nớc Đông u), chất bán dẫn Si (Mỹ , Nhật..).
Các chất bán dẫn mà tính dẫn điện đợc tạo ra do sự chuyển dời các
electrôn từ vùng hoá trị sang vùng dẫn đợc gọi là chất bán dẫn riêng. Các chất
bán dẫn mà tính dẫn điện sinh ra do sự iôn hoá của tạp chất gọi là chất bán
dẫn có tạp chất. Các chất bán dẫn tạp chất đợc phân thành hai loại bán dẫn
electron và bán dẫn lỗ trống. Trong chất bán dẫn electron, các phần tử tải điện
cơ bản là các electron. Các electrôn này xuất hiện trong quá trình các nguyên
tử tạp chất nhờng electron cho chất bán dẫn riêng và chúng trở thành các iôn
mang điện dơng. Các tạp chất nh thế gọi là chất cho. Chất cho có hoá trị năm
ví dụ nh phốtpho. Ngợc lại nếu các phân tử tạp chất nhận electron của chất
bán dẫn riêng tạo thành các lỗ trống trong chất bán dẫn này. Các tạp chất đó
gọi là chất bán nhận. Chất nhận là chất có hoá trị ba ví dụ nh nhôm. Để nắm
rõ nguyên tắc hoạt động của từng loại chất bán dẫn ta điểm lại lý thuyết cơ
bản của các chất bán dẫn đã nêu trên.
1.1. Chất bán dẫn thuần

8

ở nhiệt độ thấp trong bán dẫn tinh khiết bán dẫn thuần hoàn toàn trống
các điện tử, hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó bán dẫn là chất
không dẫn điện. Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên một số điện tử đợc kích
thích bởi năng lợng nhiệt và nếu năng lợng đủ lớn, chúng sẽ vợt qua dải cấm
và chiếm một số mức năng lợng trong dải dẫn. Các điện tử khi nhảy lên dải
dẫn để lại trong vùng hóa trị các lỗ trống tơng ứng. Quá trình trên đã tạo ra
các điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tức là chúng
tạo ra khả năng dẫn điện trong bán dẫn.
Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lợng đợc phân bố theo
phân bố Fermi-Dirac:
1
f(E) = 1 + exp( E Et )
kT

(1.1)

trong đó Ef là mức năng lợng tơng ứng khi f(E) = 0,5 còn gọi là mức
năng lợng Fermi và f(E) là xác suất tìm thấy hạt điện tử tại mức năng lợng E.
Nh vậy theo biểu thức (1) thì khi nhiệt độ tăng thì xác suất phân bố điện
tử trong dải dẫn tăng lên, tức là trong dải dẫn luôn có điện tử tự do. Ngợc lại
khi nhiệt độ giảm dần tới không thì xác suất xuất hiện các điện tử trong dải
dần tiến tới không.
Nồng độ điện tử tự do n trong vùng dẫn đợc xác định bằng tích phân trên
toàn dải của tích giữa nồng độ các mức năng lợng trong vùng dẫn và xác suất
xuất hiện điện tử trong vùng năng lợng đó.


n = n(E)f(E)dE

(1.2)

Ec

Theo hình vẽ 1 nồng độ điện tử trong dải dẫn tập trung chủ yếu gần mức
năng lợng Ec và hầu nh không tồn tại ở các mức năng lợng cao, nên ta có thể
tính xấp xỉ:
n= Ncexp(3

2
trong đó: Nc = 2(2. .me kT )
h2

9

Ec E f
kT

)

(1.3)


me là khối lợng của electron.
k hằng số Boltzmann
h là hằng số Planck

H1.1 Mức năng lợng và phân bố các hạt dẫn đa số theo mức năng
lợng

Tơng tự nh trên mật độ lỗ trống p trong vùng hóa trị có thể xác định
bởi:
p = NV exp(với NV = 2(2. .m p kT )

Ec E f
kT

)

(1.4)

3
2

h2

mp là khối lợng hiệu dụng của lỗ trống
Vì các điện tử đợc kích thích bởi nhiệt độ sẽ nhảy lên vùng dẫn và để lại
trong vùng hóa trị các lỗ trống. Do đó số lỗ trống trong vùng hóa trị bằng số
điện tử trong vùng dẫn.
Ncexp(-

Ec E f
kT

) = NV exp(-

hay:

10

Ec E f
kT

)


Eg

Ef =

2

+

kT N V
ln
2
Nc

(1.5)

trong đó Eg là độ rộng của vùng cấm của chất bán dẫn. Do Nv NC nên
Ef =

Eg
2

. Nh vậy trong chất bán dẫn thuần khiết có thể coi mức năng lợng

Fermi cách đều vùng dẫn và vùng cấm. Ta ký hiệu đại lợng ni là nồng độ hiệu
dụng các hạt dẫn trong chất bán dẫn lúc đó:
ni2 =

p.n = [NV exp(-

=

Ec E f

)NV exp(-

kT

N v N c exp(

Ec E f
kT

)]1/2

Ec EV
)
2kT

Vậy:
ni =

2(2. .kT )
h2

3
2

(memp)3/4exp[-

Eg
2kT

]

(1. 6)

Kết luận: trong chất bán dẫn, nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ hạt
dẫn hiệu dụng không thay đổi không phụ thuộc vào giá trị E f nhng lại phụ
thuộc vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn.
1.2 Bán dẫn pha tạp
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, ngời ta thờng pha một lợng nhỏ
các nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn. Có hai loại bán dẫn pha
tạp là loại p nếu nguyên tử pha tạp là chất có ít hơn một điện tử ở lớp ngoài
cùng (hóa trị 3) so với chất bán dẫn và là lớp n nếu nguyên tử pha tạp có nhiều
hơn một điện tử ở lớp ngoài cùng (hóa trị 5) so với chất bán dẫn. Trong bán
dẫn mỗi nguyên tử sẽ đóng góp một lỗ trống trong vùng hóa trị.
Trong bán dẫn n một điện tử của nguyên tử tạp chất không liên kết chặt
chẽ với tinh thể dể thành điện tử tự do tham gia quá trình dẫn điện.

11


H1. 2 Phân bố diện tử và lỗ trống

Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n trong chất bán dẫn là N d (donor) và
loại p là Na (acepptor) xác định lại mức năng lợng Fermi của án dẫn theo biểu
thức:
n = Nd = exp( Efn = Ec + kT ln

E c E fn
kT

)Nc

Nd
Nc

p = Na == exp( Efp = EV kT ln

12

(1.7)
(1.8)

E fp EV
kT
Na
Nc

)NV

(1.9)
(1.10)

Nh vậy theo biểu thức (1.8) và (1.10) thì trong bán dẫn pha tạp loại n
có mức năng lợng Fermi tăng dần tiến tới đáy của vùng dẫn khi nồng độ pha
tạp Nd tăng, ngợc lại mức năng lợng Fermi trong bán dẫn pha tạp loại p lại
giảm khi nồng độ pha tạp tăng. Phân bố điện tử và lỗ trống trình bày trong
hình 2.
1.3. Tiếp giáp p-n
Cấu tạo cơ bản của các loại nguồn quang là các tiếp giáp bán dẫn p-n.
Có hai loại tiếp giáp, tiếp giáp p-n hình thành từ hai chất bán dẫn và nếu
chúng có cùng độ dải rộng nh nhau đợc gọi là bán dẫn có tiếp giáp đơn thể,
ngợc lại đợc gọi là tiếp giáp dị thể.
1.3.1. Tiếp giáp p-n không đợc phân cực
Phân bố hạt dẫn trong tiếp giáp đơn thể không đợc phân cực đợc trình
bày nh hình vẽ 3. Lỗ trống đợc tập trung với nồng độ cao trong bán dẫn loại
p, nơi mà lỗ trống là hạt đa số, điện tử tập trung nhiều tại bán dẫn loại n nới
điện tử là hạt dẫn đa số. Do phân bố nồng độ không đồng đều hai bên của tiếp
giáp p-n nên các hạt dẫn đa số điện tử và lỗ trống có xu hớng khuếch tán theo
chiều gradient nồng độ phân bố của chúng. Khi điện tử và lỗ trống vợt qua
tiếp giáp chúng lại trở thành hạt thiểu số và tái hợp với hạt đa số làm giảm
nồng độ hạt dẫn trong vùng khuếch tán. Do đó vùng khuếch tán còn đợc gọi là
vùng nghèo, bởi vì trong vùng này nồng độ hạt dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với
nồng độ hạt đa số(điện tử hoặc lỗ trống) ban đầu. Nh vậy vùng nghèo tồn tại
đồng thời cả hai bên tiếp giáp p-n.

13


Phân bố mật độ
dòng

Pp

nn

np

Pn

Phân bố điện
thế

Khoảng cách

Vn

Khoảng cách

Vp

Phân bố
điện tích

Khoảng cách

E

Phân
bố điện
trường

Vùng nghèo

Khoảng cách

Bán dẫn loại n

Bán dẫn loại p

Tiếp giáp p-n không đợc phân cực
Điện tử trong bán dẫn n của tiếp giáp sau khi khuếch tán qua tiếp
giáp để lại nguyên tử mang điện tích dơng, do đó vùng nghèo trong bán dẫn n
14


của tiếp giáp p-n lại mang điện tích dơng. Cũng nh thế, lỗ trống trong bán dẫn
p của tiếp giáp sau khi khuếch tán qua tiếp giáp để lại nguyên tử mang điện
tích âm, do đó vùng nghèo trong bán dẫn p của tiếp giáp p-n lại mang điện
tích âm. Quá trình khuếch tán đã để lại trong vùng nghèo các nguyên tử mang
diện tích, tạo ta tại miền tiếp giáp một điện trờng hớng từ bán dẫn n sang bán
dẫn p. Điện trờng này hạn chế sự khuếch tán của hạt nhng lại tăng dòng trôi
theo ngợc chiều dòng khuếch tán. (Dòng trôi là dòng các hạt dẫn chuyển động
qua tiếp giáp do điện trờng của vùng nghèo gây ra).
Dòng trôi của điện tử đợc phóng vào bán dẫn p là:
Jnt = -nqànE
trong đó: E =

dV
và
dx

àn là độ linh động của điện tử.

Tơng tự nh thế dòng trôi của lỗ trống đi vào bán dẫn p là:
Jpt = -nqàpE
Nh vậy dòng trôi của lỗ trống và điện tử đều phụ thuộc vào cờng độ
điện trờng của tiếp giáp. Trong khi đó dòng khuếch tán lại phụ thuộc vào biến
thiên građient nồng độ của chúng. Dòng khuếch tán của các lỗ trống trong bán
dẫn loại n là:
Jktp = -Dp

qdp n
dx

và của điện tử trong bán dẫn p là:
Jktn = -Dn

qdn p
dx

trong đó: Dp , Dp lần lợt là hệ số khuếch tán của lỗ trống và điện tử.
Khi không phân cực ngoài cho tiếp giáp p-n, tổng các dòng chảy qua tiếp
giáp bằng không tức là dòng trôi và dòng khuếch tán có cờng độ bằng nhau
nhng ngợc chiều nhau.
Jktn + Jnt = 0
qdp n qdp n
=0
dx
dx

15

dV =

và

Dn dn p
àn n

(1.11)
Lấy tích phân hai vế của (1.11) với giá trị V p trên vùng nghèo và np < n < nn là giới hạn nồng độ điện tử. Nếu kí hiệu VB là
hàng rào thế của tiếp giáp p-n VB = Vn Vp. thì ta có:
D

n

n
n
VB = à ln n
n
p

Khi nn = Np và ni2 =np và
VB =

Dn
kT
=
thì:

àn
q

Dn Nd Na
ln
à n ni2

kT N d N a
=
ln
2
q

ni





(1.12)

Vì ni2 = NcNV exp( -Eg/kT)
VB =
=

Eg
q


kT N d N a

ln
exp( E g / kT )
q N c NV

+

kT N d N a
ln
q N c N V





(1.13)

Từ biểu thức trên ta có thể nhận đợc biểu thức xác định mối quan hệ giữa
rào thế của lớp tiếp giáp p-n và độ rộng dải cấm của bán dẫn cùng nhiệt độ
làm việc, nồng độ pha tạp Nd và Na của bán dẫn. Nồng độ pha tạp càng tăng
dẫn đến hàng rào thế tăng.
Nồng độ hạt dẫn đến biến thiên dọc theo chiều dài của vùng nghèo.
Chúng ta có thể xác định quy luật biến đổi của chúng từ các điều kiện biên
của vùng nghèo. Tại vị trí x = -Wdp ( Eg = 0) từ phơng trình (12) ta có thể
viết:
N N
qVB
= ln d 2 a
kT
ni

do đó ta có thể viết:
Nd Na
qV
= exp ( B )
2
ni
kT

Tại vị trí x=-Wdp thì ni2 = npNa
16


Nd Na
qV B
=
exp
(
)
np Na
kT

nên

Từ đó ta có thể tìm đợc nồng độ hạt dẫn tối thiểu tại bờ của vùng nghèo
trong loại bán dẫn p là:
np = Nd exp (-

qV B
)
kT

(1.14)

Tơng tự nh trên ta có thể tìm đợc nồng độ hạt dẫn tối thiểu tại bờ của
vùng nghèo trong bán dẫn loại n:
pn = Nd exp (-

qVB
)
kT

(1.15)

Nh vậy tại bờ của vùng nghèo nồng độ của hạt dẫn tối thiểu giảm dần từ
giá trị lớn nhất Nd , Nn đến np và pn .
1.3.2. Tiếp giáp đợc phân cực thuận
Khi ta đã xét khi không đặt điện áp ngoài lên tiếp giáp p-n, tổng các
dòng khuếch tán và dòng trôi qua tiếp giáp bằng không, tức là không có dòng
chảy qua tiếp giáp và vùng nghèo xuất hiện trong phạm vi tái hợp của các hạt
dẫn. Nếu bây giờ ta phân cực thuận cho tiếp giáp tức là đặt một nguồn cung
cấp điện cho chất bán dẫn thì trạng thái cân bằng giữa dòng trôi và dòng
không tán bị phá vỡ do đó qua tiếp giáp sẽ xuất hiện một dòng điện. Nếu điện
áp ngoài đặt trên tiếp giáp là V và ta đặt Vd = Vb V, thì nồng độ hạt dẫn thiểu
số tại bờ của vùng nghèo bây giờ đợc tính theo công thức:
np = Nd exp( Pn = Na exp(-

qV
qV
qVc
)= Nd exp(- B )exp(
)
kT
kT
kT

qV
qV
qVd
) = Na exp (- B )exp (
)
kT
kT
kT

(1.16)
(1.17)

Thay các biểu thức (14) và (15) vào hai biểu thức trên ta có:
np = np exp (
pn = pn exp (

qV
)
kT

qV

)
kT

(1.18)
(1.19)

17


Nh vậy nồng độ hạt tối thiểu tại bờ của tiếp giáp phân cực thuận lại tỉ lệ
theo mũ với điện áp phân cực. Nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng nhanh nguyên
nhân chính là do dòng khuếch đại của hạt đa số tăng nhanh.
Để tìm đợc biểu thức xác định dòng qua tiếp giáp p-n, để đơn giản ta giả
sử rằng các dòng thành phần qua tiếp giáp chỉ là dòng khuếch tán của các hạt
đa số mà không tính đến sự tái hợp của chúng. Hạt dẫn tiểu số tập trung trong
bán dẫn p biến thiên từ np tại bờ của vùng nghèo tới giá trị lớn nhất n p tại điểm
tiếp xúc. Cũng nh thế trong bán dẫn n nồng độ hạt thiểu số thay đổi giá trị nhỏ
nhất tại bờ vùng nghèo pn tới giá trị lớn nhất pn tại điểm tiếp xúc. Dòng
khuếch tán bây giờ ta có thể tính:
J = Dn q

dn
dx

( n' p n p )

= Dn q x p W pd

- Dpq

dp
dx

(1.20)

( p'n p n )
- Dpq x n Wnd

(1.21)

trong đó: xp và xn là chiều rộng tơng ứng của bán dẫn p và n.
Chiều rộng vùng nghèo giảm đi đáng kể khi đã đợc phân cực thuận, vì
vậy trong hai biểu thức (1.20) và (1.21) ta có thể bỏ qua các giá trị W pd và Wvd
so với xp và xn. Biểu thức trên đợc viết lại dới dạng:
( n' p n p )

J = Dn q

xp

( p'n p n )
xn
- Dpq

Dn qn p

=

x p

trong đó

+

Dn qn p

J0 =

x p

(1.22)

D p qp n
qV
qV
( e kT -1) = J0 ( e kT -1)
x n
+

(1.23)

D p qp n

x n

Nếu bỏ qua hiện tợng tái hợp giữa các lỗ trống và các điện tử công
thức (1.23) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng chảy qua tiếp giáp p-n vào điện
áp thuận đặt trên bán dẫn và nhiệt độ T.
Bây giờ ta xét đến ảnh hởng của dòng điện chảy qua diode, tức là quá
trình tái hợp khi điện tử đợc phóng vào bán dẫn loại p và tái hợp lỗ trống để

duy trì trạng thái cân bằng nhiệt thì dòng điện chảy qua diode sẽ thay đổi. Số
18


lợng các lỗ trống bị giảm đi trong quá trình tái hợp sẽ đợc bù bằng các hạt dẫn
phóng từ ngoài lớp tiếp xúc và do đó xuất hiện điện trờng dọc theo diode.
Cấu trúc tiếp giáp dị thể p-n
Nh ta đã biết, bình thờng ở diode, phát xạ ánh sáng có thể xảy ra cả hai
phía tiếp giáp p-n. Chính vì vậy hiệu suất phát quang của diode rất thấp. Tuy
nhiên nếu tập trung sự tái hợp các hạt đa số vào một vùng kích thớc nhỏ, thì
mật dộ công suất ánh sáng phát ra sẽ tăng lên. Ta có thể thực hiện điều đó
bằng cách hình thành một tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn có độ rộng vùng
cấm khác nhau (tiếp giáp dị thể- Heterojunction), tạo ra một hàng rào thế,
hàng rào thế này ngăn các hạt đi sâu vào mạng tinh thể cua chất bán dẫn. Để
giảm điện tử và các lỗ trống ta cần phải có tỉếp giáp dị thể, gọi là dị thể kép
hay cấu trúc DH
( Double-Heterojunction) Trong kĩ thuật hầu hết các diode phát sáng đều dùng
cấu trúc DH, nhng để thấy rõ sự u việt của cấu trúc dị thể kép, trớc hết ta bắt
đầu từ khảo sát diode có một tiếp giáp dị thể hay đơn tiếp giáp dị thể SH
(single Heterojunction)
Hình 1.3 mô tả giản đồ năng lợng của một SH diode trong trờng hợp
tiếp giáp không đợc phân cực. Đây là tiếp giáp đặc biệt đợc chế tạo bởi
Ga0,8Al0,2As có vùng cấm rộng và GaAs có vùng cấm hẹp (chỉ số bên dới chỉ
số tỉ lệ của hợp kim pha trộn). Các diode này đực gọi là P-n hoặc N-p với chữ
cái viết hoa biểu thị chất bán dẫn có vùng cấm rộng hơn. Từ giản đồ ta thấy
rào thế với lỗ trống thấp hơn so với rào thế của điện tử. Điều này thể hiệ rõ khi
diode phân cực thuận (H1.3), vì dới điện áp phân cực thuận các lỗ trống đợc
phun vào bán dẫn loại n, trong khi đó các điện tử lại không thể vợt qua đợc
hàng rào thế để đi vào vùng bán dẫn p đợc. Do đó, một lợng lỗ trống lớn trong
vùng bán dẫn loại n GaAs, và chúng sẽ hợp lại với nhau trong khoảng chiều

dài của khuếch tán của tiếp giáp, vùng này đợc gọi là vùng hoạt tính.
Cấu trúc dị thể kép DH sẽ giam các lỗ trống và điện tử vào trong một lớp
hoạt tính cực hẹp. Trên hình cho thấy hàng rào thế ở mổi bên của vùng hoạt
tính sẽ ngăn cản các hạt đa số di chuyển. Vì vậy dới điện áp phân cực thuận,
19


sẽ có một lợng lớn các hạt đa số đợc phun vào vùng hoạt tính. Tái hợp các hạt
đa số trong vùng hoạt tính có kích thớc nhỏ vì thế hiệu suất phát quang của
diode cao.
Trong kỹ thuật, chất bán dẫn GaAs phát xạ ánh sáng có bớc sóng 870
nm, nhng cửa sổ quang thứ nhất laị lại ở bớc sóng 850 nm. Để diode phát xạ ở
bớc sóng 850 nm ngời ta thêm Aluminium vào lớp GaAs để tác động lên dải
cấm và do đó làm thay đổi bớc sóng phát xạ, vì thế các diode cho bớc sóng ở
cửa sổ thứ nhất thờng đợc chế tạo từ lớp hoạt tính Al x Ga1-xAs bao xung quanh
là Aly Ga1-yAs với y > x. Hợp kim này dẫn đến dịch chuyển trực tiếp khi x <
0,37. Nếu 0 < x < 0,45 thì ta có thể tìm Eg theo công thức kinh nghiệm:
Eg = 1.42 + 1.25x +0, 27 x2
Chiết suất dợc tính theo công thức:
n = 3,59 0,71 x với 0 < x < 0,45.
1.4. Diode phát quang
Diode phát quang còn đợc gọi là diode LED (Light Emiting Diode). Có
nhiều loại diode phát quang ví dụ nh diode phát quang đợc dùng cho nhiều
lĩnh vực công nghệ khác nhau ví dụ nh diode phát xạ mặt SLED (Surface
Light Emitting Diode), diode phát xạ cạnh ELED (Edge Light Emiting
Diode). Các loại Diode SLED và ELED đợc dùng trong công nghệ thông tin
quang. Trong khuôn khổ luận văn ta chỉ nghiên cứu LED thông thờng
Kết luận chơng I:
Trình bày về kiến thức cơ bản chất bán dẫn và các loại
tiếp xúc

ứng dụng cho các linh kiện bán dẫn: Loại nào cho

transitor và điôt thông thờng đặc biệt loại nào cho LED và photo
coupling

Chơng 2

20


Tổng quan Mạch tích hợp logic
Một trong ứng dụng quan trọng của chất bán dẫn là các IC kỹ thuật số
còn gọi là các mạch logic cơ bản. Các mạch logic hiện nay đợc sử dụng hết
sức rộng rãi trong kỹ thuật máy tính điện tử, điều khiển tự động, đo lờng...
Trong các hệ thống logic phức tạp nh máy tính điện chẳng hạn, số thuật toán
cơ bản cần thực hiện cũng không lớn và những thuật toán đó đợc lặp đi lặp lại
nhiều lần nên trong các hệ thông logic thờng ta chỉ gặp một số rất ít các mạch
cơ bản đợc lặp đi lặp lại rất nhiều lần. Đó cũng chính là lí do vì sao việc sử
dụng mạch tích hợp trong các hệ thống logic (hay hệ thống số) lại rất thuận
lợi. Trên thực tế, mạch tích hợp đầu tiên đợc áp dụng cho các hệ thống số và
hiện nay đa số các mạch tích hợp cũng đợc dùng trong các hệ thống số.
Các mạch số làm việc theo cơ chế nhị phân, nghĩa là chúng chỉ tồn tại đợc hai trạng thái. Chẳng hạn một tranzito chỉ có thể hoặc là hoàn toàn không
dẫn hoặc là hoàn toàn thông chứ không thể ở một trạng thái trung gian. Hai
trạng thái đó của mạch số đợc kí hiệu là 1 và 0.
2. 1. Hệ thống đếm cơ số 2
Chúng ta thờng quen thuộc với hệ thống đếm cơ số 10 (decode), trong
hệ thống đếm này ngời ta dùng 10 chữ số để biểu thị bất kỳ một con số nào (0,
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ). ví dụ con số 1975 có ý nghĩa nh sau:

1975 = 1 x 103 + 9 x102 + 7x 101 + 5x 100.
Nh vậy mỗi một chữ số trong con số nói trên ( 1, 9,7,5 ) biểu
diễn một hệ thống trong phép khai triển con số đó theo các luỹ thừa của 10.
Trong kỹ thuật số thờng dùng hệ thống đếm cơ số 2(binary). Trong hệ
thống đếm này ngời ta chỉ dùng 2 chữ số (1 và 0) để biểu thị bất kỳ con số
nào. Ví dụ: con số 19 đợc viết trong hệ cơ số 2 là 10011 và có nghĩa là:
10011 = 1 x24 + 0x23 + 0x22 + 1x21 +1x20.
nh vậy mỗi chữ số biểu diễn 1 hệ số của luỹ thừa cơ số 2.

21


Sau này các hệ thống mở rộng nh bát phân và thập lục phân (Hex) đợc
sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử cũng nh trong máy tính điện tử. Các
thiết bị này đợc sử dụng nhờ các hệ thông logic.
2. 2. Các hệ thống logic
Trong một hệ thống logic, mỗi một trong 2 mức điện áp

nói trên đợc

gọi là 1 bit. Nếu chúng ta qui ớc trong 2 mức đó, mức nào dơng hơn là 1 và
mức kia là 0 thì ta có 1 hệ thống logic dơng (2.1a)

H.2.1 Minh hoạ định nghĩa logic dơng và logic âm
Ngợc lại, nếu trong 2 mức, mức nào âm hơn đợc qui ớc là 1 thì ta có hệ
thống logic âm (hình 2.1b ).
Vì trong mạch điện luôn luôn có tiếng ồn hoặc thăng giáng điện áp
khác (chẳng hạn điện áp nguồn cung cấp) nên các mức logic thờng không đợc
quy định chính xác mà có kèm 1 phạm vi biến thiên, nh hình 2.1 quy định rõ
chẳng hạn mức 1 là 4 1V và mức 0 là 0,2 0,2 V.

Trong một hệ thống logic động, mỗi bit đợc quy định nh là sự có mặt
hoặc không có mặt hoặc không có mặt của một xung. Trong hệ thống logic dơng sự có mặt một xung dơng đợc coi là bit 1, trong hệ thống logic âm sự có
mặt một xung âm đợc coi là bit 1. Trong cả 2 hệ thống logic trên sự không có
mặt của xung đợc coi là bit 0.
2. 3. Các phần tử logic

22


2. 3. 1. Mạch Hoặc
Mạch OR (Hoặc) có hai hoặc nhiều lối vào và chỉ có 1 lối ra. Mạch này
làm việc theo nguyên tắc sau: lối ra ở mức 1 nếu có ít nhất một lối vào ở mức
1. bảng 9 cho ta các giá trị có thể có của các lối vào và lối ra, ở đây A, B là
các trạng thái ứng với lối vào,Y là trạng thái ứng với lối ra (chỉ có thể là 1
hoặc 0 ). Bảng 1 còn gọi là bảng chân lý
Lối vào
A

B

Lối ra
Y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1
1
1
Bảng 1 Bảng chân lý mạch Or

H.2.2 Mạch lôgic AND
2.3.2. Mạch AND (Và)
Mạch AND có hai hoặc nhiều lối vào và chỉ có 1 lối ra. Mạch này làm
việc theo nguyên tắc sau: lối ra chỉ ở mức 1 nếu tất cả các lối vào đều ở mức
1. Bảng 2 là bảng chân lý tơng ứng với mạch Và. ta có thể viết Y=AB và nói
mạch Và thực hiện phép nhân logic.
A
0
0
1
1
Bảng 2

Lối vào

Lối ra
B
Y
0
0
1
0
0
0
1
1
Bảng chân lý mạch AND

23


H 2.3 Mạch LOGIC NOR và NOT
2.3.3. Mạch NOT (KHÔNG hoặc mạch Đảo)
Mạch này chỉ có một lối vào và một lối ra. Nguyên tắc làm việc của nó là
phủ định logic, nghĩa là lối ra chỉ ở trạng thái 1, nếu lối vào không ở trạng thái
ở trạng thái 1.
Hình 2.3 là kí hiệu mạch KHÔNG, bảng 11 là bảng chân lý ứng với
mạch KHÔNG.
Lối vào
lối ra
A
Y
0
1
1

0
Bảng 3 Bảng chân lý mạch not
Mạch KHÔNG thực hiện phép phủ định logic Y= A
2.3.4. Các thuật toán logic khác
a, Mạch Và- Không (NAND)
b, Mạch Hoặc- Không (Nor)

H2.4 Mạch Logic NAND và NOr
2. 4. Các mạch logic thông dụng
2.4.1. Mạch DTL (Diot-Tranzitor-Logic)
Thờng gọi là mạch DTL (viết tắt từ tiếng anh Diode-Transitor
Logic). Hình 2.5 là sơ đồ Và - KHÔNG trên cơ sở mạch logic DTL. Giả sử ở
một lối vào nào đó ở trạng thái thấp (mức 0), khi đó điôt tơng ứng lối vào đó
sẽ dẫn và điên thế ở điểm P sẽ thấp, các diot D 4, D5 sẽ không dẫn IB=0 và
24


transsito Q1 không dẫn.Vậy điện áp ở lối ra Q sẽ cao tức là lối ra ở trạng thái 1
(Y=1), điều này phù hợp với 3 trồng hợp đầu của bảng 12. Nếu tất cả các lối
vào đều ở mức 1 thì tất cả các diot tơng ứng đều không dẫn, điện thế ở điểm P
sẽ tăng đến giá trị UC, dòng IB xuất hiện đủ lớn sẽ làm cho transsito T1 bão hoà
và lối ra sẽ có điện thế thấp(Y=0), điều này thoả mãn trờng hợp cuối cùng ở
bảng 12.

H 2. 5 Mạch DTL NAND
Diot D4 có thể đợc thay thế bằng transrito Q2 lắp theo kiểu lặp lại
êmitơ(H.2. 5), nhờ đó có thể cung cấp dòng lớn để điều khiển Q 1 và tăng khả
năng chịu tải lối ra. Mặt khác cũng có thể dùng điện trở R 3 với giá trị nhỏ hơn
để giải thoát các điện tích tập trung ở bazơ của Q 1 nhờ đó giảm đợc thời gian
ngắt dòng.

2.4.2. Mạch logic RTL (điện trở- transrito)
Thờng gọi là mạch RTL. Hình 2.6 là sơ đồ hoặc- KHÔNG trên cơ
sở mạch RTL. Nếu một trong các lối vào ở mức 1, Transrito sẽ bão hoà và lối
ra ở mức 0. nếu tất cả các lối vào đều ở mức 0 thì transrito không dẫn ( không
có thiên áp) và lối ra ở mức 1. Điều đó thoả mãn bảng chân lý của sơ đồ
NAND.

25