Tài liệu Cấu kiện điện tử quang điện tử

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Giảng viên: ThS. Trần Thục Linh Điện thoại/E-mail: 0914932955/[email protected] Bộ môn: Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử 1 Học kỳ/Năm biên soạn: 2/2009 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Nội dung môn học ™ Chương 1- Giới thiệu chung ™ Chương 2- Cấu kiện thụ động ™ Chương 3- Vật lý bán dẫn ™ 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- Cấu kiện quang điện tử www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 2 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Tài liệu học tập ™ Tài liệu chính: ƒ Slide bài giảng ƒ Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử, Đỗ Mạnh Hà, Học viện CNBCVT, 2009-2010 ™ Tài liệu tham khảo: ƒ Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006. ƒ Linh kiện bán dẫn và vi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 ƒ Giáo trình Cấu kiện điện tử và quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, 2002 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 3 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Yêu cầu môn học ™ Sinh viên phải đọc trước các slide bài giảng trước khi lên lớp ™ Tích cực trả lời và đặt câu hỏi trên lớp hoặc qua email của GV ™ Làm bài tập thường xuyên, nộp vở bài tập bất cứ khi nào Giảng viên yêu cầu ™ Tự thực hành theo yêu cầu với các phần mềm EDA ™ Điểm môn học: Kiểm tra : - Câu hỏi ngắn ƒ Chuyên cần : 10 % - Bài tập ƒ Kiểm tra giữa kỳ: 10 % Thi kết thúc: - Lý thuyết: + Trắc nghiệm ƒ Thí nghiệm : 10 % + Câu hỏi ngắn ƒ Thi kết thúc : 70 % - Bài tập www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 4 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Chương 1- Giới thiệu chung 1. Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử 2. Phân loại cấu kiện điện tử 3. Giới thiệu về vật liệu điện tử 4. Giới thiệu các phần mềm EDA hỗ trợ môn học www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 5 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 1. Giới thiệu chung về Cấu kiện điện tử ™ Cấu kiện điện tử là các phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện tử, hệ thống điện tử ™ Cấu kiện ĐT ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Nổi bật nhất là ứng dụng trong lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT ™ Cấu kiện ĐT 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 Pentium 4: > 40 triệu Transistor,…) ™ Xu thế các cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày càng cao, tính năng mạnh, tốc độ lớn… www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 6 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Vi mạch và ứng dụng ™ Processors ƒ CPU, DSP, Controllers ™ Memory chips ƒ RAM, ROM, EEPROM ™ Analog ƒ Thông tin di động, xử lý audio/video ™ Programmable ƒ PLA, FPGA ™ Embedded systems ƒ Thiết bị ô tô, nhà máy ƒ Network cards ™ System-on-chip (SoC) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Ảnh: amazon.com Trang 7 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Ứng dụng của linh kiện điện tử Chips… Sand… www.ptit.edu.vn Chips on Silicon wafers GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 8 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Lịch sử phát triển công nghệ (1) ™ Các cấu 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,…). 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 ™ Bài học khám phá các đặc tính bên trong của thiết bị bán dẫn → SV hiểu được mối quan hệ giữa cấu tạo hình học và các tham số của vật liệu; hiểu được các đặc tính về điện của chúng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 9 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Lịch sử phát triển công nghệ (2) Audion (Triode) 1906, Lee De Forest First point contact transistor (germanium) 1947, John Bardeen and Walter Brattain Bell Laboratories www.ptit.edu.vn ™ 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 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 10 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 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 www.ptit.edu.vn ™ 1958 Jack Kilby (Integrated circuit) ™ 1959 Planar technology invented ™ 1960 First MOSFET fabricated ƒ At Bell Labs by Kahng ™ 1961 First commercial ICs ƒ Fairchild and Texas Instruments ™ 1962 TTL invented ™ 1963 First PMOS IC produced by RCA ™ 1963 CMOS invented ƒ Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor ƒ U. S. patent # 3,356,858 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 11 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Đặc điểm phát triển của mạch tích hợp (IC) ™ Tỷ lệ giá thành/tính năng của IC giảm 25% –30% mỗi năm. ™ Số chức năng, tốc độ, hiệu suất cho mỗi IC tăng: ƒ Kích thước wafer hợp tăng ƒ Mật độ tích hợp tăng nhanh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 12 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Định luật MOORE www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 13 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 2. Phân loại cấu kiện điện tử 2.1 Phân loại dựa trên đặc tính vật lý 2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu 2.3 Phân loại theo ứng dụng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 14 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 2.1 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: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ linh 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: họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học; họ sensor cơ, áp suất, quang bức xạ, sinh học và các chủng loại IC thông minh dựa 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: Bộ nhớ một điện tử, Transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm một điện tử, … www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 15 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 16 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 2.3 Phân loại theo ứng dụng ™ Linh kiện thụ động: 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 kiện chỉnh lưu có điều khiển ™ Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 17 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 3. Giới thiệu về vật liệu điện tử 3.1. Chất cách điện 3.2. Chất dẫn điện 3.3. Vật liệu từ 3.4. Chất bán dẫn (Chương 3) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 18 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử ™ 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 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 19 BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Lý thuyết vật lý chất rắn ™ 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 nguyên tử ta có thể đoán vị trí và bản chất hóa học của tất cả các nguyên tử trong mẫu ™ Ở một số vật liệu người ta nhận thấy rằng các sắp xếp chính xác của các nguyên tử chỉ tồn tại chính xác tại cỡ vài nghìn nguyên tử. Những miền có trật tự như vậy được ngăn cách bởi bờ biên và dọc theo bờ biên này 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 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 20