Bài giảng Điện tử học - ĐH Phạm Văn Đồng

Nội dung bài giảng giúp sinh viên: Biết được những kiến thức về điện tử học đại cương, hiểu được nguyên lí hoạt động của các thiết bị điện tử thông dụng, nhận biết được một số linh kiện bán dẫn thông dụng,...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện tử học - ĐH Phạm Văn ĐồngTRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNGKHOA CƠ BẢNBµi gi¶ngĐIỆN TỬ HỌCNgười biên soạn:Trương Văn ThanhQuảng Ngãi, tháng 05 năm 2014LỜI NÓI ĐẦUTập bài giảng Điện tử học này được biên soạn theo chương trình đào tạo mãngành 51140211 ban hành theo Quyết định số 705/QĐ-ĐHPVĐ ngày 07 tháng 9 năm2012 của Hiệu trưởng trường Đại học Phạm Văn Đồng. Đây là một trong những họcphần đào tạo giáo viên giảng dạy môn Vật lí Trung học cơ sở.Thời lượng của học phần là 3 tín chỉ, bao gồm 30 tiết lí thuyết và 30 tiết thựchành.Nội dung của phần lý thuyết giúp sinh viên:- Biết được những kiến thức về điện tử học đại cương như: vật liệu bán dẫn, mộtsố linh kiện bán dẫn thông dụng và các ứng dụng của chúng trong kỹ thuật tương tự;biết được các phép toán, các định luật của Đại số logic, sử dụng chúng để tối ưu hóacác hàm logic; biết được các cổng logic cơ bản, các khối logic thông dụng, các mạchflip-flop và ứng dụng chúng để xây dựng các mạch số điển hình.- Hiểu được nguyên lí hoạt động của các thiết bị điện tử thông dụng được sử dụngphổ biến trong đời sống và kỹ thuậtNội dung của phần thực hành giúp sinh viên:- Nhận biết được một số linh kiện bán dẫn thông dụng như điện trở, tụ điện, cuộncảm, điôt, tranzito, IC…- Lắp đặt được một số mạch điện tử thông dụng như mạch chỉnh lưu, mạchkhuếch đại trong máy tăng âm; mô phỏng được một vài mạch logic thông dụng như bộgiải mã hiển thị kí tự…- Vận hành được một số thiết bị điện tử thông dụng trong đời sống và ở trườngTHCS như máy thu thanh, máy thu hình màu, dao động ký điện tử, máy vi tính…- Làm việc cẩn trọng, kiên trì; gắn lí thuyết với thực tếĐể sử dụng tốt tập bài giảng này sinh viên phải học xong các học phần Điện họctrong chương trình đào tạo vì Điện tử học là khoa học có sơ sở là Điện học.Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn trong quá trình biên soạn không tránh khỏinhững sai sót. Rất mong được ý kiến đóng góp của người sử dụng để tập bài giảngngày càng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến xin được gửi về địa chỉ E-mail:totoanly@pdu.edu.vn1PHẦN LÍ THUYẾT2Chương 1. LINH KIỆN BÁN DẪNTừ năm 1947 tới nay, trong suốt hơn một nữa thế kỉ, vật liệu bán dẫn và các sảnphẩm điện tử được chế tạo từ chúng giữ vai trò quan trọng mang tính chất quyết địnhđến các tiến bộ của khoa học và công nghệ.Chương này đề cập bước đầu về vật liệu bán dẫn và một số linh kiện bán dẫnthông dụng. Trong các chương sau, dựa trên các tính chất của các linh kiện bán dẫn đểtìm hiểu về các ứng dụng của chúng.1.1. Chất bán dẫn1.1.1. Cấu trúc tinh thể chất bán dẫnTheo tính chất dẫn điện, người ta chia vật liệu thành 3 nhóm:- Loại vật liệu cách điện (có điện trở suất lớn) điển hình là chất điện môi.- Loại vật liệu dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) điển hình là đồng. Nguyên tử đồngcó một điện tử hoá trị nằm ở quỹ đạo ngoài cùng. Do lực hút yếu, nên lực bên ngoài cóthể dễ dàng đánh bật điện tử ngoài cùng này ra khỏi nguyên tử đồng. Đó là lý do tại saođồng là chất dẫn điện tốt.- Loại vật liệu bán dẫn là chất có điện tử hoá trị 4. Điển hình là các nguyên tốthuộc nhóm 4 bảng tuần hoàn Menđêlêep như Silic (Si) và Gemani (Ge).Cấu trúc mạng tinh thể của một chất bán dẫn điển hình như Si có đồ thị cấu trúcvùng năng lượng của chất bán dẫn và cơ chế sinh hạt dẫn của chúng được cho trên hình1.1a.Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn điện có dạng ba vùng tách biệt nhau:Vùng cấm nằm giữa một vùng có nhiều mức năng lượng cao còn bỏ trống (gọi là vùngdẫn) và một vùng có các mức năng lượng thấp đã bị hạt chiếm đầy (gọi là vùng hoátrị). Việc hình thành cơ chế dẫn điện gắn liền với quá trình sinh từng cặp hạt dẫn tự dolà điện tử (trong vùng dẫn) và lỗ trống (trong vùng hoá trị) nhờ việc ion hoá mộtnguyên tử silic tương đương với việc một điện tử hoá trị nhảy mức năng lượng quavùng cấm lên vùng dẫn để lại một liên kết bị khuyết (lỗ trống) trong vùng hoá trị. Kếtquả là dòng điện trong chất bán dẫn sạch gồm hai thành phần tương đương nhau (docác cặp sinh đôi điện tử tự do - lỗ trống) đóng góp và muốn đạt được điều này cần mộtnăng lượng kích thích đủ lớn (vài eV) đủ để gây ra quá trình nhảy mức của electron3qua vùng cấm từ vùng hoá trị (năng lượng thấp) lên vùng dẫn (các mức năng lượng caohơn).1.1.2. Chất bán dẫn tạp chất loại nNgười ta tiến hành pha các nguyên tố có 5 điện tử hoá trị (ví dụ Asen (As),Photpho (P)...) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn sạch thuộc nguyên tố nhóm 4 (Si,Ge), kết quả thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằngđiện tử (hạt đa số) gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n.Tuy nhiên vẫn tồn tại cơ chế của chất bán dẫn nền (trước khi pha tạp chất) đểhình thành từng cặp hạt dẫn tự do, nên lỗ trống cũng tham gia dẫn điện và gọi tên là hạtthiểu số. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn tạp loại n cho trên hình 1.1b.Mức năng lượng của tạp chất loại n nằm trong vùng cấm và sát đáy vùng dẫn củađồ thị năng lượng của chất bán dẫn làm nền. Điều nà ...