Giáo trình Điện tử tương tự - điện tử số: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 1 của giáo trình "Điện tử tương tự - điện tử số" cung cấp cho học viên những nội dung về: điện tử tương tự; vật liệu bán dẫn; điốt bán dẫn; bipolar junction tranzitor; phân cực và ổn định nhiệt điểm công tác của tranzitor;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Điện tử tương tự - điện tử số: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS. Nguyễn Thế Vĩnh (Chủ biên) ThS. Trần Văn Thương GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ-ĐIỆN TỬ SỐ (DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC) QUẢNG NINH – 2016 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay trong lĩnh vực điện tử của thế giới đã không ngừng phát triển, người ta đã chế tạo ra những thiết bị bán dẫn lớn như điốt, thyristor, tranzistor, tranzitor trường, khuếch đại thuật toán chịu được điện áp cao và dòng điện lớn và cả những thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi mạch số, vi mạch điều khiển, vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất ứng dụng trong công nghiệp nói trên. Ngày nay không chỉ ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang xâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt, các xí nhiệp nhà máy như xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu... đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của các linh kiện điện tử, đó chính là những minh chứng cho sự phát triển của những ngành công nghiệp này. Với mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước ngày càng nhiều công ty, xí nghiệp mới dây truyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử, vi mạch trong công tác kỹ thuật hiện đại. Cuốn giáo trình “Điện tử tương tự - Điện tử số” mong muốn đáp ứng một phần nhỏ yêu cầu nói trên. Nhằm mục đích hỗ trợ cho việc dạy và học các môn cơ sở kỹ thuật của ngành Công nghệ kỹ thuật điện, Cơ điện, Điện tử, Tự động hóa đồng thời giúp cho các cán bộ kỹ thuật, ngành kỹ thuật Điện - Điện tử - Tự động hóa củng cố và nâng cao kiến thức ngành nghề, tiếp cận nhanh với các thiết bị điện tử tương tự, điện tử số hiện đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Cuốn giáo trình gồm hai phần 7 chương. Phần I: Điện tử tương tự. Phần II: Điện tử số. Ngoài việc giới thiệu các thiết bị bán dẫn, còn có các ứng dụng của các linh kiện trong mạch điện. Bên cạnh đó còn có các ví dụ minh họa tính toán thiết kế một số mạch điện, điện tử tương tự - điện tử số thông dụng. Giáo trình do các tác giả: TS. Nguyễn Thế Vĩnh Chủ biên ThS. Trần Văn Thương Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình không tránh khỏi những khiếm khuyết. Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của bạn đọc. Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật điên - Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. Quảng Ninh, năm 2016 1 PHẦN I: ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Chương 1 VẬT LIỆU BÁN DẪN 1.1. Cấu trúc năng lượng nguyên tử Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể. Như ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng. Đây là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh thể. Tuỳ theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 vùng năng lượng khác nhau: Vùng hoá trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều đã bị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do. Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần. Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0. Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 00K) thể hiện trên hình 1-1. Chúng ta đã biết, muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyển động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của trường. Dưới đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh (tạo) các hạt tự do trong mạng tinh thể. Vïng cÊm E g Eg Vïng ho¸ trÞ a) b) c) Hình 1-1. Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng a) Chất cách điện Eg >2eV; b) Chất bán dẫn điện Eg  2eV; c) Chất dẫn điện 1.2. Vật liệu bán dẫn Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể. Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài 2 cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hóa trị. Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện. Các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleep như Gecmani (Ge), Silic(Si) là những nguyên tố có 4 điện tử lớp ngoài cùng. Ở điều kiện bình thường các điện tử đó tham gia liên kết hoá trị trong mạng tinh thể nên chúng không dẫn điện. Hình 1-2 trình bày cấu trúc phẳng của mạng tinh thể Gecmani, trong đó mỗi nguyên tử đem 4 điện tử ngoài cùng của nó góp với 4 điện tử của 4 nguyên tử khác tạo thành các cặp điện tử hoá trị (ký hiệu bằng dấu chấm đậm). Khi được kích thích bằng năng lượng từ bên ngoài, một số điện tử có thể bứt ra khỏi liên kết và trở thành điện tử tự do dẫn điện như trong kim loại. Như vậy chất bán dẫn trở thành ch ...