Giáo trình điện tử cơ bản

CHƯƠNG 1 NỐI PN I.Chất bán dẫn 1.2.Chất bán dẫn thuần • Xem chất bán dẫn no với số điện tử vịng ngồi cùng 2n2 . • Các nguyên tử Si(14), Ge (32) cĩ 4 điện tử vịng ngồi cùng,nên tương đối bền. • Tinh thể Si ( hoặc Ge) do các nguyên tử gần nhau cĩ liên kết cọng hố trị, nên mỗi nguyên tử Si xem như cĩ 8 điện tử vịng ngồi cùng nên khá bền, khơng cĩ trao đổi điện tử với chung quanh, nên xem như khơng dẫn điện. Chương 1. Nối pn Mẫu nguyên tử Si14 (theo BOHR) +P N n=2 electron - n=3n=1 Hình 1 Có cấu tạo bền Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si „ Tuy nhiên,dưới tác dụng nhiệt (hoặc ánh sáng, điện trường…), một số điện tử nhận được năng lượng đủ lớn hơn năng lượng liên kết cộng hoá trị ( năng lượng ion hoá 1.12 eV đối với Si và 0,6 eV đối với Ge) nên có thể bức khỏi sự ràng buộc nói trên để trở thành điện tử tự do và dễ dàng di chuyển trong mạng tinh thểỈ Si trở nên dẫn điện. „ Khi có 1 điện tử rời khỏi vị trí sẽ để lại tại đó một lỗ trống mang điện tích dươngỈ các lỗ trống di chuyển ngược chiều với điện tử tự do. „ Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng sinh tạo nhiệt cặp điện tử tự do – lỗ trống. - + „ Sinh tạo cặp điện tử tự do - lỗ trống Hình 2 Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si „ Hình vẽ sau đây diễn tả hình ảnh nói trên chiều di chuyển của điện tử tự do chiều di chuyển của lỗ trống „ Khi có 1 điện tử đến chiếm chổ lỗ trống làm trung hoà về điện tích và tái tạo lại nối liên kết cộng hoá trị đựợc gọi là hiện tượng tái hợp cặp điện tử tự do – lỗ trống. „ Ở nhiệt độ cố định ta có sự cân bằng giữa hiện tượng sinh tạo và tái hợp cặp điện tử tự do -lỗ trống, hay: ni = pi và với: ni mật độ điện tử tự do trong chất bán dẫn thuần pi mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn thuần. 2 i iipn n= „ Lý thuyết bán dẫn cho : trong đó: A là hằng số tuỳ thuộc chất bán dẫn T nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin) oK bằng toC + 273oC Eg năng lượng cần thiết để bẽ gảy nối cọng hoá trị eV = 1,6. 10-19 J k hằng số Bolztman = 1,38.10-23J/oK=8,8510-5eV/oK q=1,6.10-19C, điện tích của điện tử . Ở 300oK, ni =1,5.1010/ cm3 ( Si) = 2,5.1010/cm3 ( Ge) nhưng rất nhỏ so với mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể = 5.1022/cm3, nên chất bán dẫn thuần dẫn điện rất yếu. 2 3exp( / )gi A q kTn T E= − Chất bán dẫn pha (dope) „ 1. Chất bán dẫn loại n Pha nguyên tử hoá trị 5 ( P15 )vào tinh thể Si: ¾ P sẽ dùng 4 điện tử vòng ngoài cùng để liên kết cộng hoá trị với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận ¾ Còn lại 1 điện tử thứ 5 vì không liên kết nên dễ dàng di chuyển trong mạng tinh thểỈđiện tử tự do Ỉ dẫn điện. ¾ 1 nguyên tử P cho 1 điện tử tự do,Pha nhiều nguyên tử P cho nhiều điện tử tự do hơnỈ dòng điện càng mạnh . e- „ Chất bán dẫn loại n Hình 2 Si P Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Ngoài ra, trong điều kiện nhiệt độ trong phòng, còn có sinh tạo nhiệt cặp điện tử – lỗ trống nhưng với nồng độ rất bé. Kết luận : Chất bán dẫn loại n có: Điện tử tự do là hạt tải đa số mật độ nn, Lỗ trống là hạt tải thiểu số , mật độ pn, Nguyên tử P là nguyên tử cho, mật độ ND, Trong điều kiện cân bằng nhiệt động cho: nn = ND + pn = ND. Và: nn.pn = mật độ lỗ trống thiểu số trong chất bán dẫn loại n cho bởi: ≈ 2 in 2 i n D np N = 2 in Chất bán dẫn pha „ 1. Chất bán dẫn loại p Pha nguyên tử hoá trị 3( B5 )vào tinh thể Si: ¾ B sẽ dùng hết 3 điện tử vòng ngoài cùng để liên kết cọng hoá trị với 3 điện tử của 3 nguyên tử kế cận ¾ Còn lại 1 vị trí thiếu vì điện tử nên xem như có điện tích dương và các điện tử lân cận dễ đến tái kết với lỗ trống của B và để lại ởvị trí đó lổ trông mới và hiện tượng trên cứ tiếp diễnỈ dẫn điệnbằng lỗ trống. ¾ 1 nguyên tử B cho 1 lỗ trống,Pha nhiều nguyên tử B cho nhiều lỗ trống hơnỈ dòng điện càng mạnh . + „ Chất bán dẫn loại p Hình 4 Si B Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Ngoài ra, trong điều kiện nhiệt độ trong phòng, còn có sinh tạo nhiệt cặp điện tử – lỗ trống nhưng với nồng độ rất bé. Kết luận : Chất bán dẫn loại p có: Điện tử tự do là hạt tải thiểu số mật độ np, Lỗ trống là hạt tải đa số , mật độ pp, Nguyên tử P là nguyên tử nhận, mật độ NA, Trong điều kiện cân bằng nhiệt động cho: pp = NA + np NA. Và: pp.np = mật độ điện tử tư ïdo thiểu số trong chất bán dẫn loại p cho bởi: ≈ 2 in 2 i p A nn N = 4.Sự dẫn điện của chất bán dẫn „ a. Dòng trôi Dòng điện do các hạt tải chịu tác động của điện trường đuợc gọi là dòng trôi. Cường độ dòng điện là tổng số hạt tải điện di chuyển ngang qua tiết diện A với vận tốc v . Mật độ dòng điện trong đơn vị thể tích cho bởi: J = Qv trong đó Qn = nq ( điện tử tự do) Qp = pq ( lỗ trống) p n p n v v ξ ξμ μ= = „ Mật độ dòng điện tổngcộng: „ Theo định luật Ohm ta còn có: „ Suy ra điện dẫn suất: và điện trở suất: ( ) n p n p n p J qn qpJ J q n p ξ ξμ μ ξμ μ = + = + = = + J σ ξ= ( )n pq n pσ μ μ= + ( ) 1 1 n pq pn ρ σ μ μ= = + b.Dòng khuếch tán „ Dòng khuếch tán là dòng do các hạt tải di chuyển từ nơi có mật độ cao sang nơi có mật độ thấp. „ Mật độ dòng khuếch tán cho bởi: ( A/cm2) ( lỗ trống) ( A/cm2) ( điện tử ) Với Dpvà Dn lần lượt là hệ số khuếch tán của lỗ trống và điện tử tự do cho bởi hệ thức Einstein: pp d pqJ D d x = − nn d nqJ D d x = p n T p n k T q D D Vμ μ= = = „ Và các hệ thức khác: Lp và Ln lần lượt là khoảng đường tự do trung bình của lỗ trống và điện tử tự do Dòng điện tổng cộng trong thanh bán dẫn là: J = J tr + Jkt 2 2 n p n pp nD D L L τ τ = = + + + + + + + + + + + + + + -------------- --------------- II. Nối pn 1.Cấu tạo lớp SiO 2 1 màng mỏng10 5 p Giá (substrate) mμ p+ p mμ mμ n+ n+ 2.Cân bằng nhiệt động „ Do các hạt tải khuếch tán và tái kết trong vùng gần nốiỈ vùng hiếm (vùng khiếm khuyết) hai bên nối ( vùng không còn hạt tải di động mà chỉ còn các ion cố định ). Vùng hiếm J Ei VB Rào thế - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - „ Khi J=Jtr+Jkt = 0 Ỉ cân bằng nhiệt độngỈ „ Điện trường nội đạt trị nhất định Ei và rào điện thế cho bởi: „ Ở 300oK , VB = 0,7 V (Si) = 0,3 V (Ge) Vậy nối pn không dẫn điện (I = 0) khi chưa được cấp điện ( phân cực) „ Muốn nối pn dẫn điện phải phân cực bằng nguồn cấp điện DC để làm giảm rào điện thế hay làm hẹp vùng hiếm. 2 ln A DB T i N NV V n = 3. Phân cực nối pn a.Phân cực thuận Eex V VB-V + V Do tác động của điện trường ngoài, rào điện thế giảm (VB-V) rất bé, vùng hiếm giảm hoặc triệt tiêuỈnối pn dẫn điện với dòng thuận IF khá lớn. ++++++++ ++++++++ ---------- ---------- - - + + b. Phân cực nghịch Eex V VB+V + V Rào thế gia tăng ( VB+ V) , vùng hiếm nới rộngỈ gần như không có hạt tải di chuyển qua nối, nối pn ngưng dẫn (I =0). Ei+ + ++ + + --- - - - +++ +++ - - - - - - „ Thực ra, khi phân cực nghịch, có dòng hạt tải thiểu số dưới tác động của điện trường ngoài di chuyển qua nốiỈ dòng nghịch IR rất bé ( vài uA với Ge và vài nA với Si ). „ Dòng nghịch này còn gọi là dòng rỉ hay dòng bảo hoà ngược IS ( vì các hạt tải thiểu số quá ít nên nhanh chóng di chuyển hết qua nối và đạt ngay trị số không đổi – bảo hoà ). 2np po p nno S i p n p nD A p nDD D DAq Aq N NL L L L nI ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + = +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ c.Hiện tượng huỷ thác „ Tuy nhiên, khi phân cực nghịch với điện trường quá lớn, các nguyên tử trong vùng hiếm bị phá vỡ liên kết cộng hoá trị và do đó sẽ di chuyển ào ạt qua nốiỈ dòng nghịch quá lớn, trong khi điện thế không đổi(do điện trở quá bé) sẽ làm hư hỏng nối pn ( huỷ thác hay sụp đổ). „ Huỷ thác Zener : Khi V< 6 v chỉ có sự phá vỡ liên kết cộng hoá trị . „ Huỷ thác tuyết đổ: Khi V > 6 v ngoài sự phá vỡ liên kết cộng hoá trị còn có sự bức các điện tử ra khỏi cấu trúc của nó do sự va chạm giữa hạt tải có động năng lớn với các điện tử của nguyên tử. Ec Ev Ec EFn EFp Ev Vr p n I np Tunneling a C B e(Vo+Vr) V B SCL F ig . 6 .1 8 : Z e n e r b r e a k d ow n in v o lv e s e le c t ro n s tu n n e l in g f rom th e V B o f p s id e to th e C B o f n - s id e w h en th e r e v e r s e b ia s r e d u c e s E c to l in e u p w i th E v . F rom P r in c ip le s o f E le c tro n ic M a te r ia ls a n d D e v ic e s , S e c o n d E d it io n , S .O . K a sa p (© M cG ra w -H ill, 2 0 0 2 ) h t tp : / /M a te r ia ls .U s a s k .C a Tunneling III.Đặc tính nối pn 1.Biểu thức dòng điện nối pn Lý thuyết và thực nghiệm cho: trong đó dòng bảo hoà ngược cho bởi: Thường trong điều kiện dẫn điện lớn ta có: ( )exp / 1D S TV VI I η= −⎡ ⎤⎣ ⎦ 2 p n p on o S p n p n i p nD A pD nDA qI L L D DA q n N NL L ⎛ ⎞⎜ ⎟+ =⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ = ⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠ 1η = „ Khi phân cực thuận : V > 4VTỈ exp(V/VT >>1 : ID =IF= Isexp(V/VT) lớn ƒ Khi phân cực nghịch: V << 4VTỈexp(-V/VT) <<1: ID = IR=-IS 2. Đặc tuyến Ampe-Volt Ta có đường biểu diễn : ID Vz 0 0,6 V VD Izk IzM VIVbr Fig.6.15: Reverse I-V characteristics of a pn junction. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) Figure 1.31 AC circuit analysis: (a) circuit with combined dc and sinusoidal input voltages, (b) sinusoidal diode current superimposed on the quiescent current, (c) sinusoidal diode voltage superimposed on the quiescent value, and (d) forward-biased diode I-V characteristics with a sinusoidal current and voltage superimposed on the quiescent values Figure 1.25 The diode and load line characteristics for the circuit shown in Figure 1.24 3.Điện trở nối pn ID a.Điện trở tĩnh ID Q 0 VD V b.Điện trở động: D D D Q VR I = D D d D DQ Q V dV r I dI Δ= =Δ Current Voltage 0 I 0.5 V dV rd 1 dI dV= dI I+dI V+dV Tangent From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) Fig. 6.14: The dynamic resistance of the diode is defined as dV/dI which is the inverse of the tangent at I. „ Thường thì do sự thay đổi nhỏ nên ta có: „ Có trị thường rất bé ( vài Ohm – vài chục Ohm ) xem như không đáng kể. ( ) ( ) 1 exp / 1 1 exp / D D TSd D Dd Q D D TS T T Q T d D Q dI d V Vg IdV dVr IV VI V V Vr I = = = − =⎡ ⎤⎣ ⎦ = = ⇒ = Figure 1.22 The ideal diode: (a) I-V characteristics, (b) equivalent circuit under reverse bias, and (c) equivalent circuit in the conducting state Figure 1.27 The diode equivalent circuit (a) in the “on” condition when VD ≥ Vy, (b) in the “off” condition when VD < Vy, and (c) piecewise linear approximation when rf = 0 4. Điện dung nối pn a.Điện dung chuyển tiếp Khi phân cực nghịch, vùng hiếm nới rộng và không có các hạt tải đi qua nên xem như cách điện ( điện môi). Trong khi đó, ở 2 vùng ngoài vùng hiếm có các hạt tải điện (2 bảng dẫn điện )Ỉ Tụ điện có điện dung: Co = 11,7 (Si) Co = 15,8 (Ge) = 8,85.10-12 F/m CT có trị từ vài phần mười đến vài chục pF. T o o d A A C C Cx W = = oε oε oε b.Điện dung khuếch tán Khi phân cực thuận do có sự khuếch tán của các hạt tải qua nối, và khi điện thế phân cực tăng lên một lượng dV thì có sự gia tắng một lượng dqjỈ Tụ điện có điện dung cho bởi: CD có trị vài ngàn pF. Ở tần số thấp Xc=1/ wCỈ rất lớn, xem như tụ hở mạch. Ở tần số cao XcỈ 0 rất bé, xem nhu tụ nối tắt . Vậy các tụ CT, CD làm nối pn không hoạt động ở tần số cao. j D dq C dV = x ' pno pn(0) when V pn'(0) when V+dV dQI = Q /τh V to V+dV Neutral n-regionSCL Q F rom P r in c ip le s o f E le c tro n ic M a te r ia ls a n d D e v ic e s , S e c o n d E d it io n , S .O . K a sa p (© M cG raw -H ill, 2 0 0 2 ) h t tp : / /M a te r ia ls .U s a s k .C a F ig . 6 .1 3 : C o n s id e r th e in j e c t io n o f h o le s in to th e n - s id e d u r in g fo rw a rd b ia s . S to ra g e o r d if fu s io n c a p a c i ta n c e a r is e s b e c a u s e w h en th e d io d e v o l ta g e in c re a s e s f rom V to V + d V th e n m o re m in o r i ty c a r r ie r s a re in j e c te d a n d m o re m in o r i ty c a r r ie r c h a rg e is s to re d in th e n - r e g io n . Mạch tương của nối pn „ Khi phân cực thuận rd=0 VD ƒ Khi phân cực nghịch ƒ Mạch tương ở cao tần rd CD CT GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠ BẢN • Đại học Quốc gia TP.HCM • Đại học Khoa học Tự nhiên • Khoa Vật Lý – Bộ môn Điện tử Biên soạn: Nguyễn thành Long Chương 2 • I. Các loại diod • * Diod chỉnh lưu • * Diod cao tần, tách sóng • * Diod Schokley • * Diod Zener • * Diod biến dung • * Diod quang • * LED, Optron • * Diod hồng ngoại • * Diod LASER 1.Diod chỉnh lưu ƒ Điện thế lớn ƒ Dòng điện lớn Nên diod chỉnh lưu : ¾ Tiếp xúc mặt ¾ Hoạt động ở tần số thấp (hạ tần) Sử dụng diod cần tham khảo bảng Data: PDM, IFM, IRM,VBR, CD,CT, fmax, Tmax 2.Diod cao tần • Tiếp xúc điểmỈ CD,CT nhỏ • Nhưng do đó: ¾Điện thế thấp ¾Dòng điện thấp Sử dụng trong: Mạch tách sóng Radio, TV Mạch logic, mạch số ( mạch giao hoán) 4.Diod Zener ƒ Tạo điện thế ổn định ( áp dụng hiệu ứng huỷ thác). ƒ Mổi diod zener có trị số Vz khác nhau 3,3 V; 3,9 V; 5,1V; 5,6V; 6,8V; 7,5V; 10V; 12V…. (tùy theo cách chế tạo và mật độ pha ). Khi sử dụng phải tuân theo Datasheet: IZk < IZ < IZM PZ = VZIZ < PZM Đặc tuyến Diod Zener • I • Vz 0 V • Izk • Iz • PZM=VzIzM • IzM • Izk < Iz< IZM 5.Diod biến dung( Varicap Diod;Varactor) ƒ Sử dụng điện dung chuyển tiếp khi phân cực nghịch nối pn. ƒ Điện dung diod biến dung: • Thường n = 1; CT (0) điện dung tại VR = 0 V • Áp dụng trong các mạch: ¾ Dao động cọng hưởng, mạch điều hợp trong TV, Radio ¾ Mạch điều khiển từ xa ¾ Mạch chọn đài tự động ( )0 1 T T n R B C C V V = ⎛ ⎞+⎜ ⎟⎝ ⎠ From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) dQ = Incremental charge Diode voltage = -Vr Diode voltage = -(Vr+dVr) Space charge region eNd -eNa Net Space Charge Density x M M (a) (10-103) pF/mm2 Cdep ForwardReverse Diode Voltage Vo0 (b) Fig.6.12: The depletion region behaves like a capacitor. (a) The charge in the depletion region depends on the applied voltage just as in a capacitor (b) The incremental capacitance of the depletion region increases with forward bias and decreases with reverse bias. Its vaue is typically in the range of picofarads per mm2 of device area. 3.Diod Schottky ƒ Tiếâp giáp kim loại- bán dẫnỈbức tường âm và hạt tải nóng ƒ Rào thế thấp 0,25 V ƒ Thời gian tích trữ không đáng kể ts= 0 ƒ Thời gian hồi phục bé ƒ Điện dung tích trữ vài phần mười pF Sử dụng trong các mạch giao hoán, mạch logic, mạch số, mạch tần số cao 20 GHz 6. Diod quang (thu quang) - Photodiode ƒ Áp dụng hiệu ứng quang – điện của các vật liệu Si, GaAs… ƒ Chuyển đổi ánh sáng thu được từ bề mặt trong suốt thành dòng điện khi diod phân cực nghịch. ƒ Mổi diod chỉ thu được một bức xạ nhất định. Sử dụng trong các mạch: ¾Báo động ¾Đo cường độ sáng ¾Đếm sản phẩm Le Lh W Iph x EHPs exp(−αx) From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) Fig. 6.51: Photogenerated carriers within the volume Lh + W + Le give rise to a photocurrent Iph. The variation in the photegenerated EHP concentration with distance is also shown where α is the absorption coefficient at the wavelength of interest. Neutral n-region Neutral p-region W Eo Voc Medium λ Long λ Depletion region Diffusion Drift Finger electrode Back electrode ln lp Le Lh Short λ From P rinc ip les of E lectron ic Materia ls and Devices, Second Edition , S .O . Kasap (© M cG raw -H ill, 2002) http ://M a te ria ls.U sask .Ca Fig. 6 .49: T he princip le of operation of the solar cell (exaggerated features to h ighlight princip les) 7.Diod phát quang (LED) ƒ Aùp dụng hiệu ứng điện quang ƒ LED phát sáng khi phân cực thuận ƒ Mổi LED phát một bức xạ nhất định tuỳ theo vật liệu chế tạo và chất pha: GaAs bước sóng= 0,77-0,88 đỏ Al,Sb = 0,65 GaAsP đỏ GaPZn hổ phách GaAsS = 0,57-0,58 vàng GaPN2 = 0.55-0,56 lục Light output p Epitaxial layers Substrate n+ n+ Fig. 6.44: A schematic illustration of one possible LED device structure. First n+ is epitaxially grown on a substrate. A thin p layer is then epitaxially grown on the first layer. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) Ec Ev EN (b) N doped GaP Eg (a) GaAs1-yPy y < 0.45 Fig. 6.45: (a) Photon emission in a direct bandgap semiconductor. (b) GaP is an indirect bandgap semiconductor. When doped with nitrogen there is an electron recombination center at EN. Direct recombination between a captured electron at EN and a hole emits a photon. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) Mạch LED LED dẫn có : VD = 1,6V – 2,2V; ID = 5 – 30mA Chọn trung bình: VD = 2V và ID = 10 mA Mạch có điện trở RD nối với LED với nguồnVcc,cách tính trị RD tuỳ theo trị số nguồn Vcc: + Vcc RD ID Vcc = 5V Ỉ RD = 200 Ohm Chọn 270 hoặc 330 Ohm = 9V = 700 Ohm Chọn 680 VD = 12V = 1000 Ohm D DC C D C C D D D V VR I V VR I = + ⇒ −= F rom P rin c ip le s o f E le c tron ic M a te ria ls and D ev ices , S econd E d itio n , S .O . K a sap (© M cG raw -H ill, 2 002 ) ht tp : / /M a te ria ls .U sask .C a 2 eV 2 eVeVo Holes in VB Electrons in CB 1.4 eV No bias With forward bias Ec EvEc Ev EFEF (a) (b) (c) (d) pp ΔEc GaAs AlGaAsAlGaAs ppn+ ~ 0.2 μm AlGaAsAlGaAs GaAs Fig. 6:46: (a) A double heterostructure diode has two junctions which are between two different bandgap semiconductors (GaAs and AlGaAs). (b) A simplified energy band diagram with exaggerated features. EF must be uniform. (c) Forward biased simplified energy band diagram. (d) Forward biased LED. Schematic illustration of photons escaping reabsorption in the AlGaAs layer and being emitted from the device. Ge Si GaAs Current Voltage~0.1 mA 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Fig.6.4: Schematic sketch of the I-V characteristics of Ge, Si and GaAs pn Junctions From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) • LED áp dụng trong các mạch: ƒ Chỉ báo, hiển thị ƒ LED 7 đoạn trong các máyphát , máy đo… Diod phát – thu hồng ngoại Là những diod phát- diod thu quang với bức xạ trong lãnh vực hồng ngoại .( bước sóng khoảng1.000nm) Được sử dụng trong các mạch báo động , điều khiển, phát – thu tín hiệu, dữ liệu có tính bảo mật. 8.Diod LASER ƒ Diod khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ của phát xạ kích thích ( Light Amplication by StimulatedEmission of Radiation – LASER). ƒ Giống như diod nối nhưng có thêm bộ phận làm đảo mật độ dân số và cọng hưỡng tạo ra ánh sáng kết hợp có cừơng độ lớn và bức xạ thành chùm tia tập trung rất nhỏ. ƒ Áp dụng trong thông tin sợi quang, kênh không gian(không giây), trong các máy CD, VCD, DVD, mạng máy tính… From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap (© McGraw-Hill, 2002) Height, H Width W Length, L Fabry-Perot cavity Dielectric mirror Diffraction limited laser beam Polished face Current Dielectric mirror Optical cavity containing active layer Fig. 6.56: A semiconductor lasers have an optical cavity to build-up the required electromagnetic oscillations. Bộ ghép quang(Optrons;Optoisolators;Optocouplers) ƒ Ghép nối LED và linh kiện thu quang vào chung trong một vỏ kín nhằm truyền tín hiệu có tín bảo mật hoặc có độ cách ly điện tốt hơn biến thế ( 1015 Ohm; 7.500V ), tránh nhiễu điện từ xen vào tín hiệu, dữ liệu truyền đi. ƒ Các linh kiện thu quang là : diod, transistor, FET, SCR,DIAC …quang ƒ LED Diod quang (thu); photodiod Các mạch diod • I. Mạch chỉnh lưu • 1.Chỉnh lưu bán kỳ( H.1) VDC 0 II 2II - VODC + = Vpsinwt Vi D RL IL Các công thức { } { } { } 2 0 0 2 0 0 1 1 sin ( ) 2 sin 0 2 cos 1 1 2 2 0,318 0, 45 * 0,318( ) T LDC pi p p p p p LDC p Lhd p LDC p D dt td tV VT V td t d t V V Vt V V V V V V V V v π π π π π ω ωπ ω ω ωπ ωπ π π π π = = = = + = = − = + = = = = = = = − ∫ ∫ ∫ ∫ 2.Chỉnh lưu toàn kỳ ( toàn sóng) a. Chỉnh lưu toàn kỳ 2 diod Vip Vipn1: n2 D1 D2 VL RL i1 i2 Công thức chỉnh lưu toàn kỳ { } { } { } 2 0 0 2 0 2 0 1 1 sin ( ) 2 sin sin 2 2 2cos ( cos 1 1 2 2 2 0,636 0,9 )2( * 0,636 )( T LDC pi p p p p p LDC p Lhd Dp LDC Dp dt td tV VT V td t td t V V Vt t V V V V V V VV V v π π π π π π π ω ωπ ω ω ω ωπ ω ωπ π π π π = = = = + = = − + − = + = = = = = −= = − ∫ ∫ ∫ ∫ b.Cầu chỉnh lưu ( 4Diod) Xét mạch chỉnh lưu toàn kỳ 4 diod : VoDC D4 D2D3 D1 =Vpsinwt Viac 50Hz Bridge RL ILDC Bán kỳ dương VL IL1 VD1 0 II VD3 RL Bán kỳ âm 0 II 2II VD4 RL IL2 VD2 3.Cách hoạt động của mạch : • Mạch được sử dụng khi chỉnh lưu trực tiếp từ nguồn điện cung cấp, hoặc khi cuộn thứ cấp không có điểm giữa. ƒ Bán kỳ dương: Diod D1 và D3 phân cực thuận nên dẫn ,D2 và D4 phân cực nghịch nên ngưng.Có dòng i1 qua diod D1 –tãi RL – D3 . ƒ Bán kỳ âm: Diod D2 và D3 phân cực thuận nên dẫn.D1 và D3 ngưng. Có dòng i2 qua D2- RL-D4. Công thức : ( )2 2 / 2 /LDC ODC ip D ipV V V V Vπ π≡ = − ≅ Mạch điện chỉnh lưu bán kỳ cĩ lọc VoDC =Vpsinwt Viac 50Hz RL ILDC + C D 3.Mạch lọc a. Mạch lọc trong chỉnh lưu bán kỳ ƒ Do tụ lọc có trị số lớn,nên dạng sóng nạp nhanh và xả chậm , nên dạng sóng ra khá thẳng ( phẳng) ƒ Ta có hình vẽ sau ( với cách vẽ phóng đại): ƒ Vcmax =Vp Vrp Vrpp 0 II Vcmin VLDC 4II Công thức chỉnh lưu và lọc • Theo hình vẽ ta có : • Với điện thế tụ xã cho bởi: • m ax m in m ax m in 2 c c L D C rp p c c V VV V V V += = − ( ) Lt t CRC p ptV V e V eτ− −= = Do thời hằng rất lớn nên ta có T2/ RLC rất bé, ta có thể khai triển theo cấp số Taylor với biến x bé như sau Ta có: Điện thế trung bình ngõ ra: LCRτ = ( ) ( ) 2 2 2 2min 2 211 ... 2! 1 C c p L L p L TTV V VT T CR CR TV CR ⎛ ⎞⎜ ⎟= = − + −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎛ ⎞≅ −⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ ( )2 2 1 1 2 2 p p L LDC p L TV V C TRV V CR + − ⎛ ⎞= = −⎜ ⎟⎝ ⎠ *Và tính được điện thế dợn sóng đỉnh đỉnh: Và trị số đỉnh điện thế dợn sóng( bán kỳ): Do thời gian xả T2 rất lớn xem như bằng chu kỳ T, ta được( T = 1/f = 1/50 ): ( ) ( )2 2 2 1 2 2 rpp p p p L L rpp p rp L T TV V V VC CR R V V T V CR = − − = = = 1 0 , 0 11 1 2 0 , 0 11 2 L D C p p L L p r p p L L V V Vf C CR R V V V f C CR R ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ = = b.Mạch lọc trong chỉnh lưu toàn kỳ • Tương tự ta có: • Ta có dạng sóng ngõ ra: VoDC D4 D2D3 D1 =Vpsinwt Viac 50Hz Bridge RL ILDC + C ƒ Dạng sóng ngõ ra mạch chỉnh lưu và lọc toàn kỳ: Vcmax = Vp Vrp Vrpp VLDC T2 =T Vcmin Do thời gian xã điện gần bằng nữa chu kỳ T2 = T/2 = 1/2f nên thay vào công thức trên ta có kết quả: • Điện thế trung bình ngõ ra: • Trị số đỉnh điện thế dợn sóng: 1 0 , 0 0 51 1 4 0 , 0 0 51 4 L D C p p L L p r p p L L V V Vf C CR R V V V f C CR R ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ = = 0 , 0 0 51 4 p r p p L L V V V f C CR R = = Chú ý: Khi có Vp(hay Vop) nhõ, ta phãi kể đến VD và thay Vop bằng ( Vop’): ƒ Mạch chỉnh lưu và lọc 1 bán kỳ và toàn kỳ 2 di