Điện tử cho CNTT Thông tin liên hệ Giáo viên

1

Điện tử cho CNTT

Electronics for Information Technology

Nguyễn Thị Thanh NgaBộ môn KTMT – Viện CNTT & TTTrường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Thông tin liên hệ

§ Giáo viên: Nguyễn Thị Thanh Nga

§ Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông

§ Phòng làm việc: B1 802

§ Mobile: 0904567424

§ Email: [email protected]

2

2

Đề cương môn học§ IT3420 2(2-1-0-4)§ Lý thuyết: 30 tiết§ Bài tập: 15 tiết§ Đánh giá: 50%-50%§ Tài liệu học tập:

� Bài giảng� Một số tài liệu tham khảo:

§ Introductory Circuit Analysis, 10th edition, Boylestad§ Electronic Device and Circuit Theory (2013), Robert L.Boylestad, Louis

Nashelsky § Microelectronics circuit analysis and design, 4th edition, Donal A.Neamen§ Digital Electronics: Principles, Devices and Applications (2017), Anil

K.Maini � Download tại:

https://bit.ly/2krs8QU

3

Nội dung§ Phần 1

� Chương 1: Khái niệm chung về Điện tử cho CNTT� Chương 2: Cấu kiện điện tử� Chương 3: Mạch điện tử cơ bản

§ Phần 2� Chương 1: Cơ sở lý thuyết mạch số� Chương 2: Các cổng logic cơ bản� Chương 3: Các mạch tổ hợp� Chương 4: Các mạch dãy

4

https://bit.ly/2krs8QU

3

Nội dung1. Lý thuyết vùng năng lượng trong chất rắn2. Linh kiện thụ động và ứng dụng3. Linh kiện bán dẫn và ứng dụng

5

Chương 2: Cấu kiện điện tử

2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng1. Vật liệu bán dẫn và đặc tính2. Điôt và ứng dụng3. Transitor và ứng dụng

6


4

Mức năng lượng

§ Một điện tử trong vùng hóa trị của Si phải hấp thụ 1 lượngnăng lượng lớn hơn điện tử trong vùng hóa trị của Ge đểtrở thành điện tử tự do.

7

Chương 2: Cấu kiện điện tử2.1 Lý thuyết vùng năng lượng trong chất rắn

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

Vùng cấm

Chất cách điện

Chất bán dẫn

Chất dẫn điện

2.3.1 Vật liệu bán dẫn và đặc tính§ Là chất bán dẫn có độ dẫn điện ở mức trung gian

giữa chất dẫn điện và chất cách điện, hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

§ Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất, những tạp chất khác nhau có thể tạo tính bán dẫn khác nhau.

§ Được chia thành 2 loại: � Bán dẫn tinh khiết� Bán dẫn tạp chất

8

Chương 2: Cấu kiện điện tử2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng

5

Cấu trúc nguyên tử§ Nguyên tử được cấu thành từ:

� Proton mang điện tích dương� Neutron trung hoà điện� Electron mang điện tích âm

9

Chương 2: Cấu kiện điện tử2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.1 Vật liệu bán dẫn và đặc tính

Hạt nhân

4 electron hoá trị Electron hoá trị

Cấu trúc nguyên tử§ Nguyên tử được cấu thành từ:

� Proton mang điện tích dương� Neutron trung hoà điện� Electron mang điện tích âm

10


Hạt nhân

3 electron hoá trị 5 electron hoá trị

6

Liên kết hoá trị

11


§ Trong tinh thể Si/Ge, 4 electron hoá trị của 1 nguyên tửliên kết chặt chẽ với 4 nguyên tử xung quanh.

Liên kết hoá trị

12


§ GaAs là 1 hợp chất bán dẫn nhóm 3-5, mỗi nguyên tửđược bao xung quanh là các nguyên tử loại kia.

7

Điện tích tự do

13


§ Khi các điện tích hoá trịhấp thụ 1 năng lượng đủlớn, nó sẽ bứt ra và trởthành điện tích tự do.

§ Nhiệt độ càng cao, nănglượng của các electron càng lớn.

§ Vật liệu bán dẫn có hệsố nhiệt điện trở âm: nhiệt độ càng cao thì trởkháng càng tăng.

Điện tử và lỗ trống

14


§ Khi các điện tích hoá trị hấp thụ 1 năng lượng đủ lớn, nósẽ bứt ra và trở thành điện tích tự do, tạo ra một trạngthái trống tích điện dương trong liên kết hoá trị tại vị tríelectron vừa rời bỏ.

§ Trạng thái này còn được gọi là lỗ trống

8

Dòng điện tử và dòng lỗ trống

15


§ Khi nhiệt độ tăng, càng nhiều liên kết hoá trị bị phá vỡtạo ra càng nhiều electron tự do và trạng thái trốngdương.

§ Nhiều electron di chuyển về phía bên phải tạo thànhdòng electron.

§ Tương ứng nhiều lỗ trống được tạo thành ở phía bên tráitạo thành dòng lỗ trống.

Phân loại chất bán dẫn

16


§ Bán dẫn thuần (tinh khiết)§ Bán dẫn pha tạp chất

9

Bán dẫn thuần (tinh khiết)

17


§ Có mật độ electron tự do bằng với mật độ lỗ trống§ Trong thực tế, là loại bán dẫn được giảm thiểu tạp chất

tới mức nhỏ nhất theo công nghệ hiện tại.

Bán dẫn tạp chất

18


§ Là vật liệu bán dẫn có mật độ electron và mật độ lỗ trốngkhông bằng nhau bằng cách pha thêm tạp chất.

§ Chia thành 2 loại:� Bán dẫn loại n: mật độ electron tự do nhiều hơn� Bán dẫn loại p: mật độ lỗ trống nhiều hơn

10

Bán dẫn loại n§ Là loại bán dẫn được

hình thành khi thêmvào tạp chất có 5 electron hoá trị trênnền Si.

§ 1 nguyên tử tạp chấtliên kết với 4 nguyêntử Si xung quanh dẫnđến thừa 1 electron hoá trị.

§ Được gọi là nguyêntử cho.

19


Bán dẫn loại n§ Mặc dù dư electron hoá trị nhưng vẫn trung hoà về điện§ Các electron tự do cần hấp thụ ít năng lượng hơn để

chuyển lên vùng dẫn so với các electron trong liên kếthoá trị.

20


Mức năng lượng choEg của vật liệubán dẫn thuần

11

Bán dẫn loại p

21


§ Là loại bán dẫn đượchình thành khi thêmvào tạp chất có 3 electron hoá trị trênnền Si.

§ 1 nguyên tử tạp chấtliên kết với 4 nguyêntử Si xung quanh dẫnđến thiếu 1 electron hoá trị, tạo thành 1 lỗtrống.

§ Được gọi là nguyên tửnhận.

Nồng độ hạt dẫn đa số

22


§ Trong bán dẫn loại n: electron là hạt dẫn đa số và lỗtrống là hạt dẫn thiểu số.

§ Trong bán dẫn loại p: lỗ trống là hạt dẫn đa số vàelectron là hạt dẫn thiểu số.

12

Lớp tiếp giáp pn

23


§ Hai khối bán dẫn p-n tiếp xúc nhau§ Do chênh lệch nồng độ → hiện tượng khuếch tán của các

hạt dẫn đa số:� Điện tử khuếch tán từ n → p� Lỗ trống khuếch tán từ p → n

Lớp tiếp giáp pn cân bằng nhiệt

24


§ Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợpvới nhau → trong một vùng hẹp ở hai bên ranh giới cónồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp.

§ Tại vùng đó, bên p hầu như chỉ còn ion nhận tích điệnâm, bên n hầu như chỉ còn ion cho tích điện dương.

Vùng nghèo

13

Lớp tiếp giáp pn cân bằng nhiệt

25


§ Trong vùng nghèo tồntại rất ít electron tự do hay lỗ trống.

§ Chênh áp giữa haivùng được gọi là hàngrào điện thế, được tínhbởi:

§ Tại nhiệt độ phòng, VTđược gọi là điện ápnhiệt, có giá trị:

Lớp tiếp giáp pn phân cực ngược

26


§ Đặt một điện áp dương VR vào đầu n của lớp tiếp giáp pn§ Hàng rào điện thế tăng → vùng nghèo mở rộng → điện

trở tăng§ Dòng điện qua chuyển tiếp pn nhỏ và nhanh chóng đạt

trạng thái bão hoà.

14

Lớp tiếp giáp pn phân cực thuận

27


§ Đặt một điện áp dương VD vào đầu p của lớp tiếp giáp pn§ Hàng rào điện thế giảm → hạt dẫn đa số tràn qua hàng

rào sang miền đối diện → tình trạng thiếu hạt dẫn trongvùng nghèo được giảm bớt → bề dày vùng nghèo thuhẹp → điện trở giảm

§ Dòng điện qua chuyển tiếp pn lớn và tăng nhanh theođiện áp.

Mối quan hệ Volt-Ampere lý tưởng

28


§ Mối quan hệ lý thuyết giữa điện áp – dòng điện trong lớptiếp giáp pn được thể hiện bởi:

§ IS: dòng bão hoà phân cực ngược, (10-18 – 10-12A)§ VT = 0.026V ở nhiệt độ phòng§ n: hệ số lý tưởng, 1 ≤ n ≤ 2

15

Mối quan hệ Volt-Ampere thực tế

29


§ Phân cực ngược: dòng điện ngược gần như = 0§ Phân cực thuận: dòng điện là hàm mũ của điện áp.

Điện áp đánh thủng

30


§ Đánh thủng thác lũ§ Đánh thủng xuyên hầm

16


31


2.3.2 Điôt và ứng dụng1. Khái niệm2. Ký hiệu3. Đặc tính Volt-Ampere4. Mô hình và phân tích 1 chiều5. Mô hình và phân tích xoay chiều6. Ứng dụng của điôt

32


17

Khái niệm§ Cấu tạo: là một linh kiện bán dẫn được tạo thành bằng

cách đặt 2 lớp vật liệu bán dẫn loại p và loại n tiếp giápvới nhau.

§ Ký hiệu:

33

Chương 2: Cấu kiện điện tử2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng 2.3.2 Điôt và ứng dụng

Đặc tính Volt-Ampere§ Điện áp rơi trên điôt và dòng điện qua điôt có dạng:

§ Trong đó:

34


IS: dòng bão hoà phân cực ngược, (10-18 – 10-12A)VT = 0.026V ở nhiệt độ phòng(điện áp nhiệt)n: hệ số lý tưởng, 1 ≤ n ≤ 2

Vùng phâncực thuận

Vùng phân cực ngược

18


35


Mô hình và phân tích 1 chiều§ Điôt lý tưởng§ Phương pháp lặp và phân tích hình học§ Mô hình tuyến tính từng đoạn

36


19

§ Đặc tính Volt-Ampere lý tưởngĐiôt lý tưởng

37


Mạch tương đương khiphân cực ngược

Mạch tương đương khiphân cực thuận

Điôt lý tưởng

38


§ Xét mạch chỉnh lưu bao gồm:� Nguồn xoay chiều 𝜐&� Điôt� Điện trở R

Tín hiệu vào trước chỉnh lưu

20

Điôt lý tưởng

39


§ Mạch tương đương 1 chiềuPhân cực thuận Phân cực ngược


40


21

Phương pháp lặp và phân tích hình học

41


§ Phương pháp lặp sử dụng Thử và sai để tìm ra lời giải.§ Phân tích hình học vẽ hai phương trình đồng thời, giao

điểm của hai đường chính là lời giải.

Phương pháp lặp

42


§ Xét mạch điôt đơn giản:

Mặt khác:

?

22

Phương pháp lặp

43


§ Xét mạch điôt đơn giản:

§ vD=0.6V → vế phải = 2.7V§ vD=0.65V → vế phải = 15.1V§ vD=0.619V → vế phải = 4.99V

Phương pháp phân tích hình học

44


Đường tải

Điểm làm việc Q

Đường đặc tínhdòng điện-điên áp điôt

23


45



46


24


47


Mô hình tuyến tính từng đoạn

48


§ Xấp xỉ đặc tính dòng điện – điện áp sử dụng mối quan hệtuyến tính hoặc các đường thẳng.

§ V( > V*: xấp xỉ bằng một đườngthẳng có độ nghiêng = +

,-� r/: điện trở phân

cực thuận� V*: điện áp

ngưỡng

25


49



§ V( < V*: xấp xỉ bằng một đường// với trục VD ở giá trị dòng = 0


50



§ Khi r/ = 0, điện áp qua điôt là 1 hằng số có giá trị V( = V* khi điôtở trạng thái dẫn.

26


51


§ Xét mạch điện bao gồm:� Nguồn 1 chiều VPS

� Nguồn xoay chiều 𝜐2� Điôt� Điện trở R� 𝜐2<< VPS

Mô hình và phân tích xoay chiều

52


27

Đặc tính Volt-Ampere xoay chiều

53


§ IDQ: Giá trị dòng tại điểm làm việc1 chiều của điôt.

§ VDQ: Giá trị áp tại điểm làm việc 1 chiều của điôt.

Phân tích mạch đã đượctuyến tính hoá xung quanhđiểm làm việc

Mô hình và phân tích xoay chiều

54


§ Lần lượt phân tích 1 chiều và xoay chiều, sử dụng 2 mạch điện tương đương.

MTĐ 1 chiều MTĐ xoay chiềuXác định chế độ làmviệc (điểm làm việc)

28


55


Ứng dụng của điôt

56


§ Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ - cả chu kỳ§ Mạch lọc§ Mạch hạn chế và mạch dịch

29

Mạch chỉnh lưu

57


Sơ đồ nguồn cung cấp điện áp 1 chiều

Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

58


§ Cho mạch điện:

§ 𝜐3 = ?

30


59


§ Phương pháp giải: sử dụng phương pháp mô hình tuyếntính phân đoạn để xác định vùng làm việc tuyến tính(dẫn hay khoá). � Xác định điều kiện điện áp vào để điôt dẫn. Tính toán điện áp

đầu ra trong điều kiện này.� Xác định điều kiện điện áp vào để điôt khoá. Tính toán điện áp

đầu ra trong điều kiện này.� 𝜐4 < V*: điôt khoá→ 𝜐3 = 0→ V( = 𝜐4� 𝜐4 > V*: điôt thông→ 𝜐3 = 𝜐4 − V*→ V( = V*


60


• 𝜐4 > V*: điôt thông→ 𝜐3 = 𝜐4 − V*→ V( = V*

• 𝜐4 < V*: điôt khoá→ 𝜐3 = 0→ V( = 𝜐4

31

Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ

61


§ Cho mạch điện:§ Tìm điện áp đầu ra?


62



32


63



Mạch lọc

64


§ Cho mạch điện:§ Tìm điện áp ra?

33

Mạch lọc

65


Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ với bộ lọc RC

66


34

Mạch hạn chế

67



Mạch hạn chế

68



35

Mạch dịch

69




70


36

Nội dung§ Phần 1

� Chương 1: Khái niệm chung về Điện tử cho CNTT� Chương 2: Cấu kiện điện tử� Chương 3: Mạch điện tử cơ bản

§ Phần 2� Chương 1: Cơ sở lý thuyết mạch số� Chương 2: Các cổng logic cơ bản� Chương 3: Các mạch tổ hợp� Chương 4: Các mạch dãy

71

Điện tử cho CNTT Thông tin liên hệ Giáo viên

Documents