Bài giảng Cấu kiện điện tử & Quang điện tử - Trần Thục Linh

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/thuclinh_dt@yahoo.com
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
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 2
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 3
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 4
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:
ƒ Chuyên cần : 10 %
ƒ Kiểm tra giữa kỳ: 10 %
ƒ Thí nghiệm : 10 % 
ƒ Thi kết thúc : 70 %
Kiểm tra : - Câu hỏi ngắn
- Bài tập
Thi kết thúc:
- Lý thuyết: + Trắc nghiệm
+ Câu hỏi ngắn
- Bài tập
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 5
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 6
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 7
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) Ảnh: amazon.com
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 8
Ứng dụng của linh kiện điện tử
Sand Chips on Silicon wafers
Chips
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 9
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 10
™ 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
Audion (Triode)
1906, Lee De Forest
First point contact transistor 
(germanium)
1947, John Bardeen and Walter 
Brattain
Bell Laboratories
Lịch sử phát triển công nghệ (2)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 11
™ 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
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 12
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 13
Định luật MOORE
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 14
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 15
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, 
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 16
2.2 Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 17
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 18
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)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 19
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 20
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
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 21
Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử
™ Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử chỉ có thể nằm trên các mức
năng lượng gián đoạn nhất định nào đó - các mức năng lượng
nguyên tử
™ Nguyên lý Pauli: mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng
lượng khác nhau
™ Một mức năng lượng được đặc trưng bởi một bộ 4 số lượng tử: 
ƒ n – số lượng tử chính: 1, 2, 3, 4.
ƒ l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p, d, f, g, h}
ƒ ml– số lượng tử từ: 0, ±1, ±2, ±3, ±l
ƒ ms– số lượng tử spin: ±1/2
™ n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp
xếp ở lớp, phân lớp có năng lượng nhỏ trước
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 22
Sự hình thành vùng năng lượng (1)
™ Để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tận
tiến lại gần liên kết với nhau:
ƒ Nếu các NT cách xa nhau đến mức có thể coi chúng là hoàn toàn
độc lập với nhau thì vị trí của các mức năng lượng của chúng là
hoàn toàn trùng nhau (một mức trùng chập)
ƒ Khi các NT tiến lại gần nhau đến khoảng cách cỡ Ao thì chúng bắt
đầu tương tác với nhau→ không thể coi chúng là độc lập nữa. Kết
quả là các mức năng lượng nguyên tử không còn trùng chập nữa
mà tách ra thành các mức năng lượng rời rạc khác nhau. VD: mức
1s sẽ tạo thành 2N mức năng lượng khác nhau
™ Nếu số lượng các NT rất lớn và gần nhau thì các mức năng lượng rời
rạc đó rất gần nhau và tạo thành một vùng năng lượng gần như liên
tục
™ Sự tách một mức năng lượng NT ra thành vùng năng lượng rộng hay 
hẹp phụ thuộc vào sự tương tác giữa các điện tử thuộc các NT khác
nhau với nhau
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 23
Sự hình thành vùng năng lượng (2)
C 6 1s22s22p2
Si 14 1s22s22p63s23p2
Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2
Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2
(Si)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 24
™ Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là
vùng cấm
™ Các điện tử trong chất rắn sẽ điền đầy vào các mức năng
lượng trong các vùng cho phép từ thấp đến cao
™ Xét trên lớp ngoài cùng:
ƒ Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử hóa trị -
“Vùng hóa trị”
ƒ Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy trên vùng hóa
trị - “Vùng dẫn”
ƒ Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn -
“Vùng cấm”
™Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắn có tính chất
điện khác nhau: Chất cách điện, Chất dẫn điện, Chất bán dẫn
Sự hình thành vùng năng lượng (3)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 25
Cấu trúc vùng năng lượng của vật chất
EG > 2 eV
E
EC
EV
EG < 2 eV
E
EC
EV EG = 0 
E
EC
EV
Vùng
hoá trị
Vùng
dẫn
Điện tử
Lỗ trống
Vùng
dẫn
Vùng
hoá
trị
a- Chất cách điện; b - Chất bán dẫn; c- Chất dẫn điện
ƒ Độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ
ƒ Chất bán dẫn: sự mất 1 điện tử trong vùng hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống
ƒ Cấu trúc vùng năng lượng của kim loại không có vùng cấm, dưới tác dụng
của điện trường ngoài các e- tự do có thể nhận năng lượng và di chuyển lên
các trạng thái cao hơn, sự di chuyển này tạo nên dòng điện
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 26
Các loại vật liệu điện tử
ƒ Chất cách điện (chất điện môi)
ƒ Chất dẫn điện
ƒ Vật liệu từ
ƒ Chất bán dẫn (Chương 3)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 27
3.1 CHẤT CÁCH ĐIỆN (CHẤT ĐIỆN MÔI) 
a. Định nghĩa
™ Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao (107 ÷
1017Ω.m) ở nhiệt độ bình thường. Chất cách điện gồm phần lớn
các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ
™ Tính chất ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện
b. Các tính chất của chất điện môi
b.1 Độ thẩm thấu điện tương đối (hằng số điện môi - ε)
b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa)
b.3 Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t) 
b.4 Nhiệt độ chịu đựng
b.5 Dòng điện trong chất điện môi (I)
b.6 Điện trở cách điện của chất điện môi
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 28
b.1 Hằng số điện môi
™ Cd : điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi
™ C0 : điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân
không hoặc không khí
™ ε biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi.
Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có hằng số điện môi
(ε) lớn, còn chất điện môi dùng làm chất dẫn điện có ε nhỏ
d
0
C
C
(kh«ng thø nguyªn)ε=
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 29
b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa)
™ là công suất điện tổn hao để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong
điện trường, được xác định thông qua dòng điện rò.
™ Trong đó: 
U là ...  KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 22
Laser bán dẫn (2)
- Giảm dòng điện ngưỡng
- Tăng công suất tổng của ánh sáng ở đầu ra
- Tăng hiệu suất quantum mở rộng
Dòng điện (mA)
7
0
0 40
L
i
g
h
t
o
u
t
p
u
t
(
m
W
)
Ith Bức xạ
kích
thích
Lasing
emission
T →Slope gives
external 
efficiency η
cải thiện chất lượng
của thiết bị laser
Hình 8-11
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 23
Cấu trúc của laser
Các loại laser:
¾Laser đa mode: Fabry-Perot Laser 
¾Laser đơn mode: dùng trong các hệ thống thông tin tiên tiến
- DFB Laser (Distributed Feedback)
- DBR Laser (Distributed Bragg Reflector)
- MQW Laser (Multi Quantum Well)
¾Laser có thể điều chỉnh được: điều chỉnh bước sóng phát ra bằng cách (i) thay 
đổi chiều dài hố (kéo dãn cơ học), (ii) thay đổi hệ số khúc xạ (điều khiển nhiệt độ)
Hình 8-12 Laser với cấu trúc dị thể kép
a) Index-Guided
b) Gain-Guided
Kết nối điện
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 24
Các cấu kiện chuyển đổi Quang – Điện
¾ Các bộ thu quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng
chuyển đổi quang điện. Ở đó sự hấp thụ photon bởi vật liệu bán
dẫn đã tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống → tạo ra tín hiệu quang
điện dưới dạng dòng điện hay điện thế có thể đo được
¾ Thiết bị quan trọng nhất là điốt quang bán dẫn (photodiode)
¾ Yêu cầu:
- Độ nhạy cao
- Nhiễu trong nhỏ
- Băng thông rộng
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 25
Quang trở (LDR-Light Dependent Resistor) (1)
Cấu tạo & nguyên lý:
¾Là bộ thu tín hiệu quang đơn giản nhất. Quang trở thường được làm
bằng chất Sunfit Cadimium (CdS), Selenid Cadimium (CdSe), Sunfit
chì (PbS) trong đó loại quang trở CdS có độ nhạy phổ gần với mắt
người nên thông dụng nhất
¾Quang trở được chế tạo bằng cách tạo một màn bán dẫn trên nền cách
điện nối ra 2 đầu kim loại rồi đặt trong một vỏ nhựa, mặt trên có lớp
thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài tác động vào
Bán dẫn
Đế cách điện
Bản điện cực
Dây dẫn nối từ
điện cực ra ngoài
hυ
Hình 8-13
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 26
Quang trở (2)
¾ Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt quang trở, các cặp e-lỗ trống được sinh ra và
được điện trường cuốn ra phía các điện cực. Phụ thuộc vào thông lượng ánh
sáng chiếu vào, dòng điện bên ngoài cũng thay đổi theo.
¾Trị số điện trở của quang trở thay đổi theo độ sáng chiếu vào nó. Khi bị che tối
thì quang trở có trị số điện trở rất lớn (vài MΩ), khi được chiếu sáng thì điện trở
giảm nhỏ (vài chục Ω÷ vài trăm Ω). 
¾ Ưu điểm của quang trở: có khuếch đại trong, nghĩa là dòng quang điện thu
được có số điện tử (hay lỗ trống) lớn hơn số điện tử (hay lỗ trống) do photon tạo
ra
¾Ứng dụng: dùng trong các mạch thu tín hiệu quang, trong báo động, đóng
ngắt các mạch điện, trong đo đạc, điều khiển và tự động hoá
RCdS
Lux
Hình 8.15. Đặc tính của quang trở
Hình 8.14. Ký hiệu, hình dạng của quang trở
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 27
Nguyên lý của điốt quang
ƒ Cung cấp một điện áp phân cực ngược
phù hợp cho một tiếp giáp P-N đơn giản →
tạo ra một điện trường → tách các cặp e--lỗ
trống do ánh sáng tạo ra (do sự hấp thu ánh
sáng trong chất bán dẫn)
ƒ Tốc độ đáp ứng được xác định bởi điện
dung của thiết bị → bị chi phối bởi độ dày
của vùng chuyển tiếp → thiết bị diện tích
nhỏ và các vùng tích cực có pha tạp thấp sẽ
có điện dung nhỏ, nghĩa là tốc độ cao
ƒ Nhiễu: nhiễu thấp nếu giảm nhỏ dòng
điện rò (chủ yếu là dòng rò bề mặt) bằng
cách dùng các vật liệu có vùng cấm rộng ở
bề mặt
+V-V
p nhν
E
l
e
c
t
r
i
c
f
i
e
l
d
Distance (x)
Hình 8-16
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 28
PIN Diode (Photodiode có lớp bán dẫn thuần)
¾ Điốt PIN bao gồm lớp P, lớp I và lớp N. Lớp I là lớp bán dẫn
thuần có điện trở rất cao để khi Điốt PIN được phân cực ngược, 
lớp nghèo có thể lan ra rất rộng trong lớp I để hướng phần lớn các
photon rơi và hấp thụ trong đó
¾ Trong lớp I có điện trường cuốn rất cao để cuốn hạt tải nhanh
chóng về 2 cực tạo nên dòng quang điện ở mạch ngoài
(a) Mô hình bộ thu quang PIN. (b) Đáp ứng / bước sóng đối với bộ thu quang InGaAs/InP
Hình 8-17
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 29
Đặc tuyến của PIN 
PIN Diode (2)
¾ Hấp thụ các photon → cặp e-lỗ trống → dòng điện: 
qR
hc
η λ= R = Đáp ứng
( ) ( ) ( )
η = hiệu suất lượng tử < 1(vd: 0,95%), q = điện
tích e-; h = hằng số Planck (6,63.10-34 J/Hz)
Cấu trúc PIN có thời gian đáp ứng rất
nhanh và hiệu suất lượng tử cao. 
Nhược điểm: dòng tối và nhiễu
tương đối lớn, đặc biệt là đối với các
bán dẫn có vùng cấm nhỏ như Ge
Hình 8-18
2
.i t R p t R E t= ≈
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 30
APD
Hình 8.19 Mô hình APD với
vùng nhân và vùng hấp thụ
tách biệt
• Điện áp phân cực ngược cao (>100V) →
Photon tạo ra các cặp e-lỗ trống→ các cặp
e/lỗ trống tăng thêm do hiệu ứng thác lũ
M = độ khuếch đại thác lũ (vd: 100)
Độ khuếch đại cao, nhưng băng thông
thường thấp hơn, nhiều nhiễu trong hơn so 
với điốt PIN
• Miền tăng tốc (miền hấp thụ ánh sáng) & miền nhân hạt tải là tách biệt
nhau
• Khi có ánh sáng chiếu vào, các hạt tải đi qua miền hấp thụ sẽ được
tăng tốc, chúng va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn gây nên
sự ion hoá và tạo ra các cặp e - lỗ trống mới. Quá trình được lặp đi lặp
lại nhiều lần → hiệu ứng thác lũ → tăng dòng quang điện bên ngoài, 
tăng độ khuếch đại (tăng độ nhạy của APD)
, . ,APD APD
qR l R M R
hc
λ =≈
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 31
Các đặc điểm của điốt quang
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 32
Transistor quang (1)
Cấu tạo và nguyên lý:
¾Transistor quang có cấu trúc 3 lớp như BJT thông thường
nhưng miền cực gốc để hở, có một diện tích thích hợp để tiếp
nhận ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ
¾Khi Transistor quang ở chế độ hoạt động thì tiếp giáp BC được
phân cực ngược còn tiếp giáp BE phân cực thuận
¾Khi ánh sáng chiếu vào Transistor quang, các hạt tải được sinh
ra và được khuếch tán tới tiếp giáp BC, tiếp giáp này sẽ tách
điện tử và lỗ trống để góp phần tạo nên dòng quang điện
¾Tiếp giáp BC có vai trò như một điốt quang, các hạt tải từ phía
tiếp giáp thuận BE được tiêm chích vào cực gốc B. Dòng
quang điện trong miền B (dòng rò ICB) sẽ trở thành dòng IB và
được khuếch đại lên (β+1) lần ở collector
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 33
Transistor quang (2)
Ký hiệu:
Đặc điểm:
¾Độ khuếch đại: 100 ÷1000 lần và độ khuếch đại là không tuyến
tính theo cường độ ánh sáng chiếu vào mối nối giữa cực C và B
¾Tốc độ làm việc chậm do tụ điện kí sinh Ccb gây hiệu ứng Miller
¾Tần số làm việc max ∼vài trăm KHz
¾Để tăng độ nhạy người ta chế tạo loại Transistor lắp theo kiểu
Darlington
Hình 8.20 Ký hiệu của Transistor quang 2 cực (a) và Transistor quang 3 cực (b) 
 !NPN !NPN
(a) (b)
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 34
Transistor quang (3)
Ứng dụng:
¾Mạch điện a) dùng transistor quang lắp Darlington với transistor 
công suất để điều khiển rơle RY. Khi được chiếu sáng transistor 
quang dẫn làm transistor công suất dẫn cấp điện cho rơle
D
1
N
1
1
8
3
1
m
RY
+VCC
 !NPN
 !NPN
 !NPN
1
kR
1
N
1
1
8
3
1
m
RY
+VCC
 !PNP
(a) (b) (c)
Hình 8.21
D
 !NPN
 !NPN 1
kR
1
N
1
1
8
3
1
m
RY
+VCC
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 35
Transistor quang (4)
¾Mạch điện hình (b) lấy điện áp Vc của transistor quang để phân
cực cho cực B của transistor công suất. Khi transistor quang được
chiếu sáng sẽ dẫn điện và làm điện áp Vc giảm, cực B transistor 
công suất không được phân cực nên ngưng dẫn và rơle không
được cấp điện.
¾Mạch điện hình (c) dùng transistor loại PNP nên có nguyên lý
ngược lại mạch điện hình (b) khi quang transistor được chiếu
sáng được dẫn điện tạo sụt áp trên điện trở để phân cực cho cực B 
của transistor công suất loại PNP làm transistor công suất dẫn, 
cấp điện cho rơle.
¾Hiện nay người ta còn chế tạo JFET quang và Thyristor quang
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 36
Các bộ ghép quang (Opto- Couplers) (1)
¾Mục đích: dùng để cách điện giữa các mạch có sự khác biệt lớn về
điện áp
¾VD: mạch tự động điều khiển công suất có điện áp cao (U = 
200V÷380V, 660V hay 1000V); mạch điều khiển thường có điện áp thấp
như các mạch logic, máy tính hay các hệ thống phải tiếp xúc với con 
người
¾Cấu tạo:
Bộ ghép quang gồm 2 thành phần gọi là sơ cấp và thứ cấp. Phần sơ
cấp là một điốt loại GaAs phát ra tia hồng ngoại, phần thứ cấp là một
Transistor quang loại Silic. Khi được phân cực thuận, điốt phát ra bức xạ
hồng ngoại chiếu lên trên mạch của Transistor quang.
¾Nguyên lý: Phần sơ cấp là LED hồng ngoại biến đổi tín hiệu điện
thành tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu ánh sáng này sẽ được phần thứ cấp
(Transistor quang) biến đổi lại thành tín hiệu điện
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 37
Các bộ ghép quang (2)
¾ Đặc điểm:
ƒ Điện áp cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp (vài trăm vôn ÷ hàng
ngàn vôn)
ƒ Bộ ghép quang có thể làm việc với IDC hoặc IAC có tần số cao
ƒ Điện trở cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp có trị số rất lớn (vài chục
MΩ÷vài trăm MΩ) đối với IDC
ƒ Hệ số truyền đạt dòng điện (IC/IF): vài chục % ÷ vài trăm % tuỳ loại
bộ ghép quang
Hình 8.22 Nguyên lý Hình 8.23. Bộ ghép quang transistor
 !NPN
1
N
1
1
8
3
IF IC
 !NPN
1
N
1
1
8
3
1 4
2 3
 !NPN
1
N
1
1
8
3
1
5
2
4
6
3
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 38
Các bộ ghép quang (3)
¾ Các loại bộ ghép quang:
a) Bộ ghép quang Transistor:
Phần thứ cấp: Transistor loại Si. Đối với bộ ghép quang
transistor có 4 chân thì transistor không có cực B, trường hợp
bộ ghép quang transistor có 6 chân thì cực B được nối ra
ngoài (hvẽ). Bộ ghép quang không có cực B có ưu điểm là hệ
số truyền đạt lớn, nhưng có nhược điểm là độ ổn định nhiệt
kém. 
Nếu nối giữa cực B và E một điện trở thì các bộ ghép quang
transistor này làm việc khá ổn định với nhiệt độ nhưng hệ số
truyền đạt bị giảm đi.
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 39
Các bộ ghép quang (4)
 NDAR1
 1k
1 5
2
4
6
3 
1
N
1
1
8
3
Hình 8.24 Transistor quang Darlington
b) Transistor quang Darlington:
có nguyên lý như bộ ghép quang với transistor quang nhưng
với hệ số truyền đạt lớn hơn vài trăm lần nhờ tính chất
khuếch đại của mạch Darlington. 
Nhược điểm: ảnh hưởng bởi nhiệt
độ rất lớn nên giữa chân B và E của
transistor sau thường có điện trở để
ổn định nhiệt.
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 40
 !NPN
 !PNP
F
D
1
B
P
1
0
4
S
A
K
G
2
N
1
5
9
5
1
N
1
1
8
3
1
52
4
6
3
Các bộ ghép quang (5)
c) Bộ ghép quang với Thyristor quang:
ƒ Gồm một điốt quang và 2 transistor lắp theo nguyên lý của SCR 
ƒ Khi có ánh sáng hồng ngoại do LED ở sơ cấp chiếu vào điốt quang
thì sẽ có dòng điện IB cấp cho transistor NPN và khi transistor NPN 
dẫn thì sẽ điều khiển transistor PNP dẫn điện. Thyristor quang đã
được dẫn điện thì sẽ duy trì trạng thái dẫn mà không cần kích liên
tục ở sơ cấp
ƒ Để tăng khả năng chống nhiễu người ta nối giữa chân G và K bằng
một điện trở từ vài KΩ÷vài chục KΩ
Hình 8.25 Ký hiệu và cấu trúc
bán dẫn tương đương của
Thyristor quang
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 41
Các bộ ghép quang (6)
d) OPTO- Triac: có cấu trúc bán dẫn như hình vẽ
2
N
5
4
4
4
1
N
1
1
8
3
1
52
4
6
3
T1
1
k !NPN !PFD1 BP104S !NPN !PNPF 1 BP104S 1
kG
T2
Hình 8.26 Ký hiệu và cấu trúc bán dẫn
tương đương của Triac quang
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 42
Các bộ ghép quang (7)
¾ Ứng dụng:
ƒ Các loại bộ ghép quang có dòng điện ở sơ cấp cho LED 
hồng ngoại khoảng 10 mA
ƒ Đối với transistor quang khi thay đổi trị số dòng điện qua 
LED hồng ngoại ở sơ cấp sẽ làm thay đổi dòng điện ra IC
của transistor quang ở thứ cấp.
ƒ Các bộ ghép quang có thể dùng thay cho rơle hay biến
áp xung để giao tiếp với tải thường có điện áp cao và
dòng điện lớn.
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 43
Các bộ ghép quang (8)
¾ Mạch điện hình 8.27 là ứng dụng của transistor quang để
điều khiển đóng ngắt rơle
¾Transistor quang trong bộ ghép quang được ghép Darlington 
với transistor công suất bên ngoài
 1k NDAR1
D
1
N
1
1
8
3
390 Ω
+5V
1
N
1
1
8
3
1
m
RY
+24V
Hình 8.27 
¾Khi LED hồng ngoại ở sơ cấp
được cấp nguồn 5V thì transistor 
quang dẫn, điều khiển transistor 
công suất dẫn để cấp điện cho
rơle RY
¾ Điện trở 390Ω để giới hạn dòng
qua LED hồng ngoại khoảng
10mA
BÀI GIẢNG MÔN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ
www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
Trang 44
Các bộ ghép quang (9)
¾ Mạch điện hình 8.28 là ứng dụng của OPTO- Triac để đóng
ngắt điện cho tải dùng nguồn xoay chiều 220V 
¾ Điện trở 1kΩ để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng
10mA. 
¾ Khi LED sơ cấp được cấp nguồn 12V thì Triac quang sẽ được
kích và dẫn điện tạo dòng kích cho Triac công suất. Khi Triac công
suất được kích sẽ dẫn điện như một công tắc để đóng điện cho
tải.
1
N
1
1
8
3
+12V
2
N
5
4
4
4
U
1
D
3
0
~220V
Tải 1k
Hình 8.28