Giáo trình Cấu kiện điện tử

 - hệ số hấp thụ hữu ích của vật liệu 
 I / - hệ số giam giữ ánh sáng 
 I(0)- mật độ trường quang ban đầu 
 g- hệ số khuếch đại quang 
 R1 và R2- độ phản xạ của 2 gương phản xạ trong hốc cộng hưởng 
Điều kiện để có lasing là một dao động trạng thái bền chiếm giữ và độ lớn cũng như 
pha của sóng phản hồi có thể bằng các sóng gốc tạo ra nó, đó chính là: 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử 
 220
về biên độ: I(2L) = I(0) 
về pha: e 12 =− Ljβ 
Để đạt được điều kienj này thì độ khuếch đại tại ngưỡng lasing gth phải lớn hơn hoặc 
bằng tổng mất mát αt trong hốc cộng hưởng. 
Đặc tính và tham số của Laser: 
Đặc tuyến phát xạ biểu thị quan hệ giữa công suất bức xạ quang và dòng điện cung cấp 
cho Laser. Để có lasing thì ICC ≥ ICC ngưỡng 
Hiệu suất lượng tử vi phân ngoài xác định số photon bức xạ ra trên đôi điện tử-lỗ trống:
 ηext = dI
dP
dIE
qdP λ806,0
0
= 
Khoảng cách tần số ∆ν = 
Ln
C
2
Khoảng cách bước sóng ∆λ = 
Ln2
2λ 
Trong đó n – chiết suất của vật liệu bán dẫn chế tạo Laser. 
Cấu kiện thu quang có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện. Điện trở 
quang là cấu kiện bán dẫn không có tiếp xúc P-N. Hiện tượng biến đổi quang –điện được thực 
hiện nhờ hiện tượng hấp thụ quang để tạo ra các đôi điện tử-lỗ trống. Những hạt dẫn mới xuất 
hiện sẽ chuyển động dưới tác dụng của điện trường và tạo nên dòng quang điện và việc chuyển 
đổi quang-điện được thực hiện. 
Điốt quang là cấu kiện thu quang có tần số làm việc rất cao. Điốt quang có một tiếp xúc 
P-N và quá trình hấp thụ quang xảy ra cơ bản trong lớp tiếp xúc P-N. Điốt quang loại tiếp xúc 
P-N cho dòng điện rò nhỏ nhất nhưng có độ nhạy thấp vì lớp tiếp xúc P-N quá hẹp, nên hiệu 
suất quang lượng tử thấp. Để tăng độ nhạy của điốt quang người ta chế tạo điốt quang loại P-I-
N và điốt quang thác APD. Điốt quang loại P-I-N có vùng tích cực là lớp bán dẫn nguyên tính 
(Intrinsic) dày hơn lớp tiếp xúc P-N nhiều. Do vậy, hiệu suất quang lượng tử được nâng cao 
dẫn đến cường độ dòng điện quang tăng lên rõ rệt. Dòng điện quang được tính theo công thức: 
 Iphot = q ( )f
P
w
R
L
e
h
P −⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
+−
−
1
1
10
λ
α
αν
λ
Trong đó: q- điện tích của điện tử 
 P0 – công suất quang đi tới điốt quang 
 hν – năng lượng photon 
 αλ – hệ số hấp thụ ánh sáng tại bước sóng λ 
 w – bề dày của lớp bán dẫn nguyên tính 
Rf – độ phản xạ tại bề mặt của điốt quang 
 Hiệu suất lượng tử là: η = νhP
qI phot
/
/
0
 = 1 - 
P
w
L
e
λ
α
α
λ
+
−
1
 Độ nhạy của điốt quang: S = 
24,10
ηλ
ν
η ==
h
q
P
I phot [A/w] 
 Điốt quang thác (APD) có cấu trúc đặc biệt để tạo ra trong nó một vùng có biến đổi 
điện áp nhanh và đó chính là vùng thác. Khi các hạt dẫn di chuyển đến vùng thác sẽ được tăng 
tốc và chúng va chạm với các nguyên tử trung hòa trong vùng này, gây ra hiện tượng i-on hóa 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử 
 221
do va chạm. Do vậy, số các hạt dẫn được tăng lên theo cấp số nhân dẫn đến cường độ dòng 
điện quang của điốt tăng lên như được khuếch đại với hệ số nhân M được tính theo công thức: 
 M = 
phot
M
I
I 
Trong đó IM là giá trị trung bình của dòng quang điện nhân tổng đầu ra. 
 Tế bào quang điện và pin mặt trời là các cấu kiện biến đổi năng lượng quang thành 
năng lượng điện. 
 Điốt APD cho độ nhạy cao nhất nhưng nó yêu nguồn cung cấp cao và ổn định. 
 Tranzito quang là cấu kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện và khuếch đại 
chúng. Tranzito quang có cấu tạo như tranzito thường nhưng cực gốc của nó có diện tích bề 
mặt lớn để chiếu ánh sáng vào. Khi được chiếu sáng, trong phần gốc sẽ xuất hiện các đôi điện 
tử-lỗ trống mới. Những hạt dẫn này chuyển động dưới tác dụng của điện trường tạo nên thành 
phần dòng điện quang. Tổng dòng điện sáng trong tranzito: 
 ICS = βIphot + IPphot + ICtối 
 Tranzito quang có độ nhạy cao hơn so với điốt quang nhưng tần số làm việc thấp hơn 
nhiều. 
 Thyristo quang là cấu kiện đóng ngắt mạch. Ánh sáng chỉ có tác dụng mở cho thyristo 
dẫn chứ không có tác dụng biến đổi tín hiệu trong cấu kiện. 
 Các bộ ghép quang có nhiệm vụ cách điện giữa các mạch điện có sự khác biệt về điện 
thế khá lớn mà vẫn truyền dẫn được tín hiệu giữa chúng. Cấu tạo của bộ ghép quang gồm có 
một linh kiện phát quang (LED) và một linh kiện thu quang đặt gần nhau. Khi đó dòng điện 
đầu vào của một mạch điện sẽ tạo ra một dòng điện thích ứng ở đầu ra của một mạch điện khác 
với hệ số truyền đạt CTR được tính theo công thức: 
 CTR = 
vào
ra
I
I
 Cấu kiện hình học trong thông tin quang là những bộ lọc quang. Đó là các bộ lọc quang 
dùng các linh kiện tán sắc và bộ lọc quang màng mỏng. Bộ lọc quang bằng linh kiện tán sắc 
(hay còn gọi là bộ ghép kênh tán sắc cạnh) như một bộ phân kênh, ánh sáng đi qua bộ lọc 
quang sẽ được phân chia thành các kênh có bước sóng đi vào các chùm tia có định hướng 
không gian khác nhau. Bộ lọc quang màng mỏng được thiết kế để truyền ánh sáng trong một 
bước sóng cụ thể và để hoặc hấp thụ, hoặc phản xạ tất cả các bước sóng khác. Bộ lọc loại phản 
xạ thường được sử dụng vì tổn hao của chúng thấp. 
 Mạch tổ hợp các detector- CCD là một bộ dịch chuyển tín hiệu. CCD có thể được tạo 
ra từ các điốt hoặc các tụ điện MOS. Các điện tích được tích trữ trong các CCD và dịch chuyển 
điện tích giữa các tụ điện được thực hiện khi cấp cho chúng những điện áp thích ứng. Các CCD 
được sử dụng trong các ống thu hình màu, trong các máy video, máy FAX, để đọc các dữ 
liệu ra ngoài. 
CÂU HỎI ÔN TẬP 
1. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED chỉ thị? 
2. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED hồng ngoại dị thể kép? 
3. Hãy cho biết các tham số cơ bản của LED? 
4. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mặt chỉ thị tinh thể lỏng LCD 
loại phản xạ? 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử 
 222
5. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LASER có buồng cộng hưởng 
cấu trúc dị thể kép? 
6. Hãy cho biết các tham số cơ bản của Laser? 
7. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điện trở quang? 
8. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điốt quang loại P-I-N? 
9. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điốt APD? 
10. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tranzito quang? 
11. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thyristo quang? 
12. Hãy trình bày về bộ ghép quang và các tham số kỹ thuật của chúng? 
13. Trình bày về bộ lọc quang màng mỏng? 
14. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ CCD dùng tụ MOS? 
15. Năng lượng của ánh sáng có bước sóng 820nm và 1,3μm là bao nhiêu electron 
vôn (eV)? 
16. Một laser chế tạo từ Ga1-xAlxAs với x = 0,07 thì có EG = 1,5 eV. Hãy tính độ dài 
bước sóng bức xạ ra? 
17. Một laser hoạt động ở bước sóng λ = 850nm có chiều dài hốc cộng hưởng L = 
500μm và chiết suất n = 3,7. 
Hỏi khoảng cách tần số và khoảng cách bước sóng là bao nhiêu ? 
18. Hãy điền vào chỗ trống của mệnh đề dưới một trong các nhóm từ sau: 
“Độ dài bước sóng bức xạ được quyết định bởi.của chất bán dẫn. 
a. độ dẫn điện; b. nồng độ hạt dẫn 
c. loại tạp chất pha tạp; d. độ rộng vùng cấm 
19. Nguồn sáng trong LED là do quá trình. 
a. bức xạ tự phát. b. bức xạ tự phát và bức xạ kích thích. 
c. bức xạ kích thích. d. hấp thụ và bức xạ kích thích 
20. Nguồn sáng trong LASER là do quá trình 
a. bức xạ tự phát. b. bức xạ tự phát và bức xạ kích thích. 
c. bức xạ kích thích. d. hấp thụ và bức xạ kích thích 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Giáo trình “Cấu kiện điện tử và quang điện tử”- Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, 
năm 2003. 
2. “Cấu kiện quang điện tử” - Dương Minh Trí, NXB KHKT năm 1998. 
3. “Optical fiber communications” – Gerd Keiser, Mc Graw Hill Inc. 1991. 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Đáp án bài tập 
 223
ĐÁP ÁN BÀI TẬP 
Chương 1: Câu 13: nn = 10 315 −cm và pn = 2,25.10 35 . −cm 
Chương 3: Câu 8: UD = 0,53V; 
Câu 9: a/ Pn(0) = 10 311314 10)0(; −− = cmncm p ; b/Tỉ số = 3.10 4 . 
Chương 4: Câu 15: IC2 = 96mA; IB2 = 4mA; IC1 = 3,92mA; IB1 = 0,08mA; UCE = 12V 
 Câu 16: IE = 7,5mA; IB = 1,47mA; IC = 7,35mA; UCE = 4,55V; S = 24,88. 
 Câu 17: R = 110KΩ; S = 9,5; Câu 18: RB = 7KΩ; S = 94,3. 
Chương 5: Câu 15: a/ sơ đồ mắc SC; định thiên tự cấp; c/ UGS = -0,6V; RS= 600Ω. 
 Câu 16: UGS = -0,62V; gm = 1,11mA/V; RS = 770Ω; RD ≥ 9KΩ. 
 Câu 17: R1 = 2KΩ 
Câu 18: a/ FET đấu DC; b/ phân cực kiểu phân áp; c/ trong tài liệu. 
 Câu 19: ID = 24mA; R3 = 83Ω 
Chương 8: Câu 15: EG1 = 1,5eV; EG2 = 0,95eV. 
 Câu 16: λ = 0,826µm 
 Câu 17: ∆ν = 81GHz; ∆λ = 0,2nm 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Mục lục 
 224
MỤC LỤC 
Chương 1: Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử ....................................................................... 3 
Giới thiệu chương.................................................................................................................. 3 
Nội dung ................................................................................................................................ 3 
1.1 Giới thiệu chung.......................................................................................................... 3 
1.2 Phân loại cấu kiện điện tử ........................................................................................... 3 
1.3 Khái niệm về mạch điện và hệ thống điện tử .............................................................. 4 
1.4 Vật liệu điện tử ............................................................................................................ 4 
1.5 Vật liệu từ .................................................................................................................... 5 
Tóm tắt nội dung.................................................................................................................. 24 
Câu hỏi ôn tập...................................................................................................................... 25 
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................... 26 
Chương 2: Cấu kiện điện tử thụ động...................................................................................... 27 
Giới thiệu chương................................................................................................................ 27 
Nội dung .............................................................................................................................. 27 
2.1 Điện trở...................................................................................................................... 27 
2.2 Tụ điện....................................................................................................................... 34 
2.3 Cuộn cảm................................................................................................................... 40 
2.4 Biến áp....................................................................................................................... 44 
Tóm tắt nội dung.................................................................................................................. 49 
Câu hỏi ôn tập...................................................................................................................... 50 
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................... 51 
Chương 3: Điot bán dẫn........................................................................................................... 52 
Giới thiệu chương................................................................................................................ 52 
Nội dung .............................................................................................................................. 52 
3.1 Lớp tiếp xúc P-N ....................................................................................................... 52 
3.2 Điot bán dẫn .............................................................................................................. 58 
Tóm tắt nội dung.................................................................................................................. 70 
Câu hỏi ôn tập...................................................................................................................... 72 
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................... 72 
Chương 4: Tranzitor lưỡng cực (BJT) ..................................................................................... 73 
Giới thiệu chương................................................................................................................ 73 
Nội dung .............................................................................................................................. 73 
4.1 Cấu tạo và ký hiệu của BJT trong sơ đồ mạch.......................................................... 73 
4.2 Các chế độ làm việc của Tranzitor BJT .................................................................... 74 
4.3 Đặc tính quá độ của BJT ........................................................................................... 78 
4.4 Các cách mắc của Tranzitor BJT trong sơ đồ khuếch đại ......................................... 80 
4.5 Phân cực cho Tranzitor lưỡng cực ............................................................................ 88 
4.6 Sơ đồ tương đương ở chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ tần số thấp ........................... 96 
Tóm tắt nội dung................................................................................................................ 102 
Câu hỏi ôn tập.................................................................................................................... 103 
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 105 
Chương 5: Tranzitor trường FET........................................................................................... 106 
Giới thiệu chương.............................................................................................................. 106 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Mục lục 
 225
Nội dung............................................................................................................................. 106 
5.1 Giới thiệu chung về FET ......................................................................................... 106 
5.2 Tranzitor trường loại điều khiển bằng tiếp xúc P-N................................................ 107 
5.3 Tranzitor trường loại cực cửa cách ly...................................................................... 116 
Tóm tắt nội dung ................................................................................................................ 125 
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................... 126 
Tài liệu tham khảo.............................................................................................................. 128 
Chương 6: Cấu kiện Thyristor................................................................................................ 129 
Giới thiệu chương .............................................................................................................. 129 
Nội dung............................................................................................................................. 129 
6.1 Chỉnh lưu Silic có điều khiển .................................................................................. 129 
6.2 Triac ......................................................................................................................... 132 
6.3 Diac.......................................................................................................................... 134 
6.4 Tranzitor đơn nốt ..................................................................................................... 136 
Tóm tắt nội dung ................................................................................................................ 139 
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................... 140 
Tài liệu tham khảo.............................................................................................................. 140 
Chương 7: Vi mạch tích hợp .................................................................................................. 141 
Giới thiệu chương .............................................................................................................. 141 
Nội dung............................................................................................................................. 141 
7.1 Khái niệm và phân loại vi mạch tích hợp ................................................................ 141 
7.2 Các phương pháp chế tạo mạch tích hợp bán dẫn ................................................... 143 
7.3 Các cấu kiện được tích hợp trong vi mạch .............................................................. 148 
7.4 Vi mạch tuyến tính................................................................................................... 151 
7.5 Vi mạch số ............................................................................................................... 159 
7.6 Vi mạch nhớ............................................................................................................. 160 
7.7 Những điểm cần chú ý khi sử dụng vi mạch tích hợp ............................................. 163 
Tóm tắt nội dung ................................................................................................................ 164 
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................... 165 
Tài liệu tham khảo.............................................................................................................. 166 
Chương 8: Cấu kiện quang điện tử......................................................................................... 167 
Giới thiệu chương .............................................................................................................. 167 
Nội dung............................................................................................................................. 167 
8.1 Giới thiệu chung ...................................................................................................... 167 
8.2 Các cấu kiện biến đổi điện - quang.......................................................................... 169 
8.3 Các cấu kiện biến đổi quang - điện.......................................................................... 190 
8.4 Các bộ ghép quang................................................................................................... 204 
8.5 Cấu kiện quang hình học dùng trong thông tin quang ............................................ 211 
8.6 Cấu kiện CCD ......................................................................................................... 216 
Tóm tắt nội dung ................................................................................................................ 221 
Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................... 221 
Tài liệu tham khảo.............................................................................................................. 222 
Đáp án bài tập .................................................................................................................... 223 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 
Mã số: 492CKT220 
Chịu trách nhiệm bản thảo 
TRUNG TÂM ÐÀO TẠO BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 1