PHAN VĂN ĐƯỜNG ĐIỆN TỬ HỌC
Trường Đại học sư phạm - Đại học Huế
Huế, tháng 12 năm 2011
1

thuật cũng đã có các giáo trình, các tài liệu tham khảo về điện tử học. Nhưng để
dành cho sinh viên Đại học sư phạm khoa Vật lý, khoa sư phạm kỹ thuật các tài
liệu phù hợ
p khi ra trường giảng dạy các phần có liên quan đến điện tử học vẫn
đang còn ít.
Chúng tôi biên soạn giáo trình này để làm tài liệu học tập cho sinh viên
Khoa Vật lý trường Đại học sư phạm, trước mắt là sinh viên khoa vật lý trường
Đại học sư phạm Huế khi học học phần Điện tử học. Khi soạn chúng tôi bám sát
đề cương chi tiết học phần Điện tử học đã được duyệt.
Ngoài ra giáo trình còn có thể làm tài liêu học tập cho sinh viên Khoa Sư
pham kỹ thuật khi học về kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đo lường điện điện tử.
Giáo trình có 8 chương. Chương đầu tiên trình bày khái niệm cơ bản nhất về
chất bán dẫn làm nòng cốt để sinh viên nắm bắt được kiến thức của các chương
sau. Từ chương hai trở đi giáo trình lần lượt trình bày theo thứ tự các dụng cụ bán
dẫn chỉ có một tiếp giáp, các dụng cụ bán dẫn có hai tiếp giáp, các dụng cụ bán
dẫn có nhiều tiếp giáp và cuối cùng là các dụng cụ quang bán dẫn. Ở chương cuối,
tuy vi mạch không phải là một dung cụ bán dẫn mà là một mạch chức năng
(function device), nhưng theo đề cương chi tiết, chúng tôi cũng đưa vào để sinh
viên biết được một thành tựu mới nhất của điện tử học.
Do trình độ và thời gian hạn chế, giáo trình chắc chắn có các sai sót, chúng
tôi rất mong các thầy, cô giáo, các bạn đọc góp ý, chúng tôi rất mong và rất cần
các góp ý đó để sửa chữa, bổ sung, hoàn chỉnh giáo trình.

Phan Văn Đường
3

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ VẬT LÝ DỤNG CỤ BÁN DẪN
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Mở đầu
Điện tử học nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trong các linh kiện điện

1.Lịch sử phát triển các dụng cụ điện tử
- Năm 1904 John Ambrose Fleming (1849 - 1945) nhà vật lý và kỹ sư người
Anh, nhờ sự khám phá hiện tượng phát xạ điện tử của Thomas Edison đã phát
minh diode chân không (Hình 1.1).

Hình 1.1: Cấu tạo và hình dạng của diode chân không
Hình 1.1 cho ta hình dạng của diode EZ81 được sử dụng rất phổ biến trong
các thiết bị điện tử vào thập niên 60 của thế kỷ 20 và cấu tạo của nó.
-Năm 1906 Lee de Forest (1873 - 1961) nhà phát minh người Mỹ đã phát
minh ra đèn điện tử 3 cực (triode chân không). Đây là cuộc cách mạng lần thứ
nhất của kỹ thuật điện tử. Có đèn điện tử ta có thể khuếch đại biên độ các tín hiệu
đang còn rất bé, nhờ vậy có thể nâng công suất của tín hiệu lên rất nhiều lần.

Hình 1.2: Ký hiệu, cấu tạo và hình dạng của triode chân không
Hình 1.2 là ký hiệu, cấu tạo và hình dạng đèn điện tử 3 cực 12AX7 do hảng
RCA Mỹ sản xuất năm 1947.
5

- Năm 1948 Từ phòng thí nghiệm của hãng Bell, ba nhà khoa học người Mỹ
John Bardeen (1908 - 1991), William Bradford Shockley (1910 - 1989) và Walter
Houser Brattain (1902 - 1987) đã chế tạo thành công transistor, còn gọi là triode
bán dẫn (Hình 1.3). Việc xuất hiện của transistor gây ra một cuộc cách mạng lần
thứ hai của kỹ thuật điện tử, làm cho kỹ thuật vô tuyến điện tử bước một bước
khổng lồ trong việc nâng cao chất lượng, tăng hiệu suất, thu gọn kích thước, trọng
lượng và giảm giá thành một cách rất đáng kể các thiết bị điện tử.

Hình 1.3: Các loại Transistor.
- Ngày 12 tháng 9 năm 1958 vi mạch đầu tiên, hay còn được gọi là mạch
tích hợp (IC – Intergrated Circuit), được chế tạo tại công ty Texas Instruments
(Mỹ) bởi một nhân viên mới của công ty này là Jack Kilby. Đây là một thành tựu

Germanium (Ge) và Silicon (Si). Cả hai đều nằm trong nhóm 4 của bảng phân
hạng tuần hoàn. Hiện nay người ta không dùng Ge để chế tạo các dụng cụ bán dẫn
vì giá thành cao, dòng điện rò lớn và nhiệt độ chịu đựng bé (<100
0

C).
Theo nguyên lý loại trừ của Pauli ta suy ra số điện tử tối đa trong mỗi tầng:
2n
2
. Vận dụng vào Si (có 14 điện tử) và Ge (có 32 điện tử), ta có cấu hình diện tử
của chúng như sau:
Si: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
2

Ge: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2

việc dẫn điện.

Hình 1.5: Bố trí các mức năng lượng của chất dẫn điện, cách điện và bán dẫn
* Chất cách điện: Vùng cấm có độ rộng lớn (5eV ÷ 10 eV). Do đó các điện
tử ở miền hóa trị không thể nhảy mức lên vùng dẫn. Chất cách điện hoàn toàn
không dẫn điện dưới tác dụng của điện trường ngoài.
* Chất bán dẫn: Vùng cấm của chất bán dẫn có độ rộng bé (0,2eV ÷ 1,5
eV). Electron có khả năng nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn. Khi nhảy mức, nó
tạo nên lỗ trống (hole) ở vúng hóa trị. Ta thấy nồng độ n của điện tử trong miền
dẫn bằng nồng độ p của lỗ trống ở miền hóa trị (n = p). Sự dẫn điện ở vùng hóa trị
do các lỗ trống gây ra.
Trong chất bán dẫn, điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dẫn
điện, và được gọi chung là các hạt tải điện. Như thế, sự nhảy mức của electron từ
miền hóa trị lên miền dẫn sẽ tạo thành cặp điện tử - lỗ trống. Sự nhảy mức này
xảy ra do electron nhận được một năng lượng phụ lớn hơn độ rộng Δw của miền
cấm. Nguồn năng lượng này có thể do tác dụng của điện trường ngoài, hoặc do
dao động nhiệt của mạng tinh thể (đốt nóng, chiếu chùm tia bức xạ ).
8

Quá trình ngược lại gọi là quá trình kết hợp hoặc tái hợp (recombination)
giữa lỗ trống và điện tử. Mỗi một kết hợp lại mất đi một cặp điện tử - lỗ trống.
Ứng với một nồng độ của điện tử và lỗ trống nhất định thì có sự cân bằng động
giữa quá trình kích thích và quá trình tái hợp. Lúc đó nồng độ được gọi là cân
bằng đối với chất bán dẫn thuần. Nồng độ này có thể được xác định theo công
thức:

⎟
⎠
⎞
⎜

k : Hằng số Bolzman (1,38(24).10
-23
J/K
o
= 8,617(15).10
-5
eV/K
o
)
1 đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng.
Tích số kT xác định cở của năng lượng chuyển động nhiệt của electron. Ở
nhiệt độ phòng 300
o
K khoảng 1,38.10
-23
. 300
Chất bán dẫn thuần được đặt trưng bằng mức Fermi W
f
nằm ở trung tâm
miền cấm
Như vậy, nồng độ của electron và lỗ trống càng lớn khi miền cấm càng hẹp
và nhiệt độ của chất bán dẫn càng cao.
2.2.Bán dẫn pha tạp chất (doping)
Việc dẫn điện của chất bán dẫn sẽ tăng lên rất đáng kể khi ta pha thêm tạp
chất vào nó. Người ta thường pha tạp chất thuộc nhóm 5 (As, P, Sb ) để có chất
bán dẫn loại N. Pha tạp chất thuộc nhóm 3 (In, B, Al ) để có bán dẫn loại P.
2.2.1.Bán dẫn loại N (n – type semiconductor)
Giả sử ta đang dùng chất bán dẫn Silic (chất bán dẫn được sử dụng chủ yếu
hiện nay để chế tạo các dụng cụ bán dẫn). Silic là nguyên tố thuộc nhóm 4 trong
bảng phân hạng tuần hoàn, vòng ngoài cùng có 4 điện tử hóa trị. Cũng như chất

d
. Miền này phân bố rất
gần miền dẫn, mức Fermi cũng dịch lên nằm gần miền dẫn. Khi nhiệt độ tăng lên,
điện tử trong miền này đã đủ năng lượng để nhảy lên miền dẫn, tham gia vào việc
dẫn điện. Hình 1.8 là phân bố của miền tạp chất và mức Fermi của bán dẫn loại N.

Hình 1.8: Phân bố của miền tạp chất và mức Fermi của bán dẫn loại N
2.2.2.Bán dẫn loại P (p – type semiconductor)
Bây giờ nếu ta pha vào bán dẫn Si thuần tạp chất thuộc nhóm 3 (ví dụ In).
Ba điện tử ngoài cùng của In sẽ liên kết với ba điện tử của Si thành ba đôi điện tử
góp chung (Hình 1.9), còn thiếu một điện tử cho liên kết thứ tư. Do đó In dễ dàng
nhận một nguyên tử của Si gần đó. Nguyên tử Si này mất đi một điện tử biến
thành lỗ trống. Nguyên tử này lại có thể lấy điện tử của Si bên cạnh.

Hình 1.9: Mạng liên kết hóa học của bán dẫn loại P
Nếu có điện trường ngoài E thì sự dịch chuyển có hướng tạo thành dòng
điện. Các tạp chất nhóm 3 đã nhận điện tử nên được gọi là tạp chất nhận
(Acceptor). Bán dẫn được pha tạp chất nhóm 3 được gọi là bán dẫn loại P. Số
11

lượng lỗ trống trong bán dẫn loại P rất nhiều hơn điện tử. Lỗ trống là hạt dẫn điện
đa số, điện tử là hạt dẫn điện thiểu số. Độ dẫn điện trong bán dẫn loại P do lỗ
trống của tạp chất quyết định. Ngoài ra còn do điện tử và lỗ trống của chất bán
dẫn thuần.
Theo lý thuyết miền năng lượng thì khi pha tạp chất nhóm 3 vào Si, trong
miền cấm xuất hiện một miền hẹp gọi là miền tạp chất W
e
(Hình 1.10).Miền này
phân bố rất gần miền hóa trị, mức Fermi cũng dịch lên nằm gần miền dẫn. Khi
nhiệt độ tăng lên, điện tử trong miền đầy đã đủ năng lượng để nhảy lên miền dẫn,

P
là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại P
n
N
là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại N
p
N
là nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại N
Chuyển động trên gọi là chuyển động khuếch tán, một trong những chuyển
động cơ bản của các hạt tải điện trong môi trường bán dẫn. Sự chuyển động
khuếch tán này tạo ra dòng điện khuếch tán (diffusion curent) I
kt.

dx
dn
qDI
kt
=
Với: q : Điện tích của động tử (q = -e nếu là điện tử, q = +e nếu là lỗ trống)
13

dx
dn
: Biến thiên của nồng độ theo đơn vị độ dài (gradient nồng độ).
D : Hệ số khuếch tán.
Khi điện tử và lỗ trống khuếch tán qua mặt tiếp xúc như trên, chúng sẽ để
lại những ion dương của tạp chất cho và ion âm của tạp chất nhận, đồng thời làm
tăng nồng độ điện tích tại những nơi chúng vừa tới. Những đi
ện tích này sẽ tái
hợp với động tử đa số của nơi đó (điện tử sẽ tái hợp với lỗ khi khuếch tán từ N

, dòng
điện ngược bảo hòa (reverse saturation current). Dòng này rất có hại, nó làm tăng
nhiệt độ ở các tiếp giáp.
14

Khi không có điện trường ngoài, dòng điện tổng cộng qua tiếp giáp PN bằng
không
ΣI = I
kt
+ I
t
= 0
3.2. Tiếp giáp P-N không cân bằng - Hiệu ứng chỉnh lưu
Khi ta đặt điện trường ngoài vào tiếp giáp PN thì trạng thái cân bằng trên
không còn nữa. Tiếp giáp PN ở trạng thái không cân bằng, ta nói tiếp giáp PN
được phân cực. Có hai cách phân cực:
3.2.1.Phân cực thuận (forward bias)
Khi đặt điện áp dương của điện áp ngoài vào P và điện áp âm vào N ta có
phân cực thuận (Hình 1.13a). Hình 1.13 a,b:
Phân cực thuận PN
Toàn bộ điện áp U
th
sẽ đặt lên trên tiếp giáp, xếp chồng lên hiệu điện thế
tiếp xúc U
tx
. Điện trường ngoài E
th

0th
th

15

Kết luận 1: Khi phân cực thuận, dòng điện qua tiếp giáp lớn và tăng nhanh
theo điện áp, nó được xác định bằng dòng khuếch tán của các phần tử tải điện cơ
bản.
3.2.2.Phân cực nghịch (reverse bias)
Khi ta đặt điện áp âm của điện áp ngoài vào P và điện áp dương vào N ta có
phân cực nghịch (Hình 1.14a).

Hình 1.14 a,b:
Phân cực nghịch PN
Điện trường ngoài
ng
E
r
cùng chiều với
tx
E
r
. Điện trường E
ng
do điện áp U
ng

gây nên trong lớp chắn sẽ làm cho các động tử đa số rời xa khỏi mặt tiếp xúc đi về
hai phía. Kết quả làm cho lớp tiếp xúc càng thiếu động tử đa số hơn trước, do đó
điện trở và bề dày của nó tăng lên. Hàng rào điện thế U

qU
0ng
ng
I

q là điện tích của điện tử.
16

Ở nhiệt độ phòng, khi U
ng
khoảng vài phần mười Volt thì qU
ng
đã lớn hơn
kT rất nhiều, do đó ta có thể bỏ qua
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
kT
qU
ng
e
ở biểu thức trên. Lúc đó I
ng
= - I
0
.

-Tuổi thọ rất cao (hàng vạn giờ)
- Sức bền cơ học rất lớn.
- Ho
ạt động ngay vì không cần nung nóng cathode
17

Tuy nhiên dụng cụ bán dẫn vẫn còn một số khuyết điểm sau:
- Hoạt động phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ tiếp giáp cao có thể
hỏng ngay.
- Đấu ngược cực tính của nguồn cung cấp sẽ hỏng ngay tiếp giáp PN.
- Tham số và đặc tuyến sai khác nhau nhiều (cùng một tên dụng cụ bán dẫn
có thể có các tham số khác nhau)
- Tiếng ồn lớn.
Tóm tắt chương
Dụng cụ bán dẫn được chế tạo từ chất bán dẫn. Chất bán dẫn là chất có điện
trở suất trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Hai chất bán dẫn được
dùng chủ yếu để chế tạo các dụng cụ bán dẫn là Germanium (Ge) và Silicon (Si).
Hiện nay người ta không dùng Ge để chế tạo các dụng cụ bán dẫn. Vùng cấm của
chất bán dẫn có độ r
ộng bé (0,2eV ÷ 1,5 eV). Khi nhảy mức, nó tạo nên lỗ trống ở
vúng hóa trị. Nồng độ n của điện tử trong miền dẫn bằng nồng độ p của lỗ trống ở
miền hóa trị (n = p).
Điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dẫn điện
được gọi chung là các hạt tải điện.
Sự nhảy mức của electron từ miền hóa trị lên miền dẫn sẽ tạo thành cặp điện
tử - lỗ trống. Quá trình ngược lại là quá trình tái hợp (recombination) giữa lỗ
trống và điện tử. Mỗi một kết hợp lại mất đi một cặp điện tử - lỗ trống. Nồng độ
này có th
ể được xác định theo công thức:


làm cản trở sự chuyển động của các phần tử tải điện cơ bản nên nó được
gọi là hàng rào thế (barrier potential)
18

Do có E
tx
các phần tử tải điện thiểu số sẽ chuyển động qua mặt tiếp xúc theo
chiều ngược với chiều chuyển động khuếch tán của các phần tử tải điện đa số,
chuyển động này tạo thành dòng điện rò hoặc còn gọi là dòng điện trôi I
tr
, dòng
điện ngược bảo hòa (reverse saturation current). Dòng này rất có hại, nó làm tăng
nhiệt độ ở các tiếp giáp.
Khi không có điện trường ngoài, dòng điện tổng cộng qua tiếp giáp PN bằng
không
ΣI = I
kt
+ I
t
= 0
Khi đặt điện áp dương của điện áp ngoài vào P và điện áp âm vào N ta có
phân cực thuận (xem hình 1.13a).

Toàn bộ điện áp U
th
sẽ đặt lên trên tiếp giáp, xếp chồng lên hiệu điện thế
tiếp xúc U
tx
. Điện trường ngoài E
th

0th
th

Kết luận 1: Khi phân cực thuận, dòng điện qua tiếp giáp lớn và tăng nhanh
theo điện áp, nó được xác định bằng dòng khuếch tán của các phần tử tải điện cơ
bản.

Khi ta đặt điện áp âm của điện áp ngoài vào P và điện áp dương vào N ta có
phân cực nghịch (xem hình 1.14a). Điện trường ngoài
ng
E
r
cùng chiều với
tx
E
r
.
Điện trường E
ng
do điện áp U
ng
gây nên trong lớp chắn sẽ làm cho các động tử đa
số rời xa khỏi mặt tiếp xúc đi về hai phía. Do hàng rào thế tăng lên, nó đẩy lùi
điện tử trong N và lỗ trống trong P ra xa tiếp giáp. Ở một nhiệt độ nhất định, dòng
I trôi không đổi gọi là dòng điện bão hòa I
0.
Dòng điện toàn phần qua tiếp giáp
PN:

⎥

nó
4/ Phân tích quá trình tạo ra bán dẫn loại N. Trình bày đặc điểm dẫn điện
của nó
5/ Phân tích tiếp giáp PN khi cân bằng
6/ Phân tích tiếp giáp PN khi phân cực thuận
7/ Phân tích tiếp giáp PN khi phân c
ực nghịch
8/ Cho kết luận khi tiếp giáp PN được phân cực và ứng dụng trong thực tế
9/Tại sao nói rằng đèn điện tử đã làm cuộc cách mạng lần thứ nhất của kỹ
thuật điện tử.
10/ Hãy xác định giá trị của n
i
của Si ở nhiệt độ phòng (300
o
K)
Các nhiệm vụ học tập
- Sinh viên nắm vững các hiện tượng, các tính chất vật lý có liên quan đến
chất bán dẫn như bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp chất, bán dẫn loại N, bán dẫn
loại P. Tính chất của tiếp giáp PN cân bằng, khi được phân cực tthuận và nghịch.
- Tra cứu các tài liệu hoặc khai thác internet về cấu tạo và hoạt động của
đèn điện tử hai cực, ba cực chân không.
Các đề tài sinh viên
Đề tài 1: Nghiên cứu dòng điện trong chân không. Áp dụng để phân tích cấu
tạo, nguyên lý hoạt động của diode chân không.
20

Đề tài 2:
Nghiên cứu dòng điện trong chân không. Áp dụng để phân tích cấu
tạo, nguyên lý hoạt động của triode chân không.
Đề tài 3

d/Không có lỗ trống trong ban dẫn thuần.
21

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN RCL
Mở đầu
Trong kỹ thuật điện tử, linh kiện RCL được gọi là linh kiện thụ động, đây là
các phần tử tuyến tính vì quan hệ giữa điện áp và dòng điện của chúng là tuyến
tính: Dòng điện, điện áp phụ thuộc tuyến tính vào nhau.

Trên R: U = RI
Trên C:
dt
dq
dt
du
Ci
==
Trên L:
dt
di
Lu =
Như vậy i, u phụ thuộc tuyến tính vào nhau, không có bậc 2,3, của i, u,
dt
du
,
dt
di
, Phương trình vi phân diễn tả quá trình trong mạng tuyến tính có hệ số
không đổi.
Các linh kiện RCL được dùng trong các mạch điện và điện tử để hỗ trợ cho

Điện trở cố định có nhiều loại khác nhau, ta có thể nhận biết nhờ hình dạng
của chúng: Điện trở than nhồi, điện trở tô mỏng, điện trở dây quấn.
a/Điện trở than nhồi (Hình 2.2a) được chế tạo bằng than chì, trộn và ép với
chất cách điện như đất sét, cao su, chất dẽo hoá học. Tỷ lệ của mỗi thành phần s
ẽ
quyết định điện trở mà ta chọn lựa.Tất cả được đem ép với nhiệt độ cao và cắt
thành từng khúc tròn, ngắn. Hai đầu nối vào dây dẫn mềm (Hình 2.2b).

Hình 2.2: Hình dạng điện trở than nhồi (a). Cấu tạo điện trở than nhồi (b)
Điện trở than nhồi được sản xuất với rất nhiều trị số danh định khác nhau, từ
vài ohm đến hàng Megohm, có công suất từ 1/8W đến hàng chục Watt.
b/Điện trở màn mỏng (film resistor) có hình dạng như hình 2.3a bao gồm
điện trở màn carbon (carbon film resistor) và điện trở màn kim loại (metal film
resistor). Trên một ống trụ bằng gốm, sành hoặc thuỷ tinh, người ta phủ một lớp
dẫn điện như bán dẫ
n, carbon hoặc tungsten mỏng. Sau đó phủ ngoài bằng một
lớp cách điện. Các lớp dẫn điện này được cắt thành một băng có bề rộng xác định,
23

tuỳ huộc vào trị số của điện trở. Ở hai đầu ống có hai cái chốp kẹp dính liền với
đầu dây ra (Hình 2.3b).

Hình 2.3:
Điện trở màn mỏng (a). Cấu tạo của điện trở màn mỏng (b).
Điện trở loại này do có lớp cản điện rất nhuyển, nên ít tạo ra tiếng ồn khi có
dòng điện đi qua.
c/Điện trở dây quấn có hình dạng như hình 24a. Trên một ống hình trụ bằng
gốm cách điện, người ta quấn một lớp dây điện trở, có bọc một lớp verni cách
điện. Một lớp ciment chịu nóng được bọc ngoài cùng để bảo vệ và
để chống ẩm.

i tô mỏng bằng bán dẫn có hệ số nhiệt
độ âm.
1.1.3.Bảng mã màu (colour code)
Trị số điện trở ít khi được ghi trực tiếp lên thân điện trở mà thường được ghi
theo bảng mã màu. Trong mã này, mỗi chữ số được thay bằng một màu tương ứng
và mã hóa theo bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1:
Mã màu của điện trở
Mỗi điện trở được ghi bằng 3,4 hoặc 5 vòng màu. Trong đó vòng màu thứ
nhất (first band) là số thứ nhất (1
st
digit); vòng thứ hai (second band) là số thứ hai