Tài liệu tập huấn phát triển chuyên môn giáo viên trường Trung học phổ thông chuyên môn Vật lí

Nội dung text: Tài liệu tập huấn phát triển chuyên môn giáo viên trường Trung học phổ thông chuyên môn Vật lí

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VỤ GIÁO DỤC TRUNG HỌC CHƢƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN GIÁO DỤC TRUNG HỌC TÀI LIỆU TẬP HUẤN PHÁT TRIỂN CHUYÊN MÔN GIÁO VIÊN TRƢỜNG THPT CHUYÊN MÔN VẬT LÍ Quyển 1 Quang học, vật rắn và bán dẫn, thí nghiệm thực hành dungsply@gmail.com Sưu tầm: Bồ Công Anh( ) (Tài liệu lưu hành nội bộ) Hà Nội, tháng 7 - 2011 1
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VỤ GIÁO DỤC TRUNG HỌC CHƢƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN GIÁO DỤC TRUNG HỌC TÀI LIỆU TẬP HUẤN PHÁT TRIỂN CHUYÊN MÔN GIÁO VIÊN TRƢỜNG THPT CHUYÊN MÔN VẬT LÍ Chủ trì biên soạn tài liệu 1. VỤ GIÁO DỤC TRUNG HỌC 2. CHƢƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN GIÁO DỤC TRUNG HỌC Nhóm tác giả biên soạn tài liệu Hồ Tuấn Hùng Vũ Thanh Khiết Nguyễn Thế Khôi Nguyễn Đình Noãn Vũ Quang Nguyễn Trọng Sửu Nguyễn Xuân Thành Trần Minh Thi Dƣơng Quốc Văn Hà Nội, tháng 7 - 2011 2
3. MỤC LỤC Trang Lời mở đầu Phần thứ nhất: Một số chuyên đề chuyên sâu môn Vật lí 1. Các chuyên đề Quang học (Quyển 1) 2. Chuyên đề Vật rắn và Bán dẫn (Quyển 1) 3. Các chuyên đề Vật lí hiện đại (Quyển 2) 4. Các chuyên đề Thiên văn học (Quyển 2) Phần thứ hai: Thí nghiệm thực hành trƣờng THPT chuyên 1. Thí nghiệm Olympic Vật lý (Quyển 1) 2. Thí nghiệm Vật lí đại cương (Quyển 1) 3. Sử dụng Dao động ký điện tử (Quyển 1) 4. Sử dụng bộ kết nối aMixer MGA (Quyển 1) Phần thứ ba: Hƣớng dẫn kết nối mạng lƣới GV THPT chuyên và triển khai tập huấn tại địa phƣơng 1. Kết nối mạng lưới giáo viên các trường THPT môn Vật lí thông trên mạng Giáo dục Việt Nam. Khai thác các tiện ích CNTT hiệu quả. 2. Hướng dẫn triển khai tập huấn tại địa phương 3
4. LỜI MỞ ĐẦU Việc bồi dưỡng nâng cao nghiệp vụ phát triển chuyên môn là nhiệm vụ thường xuyên, quan trọng của các cơ quan chức năng và mỗi giáo viên. Đối với giáo viên các trường, lớp chuyên công việc này lại rất cần thiết; bởi vì, phải đào tạo những học sinh say mê, có năng khiếu và trình độ học tập tốt môn học. Hơn nữa, ở một mức độ nhất định chương trình chuyên có thời lượng và yêu cầu cao hơn với chương trình THPT nâng cao. Thực tiễn đã xác nhận rằng, trong nhiều năm qua, giáo viên các trường, lớp chuyên có trình độ chuyên môn, nghiệp vụ vững chắc, đã góp phần đào tạo nhiều học sinh giỏi hoàn thành tốt việc học tập ở các trường Đại học và Cao đẳng, tiếp tục phát triển sau khi ra trường. Tuy nhiên, vẫn có nhiều vấn đề cần trao đổi, bổ sung để nâng cao hơn nữa mục tiêu, yêu cầu giáo dục các trường, lớp chuyên. Nội dung “Tài liệu tập huấn phát triển chuyên môn giáo viên trường THPT chuyên môn Vật lí” gồm các phần sau đây: Phần thứ nhất: Một số chuyên đề chuyên sâu môn Vật lí Phần thứ hai: Thí nghiệm thực hành trường THPT chuyên Phần thứ ba: Hướng dẫn kết nối mạng lưới GV THPT chuyên và triển khai tập huấn tại địa phương Các phần được thể hiện ở Quyển 1. Riêng phần thứ nhất, các chuyên đề Vật lí hiện đại và Thiên văn học được thể hiện ở Quyển 2. Trong quá trình biên soạn tài liệu không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung, lỗi kỹ thuật, mong các bạn đọc và đồng nghiệp góp ý kiến. Trân trọng cảm ơn! Các tác giả 4
5. Phần thứ nhất MỘT SỐ CHUYÊN ĐỀ CHUYÊN SÂU MÔN VẬT LÍ CÁC CHUYÊN ĐỀ QUANG HỌC 5
6. CHUYÊN ĐỀ VẬT RẮN VÀ BÁN DẪN Chuyên đề: Lí thuyết dải năng lượng của vật rắn 1.Nguyên tử a. Nguyên tử hiđro i. Trạng thái electron Phương trình Schrödinger cho nguyên tử hydro là : 2 2  2 e   r,, E  r,, (1.1) 2m 4  0r Phương trình này có thể được giải chính xác. Nghiệm tổng quát là hàm sóng mô tả trạng thái electron trong nguyên tử, được goi là orbital nguyên tử (AO-atomic orbital). Nó có dạng: nlm (r,, ) R nl (r)Ylm(, ) (1.2) với n : số lượng tử chính (n=1,2,3, ) l : số lượng tử quỹ đạo (l=0,1, , n-1) m: số lượng tử từ (m=0, 1, , l) Rnl(r) là hàm phụ thuộc bán kính, Ylm(, ) là hàm phụ thuộc góc, là những hàm cầu. Số lượng tử chính n xác định năng lượng của trạng thái nguyên tử hydro: me4 1 R E  (1.3) n 2 2 2 2 (4  0 ) 2 n n Năng lượng có giá trị âm vì là năng lượng liên kết giữa electron và hạt nhân. Thế Coulomb của hạt nhân khiến cho năng lượng chỉ phụ thuộc n. Điều này chỉ xảy ra với nguyên tử hydro. Số lượng tử quỹ đạo xác định độ lớn của mô men động lượng quỹ đạo L  l() l 1 . Các trạng thái có l=0, 1, 2, 3 được kí hiệu tương ứng là s, p, d, f theo cách gọi các vạch phổ tương ứng sharp, principal, diffuse, fine. Số lượng tử từ xác định hình chiếu của mô men động lượng quỹ đạo lên trục lượng tử hoá (trục z). Trong nguyên tử tự do, do tính đối xứng cầu, (2l+1) giá trị của m ứng với cùng năng lượng, tức là có suy biến. Sự suy biến bị khử khi có từ trường. 4   2 Bán kính Bohr thứ nhất a 0 = 0,529 Å là độ dài đặc trưng cho nguyên tử hydro, đôi me2 khi được dùng làm đơn vị độ dài trong hệ đơn vị nguyên tử (atomic units-au). Các hàm sóng dạng (1.2) nói chung là các hàm phức. Tuy nhiên ta cũng có thể xây dựng các hàm sóng thực bằng cách tổ hợp các hàm phức một cách thích hợp. Thí dụ, với n = 2, l = 1, ta có các hàm sóng phức : r r 1r2a i 1r2a P21 1 esin e ; Pe210 cos ; 8 2 a3 a 4 2 a3 a r 1r2a i P21 1 esin e (1.4) 8 2 a3 a Các hàm sóng thực thu được từ tổ hợp tuyến tính của các hàm sóng phức đó là: 57
7. r r 1 1 x 2a 1y2a X2 () P 21 1 P 21 1 e ; Ye2 ; 2 4 2 a3 a 4 2 a3 a r 1z2a Ze2 . (1.5) 4 2 a3 a Các hàm (1.4) và (1.5) đều biểu diễn các trạng thái 2p của nguyên tử hydro. Tất nhiên các hàm sóng phức cũng có thể được biểu diễn qua tổ hợp tuyến tính của các hàm sóng thực. a) b) c) Hình 1.1 Các orbital nguyên tử: a) orbital s; b) orbital p; c) orbital d Sự phân bố theo phương bán kính được xác định bởi R nl (r) . Xác suất tìm thấy electron trong 2 2 lớp cầu có bán kính r và r+dr là Pnl (r)dr R nlr dr . Do đó mật độ xác suất hướng kính là 2 2 Pnl (r) r  R nl . 58
8. Mật độ xác suất Pnl phụ thuộc khoảng cách r đến tâm nguyên tử, cho các trạng thái 1s, 2s , 2p, 3s, 3p, 3d . Sự phụ thuộc góc của các orbital là cơ sở của tính định hướng của các liên kết mà ta sẽ xét sau này. Hình trên đây cho ta xác suất tìm thấy electron trong không gian ứng với các orbital s, p, d. Các trạng thái, tức là các nghiệm của phương trinh Schrödinger là trực giao với nhau, nghĩa là * nlm  n'l'm'd0r . Nếu các trạng thái có mô men góc khác nhau, thì tích phân theo góc trên các hàm cầu bảo đảm sự trực giao. Nếu các trạng thái có cùng mômen góc, thì sự trực giao đòi hỏi 2 R nl (r)R n'l' (r)r dr 0. Vì vậy, muốn cho hàm bán kính của trạng thái 2s trực giao với hàm bán 0 kính 1s, thì nó phải đổi dấu. Do đó, trong hình dưới, có nút ở r=2 a.u Tương tự, 3s trực giao với 2s nên có 2 nút v.v Tất cả các trạng thái có năng lượng thấp nhất đều không có nút. 1 Việc xét đến hiệu ứng tương đối tính dẫn đến số lượng tử thứ tư là spin ms với m . Mô s 2 e men từ spin là  2,00 s(s 1) , trong đó s=1/2 và  là manhêton Bohr. Do đó, một B B 2m trạng thái riêng nlm có thể bị chiếm bởi 2 electron có spin 1/2 và -1/2. Kết quả là trạng thái nguyên tử có l xác định thì suy biến bội 2(2l+1), tức là lớp s có thể có 2 electron, lớp p-6, lớp d-10, lớp f-14 electron. Chính cấu trúc của các lớp electron theo quy tắc này được phản ánh trong bảng tuần hoàn. Các lớp electron ngoài cùng của nguyên tử được gọi là các lớp electron hoá trị vì chúng quyết định các tính chất của nguyên tử cũng như liên kết của các nguyên tử vơi nhau. Các lớp đầy bên trong cùng với hạt nhân tạo thành lõi nguyên tử và hầu như không ảnh hưởng tới liên kết với các nguyên tử khác. Theo cơ học lượng tử, nguyên tử không có giới hạn rõ ràng, vì xác suất tìm thấy electron giảm theo hàm mũ theo khoảng cách đến tâm nguyên tử. Tuy nhiên một cách xác định thuận lợi cho kích thước của lõi là vị trí của nút ngoài của hàm bán kính của electron hoá trị. Đó là vì các nút tồn tại do đòi 59
9. hỏi là trạng thái hoá trị phải trực giao với các trạng thái lõi, các trạng thái này liên kết chặt hơn với hạt nhân. Điều đó phản ánh nguyên lí loại trừ Pauli nói rằng hai electron không thể chiếm cùng một trạng thái. ii. Sự chuyển dời Năng lượng photon phát xạ hoặc hấp thụ khi có chuyển dời giữa hai mức năng lượng:  EEmn Ta có thể giải thích và tính toán các vạch phát xạ và hấp thụ củả nguyên tử hiđro 1 R 1 1 22  c hc nnfi Các quy tắc lọc lựa cho chuyển dời quang học l 1 m 01, b. Nguyên tử phức tạp i. Trạng thái electron Mức năng lượng của nguyên tử hydro được xác định duy nhất bởi số lượng tử chính n. Trong trường hợp các nguyên tử khác, các trạng thái ứng với cùng n nhưng có l khác nhau thì có năng lượng khác nhau. Đó là vì khi xung quanh hạt nhân có nhiều hơn 1 electron, thì sự suy biến theo l bị khử, do thế V(r) không còn là thế Coulomb (tỉ lệ nghịch với bán kính) nữa mà là thế Coulomb bị che chắn. Có thể thấy một thí dụ về điều này trên hình 2.16, trong đó mức hoá trị 2s của các nguyên tố từ B đến Ne nằm dưới mức năng lượng ứng với mức 2p tương ứng, trong khi ở nguyên tử hydro, hai trạng thái s và p có cùng năng lượng. Các mức năng lượng nguyên tử của các electron hoá trị thu được bằng cách giải phương trình Schrödinger bằng phương pháp số. 1 1 Hình 2.13 trên đây cho ta sự biến thiên của Rs và R p theo vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Ta thấy trong mỗi chu kì, bán kính của các điện tử hoá trị s và p co lại khi số thứ tự tăng do điện tích hạt nhân tăng. Các bán kính đó mở rộng ra khi đi theo một cột từ trên xuống dưới vì có 60
10. thêm lớp electron đầy tham gia vào lõi nguyên tử. Một ngoại lệ đáng lưu ý là sự cắt nhau giữa đồ thị của bán kính 3s và 4s cũng như 3p và 4p của nhóm IIIB. Trong Hình 2.16 dưới đây, mô tả sự biến thiên của các mức năng lượng của trạng thái s và p trong các dãy nguyên tố, ta nhận xét một số điểm như sau: 1. Các mức năng lượng hoá trị biến thiên tuyến tính trong một hàng giống như nghịch đảo của bán kính (đã thấy ở trên). Khi điện tích hạt nhân Ze tăng lên, electron liên kết chặt hơn với hạt nhân. Tuy nhiên do sự có mặt của các electron hoá trị khác, mà năng lượng biến thiên tuyến tính chứ không theo quy luật Z2 như ở nguyên tử hydro. 2. Các mức năng lượng hoá trị s và p trở nên liên kết yếu hơn khi ta đi trong một nhóm từ trên xuống dưới. Điều đó có thể giải thích từ sự phụ thuộc dạng 1/n2 giống như ở nguyên tử hydro. Có ngoại lệ là mức 4s đi xuống và cắt mức 3s ở phía trái của nhóm VB. Đó là do có lớp 3d, trong đó các electron không chắn hoàn toàn lõi đối với electron hoá trị 4s. Các electron 4s do đó chịu thế hút mạnh hơn các electron 3s ở hàng trước đó. 3. Hiệu năng lượng Ep-Es giảm khi đi từ trái sang phải theo một nhóm. Điều này ảnh hưởng mạnh đến bản chất của các dải năng lượng và sự liên kết trong tinh thể, vì rằng khi hiệu năng lượng này nhỏ, thì electron s và p bị lai để tạo thành các dải chung sp. Hình sau đây cho ta thấy các mức hoá trị s và d ở hai dãy kim loại chuyển tiếp 3d và 4d. Các mức năng lượng ứng với cấu hình nguyên tử dN-1s, với N là tổng số electron hoá trị. Đó là cấu hình gần với của các kim loại. Có thể thấy một số điểm như sau. 61
11. 1. Năng lượng biến thiên tuyến tính trong dãy kim loại chuyển tiếp, khi các lớp dần dần bị lấp đầy electron. Tuy nhiên khi đến nhóm kim loại quý IB, lớp d được lấp đầy bởi 10 electron. Nếu ta tăng thêm Z, thì khi tăng thêm một electron nữa, electron này nằm ở lớp sp ngoài, và đẩy nhanh mức d xuống dưới như thấy trên hình qua sự tăng độ dốc. 2. Mức năng lượng hoá trị s trở nên hơi kém liên kết khi ta đi xuống trong một nhóm. Càng về cuối dãy kim loại chuyển tiếp, mức năng lượng hoá trị 4d trở nên liên kết chặt hơn mức hoá trị 3d. Điều này có liên quan đến lực đẩy Coulomb giữa các electron hoá trị. Orbital 3d định xứ mạnh hơn orbital 4d. Vì vậy, thêm electron vào lớp 3d làm tăng năng lượng đẩy nhanh hơn là vào lớp 4d. Kết quả là khoảng cách giữa các mức s và d tăng lên khi đi xuống dọc theo một cột khi chuyển từ 3d sang 4d. Thí dụ E s-Ed là 3 eV ở Cu, 6 eV ở Ag, làm cho màu sắc của hai kim loại khác nhau. Hiệu ứng tương đối tính (không thể hiện trong phương trình Schrödinger) làm đảo ngược xu hướng này khi xét đến 5d. Trạng thái s cảm nhận thấy thế hạt nhân không bị chắn. Với khối lượng nguyên tử lớn như ở KL CT 5d, thế hạt nhân lớn làm tăng tốc electron đến vận tốc tương đối tính và hạ thấp năng lượng của lớp 6s xuống vài eV, làm giảm khoảng cách s-d. Sự thay đổi độ bền vững tương đối giữa s và d khi đi xuống theo một cột được minh hoạ bởi Ni, Pd và Pt mà trạng thái nguyên tử bền vững nhất có các cấu hình theo thứ tự là 3d84s2, 4d10, 5d96s. 3. Từ khoảng cách năng lượng s-d, ta trông đợi là ảnh hưởng của liên kết và cấu trúc của trạng thái d thể hiện rõ hơn ở các kiềm thổ hoá trị 2 Ca và Sr ở đầu dãy KL CT so với các nguyên tố Zn và Cd ở cuối dãy. đó là vì ở đầu dãy, lớp d ở sát với lớp s hơn ở cuối dãy. ii. Bảng tuần hoàn Mendeleev Khi điện tích hạt nhân tăng dần, ta sẽ thu được bảng tuần hoàn các nguyên tố mà ta có thể trình bày như ở Bảng 1.1. Bảng 1.1 Sự hình thành bảng tuần hoàn bằng cách lấp đầy dần các lớp electron. Phía trái mỗi cột là mức electron ngoài cùng đang được lấp đầy dần dần. Trong dấu ngoặc là số electron tối đa được phép. 1s (2) H,He 4s (2) K,Ca 5p (6) In Xe 2s (2) Li,Be 3d (10) KLCT Sc Ni, Cu,Zn 6s (2) Cs, Ba 2p (6) B Ne 4p (6) Ga Kr 4f (14) ĐH Ce Lu 3s (2) Na, Mg 5s (2) Rb, Sr 5d (10) KLCT La Pt, Au, Hg 3p (6) Al Ar 4d (10) KLCT Y Pd, Ag, Cd 6p (6) Tl Rn Nếu căn cứ vào thứ tự sắp xếp các mức năng lượng ở nguyên tử hyđrô, thì ta có thể chờ đợi rằng sau khi lấp đầy các trạng thái 3p, thì sẽ đến các trạng thái 3d. Nhưng trên thực tế, như thấy ở Bảng 1.1, tiếp sau 3p là 4s. Sự lấp đầy dần dần các trạng thái 3d tạo nên dãy kim loại chuyển tiếp đầu tiên (dãy 3d). Tương tự, ta có các kim loại chuyển tiếp 4d và 5d. Hiện tượng tương tự với các trạng thái 4f dẫn đến dãy các nguyên tố đất hiếm. Lí do dẫn đến sự dị thường này là do các trạng thái s có xác suất tìm thấy khác không ở vị trí của hạt nhân. Do vậy tác dụng che chắn của các electron khác đối với chúng là yếu hơn, tương tác của hạt nhân với các electron này mạnh hơn, và vì thế năng lượng của các electron s thấp hơn. 62
12. 2. Phân tử a. Liên kết cộng hoá trị i. Cơ chế của liên kết cộng hoá trị + ii.Ion hiđro H2 63
13. iii. Phân tử hiđro H2 iv. Liên kết cộng hoá trị trong phân tử Liên kết  và liên kết 67
14. Liên kết trong phân tử nƣớc H2O v. Các orbital lai 68
15. b. Liên kết ion Để hiểu được liên kết ion, ta cần xét khái niệm năng lượng ion hoá và ái lực hoá học của các nguyên tử. Năng lượng ion hoá I được định nghĩa như là năng lượng cần cung cấp để tách một electron ra khỏi nguyên tử trung hoà. Ái lực electron A là năng lượng thu được khi một electron được thêm vào nguyên tử trung hoà. Liên kết ion hình thành khi một nguyên tố có năng lượng ion hoá tương đối thấp kết hợp với một nguyên tố có ái lực electron cao. Ta xét thí dụ natri clorua. Năng lượng ion hoá của Na là 5,14 eV, và ái lực electron của Cl là 3,71 eV. Như vậy, muốn chuyển một electron từ nguyên tử Na sang nguyên tử Cl, cần năng lượng 5,14-3,71 = 1,43 eV. Lực hút tĩnh điện giữa hai ion dẫn đến sự lợi về năng lượng càng lớn khi hai ion càng lại gần nhau. Khoảng cách ngắn nhất giữa hai ion bằng tổng các bán kính của chúng. Lực hút tĩnh điện đóng góp phần lợi về năng lượng là 4,51 eV, tức là sự lợi tổng cộng về năng lượng cho một phân tử NaCl là 4,51-1,43 = 3,08 eV. Chính vì vậy, Na và Cl kết hợp với nhau tạo thành phân tử có hai nguyên tử với tính ion cao. Hình 1.8 Thế năng phụ thuộc khoảng cách giữa hai ion 3. Vật rắn a. Liên kết trong vật rắn Ngoài liên kết công hoá trị và liên kết ion như đã nêu ở trên cho trường hợp phân tử, trong vật rắn còn có một số loại liên kết khác nữa, như liên kết kim loại, liên kết van der Waals. ` i. Tinh thể ion 70
16. Trong các tinh thể ion, các ion liên kết với nhau thành một cấu trúc cân bằng, bền vững, trong đó lực hút giữa các ion trái dấu cân bằng với lực đẩy giữa các ion. Các nguyên tử không chập vào nhau do kết quả của nguyên lí loại trừ, theo đó hai đám mây electron đầy không phủ nhau được. Nói chung, trong tinh thể ion, mỗi ion được bao quanh bởi số ion trái dấu với nó nhiều nhất có thể được, làm cho năng lượng của hệ là thấp nhất, dẫn đến sự ổn định cao nhất. Kích thước tương đối của các ion quyết định cấu trúc tinh thể. hai loại cấu trúc phổ biến của tinh thể ion được thấy ở các hình sau. Đóng góp của sự hút tĩnh điện vào liên kết ion có thể tính toán đơn giản bằng cách lấy tổng các thế Coulomb ở các ion. Thế năng giữa hai ion i và j mang một điện tích nguyên tố đặt cách nhau rij là: e2 B U ij n 4πε 0rij rij (1.15) Hình 1.8 trình bày đường cong thế năng điển hình cho tương tác giữa hai ion. Thế năng tổng cộng do các ion j gây ra tại điểm đặt ion i là: Ui Uij j i (1.12) Nếu R là khoảng cách giữa các ion lân cận gần nhất, thì: rij Rpij (1.13) trong đó pij tuỳ thuộc vào cấu trúc tinh thể. Nếu tinh thể có N ion, thì thế năng toàn phần của tinh thể được cho bởi: e2 1 B 1  NU N   i 4  R p n n 0 j i ij R j i pij (1.14) Mỗi cấu trúc tinh thể ứng với một giá trị 71
17. 1  j i pij (1.15) gọi là hằng số Madelung. Với cấu trúc tinh thể của NaCl, thì =1,748, còn với cấu trúc CsCl thì =1,763 . B Thế năng đẩy có dạng Urep với số mũ n lớn rn (n=10 hoặc 12). Vì vật thế năng đẩy tăng nhanh khi khoảng cách nguyên tử giảm đến giá trị nhỏ. ii. Tinh thể cộng hoá trị Liên kết trong tinh thể cộng hoá trị có nguồn gốc từ sự phủ nhau của các đám mây electron của các nguyên tử cạnh nhau. Mỗi nguyên tử tham gia vào liên kết cộng hoá trị đóng góp một electron. Hình 10.8 cho thấy tinh thể kim cương, trong đó mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác thông qua các hàm lai (liên kết sp3). Hình 10.9 cho thấy một lớp graphit, trong đó mỗi nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon khác thông qua các hàm lai (liên kết sp2). Liên kết giữa các nguyên tử trong một lớp là khá mạnh, nhưng liên kết van der Waals giữa các llớp là yếu, nên các lớp có thể dễ dàng trượt lên nhau và tách ra khỏi nhau. Vì vậy graphit được dùng để bôi trơn và làm ruột bút chì. Kim cương trong suốt, cứng và không dẫn điện. Graphit màu đen, mềm và dẫn điện. 72
18. iii. Liên kết kim loại Có thể coi liên kết kim loại như trường hợp giới hạn trong đó electron tập trung ở dải giữa các lõi nguyên tử. Tuy nhiên, trái với liên kết cộng hoá trị, electron có hàm sóng trải rất rộng so với khoảng cách giữa các nguyên tử. Hình 1.10 cho ta thí dụ về thành phần hướng kính của các hàm sóng 3d và 4s của Ni ở trạng thái kim loại. Hàm sóng 4s có biên độ đáng kể ngay cả ở nửa khoảng cách đến lân cận thứ 3. Điều này có nghĩa là có nhiều nguyên tử tham gia vào một liên kết. Cũng chính vì thế mà các lõi nguyên tử bị che chắn mạnh và liên kết Hình 1.10 Biên độ các hàm sóng s và d kim loại có một số nét giống như liên kết cộng hoá trị. Tuy nhiên do sự trải rộng của hàm sóng hoá trị ra toàn bộ tinh thể, nên liên kết không có tính định hướng. Cấu trúc của tinh thể được xác định chủ yếu từ điều kiện lấp đầy tối ưu khoảng không gian trong tinh thể. Sự tương tác giữa đám mây electron mang điện âm với các ion dương trong mạng tinh thể tạo nên lực liên kết các nguyên tử. Khác với electron s, các electron d của kim loại chuyển tiếp (KLCT) là định xứ và do đó, sự phủ là yếu. Các electron d tạo ra một loại khung cộng hoá trị trong KLCT và đóng góp phần chủ yếu vào năng lượng liên kết. Dải hoá trị của kim loại, bao gồm các electron s, p, và đôi khi cả d nữa, không bị chiếm đầy (xem Bảng 1.1). Do sự phân bố gần như liên tục của các mức năng lượng trong dải, nên chỉ cần cung cấp một lượng năng lượng rất nhỏ là có thể làm cho electron biến đổi trạng thái. Nói riêng, có thể cung cấp năng lượng cho electron bằng cách đặt vào kim loại một điện trường. Như vậy, kim loại có tính dẫn điện tốt (và dẫn nhiệt tốt). Ngoài ra kim loại có độ dẻo cao. Nhìn vào Bảng 1.1, ta có thể thấy dải hoá trị chưa đầy của các kim loại xuất hiện theo những cách khác nhau. Các kim loại kiềm (Li, Na, K, Rb, Cs) có trạng thái nguyên tử s ở lớp ngoài cùng bị chiếm bởi một electron. Với các kim loại kiềm thổ (Be, Mg, Ca, Sr, Ba), ta nghĩ rằng sẽ hình thành dải hoá trị bị lấp đầy bởi các trạng thái nguyên tử s bị chiếm bởi 2 electron. Tuy nhiên, do sự phủ về năng lượng của dải trống xuất phát từ trạng thái nguyên tử p ở cùng một lớp với dải hoá trị, nên xuất hiện dải hỗn hợp s-p bị chiếm một phần. Kim loại chuyển tiếp là trường hợp đặc biệt. Ở đó, các trạng thái s và p cũng tạo thành một dải chung rộng. Như đã nêu ở trên, các electron d có hàm sóng trải rộng ít (Hình 1.10), và cũng do sự phủ ít với hàm sóng của nguyên tử lân cận, nên dải d của KLCT có bề rộng nhỏ hơn của dải sp. Do hàm sóng electron hoá trị trong kim loại trải rộng, nên khó dự đoán bằng lí thuyết năng lượng liên kết. Mặt khác, do electron hoá trị có thể chuyển động tự do giữa các nguyên tử, nên có thể mô tả sự dẫn điện và dẫn nhiệt của kim loại một cách đơn giản. iv. Liên kết hyđrô Liên kết hyđrô tồn tại trong phân tử gồm một nguyên tử hyđrô kết hợp với hai nguyên tử khác. Ta có thể ngạc nhiên về điều này khi nghĩ rằng hyđrô chỉ có một electron. Tuy vậy, có thể hình dung 73
19. liên kết đó như sau: khi hyđrô tham gia vào liên kết cộng hoá trị với một nguyên tử âm điện mạnh như ôxy chẳng hạn, thì electron của nó gần như bị chuyển hết sang nguyên tử ôxy. Proton trong nguyên tử hyđrô có thể tác dụng lực hút lên một nguyên tử thứ hai tích điện âm. Vì nguyên tử âm điện có lớp mây electron trải rộng và vì proton có kích thước rất bé, nên không thể tạo thành liên kết với nguyên tử thứ ba. Tóm lại là nguyên tử hyđrô liên kết với hai nguyên tử khác thông qua liên kết hyđrô. Thông thường hyđrô liên kết với hai nguyên tử âm điện mạnh, nhưng không phải chỉ có những trường hợp như vậy. Liên kết có thể đối xứng loại A-H-A hoặc không đối xứng loại A-H-B Tiêu chuẩn để đánh giá sự tồn tại của liên kết hyđrô là khi khoảng cách giữa hai nguyên tử A và B nhỏ hơn so với trường hợp khi giữa chúng chỉ có liên kết van der Waals. Dùng phổ hồng ngoại có thể khảo sát sự tồn tại của liên kết hyđrô, vì khi đó trên phổ ta quan sát thấy sự dịch chuyển và mở rộng của vạch phổ dao động của hyđrô. Nhìn chung, có nhiều hiện tượng liên quan đến liên kết hyđrô, và liên kết hyđrô khó xác định hơn các liên kết khác. Năng lượng liên kết hyđrô có giá trị vào khoảng 0,1 eV/liên kết. Hình 1.11 Liên kết hyđrô giữa các phân tử H2O trong nước đá Liên kết hydro đóng vai trò quan trọng trong các hợp chất có chứa hydro cùng với các nguyên tố phi kim như F, O, N, C, Cl và S. Nó gây nên sự kết hợp các phân tử, sự pôlime hoá. Nó tồn tại và đóng vai trò quan trọng trong các tinh thể hữu cơ, các chất albumin, trong các cơ thể sống. Liên kết hyđrô làm nhiệm vụ ghép hai chuỗi xoắn kép trong phân tử ADN, và vì thế đóng vai trò chủ chốt trong cơ chế di truyền. Thí dụ điển hình về liên kết trong lĩnh vực hoá vô cơ là nước, đặc biệt khi nước ở trong trạng thái rắn. Mỗi nguyên tử ôxy trong nước đá bị bao quanh bởi 4 nguyên tử ôxy khác theo cấu hình tứ diện và mối liên kết được bảo đảm bởi các nguyên tử hyđrô. Liên kết hyđrô có mặt trong nước ở thể lỏng và đưa đến tính dị thường của hệ số dãn nở nhiệt ở 4 0C . v. Liên kết van der Waals Loại liên kết này có mặt ở mọi nơi. Tuy vậy liên kết van der Waals rất yếu nên chỉ thể hiện ra khi các loại liên kết khác không xảy ra, chẳng hạn khi có sự liên kết giữa các nguyên tử có lớp electron đầy, hoặc giữa các phân tử bão hoà. Nguồn gốc của liên kết van der Waals là những thăng giáng điện tích trong nguyên tử do những dao động bậc không (là những dao động ứng với số lượng tử n = 0) gây nên. Như vậy, xuất hiện mô men lưỡng cực và lực hút. Năng lượng liên kết phụ thuộc vào độ phân cực của các nguyên tử và thường vào cỡ 0,1 eV. Bán kính liên kết nguyên tử trong liên kết van der Waals lớn hơn nhiều so với liên kết hoá học. Phần hấp dẫn của thế tương tác giữa các nguyên tử trong liên kết van der Waals biến thiên theo hàm số R 6 trong đó R là khoảng cách giữa các nguyên tử (hay phân tử). Có thể hiểu điều này từ tương tác giữa các lưỡng cực điện. Lưỡng cực có mômen p1 gây ra cách nó một khoảng R một điện trường có cường độ 3 E ~ p1 / R . Nguyên tử thứ hai, có hệ số phân cực , dưới tác dụng của điện trường E này sẽ có mô 74
20. 3 men lưỡng cực p2 ~ p1 / R . Vì thế năng của lưỡng cực p2 trong điện trường tỉ lệ với E và với p2 , nên thế năng tương tác van der Waals tỉ lệ với R 6 . Lực tương tác van der Waals là lực liên kết chủ yếu trong các tinh thể phân tử, tức là các tinh thể mà ở các nút mạng có các phân tử trung hoà. Hyđrô, clo, CO2, nhiều hợp chất hữu cơ, các khí trơ hoá rắn thì tạo thành tinh thể phân tử. Các tinh thể phân tử và khí trơ có nhiệt độ nóng chảy thấp và dễ bị nén. Hình 1-11 Giải thích cổ điển về nguồn gốc của lực van der Waals b. Dải năng lƣợng của electron trong tinh thể. Trong nguyên tử cô lập, electron nằm trên các mức năng lượng rời rạc. Trong phân tử gồm hai nguyên tử, mỗi mức năng lượng tách thành hai mức. Nếu phân tử có N nguyên tử, thì mỗi mức năng lượng nguyên tử tách ra thành N mức. Trong tinh thể gồm N nguyên tử, với N là số rất lớn, cỡ 1023, mỗi mức nguyên tử tách ra thành N mức. Độ tách của mức năng lượng vào khoàng vài eV, tuỳ theo mức năng lượng nguyên tử thấp hay cao (trên thang năng lượng) và tuỳ theo trạng thái electron của nguyên tử (s, p hay d ). Vì vậy, hai mức kế tiếp cach nhau một khoảng năng lượng rất nhỏ, cỡ 10-23 eV. Vì vây, tuy các mức năng lượng là rời rạc, nhưng do chúng rất gần nhau, nên trong nhiều trường hợp, có thể coi là chuẩn liên tục. các mức này nằm trong một dải năng lượng; dải năng lượng có độ rộng bằng độ tách mức. Dải này được gọi là dải được phép. Giữa các dải được phép có những khoảng năng lượng mà electron trong tinh thể không có năng lượng ứng với khoảng đó; đó là những dải cấm. Electron lớp ngoài cùng của nguyên tử được gọi là electron hoá trị. Mức năng lượng tương ứng gọi là mức hoá trị. Trong tinh thể, mức năng lượng này tách thành một dải năng lượng gọi là dải hoá trị. Tính chất điện, và nhiều tính chất vật lí khác của tinh thể, phụ thuộc vào hai yếu tố chủ yếu sau đây: 75
21. 1. Sự bố trí các dải năng lượng, độ rộng của các dải, vị trí tương đối của các dải 2. Số electron tổng cộng trong tinh thể Khi hai yếu tố đó đã được xác định, thì ta có thể biết được sự phân bố của electron trên các dải năng lượng bằng cách áp dụng nguyên lí năng lượng tối thiểu và nguyên lí loại trừ Pauli. Theo nguyên lí năng lượng tối thiểu, các electron trong tinh thể được bố trí trên các dải năng lượng sao cho năng lượng tổng cộng của các electron là thấp nhất có thể được. Theo nguyên lí này, thì electron sẽ lần lượt chiếm các trạng thái trong các dải từ thấp lên cao, cho đến khi hết electron. Nguyên lí loại trừ Pauli nói rắng trên mỗi mức năng lượng không thể có nhiều hơn hai electron, và hai electron đó phải có spin đối song. Biết được sự phân bố electron trên câc dải năng lượng, ta có thể suy ra tính chất điện và nhiều tính chất vật lí khác của tinh thể. 76
22. c. Phân loại vật liệu dựa trên lí thuyết dải năng lƣợng. Trong vùng Briloanh thứ nhất, có N vectơ sóng khác nhau, với N là số ô sơ cấp trong tinh thể. Ứng với mỗi vectơ sóng, có thể có hai electron với hình chiếu spin trái dấu, nên trong mỗi dải năng lượng có 2N trạng thái. Do đó theo nguyên lí Pauli, mỗi dải năng lượng có thể chứa 2N electron. Electron trong dải năng lượng bị chiếm đầy (trên mỗi mức đều có 2 electron có spin đối song) không tham gia vào quá trình dẫn điện trong tinh thể. Đó là vì trong dải đầy, không còn trạng thái tự do. Khi có điện trường ngoài đặt vào tinh thể, muốn có sự dẫn điện, phải có sự chuyển động có hướng của electron tức là vectơ sóng của các electron phải định hướng ưu tiên theo một phương. Vì mỗi mức năng lượng, ứng với một vectơ sóng, đều có 2 electron, nên không còn mức năng lượng trống, nghĩa là electron không thay đổi được giá trị của năng lượng, nghĩa là không thể tham gia vào quá trình dẫn điện. Nếu dải năng lượng có nhiều mức năng lượng còn trống, mà electron trong dải có thể chuyển lên được dưới tác dụng của điện trường ngoài, thì dải đó được gọi là dải dẫn. Tính chất dẫn điện của tinh thể được quyết định bởi sự chiếm các dải năng lượng và sự xếp đặt tương đối của các dải. D¶i D¶idÉn E >3 Eg<3 g cÊm eV eV D¶i ho¸ trÞ Kim lo¹i Kim lo¹i §iÖn m«i B¸n dÉn a) b) c) d) D¶i n¨ng l•îng cña c¸c lo¹i vËt r¾n Ta xét tinh thể mà ở mỗi nút của nó có một ion của nguyên tố hóa trị một (chẳng hạn liti, natri, kali, cêsi ). Vì mỗi nguyên tử ở nút mạng đóng góp một electron vào dải dẫn, nên dải dẫn chỉ bị chiếm một nửa (Hình a). Tinh thể như vậy dẫn điện tốt. Đó là trường hợp của các kim loại. 77
23. Nếu ở nút mạng có các nguyên tử hóa trị hai (như beri, manhê, canxi, strônti, bari) và mỗi nguyên tử đóng góp hai electron vào dải năng lượng (dải s), thì số electron trong dải là 2N. Trong trường hợp đó, dải năng lượng bị chiếm đầy và lẽ ra, tinh thể không dẫn điện. Tuy nhiên, trong thực tế, các nguyên tố hóa trị hai đều là kim loại. Đó là vì trong các kim loại này, dải năng lượng ứng với mức năng lượng nguyên tử cao hơn (dải p) là một dải trống, và dải này phủ một phần lên dải năng lượng bị chiếm đầy, ứng với mức năng lượng nguyên tử thấp hơn (Hình b). Như vậy, electron ở dải đầy có thể dễ dàng chuyển lên các mức năng lượng còn trống ở dải trên và tham gia vào quá trình dẫn điện giống như trong các kim loại kiềm vừa nói ở trên. Nếu dải đầy và dải trống bên trên nó không phủ nhau, thì có thể có hai trường hợp. Trong trường hợp bề rộng dải cấm Eg 3 eV , thì ở nhiệt độ T 0K, chuyển động nhiệt có thể chuyển một số electron từ dải hóa trị lên dải dẫn. Những electron này, khi đã nằm trên dải dẫn, có thể dễ dàng chuyển lên các mức năng lượng cao hơn trong dải và tham gia dẫn điện. Chúng được gọi là các electron tự do hay electron dẫn. Các trạng thái bị trống ở dải hóa trị bị trống trở thành các lỗ trống mang điện dương, cũng tham gia dẫn điện. Vật liệu như vậy là bán dẫn (Hình d). Nhiệt độ càng cao, nồng độ electron và lỗ trống càng cao, và bán dẫn dẫn điện càng tốt. Trong trường hợp Eg 3 eV , chuyển động nhiệt, ngay cả ở nhiệt độ phòng, cũng không tạo nên một lượng đáng kể các hạt mang điện, cho nên vật rắn không dẫn điện. Đó là trường hợp của các điện môi (Hình c). Trong một số tinh thể có thể xảy ra trường hợp là đáy E của dải dẫn nằm hơi thấp hơn đỉnh của dải hóa trị, như ở hình bên. Khi đó, ở dải dẫn có một số electron tự do, ở dải hóa trị có một số lỗ trống. Nếu số lượng các hạt tải này tương đối nhỏ, thì vật rắn là một bán kim. Khi với kim loại, ở bán kim có cả electron tự do và lỗ trống với số lượng bằng nhau. Vì dải hóa trị và dải dẫn phủ nhau rất ít nên số hạt tải điện tính cho một nguyên tử ở bán kim rất O k nhỏ so với trong kim loại. Chẳng hạn, ở bixmut (Bi), cứ π/a 105 nguyên tử mới có một electron dẫn. Trong kim loại, số electron dẫn hầu như không phụ Bán kim thuộc nhiệt độ. Còn trong bán kim, số electron dẫn và lỗ trống tăng lên chậm theo nhiệt độ. Nếu dải hóa trị và dải dẫn không phủ nhau, nhưng đỉnh của dải hóa trị tiếp xúc với đáy của dải dẫn, thì ta có bán dẫn không có dải cấm (thí dụ graphit). Chuyên đề: Bán dẫn 1.Tính chất vật lí của vật liệu bán dẫn a. Đại cƣơng về vật liệu bán dẫn Bán dẫn i. §Æc tÝnh cña b¸n dÉn Nhiều vật rắn kết tinh là những bán dẫn. Bán dẫn điển hình và được dùng phổ biến nhất là silic. Ngoài ra còn có các bán dẫn đơn chất khác như Ge, Se và các bán dẫn hợp chất như GaAs, CdTe, ZnS Nhiều oxit, sunfua, selenua, telurua của một số kim loại cũng là bán dẫn. Bán dẫn có những tính chất điện khác biệt so với kim Kim loại. loại 0 T 78 Hình 1. Điện trở suất của kim loại và bán dẫn phụ thuộc nhiệt độ
24. Điện trở suất của bán dẫn nằm trong khoảng 10-5 đến 1010 m, nghĩa là có giá trị trung gian giữa điện trở suất kim loại (10-8 đến 10-6 .m ) và điện môi (đến 1018 m). Điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng, trong khi điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng (xem Hình 1). Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện rất kém, giống như điện môi, còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt. Tính chất điện của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất có mặt trong tinh thể. ii. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết (bán dẫn thuần) Ta hãy xét trường hợp bán dẫn điển hình là Si. Si là nguyên tố có hoá trị bốn, tức là lớp electron ngoài cùng của nguyên tử Si có 4 electron. Trong mạng tinh thể bán dẫn tinh khiết, chỉ có các nguyên tử Si. Các nguyên tử này được bố trí đều đặn, mỗi nguyên tử nằm ở tâm của một hình tứ diện mà ở các đỉnh có những nguyên tử Si khác. Để đơn giản, người ta thường biểu diễn sự sắp xếp các nguyên tử Si trong mặt phẳng như trên Hình 2. Mỗi nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử lân cận thông qua các liên kết cộng hoá trị. Như vậy, xung quanh mỗi nguyên tử Si có 8 electron, tạo thành một lớp electron lấp đầy. Do đó liên kết giữa các nguyên tử trong tinh thể Si rất bền vững. Ở nhiệt độ thấp, gần 0 K, các electron hoá trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng. Do đó, trong tinh thể không có hạt S S i i mang điện tự do, và bán dẫn silic không dẫn điện. Ở nhiệt độ T > 0 K, nhờ dao động nhiệt của các nguyên tử, một S S S i i i số electron hóa trị thu thêm năng lượng và được giải phóng khỏi các liên kết. Chúng trở thành các electron tự do, có thể tham gia vào sự S S i i dẫn điện giống như electron dẫn trong kim loại nên được gọi là electron dẫn. Ngoài ra, khi một electron bứt khỏi liên kết, thì xuất S S S hiện một liên kết bị trống. Người ta gọi nó là lỗ trống. Vì mối liên i i i kết trống thiếu một electron, nên lỗ trống mang điện tích nguyên tố dương. Một electron từ một liên kết gần lỗ trống có thể chuyển đến Hình 2. Sơ đồ vị trí các nguyên tử để lấp đầy liên kết bị trống này và như vậy, làm xuất hiện một lỗ trong tinh thể Si trống ở một vị trí khác trong tinh thể. Điều đó có nghĩa là lỗ trống cũng có thể dịch chuyển trong tinh thể, do đó nó cũng tham gia vào sự dẫn điện. Như vậy có sự phát sinh đồng thời của một electron dẫn và một lỗ trống. Ta còn cần nói đến quá trình ngược lại, trong đó một electron tự do chiếm một mối liên kết bị trống và trở lại thành electron liên kết. S S Quá trình này làm mất đi đồng thời một electron tự do và một lỗ i i trống, và được gọi là quá trình tái hợp electron-lỗ trống. Ở một nhiệt S S S độ xác định, có sự cân bằng giữa quá trình phát sinh và quá trình tái i i i hợp. S S Như vậy, trong bán dẫn có hai loại hạt mang điện tự do là i i electron và lỗ trống. Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và số lỗ trống S S S i i i bằng nhau. Sự dẫn điện trong trường hợp này gọi là sự dẫn điện riêng i của bán dẫn. Bán dẫn tinh khiết còn được gọi là bán dẫn loại i. i Nhiệt độ càng cao, thì số electron và lỗ trống càng lớn. Do đó, độ Hình 3. Sự tạo thành cặp dẫn điện của bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng. Tính chất này của bán electron-lỗ trống trong bán dẫn dẫn được ứng dụng để chế tạo ra nhiệt điện trở. Ở nhiệt độ phòng, bán tinh khiết. dẫn Si tinh khiết dẫn diện kém, vì có rất ít electron tự do và lỗ trống. Electron hoá trị bứt khỏi liên Khi không có điện trường ngoài đặt vào tinh thể bán dẫn, các kết, tạo nên một electron tự do electron và lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn, không ưu tiên theo và một lỗ trống. chiều nào, do đó không có dòng điện. Khi có điện trường đặt vào, các hạt mang điện tự do có thêm chuyển động có hướng dưới tác dụng của lực điện trường: electron chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động thuận 79
25. chiều. Do đó, xuất hiện dòng điện. Vậy, dòng điện trong bán dẫn tinh khiết là dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống. Theo lí thuyết dải năng lượng của vật rắn, ở nhiệt độ E 0K, các electron hoá trị liên kết với các nguyên tử Si thì chiếm đầy dải năng lượng bị chiếm cao nhất, gọi là dải hoá trị (Hình 4). Do ở dải hoá trị không còn mức năng Dải dẫn lượng trống (hay trạng thái trống), nên electron liên kết không thể thay đổi được năng lượng bằng cách chuyển sang mức năng lượng khác trong dải đó. Điều đó có nghĩa Eg Dải cấm là khi có điện trường đặt vào bán dẫn, thì các electron liên kết không thay đổi được chuyển động của chúng, hay nói khác đi, điện trường không gây nên dòng electron Dải hoá trị trong bán dẫn. Trong trường hợp này, bán dẫn không dẫn điện. Bên trên dải hoá trị, các dải năng lượng hoàn toàn trống. Dải trống thấp nhất gọi là dải dẫn. Đáy dải dẫn cách đỉnh dải hoá trị một khoảng có bề rộng Eg gọi là dải Hình 4. Sơ đồ dải năng lượng của bán dẫn cấm. Trong bán dẫn Si, Eg=1,1 eV. Khi nhiệt độ cao hơn 0 K, một số electron liên kết ở dải hoá trị có thể thu được ở T = 0 K, dải hoá trị bị chiếm đầy bởi các electron liên kết, dải dẫn trống hoàn năng lượng đủ để vượt qua dải cấm và nhảy lên dải dẫn toàn. Những đường nằm ngang tượng (Hình 5) Những electron này chiếm các mức năng lượng trưng cho các trạng thái bị chiếm bởi ở đáy dải dẫn; bên trên còn rất nhiều mức năng lượng electron. trống nằm rất sát nhau. Electron khi thu được năng lượng dù rất nhỏ, đã có thể chuyển lên mức năng lượng cao hơn còn trống; electron cũng có thể chuyển từ mức cao xuống mức trống thấp hơn. Như vậy, electron ở dải dẫn có thể chuyển động tự do trong bán dẫn. Ta gọi chúng là các electron dẫn. Khi có điện trường ngoài đặt vào, các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường, gây nên dòng điện trong bán dẫn. E Trong trường hợp này, bán dẫn dẫn điện. Khi một electron từ dải hoá trị thu được đủ năng lượng và chuyển lên dải dẫn, thì nó để lại trong dải hoá trị một trạng thái trống. Electron ở trạng thái khác, có năng lượng thấp hơn, chỉ cần thu được năng lượng rất nhỏ là Electron dẫn có thể chuyển lên trạng thái này và lại để lại một trạng E thái trống ở mức năng lượng của electrôn lúc đầu. Như g vậy, trạng thái trống có thể thay đổi mức năng lượng của Lỗ trống nó, nghĩa là có thể chuyển động tự do. Khi có điện trường đặt vào bán dẫn, trạng thái trống chuyển động thuận chiều điện trường giống như hạt mang điện dương. Ta gọi chúng là các lỗ trống. Từ lí luận trên, ta còn thấy là khi năng lượng của lỗ trống tăng, thì nó chiếm các năng lượng ở phía dưới trong dải hoá trị. Năng lượng lỗ trống là thấp nhất khi nó ở dỉnh dải hoá trị. Hình 5. Sự tạo thành cặp electron-lỗ Hai cách xét trên đây, trong mạng tinh thể và trong sơ trống đồ dải năng lượng của bán dẫn, đều được sử dụng để giải ở T>0 K, electron có thể thu được đủ thích các tính chất điện của bán dẫn. Sơ đồ dải năng năng lượng và chuyển lên dải dẫn. Một lượng thuận tiện hơn trong những trường hợp mà người lỗ trống xuất hiện trong dải hoá trị. ta chú ý đến giá trị của năng lượng trong các quá trình. Theo sơ đồ dải năng lượng, mỗi khi electron liên kết thu được năng lượng đủ để vượt qua dải cấm, thì một cặp electron lỗ trống được tạo ra. Khi ta chiếu ánh sáng có năng lượng photon  Eg thì những cặp electron - lỗ trống được tạo thêm, làm tăng độ dẫn 80
26. điện của bán dẫn. Đó là hiện tượng quang dẫn. Nó được ứng dụng trong các quang điện trở, là những linh kiện có điện trở giảm đi khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó tăng lên. iii. Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất Nếu bán dẫn Si có pha tạp chất, tức là ngoài các nguyên tử Si, còn có các nguyên tử khác, thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều. Chỉ cần một lượng rất nhỏ tạp chất (với tỉ lệ vài phần triệu), độ dẫn điện của bán dẫn có thể tăng hàng vạn, hàng triệu lần. Khi đó, cùng với sự dẫn điện riêng còn có sự dẫn điện do tạp chất. Bán dẫn loại n S S Hình 6. Tạp chất P tạo thêm electron tự do i i Khi một nguyên tử P thay thế nguyên tử Si, một electron thoát khỏi nguyên tử P và trở S S i P i thành electron tự do, mà không có lỗ trống được tạo thành. S S i i S S S i i i Giả sử tạp chất là phôtpho (P). Mỗi nguyên tử P có năm electron ở lớp ngoài. Khi P thay thế cho Si ở một nút mạng tinh thể, nó đóng góp bốn electron để tạo thành liên kết với các nguyên tử Si. Electron còn lại liên kết yếu, ngay cả ở nhiệt độ thấp, nó có thể dễ dàng bứt khỏi nguyên tử P và trở thành electron tự do. Nguyên tử P trở thành một ion dương, nằm tại nút mạng. Vậy tạp chất P đã tạo nên thêm các electron dẫn, mà không làm tăng thêm số lỗ trống. Do đó, bán dẫn Si pha P có số electron dẫn nhiều hơn số lỗ trống; ta gọi electron là hạt mang điện cơ bản (hay đa số), lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản (hay thiểu số). Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn electron hay bán dẫn loại n. Bán dẫn loại p Nếu tạp chất là nguyên tố hoá trị 3 như bo (B), thì còn thiếu một electron để tạo thành liên kết giữa nguyên tử B với bốn nguyên tử Si lân cận. Một electron ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết này và tạo thành lỗ trống. Còn nguyên tử B thì trở thành một ion âm nằm ở nút mạng. Như vậy, tạp chất B đã tạo thêm lỗ trống. Trong bán dẫn Si pha B, số lỗ trống nhiều hơn số electron dẫn. Lỗ trống là hạt mang điện cơ bản, electron là hạt mang điện không cơ bản. Đó là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p. Sơ đồ dải năng lƣợng của bán dẫn tạp chất Theo sơ đồ dải năng lượng, trong bán dẫn loại n, tạp chất tạo thành một mức năng lượng tạp chất, gọi là mức đono. Mức đono nằm trong dải cấm, phía dưới đáy dải dẫn, cách đáy dải dẫn một khoảng Eđ rất nhỏ, cỡ 0,01 eV (Hình 7a). Do đó, chỉ cần thu được năng lượng Eđ , là electron của nguyên tử tạp chất đã nhảy lên được dải dẫn trở thành electron dẫn, còn nguyên tử tạp chất trở thành ion dương. Ta cũng thấy ngay là sự tạo thành electron dẫn như vậy không làm xuất hiện lỗ trống trong dải hoá trị. Trong bán dẫn loại p, tạp chất tạo thành mức axepto trong dải cấm, nằm phía trên, cách đỉnh dải hoá trị một khoảng Ea. Electron ở dải hoá trị chỉ cần thu năng lượng Ea là có thể nhảy lên mức axepto. Kết quả là một lỗ trống được sinh ra trong dải hoá trị, không kèm theo sự tạo thành electron trong dải dẫn. 81
27. Mức đono Mức axepto a) b) Hình 7. Sơ đồ dải năng lượng của bán dẫn pha tạp a) Bán dẫn loại n. Mức đono nằm gần đáy dải dẫn. b) Bán dẫn loại p. Mức axepto nằm gần đỉnh dải hoá trị. Nhận xét chung về các tính chất của bán dẫn tạp chất +Khoảng cách giữa các mức tạp chất và các dải tương ứng thường là rất nhỏ, cỡ phần trăm eV. Do đó, ngay cả ở những nhiệt độ rất thấp, khoảng vài chục kenvin, thì các hạt tải do tạp chất tạo nên đã tồn tại trong bán dẫn và các nguyên tử tạp chất đã bị ion hoá, trong khi mà số các hạt tải điện do sự dẫn điện riêng gây ra còn rất ít. Ở khu vực nhiệt độ cao hơn, như ở nhiệt độ phòng, thì trong những bán dẫn thông dụng (như Si, có bề rộng dải cấm 1,1 eV) sự dẫn điện riêng còn yếu, vì vậy sự dẫn điện do tạp chất vẫn quyết định. Ở nhiệt độ cao hơn nữa (chẳng hạn, trên 1500C với bán dẫn Si), thì sự dẫn điện riêng chiếm ưu thế. Khi đó các linh kiện dựa trên lớp chuyển tiếp p-n không làm việc được nữa (vì sự khác nhau giữa bán dẫn loại p và loại n hầu như không còn nữa). +Trong khoảng nhiệt độ tương đối thấp, mà ở đó các tạp chất đã ion hoá hết nhưng sự dẫn điện riêng còn rất yếu, thì có thể xảy ra tình huống là khi nhiệt độ tăng, điện trở suất của bán dẫn tăng. Đó là vì trong những trường hợp này, khi nhiệt độ tăng, số lượng hạt tải (do sự tạo thành các cặp electron-lỗ trống gây nên) hầu như không tăng, nhưng cản trở do dao động mạng gây nên đối với chuyển động của các hạt tải lại tăng lên mạnh. + Tạp chất được pha vào bán dẫn làm tăng số hạt tải điện. Tuỳ thuộc tạp chất mà những hạt tải điện tăng thêm đó là electron hay lỗ trống. Chẳng hạn, nếu ta pha photpho vào bán dẫn silic, thì tạp chất này làm tăng số electron, nhưng không làm tăng số lỗ trống. Như vậy, việc pha tạp chất vào bán dẫn tinh khiết không những làm tăng mạnh số lượng các hạt tải điện mà còn làm thay đổi số lượng tương đối của hai loại hạt tải: electron và lỗ trống, và do đó làm thay đổi loại bán dẫn, chuyển từ bán dẫn tinh khiết, hay bán dẫn riêng, còn gọi là bán dẫn loại i (từ tiếng Anh intrinsic có nghĩa là riêng) sang loại p hoặc n. Có những trường hợp bán dẫn chứa vài ba loại tạp chất, trong đó có tạp chất tạo ra electron, có tạp chất tạo ra lỗ trống. Khi đó loại của bán dẫn (loại p hoặc loại n) và nồng độ hạt tải điện tuỳ thuộc vào tương quan nồng độ giữa các loại tạp chất. Người ta lợi dụng tính chất này để thay đổi loại của bán dẫn và nồng độ hạt tải điện, thông qua việc pha các tạp chất một cách thích hợp. 2. Lớp chuyển tiếp p-n a. Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n Lớp chuyển tiếp p-n được hình thành khi ta cho hai mẫu bán dẫn khác loại, loại p và loại n, tiếp xúc với nhau (xem Hình 8). Khi có sự tiếp xúc, các hạt mang điện tự do, gồm lỗ trống và electron, sẽ khuếch tán từ mẫu p sang mẫu n và ngược lại. Tuy nhiên, do ở bán dẫn p, hạt mang điện đa số là lỗ trống, nên dòng khuếch tán từ bán dẫn p sang n chủ yếu là dòng lỗ trống. Lỗ trống từ p sang n tái hợp 82
28. với electron tự do. Do đó, ở phía bán dẫn n gần mặt phân cách hai mẫu bán dẫn không còn hạt mang điện tự do nữa. Ở đó chỉ có các ion tạp chất mang điện dương. Tương tự, từ phía n sang phía p, dòng khuếch tán chủ yếu là electron. Phía p p n gần mặt phân cách hai mẫu, có các ion tạp chất mang điện âm. Kết quả của sự khuếch tán là ở mặt phân cách giữa hai mẫu bán a) dẫn, bên phía bán dẫn n có một lớp điện tích dương, bên phía bán dẫn p có một lớp điện tích âm. Tại đó xuất hiện một điện trường trong E hướng từ phía n sang p. Điện trường này ngăn cản sự khuếch tán các p n hạt mang điện đa số (và thúc đẩy sự khuếch tán các hạt thiểu số). Cường độ của điện trường tăng dần, làm cho dòng khuếch tán các hạt b) E mang điện đa số giảm dần. Sự khuếch tán dừng lại khi cường độ điện trường này đạt giá trị ổn định. Ta nói rằng ở chỗ tiếp xúc hai loại bán Hình 9. Sự hình thành dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n. Lớp chuyển tiếp có điện trở lớp chuyển tiếp p-n lớn, vì ở đó hầu như không có hạt mang điện tự do. Trong thực tế, lớp chuyển tiếp p-n được tạo thành khi người ta pha các tạp chất một cách thích hợp vào các phần khác nhau của một mẫu bán dẫn. Khi hình thành lớp chuyển tiếp p-n, thì các dải năng lượng EC bị cong đi ở hai bên của lớp chuyển tiếp như ở Hình 10. Trên hình ta chỉ vẽ đáy của dải dẫn (kí hiệu là EC) và đỉnh của dải hoá trị (kí hiệu Ev EF là EV). Giữa hai phía của lớp chuyển tiếp có một hiệu điện thế, ứng với điện thế cao ở phía bán dẫn n, điện thế thấp ở phía p. Hiệu điện thế này liên hệ với điện trường trong E ở lớp chuyển tiếp có chiều từ p sang n. Do hiệu điện thế này mà xuất hiện hiệu năng lượng của p n electron và lỗ trống giữa hai phía như thấy trên hình. Trên sơ đồ, EF là mức năng lượng Fermi, là mức năng lượng chung cho hệ gồm hai mẫu bán dẫn. Nó xác định sự phân bố của các Hình 10. Sơ đồ dải năng lượng hạt tải điện theo năng lượng. Trong những bán dẫn thông thường, có của lớp chuyển tiếp p-n thể coi gần đúng mức Fermi trùng với các mức tạp chất (đono ở n và Các hình tròn đen biểu thị axepto ở p). Đây cũng là lí do để các dải năng lượng bị cong đi ở lớp electron dẫn. Các vòng tròn biểu chuyển tiếp. thị lỗ trống. b. Dòng điện thuận và dòng điện ngƣợc qua lớp chuyển tiếp p-n Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn vào một nguồn điện có hiệu điện thế V, sao cho cực dương của nguồn nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n, như trên Hình E 11. Điện trường ngoài E do nguồn điện gây ra tại lớp chuyển tiếp p- n n n ngược chiều với điện trường trong E của lớp chuyển tiếp, do đó p n làm yếu điện trường trong. Kết quả là dòng chuyển dời của các hạt mang điện đa số được tăng cường. Dòng các hạt đa số gây nên dòng E điện I có cường độ lớn chạy theo chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Đó là dòng điện thuận. Dòng điện này do hiệu điện thế thuận của Hình 11. Lớp chuyển tiếp p-n nguồn điện gây nên và tăng nhanh khi hiệu điện thế tăng. Đây là mắc vào nguồn điện theo chiều trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận (còn gọi là lớp thuận chuyển tiếp p-n được phân cực thuận). Điện trường ngoài E ngược Ta đổi cực của nguồn điện mắc vào mẫu bán dẫn, tức là mắc n cực dương vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p. Điện trường ngoài chiều với điện trường trong E . Dòng điện thuận chạy từ p sang E cùng chiều với điện trường trong E , làm tăng cường điện trường n n. trong. Chuyển dời của các hạt thiểu số được tăng cường, ngược lại, chuyển dời của các hạt đa số hoàn toàn bị ngăn cản. Qua lớp chuyển tiếp có dòng các hạt mang điện thiểu số, gây nên dòng điện I chạy từ 83
29. phía n sang phía p. Dòng điện này có cường độ rất nhỏ và hầu như không thay đổi khi ta tăng hiệu điện thế V. Đó là dòng điện ngược, do hiệu điện thế ngược của nguồn gây nên. Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược (hay phân cực ngược). Ec Ec Ev Ev Ev Ingược Ithuận p a) n b)p n p c) n Hình 12. Sơ đồ dải năng lượng ở lớp chuyển tiếp p-n a) khi chưa phân cực, không có dòng điện; b) khi phân cực ngược, hàng rào thế cao hơn, dòng điện ngược rất nhỏ; c) khi phân cực thuận, hàng rào thế thấp đi, dòng điện thuận lớn. Như vậy, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc I(mA) theo chiều thuận (từ p sang n) có cường độ lớn, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược 15 có cường độ rất nhỏ. Lớp chuyển tiếp p-n dẫn điện 0 tốt theo một chiều, từ p sang n. Lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉnh lưu. 10 0 Theo sơ đồ dải năng lượng, thì khi lớp chuyển tiếp mắc theo chiều thuận, điện trường ngoài làm giảm hiệu điện thế giữa hai bên lớp p-n, do đó 50 làm cho độ chênh năng lượng của cả electron và lỗ - -20 - 15 - 10 - 5 U (V) trống giữa hai bên lớp chuyển tiếp giảm đi. Ta xét 25 0 1 2 xem điều đó dẫn đến kết quả gì. Nếu xét electron - dẫn, chẳng hạn, thì khi độ chênh năng lượng giảm 5 đi, electron ở phía n (phía phải của Hình 12c) dễ 0 dàng vượt qua hàng rào năng lượng để sang phía p Hình 12 Đường đặc trưng vôn-ampe của lớp hơn, vì hàng rào năng lượng đã thấp đi. Mà phía n chuyển tiếp p-n. thì nhiều electron (hạt mang điện đa số), nên dòng Khi hiệu điện thế ngược khá lớn, sẽ xảy ra hiện điện chạy qua lớp chuyển tiếp có gia trị lớn. Với lỗ tượng đánh thủng và dòng ngược tăng mạnh. 84
30. trống cũng có hiện tượng tương tự. Khi lớp chuyển tiếp mắc theo chiều ngược, hàng rào năng lượng cao lên (Hình 12 b). Chuyển động của các hạt đa số bị cản trở nhiều hơn. Còn chuyển động của hạt thiểu số lại được tăng cường, nhưng chúng chỉ gây nên dòng điện rất nhỏ. c. Đặc trƣng vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I qua lớp chuyển tiếp p-n vào hiệu điện thế U đặt vào lớp chuyển tiếp, gọi là đặc trưng vôn-ampe của lớp chuyển tiếp, có dạng: eU/kT I I0 (e 1) ở đây I và U được quy ước là các đại lượng đại số. I có dấu dương nếu là dòng điện thuận. U có dấu dương nếu là hiệu điện thế thuận. Đồ thị biểu diễn quan hệ I, U của lớp chuyển tiếp p-n, gọi là đường đặc trưng vôn-ampe, được thấy trên Hình 12. Trong thực tế, người ta chỉ sử dụng điot phân cực thuận đến giá trị hiệu điện thế thuận cỡ một vài von. Đó là vì, với điện thế thuận cao hơn, dòng điện thuận có giá trị rất lớn, làm hỏng lớp chuyển tiếp. Khi điot phân cực ngược, dòng ngược rất nhỏ và hầu như không tăng theo hiệu điện thế. Tuy nhiên, nếu hiệu điện thế ngược quá lớn, điện trường trong Et ở lớp chuyển tiếp quá lớn, thi sẽ xảy ra hiện tượng "đánh thủng" lớp chuyển tiếp và dòng ngược tăng lên mạnh (xem Hình 12). Nói chung, khi đó lớp chuyển tiếp bị hỏng. to 3. Linh kiện bán dẫn Các dụng cụ bán dẫn đều hoạt động trên cơ sở tính chất điện đặc biệt của bán dẫn mà chúng ta đã khảo sát tương đối chi tiết ở Bài 23. Có thể phân chia các dụng cụ bán dẫn thành hai loại: loại dụng cụ hoạt động dựa trên sự dẫn điện của bán dẫn, trong đó số hạt tải điện trong bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ của bán dẫn hoặc vào ánh sáng (nói chung là các loại bức xạ) chiếu vào bán dẫn. Nhiệt điện trở và quang điện trở là những dụng cụ thuộc loại này. Hình 24.1 Sơ đồ dụng cụ đo nhiệt loại dụng cụ hoạt động dựa trên lớp chuyển tiếp p-n. Thuộc độ dùng nhiệt điện trở loại này, có các điot, tranzito hai lớp chuyển tiếp p-n, tranzito trường. Các mạch vi điện tử có chứa rất nhiều dụng cụ loại này. Ngoài ra, ở những vi mạch, các lớp R chuyển tiếp p-n còn được sử dụng làm vùng ngăn cách t giữa các linh kiện. o a. Nhiệt điện trở và quang điện trở i. Nhiệt điện trở Tủ Sự phụ thuộc mạnh của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ được ứng dụng để làm nhiệt điện trở bán dẫn. Đó là một sấy dụng cụ gồm một mẫu bán dẫn nối với hai dây dẫn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở mẫu bán dẫn giảm. Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ, để điều chỉnh và khống chế nhiệt độ. Nhiệt điện trở thường được làm từ bán dẫn là oxit kim loại chuyển tiếp, hoặc Ge, Si. Hình 24.2 Sơ đồ mạch tự động đơn giản dùng Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ, để điều chỉnh và nhiệt điện trở để duy trì nhiệt độ trong tủ sấy. khống chế nhiệt độ. 85
31. Người ta mắc nhiệt điện trở vào một nhánh của cầu Wheastone (Hình 24.1). Ở một nhiệt độ nào đó, người ta điều chỉnh cho cầu cân bằng, điện kế mắc trên cầu không có dòng điện chạy qua. Khi nhiệt độ thay đổi, kim điện kế lệch khỏi vị trí cân bằng. Người ta thường chia thang đo của điện kế theo nhiệt độ để tiện sử dụng. Sơ đồ nguyên tắc của một mạch khống chế nhiệt độ được vẽ trên Hình 24.2. Giả sử người ta muốn giữ nhiệt độ t trong một tủ sấy. Bình thường, tiếp điểm của rơle đóng, dây đốt có dòng điện chạy qua, làm nóng tủ sấy. Khi nhiệt độ đạt đến t , điện trở của nhiệt điện trở giảm đi, khiến dòng điện qua rơle tăng đến giá trị làm cho tiếp điểm mở ra, thì dòng điện qua dây đốt bị ngắt. Khi nhiệt độ hạ xuống, dòng điện qua rơ le giảm, làm tiếp điểm đóng lại và dây đốt có dòng điện chạy qua. Dùng biến trở R, ta có thể thay đổi giá trị của nhiệt độ t cần giữ cố định trong tủ sấy. ii. Quang điện trở Quang điện trở được dùng để đo cường độ ánh sáng, trong các mạch tự động đóng ngắt, trong các mạch đếm. Ta có thể + thiết kế một mạch tự động bật đèn chiếu sáng khi đêm xuống và tắt đèn chiếu sáng khi trời sáng, dựa trên sơ đồ tương tự như ở Hình 24.2, chỉ khác là thay vào chỗ của nhiệt điện trở là quang điện trở, và thay vào chỗ dây đốt nóng là đèn chiếu D D2 sáng. Trong thực tế, người ta các sơ đồ phức tạp hơn, có thêm 1 R mạch khuếch đại để tăng độ chính xác và ổn định của hệ tự động. D4 D3 b. Các loại điôt Điot bán dẫn là các dụng cụ bán dẫn có hai cực, trong đó có một lớp chuyển tiếp p-n. + i. Điôt chỉnh lưu Hình 24.3 Mạch chỉnh lưu hai nửa Điot chỉnh lưu sử dụng tính chất dẫn điện (chủ yếu) theo chu kì dùng điot bán dẫn. một chiều để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện Trong cả hai nửa chu kì của dòng điện xoay một chiều. Hình 24.2 SGK trình bày sơ đồ mạch chỉnh lưu đơn chiều, dòng điện đều chạy qua điện trở tải R giản, gọi là mạch chỉnh lưu một nửa chu kì. Ở nửa chu kì của theo chiều từ trái sang phải hiệu điện thế xoay chiều đặt vào mạch, khi điện thế cực trên cao hơn cực dưới (cực trên có điện thế dương so với cực dưới), thì điot được phân cực thuận và có dòng điện chạy qua điot từ trái sang phải. Ở nửa chu kì sau, cực trên có điện thế âm, điot không cho dòng điện qua. Kết quả là qua điện trở tải R chỉ có dòng điện chạy theo một chiều từ trên xuống dưới (trong một R nửa chu kì). Dòng điện này có cường độ thay đổi theo thời gian. Trên Hình 24.3 là mạch cầu chỉnh lưu, có tác dụng chỉnh lưu hai nửa chu kì. Ở nửa chu kì của dòng điện xoay chiều, khi điện thế ở cực trên của nguồn cao hơn ở cực dưới, dòng điện đi theo H×nh 38.2 Ph«t« ®i«t m¾c các mũi tên liền nét. Ở nửa chu kì sau, dòng điện đi theo các mũi trong m¹ch. tên đứt nét. Trong cả hai nửa chu kì, dòng điện đi qua điện trở tải Ph«t« ®i«t ®•îc kÝ hiÖu theo một chiều, từ trái sang phải, có cường độ thay đổi theo thời b»ng ®i«t cã hai mòi tªn (t•¬ng tr•ng cho tia gian. Nếu sử dụng thêm các mạch lọc gồm tụ điện, điện trở và s¸ng) h•íng vµo. Khi ¸nh cuộn cảm, có thể biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện s¸ng cã c•êng ®é biÕn một chiều có cường độ không đổi theo thời gian. thiªn chiÕu vµo ®i«t, th× c•êng ®é dßng ®iÖn ii. Photođiôt ng•îc qua ®i«t còng biÕn Ánh sáng chiếu vào lớp chuyển tiếp p-n làm xuất hiện các thiªn. Trªn ®iÖn trë t¶i R , cã hiÖu ®iÖn thÕ 86 biÕn thiªn theo c•êng ®é ¸nh s¸ng.
32. cặp electron-lỗ trống. Điện trường trong ở lớp chuyển tiếp đẩy các electron về phía bán dẫn loại n và đẩy các lỗ trống về phái bán dẫn loại p. Nếu hai đầu lớp chuyển tiếp p-n, phía bán dẫn loại p và loại n được mắc với một điện trở tải, thì có dòng điện qua điện trở tải. Lớp chuyển tiếp p-n trở thành nguồn điện. Đó là nguyên tắc của pin ánh sáng hay pin mặt trời. Photođiot là những điot đặt trong vỏ trong suốt với ánh sáng. Nếu điot được phân cực ngược, thì dòng điện (ngược) tăng lên rất nhiều lần khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Dòng ngược càng lớn khi ánh sáng càng mạnh. Photođiot có thể được sử dụng để thu tín hiệu ánh sáng, biến nó thành tín hiệu điện, giống như một quang điện trở, nhưng có độ nhạy cao hơn. Pin mặt trời thực chất là photođiot, nhưng đươc sử dụng làm nguồn điện. Nó biến đổi năng lượng ánh sáng Mặt Trời thành điện năng. Để có công suất điện lớn, người ta làm các pin mặt trời có diện tích lớn để thu được nhiều ánh sáng. Các pin mặt trời được ghép một cách thích hợp để tạo thành nguồn điện có thể cung cấp hiệu điện thế và dòng điện theo yêu cầu sử dụng. Pin Mặt Trời được sử dụng rộng rãi ở những nơi xa các nhà máy điện (hải đảo, miền núi ) và trên các con tàu vũ trụ. Ở một số nơi, người ta lợp mái nhà bằng những tấm pin mặt trời có diện tích lớn, có thể cung cấp đủ năng lượng cho nhu cầu, không cần dùng điện lưới. Nhiều cánh đồng pin mặt trời đã được xây dựng ở những vùng sa mạc hoang vu, nhiều nắng, là những nguồn cung cấp điện năng sạch, bền vững. iii. Điôt phát quang Điot phát quang là một ứng dụng của lớp chuyển tiếp p-n để biến đổi điện năng thành ánh sáng. Khi ta cho dòng điện thuận đi qua điot, thì ở khu vực lớp chuyển tiếp xảy ra sự tái hợp electron và lỗ trống, và năng lượng được giải phóng. Trong một số điều kiện (cấu trúc của lớp chuyển tiếp, bản chất của bán dẫn làm điot), thì năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng: có ánh sáng phát ra từ lớp chuyển tiếp. Màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào bề rộng của dải cấm và vào các tạp chất được pha vào bán dẫn. Điot phát quang ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như làm các bộ hiển thị, đèn chiếu sáng do có ưu điểm là hiệu suất phát quang cao, kích thước nhỏ, sử dụng hiệu điện thế thấp, tuổi thọ lớn. Laze bán dẫn hoạt động giống như điôt phát quang, nhưng có thêm hộp cộng hưởng. Do đó ánh sáng do laze bán dẫn phát ra là khá đơn sắc, với độ rộng phổ hẹp. iv. Điôt Zener Điôt Zêne cũng là loại linh kiện bán dẫn dùng một lớp chuyển tiếp p-n, nó cũng có đặc tuyến von- ampe giống như điôt thông thường. Tuy nhiên, khu vực làm việc là ở đoạn đánh thủng, nhưng không làm hỏng lớp chuyển tiếp p-n. Đó là do công nghệ chế tạo đặc biệt với nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn rất thấp. Ta đã biết tại đoạn đặc tuyến đánh thủng, dòng tăng rất nhanh nhưng điện áp hầu như không thay đổi. Người ta lợi dụng tính chất này để ổn định điện áp một chiều và gọi là mạch ổn áp kiểu tham số (hình8) Rhc Uổn Z Rt Hình 8: Hình dạng một kiểu Zener và mạch điện nguyên lý 87
33. Điôt Zener được phân cực ngược. Uz là điện áp ở hai đầu Z và là điện áp ổn định, lấy ra sử dụng. Iz là dòng qua điôt, Rhc là điện trở hạn chế dòng điện baỏ đảm an toàn cho điôt. Uz của mỗi loại điôt là khác nhau, vì vậy khi ổn áp ở mức nào thì cần lựa chọn đúng điôt Zener của mức đó. Về mặt lí thuyết, thì điện áp ổn định tốt nhất là từ 5V đến 8V. Như vậy khi cần ổn áp 12V, thì dùng hai điôt Zener loại 6V mắc nối tiếp sẽ tốt hơn dùng một điôt Zener 12V. Mạch ổn áp kiểu tham số đơn giản, nhưng phạm vi ổn áp hẹp. Nó chỉ là cơ sở để thiết kế các bộ ổn áp có tính năng tốt hơn v.Điôt biến dung (varicap) Điot biến dung là loại điôt có cấu tạo đặc biệt để có điện dung lớp chuyển tiếp p-n lớn, có thể thay thế cho tụ điện. Giá trị điện dung của điôt thay đổi nhờ sự thay đổi điện áp đặt vào hai đầu của nó. Hiện nay điôt biến dung E R được dùng khá phổ biến trong lĩnh vực cao tần, vì kích DZ L thước nhỏ nên điện dung ký sinh nhỏ và độ tin cậy cao rất Điôt biến dung mắc trong mạch thích hợp cho công nghệ điện tử hiện đại. Ví dụ về mạch cộng hưởng chọn sóng cộng hưởng dùng varicap được nêu ở hình bên. n vi. Pin nhiệt điện và thiết bị làm lạnh nhờ 1 hiệu ứng Peltier p Pin nhiệt điện bán dẫn là một chuỗi các thanh bán dẫn loại n và 2 loại p mắc (hàn với nhau) nối tiếp, xen kẽ nhau. Như đã nói ở Bài n 23, giữa hai phía của mỗi lớp chuyển tiếp p-n có một hiệu điện thế A 3 B p tiếp xúc. Hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn, vào 4 tạp chất và vào nhiệt độ. Ngoài ra, khi nhiệt độ ở hai đầu của một n thanh bán dẫn khác nhau, thì có một dòng hạt tải điện chạy từ đầu 5 nóng sang đầu lanh, làm xuất hiện một hiệu điện thế giữa hai đầu p thanh. Nếu ta giữ các mối hàn lẻ ở nhiệt độ khác với các mối hàn chẵn, thì trong mạch có một suất nhiệt điện động bằng tổng đại số các hiệu điện thế trên các mối hàn và trên các thanh bán dẫn. Chênh lệch nhiệt độ càng cao thì suất nhiệt điện động càng lớn. Hiện tượng Hình 24.4 Thiết bị làm lạnh nhớ này gọi là hiệu ứng Zêbec (Seebeck). hiệu ứng Penchiê. Hiện tượng ngược lại gọi là hiệu ứng Penchiê (Peltier). Khi cho Các mối hàn lẻ lạnh đi. Các mối hàn chẵn nóng lên. B là bộ phận dòng điện chạy qua chuỗi các thanh bán dẫn loại p và loại n mắc xen cần làm lạnh. A là bộ phận tản kẽ nhau, thì có những mối hàn (chẵn, chẳng hạn) nóng lên, còn nhiệt. những mối hàn khác (lẻ) lạnh đi, như trên Hình 24.4. Ở những mối p n p hàn mà các hạt tải chuyển động từ nơi chúng có năng lượng thấp đến E nơi chúng có năng lượng cao, thì các hạt tải nhận thêm năng lượng từ C môi trường; ở đó nhiệt độ của mối hàn thấp xuống. Ngược lại, nếu các hạt tải chuyển đến nơi có năng lượng thấp hơn, thì chúng giải phóng năng lượng, làm cho mối hàn nóng lên. Ngoài ra , trong một thanh a B bán dẫn, nếu chiều chuyển động của các hạt tải điện gây nên dòng ) điện mà cùng chiều với dòng hạt tải điện do chênh lệch nhiệt độ giữa E C hai đầu thanh bán dẫn, thì có sự toả nhiệt phụ. Nếu hai chiều này ngược nhau thì có sự hấp thụ nhiệt. Đó là hiệu ứng Thompson. Kết quả của hai hiện tượng trên đây là có những mối hàn nóng lên, có những mối hàn lạnh đi. Người ta ứng dụng hiệu ứng này để chế tạo B các thiết bị làm lạnh có kích thước nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, không b gây tiếng ồn. Những bộ làm lạnh hiện đại có thể tạo nên chênh lệch ) nhiệt độ đến 50 oC giữa các mối hàn nóng và các mối hàn lạnh. Nếu Hình 38.3 Tranzito p-n-p ghép các bộ làm lạnh thành nhiều tầng, thì có thể đạt được những a) cấu tạo ; b) kí hiệu 88
34. nhiệt độ rất thấp. c. Tranzito i. Tranzito lưỡng cực Tranzito p-n-p (gọi là tranzito hai lớp chuyển tiếp hay tranzito lưỡng cực, để phân biệt với tranzito trường) có sơ đồ dải năng lượng được vẽ trên Hình 24.5. Ta chú ý rằng khu vực bán dẫn n (của cực gốc) có chiều dày rất nhỏ và có nồng độ hạt tải thấp. Tranzito là một dụng cụ bán dẫn có hai lớp chuyển tiếp p-n. Tranzito được tạo thành từ một mẫu bán dẫn, trên đó bằng cách khuếch tán các tạp chất, người ta tạo thành ba khu vực bán dẫn, theo thứ tự là p- n-p hoặc n-p-n. Khu vực ở giữa có chiều dày rất nhỏ (vài micromet) và có nồng độ hạt mang điện nhỏ. Hình 5.8a mô tả cấu tạo của một tranzito p-n-p. Ba cực của tranzito được nối với ba khu vực, và được gọi là cực phát (hay emitơ, E), cực gốc (hay bazơ, B) và cực góp (hay colectơ, C). Trong các sơ đồ mạch điện tử, tranzito được kí hiệu như trên Hình 38.3b. Để tranzito làm việc được, người ta mắc nó vào mạch như trên Hình 38.4. Nguồn điện E1 làm cho qua lớp chuyển tiếp E-B có dòng điện theo chiều thuận. Nguồn điện E2, với E2 thường lớn hơn E1 từ 5 đến 10 lần, đặt vào lớp chuyển tiếp B-C một hiệu điện thế ngược. Dòng IE chủ yếu là dòng lỗ trống từ E sang B, còn phần do dòng electron từ B sang E là không đáng kể, vì lớp bán dẫn n của cực B có nồng độ hạt mang điện rất thấp. Mặt khác, do lớp bán dẫn n của cực B có chiều dày rất nhỏ, nên phần lớn số lỗ trống này vượt qua lớp B chạy sang lớp chuyển tiếp B-C, chỉ một phần rất nhỏ chạy ra cực B gây nên dòng IB (xem thêm Hình 38.3a). Vì vậy IB<<IE và ICIE . Tỉ số I C thường nhỏ hơn 1 và rất gần bằng 1. Tỉ số IE IC(mA I IB = 80  C gọi là hệ số khuếch đại dòng điện. Nó thể hiện ) 6 A IB 5 IB = 60 tác dụng điều khiển của dòng IB đối với dòng IC. Giá trị 4 A của  thường từ hàng chục đến hàng trăm. Theo Hình IB = 40 38.4, ta có: 3 A I = 20 IE=IC+IB. (1) B Nếu hiệu điện thế giữa cực E và cực B biến thiên 2 A IB = 0 một lượng U , thì dòng I và I cũng biến thiên, làm 1 E-B E B A cho dòng I cũng biến thiên theo. Điện trở R mắc trong C 0 -1 -2 -3 U C (V) mạch của cực C có giá trị khá lớn. Vì vậy, sự biến thiên -4 -5 IC gây nên giữa hai đầu của R một biến thiên hiệu Hình 38.7 Họ đường đặc trưng ra điện thế UR= IC.R=. IB.R lớn hơn UE-B nhiều lần. của tranzito Ta nói rằng biến thiên hiệu điện thế UE-B được khuếch đại trong mạch tranzito. Do tranzito có tác dụng khuếch đại, nên ngƣời p n p ta xếp nó vào loại linh kiện điện tử tích cực (để phân biệt với các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện ) Mối quan hệ giữa các giá trị cường độ dòng điện và các hiệu điện thế trong mạch được thể hiện qua các đường đặc trưng, mô tả sự phụ thuộc lẫn nhau giữa hai đại lượng khi các đại lượng còn lại có giá trị xác định. Các đường đặc trưng của mỗi loại tranzito giúp cho người ta lựa chọn cách mắc mạch và các thông số của mạch để đạt được tác dụng khuếch đại mong Hình 24.5 Sơ đồ dải muốn. Trên Hình 38.5 là họ đường đặc trưng ra, biểu diễn quan hệ phụ năng lượng của tranzito thuộc của cường độ dòng IC vào hiệu điện thế UB-C với các giá trị khác nhau p-n-p khi chưa mắc vào mạch của IB. Khi IB= 0, thì IC chính là dòng ngược đi qua lớp chuyển tiếp B-C bị phân cực ngược, và có giá trị rất nhỏ. Đường đặc trưng ứng với IB=0 có 89
35. dạng đúng như nhánh ngược của đặc trưng vôn-ampe của điôt trên Hình 36.7. Khi IB có giá trị khác không, thì IC cũng khác không. Như thấy trên Hình 36.6, IE chủ yếu là dòng các lỗ trống từ cực E chạy sang lớp bán dẫn n của cực B, ở đó lỗ trống là các hạt mang điện không cơ bản. Các lỗ trống này chạy qua lớp chuyển tiếp B-C bị phân cực ngược, tạo nên dòng IC. Chỉ cần IB có giá trị nhỏ (20 A), thì dòng IC cũng đã có giá trị đáng kể (1,5 mA). IC tăng nhanh khi IB tăng. Khi dòng IB= 0, tranzito ở chế độ ngắt. Khi dòng IB có giá trị lớn và IC đạt giá trị cực đại, tranzito ở chế độ bão hoà. Mỗi loại tranzito có những tính chất khác nhau. Dựa vào hệ các đường đặc trưng của tranzito, người ta biết cách lựa chọn các thông số trong mạch để thu được tác dụng mong muốn, thí dụ như cho tranzito hoạt động ở chế độ khuếch đại hoặc chế độ đóng ngắt Họ đặc tuyến ra hay được sử dụng nhất. Tranzito p-n-p có sơ đồ dải năng lượng được vẽ trên Hình 24.5. Ta chú ý rằng khu vực bán dẫn n (của cực gốc) có chiều dày rất nhỏ và có nồng độ hạt tải thấp. Khi ta mắc tranzito vào mạch điện để cho nó hoạt động, thì lớp chuyển tiếp p-n giữa cực E và cực B được phân cực thuận, độ chênh lệch điện thế giảm đi. Lớp chuyển tiếp n-p giữa E B C cực B và cực C được phân cực ngược, độ chênh lệch điện thế tăng lên (Hình 24.6). Như vậy dòng các hạt tải cơ bản đi qua lớp chuyển tiếp E-B được tăng cường. Nhưng do nồng độ electron tự do trong khu vực B rất thấp, nên dòng thuận qua lớp chuyển tiếp này chủ yếu là dòng lỗ trống từ E (bán dẫn loại p) sang B (bán dẫn loại n). Đây là sự phun lỗ trống từ E sang B. Các lỗ trống đi vào khu vực B hầu như không tái hợp với electron vì ở đó rất ít electron. Các lỗ trống này dễ dàng vượt qua khu vực B rất mỏng để đến lớp chuyển tiếp n-p phân cực ngược. Do hiệu điện thế UBC lớn hơn UEB nhiều, nên các lỗ trống chuyển động qua lớp chuyển tiếp B-C và bị cuốn sang khu vực C. Mặt khác, do IC IE nên công suất của dòng lỗ trống phía cực C lớn hơn ở phía cực E nhiều lần: I .U >>I .U . Đó chính là tác dụng khuếch đại của tranzito. Vì lí do đó, Hình 24.6 Sơ đồ dải C BC E EB năng lượng của tranzito người ta còn gọi tranzito là dụng cụ bán dẫn tích cực. p-n-p khi mắc vào mạch Để ý rằng, lớp chuyển tiếp B-C được phân cực ngược, nên thông thường thì khuếch đại nó có điện trở lớn. Tuy nhiên, khi có lỗ trống được phun từ E qua B đến, thì điện trở lớp chuyển tiếp B-C giảm đáng kể. Người ta gọi sự giảm điện trở lớp chuyển tiếp B-C khi có dòng phun hạt tải từ E-B sang gọi là hiệu ứng tranzito. Mỗi loại tranzito có những tính chất khác nhau. Dựa vào hệ I C R các đường đặc trưng của tranzito, người ta biết cách lựa chọn các thông số trong mạch để thu được tác dụng mong muốn, thí dụ như IB C cho tranzito hoạt động ở chế độ khuếch đại hoặc chế độ đóng B ngắt Họ đặc tuyến ra (xem Hình 24.6 SGK) hay được sử dụng E 2 E 1 E nhất. IE Trong thực tế, người ta sử dụng cả hai loại tranzito: loại p-n- p và loại n-p-n. Tranzito p-n-p (gọi là tranzito hai lớp chuyển tiếp hay tranzito Hình 24.6 Sơ đồ mạch khuếch lưỡng cực, để phân biệt với tranzito trường) có sơ đồ dải năng đại dùng tranzito n-p-n. lượng được vẽ trên Hình 24.5. Ta chú ý rằng khu vực bán dẫn n (của cực gốc) có chiều dày rất nhỏ và có nồng độ hạt tải thấp. Mỗi loại tranzito có những tính chất khác nhau. Dựa vào hệ các đường đặc trưng của tranzito, người ta biết cách lựa chọn các thông số trong mạch để thu được tác dụng mong muốn, thí dụ như cho tranzito hoạt động ở chế độ khuếch đại hoặc chế độ đóng ngắt Họ đặc tuyến ra (xem Hình 24.6 SGK) hay được sử dụng nhất. Trong thực tế, người ta sử dụng cả hai loại tranzito: loại p-n-p và loại n-p-n. 90
36. Ngày nay, tranzito có mặt với số lượng lớn trong hầu như tất cả mọi thiết bị điện tử. Chúng có ưu điểm là tiêu thụ ít năng lượng, hiệu suất cao, dùng nguồn điện có hiệu điện thế thấp (khoảng vài vôn đến chục vôn), bền vững về cơ học, thời gian sử dụng dài. Đặc điểm quan trọng của tranzito là có thể chế tạo chúng với kích thước rất bé. Hiện nay, công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo trên cùng một phiến bán dẫn nhiều tranzito, cùng với nhiều linh kiện khác như điôt, điện trở, tụ điện tạo nên các mạch điện tử tích hợp, có kích thước rất nhỏ, thường gọi là mạch vi điện tử hay vi mạch. ii. Tranzito trường ( FET- Field Effect Transistor) FET hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, Độ dẫn điện của bán dẫn được điều khiển bởi tác dụng của một điện trường ngoài. Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt tải tạo ra. Có hai loại: JFET - Junction Field Effect Transistor (cực cửa dùng lớp chuyển tiếp p-n) và MOSFET – Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor (cực cửa được cách li bởi lớp oxit kim loại). JFET Cấu trúc JFET kiểu kênh n được nêu trên Hình 23: Trên đế tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta tạo ra xung quanh nó một lớp bán dẫn loại p ( có nồng độ tạp chất cao hơn so với đế ) và đưa ra ba điện cực: cực nguồn S (source) , cực máng D (drain) và cực cửa G (gate). Như vậy hình thành một kênh dẫn loại n nối giữa hai cực D và S, cách li với cực cửa G bởi lớp chuyển tiếp p-n phân cực ngược. Hoàn toàn tương tự, nếu đế là loại p, ta có JFET kênh p. G P (-) S D Kênh n Si_n (+) UGS UDS Kênh p Hình 23 MOSFET Có hai loại MOSFET, loại có kênh đặt sẵn và loại có kênh cảm ứng như trình bày trên hình. S G D + SiO2 S G + D + Hình 25. Sơ đồ cấu tạo MOSFET Trên nền đế là đơn tinh thể bán dẫn Si loại p người ta tạo ra hai vùng bán dẫn loại n+ (nồng độ cao hơn so với đế) và lấy ra hai điện cực S và D. Hai vùng này được nối thông với nhau nhờ kênh dẫn điện loại n có thể hình thành ngay trong quá trình chế tạo (đặt sẵn) hay chỉ hình thành khi có điện trường 91
37. ngoài tác động (cảm ứng). Tại phần đối diện kênh dẫn, ngưòi ta tạo ra điện cực G sau khi phủ lên bề mặt một lớp cách điện mỏng SiO2. Từ đó, MOSFET còn có tên là FET có cực cửa cách ly. Để phân cực cho MOSFET người ta đặt một điện áp UDS > 0. Với loại kênh đặt sẵn, dòng điện tử trên kênh dẫn tồn tại, và ở mạch ngoài có dòng ID (chiều đi vào D) ngay cả khi UGS = 0. Khi UGS > 0, ta có chế độ làm giàu hạt tải. Khi đó, điện trở kênh dẫn giảm đi, dẫn tới dòng ID tăng. Khi UGS < 0, ta có chế độ làm nghèo hạt tải, điện trở kênh dẫn tăng, dòng ID giảm d. Mạch khuếch đại thuật toán Một loại mạch vi điện tử thông dụng gọi là mạch khuếch đại R2 thuật toán (KĐTT). Mạch này gồm nhiều tầng khuếch đại dùng tranzito mắc liên tiếp nhau, vì thế hệ số khuếch đại của mạch rất R1 lớn, có thể có giá trị đến hàng trăm nghìn. Vi mạch được đặt Uv trong vỏ nhựa và nối ra ngoài qua các chân dẫn diện bằng kim Ura loại. Trên Hình 38.8 là kí hiệu của mạch khuếch đại thuật toán với các chân chủ yếu. Ngoài ra, KĐTT còn có thêm một số lối ra khác. Tín hiệu được đưa vào một trong hai lối vào, và lấy ra ở lối ra. Hình 38.9 Sơ đồ khuếch đại dùng KĐTT Các điện trở R1 và R2 lập thành mạch Hoạt động của KĐTT phụ thuộc vào các thông số đặc trưng của hồi tiếp. Hệ số khuếch đại của mạch bản thân KĐTT và cả của mạch điện bên ngoài mắc với nó. Ura R2 Nếu không có phần tử nào nối lối ra với lối vào đảo (-), thì chỉ này là K= =- . Dấu trừ cho URv1 cần tín hiệu ở lối vào có điện thế rất nhỏ, mạch đã bão hoà, thấy tín hiệu ở lối ra ngược pha với tín nghĩa là điện thế ở lối ra có giá trị bằng điện thế của nguồn điện hiệu ở lối vào. Các hiệu điện thế được + - xác định so với đất (kí hiệu là ). ( Ucc hoặc Ucc ). Trong trường hợp này, KĐTT được sử dụng làm mạch so sánh. Muốn cho mạch có tác dụng khuếch đại tuyến tính, U+ nghĩa là tín hiệu ở lối ra tỉ lệ với tín hiệu ở lối vào, cc người ta nối lối ra với lối vào đảo (-) bằng các điện trở, như trên Hình 38.9. Mạch gồm R1 và R2 mắc như vậy gọi là mạch hồi tiếp. Nếu một tín hiệu biến R F thiên được đưa vào lối vào đảo (-), thì tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. T Khi tín hiệu được đưa vào qua lối vào không đảo 1 T2 (+) thì tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào. Bằng cách lựa chọn các phần tử mắc trong mạch hồi X R tiếp, người ta có thể sử dụng KĐTT với các chức R1 2 Y năng khác như khuếch đại lọc lựa, phát tín hiệu tuần hoàn, sửa dạng tín hiệu, lọc tín hiệu, thực hiện các phép tính toán đại số trên các tín hiệu (từ đó mạch có tên là khuếch đại thuật toán). Hình 38.10 Sơ đồ vi mạch logic Bảng giá trị logic của mạch NOR (logic dương) đ. Vi mạch logic X Y F Vi mạch logic gồm những tranzito được mắc sao 0 0 1 cho chúng chỉ ở một trong hai trạng thái: ngắt hoặc 1 0 0 bão hoà. 0 1 0 Trên hình là sơ đồ mạch logic dùng các tranzito 1 1 0 và điện trở (RTL, Resistor Transistor Logic). Hai 92
38. tranzito mắc chung cực phát (E) và cực góp (C). Mạch hoạt động với nguồn điện khoảng 5 V. + Các lối vào X và Y và lối ra F có thể có điện thế cao, gần bằng điện thế nguồn ( Ucc ), hoặc điện thế thấp, gần bằng điện thế đất (0). Nếu ta quy ước điện thế cao ứng với trạng thái 1 (mức logic 1), điện thế thấp ứng với trạng thái 0 (mức logic 0), thì sơ đồ này được dùng để thực hiện các phép tính logic. Ta gọi quy ước này là logic dương. Giả sử điện thế ở X và Y cùng thấp (mức logic 0), thì T1 và T2 đều ngắt, dòng điện qua R rất nhỏ, nên cực C của cả hai tranzito và lối ra F đều có điện thế cao (mức logic 1). Chỉ cần một trong hai lối vào có điện thế cao (mức logic 1), thì tranzito ứng với lối vào đó ở chế độ bão hoà, dòng điện qua R cực đại, độ giảm điện thế trên R cực đại, nên cực C của cả hai tranzito (mắc chung nhau) có điện thế thấp, và lối ra F có điện thế thấp (mức logic 0). Như vậy, mạch này thực hiện phép tính logic hoặc-phủ định (NOR, No-Or). Nếu ta quy ước điện thế cao ứng với mức logic 0, điện thế thấp ứng với mức logic 1, tức là sử dụng logic âm, thì sơ đồ này thực hiện phép tính logic và-phủ định (NAND, No-And). Sử dụng tranzito, người ta còn xây dựng các mạch thực hiện những phép tính logic khác, Trong thực tế người ta còn chế tạo các sơ đồ logic dùng tranzito và điôt (DTL), hoặc dùng tranzito có nhiều cực phát. Các mạch logic còn có thể được sử dụng với chức năng tạo dao động tuần hoàn, tạo xung điện, sửa dạng tín hiệu vv Các mạch logic thực hiện được các phép tính trong hệ đếm nhị phân (chỉ có hai chữ số 0 và 1) và vì thế chúng được sử dụng nhiều trong kĩ thuật tính toán số và trong máy tính. 93