Thiết bị điện tử: Dòng điện quy ước (Bản 9) - Thomas L. Floyd

• Tác giả: Thomas L. Floyd
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Thiết bị điện tử: Phiên bản dòng điện thông thường
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Boston

Tóm tắt

I. Tổng quan về Electronic Devices phiên bản 9 của Thomas L

Electronic Devices Conventional Current Version 9th Edition là giáo trình kinh điển về thiết bị điện tử của tác giả Thomas L. Floyd, được xuất bản bởi Prentice Hall thuộc Pearson Education. Cuốn sách này đã trở thành tài liệu giảng dạy chuẩn tại nhiều trường đại học trên toàn thế giới. Phiên bản thứ chín cập nhật nhiều nội dung mới liên quan đến năng lượng tái tạo và lập trình kiểm thử tự động. Giáo trình bao gồm 19 chương, trong đó chương 1 đến 11 tập trung vào các linh kiện rời và mạch điện tử cơ bản. Chương 12 đến 17 chủ yếu đề cập đến mạch tích hợp tuyến tính. Điểm nổi bật của phiên bản mới là chương 18 hoàn toàn mới về giới thiệu lập trình cho kiểm thử thiết bị. Cuốn sách sử dụng hướng dòng điện thuận (conventional current) để giải thích nguyên lý hoạt động. Các file mô phỏng Multisim phiên bản 10 và 11 được cung cấp kèm theo. Đây là tài liệu không thể thiếu cho sinh viên kỹ thuật điện tử và kỹ sư thực hành.

1.1. Lịch sử phát triển và các phiên bản trước đó

Thomas L. Floyd đã phát triển giáo trình Electronic Devices qua nhiều năm với các phiên bản từ 1999 đến 2012. Mỗi phiên bản đều được cải tiến dựa trên phản hồi từ người dùng và chuyên gia đánh giá. Phiên bản đầu tiên ra mắt năm 1999, tiếp theo là các năm 2002, 2005, 2008 và 2012. Nhà xuất bản Prentice Hall đã duy trì tiêu chuẩn chất lượng cao throughout toàn bộ quá trình phát triển. ISBN-13 của phiên bản thứ chín là 978-0-13-254986-8. Cuốn sách được in tại Hoa Kỳ bởi Quad Graphics với phông chữ Times Roman truyền thống. Bản quyền thuộc về Pearson Education, Inc. với trụ sở tại Upper Saddle River, New Jersey.

1.2. Cấu trúc nội dung và phạm vi bao quát

Giáo trình Electronic Devices 9th Edition được tổ chức thành 19 chương với cấu trúc logic rõ ràng. Phần đầu tiên bao gồm chương 1 đến 11, tập trung vào các linh kiện rời rạc như diode, transistor lưỡng cực và transistor hiệu ứng trường. Phần thứ hai từ chương 12 đến 17 đề cập đến mạch tích hợp tuyến tính bao gồm bộ khuếch đại thuật toán và nguồn điện. Chương 18 là phần mới hoàn toàn về lập trình kiểm thử thiết bị điện tử. Chương 19 dạng trực tuyến bao gồm thông tin liên lạc điện tử. Mỗi chương đều có phần ứng dụng và xử lý sự cố mở rộng. Nội dung cập nhật bao gồm các chủ đề về năng lượng tái tạo và lập trình kiểm thử tự động.

II. Phân tích nội dung học thuật về vật liệu bán dẫn và diode

Electronic Devices Conventional Current Version 9th Edition trình bày chi tiết về vật liệu sử dụng trong điện tử. Sách phân loại vật liệu thành ba loại chính dựa trên cấu trúc năng lượng. Chất cách điện có khoảng cách băng cấm lớn giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Chất bán dẫn có khoảng cách băng cấm nhỏ hơn, cho phép electron nhảy sang vùng dẫn khi hấp thụ photon. Chất dẫn điện có vùng dẫn và vùng hóa trị chồng lên nhau, không tồn tại khoảng cách. Silicon là chất bán dẫn phổ biến nhất với nguyên tử có 4 electron hóa trị. Đồng là chất dẫn điện với nguyên tử có 1 electron hóa trị. Giáo trình cũng giới thiệu về GaAs (Gali Arsenide), một chất bán dẫn đặc biệt được sử dụng trong vệ tinh và thiết bị tốc độ cao. Nhược điểm chính của GaAs là khó chế tạo và hóa chất liên quan thường độc hại. Sách giải thích rõ ràng cấu trúc nguyên tử Bohr và mạng tinh thể kim cương của silicon.

2.1. Cấu trúc năng lượng và khoảng cách băng cấm

Khoảng cách băng cấm là yếu tố quyết định tính chất điện của vật liệu. Trong chất cách điện, khoảng cách này rất lớn nên electron không thể di chuyển tự do giữa các vùng năng lượng. Chất bán dẫn có khoảng cách băng cấm vừa phải, cho phép kiểm soát dòng điện bằng cách tác động bên ngoài. Khi photon có năng lượng đủ lớn chiếu vào chất bán dẫn, electron sẽ hấp thụ năng lượng và nhảy lên vùng dẫn. Hiện tượng này là cơ sở hoạt động của tế bào quang điện và photodiode. Chất dẫn điện không có khoảng cách băng cấm vì vùng dẫn và vùng hóa trị chồng lên nhau. Điều này giải thích tại sao kim loại luôn dẫn điện tốt ở mọi điều kiện.

2.2. Nguyên tử Silicon và cấu trúc mạng tinh thể

Silicon là nguyên tố quan trọng nhất trong công nghiệp điện tử hiện đại. Nguyên tử silicon có 14 electron phân bố theo cấu hình 2-8-4, với 4 electron hóa trị ở lớp ngoài cùng. Lõi nguyên tử có điện tích ròng là +4, gồm 14 proton và 10 electron. Bốn electron hóa trị liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử lân cận tạo thành mạng tinh thể kim cương. Cấu trúc này cho phép silicon có tính chất bán dẫn đặc biệt. So với đồng có điện tích lõi +1 và 1 electron hóa trị, silicon có cấu trúc phức tạp hơn nhiều. Sự khác biệt này giải thích tại sao silicon là bán dẫn còn đồng là dẫn điện. Giáo trình sử dụng sơ đồ Bohr để minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa hai loại nguyên tử.

III. Phương pháp học tập hiệu quả với giáo trình Electronic Devices

Học tập hiệu quả với Electronic Devices 9th Edition đòi hỏi phương pháp có hệ thống và thực hành thường xuyên. Bắt đầu với việc đọc kỹ lý thuyết cơ bản về vật liệu bán dẫn trước khi tiến đến các linh kiện phức tạp hơn. Sử dụng phần mềm mô phỏng Multisim đi kèm để thực hành xây dựng và kiểm tra mạch điện tử. Phần mềm này có sẵn phiên bản 10 và 11 tại website đi kèm của sách. Tập trung hiểu rõ nguyên lý dòng điện thuận (conventional current) vì đây là cách tiếp cận chính của giáo trình. Thực hành giải bài tập xử lý sự cố ở cuối mỗi chương để phát triển kỹ năng chẩn đoán. Liên hệ lý thuyết với ứng dụng thực tế trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và kiểm thử tự động. Tham gia nhóm học tập để thảo luận và giải quyết các vấn đề phức tạp. Ôn tập thường xuyên các khái niệm về khoảng cách băng cấm và cấu trúc pn junction. Dùng sơ đồ mạch và biểu đồ năng lượng để trực quan hóa các khái niệm trừu tượng.

3.1. Sử dụng công cụ mô phỏng Multisim cho thực hành

Multisim là phần mềm mô phỏng mạch điện tử mạnh mẽ được tích hợp với giáo trình Electronic Devices. Phần mềm cho phép xây dựng và kiểm tra mạch điện tử mà không cần thiết bị vật lý. Sinh viên có thể mô phỏng hoạt động của diode, transistor và mạch tích hợp. Công cụ này giúp trực quan hóa dòng điện, điện áp và các thông số quan trọng khác. Việc thực hành với Multisim giúp củng cố lý thuyết học được trong sách. Phần mềm hỗ trợ cả phiên bản 10 và 11 với nhiều tính năng nâng cấp. Người học nên bắt đầu với các mạch đơn giản trước khi thử nghiệm mạch phức tạp. Ghi chép kết quả mô phỏng và so sánh với lý thuyết để hiểu sâu hơn.

3.2. Kỹ thuật xử lý sự cố và phát triển tư duy phân tích

Xử lý sự cố là kỹ năng quan trọng được nhấn mạnh trong phiên bản thứ chín. Giáo trình cung cấp nhiều bài tập thực tế về chẩn đoán và sửa chữa mạch điện tử. Người học cần phát triển tư duy phân tích logic để xác định nguyên nhân lỗi. Quy trình xử lý sự cố bao gồm quan sát triệu chứng, phân tích nguyên nhân và kiểm tra từng phần. Các chủ đề mới về năng lượng tái tạo cung cấp bối cảnh ứng dụng thực tế. Lập trình kiểm thử tự động trong chương 18 mở rộng khả năng chẩn đoán. Thực hành thường xuyên với các tình huống giả định giúp nâng cao kỹ năng. Kỹ năng xử lý sự cố rất cần thiết cho công việc kỹ sư điện tử chuyên nghiệp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của Electronic Devices 9th Edition

Electronic Devices Conventional Current Version 9th Edition của Thomas L. Floyd là tài liệu học thuật giá trị cho ngành điện tử. Giáo trình cung cấp nền tảng vững chắc về lý thuyết và thực hành thiết bị điện tử. Nội dung cập nhật về năng lượng tái tạo phản ánh xu hướng công nghệ hiện đại. Chương mới về lập trình kiểm thử tự động đáp ứng nhu cầu công nghiệp ngày càng tăng. Kiến thức về diode, transistor và mạch tích hợp là nền tảng cho nhiều ứng dụng. Tế bào quang điện, hay còn gọi là pin mặt trời, là ứng dụng thực tế của nguyên lý pn junction. Thiết bị dựa trên GaAs được sử dụng trong vệ tinh viễn thông và thiết bị tốc độ cao. Giáo trình giúp sinh viên chuẩn bị cho sự nghiệp trong lĩnh vực thiết kế mạch, kiểm thử và bảo trì thiết bị điện tử. Phương pháp tiếp cận dòng điện thuận giúp người học hiểu rõ quy ước tiêu chuẩn trong kỹ thuật điện tử. Đây là cuốn sách tham khảo không thể thiếu cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử.

4.1. Ứng dụng trong năng lượng tái tạo và quang điện

Năng lượng tái tạo là lĩnh vực ứng dụng quan trọng được nhấn mạnh trong phiên bản thứ chín. Tế bào quang điện (PV cell) sử dụng nguyên lý pn junction để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Cấu trúc của tế bào quang điện tương tự diode nhưng có vùng p và n mỏng hơn. Bề mặt tiếp xúc với ánh sáng phải trong suốt để cho phép photon đi vào. Hiệu suất chuyển đổi phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn và khoảng cách băng cấm. Silicon là vật liệu phổ biến nhất cho tế bào quang điện thương mại. Công nghệ pin mặt trời đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến về hiệu suất. Kiến thức từ giáo trình là nền tảng để hiểu và phát triển công nghệ năng lượng sạch.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp kiểm thử và sản xuất

Kiểm thử tự động là lĩnh vực ứng dụng mới được giới thiệu trong phiên bản thứ chín. Chương 18 về lập trình kiểm thử mở rộng khả năng ứng dụng thực tế của giáo trình. Kỹ sư điện tử cần kỹ năng lập trình để thiết kế hệ thống kiểm thử tự động. Công nghiệp sản xuất linh kiện điện tử đòi hỏi quy trình kiểm tra nghiêm ngặt và chính xác. Thiết bị dựa trên GaAs được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao và tần số vô tuyến. Kiểm thử mạch tích hợp yêu cầu kiến thức sâu về nguyên lý hoạt động của từng linh kiện. Giáo trình cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc cho công việc kiểm thử chuyên nghiệp. Kỹ năng xử lý sự cố kết hợp với lập trình tạo lợi thế cạnh tranh trong thị trường việc làm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org E LECTRONIC D EVICES Conventional Current Version Ninth Edition Thomas L. Floyd Prentice Hall Boston Columbus Indianapolis New York San Francisco Upper Saddle River Amsterdam Cape Town Dubai London Madrid Milan Munich Paris Montreal Toronto Delhi Mexico City Sao Paulo Sydney Hong Kong Seoul Singapore Taipei Tokyo www.org Editorial Director: Vernon Anthony Acquisitions Editor: Wyatt Morris Editorial Assistant: Yvette Schlarman Director of Marketing: David Gesell Marketing Manager: Harper Coles Marketing Assistant: Crystal Gonzales Senior Marketing Coordinator: Alicia Wozniak Senior Managing Editor: JoEllen Gohr Project Manager: Rex Davidson Senior Operations Supervisor: Pat Tonneman Art Director: Diane Ernsberger Text Designer: Ali Mohrman Media Director: Allyson Graesser Lead Media Project Manager: Karen Bretz Media Editor: Michelle Churma Composition: Aptara®, Inc. Printer/Binder: Quad Graphics Cover Printer: Lehigh-Phoenix Text Font: Times Roman Credits and acknowledgments for materials borrowed from other sources and reproduced, with permission, in this textbook appear on the appropriate page within text. Copyright © 2012, 2008, 2005, 2002, and 1999 Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, 1 Lake Street, Upper Saddle River, New Jersey, 07458. All rights reserved. Manufactured in the United States of America. This publication is protected by Copyright, and permission should be obtained from the publisher prior to any prohibited reproduction, storage in a retrieval system, or transmission in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or likewise. To obtain permission(s) to use material from this work, please submit a written request to Pearson Education, Inc., Permissions Department, 1 Lake Street, Upper Saddle River, New Jersey 07458. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Floyd, Thomas L. Electronic devices : conventional current version / Thomas L. paper) ISBN-10: 0-13-254986-7 (alk. Electronic apparatus and appliances. Solid state electronics.381—dc22 2010043462 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ISBN 10: 0-13-254986-7 ISBN 13: 978-0-13-254986-8 P REFACE This ninth edition of Electronic Devices reflects changes recommended by users and reviewers. Applications and troubleshooting coverage have been expanded to include several new topics related to renewable energy and automated test programming. As in the previous edition, Chapters 1 through 11 are essentially devoted to discrete devices and circuits. Chapters 12 through 17 primarily cover linear integrated circuits. A completely new Chapter 18 covers an introduction to programming for device testing. It can be used as a “floating” chapter and introduced in conjunction with any of the troubleshooting sections. Chapter 19, which was Chapter 18 in the last edition, is an online chapter that covers electronic communications. Multisim® files in versions 10 and 11 are now available at the companion website, www. New in This Edition Reorganizations of Chapters 1 and 2 These chapters have been significantly re- worked for a more effective coverage of the introduction to electronics and diodes. New topics such as the quantum model of the atom have been added. GreenTech Applications This new feature appears after each of the first six chapters and introduces the application of electronics to solar energy and wind energy. A significant effort is being made to create renewable and sustainable energy sources to offset, and eventually replace, fossil fuels. Today’s electronics technician should have some familiarity with these relatively new technologies. The coverage in this text provides a starting point for those who may pursue a career in the renewable energy field. Basic Programming Concepts for Automated Testing A totally new chapter by Gary Snyder covers the basics of programming used for the automated testing of electronic devices. It has become increasingly important for electronic technicians, particularly those working in certain environments such as production testing, to have a fundamental ground- ing in automated testing that involves programming. This chapter is intended to be used in conjunction with the traditional troubleshooting sections and can be introduced or omitted at the instructor’s discretion. More Multisim® Circuits Updated to Newest Versions Additional Multisim® circuit files have been added to this edition. All the files have been updated to versions 10 and 11. New Format for Section Objectives The section objectives have been rewritten to pro- vide a better indication of the coverage in each section. The new format better reflects the topics covered and their hierarchy. Miscellaneous Improvements An expanded and updated coverage of LEDs includes high-intensity LEDs, which are becoming widely used in many areas such as residential lighting, automotive lighting, traffic signals, and informational signs. Also, the topic of quantum dots is discussed, and more emphasis is given to MOSFETs, particularly in switching power supplies. IV ◆ P REFACE Standard Features ◆ Full-color format. ◆ Chapter openers include a chapter outline, chapter objectives, introduction, key terms list, Application Activity preview, and website reference. ◆ Introduction and objectives for each section within a chapter. ◆ Large selection of worked-out examples set off in a graphic box. Each example has a related problem for which the answer can be found at www. ◆ Multisim® circuit files for selected examples, troubleshooting, and selected prob- lems are on the companion website. ◆ Section checkup questions are at the end of each section within a chapter. Answers can be found at www. ◆ Troubleshooting sections in many chapters. ◆ An Application Activity is at the end of most chapters. ◆ A Programmable Analog Technology feature is at the end of selected chapters. ◆ A sectionalized chapter summary, key term glossary, and formula list at the end of each chapter. ◆ True/false quiz, circuit-action quiz, self-test, and categorized problem set with basic and advanced problems at the end of each chapter. ◆ Appendix with answers to odd-numbered problems, glossary, and index are at the end of the book. ◆ PowerPoint® slides, developed by Dave Buchla, are available online. These innova- tive, interactive slides are coordinated with each text chapter and are an excellent tool to supplement classroom presentations. Student Resources Companion Website (www.com/floyd) This website offers students an online study guide that they can check for conceptual understanding of key topics. Also included on the website are the following: Chapter 19, “Electronic Communications Systems and Devices,” a table of standard resistor values, derivatives of selected equa- tions, a discussion of circuit simulation using Multisim and NI ELVIS, and an examination of National Instruments’ LabVIEWTM. The LabVIEW software is an ex- ample of a visual programming application and relates to new Chapter 18. Answers to Section Checkups, Related Problems for Examples, True/False Quizzes, Circuit- Action Quizzes, and Self-Tests are found on this website. Multisim® These online files include simulation circuits in Multisim® 10 and 11 for selected examples, troubleshooting sections, and selected problems in the text. These circuits were created for use with Multisim® software. Multisim® is widely regarded as an excellent circuit simulation tool for classroom and laboratory learning. However, no part of your textbook is dependent upon the Multisim® software or provided files. Laboratory Exercises for Electronic Devices, Ninth Edition, by Dave Buchla and Steve Wetterling. Instructor Resources To access supplementary materials online, instructors need to request an instructor access code. Go to www.com/irc to register for an instructor access code. Within 48 hours of registering, you will receive a confirming e-mail including an instructor access code. Once you have received your code, locate your text in the online catalog and click on the Instructor Resources button on the left side of the catalog product page. Select a supplement, and a login www.org P REFACE ◆ V page will appear. Once you have logged in, you can access instructor material for all Prentice Hall textbooks. If you have any difficulties accessing the site or downloading a supplement, please contact Customer Service at http://247. Online Instructor’s Resource Manual Includes solutions to chapter problems, Application Activity results, summary of Multisim® circuit files, and a test item file. Solutions to the lab manual are also included. Online Course Support If your program is offering your electronics course in a dis- tance learning format, please contact your local Pearson sales representative for a list of product solutions. Online PowerPoint® Slides This innovative, interactive PowerPoint slide presentation for each chapter in the book provides an effective supplement to classroom lectures. Online TestGen This is a test bank of over 800 questions. Chapter Features Chapter Opener Each chapter begins with an opening page, as shown in Figure P–1. The chapter opener includes a chapter introduction, a list of chapter sections, chapter objectives, key terms, an Application Activity preview, and a website reference for associated study aids. 䊴 F I G U R E P– 1 A typical chapter opener. Chapter outline 2 D IODES AND A PPLICATIONS CHAPTER OUTLINE VISIT THE COMPANION WEBSITE Website 2–1 Diode Operation Study aids and Multisim files for this chapter are available at 2–2 2–3 Voltage-Current (V-I) Characteristics of a Diode Diode Models http://www.com/electronics reference 2–4 Half-Wave Rectifiers INTRODUCTION 2–5 Full-Wave Rectifiers In Chapter 1, you learned that many semiconductor devices 2–6 Power Supply Filters and Regulators are based on the pn junction. In this chapter, the operation 2–7 Diode Limiters and Clampers and characteristics of the diode are covered. Also, three 2–8 2–9 Voltage Multipliers The Diode Datasheet diode models representing three levels of approximation are presented and testing is discussed. The importance of the Introduction List of 2–10 Troubleshooting Application Activity diode in electronic circuits cannot be overemphasized. Its ability to conduct current in one direction while blocking current in the other direction is essential to the operation of performance- GreenTech Application 2: Solar Power many types of circuits. One circuit in particular is the ac rectifier, which is covered in this chapter. Other important applications are circuits such as diode limiters, diode based chapter N CHAPTER OBJECTIVES Use a diode in common applications clampers, and diode voltage multipliers. A datasheet is discussed for specific diodes. N objectives N Analyze the voltage-current (V-I) characteristic of a diode Explain how the three diode models differ APPLICATION ACTIVITY PREVIEW N Explain and analyze the operation of half-wave rectifiers You have the responsibility for the final design and testing N Explain and analyze the operation of full-wave rectifiers of a power supply circuit that your company plans to use in several of its products. You will apply your knowledge of N Explain and analyze power supply filters and regulators N Explain and analyze the operation of diode limiters and diode circuits to the Application Activity at the end of the chapter. Application clampers N Explain and analyze the operation of diode voltage multipliers Activity N Interpret and use diode datasheets N Troubleshoot diodes and power supply circuits preview KEY TERMS N Diode N Half-wave rectifier N Bias N Peak inverse voltage (PIV) N Forward bias N Full-wave rectifier N Reverse bias N Ripple voltage N V-I characteristic N Line regulation N DC power supply N Load regulation N Rectifier N Limiter Key terms N Filter N Regulator N N Clamper Troubleshooting Section Opener Each section in a chapter begins with a brief introduction and section objectives. An example is shown in Figure P–2. Section Checkup Each section in a chapter ends with a list of questions that focus on the main concepts presented in the section. This feature is also illustrated in Figure P–2. The answers to the Section Checkups can be found at www. Troubleshooting Sections Many chapters include a troubleshooting section that relates to the topics covered in the chapter and that illustrates troubleshooting procedures and techniques. The Troubleshooting section also provides Multisim® Troubleshooting exer- cises. A reference to the optional Chapter 18 (Basic Programming Concepts for Automated Testing) is included in each Troubleshooting section. VI ◆ P REFACE 䊳 FI G URE P–2 Section checkup A typical section opener and section ends each 482 N FET A MPLIFIERS AND S WITCHING C IRCUITS review. results in conduction power losses lower than with BJTs. Power MOSFETs are used for motor control, dc-to-ac conversion, dc-to-dc conversion, load switching, and other applica- tions that require high current and precise digital control. Describe a basic CMOS inverter. What type of 2-input digital CMOS circuit has a low output only when both inputs are high? Introductory 3.