Giáo trình Vật liệu điện, điện tử - Phần 1

ăng dần lên đến giá trị H0 (0) nào đó (đối với chì H0(0) = 0,08); hàm số chỉ phụ thuộc vào H0 đƣợc cho bởi: Ho(T) = H0(0) (2.38) Hình 2.13: Sự phụ thuộc H0 vào nhiệt độ Hình 2.14: Tàu cao tốc Khi H > H0 thì không có hiện tƣợng siêu dẫn ở bất kỳ nhiệt độ nào. Trạng thái siêu dẫn còn bị phá hủy khi dòng điện I lớn hơn có giá trị I0 = 2пrH0 (T) với r là bán kính dây dẫn. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 50 Vật liệu siêu dẫn loại trừ từ thông (VLSD không nhiễm từ) Hình 2.15: Tàu cao tốc ứng dụng hiện tƣợng siêu dẫn. a) Từ thông xuyên qua dây dẫn thƣờng ở điều kiện T > TC ; H < H0 b) Từ thông bị đẩy khỏi dây dẫn bằng vật liệu siêu dẫn khi T < TC; H < H0 Một số ứng dụng: - VLSD dùng làm đƣờng sắt đệm từ: đƣờng ray giữ ở trạng thái siêu dẫn, bánh xe tàu có từ tính (từ trƣờng bị đẩy khỏi VLSD). - VLSD dùng để chế tạo nam châ, điện siêu dẫn tạo từ tƣờng cực mạnh cho máy gia tốc, lò phản ứng nhiệt hạch (J rất lớn 109 A/m2) - Máy chụp ảnh cộng hƣởng từ: Khi chụp ảnh trong những vùng cơ thể ngƣời, máy có thể tái hiện chi tiết toàn bộ vùng đó nhờ năng lƣợng từ trƣờng sinh ra từ nam châm điện siêu dẫn. - Các máy tính nhiệt độ thấp tốc độ cao: Các náy tính sử dụng linh kiện bằng chất siêu dẫn có các ƣu điểm nổi bật nhƣ: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh. Các mạch điện đóng mở nhanh và có thể tích nhỏ. - Cảm biến có độ nhảy cao: Tiêu biểu cho các máy đo độ nhảy cao là hệ đo SQUID. Đây là một loại máy dò nhảy nhất về các tín hiệu trƣờng điện từ. - Ăng ten mini. Ngƣời ta chế tạo ăng ten siêu nhỏ bằng chất siêu dẫn và đƣa vào sử dụng. Ăng tên làm bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao có kích thƣớc chỉ bằng 5% kích thƣớc các loại ăng ten thông thƣờng. - Công tác quang học Trong các hệ tin học điều khiển truyền thông tin bằng cáp quang và các máy tinh quang điện thế hệ mới, ngƣời chế tạo và sử dụng các loại thiết bị công tắc quang học từ chất siêu dẫn nhiệt độ cao. - Truyền tải năng lƣợng: Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 51 Tải điện bằng các cáp siêu dẫn có lợi rất lớn so với đƣờng dây tải điện thông thƣờng. Lợi ích lớn nhất là khả năng tải dòng rất lớn và không bị tổn hao năng lƣợng trong quá trình tải điện. - Bình tích trữ năng lƣợng từ siêu dẫn: Năng lƣợng đƣợc tích trữ trong cuộng dây siêu dẫn và các mạch điện trong hệ thống này không bị tiêu hao năng lƣợng. - Các bệ phòng điện từ: Các cuộn dây điện từ siêu dẫn có thể sử dụng làm bệ phóng điện từ để phóng các vật thể có vận tốc cục lớn. - Máy lạnh từ: Cho đến nay, các máy lạnh thƣờng sử dụng các chất làm lạnh chứa cloroflourocarleon, chất này có tác dụng phá hủy tầng ozon của trái đất, do đó các bơm từ nhiệt sẽ thay thế các máy lạnh sử dụng khí gas thông thƣờng. Các chất diêu dãn nhiệt độ cao có thể thay thế và làm đơn giản hóa các mô hình máy lạnh, giảm giá thành và công nghệ sản suất cũng thuận lợi hơn. - Biến thế siêu dẫn: Nếu những vòng dây làm bằng chất siêu dẫn đƣợc lắp đặt trong biến thế thì hiệu quả truyền năng lƣợng sẽ lớn và giá thành tải điện sẽ đƣợc giảm mạnh. - Máy phát điện siêu dẫn: Hiệu suất đƣợc nâng lên từ 98% - 99%, kích thƣớc chỉ bằng một nửa kích thƣớc máy phát điện thông thƣờng, giá thành rẻ hơn 40%. Ngoài ra còn dùng chất siêu dẫn để chế tạo động cơ siêu dẫn, thiết bị máy phát – động cơ siêu dẫn kết hợp. Tàu thủy siêu dẫn, thiết bị dò sóng milimet. Bộ biến đổi analog/digital, cảm biến đo từ thông ba chiều, đầu dò bức xạ, ô tô điện, lò phản ứng nhiệt hạch từ, máy gia tốc hạt. Hình 2.16: Biểu đồ trình bày lĩnh vực ứng dụng của các chất siêu dẫn qua các năm Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 52 CÂU HỎI ÔN TẬP 2.1. Trình bày khái niệm về vật liệu dẫn điện? Nêu tính chất của vật liệu dẫn điện? 2.2. Trình bày điện trở và điện trở suất? Cho biết nhiệt độ ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến điện trở của vật liệu? 2.3. Các tác nhân của môi trƣờng ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến vật liệu dẫn điện? 2.4. Thế nào là hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiêt động? 2.5. Nêu các tính chất chung của kim loại và hợp kim? 2.6. Nêu những hƣ hỏng thƣờng gặp của vật liệu dẫn điện, nguyên nhân và biện pháp khắc phục? 2.7. Nêu tính chất, đặc điểm và công dụng của đồng và hợp kim đông, nhôm và hợp kim nhôm, chì và hợp kim chi? 2.8. Trình bày các yếu tố ảnh hƣởng đến điện trở tiếp xúc và độ bền tiếp điểm ? Cho biết các vật liệu đƣợc dùng làm tiếp điểm? 2.9. Nêu những hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt? Nêu một số hợp kim điển hình? 2.10. Trình bày đặc điểm và ứng dụng của kim loại và hợp kim siêu dẫn?. Câu hỏi trắc nghiệm lựa chọn Đọc kỹ các câu hỏi, chọn ý trả lời đúng nhất và tô đen vào ô thích hợp ở cột bên. TT Nội dung câu hỏi a b c d 2.11. Vật liệu có thành phần gồm (60% Cu+ 40%Ni) có tên gọi là: a. Constantan. b. Mai so. c. Ferro – nickel. d. Nickel - Crome □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 53 2.12. Một loại vật liệu rất thông dụng đễ làm các tiếp điểm cắt có yêu cầu chính xác, nó có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy và điện dẩn suất cao, có sức bền đối với sự ăn mòn loại vật liệu đó là: a. Palađi. b. Platin. c. Molipđen. d. Rođi. □? □? □? □? 2.13. Đối với tiếp xúc cố định làm việc trong môi trƣờng ẩm ƣớt ngƣời ta không dùng đồng và nhôm tiếp xúc với nhau là do: a. Chúng có điện trở suất khác nhau. b. Chúng có trọng lƣợng khác nhau. c. Chúng có điện thế hóa học hóa học khác nhau. d. Chúng có tính chất vật lý khác nhau. □? □? □? □? 2.14. Hợp kim điện trở chủ yếu làm điện trở tỏa nhiệt trong bàn 0 ủi, bếp điện, mỏ hàn và có nhiệt độ vận hành cao 900 C và có 2 0 điện trở suất: 1,02mm /m (ở 20 C) hợp kim đó là: a. Nickel - Crome: ( 80% Ni + 20%Cr). b. Sắt - nickel – Crome. c. Ferro – nickel. d. Constantan. □? □? □? □? 2.15. Dây dẫn lƣỡng kim thép - đồng đƣợc dùng nhiều để làm: □? □? □? □? a. Đƣờng dây thông tin dùng dòng điện có tần số cao. b. Đƣờng dây trung thế. c. Đƣờng dây ha. thế. d. Đƣờng dây cao thế. 2.16. Hợp kim có thành phần (74% Fe+ 25% Ni + 1%Cr) có tên gọi là: a. Constantan. b. Sắt - nickel – Crome. c. Ferro – nickel. d. Nickel – Crome. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 54 2.17. Trong nhiệt lƣỡng kim khi cần lựa chọn vật liệu có hệ số giãn ở theo chiều dài ít thì ngƣời ta dùng: a. Hợp kim đồng – kẽm. b. Hợp kim đồng thanh nhôm. c. Thép hợp kim crôm – niken. d. Hợp kim nikel (H36). □? □? □? □? 2.18. Hợp kim có điện trở cao, thành phần:(60% Cu+ 25% Zn + 15%Ni), có tên gọi là: a. Constantan. b. Mai so. c. Ferro - nickel. d. Nickel - Crome □? □? □? □? 2.19. Lực ấn tiếp điểm là yếu tố rất quan trọng ảnh hởng tới điện trở tiếp xúc của tiếp điểm, khi lực ấn tăng thì điện trở tiếp xúc sẽ: a. Tăng. b. Không thay đổi. c. Giảm. d. Tăng rất nhiều. □? □? □? □? 2.20. Với khoảng nhiệt độ nào của tiếp điểm thì nó sẽ làm giảm điện trở tiếp xúc: a. Với nhiệt độ < 250 0C. b. Với nhiệt độ < 100 0C c. Với nhiệt độ 500 C. d. Với nhiệt độ giữa (250 400) □? □? □? □? 2.21. Đồng thau là hợp kim của đồng với: a. Nikel. b. Thiếc. c. Kẽm. d. Chì □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 55 2.22 . Đura là hợp kim của nhôm với đồng, magiê và mangan nó thuộc nhóm: a. Hợp kim nhôm đúc. b. hợp kim nhôm biến dạng. c. Silumin. d. Không xác định. □? □? □? □? 2.23. Nhôm có độ tinh khiết cao nhất đƣợc ký hiệu: a. AB1. b. AB2. c. A - 00. d. A -1. □? □? □? □? 2.24. Đồng thanh là hợp kim của đồng với các nguyên tố: a. Á kim. b. Kim loại đen. c. Chỉ có đồng đƣợc chế tạo thành thanh. d. Với các nguyên tố kim loại khác trừ kẽm. □? □? □? □? 2.25. Tính già hóa của kim loại là: a. Sự thay đổi theo thời gian của các tính chất kim loại. b. Thay đổi về độ cứng do nhiệt luyện. c. Thay đổi về thành phần hóa học khi sản xuất. d. Thay đổi do sự ăn mòn hóa học của môi trờng. □? □? □? □? 2.26. 0 Ở nhiệt độ không tuyệt đối (0 K), điện trở suất của kim loại tinh khiết sẽ: a. Giảm đột ngột. b. Tăng đột ngột. c. Tăng từ từ. d. Không ảnh hởng □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 56 2.27. Điện dẫn suất có công thức tính nhƣ sau: 1 a. G . R 11 b. .   1 c. .   l d. R s □? □? □? □? 2.28. Kim loại không bị tác dụng của axit clohydrc, axit sunfuaric, axit sunfuarơ, fluorhydric, phosphoric hoặc amoniăc, sút, borax và clo, nhƣng lại hòa tan dễ dàng trong axít nitơríc đó là: a. Chì b. Nhôm. c. Đồng. d. Thiếc. □? □? □? □? 2.29. Khi cần lựa chọn vật liệu dẫn điện ta căn cứ vào: a. Độ dẫn điện, độ bền chống ăn mòn. b. Độ bền cơ, độ bền chống ăn mòn. c. Độ dẫn điện, độ bền cơ, độ bền chống ăn mòn. d. Chọn vật liệu đồng nguyên chất. □? □? □? □? 2.30. Sức bền của tiếp điểm bị ảnh hƣởng bởi: a. Bản chất bề mặt tiếp điểm, lực ấn tiếp điểm. b. Nhiệt độ tiếp điểm, bản chất bề mặt, lực ấn tiếp điểm. c. Trạng thái về bề mặt khi tiếp xúc. d. Bản chất, trạng thái bề mặt, nhiệt độ và lực ấn tiếp điểm □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 57 2.31. Tính điện trở của một dây dẫn bằng đồng có tiết diện 0,2cm2, điện trở suất 1,75x10-8, chiều dài 100m. a. 8,75x 10-2 . b. 8,75x 10-4 c. 8,75x 10-5 . d. 8,75x 10-6 □? □? □? □? 2.32. Một dây dẫn bằng đồng có chiều dàI 1km thì có điện trở là 8,7; nếu ta đƣa dây dẫn đó chập đôi lại để đƣợc dây dẫn lớn hơn và có chiều dài là 500m. Vậy điện trở của dây dẫn sau khi chập lại có giá trị là: a. 8,7 . b. 17,4 . c. 4,35 . d. 2,175 □? □? □? □? 2.33. Vật liệu dẫn điện đƣợc chia thành các nhóm chính nhƣ sau: a. Nhóm có điện trở suất bé. b. Nhóm có điện trở suất lớn hơn. c. Nhóm có điện trở suất rất lớn. d. Câu a và b đúng. □? □? □? □? 2.34. Silumin là hợp kim điển hình của nhóm hợp kim nhôm đúc là hợp của kim nhôm với: a. Mangan. b. Đồng. c. Silíc. d. kẽm. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 58 2.35. Vật liệu đƣợc dùng làm các tiếp điểm điện cần phải thoả mãn những điều kiện sau: a. Có sức bền cơ khí và độ rắn tốt. b. Có điện trở suất nhỏ và dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. c. Có nhệt độ nóng chảy và hoá hơi cao. d. Cả a,b và c đều đúng. □? □? □? □? 2.36. Các hợp kim có ký hiệu PbTc1= 99,92%; PbTc2= 99,80%; PbTc3= 99,50% là: a. Hợp kim chì - thiếc. b. Chì kỹ thuật. c. Chì dùng sản xuất bình ăcquy. d. Chì atimon. □? □? □? □? Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 59 CHƢƠNG 3 VẬT LIỆU BÁN DẪN 3.1. Quá trình vật lý của chất bán dẫn 3.1.1. Các khái niệm cơ bản về bán dẫn 3.1.1.1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn Bán dẫn là nhóm các loại vật chất có điện dẫn điện tử mà trị số điện trở suất cúa chúng ở nhiệt độ bình thường nằm trong khoảng giữa điện trở suất của vật dẫn và điện môi. Loại vật liệu P (Ω.cm) Loại điện dẫn Dẫn điện 10-6 – 10-3 Điện tử Bán dẫn 10-4 – 10+10 Điện tử Điện môi 10-9 – 10+18 Điện tử và ion BẢNG 3.1: ĐIỆN TRỞ SUẤT Điện dẫn của vật liệu bán dẫn phụ thuộc nhiều vào năng lƣợng tác động bên ngoài, cũng như các tạp chất khác nhau. Với một lượng tạp chất cực nhỏ trong chất bán dẫn cũng đã làm thay đổi điện dẫn của chất này. Mặc khác điện dẫn của các chất bán dẫn có thể tháy đổi bằng sự tác động của nhiệt độ, độ chiếu sáng, điện trường, lực cơ học Vì vậy tính chất điều khiển được điện dẫn là cơ sở của nguyên lý làm việc các nhiệt điện trở (tecmisto), quang điện trở, điện trở phi tuyến (varisto), điện trở cảm biến Chất bán dẫn có hai loại điện dẫn là điện dẫn “điện tử” (n) và điện dẫn “điện tử – lỗ” (p) nên có thể chế tạo ra các sản phẩm bán dẫn với tiếp giáp p –n. Khi có tiếp giáp p –n, trong bán dẫn sẽ xuất hiện lớp chắn gây ra hiệu ứng nắn điện đối với dòng điện xoay chiều. Nếu có hai lớp tiếp giáp ghép với nhau sẽ tạo ra hệ thống điều khiển đó là tranzito. Khả năng sử dụng mặt tiếp giáp p –n là cơ sở để áp dụng chất bán dẫn trong kỹ thuật điện. Nó được dùng làm chỉnh lưu công suất lớn cũng như công suất nhỏ, khuếch đại và phát sóng. Các hệ thống bán dẫn có thể dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng điện với hiệu suất tương đương, đôi khi cao hơn các loại biến đổi khác. ‘Pin mặt trời” với hiệu suất khoảng 11% và kiểu máy phát nhiệt điện là những ví dụ về biến đổi bán dẫn. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 60 Si Ge Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hoá học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện tại đã nghiên cứu ra bán dẫn thuỷ tinh và bán dẫn lỏng. 3.1.2.2. Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn tinh khiết Xét cấu tạo nguyên tử của hai chất Silicium(Si) và Germanium(Ge). Chất Si có 14 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên ba lớp. Chất Ge có 32 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên 4 lớp. Hai chất Si và Ge có đặc điểm chung là số electron trên lớp ngoài cùng bằng nhau là bốn electron (hoá trị 4). Khi xét sự liên kết giữa các nguyên tử người ta chỉ xét lớp ngoài cùng. Trong khối bán dẫn tinh khiết, các nguyên tử gần nhau sẽ liên kết với nhau theo kiểu cộng hóa trị. Bốn electron của nguyên tử sẽ nối với bốn electron của nguyên tử xung quanh tạo thành bốn mối nối làm cho các electron được liên kết chặt chẽ với nhau. Sự liên kết này làm cho các electron khó tách rời khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do, như vậy chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn. 3.1.1.3. Chất bán dẫn loại N Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất lớn các chất có cấu tạo nguyên tử với năm electron lớp ngoài cùng (hóa trị 5) như chất arsenic hay photpho. Các nguyên tử của chất arsenic(As) có năm electron thì bốn electron sẽ Hình 3.1 : Cấu tạo nguyên tử của Si và Ge Hình 3.2 : Chất bán dẫn tinh khiết Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 61 liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau, còn lại electron thừa ra không liên kết với các electron của chất bán dẫn sẽ trở thành electron tự do. Như vậy, khi pha một nguyên tử As sẽ có một electron tự do, pha thêm càng nhiều nguyên tử As thì sẽ có càng nhiều electron tự do. Chất bán dẫn có nhiều electron tự do đƣợc gọi là chất bán dẫn loại N (loại âm). 3.1.1.4. Chất bán dẫn loại P Nếu pha một chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất ít các chất có cấu tạo nguyên tử với ba electron ở lớp ngoài cùng (hoá trị 3) như chất indium. Các nguyên tử của chất indium có ba electron nên khi liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau sẽ có một mối nối thiếu một electron, chỗ thiếu electron này gọi là lỗ trống. Lỗ trống của mối nối thiếu electron sẽ dễ dàng nhận một electron tự do. electron tự do Hình 3.3 : Chất bán dẫn loại N Lỗ trống Hình 3.4 : Chất bán dẫn loại P Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 62 Như vậy, khi pha thêm một nguyên tử indium sẽ có một lỗ trống, pha thêm càng nhiều nguyên tử chất indium sẽ có càng nhiều lỗ trống. Chất bán dẫn có nhiều lỗ trống gọi là chất bán dẫn loại P (loại dƣơng). 3.1.2. Vùng năng lƣợng trong chất rắn Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử. Trong vật rắn tinh thể các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giống nhau. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập: không tương tác với nhau. Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho phép, giống như trong trường hợp chỉ có một nguyên tử đơn độc. Trong số các mức năng lượng đó có một số mức bị chiếm bởi electron. Ở trạng thái cơ bản electron chỉ chiếm những mức năng lượng thấp nhất. Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗi giá trị lượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo . Khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác với nhau thì sự chuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử của nó mà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Khi có 2 nguyên tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli hai electron phải ở hai trạng thái khác nhau, do đó mỗi mức năng lượng cũ bây giờ bị tách thành 2 mức năng lượng. Nếu hệ chứa N nguyên tử thì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức. Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép. Trong 1 cm3 có khoảng 10 22 nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ tách thành 1 số rất lớn, mà độ rộng của một vùng năng lượng khoảng một vài eV, do đó khoảng cách giữa các mức nhỏ trong vùng năng lượng khoảng 10-22eV, có thể nói sự biến thiên năng lượng trong một vùng năng lượng gần như liên tục. Giữa các vùng năng lượng là các vùng trống (gọi là vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ trạng thái nào của electron. Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1 mức tăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép. Những electron ở vòng quĩ đạo ngoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất, do đó có vùng năng lượng rộng nhất. Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 63 lượng hẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cô lập. (Hình 3.5) Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử tức là phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể. Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụ thuộc vào độ lớn nguyên tử. Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm. Vùng năng lượng phủ lên nhau Vùng năng lượng cách xa nhau Electron trong cùng Hình 3.5: Sự hình thành vùng năng lƣợng trong chất rắn 3.1.3. Cấu trúc vùng năng lƣợng trong vật liệu bán dẫn Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏ trống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện. Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV, do vậy các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 64 Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1 eV. Ở 00K chúng là chất cách điện. Ở nhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống . Hình 3.6: Cấu trúc vùng năng lƣợng trong VLBD : Electron tự do trong vùng dẫn : Lỗ trống trong vùng hóa trị Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trống mang điện tích dương. Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng của electron đứng yên hay chính là thế năng của electron, do đó đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron, tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống. Nếu electron ở mức năng lượng cao hơn WC hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thì các electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị. Hình 3.7: Cấu trúc mức năng lƣợng Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 65 3.2. Các tính chất của chất bán dẫn 3.2.1. Sự phụ thuộc nhiệt độ của mật độ các hạt mang điện Vị trí mức Fermi trong vật liệu bán dẫn có tạp chất Hàm phân bố Fermi-Dirac p(w) cho biết xác suất điện tử chiếm mức năng lượng w nào đó. (3.1) Mật độ hạt mang điện trong bán dẫn Để xác định số lượng các điện tích tự do trong bán dẫn cần lấy tích phân theo năng lượng tích số của hàm mật độ phân bố các mức năng lượng S(W) và xác suất chiếm các mức này p(W) .Vậy: n = ne= (w).p(w).dw = NCexp[-(wg – wp)/kT] (3.2) Ở nhiệt độ rất cao mức WFn giảm xuống mức WFi của vật liệu bán dẫn tinh khiết 3.2.2. Sự mất cân bằng của hạt mang điện và cơ chế tái hợp Sự sinh ra lỗ trống và electron tự do có nghĩa là có một liên kết bị phá vỡ, từ đó electron được giải phóng trở thành tự do ở bên trong tinh thể. Trong quá trình chuyển động nó sẽ gặp một lỗ trống do electron khác để lại, điền vào lỗ trống, mối liên kết được thiết lập lại. Đó là hiện tượng tái hợp của electron và lỗ trống hay hiện tương hủy cặp. Trong khoảng thời gian bằng nhau số lần sinh cặp và hủy cặp bằng nhau. Thời gian từ lúc sinh ra cặp cho đến lúc hủy cặp gọi là tuổi thọ. Xác suất hủy cặp tỉ lệ với số electron n và số lỗ trống p tức là tỉ lệ với tích số np. Khi electron ở vùng dẫn trở về vùng hoá trị sẽ tái hợp với lỗ trống. Quá trình tái hợp có thể là quá trình có bức xạ, có thể là quá trình không có bức xạ. - Trong quá trình tái hợp có bức xạ, photon được phát ra. Có hai loại bức xạ: bức xạ tự phát và bức xạ kính thích. Trong quá trình bức xạ tự phát, electron và lỗ trống tái hợp với nhau và phát ra photon, mà không có phôton từ trước. Đặc điểm của bức xạ tự phát là photon được phát ra không có quan hệ pha. Ánh sáng phát ra từ LED là do sự bức xạ tự phát. Nếu photon hiện hữu trong quá trình tái hợp của electron – lỗ trống, thì photon này làm gia tăng năng lượng được bức xạ, và quá trình bức xạ trong trường hợp này gọi Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 66 là bức xạ kích thích. Đặc điểm của quá trình bức xạ kích thích là photon được phát ra đồng pha với photon đã hiện hữu. Bức xạ từ laser bán dẫn là bức xạ kích thích. - Electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau mà không có bức xạ, năng lượng phát ra thành nhiệt hoặc gây nên dao động tinh thể. Có hai loại tái hợp không có bức xạ: + Quá trình không có bức xạ do sai lệch mang tinh thể. + Quá trình tái hợp Auger. Quá trình tái hợp không có bức xạ do sai lệch mạng tinh thể Trong vật liệu bán dẫn hoàn toàn không có khuyết tật, trong vùng cấm không có trạng thái cho phép nào đối với electron. Nhưng nếu trong vật liệu có tạp chất hoặc do ý muốn hoặc ngoài ý muốn, thì trong vùng cấm có mức năng lượng của điện tích. Những mức năng lượng trong vùng cấm là mức năng lượng của electron được định vị trong một không gian có hạn ở gần chỗ sai lệch. Khi những electron tự do chuyển động trong những vùng cho phép có thể bị sa vào “bẫy” do sai lệch mạng tinh thể. Hình 3.8: Quá trình electron rơi vào “bẫy” và tái hợp (không có bức xạ) với lỗ trống c electron rơi vào “bẫy” và toả ra nhiệt Wth vào mạng tinh thể. d electron tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị và toả ra nhiệt Wth. Trên hình là sơ đồ mô tả quá trình electron rơi vào “bẫy”, và quá trình được giải phóng ra khỏi bẫy trong tái hợp với lỗ trống. Quá trình tái hợp này không có bức xạ, năng lượng được giải phóng ra là nhiệt năng. Quá trình rơi vào “bẫy” cũng có thể xảy ra với lỗ trống, khi lỗ trống chuyển động đến gần phạm vi có sai lệch mạng. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 67 Sự tái hợp không có bức xạ do sai lệch mạng gọi là sự tái hợp Shockky - Read - Hall (viết tắt: sự tái hợp SRH). Sự tái hợp này có tầm quan trọng ở bề mặt của vật liệu vì bề mặt thường có nhiều sai lệch mạng. Sự tái hợp Auger Electron ở vùng dẫn tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị, giải phóng năng lượng, nhưng năng lượng này không biến thành quang năng mà cung cấp cho một electron ở vùng dẫn, làm cho năng lượng của electron này được nâng cao hơn.Ta gọi electron này là electron nóng. Electron nóng thường giải phóng nhiệt năng. Quá trình này gọi là quá trình Auger, là một quá trình tái hợp không có bức xạ, có tầm quan trọng ở vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm nhỏ. Tốc độ tái hợp Auger tỉ lệ với np2 hoặc pn2, tùy thuộc vào điện tích nóng là electron hoặc lỗ trống. 3.2.3. Hiện tƣợng quang và quang điện trong chất bán dẫn Khi chùm tia sáng được chiếu vào mạng tinh thể của VLBD thì một phần năng lựợng ánh sáng sẽ bị hấp thụ. Tùy theo cấu trúc vùng năng lượng của từng loại VLBD mà xảy ra các cơ chế hấp thụ khác nhau: - Hoặc làm cho electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn điện tạo ra cặp hạt dẫn. - Hoặc ion hoá các nguyên tử tạp chất, làm xuất hiện các loại hạt tương ứng. - Hoặc trao đổi năng lượng giữa các lượng tử ánh sáng (photon) với dao động nhiệt của mạng tinh thể (phonon). - Đối với VLBD cấu trúc vùng năng lượng có nhiều cực trị (GaAs), ánh sáng có thể làm electron nhảy từ đáy vùng năng lượng này lên đáy vùng năng lượng cao hơn. 3.3. Tính dẫn điện của chất bán dẫn 3.3.1. Điện dẫn chất bán dẫn thuần Theo lí thuyết phân vùng năng lượng của vật chất, bề rộng vùng cấm của các chất bán dẫn có trị số khoảng 0,2 đến 1,5 eV. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 68 Nguyên tố Thuộc nhóm (bảng tuần hoàn hoá học của Memđêlêép) Bề rộng vùng cấm Bo III 1,1 Silic IV 1,12 Giécmani IV 0,72 Phốtpho V 1,5 Asen V 1,2 Lưu huỳnh VI 2,5 Sêlen VI 1,7 Telua VI 0,36 Iốt VII 1,25 BẢNG 3.2: BỀ RỘNG VÙNG CẤM Theo sơ đồ năng lượng của bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T nào đó ở vùng bán dẫn đã có một vài điện tử chuyển qua và tạo nên vùng hoá trị một số lỗ trống. Vì với mỗi một sự chuyển dời điện tử trong bán dẫn đồng thời tạo ra hai hạt mang điện trái dấu, nên tổng số các hạt mang điện sẽ bằng hai lần số điện dẫn ở vùng điện tử. Noi = Poi; noi + Poi =2noi (3.3) Chỉ số i ở nồng độ điện tử và lỗ trống –kí hiệu các hạt mang điện của bán dẫn thuần. Trong trường hợp này, điện dẫn suất bằng:  = enoiun + ePoiup (3.4) Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 69 Do có cả quá trình kích thích và kết hợp, ở một nhiệt độ xác định nồng độ các hạt mang điện sẽ được cân bằng. Nồng độ điện tử sẽ là: Noi = 2Ntde -w/2KT (3.5) Và nồng độ sẽ bằng: Poi = 2Nhte -w/2KT (3.6) Ở đây W là bề rộng vùng cấm của bán dẫn; Ntd, Nht: số mức trong đơn vị thể tích của bán dẫn trong vùng tựu do (vùng dẫn) và vùng hoá trị. Hệ số 2 chỉ khả năng mỗi mức có thể có hai điện tử. Độ linh hoạt của các điện tử và lỗ trống trong biểu thức trên ( = enoiun + ePoiup) không bằng nhau. Khi chuyển động trong trường của mạng tinh thể thì điện tử và lỗ trống có quán tính khác nhau nghĩa là chúng có khối lượng hiệu dụng mn và mp khác nhau. Thông thường mn<mp. Từ đó ta thấy rằng điện dẫn thuần của bán dẫn có đặc tính điện tử trội hơn một chút. 3.3.2. Điện dẫn chất bán dẫn tạp Đa số các dụng cụ bán dẫn sử dụng trong kỹ thuật là bán dẫn tạp chất. Vì vậy trong thực tế chất bán dẫn mà nồng độ các hạt mang điện chỉ có giá trị đủ lớn ở nhiệt độ càng lớn càng tốt, nghĩa là bán dẫn có vùng cấm đủ lớn là loại có ý nghĩa quan trọng. Trong khoảng nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp hạt dẫn điện tự do là tạp chất. Nếu các tạp chất trong chất bán dẫn thuần là các nguyên tử kim loại, thì các tạp chất trong bán dẫn hợp chất hoá học không phải chỉ là nguyên tử khác loại mà còn là nguyên tử thừa của chính nguyên tố có trong thành phần hoá học. Ngoài ra tất cả các khuyết tật trong mạng tinh thể: nút khuyết, nguyên tử hay iôn nằm giữa các nút, biến vị hay lệch phát sinh khi biến dạng dẻo tinh thể, khe nứt vi môcũng được coi như tạp chất. Nếu các tinh thể nằm ở nút của mạng tinh thể nó được gọi là tạp chất thế, nếu nằm ở giữa gọi là tạp chất xen kẽ. Những tạp chất có thể đưa điện tử vào dải dẫn hoặc lấy điện tử từ vùng hoá trị của chất bán dẫn – đây là tạp chất cho và nhận. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 70 Hạt mang điện có nồng độ lớn hơn tronh chất bán dẫn gọi là hạt mang điện cơ bản, hạt có nồng độ nhỏ hơn là không cơ bản. Như vậy, trong bán dẫn loại n, điện tử là hạt mang điện cơ bản, lỗ mang điện không cơ bản. Trong bán dẫn loại p thì hạt dẫn điện cơ bản là lỗ, hạt không cơ bản là điện tử. Điện dẫn bán dẫn tạp đòi hỏi năng lượng tác động nhỏ hơn bán dẫn thuần (0,01 đến 0,10 eV), vì thế có thể tạo ra nó ở nhiệt độ thấp hơn so với bán dẫn thuần. 3.3. 2.1. Tạp chất thế Giécmani và silic là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Menđêlêép có cấu trúc kim cương, mỗi nguyên tửđược bao quanh bởi bốn nguyên tử lân cận; cấu trúc có liên kết cộng hoá trị. Các nguyên tố ở nhóm III trong bảng tuần hoàn thuộc tạp chất nhận. Mối tương quan về kích thước của các nguyên tử đóng vai trò quan trọng trong kết quả thay thế. Ví dụ: nếu nguyên tử tạp chất Pb với kích thước lớn hơn nguyên tử In mà nó thay thế trong mạng InSb, thì Pb là tạp chất cho, nhưng thay thế cho nguyên tử Sb trong mạng AlSb, nó gọi là tạp chất nhận. Sự thay thế này không gây sự biến đổi rõ rệt về điện dẫn của các bán dẫn này. 3.3. 2.2 Tạp chất xen kẽ Loại điện dẫn của bán dẫn phụ thuộc vào kích thước và tính điện âm của nguyên tử tạp chất được đưa vào khoảng giữa các nút mạng bán dẫn thuộc nhóm IV. Việc đưa nguyên tử Li có kích thước lớn vào giữa các nút sát nhaucủa mạng Ge chỉ có thể thực hiện sau khi iôn hoá nó do sự liên kết yếu điện tử hoá trị. Điện tử này dễ bức khỏi nguyên tử trong môi trường có hằng số điện môi lớn. Sự tạo thành các iôn li ti kích thước nhỏ hơn có thể đưa vào giữa các nút các nguyên tử oxi có kích thước tương đối nhỏ và tính điện âm lớn thì chúng chiếm điện tử của các nguyên tử bán dẫn, do đó tạo thành điện dẫn loại p. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 71 Nếu dưới ảnh hưởng của tác dụng năng lượng, nguyên tử Si hay Ge bị di chuyển vào khoảng cách giữa các nút thì chúng tạo thành hai mức tạp chất: mức cho của nguyên tử ngoài nút và mức nhận của nút rỗng. 3.3.2. Tiếp giáp điện tử – lỗ trống Khi dòng điện chạy qua hai vùng tiếp xúc của các chất bán dẫn có dẫn lỗ và điện dẫn điện tử sẽ có hiệu ứng điện dẫn một chiều. Nguyên lý điện dẫn một chiều có thể giải thích như hình vẽ, minh hoạ phiến bán dẫn có một nửa là bán dẫn loại p, nửa còn lại là loại n. Từng nửa một hoàn toàn trung hoà vì có sự cân bằng về điện tích di động và đứng yên. Để đơn giản, trên hình không vẽ các điện tích đứng yên. Giới hanj giữa các vùng p và n gọi là tiếp giáp p – n. Hình 3.9: Tiếp giáp p - n Vì nồng độ điện tử tự do trong vùng n lớn hơn vùng p và nồng độ lỗ thì ngược lại, dưới tác dụng nhiệt một số điện tử khuếch tán sang vùng p, một số lỗ sang vùng n. Lúc này trong vùng p ở gần tiếp giáp tích điện âm, còn vùng n ở gần tiếp giáp tích điện Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 72 dương và tạo nên trường khuếch tán (hình a), chiều của nó xác định bởi dấu của các điện tích cố định. Điện trường làm ngừng sự chuyển dịch tiếp theo của các điện tích di động, nghĩa là khi không có điện trường ngoài nó sẽ tạo nên lớp chắn dày cỡ 10-5cm. Nếu đặt điện áp bên ngoài tạo nên điện trường trùng với trường khuếch tán, thì sẽ “khoá” và dòng điện sẽ không chạy qua được (hình b). Khi thay đổi cực tính điện áp ngoài, trường ngoài có chiều ngược lại với chiều khuếch tán, tiếp giáp bảo hoà điện tích, điện trở của nó giảm đột ngột, nghĩa là sẽ có dòng điện một chiều trị số lớn chạy qua nó (hình c). Quá trình trên xảy ra với các chỉnh lưu lí tưởng. Trong chỉnh lưu thực tế tại vùng p luôn có một lượng nhỏ các hạt dẫn điện không cơ bản là các điện tử tự do, còn lại vùng n cũng có một vài lỗ trống là những hạt dẫn điện không cơ bản như hình c đã vẽ trường hợp khi tiếp giáp khoá mà vẫn có dòng điện nhỏ chạy qua do chuyển động của các hạt dẫn điện không cơ bản. Tính chất của tiếp giáp p–n có thể sử dụng để chế tạo các chỉnh lưu bán dẫn điện lực, đèn 2 cực (điốt), tế bào quang điện, tranzito và các dụng cụ khác. 3.4. Phân loại vật liệu bán dẫn Bán dẫn là nhóm vật liệu cực kì đa dạng. Nó có hàng trăm nguyên tố và vật chất khác nhau. Bán dẫn có thể là vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ, tinh thể, vật chất không định hình, chất rắn, lỏng, có từ tính, hoặc không từ tính. Mặc dù có sự khác biệt cơ bản về cấu tạo và thành phần hóa học nhưng loại vật liệu này có tính chất rất đặc biệt là khả năng thay đổi tính chất dưới tác động của năng lượng bên ngoài. Trong giới hạn của giáo trình này, VLBD được phân loại theo sơ đồ sau: Hình 3.10: Phân loại vật liệu bán dẫn Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 73 3.5. Ứng dụng vật liệu bán dẫn trong ngành điện 3.5.1. Giécmani Kết quả điều chế hoá học nguyên liệu ban đầu cho ta tetraclorua giécmani, tiếp tục điều chế thành điôxyt giécmani (GeO2) dưới dạng bột trắng. Điôxyt giécmani được khử trong lò hydro ở nhiệt độ 650 đến 7000C thành giécmani ở dạng bột xám. Trong nhiều trường hợp giécmani đươch điều chế trực tiếp từ GeCl4 bằng cách phân tích hợp chất này ở nhiệt độ cao hơn kẽm. Bột giécmani được rửa trong dung dịch axit và đúc thành thỏi. Giécmani thỏi dùng làm nguyên liệu để điều chế giécmani đặc biệt tinh khiết bằng phương pháp kéo nóng chảy. Để sản xuất dụng cụ bán dẫn, giécmani được cắt thành miếng mỏng, bề mặt của các phiến được tẩy rửa để loại trừ các khuyết tật lúc gia công. Có các tính chất như bảng: Thông số Đơn vị đo Giécmani Silic Trọng lượng nguyên tử – 72,6 28,08 Thể tích nguyên tử – 13,5 11,7 Thông số mạng A0 5,66 5,42 Khối lượng nguyên tử ở 200C g/cm3 5,3 2,3 Hệ số nhiệt độ dãn nở dài (0–1000C) 1/độ 6.10-6 4,2.10-6 Nhiệt dẫn riêng W/cm.độ 0,55 0,8 Nhiệt dung riêng (0 – 1000C) J/kg.độ 333 710 Nhiệt độ nóng chảy 0C 936 1414 Nhiệt lượng nóng chảy J/mol 3,04.103 46,3.103 Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 74 Hệ số sức căng bề mặt (ở nhiệt độ nóng chảy) Din/cm 600 720 Điện trở suất riêng ở 200C Ωcm 68 200000 Nồng độ riêng các hạt dẫn cơ bản cm-3 2,5.1013 1010 Bề rộng vùng cấm eV 0,72 1,12 Độ linh động của điện tử Cm2/V.s 3960 1400 Độ linh động của lỗ trống // 1900 500 Công thoát điện tử eV 4,8 4,3 Thế iôn hoá sơ cấp V 8,1 8,14 Hằng số điện môi - 16 12,5 Sức nhiệt động đối với phiến ở 1000C mV 33,9 41,6 BẢNG 3.3: TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BÁN DẪN Điện dẫn suất của giécmani phụ thuộc vào nhiệt độ ứng với các loại tạp chất asen khác nhau. Ngoài ra khi nồng độ tạp chất lớn thì sẽ có bán thoái hoá. Sự phụ thuộc của quang điện dẫn vào bước sóng của Ge, quang điện dẫn lớn nhất đạt được ở bước sóng 1,3 –1,5 in trong vùng tia hồng ngoại, khi bước sóng lớn năng lượng lượng tử không đủ để kích thích quang điện dẫn và Ge cho dải sóng điện từ này đi qua hoàn toàn. Ge được dùng để sản xuất chỉnh lưu dòng điện xoay chiều với các công suất khác nhau, các loại tranzito mặt và điểm. Ge còn dùng để chế ra bộ cảm biến sức điện động Holl và các hiệu ứng từ điện để đo cường độ từ trường, dòng điện, công suất, nhân đôi đại lượng trong các dụng cụ tính toán kỹ thuật. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 75 Do các tính chất quang của Ge cho phép dùng nó làm tranzito quang, điện trở quang, thấu kính quang mạnh (đối với tia hồng ngoại), các bộ lọc quang học, điều biến ánh sáng và sóng vô tuyến ngắn Khoảng nhiệt độ làm việc của các dụng cụ Ge từ –600C đến + 700C. Khi nhiệt độ tăng dần giới hạn trên thì dòng điện thuậnchiều trong điốt tang lên 2 lần, dòng điện ngược chiều tăng 3 lần. Khi làm lạnh đến –600C được dòng điện thuận chiều 70 – 75%. Dụng cụ Ge cần được bảo vệ chống ẩm của không khí. 3.5.2. Silic Silíc thường được điều chế bằng cách khử têtraclorua silic bằng hơi kẽm (SiCl4 là chất lỏng bay hơi mạnh) ở nhiệt độ 10000C trong môi trường kín. Quá trình gia công tiếp theo silic giống như Ge, nhưng gặp nhiều khó khăn hơn vì nhiệt độ nóng chảy của Si cao hơn nhiều Ge gần với nhiệt độ hoá mềm của thuỷ tinh thạch anh. Ngoài ra, Si gây phản ứng với các bon. Điện dẫn của Si cũng như Ge phụ thuộc rất nhiều vào tạp chất trong nó. Silic được dùng để sản xuất dụng cụ bán dẫn tương tự như Ge: điốt, triốt, tế bào quang có lớp chắn, cảm biến hiệu ứng Hollgiới hạn nhiệt độ làm việc của các dụng cụ đo dùng Si là 120 – 2000C hoặc cao hơn nhiều so với Ge. 3.5.3. Selen Selen là nguyên tố ở nhóm VI trong bảng tuần hoàn Menđêlêép được điều chế trong các nhà máy sản xuất axít sunfuric khi làm sạch đồng bằng điện phân. Selen có các dạng khác nhau: vô định, tinh thể, màu sắc khác nhau Selen có màu xám, cấu tạo tinh thể 6 cạnh, có tính chất như bảng. Điện trở suất của selen dao động trong phạm vi rất rộng, nó phụ thuộc vào loại nồng độ tạp chất, nhiệt độ và độ chiếu sáng. Tính chất Đơn vị đo Trị số Ghi chú Khối lượng riêng g/cm3 4,8 Ở 200C Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 76 Độ cứng - 2 Theo thang đo khoán vật Nhiệt độ nóng chảy 0C 217-220 Hệ số nhiệt độ dãn nở dài 1/độ 50.10-6 Trongkhoảng từ 20 – 1000C Nhiệt dung riêng J/g.độ 0,33 Trongkhoảng từ 15 – 2170C Nhiệt dẫn riêng W/cm.độ 0,004 Nhiệt nóng chảy J/g 64,2 Nhiệt bay hơi // 881 Nhiệt độ sôi 0C 680-690 Theo các số liệu nghiên cứu khác nhau Hệ số sức căng bề mặt Din/cm 105,3 Ở2200C Điện trở suất Ω.cm 102-1013 Phụ thuộc vào dạng tạp chất Hệ số nhiệt điện trở suất 1/độ -0,003- 0,03 Ở200C Bề rộng vùng cấm eV 1,7-1,9 Độ linh hoạt lỗ trống Cm2/v.giây 0,2 Độ linh hoạt điện tử // 5.10-3 Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 77 Nồng độ lỗ trống cm-3 3.1014 Thế iôn hoá sơ cấp V 9,75 BẢNG 3.4: TÍNH CHẤT SELEN Nồng độ các tạp chất halôgen (clo, brôm, iốt) nhỏ hoan 5.10-4% tính theo trọng lượng thì làm giảm điện trở suất của selen, nhưng nếu tiếp tục tăng thì điện trở suất sẽ tăng. Các tạp chất telua, thuỷ ngân và một loạt kim loại khác làm tăng điện trở selen. Selen được dùng để sản xuất chỉnh lưu các loại và tế bào quang điện có lớp chắn. 3.5.4. Các hợp chất hoá học bán dẫn và các vật liệu dẫn suất cùng gốc Hợp chất bán dẫn có thể có các tính chất điện, vật lí rất khác nhau và trong nhiều trường hợp nó có những tính chất hơn hẳn bán dẫn thuần. Sau đây một số chất được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điện. 3.5.4.1. Cácbít silic Đây là hợp chất silic và cacbon, theo công thức SiCx (x gần bằng 1). Cácbít Silíc có thành phần: 70,045%Si và 29,955%C. Trong thiên nhiên vật liệu này rất ít gặp và có số lượng hạn chế. Cácbít silíc kỹ thuật được sản xuất trong các lò điện khử điôxít silíc (cát thạch anh) bằng các bon. Màu sắc của tinh thể phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu và quá trình công nghệ. Màu và điện dẫn của tinh thể SiC phụ thuộc vào các tạp chất và số lượng nguyên tử thừa Si hay C so với thành phần hợp thức. Cácbít silíc dùng để chế tạo: các tấm điện trở phi tuyến của chống sét van để bảo vệ đường dây tải điện và các thiết bị điện, sản xuất các biến trở, kỹ thuật máy tính, dụng cụ trong xây dựng điện, các lò điện nhiệt độ cao, các bộ phận trong đèn đốt inhitron 3.5.4.2. Một số hợp chất bán dẫn khác Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 78 Có một số hợp chất có triển vọng, bởi vì nó cho phép lựa chọn rộng rãi các tham số của vật liệu ban đầu (bề rộng vùng cấm, độ linh hoạt hạt điện dẫn) để chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn. Galiasenua Đây là hợp chất có vùng cấm lớn hơn Ge và Si. Độ linh hoạt điện tử cao hơn Ge và Si, độ linh hoạt lỗ trống xấp xỉ như Si. Galiasenua có thể dùng để chế tạo tế bào quang điện có hiệu suất khoảng 7%, liều lượng kế tia rơnghen, điốt đường hầm, laze bán dẫn. Dụng cụ bán dẫn gali asenua có khả năng làm việc đến nhiệt độ 4500C. Antimonua Inđi Được thu bằng cách nấu chảy theo tỉ lượng inđi và antimoan tinh khiết cao. Vật liệu thu được phải làm sạch theo phương pháp phân vùng chảy, đơn tinh thể thu được bằng cách kéo. Antimonua Inđi dùng để chế tạo tế bào quang điện có độ nhạy cao, dựa trên nguyên tắc sử dụng các hạt khác nhau của hiệu ứng quang, chế tạo cảm biến suất điện động Holl và các bộ lọc quang học. Ngoài ra InSb dùng làm máy phát nhiệt điện, máy làm lạnh. Các sunfua Chì sunfua (PbS), bismút sunfua (Bi2S3) và cađmi sunfua (CdS) được dùng để sản xuất điện trở quang. Chì sunfua gặp nhiều trong thiên nhiên ở dạng vật liệu galenit và có thể điều chế được bằng một số phương pháp nhân tạo, PbS thường có biến thể vô định hình và tinh thể. Các điện trở dùng để đếm sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất, kiểm tra độ cao của các vật lỏng. Cũng như chế tạo các điện trở quang mắc trực tiếp vào chiếu sáng dòng điện xoay chiều hay một chiều Các oxít Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 79 Đồng ôxít (Cu2O) có màu đỏ thẫm chỉ có thể là bán dẫn loại p, có hình dạng lập phương. Điện dẫn của đồng ôxít phụ thuộc nhiều vào tạp chất các loại, nhiệt luyện và nhiệt độ. Những dụng cụ bán dẫn đầu tiên là những chỉnh lưu bán dẫn và tế bào quang điện được điều chế từ những tấm đồng bị ôxi hoá với bề mặt phủ một loáp ôxít đồng. Để chế tạo, lấy miếng đồng bằng đồng đỏ đặc biệt tinh khiết đem đặt vào trong lò có môi trường oxy hoá với nhiệt độ 1020 – 10400C trong khoảng 5 giờ. Sau đó đưa vào lò thứ hai nhiệt độ 6000C và giữ trong khoảng 10 giờ. Khi đưa ra khỏi lò thì làm nguội phiến đồng đó bằng cách nhúng vào nước. Sau khi nhiệt luyện tấm đồng được phủ hai lớp ôxit bên trong màu đỏ thẫm (Cu2O) và bên ngoài màu xám tối (CuO) có điện dẫn nhỏ được khử bằng cách tẩy, còn mặt sau thì mài cho đến đồng gốc bên trong. Ngoài ra còn có các oxit bán dẫn khác như: kẽm oxit (ZnO), sắt oxit (Fe3O4) và MgOCr2O3. Các vật liệu có thành phần phức tạp khác Trong kỹ thuật chúng được chế tạo các phần tử nhiệt của các máy phát nhiệt điện và các thiết bị làm lạnh. Các vật liệu này có hợp kim Bi –Sb – Zn dùng làm nhánh hệ số dương của các phần tử nhiệt, dung môi rắn 0,25,PbS.0,5PbSe.0,25Pb.Te; 0,3PbS.0,7PbSe dùng để chế tạo nhánh hệ số âm của phần tử nhiệt. 3.5.5. Điốt phát quang (LED) Điốt phát quang (LED) là một tiếp giáp p-n làm việc với điện áp phân cực thuận, electron được phun vào phía p và lỗ trống vào phía n. Những hạt thiểu số này tái hợp với những hạt đa số ở trong vùng trống. Ở vật liệu bán dẫn trực tiếp, quá trình tái hợp là quá trình tái hợp có bức xạ. Còn ở vật liệu bán dẫn gián tiếp thì hiệu suất phát quang rất thấp, năng lượng giải phóng chủ yếu là nhiệt năng. Vật liệu bán dẫn trực tiếp là GaAs. Ngoài ra, còn có những vật liệu khác: GaxAl1- xAs; In0,53; Ga0,47As; In0,52Al0,48As; InGaAsP; GaAsP. Những vật liệu có năng lượng vùng cấm lớn là ZnSe, ZnS, SiC, AlInGaP và GaN. Cần chú ý rằng các hợp kim như GaAlAs và GaAsP trở thành vật liệu gián tiếp với một số tỉ lệ thành phần . Dưới đây là phần tóm tắt của các vật liệu dùng để chế tạo LED: Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 80 Tên vật liệu Nhận xét In1-xGaxAsyP1-y; x = 0,47y để có mạng tinh thể phù hợp mạng tinh thể của InP. Wg = 1,35 – 0,72y + 0,12y 2 , eV *Có mạng tinh thể phù hợp với InP *Có dải năng lượng bức xạ rộng, có thể đạt từ ∼0,8eV đến 1,35eV. *Công nghệ vật liệu hoàn toàn tiên tiến có thể ứng dụng trong viễn thông. GaxAl1-xAs Wg = 1,43 + 1,25x, eV x ≤ 0,35 *Có mạng tinh thể phù hợp với GaAs *Công nghệ vật liệu hoàn toàn tiên tiến, có thể ứng dụng vào mạng thông tin công sở, xí nghiệp. GaAs1-xPx *Vật liệu này trở thành vật liệu gián tiếp với x = 0,45 *Với tạp chất là n, LED vẫn làm việc được mặc dầu vật liệu có tính chất gián tiếp, phát ra ánh sáng màu xanh lá cây (λ=0,55μm) *Có thể chế tạo nhiều vật liệu khác nhau như: GaAs0,6P0,4 cho ánh sáng màu đỏ; GaAs0,35P0,65: N cho ánh sáng màu cam; GaAs0,15P0,85: N cho ánh sáng màu vàng. SiC, GaN, ZnSe, AlZnGaP có năng lượng vùng cấm lớn, có thể phát ra áng sáng xanh và tím, cực tím. *Vật liệu quan trọng để phát ra ánh sáng màu xanh (ở những linh kiện hiển thị, bộ nhớ) ông nghệ vật liệu chưa hoàn thiện, nhưng đang trên đà tiến bộ nhanh. BẢNG 3.5: TÍNH CHẤT ĐIỐT PHÁT QUANG 3.5.6. Vật liệu hấp thụ quang Khi chiếu ánh sáng lên chất bán dẫn mà năng lượng ánh sáng lớn hơnnăng lượng vùng cấm, thì điện tích trong vật liệu sẽ được gia tăng, tức l electron vùng hoá trị chuyển động lên vùng dẫn, từ đó điện dẫn suất tăng lên. Điển hình là Ìpin mặt trời Pin mặt trời: Pin mặt trời là điốt p-n chuyển đổi quang năng thành điện năng. Pin mặt trời làm việc không có nguồn điện cung cấp, điện áp và dòng điện của pin do ánh sáng tạo ra. Đường kính của pin thường khoảng 150 mm, như vậy pin có bề mặt lớn để nhận ánh sáng. Lớp n rất mỏng, chỉ bằng 0,25μm. Tiếp xúc ở mặt trên làm bằng vàng hoặc nhôm, có dạng tiếp xúc ngón. Ở trên tiếp xúc có phủ một lớp ngăn phản chiếu ánh sáng. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 81 Hình 3.11: Cấu tạo của một pin mặt trời + Front metal contacts: lớp tiếp xúc trên bằng kim loại, + Antireflection coating: lớp phủ chất không phản xạ, + n-type crystal: bán dẫn loại n, + p-type crystal: bán dẫn loại p, + rear metal contal: lớp tiếp xúc dưới bằng kim loại, + electron- hole pairs formed: những dạng cặp electron - lỗ trống, + holes drift to p – region: lỗ trống trôi dạt về miền p, + electron drift to n – region: electron trôi dạt về miền n, + current flows in external circuit: dòng điện chạy trong mạch ngoài) Vật liệu của tiếp giáp p-n là Si, Ge, Ga-As, CdS. Trong số vật liệu trên, thì GaAs cho hiệu suất lớn nhất, như mô tả trên đồ thị trên hình 2.21. Pin mặt trời làm bằng GaAs có hiệu suất bằng 28% trong khi đó Si cho hiệu suất 25% và Ge thì chỉ cho 10%. Nhưng Ga-As đắt tiền hơn rất nhiều và không làm thành tấm mỏng có diện tích lớn được, vì vậy Si được sử dụng nhiều hơn, mà pin mặt trời bằng GaAs chỉ được sử dụng trong trường hợp dùng làm pin hội tụ, để tập trung năng lượng. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 82 Hình 3.12: Hiệu suất lớn nhất của pin mặt trời làm bằng Si, Ge, GaAs, CdS Trong thực tế, hiệu suất của pin mặt trời làm bằng Si nằm trong khoảng 10%-25%. Một Pin mặt trời bằng Si có diện tích 200 mm2 có thể có hiệu suất bằng 15% cho công suất 10 mW với điện áp 0,6 V dưới ánh sáng mặt trời ban trưa. Nhưng nếu dùng nhiều pin, mỗi pin có đường kính 50 mm, ghép nối tiếp và song song thành một bộ pin cho được công suất đến 1 kW với điện áp 28V. Như vậy, để pin mặt trời có hiệu suất lớn, thì pin phải có bề mặt A hấp thụ ánh sáng lớn, mặt khác phải được chế tạo bằng vật liệu mà tuổi thọ của điện tích phải lớn, sự tái hợp của điện tích tương đối nhỏ.Vật liệu bán dẫn gián tiếp như Si có tỉ lệ tái hợp của điện tích nhỏ CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 3.1. Trình bày cấu tạo, đặc điểm chất bán dẫn tinh khiết, tạp chất?. Câu 3.2. So sánh điện trở suất của chất bán dẫn so với chất dẫn điện và chất cách điện?. Câu 3.3. Trình bày tính dẫn điện của chất bán dẫn?. Câu 3.4. Trình bày tiếp giáp P-N?. Câu 3.5. Trình bày đặc điểm, ứng dụng Giécmani (Ge)?. Trƣờng CĐ GTVT TP. HCM Giáo trình Vật liệu điện-điện tử Khoa KT Điện- Điện tử Trang 83 Câu 3.6. . Trình bày đặc điểm, ứng dụng Silic (Si))?. Câu hỏi trắc nghiệm lựa chọn Đọc kỹ các câu hỏi, chọn ý trả lời đúng nhất và tô đen vào ô thích hợp ở cột bên. TT Nội dung câu hỏi a b c d 3.7. Chọn câu đúng khi nói về bán dẫn tinh khiết a. Dẫn điện tốt là nhờ vào có tạp chất. b. Ở nhiệt độ thấp dẫn điện tốt hơn ở nhiệt độ cao. c. Hạt tải điện là các electron. d. Ở nhiệt độ cao dẫn điện tốt □? □? □? □? 3.8. Chọn câu sai khi nói về bán dẫn loại n. a. Được pha vào loại tạp chất có hóa trị nhỏ hơn. b. Trong chất bán dẫn loại n vẫn còn tồn tại một sô ít lỗ trống. c. Hạt tải điện chủ yếu là các electron dẫn. d. Khi có điện trường, các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường □? □? □? □? 3.9. Chọn câu đúng khi nói về bán dẫn loại p. a. Hạt tải điện chủ yếu là electron dẫn và lỗ trống. b. Dưới tác dụng của điện trường các lỗ trống dịch chuyển ngược chiều điện trường. c. Có điện trở suất không phụ thuộc vào nhiệt độ. d. Hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống.3 □? □? □? □? 3.10. Khi nói về chất bán dẫn điều nào sau đây là sai. a. Điện trở suất của một số bán dẫn giảm đáng kể khi nó được chiếu sáng. b. Bán dẫn tinh khiết có hệ số nhiệt điện trở dương c. Bán dẫn loại axepto có hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống. d. Bán dẫn loại n có hạt tải điện chủ yếu là electron dẫn.