Tập bài giảng Vật liệu điện - điện tử

hơn là làm tinh khiết trực tiếp Silic, và sau đó chuyển hợp chất của nó trở lại thành Silic nguyên chất. Triclorosilan là hợp chất của Silic được sử dụng rộng rãi nhất như chất trung gian, mặc dầu tetraclorua Silic và Silan cũng được sử dụng. Khi các khí này được thổi qua Silic ở nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo ra Silic có độ tinh khiết cao. Trong công nghệ Siemens, các thỏi Silic có độ tinh khiết cao được đưa vào triclorosilan ở nhiệt độ 1150 °C. Khí triclorosilan phân hủy và lắng đọng Silic bổ sung trên thỏi, làm to nó theo phản ứng sau: 2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4 Silic sản xuất từ phương pháp này và các công nghệ tương tự gọi là Silic đa tinh thể. Silic đa tinh thể thông thường có tạp chất ở mức 1 phần tỷ hoặc thấp hơn. Cùng thời gian đó, DuPont đã sản xuất Silic siêu sạch bằng cách cho tetrachorua Silic phản ứng với hơi kẽm nguyên chất ở nhiệt độ 95°C, theo phản ứng: SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2 Tuy nhiên, kỹ thuật này đã vấp phải những vấn đề thực tế (chẳng hạn như sản phẩm phụ clorua kẽm đông đặc lại và dính vào sản phẩm) và cuối cùng nó đã bị bỏ đi để sử dụng chỉ mỗi công nghệ Siemens. * Tinh thể hóa Công nghệ Czochralski thông thường được sử dụng để sản xuất các tinh thể Silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng trong các thiết bị bán dẫn bằng Silic ở trạng thái rắn. Điện dẫn của Silic cũng giống như Giecmani phụ thuộc rất nhiều vào tạp chất chứa trong nó. Hình 5.2 cho quan hệ giữa điện trở suất của Silic điện tử với nhiệt độ. Đường cong của Silic có điện dẫn lỗ trống cũng có dạng tương tự. Điện dẫn suất của Silic biến đổi trong phạm vi rộng,  = (7.102 10-2) 1/ cm. Giới hạn nhiệt độ làm việc của các dụng cụ Silic phụ thuộc vào mức độ thuần khiết của vật liệu, có thể đến 120 – 200oC hoặc cao hơn nhiều so với Giecmani Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 179 Hình 5.2. Quan hệ của điện trở suất Silic điện tử và lỗ trống với nồng độ hạt dẫn điện Silic là nguyên tố rất có ích, cực kỳ cần thiết trong nhiều ngành công nghiệp. Điôxit Silic trong dạng cát và đất sét là thành phần quan trọng trong chế tạo bê tông và gạch cũng như trong sản xuất xi măng Portland. Silic là nguyên tố rất quan trọng cho thực vật và động vật. Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nước để tạo ra lớp vỏ bảo vệ tế bào. Ngoài ra Silic còn được ứng dụng vào: - Men sứ và đồ gốm làm vật liệu chịu lửa sử dụng trong sản xuất. - Thép - Silic, là thành phần quan trọng trong một số loại thép. - Đồng thau, phần lớn đồng thau được sản xuất có chứa hợp kim của đồng với Silic. - Thủy tinh, Silica từ cát là thành phần cơ bản của thủy tinh. Silica được sử dụng như vật liệu cơ bản trong sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai lọ), và sứ cách điện cũng như nhiều đồ vật có ích khác. - Giấy nhám, Cacbua Silic là một trong những vật liệu mài mòn quan trọng nhất. - Vật liệu bán dẫn, Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêm asen, bo, gali hay photpho để làm Silic dẫn điện tốt hơn trong các transistor, pin mặt trời hay các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử và các ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 180 - Trong các laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bước sóng 456 nm. - Trong các ứng dụng y tế như nâng ngực nhân tạo và lăng kính tiếp giáp (kính áp tròng). - LCD và pin mặt trời, Silic ngậm nước vô định hình có hứa hẹn trong các ứng dụng như điện tử chẳng hạn chế tạo màn hình tinh thể lỏng (LCD) với giá thành thấp và màn rộng. Nó cũng được sử dụng để chế tạo pin mặt trời. - Trong xây dựng, Silica là thành phần quan trọng nhất trong gạch vì tính hoạt hóa thấp của nó. 3. Giecmani (Ge) Nguyên tố này được tìm thấy trong argyrodit (sulfua của Gecmani và bạc), than đá, germanit, quặng kẽm và một số khoáng vật khác Ở quy mô thương mại, Gecmani thu được từ quặng kẽm nhờ xử lý bụi quặng nóng chảy cũng như từ các phụ phẩm sau cháy của một vài dạng than đá. Vì thế nguồn dự trữ lớn của Gecmani chính là các nguồn than đá. Gecmani có thể tách ra từ các kim loại khác bằng cách chưng cất phân đoạn tetraclorua dễ bay hơi của nó. Kỹ thuật này cho phép sản xuất Gecmani cực kỳ tinh khiết. Gecmani là một nguyên tố màu trắng ánh xám, cứng có nước bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tương tự như kim cương. Ngoài ra, một điều quan trọng cần lưu ý là Gecmani là chất bán dẫn, với các tính chất điện nằm giữa các kim loại và các chất cách điện. Ở trạng thái nguyên chất, á kim này là chất kết tinh, giòn và duy trì độ bóng trong không khí ở nhiệt độ phòng. Các kỹ thuật tinh chế khu vực đã dẫn tới việc sản xuất Gecmani kết tinh cho ngành công nghiệp bán dẫn với hàm lượng tạp chất chỉ ở cấp độ 10−10. Cùng với gali, bitmut, antimoan và nước, nó là một trong các chất giãn nở ra khi đóng băng. Dạng ôxít, điôxít Gecmani, cũng có tính chất thay đổi như có chiết suất cao đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại là trong suốt với ánh sáng hồng ngoại. Sự phát triển của các transistor bằng Gecmani đã mở ra vô vàn ứng dụng của điện tử học trạng thái rắn. Từ năm 1950 cho tới đầu thập niên 1970, lĩnh vực này đã tạo ra một thị trường ngày càng tăng cho Gecmani, nhưng sau đó Silic độ tinh khiết cao đã bắt đầu thay thế Gecmani trong các loại transistor, diode Silic có các tính chất điện học tốt hơn, nhưng đòi hỏi độ tinh khiết cao hơn - một độ tinh khiết mà con người không thể đạt được ở quy mô thương mại trong giai đoạn đầu. Trong khi đó, nhu cầu về Gecmani trong các mạng liên lạc viễn thông bằng cáp quang, các hệ thống Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 181 quan sát ban đêm bằng hồng ngoại và các xúc tác polyme hóa đã gia tăng một cách mạnh mẽ. Các ứng dụng này chiếm tới 85% nhu cầu tiêu thụ Gecmani toàn thế giới vào năm 2000. Gecmani khác với Silic ở chỗ việc cung cấp Silic bị hạn chế bởi năng lực sản xuất trong khi việc cung cấp Gecmani bị hạn chế bởi sự hạn chế các nguồn có thể khai thác. Những tính chất vật lý của Giecmani được cho trong bảng 5.3. Bảng 5.3.Tính chất của Ge và Si Tính chất Đơn vị đo Giecmani Silic Trọng lượng nguyên tử - 72,6 28,06 Thể tích nguyên tử - 13,5 11,7 Thông số mạng 0A 5,66 5,42 Khối lượng riêng ở nhiệt độ 20oC g/cm3 5,3 2,3 Hệ số nhiệt độ dãn nở dài (0 – 1000C) độ -1 6,0.10-6 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 Hệ số sức căng bề mặt (ở nhiệt độ nóng chảy) Din/cm 600 720 Điện trở suất riêng ở nhiệt độ 200C Ωcm 68 -200 000 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 ion hóa sơ cấp V 8,1 8,14 Hằng số điện môi - 16 12,5 Sức nhiệt điện động đối với phiến ở 100 0C mV 33,9 41,6 Hình 5.3 biểu diễn sự quan hệ giữa các điện dẫn suất của Gecmani vào nhiệt độ ứng với các lượng tạp chất Asen khác nhau. Từ hình vẽ có thể thấy vùng nhiệt độ với thành phần điện dẫn riêng phần và điện dẫn tạp chất của Giecmani. Ngoài ra, hình vẽ còn cho ta thấy khi nồng độ tạp chất lớn (đường 6) sẽ có bán dẫn thoái hóa. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 182 Hình 5.3.Quan hệ giữa các điện dẫn suất của Ge loại N với nhiệt độ. Đường chấm chỉ điện dẫn riêng. ở nhiệt độ trong phòng nồng độ tạp chất asen 1) 8.1012 cm-3 ; 2) 8.1013 cm-3 3) 1,2.1015 cm-3 ; 4) 7.1015 cm-3 5) 6.1016 cm-3 ; 6) 8.1016 cm-3 Sự phụ thuộc của quang điện dẫn bước vào sóng của Giecmani cho trên hình 5.4. Quang điện dẫn lớn nhất đạt được ở bước sóng 1,3 - 1,5µm trong vùng tia hồng ngoại, khi bước sóng lớn năng lượng lượng tử không đủ để kích thích quang điện dẫn và Giecmani cho dải sóng điện từ này đi qua hoàn toàn. Hình 5.4. Sự phụ thuộc của quang điện dẫn Ge vào quang phổ Giecmani được dùng để sản xuất chỉnh lưu dòng điện xoay chiều với các công suất khác nhau, các loại transistor, diode. Giecmani còn được dùng để chế tạo ra bộ cảm biến sức điện động Hall và các hiệu ứng từ điện để đo cường độ từ trường, dòng điện, công suất Gecmani là vật liệu quang học hồng ngoại có tầm quan trọng cao và có thể dễ dàng cắt, đánh bóng thành các thấu kính như là thấu kính vật trong các camera. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 183 Vật liệu này có chiết suất rất cao (4,0) và vì thế cần được bọc lót chống phản xạ. Cụ thể, lớp bọc lót chống phản xạ đặc biệt rất cứng như cacbon tựa kim cương (DLC) (chiết suất 2,0) là phù hợp tốt nhất và sản sinh ra bề mặt cứng như kim cương có thể chống chịu được các tác động môi trường khác nhau. Hợp kim gecmanua Silic (hay "Silic - Gecmani", SiGe) rất nhanh chóng trở thành vật liệu bán dẫn quan trọng, dùng trong các mạch IC tốc độ cao. Các mạch IC dùng các tính chất của kết nối Si - SiGe có thể nhanh hơn nhiều so với các mạch chỉ dùng Silic. Trong những năm gần đây Gecmani được gia tăng sử dụng trong các hợp kim của các kim loại quý. Ví dụ, trong hợp kim bạc sterling, nó được thêm vào để giảm vết bẩn màu, tăng chống xỉn màu, và làm tăng phản ứng của hợp kim đối với xơ cứng kết tủa. Một số ứng dụng khác: - Là tác nhân trong sản xuất hợp kim - Phosphor trong các đèn huỳnh quang - Làm chất xúc tác - Các thiết bị phát hiện dùng một tinh thể Gecmani độ tinh khiết cao có thể nhận dạng chính xác nguồn bức xạ (ví dụ trong an ninh hàng không) - Các đĩa bán dẫn với nền là Gecmani cho các tế bào quang điện hiệu suất cao đa kết nối trong các ứng dụng cho tàu vũ trụ. Giecmani có khoảng nhiệt độ làm việc từ -60 đến +700C 4. Các chất bán dẫn khác a. Cacbit Silic Đây là hợp chất của các nguyên tố nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleev là Silic và các bon (AIVBIV) theo công thức SiCx (x=1) Cacbit Silic trong công thức có: 70,045% Si và 29,955 % C. Trong thiên nhiên vật liệu này rất ít gặp và có số lượng hạn chế. Cacbit Silic kỹ thuật được sản xuất trong các lò điện khi khử điôxít Silic (cát thạch anh) bằng cacbon. Ở nhiệt độ dưới 2000oC, SiC được tạo thành dạng biến thể lập phương β, nếu nhiệt độ cao hơn sẽ tạo ra thành biến thể sáu cạnh α. Sau khi kết thúc quá trình nung và làm nguội lò rút ra được các bó tinh thể SiC gọi là chùm tinh thể. Sau khi tán sẽ nhận được bột với những hạt sắc cạnh và gồ ghề, kích thước hạt trung bình từ 40 đến 300 µm. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 184 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 nguyên tử thừa của Silic và Cacbon so với thành phần hợp thức. Trong kỹ thuật điện cacbit Silic được 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 varistor điện áp thấp dùng trong các thiết bị tự động, kỹ thuật máy tính và các dụng cụ điện trong xây dựng, dùng trong các lò điện nhiệt độ cao, để sản xuất bộ phận đốt trong đèn inhitron v.v Varistor làm bằng các hạt cacbit Silic rời rạc không ổn định, không chịu được rung, va đập, dễ thay đổi đặc tính. Vì thế các hạt SiC cần gắn chặt bằng chất kết dính Varistor dùng trong chống sét van được sản xuất thành tấm có đường kính từ 40 ÷ 150 mm , bề dày 10 ÷ 50 mm. Varistor làm bằng cacbit Silic có chất kết dính là đất sét gọi là tirit, nếu kết dính bằng thủy tinh lỏng gọi là vilit. Chống sét van là bộ phận phóng điện có một hay nhiều khe hở phóng điện lắp nối với Varistor (phụ thuộc vào cấp điện áp làm việc của chống sét van) Sơ đồ nguyên lý chống sét van và hình dáng của nó được thể hiện trên hình 5.5. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 185 Hình 5.5.Sơ đồ nguyên lý(a) và dạng bên ngoài của chống sét van (b) 1- Khe hở phóng điện 2- Điện trở phi tuyến (vilit) Khi bị quá điện áp trên đường dây thì khe hở bị phóng điện chọc thủng, các đĩa Varistor sẽ giảm điện trở đột ngột dưới tác dụng của điện áp lớn tạo thành đường nối đất để cho dòng điện xung chạy qua chống sét xuống đất trong khoảng thời gian khoảng vài chục đến hàng trăm micrô giây. Sau xung dòng điện đó điện áp làm việc của đường dây vẫn duy trì trên chống sét van một dòng điện tần số làm việc, nhưng Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 186 khi dòng điện này qua trị số không lần đầu tiên hồ quang bị dập tắt, đường dây tách khỏi đất và đĩa điện trở phục hồi điện trở của nó, còn khe hở phóng điện chấm dứt ion hóa. Bảo vệ đường dây được tự động phục hồi và có thể thu sóng quá điện áp mới. Các varistor loại nhỏ làm bằng cacbit Silic là những đĩa đường kính từ một vài milimet đến vài centimet và có chiều dày khoảng 1÷2 mm. Varistor có thể sản xuất dạng rông đen và xếp thành cọc. Chúng có thể mắc nối tiếp hoặc song song. Ngoài ra varistor còn sản xuất thành từng thanh, loại này có điện áp làm việc cao hơn. Các điện trở phi tuyến - varistor được sản xuất với điệp áp từ 3 ÷ 1500V, dòng điện làm việc từ 0,1 ÷ 1000 mA, hệ số phi tyến tử 2 ÷ 7 và công suất tổn hao từ 0,1 ÷ 200W. Hiện nay, trong kỹ thuật varistor được sử dụng rộng rãi, dùng để ổn áp, dập tia lửa, nhân tần số, điều chỉnh số vòng hay đổi chiều quay động cơ, điều chỉnh mạch xoay chiều bằng điện áp một chiều, giải mã xung theo biên độ, điều chỉnh độ nghe rõ của thiết bị điện thoại v.v varistor cũng được dùng rộng rãi trong kỹ thuật máy tính và dụng cụ điện trong xây dựng, dùng trong các lò điện nhiệt độ cao,... b, Galiasenua (AIIIBV, GaAs) Hợp chất này có vùng cấm lớn hơn Giecmani và Silic. Độ linh hoạt điện tử cao hơn Giecmani và Silic, độ linh hoạt lỗ trống thì xấp xỉ như Silic. Đối với hợp chất thì kẽm, cadmium, đồng là chất nhận, mức của những chất này nằm cao hơn giới hạn trên vùng hóa trị từ 0,08 ÷ 0,37 eV. Lưu huỳnh, selen, telua cũng như các nguyên tố trong nhóm IV bảng tuẩn hoàn Mendeleev, với nồng độ nhỏ là các chất cho khi thay thế nguyên tử gali. Với nồng độ lớn, các nguyên tố trong nhóm IV trở thành tạp chất trung hòa bởi vì chúng đưa vào mạng cặp nguyên tử thay thế cả Ga và As. Hình 5.6 biểu diễn mối quan hệ của điện dẫn suất galiasenua loại p có nồng độ tạp chất vật liệu chuyển sang trạng thái có đặc tính như bán dẫn thoái hóa. Galiasenua có thể dùng để chế tạo tế bào quang điện có hiệu suất khoảng 7%, liều lượng kế tia Rownghen, diode đường hầm, lazer bán dẫn. Dụng cụ bán dẫn gali asenua có khản năng làm việc đến nhiệt độ 450oC. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 187 Hình 5.6. Quan hệ của điện dẫn suất galiasenua loại p có nồng độ tạp chất khác nhau (N3 > N2 > N1) với nhiệt độ c. Antimonua Indi (AIIIBIV,InSb) Hợp chất này thu được bằng cách nấu chảy theo tỷ lượng inđi và antimon tinh khiết cao. Vật liệu thu được phải làm sạch theo phương pháp phân vùng chảy, đơn tinh thể thu được bằng cách kéo. Inđi antimonua dùng để chế tạo tế bào quang điện có độ nhạy cao, dựa trên nguyên tắc sử dụng các dạng khác nhau của hiệu ứng quang, chế tạo cảm biến suất điện động Hall và các bộ lọc quang học. Ngoài ra, Insb dùng làm máy phát nhiệt điện, máy làm lạnh... d. Các Sunfua (PbS, Bi2S3, CdS) Chì sunfua (PbS), bismut sunfua (Bi2S3) và các cadmium sunfua (CdS) được dùng để sản xuất điện trở quang (điện trở quang dùng để đếm sản phẩm trong sản xuất dây chuyền, kiểm tra độ cao của các vật lỏng và bột rời trong bình chứa,...). Các sunfua còn được dùng làm chất phát quang. - Chì sunfua gặp trong thiên nhiên ở dạng vật liệu gelenit và có thể điều chế được bằng một số phương pháp nhân tạo, PbS thường có thể biến thể vô định hình và tinh thể. - Bismut sunfua được điều chế bằng cách nấu chảy bismut với lưu huỳnh không có ôxy. Tinh thể của nó thuộc hệ thống hình thoi và có màu xám đen. - Cadmium sunfua thu được bằng các phương pháp khác nhau và có thể là vô định hình và tinh thể. Màu của nó tùy thuộc vào biến thể và các tạp chất trong nó. Một vài tính chất của sunfua trong bảng 5.4 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 188 Bảng 5.4.Tính chất của các sunfua Hợp chất Bề rộng vùng cấm (eV) Độ linh hoạt điên tử (cm2/V.giây) Nhiệt độ nóng chảy (oC) PbS Bi2S3 CdS 0,37 1,25 2,1 400 - 200 1114 685 1750 Cu2O ZnO TiO2 0,22 ÷ 0,39 3,2 3 - 100 ÷ 1000 1 - - - Các đặc tính cơ bản của điện trở quang фCK - 1 và фCK - 2 cho trong bảng 5.5 Bảng 5. 5. Các đặc tính cơ bản của điện trở quang Trị số Các tính chất Đơn vị đo ΦCK-1 ΦCK-2 Chú thích Diện tích làm việc mm2 28,8 28,8 Dòng điện khi độ chiếu sáng 200lx µA 1500 600 Với điện áp ΦC -k-1-50v ΦCk-2-100v Dòng điện khi tối µA 15 30 Giới hạn điện áp làm việc (khi công suất không lớn hơn 0,1w) V 300 300 Hệ số nhiệt độ của quang thông trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến 400C % /độ -0,2 -0,12 Các điện trở quang được dùng để đếm sản phẩm trong sản xuất dây chuyền, để kiểm tra độ cao của các vật lỏng và bột rời trong bình chứa, trong các máy cái sao chép hình để gia công các chi tiết theo bản vẽ, báo tín hiệu ánh sáng, báo tín hiệu khi có khói và kiểm tra mức đốt cháy nhiên liệu, dùng trong các máy cái điều khiển theo chương trình, trong các thiết bị bảo vệ tự động Điện trở quang có thể mắc trực tiếp vào mạng chiếu sáng dòng điện xoay chiều và một chiều, tuổi thọ của chúng không nhỏ hơn 10.000 giờ. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 189 Các sunfua còn được dùng làm chất phát quang. Kẽm sunfua được kích hoạt bằng đồng cũng là một loại sunfua phát quang điện. Bề rộng vùng cấm của ZnS gần 3,6 eV, vì thế nó gần như điện môi. e. Các ôxít Đồng ôxít (Cu2O) có màu đỏ thẫm. Đồng ôxít kết tinh 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 chế tạo từ các tấm đồng bị ôxy hóa với bề mặt bị phủ một lớp ôxit đồng. Khi chế tạo chỉnh lưu ôxit đồng thì lấy một phiến đồng đỏ đặc biệt tinh khiết đem đặt vào trong lò có môi trường ôxy hóa với nhiệt độ 1020 - 1040oC trong khoảng 5 giờ. Sau đó đưa vào lò thứ hai nhiệt độ 600oC 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 ôxít, bên trong màu đỏ thẫm (Cu2O) và bên ngoài màu xám tối (CuO) có điện dẫn nhỏ được khử bằng cách tẩy, mặt sau của phiến đồng được làm sạch bằng phương pháp mài hoặc giũa cho tới đồng gốc. Một đầu ra hàn vào đồng, còn đầu khác tạo bằng cách phun một lớp kim loại ôxy hóa yếu để tạo tiếp xúc. Phiến đồng này mắc vào mạch dòng điện xoay chiều có thể làm chỉnh lưu. Đồng ôxít giáp với đồng gốc gồm có loại tạp chất đồng “cho” nghĩa là bán dẫn loại n, sau đó đến lớp ôxít đồng tinh - lớp khóa, lớp dày nhất là lớp ôxít thừa ôxy là tạp chất “nhận” tạo thành lớp bán dẫn loại p. Mật độ dòng điện thuận cho phép đối với chỉnh lưu ôxít đồng có thể bằng 100 mA/cm2, điện áp ngược lớn nhất không được quá 8V nghĩa là thấp nhất trong các loại chỉnh lưu đã nghiên cứu. Các chỉnh lưu đồng ôxít cần được bảo vệ chống ẩm, vì độ ẩm làm tăng điện trở thuận và làm xấu tiếp xúc. Sau một thời gian sử dụng, chỉnh lưu ôxít đồng hóa già, thể hiện ở sự giảm trị số dòng điện thuận. Sự hóa già của các chỉnh lưu mới điều chế đặc biệt mạnh, vì vậy trước khi dùng cần hóa già nhân tạo ở nhiệt độ tăng cao với mục đích tăng tính ổn định khi lắp đặt vào thiết bị làm việc. * Các loại ôxít bán dẫn khác nhau như: kẽm ôxít (ZnO), diôxit khử không hoàn toàn TiO2. Kẽm ôxít với lượng kẽm thừa so với thành phần hợp thức là bán dẫn tạp loại p. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 190 Ngoài những ôxít đơn giản, trong thực tế còn sử dụng hệ ôxít phức tạp. Trị số điện dẫn của chúng có thể lựa chọn bằng cách thay đổi hàm lượng các thành phần. Ví dụ có thể nêu quan hệ giữa các điện trở suất và hệ số nhiệt độ của các mẫu chế tạo từ Fe3O4 và MgO.Cr2O3 với hàm lượng các thành phần (Hình 5.7). Hình 5.7. Quan hệ của điện trở suất và hệ số nhiệt của ôxít bán dẫn phức tạp với hàm lượng các thành phần ở 20oC Hình 5.7 cho ta thấy giá trị điện trở suất của các mẫu này khi thay đổi hàm lượng ôxít có thể khác nhau hàng triệu lần; và giá trị ρ càng lớn thì αρ cũng càng cao. Các ôxít bán dẫn dùng để chế tạo nhiệt điện trở, chỉnh lưu (TiO2) và các thiết bị khác. g. Nhiệt điện trở Nhiệt điện trở được chế tạo thành các thanh, phiến hay hình viên bằng phương pháp công nghệ gốm. Trị số điện trở và các tính chất khác của nhiệt điện trở không chỉ phụ thuộc vào thành phần của nó mà còn phụ thuộc vào cỡ hạt, công nghệ chế tạo như áp lực nén và nhiệt độ nung. Có thể lấy nhiệt điện trở đồng - mangan MMT - 1 và MMT - 4 làm ví dụ cho các loại điện trở nhiệt. Cấu tạo của nó biểu diễn trên hình 5.8, đặc tính Volt - Ampe của MMT biểu diễn trên hình 5.9 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 191 Hình 5.8. Cấu tạo các nhiệt điện trở 1- Thân điện trở, 2- Nắp tiếp xúc, 3- Lớp men sơn, 4- Lớp kim loại bọc, 5- Thủy tinh cách điện, 6- Lá kim loại, 7- Lớp thiếc Hình 5.9. Đặc tính Volt – Ampe của các nhiệt điện trở MMT -1 và MMT – 4 lấy trong không khí yên tĩnh ở 200C, Rđầu= 25KΩ Điện trở nhiệt MMT - 1 là loại làm việc ở chỗ kín khô, loại MMT - 4 được bọc kín nên có thể làm việc trong không khí có độ ẩm cao và ngay cả trong chất lỏng. Trị số điện trở định mức của nhiệt điện trở có thể nằm trong giới hạn từ 1000÷ 200000Ώ ở 20oC, nhưng cũng có thể sản xuất điện trở có trị số định mức nhỏ hơn. Hệ số nhiệt của điện trở các loại MMT ở 20oC khoảng (3 ÷ 4)%/độ, chúng được dùng làm việc ở trong khoảng nhiệt độ từ - 100 oC ÷120 oC. Nhiệt điện trở MMT làm việc ổn định, có độ bền cơ và chịu đốt tốt. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 192 Ngoài việc dùng trong thiết bị đo lường, điều chỉnh nhiệt độ và bù nhiệt, nhiệt điện trở còn dùng để ổn áp, giới hạn xung dòng ban đầu, đo nhiệt dẫn chất lỏng, dùng làm biến trở không tiếp điểm và rơle dòng điện. h. Selen Selen là nguyên tố nhóm VI bảng tuần hoàn Mendeleev được điều chế trong nhà máy sản xuất axit sunfuric khi làm sạch đồng bằng điện phân. Selen có các dạng khác nhau: vô định hình, tinh thể, màu sắc khác nhau. Selen tinh thể màu xám cấu tạo sáu cạnh, có các tính chất nêu trong bảng 5.6. Từ bảng 5.6 ta thấy 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. Bảng 5.6. Tính chất vật lý của Selen tinh thể sáu cạnh Tính chất Đơn vị đo Trị số Ghi chú - Khối lượng riêng g/cm3 4,8 ở 200C - Độ cứng - 2 Theo thang đo khoáng vật - Nhiệt độ nóng chảy 0C 217-220 - Hệ số nhiệt độ dãn nở dài Độ-1 50.10-6 Trong khoảng 20÷1000C - Nhiệt dung riêng J/g.độ 0,33 Trong khoảng 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 ở 2200C - Hệ số sức căng bề mặt Din/cm 105,3 - Điện trở suất Ω.cm 102-1013 Phụ thuộc vào dạng và nồng độ tạp chất ở 200C - Hệ số nhiệt điện trở suất Độ -1 0,0030,03 - Bề rộng vùng cấm eV 1,71,9 - Độ linh hoạt lỗ trống cm2/v.giây ~ 0,2 - Độ linh hoạt điện từ ” ~5.10-3 - Nồng độ lỗ trống cm-3 3.104 - Thế ion hóa sơ cấp V 9,75 Quan hệ giữa điện trở suất của selen tinh khiết với nhiệt độ được minh hoạ trên hình 5.10. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 193 Hình 5.10: Quan hệ giữa điện dẫn suất của Silen tinh khiết với nhiệt độ Nồng độ các tạp chất halogen (clo, brom, iot) nhỏ hơn 5.10-4 % tính theo trọng lượng thì làm giảm điện trở suất selen, nhưng nếu tiếp tục tăng nồng độ của chúng thì điện trở sẽ tăng. Các tạp chất telua, thuỷ ngân và một loạt kim loại khác làm tăng điện trở selen. Selen được sử dụng trong kỹ thuật photocopy, các tế bào quang điện, thiết bị đo độ sáng và tế bào năng lượng mặt trời. Nó đã từng được sử dụng rộng rãi trong các bộ nắn dòng. Chỉnh lưu selen được chế tạo bằng cách gắn selen vô định hình hay dạng bột lên những tấm hoặc những vòng đệm bằng sắt hay bằng nhôm mạ kẽm. Sau đó tiến hành ép để tạo lớp mỏng đồng nhất và tạo nhiệt luyện ở nhiệt độ gần 220oC, tạo ra selen tinh thể có tính dẫn điện thuận chiều thỏa mãn yêu cầu. Trên bề mặt lớp selen (dày 30 ÷ 80 µm) đặt điện cực thứ hai bằng hợp kim của bismut, cadmium và thiếc có nhiệt độ nóng chảy 105 ÷ 110oC, sau đó gia công bằng điện để tạo ra lớp selua cadmium bán dẫn loại n. Lớp chắn của chỉnh lưu selen chính là lớp giới hạn giữa selen và selua cadmium. Selen thường là bán dẫn loại p và dòng điện thuận trong chỉnh lưu hướng từ điện cực lót đến điện cực thứ hai bằng hợp kim. Độ nhạy của tế bào quang điện selen phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu vào (hình 5.11) và có thể bằng 50µA/lm. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 194 Hình 5.11. Sự phụ thuộc của độ nhạy tế bào Selen vào quang phổ Hình 5.11 cho ta thấy tế bào selen có độ nhạy nằm trong phần hẹp của quang phổ nhìn thấy. Hiệu suất tế bào quang selen nhỏ gần 0,2%. Trong kỹ thuật chúng được dùng để chế tạo các phần tử nhiệt của các máy phát nhiệt điện và các thiết bị làm lạnh. Các loại vật liệu này có hợp kim Bi-Sb-Zn dùng làm nhánh hệ số dương của các phần tử nhiệt, dung môi rắn 0,25PbS; 0,5PbSe; 0,25 PbTe; 0,3 PbS; 0,7 PbSe dùng để chế tạo nhánh hệ số âm của phần tử nhiệt. 5.2 . Điện dẫn của vật liệu bán dẫn 5.2.1. Điện dẫn của vật liệu bán dẫn nguyên chất Như đã biết, đặc trưng cho vật liệu bán dẫn là sự có mặt của vùng cấm trong giản đồ năng lượng. Bề rộng của vùng cấm của vật liệu bán dẫn khác nhau. Nếu trong chất bán dẫn không có điện tử tự do (T = 0) thì hiệu điện thế tác dụng cũng không gây lên dòng điện, nhưng nếu có năng lượng đủ lớn tác dụng để có thể làm cho điện tử vượt qua vùng cấm trở thành điện tử tự do và dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển dịch, tạo nên điện dẫn điện tử của chất bán dẫn. Khi đó trong vùng đầy hình thành các " lỗ trống- điện tử " và trong chất bán dẫn sẽ có sự dịch chuyển khác của điện tử khác nhằm lấp các lỗ trống lại. Như vậy dưới tác dụng của trường các lỗ chuyển dịch theo chiều của trường như một điện tích dương và cũng tạo nên điện dẫn của chất bán dẫn. Để hiểu được bản chất sự dẫn điện của bán dẫn ta nghiên cứu cấu trúc bên trong của nó. Ta hãy xét tinh thể Silic là một bán dẫn điển hình. Trong mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si khác ở bên cạnh bằng 4 mối liên kết đồng hoá trị (Hình 5.12). Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 195 Những nguyên tố này có 4 electron hóa trị và cần thêm 4 electron hóa trị để đạt đến cấu hình bền vững. Chẳng hạn, nếu một nguyên tử silic có 4 nguyên tử lân cận gần nhất, trong đó mỗi nguyên tử đóng góp một electron hóa trị để dùng chung thì nguyên tử ở giữa sẽ có 8 electron ở lớp ngoài cùng. Hình 5.12a biễu diễn năm nguyên tử silic không tương tác trong đó mỗi nguyên tử có 4 electron hóa trị. Hình 5.12b là biễu diễn hai chiều của liên kết cộng hóa trị trong silic. Nguyên tử ở trung tâm có 8 electron hóa trị. Ở nhiệt độ thấp những liên kết này rất bền vững. Do đó chất bán dẫn Si có tính dẫn điện. Khi đốt nóng, mạng tinh thể chất bán dẫn Si thu thêm năng lượng. Do chuyển động nhiệt, một số nguyên tử mất liên kết với hạt nhân, trở thành điện tử tự do. Giả sử khi một điện tử tách khỏi nguyên tử số 1, nguyên tử này trở thành ion dương, xem như một lỗ trống có thể lấy điện tử của một nguyên tử 2 nào đó ở gần để lấp lỗ trống và trở thành trung hoà. Nguyên tử số 2 vừa mất điện tử lại trở thành lỗ trống và lại lấy điện tử của nguyên tử 3 nào đó ở gần. Hiện tượng cứ tiếp diễn như vậy gây ra sự chuyển dịch của vị trí lỗ trống. Nếu không có điện trường ngoài (Eng) tác động, hiện tượng xảy ra hỗn độn, trong chất bán dẫn không có dòng điện. Còn nếu có điện trường ngoài, điện tử sẽ chuyển dịch ngược chiều điện trường (hình 5.13) tạo thành dòng điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn Si tăng lên. Vậy bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng đồng thời của điện tử ngược chiều điện trường và lỗ trống cùng chiều điện trường. Trong bảng 5.7 đưa ra số liệu bề rộng của vùng cấm của một số chất bán dẫn. Hình 5.12. Biểu diễn: (a) electron hóa trị của silic (b) liên kết cộng hóa trị trong tinh thể Silic Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si a) b) Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 196 Bảng 5.7. Các nguyên tố bán dẫn và bề rộng vùng cấm Nguyên tố Thuộc nhóm (bảng tuần hoàn Mendeleev) Bề rộng vùng cấm (eV) Bo Silic Giecmani Phot pho Asen Lưu huỳnh Selen Telua Iot III IV IV V V VI VI VI VII 1,1 1,12 0,72 1,5 1,2 2,5 1,7 0,36 1,25 Theo sơ đồ năng lượng của bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T nào đó ở vùng dẫn đã có một vài điện tử chuyển qua và tạo nên vùng trị hóa một số lỗ trống. Vì với mỗi sự chuyển dời điện tử trong bán dẫn đồng thời tạo ra hai hạt mang điện trái dấu, nên tổng các số hạt mang điện bằng hai lần số điện tử ở vùng dẫn: n0i = Poi; noi + Poi = 2noi (5-01) Chỉ số i ở nồng độ điện tử và lỗ trống – ký hiệu các hạt mang điện tử của bán dẫn thuần, trong trường hợp này điện dẫn suất bằng: γ = enoiun+ ePoiup (5-02) Do có cả quá trình kích thích và kết hợp, ở một số nhiệt độ xác định nồng độ các hạt mang điện sẽ được cân bằng. Nồng độ điện tử sẽ là : noi = 2Ntd KT W e 2   (5-03) và nồng độ lỗ trống sẽ bằng: P0i = 2Nht KT W e 2   (5-04) Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 197 Ở đây ∆w- bề rộng vùng cấm của bán dẫn; Ntđ, Nht – số mức trong đơn vị thể tích của bán dẫn trong vùng tự do (vùng dẫn) và vùng trị hóa. 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 (5-02) 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 điện tử có đặc tính điện tử trội hơn một chút. 5.2.2. Điện dẫn vật liệu 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 cao càng tốt, nghĩa là bán dẫn có vùng cấm đủ lớn là loại có ý nghĩa quan trọng. Trong khoảng độ làm việc, nguồn cung cấp hạt dẫn điện tự do là tạp chất. Nếu các tạp chất trong bán dẫn thuần là các nguyên tử kim loại, thì các bán dẫn trong các tạp chất hóa học không phải chỉ là nguyên tử khác loại mà còn là nguyên tử thừa của chính các nguyên tố có trong thành phần hợp thức. Ngoài ra, tất cả các khuyết tật trong mạng tinh thể: nút khuyết, nguyên tử hay ion nằm giữa các nút, biến vị hay lệch phát sinh khi biến dạng dẻo tinh thể, khe nứt vi mô v.v cũng được coi như là tạp chất. Nếu các nguyên tử tạp chất nằm ở nút mạng tinh thể nó được gọi là tạp chất thế, nếu nằm giữa các nút thì gọi là tạp chất xen kẽ. Những tạp chất có thể đưa được vào dải dẫn hoặc có thể lấy điện tử từ vùng hóa trị của chất bán dẫn – đây là tạp chất cho và nhận. Hạt mang điện có nồng độ lớn hơn trong 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 trống” mang điện không cơ bản. Trong bán dẫn loại p thì ngược lại, hạt dẫn điện cơ bản là “lỗ trống”, hạt không cơ bản là “điện tử”. Điện dẫn của bán dẫn tạp đòi hỏi năng lượng tác động nhỏ hơn bán dẫn nguyên chất (0,01eV – 0,10eV), vì thế có thể tạo ra nó ở nhiệt độ thấp hơn so với bán dẫn nguyên chất. Trong thực tiễn, chế tạo các chất bán dẫn nguyên chất rất khó khăn. Các bán dẫn thường có lẫn một ít tạp chất, hơn nữa trong kỹ thuật người ta còn chủ động pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 198 Nếu có một ít tạp chất lẫn vào (dù là một lượng rất nhỏ, không đáng kể) cũng đủ làm cho độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên nhiều lần, thậm chí hàng chục nghìn lần. * Bán dẫn tạp chất loại N (tạp chất cho) Khi pha vật liệu bán dẫn nguyên chất (Gecmani hoặc Silic) thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn kết hợp với nguyên tố photpho (P) thuộc nhóm V trong bảng hệ thống tuần hoàn. photpho (P) có 5 điện tử hoá trị lớp ngoài cùng Như vậy 4 điện tử hoá trị của photpho (P) liên kết với 4 điện tử hoá trị của bán dẫn nguyên chất, còn thừa ra 1 điện tử hoá trị của photpho (P) hình thành nên điện tử tự do gọi là ion âm (-), ion này sẽ chuyển động ngược chiều với lực tác dụng của điện trường. Hình 5.13. Chất bán dẫn loại N * Bán dẫn tạp chất loại P (tạp chất nhận) Giả sử ta pha vật liệu bán dẫn nguyên chất (Gecmani hoặc Silic) thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn với nguyên tố Indium (In) thuộc nhóm III thì Indium (In) có 3 điện tử hoá trị lớp ngoài cùng. Do đó 3 điện tử hoá trị của Indium (In) kết hợp với 3 điện tử hoá trị của bán dẫn nguyên chất tạo thành 3 nối hóa trị thì còn thiếu 1 điện tử hoá trị của bán dẫn Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 199 Hình 5.14. Chất bán dẫn loại P Điện tử của nguyên tử bên cạnh dễ dàng nhảy vào lỗ trống này và tạo thành lỗ trống mới, quá trình cứ tiếp diễn mãi, lỗ trống chạy tự do trong tinh thể. Khi đó mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn tăng lên rất nhiều. Dưới tác dụng của điện trường, điện tử chuyển dời có hướng ngược chiều điện trường, còn lỗ trống thì chuyển dịch cùng chiều điện trường. Ta xem lỗ trống tương tự như điện tích dương và dòng điện chạy trong chất bán dẫn này là dòng những lỗ trống chuyển động. Chất bán dẫn này gọi là chất bán dẫn loại p hay bán dẫn lỗ trống. 5.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới điện dẫn của chất bán dẫn a. Điện dẫn của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ Điện dẫn suất trong vật liệu bán dẫn tinh khiết tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Sự tăng điện dẫn suất của bán dẫn thực tế được gây ra bởi sự tăng nồng độ hạt dẫn điện cùng với nhiệt độ. Nguyên tắc hoạt động của các linh kiện bán dẫn dựa trên sự dẫn điện của tạp chất nên sự dẫn điện riêng sẽ phá hủy quá trình làm việc bình thường của linh kiện. Như vậy nhiệt độ tương ứng với điểm 3 là nhiệt độ làm việc tối đa của linh kiện bán dẫn loại n, nếu tăng mật độ tạp chất thì các đoạn tương ứng với sự dẫn điện của tạp chất của bán dẫn sẽ dịch chuyển lên trên. Khi mật độ tạp chất đủ lớn thì năng lượng ion hóa tạp chất tiến về 0. Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn suy biến (bán kim loại). Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 200 Hình 5.15. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của ni , pi trong Si ,Ge, GaAs Hình 5.16. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ electron trong bán dẫn Điện dẫn suất trong vật liệu bán dẫn loại n được xác định bằng: σ = e.nμn Trong đó n là mật độ electron trong bán dẫn. Khi nhiệt độ còn thấp, cùng với sự tăng nhiệt độ (nghĩa là tăng năng lượng nhiệt) mật độ các eletron sẽ tăng do sự ion hoá các donor (đoạn 1-2). Độ dốc của đoạn này đặc trưng cho năng lượng ion hóa của tạp chất. 3 2 1 lnn n1 1/T Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 201 Tiếp tục tăng nhiệt độ, nồng độ các electron tự do gần như không tăng nữa (đoạn 2- 3) vì lúc này tất cả các tạp chất đã bị ion hoá, còn xác suất ion hoá bán dẫn riêng thì rất nhỏ. Hai đoạn 1-2 và 2-3 là sự dẫn điện của tạp chất của bán dẫn. Khi nhiệt độ đã tăng tương đối cao (đoạn sau điểm 3) nồng độ các hạt điện tích tự do sẽ tăng mạnh với nhiệt độ do sự vượt qua vùng cấm của các electron ở vùng hóa trị vào vùng dẫn. Độ nghiêng của đoạn này đặc trưng cho độ rộng vùng cấm của bán dẫn. Nhiệt độ mà tại đó bắt đầu xuất hiện sự dẫn điện riêng sẽ càng nhỏ nếu độ rộng của vùng cấm bán dẫn càng nhỏ. b. Điện dẫn của chất bán dẫn phụ thuộc vào cường độ điện trường bên ngoài Điện dẫn của chất bán dẫn phụ thuộc vào cường độ điện trường, mối quan hệ này được biểu diễn trên hình 5.18. Hình 5.17. Sự phụ thuộc của điện dẫn vào cường độ điện trường ở điều kiện nhiệt độ khác nhau (T1> T2). Khi cường độ điện trường nhỏ (E < EK) thì quan hệ giữa điện dẫn và điện trường đúng theo định luật Ohm thì điện dẫn không phụ thuộc vào cường độ điện trường. Nếu cường độ điện trường (E > EK) thì điện dẫn tăng nhanh theo hàm số mũ phá hủy kết cấu của chất bán dẫn. Đối với nhiều bán dẫn quan hệ giữa điện dẫn suất với cường độ điện trường có thể biểu diễn bằng công thức: γ = γ0 eβ E (5-10) Ở đây : γ0 - điện dẫn suất bán dẫn khi E < EK β - hệ số đặc trưng cho từng chất bán dẫn Khi điện trường thấp (E < Eth) quan hệ γ = f(E) tuân theo định luật Ohm và điện dẫn không phụ thuộc vào cường độ điện trường, khi cường độ trường lớn, điện dẫn bắt đầu tăng nhanh theo quy luật hàm số mũ dẫn tới phá hủy cấu trúc của bán dẫn. E EK γ0 γ T2 T1 T1> T2 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 202 c. Điện dẫn của chất bán dẫn phụ thuộc vào sự chiếu sáng - Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn các điện tử trong vùng đầy lên vùng tự do tham gia dẫn điện làm cho điện dẫn phụ thuộc vào cường độ trường. Quan hệ của điện dẫn suất của bán dẫn với độ chiếu sáng. Đường cong này tuân theo phương trình: γ = B.Lx (5-11) Ở đây: B - Hằng số đặc trưng cho mỗi bán dẫn; L – Cường độ chiếu sáng; x – Chỉ số nằm trong khoảng 0 < x <1. Các lượng tử ánh sáng nhìn thấy được có năng lượng từ 1,5 đến 3eV, vì vậy chúng có khả năng bứt điện tử ở vùng đầy sang vùng điện dẫn. Quang dẫn là hàm số của tần số bức xạ và phụ thuộc vào môi trường xung quanh. Khi nhiệt độ giảm, độ nhạy của bán dẫn đối với chiếu sáng sẽ tăng vì khi đó nhân tố nhiễu loạn sự giải phóng các điện tử được giảm bớt đi. Sự biến dạng cơ cũng làm điên dẫn suất của bán dẫn biến đổi, vì sự tăng hay giảm (kéo hay nén) khoảng cách giữa các nguyên tử làm thay đổi nồng độ và độ linh hoạt của các hạt dẫn điện. Đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi điện dẫn suất hay điện trở suất của bán dẫn khi có biến dạng cơ học gọi là độ nhạy biến dạng: dρ = L L    (5-12) Nó là tỷ số biến dạng tương đối của điện trở suất bán dẫn với biến dạng tương đối theo hướng đã cho. 5.3. Ứng dụng của vật liệu bán dẫn trong kỹ thuật điện, điện tử. Bằng cách ghép các bán dẫn loại n với loại p người ta đã chế tạo được rất nhiều dụng cụ điện, điện tử quan trọng, cụ thể là để sản xuất ra các loại linh kiện bán dẫn như diode, transistor, vi mạch dùng trong kỹ thuật điện, điện tử và kỹ thuật vô tuyến; dùng làm các phần tử đốt nóng tia điện tử; dùng biến đổi các dạng năng lượng Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 203 5.3.1. Diode bán dẫn (đèn bán dẫn 2 cực). Diode bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn. Có nhiều loại diode bán dẫn, như diode chỉnh lưu, diode zener, diode tách sóng, diode phát quang... Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một lớp bán dẫn loại P ghép với một lớp bán dẫn loại N. Diode là thiết bị điện tử bán dẫn đầu tiên. Khả năng chỉnh lưu của tinh thể được nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện năm 1874. Diode bán dẫn đầu tiên được phát triển vào khoảng năm 1906 được làm từ các tinh thể khoáng vật như galena. Ngày nay hầu hết các diode được làm từ Silic, nhưng các chất bán dẫn khác như selen hoặc germani thỉnh thoảng cũng được sử dụng. Vì diode có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ anot đến katot khi phân cực thuận nên diode được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật điện tử. Vì vậy điều đó có ý nghĩa rất lớn trong kĩ thuật điện tử. Vì vậy diode được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử. Ngoài ra diode có nội trở thay đổi rất lớn, nên diode được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức điện áp Hình 5.18. Một số loại diode thường dùng 5.3.2. Transistor (đèn bán dẫn 3 cực). Transistor là một loại đèn bán dẫn có khả năng khuyếch đại. Gồm có 3 vùng bán dẫn P và N ghép xen kẽ nhau, tạo thành hai lớp tiếp giáp P - N. Một số loại transistor được chế tạo từ chất bán dẫn được ứng dụng nhiều trong thực tế có hình dáng như hình 5.19. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 204 Hình 5.19. Hình dáng thực tế của một số transistor Transistor được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật hiện đại: các mạch khuếch đại, tạo ra dao động điện, các vi mạch điện tử bán dẫn,... trong máy thu thanh, vô tuyến truyền hình và trong các máy tính. 5.3.3. Pin mặt trời Pin mặt trời là diode 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 150mm, như vậy pin có bề mặt lớn để nhận ánh sáng. Lớp n rất mỏng, 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. Hình 5.20. Cấu tạo của 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, Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 205 - Electron- hole pairs formed: những dạng cặp - 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 5.21. 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. Hình 5.21. 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 10mW với điện áp 0,6V 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 1KW với điện áp 28V. 5.3.4. Vật liệu màng mỏng Màng mỏng (Thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài). Khái niệm "mỏng" trong màng mỏng rất đa dạng, có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet. Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung bình của điện tử hoặc các chiều dài tương tác thì tính chất của màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 206 Hiện nay màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn... với nhiều khả năng ứng dụng to lớn trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất. Ngày nay màng mỏng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. Các thiết bị có sử sụng công nghệ màng mỏng bao gồm: công cụ cắt, cấy ghép y tế, các yếu tố quang học, mạch tích hợp. Các lớp chất bán dẫn cách điện kim loại (MIS) tạo thành một cấu trúc hạ tầng cơ sở cho việc chế tạo ra các thiết bị điện tử. Đây là lý do tại sao kiến thức về tính chất vật lý của màng mỏng là rất quan trọng. Tất nhiên các thuộc tính khác nhau xác định khả năng sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Ví dụ như màng mỏng dùng cho sự ôxi hóa chống gỉ nên được thực hiện một cách chặt chẽ, máy móc và có tính hóa học ổn định. Thuộc tính quang của màng mỏng quyết định chất lượng các lớp phủ quang học. Tính chất điện quan trọng đối với màng mỏng được sử dụng trong các thiết bị điện tử. Tính chất nhiệt của màng mỏng không được nghiên cứu nhiều như tính chất quang và tính chất điện, nhưng hiện nay nó đã được quan tâm hơn. Tính chất nhiệt của màng mỏng gắn kết chặt chẽ với sự phát triển quy mô của các thiết bị quang và điện tử. Tính chất nhiệt của màng mỏng hoàn toàn khác so với những thuộc tính của vật liệu khối. Xem xét ví dụ là tính chất của viên kim cương. Độ dẫn nhiệt của đơn tinh thể kim cương có độ tinh khiết cao là khoảng 2 200 Wm-1 K-1 ở nhiệt độ phòng. Nhưng độ dẫn nhiệt của màng có độ dày lớn nhất là 1mm là không cao hơn 100 Wm-1 K-1. Giá trị của đại lượng này cho màng kim cương rất mỏng thậm chí còn thấp hơn. Lý do chính của thực tế này là sự truyền tải nhiệt trong chất rắn là rất nhạy cảm với cấu trúc bên trong và màng mỏng chứa khuyết tật hạn chế sự truyền tải nhiệt bởi các phonon. Ngoài ra sự trộn lẫn hỗn độn giữa các lớp giữa màng mỏng và một chất nền tạo thành một lớp ngăn nhiệt và làm giảm tính dẫn nhiệt hiệu quả của màng. Xác định các thông số nhiệt (tính dẫn nhiệt hoặc tính khuếch tán nhiệt) của màng mỏng là một vấn đề phức tạp. Các lớp màng mỏng siêu nhỏ không thể thu được như một màng độc lập và phải được nghiên cứu trên chất nền. Ảnh hưởng của các màng mỏng trên tính chất nhiệt "trung bình" của mẫu là rất yếu. Đây là lý do tại sao chúng ta phải dùng các phương pháp đo lường phức tạp để xác định tính dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng của màng mỏng. Các tính chất nhiệt ở cấp độ nano đang trở nên ngày càng quan trọng. Tính dẫn nhiệt của màng mỏng kích thước nano là thấp hơn đáng kể so với các màng có kích thước lớn hơn. Đang tập trung nghiên cứu tính chất của một số màng có kích thước nano ví dụ như chế tạo các thiết bị điện tử ứng dụng trong kỹ thuật MEMS (microelectromechanical systems, nghĩa là vi hệ thống cơ điện tử) là thuật ngữ thường Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 207 dùng để chỉ các hệ thống điện tử có thể có thêm các bộ phận chuyển động có kích thước cỡ micromét. Công nghệ chế tạo các MEMS là công nghệ sử dụng kỹ thuật giống như kỹ thuật mạch tích hợp (ví dụ như các công nghệ quang khắc, chùm ion hội tụ...). Tuy nhiên không giống như linh kiện IC được tạo ra từ những lớp cấu trúc 2D, sản phẩm của công nghệ MEMS là các linh kiện có cấu trúc không gian 3 chiều thực sự - gọi là thiết bị MEMS. Một số loại màng nhiệt tiêu biểu: Màng kim cương với độ dẫn nhiệt lớn, độ cứng cao thường được sử dụng trong các thiết bị khoan cắt, hàn. Màng silicon nitride (Si3N4), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), 5.3.5. Vi mạch tích hợp Vi mạch tích hợp, hay vi mạch, hay mạch tích hợp (integrated circuit, gọi tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh) là các mạch điện chứa các linh kiện bán dẫn (như transistor, diode) và linh kiện điện tử thụ động (như điện trở) được kết nối với nhau, kích thước cỡ micrômét (hoặc nhỏ hơn) chế tạo bởi công nghệ silicon cho lĩnh vực điện tử học, các phần tử được nối với nhau nhờ các vật liệu kim loại được phủ trên bề mặt của chip. Ý tưởng này lần đầu tiên được đưa ra bởi Dummer năm 1952. Các mạch tích hợp đầu tiên được phát minh bởi Kilby, 1958. Hình 5.22. Bộ vi mạch Intel 80486 DX2 có kích thước 12×6.75 mm. Các vi mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một linh kiện phức hợp. Một mạch tích hợp sẽ giúp giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều, bên cạnh đó là độ chính xác tăng lên. IC là một phần rất quan trọng của các mạch logic. Có nhiều loại IC, lập trình được và cố định chức năng, không lập trình được. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 208 Mỗi IC có tính chất riêng về nhiệt độ, điện thế giới hạn, công suất làm việc, được ghi trong bảng thông tin (datasheet) của nhà sản xuất. Các công nghệ mạch tích hợp chủ yếu hiện nay là công nghệ MOS và công nghệ BJT cho silicon và MES cho gallium arsenide. . Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 209 CÂU HỎI CHƯƠNG 5 1. Trình bày khái niệm và phân tích ứng dụng cơ bản của vật liệu bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện, điện tử? 2. Trình bày cách chế tạo và đặc điểm của chất bán dẫn tạp loại P, N? 3. Nêu tính chất vật lí của một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật điện, điện tử. 4. Trình bày đặc tính và ứng dụng của chất bán dẫn Silic, Gecmani dùng trong kỹ thuật điện, điện tử? Print to PDF without this message by purchasing novaPDF ( 210 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Đình Thắng. Vật liệu kỹ thuật điện. NXB Khoa học và kỹ thuật. Hà Nội 9/2004. [2 Nguyễn Hoành Sơn. Vật liệu kỹ thuật điện. Học viện Kỹ thuật Quân sự. Hà Nội 1998. [3]. Nguyễn Văn Sắt. Vật liệu cơ khí và Công nghệ kim loại. NXB Công nhân kỹ thuật 1978. [4]. Phan Tử Thụ. Thiết kế máy biến áp điện lực. NXB Khoa học và kỹ thuật. Hà Nội 2002. [5]. Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng. Khí cụ điện – Kết cấu sử dụng, sửa chữa. NXB Khoa học và kỹ thuật. 1995. [6]. Bogorodisky, Pasynkov, Tareev. Electrical Engineering Materials. Mir Publishers. Moscow. 1979. [7]. Koriski, Pasynkov, Tareev. Electrotechnical Materials. Energoatomizdat. 1986 [8]. Bazukin, Larionov, Pintal. High voltage engineering. Moscow. 1986. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (