Đề cương môn học Vật liệu điện- điện tử

193 trang phuongnguyen 340

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề cương môn học Vật liệu điện- điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

de_cuong_mon_hoc_vat_lieu_dien_dien_tu.pdf

Nội dung text: Đề cương môn học Vật liệu điện- điện tử

ĐỀ CƯƠNG MƠN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
LỜI NÓI ĐẦU Đề cương môn học Vật Liệu Điện –Điện Tử được biên soạn theo hướng công nghệ.Bài giảng Vật Liệu Điện –Điện Tử tập hợp những kiến thức cơ bản của môn học từ nhiều nguồn tài liệu nhằm giúp sinh viên , giảng viên có một tài liệu chung để có thể sử dụng trong quá trình học tập, giảng dạy của mình . Trong quá trình tổng hợp tài liêu, người viết đã có được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Hồ Xuân Thanh,xin được gởi tới thầy lời cảm ơn chân thành nhất! Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bài giảng này không thể tránh khỏi những thiếu sót .Rất mong sư góp ý của bạn đọc. Nguyễn Ngọc Hùng
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 1 CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN (VLDĐ) 1.1. Các quá trình vật lí trong VLDĐ và các tính chất của chúng 1.1.1 Các khái niệm cơ bản về chất dẫn điện Dòng điện là sự chuyển dịch có trật tự của các điện tích dưới tác động của điện trường. Dòng điện xuất hiện trong vật chất bị ảnh hưởng bởi điện áp, khi đó dưới tác dụng của lực điện trường sẽ tạo ra các trạng thái chuyển động một cách có trật tự của các điện tích có trong vật chất. Như vậy điều kiện cần thiết để có dòng điện ở bất kỳ vật chất nào chính là sự tồn tại các điện tích tự do. Nhưng tùy thuộc vào bản chất thiên nhiên của các hạt mang điện có trong vật chất, hiện tượng dẫn điện được quan sát có những sự khác biệt rất khác nhau. Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm: - Tính dẫn điện điện tử: Hạt mang điện là những điện tích âm, chính xác hơn là các điện tử. Tính dẫn điện này là đặc tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn điện tử. - Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện là những ion, có thể là các điện tích dương hoặc âm của phân tử hay nguyên tử. Sự chuyển dịch của các điện tích dẫn đến hiện tượng điện phân. - Tính dẫn điện điện di(thường thấy ở điện môi lỏng): Vật chất mang điện là những nhóm điện tích của phân tử (hay molion). Sự tồn tại của dòng điện trong vật chất dẫn đến hiện tượng điện chuyển. Chất dẫn điện là vật chất mà ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do. Nếu đặt những vật liệu này vào trong một trường điện, các điện tích sẽ chuyển động theo hướng nhất định của trường và tạo thành dòng điện. Vật liệu dẫn điện có thể là các vật liệu ở thể rắn, lỏng và trong một số trường hợp đặc biệt có thể là cả ở thể khí. *Các vật liệu ở thể rắn: Gồm kim loại, hợp kim và một số biến thể của cac-bon (than kỹ thuật điện). Kim loại dẫn điện chia làm 2 loại: Loại có điện dẫn cao và loại có điện trở cao. Loại có điện dẫn cao được dùng làm dây dẫn; lõi cáp, cuộn dây của máy biến áp và máy điện, cuộn dây sóng, anot của các đèn phát có công suất lớn Kim loại, hợp kim có điện trở cao được dùng trong các dụng cụ nung bằng điện trở như đèn thắp sáng, biến trở *Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Gồm kim loại lỏng (nóng chảy) và các dung dịch điện phân (ở nhiệt độ phòng có thể kể thủy ngân Hg). Cơ cấu của sự dẫn điện của kim loại (dạng rắn và dạng lỏng) là do sự di chuyển của các điện tử tự do, do đó các vật liệu này có điện dẫn điện tử (thường được gọi là vật liệu dẫn điện loại 1) Các chất điện phân (thường gọi là vật liệu dẫn điện loại 2) như các dung dịch axit, bazơ, muối cơ cấu của sự dẫn điện của loại này là do sự di chuyển của các ion, Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 2 hệ quả là các thành phần của chất điện phân thay đổi dần dần và trên các điện cực xuất hiện các sản phẩm điện phân. Tất cả các chất khí (kể cả khí kim loại) trong điện trường yếu không phải là chất dẫn điện. Tuy nhiên nếu điện trường vượt quá một giá trị nào đó (làm xuất hiện các hiện tượng ion do va đập và ion hóa quang) thì chất khí có thể trở thành chất dẫn điện có cả tính dẫn địên tử và tính dẫn ion. Chất khí bị ion hóa mạnh có số electron và ion dương trong một đơn vị thể tích bằng nhau trở thành một môi trường đặc biệt gọi là plazma. Kim loại được xem như một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do, chúng quyết định nhiều tính chất đặc trưng của kim loại. -Sức hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. -Đặt kim loại vào điện trường ngoài, các điện tử chạy theo một hướng tạo ra dòng điện (tính dẫn điện của kim loại). -Khi nung nóng kim loại, dao động nhiệt của các ion dương tăng làm cản trở điện tử chuyển động nên điện trở kim loại tăng. -Sự truyền động năng của các điện tử tự do và các ion dương tạo nên tính dẫn nhiệt của kim loại. -Các điện tử khi hấp thụ năng lượng ánh sáng sẽ bị kích thích lên mức cao hơn, khi trở về nó phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ. Sự khác nhau giữa 2 mức năng lượng đặc trưng cho tần số ánh sáng phản xạ nên mỗi kim loại có màu riêng (ánh kim). -Tính dẻo của kim loại được giải thích là do các điện tử tự do bảo đảm mối liên kết kim loại không bị biến đổi khi các nguyên tử (ion dương) dịch chuyển vị trí tương đối với nhau. - Một số kim loại có độ từ thẩm từ, có tính chất nóng chảy (điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy kim loại tạo ra nó), có tính giãn nở nhiệt. -Kim loại có tính chống lại sự ăn mòn của hơi nước, oxy của không khí ở nhiệt độ thường. -Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại còn một lượng nhỏ là á kim. Người ta thay thế kim loại nguyên chất bằng hợp kim vì kim loại có tính dẻo, độ bền thấp, điện trở nhỏ và thay đổi theo nhiệt độ, có hệ số giãn nở nhiệt lớn nên không dùng trong các cơ cấu máy chính xác. -Kim loại có tính chất cơ học: Nó có khả năng chống lại tác dụng của lực ngoài, nó có tính chất công nghệ như tính cắt gọt, tính hàn, rèn, đúc . 1.1.2 Sự dẫn điện của kim loại Kim loại mang tính dẫn điện tử, khác với tính dẫn i-on là không có sự chuyển dịch nhìn thấy trong vật chất khi có dòng điện chảy qua. Mặc dù trong kim loại có một số lượng lớn các điện tích chảy qua trong một thời gian dài nhưng không phát hiện bất kỳ sự thay đổi nào về khối lượng cũng như Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 3 thay đổi về cấu tạo hóa học (không kể tới sự ôxi hóa kim loại); các electron nằm ở không gian giữa các nút tinh thể; chúng dao động một cách hỗn loạn, tốc độ của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. Kích thước của các electron không đáng kể so với kích thước nguyên tử lại càng không đáng kể so với khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử; như vậy các electron trong mức độ nào đó có thể xem như là các phân tử khí. Vì thế đôi khi chúng được gọi là khí điện tử. Khi kim loại không bị tác dụng của điện trường ngoài thì sự phân bố tốc độ chuyển động nhiệt của các electron ( vt ) theo các hướng có xác suất như nhau, dòng điện không tồn tại khi không có điện trường ngoài (hình 1.1). Hình 1.1 Chuyển động của các electron khi không có điện trường ngoài. Nếu kim loại được đặt trong một điện trường ngoài E thì mỗi electron sẽ chịu tác động của một lực: F = e.E Các electron chuyển động với một gia tốc ngược hướng điện trường E (hình 1.2) và bằng: F eE a = = m m Trong đó e = -1,6.10 -19 (C) ; m=9,1.10-31 (kg) Hình 1.2 Các electron chuyển động ngược hướng điện trường. Qua thời gian t kể từ khi bắt đầu chuyển động vận tốc electron đạt được: eEt ve = a.t = m Tốc độ chung của electron bằng tổng của vt và ve. Các electron va chạm với các nguyên tử ở nút tinh thể, sau mỗi lần va chạm vận tốc giảm về 0, sau đó lại tăng lên với gia tốc a. Gọi t0 là thời gian chuyển động tự do không va chạm của electron. Khi đó tốc độ cực đại của electron là: Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 4 eEt0 vemax = m Vận tốc trung bình: eEt0 eEl vetb = = 2m 2vt m Với t0 = l/vt ; l : độ dài bước tự do của electron. Có thể chứng minh rằng độ dài bước tự do tỷ lệ nghịch với nhiệt độ: k l = y 2πNkT Trong đó: ky: Hệ số đàn hồi . N: Mật độ nguyên tử . k: Hằng số Boltzmann. T: Nhiệt độ Bảng 1.1: Độ dài bước tự do của electron trong một số kim loại ở 00C ( đơn vị A0) Giả thiết trên một đơn vị thể tích ( là một khối vuông có độ dài là 1 đơn vị ) của vật chất có n hạt mang điện; giá trị điện tích của mỗi hạt là e. Tổng điện tích tự do trên đơn vị thể tích là ne. Tích của vetb với ne cho ta số lượng điện tích ở một đơn vị thời gian qua một đơn vị mặt cắt của vật thể, hay đó là mật độ dòng điện: ne 2l J= ne vetb = E = γE 2vt m Đây là công thức tính cho một electron. Nếu xét tác động của điện trường lên tập hợp các electron tự do thì vận tốc trung bình sẽ lớn hơn cỡ hai lần. Khi đó: ne2l γ = vt m Như vậy điện dẫn suất (do đó điện trở suất và điện trở ) của kim loại không phụ thuộc điện áp đặt lên nó. Giả thiết động năng chuyển động nhiệt của electron tuân theo định luật chuyển động nhiệt của khí lý tưởng, ta có: mv 2 3 t = kT 2 2 Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 5 3kT v = t m ne 2l γ = 3mkT 1 3mkT ρ = = γ ne 2l Vậy khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở của kim loại càng tăng. Vật lý lượng tử hiện đại đưa ra những công thức chính xác hơn nhưng bản chất vấn đề không thay đổi. Giả sử ta quan sát một thể tích đơn E vị dưới tác động của điện trường E Ve vuông góc với một mặt của khối vuông ( hình1.3 ). Ve Mật độ dòng điện trong kim loại được xác định bằng: J = ne vetb (1.1) Hình 1.3 Mặt khác: U I = R I = J.S U= E.l l R = ρ . S Sau khi đơn giản, ta có: E J = = E.γ (1.2) ρ Từ (1.1) và (1.2) ta có: v γ = ne etb (1.3) E v Tỉ số μ = etb được gọi là độ linh động (mobility) của hạt mang điện, đơn vị của E μ là: m / s m 2 = V / m V.s Công thức (1.3) được viết theo dạng sau: γ = n.e. μ Gọi τ là thời gian trung bình giữa 2 lần va đập , ta có : vetb = eEτ /m Vậy : μ =vetb / E = eτ /m 2 Bảng 1.2 Độ linh động điện tử μe (m / V.s ) của một số kim loại Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 6 1.1.3 Điện trở suất của kim loại Trong các kim loại có cấu trúc hoàn thiên, nguyên nhân duy nhất hạn chế độ dài bước tự do là dao động nhiệt của các nguyên tử ở các nút tinh thể. Rõ ràng là khi nhiệt độ tăng thì biên độ dao động nhiệt của các nguyên tử tăng theo làm tăng sự tán xạ của các electron, tức làm tăng điện trở. Sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10 C được gọi là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ: 1 dρ α = ρ dT Trong miền tuyến tính, ta có ρT = ρ 0 []1+ α(T − T0 ) Ơ đó ρ 0 điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu T0 ρ điện trở suất ở nhiệt độ T Trong đó α là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ đối với vật liệu tương ứng và ứng với những khoảng nhiệt độ được nghiên cứu. Hệ số α gần như giống nhau đối với các kim loại tinh khiết và có trị số gần đúng bằng 4.10 −3 (1/ o C). Trong thiên nhiên không tồn tại tinh thể có cấu trúc hoàn thiện. Ở điều kiện thực tế thường xuyên có lỗi này hay lỗi khác. Những khác biệt này gọi chung là khuyết tật. Mặc dù nồng độ khuyết tật của những nguyên tử không lớn nhưng sự thay đổi tính chất vật lý của mạng tinh thể rất lớn. Điện trở tổng của kim loại là tổng của điện trở gây ra bởi sự tán xạ của electron trên dao động nhiệt của các nút mạng ρt và điện trở dư ρ du do sự tán xạ của các electron lên các khuyết tật: ρ kl = ρt + ρ du Ảnh hưởng lớn nhất trong việc tạo điện trở dư là sự tán xạ trên tạp chất (luôn tồn tại ở dạng chất bẩn hay hợp kim). Chú ý rằng bất kỳ tạp chất nào pha vào đều làm tăng điện trở suất, thậm chí nếu tạp chất đó có điện dẫn suất lớn hơn kim loại ban đầu (ví dụ: Pha 0.01% Ag vào dây đồng sẽ làm tăng điện trở suất lên 0.002μΩ.m) a. Điện trở R: là quan hệ giữa hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu của dây dẫn và cường độ dòng điện một chiều tạo nên trong dây dẫn đó. Điện trở của dây dẫn được tính theo công thức: ( hình 1.4) l R =ρ S R S R: điện trở (Ω) ρ : điện trở suất ( Ω .m). Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 7 l: chiều dài dây dẫn (m) S: tiết diện dây dẫn(mm2) l Hình 1.4 Điện dẫn G của một đoạn dây dẫn là đại lượng nghịch đảo của điện trở: 1 G = R 1 Điện dẫn được tính với đơn vị = Ω −1 = S Ω b. Điện trở suất ρ : là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết diện là một đơn vị diện tích. Điện dẫn suất γ : là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất. 1 γ = ρ Điện dẫn suất được tính theo: m/ Ω .mm 2 hay Ω -1cm-1 Bảng 1.3 Điện dẫn suất (conductivity) của: kim loại (metals), chất cách điện (insulators), chất bán dẫn (semiconductors). Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ α : Điện trở suất của kim loại và của nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ sử dụng t 2 điện trở suất sẽ được tính toán xuất phát từ nhiệt độ t 1 theo công thức: ρ (t 2 ) = ρ (t 1 )[1 + α (t 2 - t 1 )] Theo thực nghiệm thì đa số kim loại ở nhiệt độ phòng có α = 0,004(1/0C) Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất: Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức: ρ = ρ o(1 ± pσ ). Dấu “+” ứng với khi biến dạng do kéo, dấu “-“ do nén. Ở đây,σ : Ứng suất cơ khí của mẫu. p: Hệ số thay đổi của điện trở suất theo áp suất. 1.1.4 Hợp kim a. Cấu tạo của hợp kim Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 8 Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại. Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim, thí dụ thép là hợp kim của sắt và cacbon. Hợp kim được chế tạo chủ yếu bằng cách nấu chảy, ngoài ra cũng có thể bằng các phương pháp khác như: điện phân, thiêu kết b. Tính chất chung của hợp kim * Tính chất lý học của hợp kim: Hợp kim có tính chảy loãng, tính dẫn nhiệt, tính giãn dài khi đốt nóng, vẻ sáng mặt ngoài, độ dẫn điện, độ thẩm từ - Tính nóng chảy: Hợp kim có tính chảy loãng khi đốt nóng và đông đặc lại làm nguội. Nhiệt độ ứng với hợp kim chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. - Tính dẫn nhiệt: là tính chất truyền nhiệt của hợp kim khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh. Khi hợp kim có tính chất dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội lạnh nhanh. - Tính giãn nở nhiệt: Khi đốt nóng, các hợp kim giãn nở ra và khi nguội lạnh nó co lại. Sự giãn nở này cần đặt biệt chú ý trong nhiều trường hợp cụ thể. - Tính nhiễm từ: Chỉ có một số kim loại có tính nhiễm từ, tức là nó bị từ hóa sau khi được đặt trong một từ trường. Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và cả vào tổ chức bên trong của kim loại nữa, do đó tính nhiễm từ không phải là cố định đối với mỗi loại vật liệu. * Tính chất hóa học: Tính chất hóa học biểu thị khả năng của hợp kim chống lại tác dụng hóa học của các môt trường có hoạt tính khác nhau. Tính chất hóa học của hợp kim biểu thị ở 2 dạng chủ yếu: Tính chống ăn mòn: là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. Tính chịu axit: là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit. *Tính cơ học: Tính chất cơ học của hợp kim gọi là cơ tính, là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên hợp kim. Cơ tính của hợp kim bao gồm: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm *Tính chất công nghệ: là khả năng mà hợp kim có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm. Tính công nghệ bao gồm: tính cắt gọt, tính hàn, tính rèn, tính đúc, tính nhiệt luyện. Tính nhiệt luyện là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của hợp kim bằng cách nung nóng hợp kim tới nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian, rồi sau đó làm nguội hợp kim theo một chế độ nhất định. Trong kỹ thuật thường sử dụng những hợp kim có cấu trúc dung dịch rắn; khi hình thành dung dịch rắn thì mạng tinh thể của kim loại được bảo toàn nhưng chu kỳ của mạng lại thay đổi. Giống như kim loại, điện trở của hợp kim là tổng điện trở của các thành phần ρ hk = ρt + ρ Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 9 Trong đó : ρt điện trở do sự tán xạ của electron lên dao động nhiệt của mạng. ρ điện trở do sự tán xạ của electron lên sự không đồng nhất của hợp kim. Đặc điểm của dung dịch rắn là ρ có thể lớn hơn nhiều lần so với ρt Đối với những hợp kim gồm 2 thành phần A, B sự phụ thuộc của ρ vào thành phần được mô tả bởi phương trình parabol: ρ =C.xa.xb = C.xa.(1-xb) Trong đó: C: Hằng số phụ thuộc vào bản chất của mỗi hợp kim. xa ,xb thành phần nguyên tử của các kim loại A,B. Ta thấy ρ sẽ tăng khi ta tăng nguyên tử B vào A hoặc tăng nguyên tử A vào B; ρ đạt giá trị cực đại của mình khi số lượng các thành phần bằng nhau xa = xb= 0.5 Trong dung dịch loãng khi một trong các thành phần (ví dụ như B) có nồng độ rất thấp và có thể coi như là tạp chất (1-xb =1) thì ta có sự phụ thuộc tuyến tính của ρ vào nồng độ nguyên tử ρ = CxA Một số phương pháp thử kim loại và hợp kim Phương pháp Brinell: Xác định độ cứng của kim loại: tức là khả năng chống lại sự lún của bề mặt kim loại tại chỗ ta ấn vào đó một vật cứng hơn. Độ cứng Brinell P 2P HB = = F 2 2 ΠD.(D − D − d ) Trong đó: P: Lực đặt vào bị (kg) F: Diện tích mặt lõm (mm2) d: Đường kính của vết lõm (mm) Dùng 1 viên bi cầu bằng thép đã tôi cứng có đường kính D = 2,5; 5; 10 mm ấn vào bề mặt vật cần thử với một lực P nhất định. Tỉ số giữa lực P và diện tích mặt lõm F gọi là độ cứng Brinell của vật HB [kg/mm2]. Thử kéo: Thử kéo là quá trình thử để xác định cơ tính của kim loại. Khi thử kéo ta có thể xác định được độ bền, độ đàn hồi và độ dẻo của kim loại.( Hình 1.5) Hình 1.5 Thử kéo -Độ bền: là khả năng của kim loại chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hủy. Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 10 -Độ đàn hồi: là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng. -Độ dẻo: là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hủy, đồng thời vẫn giữ được sự biến dạng khi bỏ lực tác dụng bên ngoài. Độ dẻo được đánh giá bằng độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối l − l σ = 1 0 100% S l -Độ giãn dài tương đối 0 l0: Chiều dài tính toán ban đầu của mẫu thử l1: Chiều dài tính toán lúc sau của mẫu thử F − F Ψ = 0 1 100% F -Độ thắt tỉ đối 0 F0: Tiết diện của mẫu trước khi kéo F1: Tiết diện của mẫu thử tại chỗ đứt σ Kim loại càng dẻo thì độ giãn dài tương đối S và độ thắt tỉ đối càng lớn. Hình 1.6 Biểu đồ kéo Ứng suất tại PP có thể coi gần đúng như giới hạn đàn hồi của vật liệu. Ứng suất tại trạng thái ứng với S được gọi là giới hạn chảy của vật liệu. Vị trí điểm P ứng với trạng thái tải trọng của giới hạn bền khi kéo vật liệu. Trên biểu đồ kéo của thép ta có thể xác định giá trị của giới hạn bền, giới hạn chảy, giới hạn đàn hồi. Từ đó xác định được độ dẻo của thép. 1.1.5. Điện trở màng kim loại mỏng Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 11 Màng kim loại được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử: chúng làm dây nối giữa các phần tử tiếp xúc, bản cực của tụ điện Tính chất của màng kim loại mỏng có thể khác nhiều so với tính chất của kim loại khối ban đầu, mà cụ thể là sẽ điện trở suất tăng lên do xuất hiện hiệu ứng kích thước làm giảm độ dài bước tự do của electron, đó là hệ quả của sự phản xạ từ bề mặt của màng; ở nhiệt độ phòng sự tán xạ bề mặt này của electron gây ảnh hưởng rất mạnh lên phần lớn màng kim loại mỏng nếu độ dày của chúng nhỏ hơn 0 200 -300A . Để đánh giá tính dẫn của màng kim loại ta sử dụng tham số điện trở hình vuông (hay điện trở mặt R ): S l R = l ρl ρ S ρ = = w A yw y y Trong đó ρ : Điện trở suất của màng mỏng. y: Độ dày của màng mỏng. l và w là các cạnh của hình vuông (l=w). A = yw là tiết diện (hình 1.7) Hình 1.7 Điện trở của màng kim loại có bề rộng w, dài l ( l > w) là : l ρ l R l w R= = s (hình 1.8) y w w y Hình 1.8 Điện trở suất của màng kim loại mỏng phụ thuộc vào độ dày y của nó theo qui ⎛ l0 ⎞ luật: ρ y = ρ⎜1+ ⎟ ⎝ y ⎠ trong đó l0 là độ dài bước tự do của electron. Hình 1.9 Sự phụ thuộc của điện trở suất màng kim loại mỏng vào độ dày của nó. Để sản xuất điện trở màng mỏng thường phải sử dụng những màng có điện trở mặt cỡ 500-1000(Ω/hình vuông); các vật liệu thường dùng là những kim loại khó nóng chảy như W, Mo, Cr, hơp kim của Ni với Cr , điện trở màng mỏng làm từ Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 12 những kim loại sạch thường được ưa chuộng hơn, vì chúng có thành phần không đổi nên bảo đảm được tính đồng nhất của cấu trúc làm tăng tính ổn định của các tính chất điện của điện trở. 1.1.6. Hiện tượng tiếp xúc và sức nhiệt điện động Khi cho 2 kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng có một hiệu thế tiếp xúc, nguyên nhân sinh ra hiệu thế tiếp xúc là do công thoát của mỗi kim loại khác nhau nên số electron tự do trong mỗi kim loại khác nhau sẽ không bằng nhau (Hình 1.10). Theo lý thuyết, hiệu thế tiếp xúc UAB giữa 2 kim loại A ,B là: kT n A UAB = UB –UA = ln e nB Trong đó: UA,UB là hiệu thế tiếp xúc của 2 kim loại A và B. nA,nB là số electron trong 1 đơn vị thể tích của 2 kim loại A và B. T: Nhiệt độ chỗ tiếp xúc. k : Hằng số Bolzmann. Hiệu thế tiếp xúc của các cặp kim loại dao động từ vài phần mười đến vài vôn. Hình 1.10 Hiện tượng tiếp xúc Nếu nhiệt độ 2 mối hàn như nhau thì tổng các hiệu thế trong mạch kín bằng 0. Nếu 2 mối hàn có nhiệt độ T1 và T2 khác nhau thì khi đó xuất hiện sức nhiệt điện động: kT1 nA kT2 nB k nB U=UAB + UBA = UB –UA + UA –UB = ln + ln = ln (T2 –T1) e nB e n A e nA U=α T (T2 − T1 ) k nB Trong đó: α T = ln là hệ số sức nhiệt điện động. e nA Ta thấy sức nhiệt điện động là hàm số của hiệu số nhiệt độ. Như vậy nếu dùng 2 kim loại có sức nhiệt điện động lớn thì có thể dùng cặp nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ (nhiệt độ của 1 mối hàn được giữ ở giá trị không đổi và biết trước gọi là nhiệt độ chuẩn T1 = Tref, nhiệt độ Tc của mối hàn thứ hai khi đặt trong môi trường nghiên cứu sẽ đạt giá trị Tx chưa biết ) Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 13 1.2 Vật liệu dẫn điện (VLDĐ) 1.2.1 Phân loại Trong vật lý, hóa học và trong kỹ thuật VLDĐ được phân loại theo các cách khác nhau. Một trong các sơ đồ phân loại VLDĐ theo thành phần, tính chất và ứng dụng được dẫn ra như sau: Hình 1.11 Phân loại vật liệu dẫn điện Kim loại và hợp kim với các ứng dụng khác nhau có thể kể đến : -Kim loại khó nóng chảy. -Kim loại quí . -Kim loại với nhiệt độ nóng chảy trung bình. -Kim loại với nhiệt độ nóng chảy thấp, vật liệu hàn. 1.2.2 Vật liệu có tính dẫn điện cao Vật liệu thuộc nhóm này là vật liệu có điện trở suất ở điều kiện bình thường không vượt quá 0.1μΩm. Thông dụng nhất trong số này là đồng và nhôm. a. Đồng (Cu) Đồng có cấu trúc tinh thể là loại lập phương diện tâm. Thông số mạng a=3,61A0, 3 số nguyên tử trong 1 ô cơ bản nv = 4, mật độ nguyên tử N = ne = nv / a . Điện dẫn suất rất cao (chỉ sau bạc Ag), cơ tính lớn, chống được sự ăn mòn của không khí nhờ lớp ôxit CuO bảo vệ, tính đàn hồi cao. Màu sắc đỏ nhạt, dễ dát mỏng (giấy đồng có thể mỏng đến 0,0008mm), có sức bền lớn khi bị va đập, có khả năng gắn và hàn dễ dàng. Đồng không nhiễm từ. Tính chất cơ học của đồng phụ thuộc vào mức độ tinh khiết trong nó. Hợp kim đồng gồm nhiều vật liệu sẽ làm tăng điện trở suất vì vậy việc sử dụng hợp kim đồng được hạn chế, chỉ chế tạo đối với những chi tiết có yêu cầu cơ khí cao hoặc ở những chi tiết mà điện trở không đóng vai trò quan trọng. Hợp kim của đồng với cadimi Cd, Al, Sn, Ni, Zn sẽ tăng sức bền khi kéo và tăng tính chịu nhiệt. Như vậy, các ưu điểm của Cu làm cho nó được dùng rộng rãi để làm vật dẫn là: Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 14 - Điện trở suất bé, chỉ lớn hơn Ag nhưng do Ag đắt tiền hơn nên ít được sử dụng. - Có sức bền cơ học lớn. - Có thể chịu được tác dụng của sự ăn mòn (đồng chỉ bị oxi hoá nhiều ở nhiệt độ cao, còn khi làm việc trong môi trường có độ ẩm cao Cu bị oxi hoá chậm hơn so với Fe). - Dễ gia công: Cán mỏng thành lá, kéo thành sợi - Dễ hàn, nối Đồng có nhiều loại: m Đồng tiêu chuẩn : Là loại đồng có điện dẫn suất γ = 58 hay ρ =0,017 Ωmm2 Ωmm 2 m Điện dẫn của Cu có thể thay đổi rất mạnh khi có tạp chất. Ví dụ nếu trong đồng có 0.5%Zn, Cd, Mg thì điện dẫn của Cu có thể giảm đi 5%, và nếu cũng có chừng đó các chất Ni, Sn, Al thì có thể giảm đến 25%-40%; còn nếu có tạp chất Ba, As, P, Si thì có thể đến 55%. Vì vậy để làm vật dẫn thường chỉ dùng đồng điện phân chứa 99,9% Cu; nếu có ôxi thì đồng sẽ bị giòn. Đồng không có ôxi: Là đồng có độ bền cơ học rất tốt, trong nó không chứa quá 0.05% tạp chất và trong lượng tạp chất ấy thì lượng ôxi không quá 0.02%. Đồng cứng: có sức bền cao, độ giãn dài bé, rắn và đàn hồi khi uốn. Đồng mềm: được nung nóng xong để nguội, nó ít rắn, sức bền cơ học kém, độ dãn khi đứt rất lớn, điện dẫn suất cao. Cả 2 loại đều có hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ như nhau. Về công dụng thì đồng cứng dùng ở nơi nào cần có sức bền cơ học cao, độ rắn lớn chịu được sự mài mòn còn đồng mềm thì được dùng ở nơi nào cần có độ uốn lớn và sức bền cơ giới không đáng kể. Hằng số vật lý và các tính chất hố học: Bảng 1.4 Giới thiệu các tính chất vật lý hoá học của đồng điện phân Đặc tính Đơn vị đo lường Chỉ tiêu Trọng lượng riêng ở 20oC Kg/dm3 8,90 Điện trở suất ở 20oC Ω mm2/m - Dây mềm - 0,01748 - Dây cứng - 0,01786 - Hệ số thay đổi của điện trở suất theo 1/oC 0,00393 nhiệt độ (ở 0oC – 150oC ) -Nhiệt dẫn suất W/cm.grd 3,92 Calo/cm.s.grd 0,938 -Nhiệt độ nóng chảy oC 1083 -Nhiệt lượng riêng trung bình ở 25oC Kcal/Kg.grd 0,0918 Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 15 -Điểm sôi ở 760mm cột thuỷ ngân oC 2325 -Hệ số giãn nở dài trung bình ở 20oC 1/độ (grd) 16,42.10-6 -Nhiệt độ kết tinh lại oC 200 -Môđun đàn hồi, E 13000 -Sức bền đứt khi kéo -Dây mềm Kg/mm2 21 -Dây cứng Kg/mm2 45 -Kéo dài (riêng) ngang khi đứt % 50 (mềm) 2 (cứng) -Độ cứng Brinell Kg/mm2 -Mềm 35 ủ nhiệt -Cứng 95 cứng Thế điện hoá so với H V +0,34 Các hợp kim của đồng : Hợp kim đồng thường gặp là đồng thanh và đồng thau. Đồng thanh: có từ 3% đến 25% Zn và có thể pha thêm một số tạp chất khác Người ta dùng đồng thanh để gia cơng các vịng cổ gĩp điện, các giá đỡ chổi than các khung, các tiếp điểm, các vịng cung Đồng thanh cịn được sử dụng cho việc chế tạo các dây dẫn viễn thơng các đường dây trên khơng và các dây dẫn tải điện, chế tạo máy và các khí cụ điện, để gia cơng các chi tiết dùng để nối dây dẫn điện, dùng để giữ dây, vịng đầu dây và các đế đai vit, đai ốc cho hệ thống nối đất Ngoài việc dùng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, người ta còn dùng các hợp kim của đồng trong đó có các chất như Sn, Si, P,Cr, Mn, Cd với hàm lượng ít, loại này có tên là đồng đỏ (Bronze); tùy theo tạp chất pha thêm vào, đồng đỏ có tính chất cơ học cao hay thấp so với đồng thường: sức bền chịu kéo của đồng đỏ có thể đạt đến 80(kg/mm2) -135(kg/mm2); điện trở suất lớn hơn so với đồng thuần tuý, đồng đỏ thường được sử dụng để làm các lò xo dẫn điện. Đồng thanh cadimi: Nếu trong đồng có Cd thì hợp kim có độ bền cơ học, điện dẫn và độ rắn cao; loại này có tính dẫn điện cao nhất dùng để chế tạo dây dẫn cho tàu điện, các cổ góp điện, vòng trượt, làm đầu tiếp xúc các phiến đồng trong cổ góp của máy điện. Đồng thanh phốtpho: có độ bền cao và tính đàn hồi lớn. Do tính dẫn điện thấp nên dùng để sản xuất các chi tiết lò xo cần mật độ dòng điện bé. Đồng thanh có tính dễ đúc cao nên dùng trong các chi tiết dẫn điện có hình dáng phức tạp. Đồng thau (Latun): Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đĩ kẽm khơng vượt quá 46% Dùng để gia cơng các chi tiết dẫn điện như: các đầu cực ở các bảng điện phân phối, các nối phân cách, các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các mĩc giữ, các mĩc hình chữ T cho các mối nối nhánh, các đế đèn, các ổ cắm điện . đồng thau có điện trở suất cao hơn so với đồng, có thể chịu được các quá trình gia công nên thường được dùng để chế tạo các chi tiết có độ bền cao như roto lồng sóc Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 16 trong động cơ điện, các chi tiết như vít, chốt, khóa, làm các chi tiết dẫn điện trong vô tuyến điện. Bảng 1.5 So sánh các tham số của đồng, đồng thanh, đồng thau Đồng Đồng thanh Đồng thau Điện trở suất p [Ωcm] 1,75.10-6 1,92. 10-6 7. 10-6 Nhiệt dẫn suất λ [w/cm.0C] 3,9 0,54 đến 0,43 0,83 đến 1,17 Nhiệt lượng riêng C [w.s/g.0C] 0,39 Trọng lượng riêng γ [g/cm3] 8,9 7,4 8,3 Độ cứng Brinell HB [kg/mm2] 35/ 95 80/ 200 40/120 2 Ứng suất kéo được σkđ [kg/mm ] 21/45 50/ 85 18/ 50 2 Ứng suất cho phép σcp [kg/mm ] 18 Nhiệt độ nóng chảy (0C) 900 đến 1200 850 đến 920 b. Nhôm(Al) Nhôm dẫn điện tốt chỉ sau Ag, Cu, Au, nhôm có điện trở suất ρ = 2,9.10-6 Ωcm, nó dẫn nhiệt tốt λ = 3,12 w/cm.0C, tương đối nhẹ γ = 2,7 g/cm3. Nhôm chịu ăn mòn tốt do có lớp oxit Al2O3 bảo vệ. Nhôm dễ dát mỏng, kéo dài và tương đối mềm, có điểm nóng chảy thấp 0 (tnc=680 C ). Độ bền cơ học thấp, khó hàn, dễ bị tác dụng với muối nước, HCl, NaOH đậm đặc. Nhôm là loại vật liệu thứ hai sau đồng sử dụng rất rộng rãi; nó là loại vật liệu có màu bạc, trắng và là một kim loại nhẹ ( nếu 2 dây dẫn đồng và nhôm bằng nhau về độ dài, bằng nhau về điện trở thì mặc dù nhôm có tiết diện lớn hơn 1,68 lần, đường kính lớn hơn 1,3 lần nhưng nó lại nhẹ hơn đồng gần 2 lần); còn các hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung, nhiệt lượng để cho chảy thì lớn hơn đồng (do đó để cho nhôm chuyển sang trạng thái lỏng cần nhiều nhiệt năng hơn so với đồng, tuy rằng điểm nóng chảy của nhôm thấp hơn đồng); điện trở suất của nhôm gấp 1,6 lần đồng; nhôm lại có nhiều trong thiên nhiên, giá thành rẻ hơn đồng (khi thay dây cần chú ý đến việc giá thành của cách điện tỉ lệ với chu vi của tiết diện nên có khi dùng nhôm sẽ đắt hơn so với đồng). Nhược điểm của nhôm là có độ bền cơ học thấp và khó hàn so với đồng. Nhôm có tính dẻo lớn nên có thể sản xuất thành lá, dây, thanh, giấy nhôm. Nhôm nguyên chất dùng làm bản cực cho tụ điện, vỏ bọc bảo vệ dây cáp thay cho chì vì có tính mềm dẻo, chống ăn mòn tốt. Cũng như đồng, nhôm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm dây dẫn, làm dụng cụ gia đình Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 17 Nhôm dễ bị oxi hóa và khi đó sẽ hình thành lớp ôxi mỏng có điện dẫn bé có tác dụng bảo vệ không cho nhôm bị tiếp tục ăn mòn, nhưng lại làm cho chỗ tiếp xúc có điện trở lớn, không cho phép tiến hành hàn nhôm bằng phương pháp thông thường (khi hàn nhôm phải dùng que hàn đặc biệt hay phương pháp siêu âm). Lớp ôxit nhôm dày có thể dùng làm cách điện, do đó khi dùng nhôm đã bị oxi hoá để làm cuộn dây thì có thể không dùng cách điện giữa các vòng dây và các lớp dây, nhược điểm chính của cách điện loại này là hạn chế tính dẻo và có tính hút ẩm cao. Trong thực tế đối với nhôm cần chú ý đến hiện tượng ăn mòn điện phân chỗ tiếp xúc giữa đồng và nhôm. Nếu chỗ tiếp xúc bị ẩm thì ở đây sẽ xuất hiện một sức điện động có chiều sao cho dòng điện đi từ nhôm sang đồng, do đó phần nhôm ở chỗ tiếp xúc bị ăn mòn rất nhiều; vì vậy chỗ tiếp xúc giữa đồng và nhôm cần chú ý bảo vệ chống ẩm (quét sơn). Ôxit nhôm sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo tụ điện, bộ nắn và các bộ chống sét. Nhôm là vật liệu dễ phun thành bụi và kết dính với Si và màng cách điện từ SiO2 sử dụng trong kỹ thuật bán dẫn. Bảng 1.6 Các hằng số vật lý và hoá học chính của nhôm Tính chất Đơn vị đo Chỉ tiêu -Trọng lượng riêng ở 20 oC Kg/dm3 2,7 -Điện trở suất ở 20 oC Ω .cm.10-6 2,941 -Điện dẫn suất ở 20 oC Ω -1cm-1.10-6 0,34 -Hệ số thay đổi của điện dẫn suất theo 1/oC 0,004 nhiệt độ ở 20 oC -Nhiệ dẫn suất ở 20 oC W/cm. oC 2,1 (cal/cm.s.độ) 0,503 -Nhiệt độ nóng chảy bình thường oC 657 -Nhiệt lượng riêng trung bình Kcal/kg 0,2259 -Nhiệt lượng nóng chảy tiềm tàn riêng Kcal/kg 93 -Điểm sôi ở 760 mm cột thuỷ ngân Độ 2270 -Hệ số dãn nở dài trung bình (20 – 1/ oC 23,8.10-6 100oC) 250-300 -Nhiệt độ tái tạo tinh thể độ 7200 -Môđun đàn hồi kg/mm2 9 mềm -Sức bền đứt khi kéo kg/mm2 17 cứng -Độ giãn dài riêng khi kéo % 45 -Độ cao tương đối % 80 -Độ cứng Brinell kg/mm2 22 Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 18 Bảng1.7 Tính chất cơ học của nhôm Trạng thái vật liệu Đơn vị đo Cứng Tính chất cơ học lường Đúc (k éo) Mềm – đã khơng ủ nhiệt được ủ nhiệt -Sức bền đứt khi kéo kg/mm2 9-12 15-25 8 -11 2 -Giới hạn đàn hồi kg/mm - -3 - 4 2 -Giới hạn chảy kg/mm - 12-24 5-8 -Độ giãn dài tương % 11-25 4-8 32-40 đối -Độ co ngĩt tương % - 50-60 70-90 đối 2 -Độ cứng Brinell kg/mm 24-32 40-55 15-25 kg/mm2 - 10 6 -Sức bền khi cắt 2 -Sức bền khi nén kg/mm 42 - - Hợp kim của nhôm: Trong kỹ thuật thường dùng nhôm có chứa tạp chất không quá 0,5% để làm các lá nhôm, điện cực, vỏ của các tụ điện Các tạp chất làm giảm tính dẫn điện của nhôm. Nếu trong nhôm có chứa khoảng 0,5% ( Ni, Si, Zn, Fe, Pb) thì điện dẫn suất giảm không quá 2% -3%; nếu trong nhôm chứa Cu, Ag hay Mg thì tính dẫn giảm 5%-10%. Điện dẫn của nhôm còn giảm mạnh hơn nữa khi tạp chất là Ti, Mn. Trong nhôm kỹ thuật tạp chất chủ yếu là Fe và Si. - Hợp kim Aldrey: có khoảng 0,4% Mg, 0,5% Si, 0,3% Fe. 2 Điện trở suất ρ = 0,0317Ωmm / m , độ bền cơ học gần bằng đồng nhưng nhẹ như nhôm nguyên chất nên được dùng làm đường dây tải điện trên không có khoảng cách giữa các cột lớn. - Nhôm kỹ thuật A, E: có lượng tạp chất nhỏ hơn 0,5%, được ủ mềm ở nhiệt độ từ 330oC đến 3700C được dùng làm dây dẫn có điện trở suất nhỏ. - Nhôm A-97: chứa không quá 0,03% tạp chất - Nhôm A-999: lượng tạp chất nhỏ ≈ 0.001% - Nhôm kỹ thuật: có chứa tạp chất chủ yếu là Fe và Si. Các tạp chất làm giảm tính dẫn điện của nhôm là Ni, Si, Zn, Fe, Pb cứ 0,5% lượng tạp chất sẽ làm giảm điện dẫn suất 2% đến 3%, đồng làm giảm 5% đến 10%, Mn giảm hơn 10 %. Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 19 Ngoài ra, người ta còn dùng nhiều loại dây nhôm lõi thép để làm dây tải điện. Loại này độ bền cơ do lõi thép quyết định, còn tính dẫn điện do nhôm. Đường kính ngoài của dây nhôm lõi thép lớn hơn so với dây đồng. Khi dùng làm dây tải điện trên không, với điện áp cao, có thể giảm được tổn thất do phát sinh vầng quang điện ở bề mặt dây dẫn. - Hợp kim nhôm đúc: có điện trở suất cao để đúc roto lồng sóc có hệ số trượt cao, có moment khởi động cao, đúc các động cơ nhiều tốc độ và các động cơ có những công dụng đặc biệt khác. 1.2.3. Kim loại và hợp kim siêu dẫn Ở nhiệt độ xác định (Tc) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đĩ cho phép dịng điện chảy qua trong trạng thái khơng cĩ điện trở, trạng thái đĩ được gọi là trang thái siêu dẫn. Chất cĩ biểu hiện trang thái siêu dẫn được gọi là chất siêu dẫn. VD: Đến nhiệt độ Tc = 40K, điện trở suất của thủy ngân đột ngột giảm đến 0. Với dây dẫn bằng chì tiết diện 1mm2 ở nhiệt độ Tc = 7,260C, dòng điện đạt được I=1250A, J=109A/m2, lớn hơn mật độ dòng điện cực đại đạt được trong kỹ thuật hàng trăm lần mà vật dẫn không bị nóng. Nhiệt độ mà tại đĩ điện trở hồn tồn biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (Tc). Hình 1.12 Điện trở VLSD biến mất khi nhiệt độ T=Tc Ở trạng thái siêu lạnh các electron xuất hiện một tính chất lượng tử: hiên tượng xuyên hầm (tunnel effect); đó là hiện tượng các hạt có thể vượt một rào thế năng mà với năng lượng bình thường nó có thì không thể nào vượt qua được nếu xét trong phạm vi cơ học cổ điển của Newton. Theo cơ học lượng tử các electron có thể hình dung như là sự kết hợp có tính thống kê của cả hai tính chất sóng – hạt. Ở trạng thái siêu dẫn những sóng – hạt điện tử có khả năng vượt qua một rào thế U lớn hơn năng lượng W của hạt, và khi thực hiện được điều này thì có một dòng điện không bị cản lại (tức là bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt ) như trong sự dẫn điện thông thường. -Những vật liệu không có tính siêu dẫn : Kim loại hóa trị 1 , chất sắt từ và chất kháng từ thường không có tính siêu dẫn. Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 20 -Trạng thái siêu dẫn bị phá hủy khi ở trong từ trường mạnh. Giá trị cường độ từ trường lúc này (ký hiệu H0) phụ thuộc vào nhiệt độ. + Khi nhiệt độ T=Tc thì H0=0. (hình 1.11) 0 + Khi nhiệt độ T tiến dần về 0 K thì H0 lại tăng dần lên đến giá trị H0 (0) nào đó (đối với chì H0(0)=0,08); hàm số chỉ phụ thuộc vào H0 được cho bởi: 2 ⎡ ⎛ T ⎞ ⎤ H (T ) = H (0)⎢1− ⎜ ⎟ ⎥ 0 0 ⎜ T ⎟ ⎣⎢ ⎝ C ⎠ ⎦⎥ Hình 1.13 Sự phụ thuộc Ho vào nhiệt độ Khi H > H0 thì không có hiện tượng siêu dẫn ở bất kỳ nhiệt độ nào. Trạng thái siêu dẫn còn bị phá hủy khi dòng điện I lớn hơn giá trị I0= 2 Π r H0(T) với r là bán kính dây dẫn. -Vật liệu siêu dẫn loại trừ từ thông (VLSD không nhiễm từ) Hình 1.14 a)Từ thông xuyên qua dây dẫn b) Từ thông bị đẩy khỏi dây dẫn thường ở điều kiện bằng vật liệu siêu dẫn khi T>Tc ; H < H0 T<Tc ; H < H0 Một số ứng dụng : -VLSD dùng làm đường sắt đệm từ: đường ray giữ ở trạng thái siêu dẫn, bánh xe tàu có từ tính ( từ trường bị đẩy khỏi VLSD) Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 21 Hình 1.15 Tàu cao tốc ứng dụng hiện tượng siêu dẫn. - VLSD dùng để chế tạo nam châm điện siêu dẫn tạo từ trường cực mạnh cho máy gia tốc, lò phản ứng nhiệt hạch (J rất lớn 109A/m2) - Máy chụp ảnh cộng hưởng từ: Khi chụp ảnh trong những vùng cơ thể người, máy cĩ thể tái hiện chi tiết tồn bộ vùng đĩ nhờ năng lượng từ trường sinh ra từ nam châm điện siêu dẫn. - Các máy tính nhiệt độ thấp tốc độ cao: Các máy tính sử dụng linh kiện bằng chất siêu dẫn cĩ các ưu điểm nổi bật như: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh. Các mạch điện đĩng mở nhanh và cĩ thể tích nhỏ. - Cảm biến cĩ độ nhảy cao: Tiêu biểu cho các máy đo độ nhảy cao là hệ đo SQUID. Đây là một loại máy dị nhảy nhất về các tín hiệu trường điện từ. - Ăng-ten mini: Người ta chế tạo ăngten siêu nhỏ bằng chất siêu dẫn và đưa vào sử dụng. Ăngten làm bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao cĩ kích thước chỉ bằng 5% kích thước các loại ăng ten thơng thường. - Cơng tắc quang học: Trong các hệ tin học điều khiển truyền thơng tin bằng cáp quang và các máy tính quang điện thế hệ mới, người chế tạo và sử dụng các loại thiết bị cơng tắc quang học từ chất siêu dẫn nhiệt độ cao. - Truyền tải năng lượng: Tải điện bằng các cáp siêu dẫn cĩ lợi rất lớn so với đường dây tải điện thơng thường. Lợi ích lớn nhất là khả năng tải dịng rất lớn và khơng bị tổn hao năng lượng trong quá trình tải điện. - Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn: Năng lượng được tích trữ trong cuộn dây siêu dẫn và các mạch điện trong hệ thống này khơng bị tiêu hao năng lượng. - Các bệ phĩng điện từ: Các cuộn dây điện từ siêu dẫn cĩ thể sử dụng làm bệ phĩng điện từ để phĩng các vật thể cĩ vận tốc cực lớn. - Máy lạnh từ: Cho đến nay, các máy lạnh thường sử dụng các chất làm lạnh chứa cloroflourocarleon, chất này cĩ tác dụng phá hủy tầng ozon của trái đất, do đĩ các bơm từ nhiệt sẽ thay thế các máy lạnh sử dụng khí gas thơng thường.Các chất siêu dãn nhiệt độ cao cĩ thể thay thế và làm đơn giản hĩa các mơ hình máy lạnh, giảm giá thành và cơng nghệ sản suất cũng thuận lợi hơn. - Biến thế siêu dẫn: Nếu những vịng dây làm bằng chất siêu dẫn được lắp đặt trong biến thế thì hiệu quả truyền năng lượng sẽ lớn và giá thành tải điện sẽ được giảm mạnh. Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 22 - Máy phát điện siêu dẫn: Hiệu suất được năng lên từ 98%-99%, kích thước chỉ bằng một nửa kích thước máy phát điện thơng thường, giá thành rẻ hơn 40%. Ngồi ra cịn 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 dị sĩng milimet, Bộ biến đổi analog/digital, Cảm biến đo từ thơng ba chiều, Đầu dị bức xạ, Ơtơ điện, Lị phản ứng nhiệt hạch từ, Máy gia tốc hạt. Hình 1.16 Biểu đồ trình bày lĩnh vực ứng dụng của các chất siêu dẫn qua các năm VLSD nhiệt độ cao: -Vật liệu gốm sứ là cách điện, nhưng một số gốm sứ có tính siêu dẫn ở nhiệt độ khá cao (nhiệt độ của nitơ lỏng T=780K = -195 0C). Từ khi khám phá ra hiện tượng siêu dẫn 1911 đến 1972 đã tìm được khá nhiều kim loại và hợp kim siêu dẫn. Song nhiệt độ tới hạn Tc của chúng đều dưới 200K. Khi đó VLSD muốn hoạt động phải dùng kèm theo heli lỏng (nhiệt độ sôi khoảng 40K) rất đắt tiền. 0 - 1973, Phát hiện ra Nb3Ge có Tc = 23,3 K dùng hydro lỏng rẻ hơn - 1974,Vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện với hợp chất BaPb1-xBixO3 (x=0,5). Cĩ Tc cực đại cỡ 13K. -1986, Nhĩm TOKYO đã xác định được (La0,85Ba0,15)2CuO4-8 cĩ cấu trúc perouskite loại K2NiF4 và Tc cỡ 30K. 0 -1988, Phát hiện ra VLSD dựa trên Thali Tl2Ca2Ba2Cu3010 với Tc=127 K. Sau đó không lâu tìm thấy một ôxit hỗn hợp của đồng, bari, canxi và thủy ngân có tính siêu dẫn với Tc =1500K. -1991, Một số nhà khoa học đã tìm ra siêu dẫn cịn cĩ trong hợp chất hữu cơ KxC60 Đến năm 2001, đã cĩ rất nhiều hợp chất siêu dẫn được phát hiện. Bảng 1.8 Lịch sử phát hiện các hợp chất siêu dẫn. Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 23 Nhiệt độ Năm Loại siêu dẫn Chất siêu dẫn tiêu biểu chuyển pha phát hiện (K) Hg 4,2 1911 Siêu dẫn kim Nb 9,3 1930 loại và hợp kim Nb3Sn 18,1 1954 Nb3Ge 23,7 1973 La-Sr-Cu-O 20-30 1986 Oxit siêu dẫn Y(Re)-Ba-Cu-O 85-95 1987 chứa Cu và O Bi-Sr-Ca-Cu-O 115-120 1988 Ti-Ba-Ca-Cu-O 120-125 1988 Hg-Ba-Ca-Cu-O 90-164 1993 Siêu dẫn khơng Ba-K-Bi-O 20-30 1988 chứa Cu Siêu dẫn hữu KxC60 30 1991 cơ Siêu dẫn khơng Ln(Re)-Ni-B-C 17 1994 chứa Cu và O Y-Pd-B-C 23 1994 Các mẫu chất siêu dẫn của các trung tâm nghiên cứu trên giống nhau ở chỗ được tác dụng áp suất rất lớn (hơn 235.000 atmotphe). Điều này chứng tỏ một khả năng tăng nhiệt độ tới hạn Tc bằng cách đưa các nguyên tử trong một hợp chất lại gần nhau hơn: khi các nguyên tử được đưa lại rất gần nhau trong vùng không gian có kích thước dài trong khoảng 0,53.10-8cm (giá trị trên là bán kính của quĩ đạo Bohr thứ nhất và được xem là biên giới của các hiện tượng vĩ mô và vi mô), thì những hiệu ứng của thế giới vi mô (lượng tử) bắt đầu phát huy tác dụng. Nếu đạt được áp suất hàng triệu atmotphe người ta có có thể vươn tới nhiệt độ Tc = 2000K và cao hơn nữa. 1.2.4 Hợp kim điện trở cao và hợp kim dùng làm cặp nhiệt điện : Hợp kim có điện trở cao Hợp kim có điện trở cao là hợp kim ở nhiệt độ bình thường có điện trở suất ρ lớn hơn 0.03μΩm, được sử dụng để sản xuất dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, thiết bị đốt nóng Khi sử dụng hợp kim làm thiết bị đo không chỉ yêu cầu điện trở suất cao mà còn phải có hệ số nở dài nhỏ và sức nhiệt động nhỏ so với đồng. Dây điện trở phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao trong không khí ở thời gian dài. -Vật liệu dùng làm điện trở chính xác sử dụng trong dụng cụ đo lường điện và điện trở chuẩn: cần có sức nhiệt điện động nhỏ so với các vật liệu khác. -Vật liệu dùng làm bộ biến trở: cần có sức bền khi rung, sức bền đối với sự ăn mòn trong quá trình nung nóng, có giá thành hạ. Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 24 -Vật liệu sử dụng ở khí cụ điện sưởi nóng và đun nóng: cần có sức bền đối với thời gian, ở nhiệt độ cao không bị nóng chảy, không bị ôxy hóa, gia công được dễ dàng. -Manganium: là hợp kim gốc đồng (khoảng 86%), 12% Mn, 2% Ni có điện trở suất 0,48 Ωmm2 / m , nhiệt độ làm việc cho phép 2000C. Thường được sử dụng trong các dụng cụ đo và điện trở mẫu. Maganium là hợp kim chủ yếu dùng trong thiết bị nung và điện trở màu, maganium có thể kéo thành sợi đường kính 0,02mm, cũng có thể dùng để chế tạo các băng dày 0,01mm - 1mm, rộng 10mm - 300mm. Để có hệ số nhiệt của điện trở suất bé và điện trở ổn định với thời gian, yêu cầu cho maganium qua gia công đặc biệt (nung trong chân không từ 3500C -550 0C ) sau đó sấy nguội dần và giữ lâu ở nhiệt độ phòng. - Constantan: 60% Cu, 40% Ni, điện trở suất 0,48Ωmm2 / m , nhiệt độ làm việc cho phép 5000C. Dùng để sản xuất dây biến trở và dụng cụ đốt nóng bằng điện, sản xuất các cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ không quá vài trăm độ. Constantan có sức nhiệt điện động đối với đồng hay sắt tương đối lớn nên sẽ là nguyên nhân gây sai số trong đo lường, hệ số nhiệt của điện trở suất có trị số rất bé, thường có dấu âm. Constantan được dùng để làm biến trở, phần tử của thiết bị nung khi nhiệt độ không quá 4000C -450 0C. - Hợp kim nicrom: là hợp kim của Ni và Cr, điện trở suất 1,2 Ωmm2 / m , nhiệt độ làm việc cho phép 11000C. Nicrom chống được oxy hóa ở nhiệt độ cao trong không khí, dễ kéo sợi, sử dụng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện như lò điện, bếp điện, mỏ hàn -Hợp kim fercral: là hợp kim của sắt, crôm, nhôm có điện trở suất 1,5 Ωmm2 / m , nhiệt độ làm việc cho phép 15000C, rẻ tiền vì giòn, cứng, khó kéo sợi. Dùng trong lò điện công nghiệp với công suất lớn. -Hợp kim trên cơ sở kim loại quí: Là các hợp kim có vàng với crôm (20%), bạc với mangan và thiếc, bạc với niken chúng có điện trở suất lớn và hệ số biến đổi nhiệt nhỏ. Sử dụng làm điện trở chính xác. Vật liệu dùng làm nhiệt ngẫu Vật liệu làm nhiệt ngẫu phải có sức nhiệt điện động lớn và có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ để dễ đo nhiệt độ ( cặp nhiệt ngẫu). VD: Cu, Fe, Pt, Ni, Mo, W, Au, Ag và những hợp kim như Copel, Alumel, Cromel, Contum Ứng dụng làm nhiệt kế, dụng cụ đo điện xoay chiều không hình sin có tần số lớn 7 0 0 10 Hz VD: Ở nhiệt độ t1 = 100 C và t2= 0 C cặp nhiệt ngẫu: -Đồng – niken có sức nhiệt điện động 2,24 mv: 0,75 – ( -1,49) -Đồng – constantan có sức nhiệt điện động 4,10 mv: 0,75 – ( - 3,35) Trong các đồng hồ đo lường và các điện trở mẫu, người ta thường có xu hướng sử dụng kim loại và hợp kim có sức nhiệt điện động tương đối bé hơn đồng để tránh các sai số. Để làm cặp nhiệt ngẫu thường dùng các hợp kim sau: Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 25 - Copen (56%Cu;44%Ni) - Alumen (95% Ni và 5% Al,Si,Mg) - Cromel (90% Ni;10% Cr) - Platin –Rodi (90% Pt;10% Rh) Phạm vi đo được của các loại cặp nhiệt ngẫu: - Platin – platinrodi: đo đến 16000C - Đồng – Copen : đo đến 3500C - Sắt – Copen : đo đến 6000C - Cromel –Alumel : đo đến 900 -10000C 1.2.5 Vật liệu dẫn điện không kim loại: Ngoài các kim loại và hợp kim dùng để chế tạo điện trở các bộ phận tiếp xúc, dây dẫn còn sử dụng các vật liệu không kim loại. Vật liệu có nguồn gốc cacbon Dây dẫn không kim loại được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện là grafit – một trong số dạng cacbon sạch. Nó có điện trở suất nhỏ, có nhiệt độ chịu nhiệt cao, tính dẫn nhiệt, bền vững với nhiều môi trường hóa học rất mạnh. Cacbon nhiệt phân:Nhận được bằng phương pháp nhiệt tách hơi cacbon trong chân không hoặc môi trường khí trơ. Vật chất dùng để nhiệt phân thường được dùng là khí metan. Màng cacbon nhiệt phân sử dụng để làm điện trở tuyến tính dạng mặt phẳng. Công nghiệp sản xuất linh kiện từ cacbon phần lớn là dùng nguyên liệu cacbon được nghiền nhỏ, sau đó được thiêu kết với vật chất kết dính khác và được ép thành các linh kiện có độ cứng cao. Grafit được sử dụng trong công nghệ vật liệu bán dẫn để làm bộ phát nhiệt, màn chắn, lò nung Có thể hoạt động ở nhiệt độ 25000C. Các vật liệu dẫn hỗn hơp Vật liệu dẫn hỗn hợp là hỗn hợp của phụ gia dẫn và điện môi, bằng phương pháp thay đổi thành phần cấu tạo và đặc tính của hỗn hợp có thể thay đổi tính chất điện của vật liệu. Những vật liệu dẫn tổng hợp điển hình là Contactol và bột chịu nhiệt. Contactol : Sử dụng làm dây màng mỏng, sơn dẫn điện, làm contac giữa các kim loại hay giữa kim loại với bán dẫn, tạo điện cực trên điện môi, làm màn chắn từ, chế tạo ống dẫn sóng dẻo Bột chịu nhiệt : Dùng để chế tạo băng điện trở, có khả năng điều chỉnh điện trở suất ở nhiệt độ rất rộng; trong các sơ đồ vi mạch sử dụng biến trở làm từ hỗn hợp của thủy tinh với Panadi và bạc. Trước tiên nghiền thủy tinh thành những hạt có kích thước từ 3μm -5μm, sau đó trộn đều với bột Ag và Pd cùng với chất kết dính hữu cơ. Điện trở suất của lớp màng phụ thuộc vào phần trăm vật dẫn. 1.2.6. Các loại vật liệu dẫn điện khác Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 26 a. Kim loại khó nóng chảy Những kim loại có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 17000C thì được gọi là kim loại khó nóng chảy, chúng có độ bền vững hóa học cao ở nhiệt độ thấp nhưng ở nhiệt độ cao thì trở nên tích cực vì vậy để sử dụng chúng ở nhiệt độ cao phải đặt vào môi trường khí trơ hoặc chân không. Volfram(W) Là kim loại rất nặng, cứng, có màu nâu xám, có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, hệ số nở dài nhỏ nhất trong số các kim loại, có tính giòn và rất dễ gãy, dây dẫn làm từ volfram nguyên chất rất không bền vững ở nhiệt độ cao, để tăng độ bền vững tạo hình thì cần thêm SiO2, Al, Cr, loại này do khĩ nĩng chảy và cĩ độ bền cơ học lớn ở nhiệt độ cao, được sử dụng để làm dây tĩc bĩng đèn sợi đốt, chế tạo tim đèn Volfram còn là vật liệu quan trọng để chế tạo điện cực, ống tia điện tử Molipden(Mo) Trong số các kim loại khó nóng chảy thì Mo có điện trở suất nhỏ nhất, tinh thể Mo có tính dẻo cao (nhờ vậy gia công linh kiện bằng Mo rất dễ dàng), ở nhiệt độ bình thường Mo là kim loại rất bền vững (trong không khí nó bị oxi hoá ở 3000C). Độ bền của Mo kết hợp với tính dẻo của nó có thể chế tạo các chi tiết phức tạp hoạt động ở nhiệt độ cao; từ Mo chế tạo ra lưới đèn điện tử, ống tia rơngen và các linh kiện khác trong lò điện, trong môi trường khí trơ nó có thể hoạt động ở nhiệt độ 17000C. Tantal(Ta) Khác với volfram và molipden là tantal không trở nên giòn ở nhiệt độ rất cao trong chân không, kết hợp với nhiệt độ nóng chảy cao, có độ dẻo cao và hình thể bền vững đã đặt vị trí của nó vào loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật chân không ở những nơi có tầm quan trọng đặc biệt, nhờ có hệ số điện môi của Ta2O5 bằng 25 nên nó cũng thường được dùng trong công nghiệp sản xuất tụ điện. Niobi(Nb) Là kim loại có tính chất tương tự tantal và nó nằm trong quặng cùng với quặng có tantal. Niobi có tính hấp thụ khí rất cao ở nhiệt độ 4000C -9000C. Vì thế trong các dụng cụ chân không các linh kiện làm bằng Niobi hấp thụ lượng khí còn lại, Niobi là kim loại có khả năng chuyển sang trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ 9,2ok. Crom(Cr) Là kim loại rất thông dụng trong thực tế, có tính bền vững hoá học rất cao vì thế nó được sử dụng để bảo vệ bề mặt của kim loại, Crom có tính dính với thủy tinh, gốm sứ và liên kết với bất kỳ một kim loại nào, nó nằm trong hầu hết các hợp kim dùng để đốt nóng cặp nhiệt ngẫu, kim loại không rỉ, thép chịu nhiệt và vật liệu từ. Reni (Re) Re là kim loại nặng, hợp kim của nó với W được sử dụng trong công nghiệp đèn điện tử và thiết bị chân không thay cho W, có thể tạo cặp nhiệt ngẫu để đo được Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 27 nhiệt độ tới 25000C -28000C ở chân không, trong kỹ thuật điện tử Re được sử dụng để bảo vệ khỏi ăn mòn các linh kiện làm bằng đồng, bạc, W, Mo. b. Những kim loại quí Những kim loại quí là các kim loại có độ bền vững hoá học cao nhất gồm: vàng, bạc, platin, paladin Vàng (Au) Vàng là kim loại có màu sáng chói, có tính dẻo cao, giới hạn bền kéo khoảng 15Kg/mm2. Trong kỹ thuật điện vàng được dùng như vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ chống ăn mòn, điện cực của tế bào quang điện và các công việc khác. Au là kim loại có độ dẻo rất cao, trong kỹ thuật điện tử vàng được sử dụng làm vật liệu tiếp điểm, tráng bề mặt trong của ống dẫn sóng; ưu điểm của tiếp điểm bằng vàng là tính bền vững khỏi bị oxi hoá tiếp điểm ở nhiệt độ cao. Bạc (Ag) Bạc có màu trắng, rất bền vững với ôxi ở nhiệt độ thường, dẫn nhiệt rất tốt và là kim loại có điện trở suất nhỏ nhất, độ bền hoá học của bạc thấp hơn một số kim loại khác. Bạc được dùng để sản suất các tiếp điểm có dòng điện nhỏ. Bạc cũng dùng làm bản cực trong sản xuất tụ gốm, tụ mica Ag cũng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm các tiếp điểm điện, làm các điện cực Platin (Pt) Có màu trắng, có tính bền vững hoá học rất cao thường dùng làm tiếp điểm có điện trở chuyển tiếp rất ổn định, làm cặp nhiệt ngẫu có thể hoạt động ở 16000C, hợp kim của nó với Iridi có độ cứng cao cho phép hoạt động ở tần số cao, nó có thể kéo thành chỉ rất mảnh có đường kính 0,001mm được dùng làm sợi dây treo trong dụng cụ đo lường có độ nhạy cao. Paladi(Pd) Paladin có tính chất gần giống với Platin và thường được sử dụng để thay thế platin do giá thành rẻ hơn 4 -5 lần. Paladi và hợp kim của nó với bạc hay đồng sử dụng trong kỹ thuật tiếp điểm . c. Các kim loại có độ nóng chảy trung bình Các kim loại có độ nóng chảy trung bình gồm có sắt, nikel và coban, chúng là vật liệu sắt từ và có hệ số nhiệt điện trở cao. Sắt và hợp kim của sắt Sắt nguyên chất có: Feα (mạng lập phương thể tâm), Feγ (mạng lập phương diện tâm). Sắt tinh khiết là kim loại cĩ màu trắng bạc, sắt thường bị tác động bởi ẩm và axit, là vật liệu rẻ và thông dụng nhất, có độ bền cơ học cao. Đặc tính của sắt và các vật liệu sắt từ là có quan hệ điện trở suất với nhiệt độ không tuyến tính; điện trở suất của sắt cũng như các kim loại khác phụ thuộc vào lượng tạp chất, ảnh hưởng lớn nhất tới tính chất dẫn điện của sắt là tạp chất Si và nó được sử dụng để làm lõi từ có điện trở suất cao và làm giảm tổn thất do dòng điện xoáy; do có độ từ thẩm cao nó được sử dụng làm lõi từ cho cuộn dây máy biến áp, sắt còn được sử dụng làm vỏ máy hoạt động ở 5000C. Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 28 Người ta thường quan tâm tới hợp kim của sắt: -Gang là hợp kim của sắt có 1,7% ÷ 4,5%C -Thép là hợp kim của sắt có 0,5% ÷ 1,7%C, (thép mềm 0,1% ÷ 0,15%) -Thép công nghiệp là hợp kim của Fe và C. Có thể thêm các nguyên tố khác như Si, Mn, S, P, Cr, W, Mo, Co, Cu, Al, Ti Thép có thể làm dây dẫn với điều kiện C khoảng 0,1% ÷ 0,13%, S < 0,08%, Mn < 0,04%, P < 0,04%, S < 0,05%. Khả năng chống ăn mòn yếu nên được mạ kẽm, gây tổn thất từ trễ. Thép bị ăn mịn ở nhiệt độ bình thường và mơi trường ẩm thấp. -Sắt rèn là hợp kim của sắt có 0,5% C -Lưỡng kim: là thép được bọc đồng ở ngoài có tính chất cơ điện trung gian giữa thép và đồng. Dây dẫn bằng thép cĩ giá thấp hơn dây dẫn bằng đồng hay nhơm. Ngồi ra, cịn ứng dụng để làm thanh ray của tàu điện, đường sắt con tàu sử dụng điện, đường sắt mêtrơ được sử dụng như các đường dây dẫn điện, dây dẫn điện cho các xe vận tải cĩ cần vẹt, cho các cần trục, cho các cầu lăn trong xưởng luyện kim và cơ khí. Nikel (Ni) Nikel là kim loại màu trắng có khối lượng riêng bằng khối lượng riêng của đồng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật chân không vì nó dễ điều chế tinh khiết, và được làm catod, tap chất lưu huỳnh làm giảm độ bền cơ học của nikel rất mạnh. Nikel có tính bền vững hoá học rất cao, có độ bền cơ học cao, ở nhiệt độ lạnh vẫn có thể dập, kéo, cán. Từ nikel có thể chế tạo các linh kiện có kích thước và hình dáng cực kỳ phức tạp và làm lớp bảo vệ bên ngoài cho sắt, niken còn được dùng làm thành phần trong hàng loạt các hợp kim dẫn điện và từ. Đôi khi niken còn để sản xuất các chi tiết sưởi nóng. Coban (Co) Coban là kim loại có tính chất giống nikel, nó được sử dụng để làm hợp kim từ tính có độ chịu nhiệt cao, và hợp kim có hệ số nở dài nhỏ. Bảng 1.9 Hằng số vật lý và hố học của Fe: Tính chất Đơn vị đo Chỉ tiêu Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 29 -Trọng lượng riêng ở 20oC Kg/dm3 7,86 -Điện trở suất ở 20oC Ω cm.10-6 10 -Điện dẫn suất ở 20oC Ω -1cm-1.10-6 0,10 -Hệ số thay đổi của điện dẫn suất theo 1/độC 0,00657 nhiệt độ ở 20oC -Nhiệt dẫn suất ở 18oC W/cm.độ C 0,75 -Nhiệt độ nóng chảy bình thường Độ C 1513 -Nhiệt lượng riêng trung bình (0oC- Kcal/kgoC 0,111 100oC) Kcal/kgoC 65 -Nhiệt lượng nóng chảy tiềm tàn riêng Độ 2740 -Điểm sôi ở 760mm cột thuỷ ngân 1/độ C 12,310-6 -Hệ số dãn nở dài trung bình độ 250-300 -Môđun đàn hồi kg/mm2 21,070 -Sức bền đứt khi kéo kg/mm2 22 -Độ giãn dài riêng khi đứt % 50 -Độ cứng Brinell kg/mm2 60 -Thế điện hố so với H V 0,44 d. Các kim loại có độ nóng chảy thấp Chì (Pb) Chì là kim loại màu xám. Chì có điện trở suất cao, ưu điểm là chống ăn mòn cao. Chì và hợp kim của nó thường dùng làm vỏ bọc bảo vệ cách điện của cáp để chống ẩm, ngoài ra còn dùng để sản suất cầu chì, phiến chì của acqui chì . Chì được dùng để làm vật liệu hấp thụ tia rơnghen. Thiếc (Sn) Thiếc là kim loại màu bạc trắng có cấu tạo tinh thể rõ rệt. Thiếc được dùng để làm lớp vỏ bọc bảo vệ kim loại. Lá thiếc mỏng dùng để sản xuất các loại tụ điện thường có thêm một số chất phụ với gần 15% chì. Kẽm(Zn) Kẽm là kim loại màu sáng. Kẽm được dùng để làm lớp mạ bảo vệ, có thành phần trong đồng thau và điện cực pin. Ngoài ra nó còn dùng trong tế bào quang điện, giấy kim loại, trong tụ điện kích thước nhỏ. e. Hợp kim dùng cho kỹ thuật chân không Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 30 Cadmi (Cd) Cadmi là kim loại màu trắng bạc. Cadmi được dùng trong kỹ thuật điện chân không để sản suất tế bào quang điện, nó có trong thành phần của nhiều loại thuốc hàn, đồng thanh, dùng trong sản suất pin và dùng làm chất làm chậm trong lò phản ứng hạt nhân. Thủy ngân (Hg) Thủy ngân là kim loại duy nhất ở trong trạng thái lỏng khi nhiệt độ bình thường. Thủy ngân được dùng làm catot lỏng trong chỉnh lưu thủy ngân, trong đèn thủy ngân và trong các dụng cụ phóng điện chứa khí, trong các đèn chiếu sáng ban ngày. Thủy ngân cũng dùng làm tiếp điểm trong rơle, làm cực thủy ngân khi đo tính chất điện của các điện môi rắn trong nhiều trường hợp thí nghiệm. f. Vật liệu hàn: là hợp kim đặc biệt sử dụng để hàn nối, được chia thành 2 nhóm: nhóm mềm và nhóm cứng Nhóm mềm: có nhiệt độ nóng chảy dưới 3000C, nhóm cứng lớn hơn 3000C. Vật liệu hàn mềm là hợp kim của thiếc và chì, thiếc chiếm 90% còn chì 10%. Tính dẫn điện của vật liệu này khoảng 9% -15% của đồng. Vật liệu hàn cứng: là hợp kim của đồng và kẽm, ngoài ra còn phải kể đến hợp kim của bạc và các phụ gia khác. Vật liệu trợ giúp để có mối hàn chắc chắn được gọi là chất giúp chảy. Nó có các tính chất: - Hoà tan và ôxit và các vết dơ trên bề mặt của kim loại được hàn - Bảo vệ trong quá trình hàn bề mặt và làm nóng chảy vật liệu hàn đồng thời bảo vệ khỏi bị oxi hoá - Giảm bề mặt kéo của vật liệu hàn - Tăng tiếp xúc của vật liệu được hàn nối Chất phụ giúp làm chảy tích cực hoặc axit: làm hòa tan các lớp màng ôxit trên bề mặt kim loại, nhờ đó mà độ bám dính của vật liệu hàn tăng lên. Chất phụ giúp làm chảy không chứa axit: là nhựa thông và có thêm một số phụ gia khác như rượu hoặc glixerin Chất phụ gia giúp làm chảy chống ăn mòn Lấy axit photphoric (H2PO4) làm vật liệu chủ yếu có thêm một số phụ gia hữu cơ có thành phần là axit hữu cơ. g. Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện Yêu cầu chung: sức bền cơ khí lớn, độ rắn tốt, điện dẫn suất, điện dẫn nhiệt tốt để không nung nóng quá nhiệt độ cho phép khi tiếp điểm này có dòng điện định mức lâu dài đi qua. Có nhiệt độ nóng chảy cao, gia công được dễ dàng, có sức bền đối với sự ăn mòn, rẻ. Đối với các tiếp điểm di động phải có sức bền đối với sự tác động của hồ quang điện. -Tiếp điểm cố định được làm từ Cu, Al, Zn, thép -Tiếp điểm cắt làm từ Pt, Rhodi, Au, Ag, W, Mo, Cu, Ni, Cr -Tiếp điểm trượt làm từ Cu (đồng thanh, đồng thau), Al Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 31 -Tiếp điểm có công suất lớn làm từ hợp kim Ag-W, Ag-Mo, Ag-Ni, Cu-W, Cu- Mo được tạo nên từ một kim loại khó nóng chảy với kim loại dẫn điện tốt (vật liệu kim loại gốm). Chương 1: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 33 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN (VLBD) 2.1 Các quá trình vật lý trong VLBD và các tính chất của chúng 2.1.1 Các khái niệm cơ bản về bán dẫn Vùng năng lượng 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 hồn 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: khơng tương tác với nhau. Mỗi nguyên tử cĩ mức năng lượng gián đoạn cho phép, giống như trong trường hợp chỉ cĩ một nguyên tử đơn độc. Trong số các mức năng lượng đĩ cĩ một số mức bị chiếm bởi electron. Ở trạng thái cơ bản electron chỉ chiếm những mức năng lượng thấp nhất. Khi chỉ cĩ 1 nguyên tử cơ lập ứng với mỗi giá trị lượng tử n chỉ cĩ duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo . Khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đĩ, các nguyên tử cĩ tương tác với nhau thì sự chuyển động của electron khơng những chịu ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử của nĩ mà cịn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Khi cĩ 2 nguyên tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đĩ 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 đĩ 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 cơ lập sẽ tách thành N mức. Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép. Trong 1 cm3 cĩ khoảng 1022 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 đĩ khoảng cách giữa các mức nhỏ trong vùng năng lượng khoảng 10-22eV, cĩ thể nĩi 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 đĩ khơng 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 vịng quĩ đạo ngồi cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất, do đĩ cĩ vùng năng lượng rộng nhất. Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng lượng hẹp nhất, thậm chí khơng thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cơ lập. (Hình 2.1) 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 cĩ thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng năng lượng sẽ cách xa nhau và cĩ thể ngăn cách bằng vùng cấm. Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 34 Vùng năng lượng phủ lên nhau Vùng năng lượng cách xa nhau Electron trong cùng Hình 2.1 Sự hình thành vùng năng lượng trong chất rắn Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD Các vùng năng lượng trong chất rắn cĩ thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏ trống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hĩa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hĩa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đĩ là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn khơng được điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hố 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 hĩa trị bị chiếm đầy, vùng cấm cĩ giá trị lớn cỡ vài eV, do vậy các electron khĩ cĩ khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện. 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 phịng các electron cĩ 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 hĩa trị các lỗ trống (Hình 2.2). Hình 2.2 Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD. : Electron tự do trong vùng dẫn : Lỗ trống trong vùng hĩa trị Do đĩ, các electron trong vùng hĩa trị cĩ thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đĩ là dịng 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 đĩ đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron, Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 35 tương tự như đỉnh vùng hố 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 cĩ động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hĩa trị. (Hình 2.3) Hình 2.3 Đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron *Phân loại VLBD Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế cĩ thể chia ra bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hĩa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ trường và bán dẫn lỏng. Tất cả cĩ khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản Nguyên tố Thuộc nhĩm (bảng tuần hồn Menđêlêev) Bo III Silic IV Giecmani IV Phốtpho V Asen V Lưu huỳnh VI Sêlen VI Têlua VI Iốt VII Các chất giecmani, silic và sêlen cĩ ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật hiện đại. Bán dẫn hợp chất hĩa học là hợp chất của các nguyên tố thuộc các nhĩm khác nhau trong bảng hệ thống tuần hồn Menđêlêev tương ứng với dạng tổng quát A IV B IV (SiC) A III B V (InSb,GaAs) và một số chất cĩ thành phần phức tạp.(Các VLBD liên kết như GaAs, ký hiệu chung AIIIBV, chỉ sự liên kết của nguyên tố cĩ hố trị III là Ga với nguyên tố cĩ hĩa trị V là As ) *Cấu trúc tinh thể của VLBD Khảo sát 2 VLBD chính là Silic và germani: Tính chất chung trong cấu tạo nguyên tử của chúng là cĩ 4 electron hĩa trị ở trên phân lớp ngồi. Giữa các nguyên tử Silic (germani) cĩ sự liên kết đồng hĩa trị, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử xung quanh bằng cách trao đổi electron chung với nhau. (Hình 3.4) Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 36 Hình 2.4 Sơ đồ trải phẳng một chiều của mạng tinh thể Silic Cấu trúc tinh thể của Silic, Germani trong mạng khơng gian ba chiều là cấu trúc kim cương. Gồm 2 lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách nhau ¼ đường chéo trong khơng gian. a/ Ơ cơ bản b/ C ấu trúc tinh thể của Si, Ge, cấu trúc kim cương Hình 2.5 Số nguyên tử Silic trong lập phương 1 1 .8 + .6 = 4 8 2 Mật độ nguyên tử Silic trong tinh thể Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 37 2.4 Nsi = a 3 Hằng số tinh thể của Silic là: a= 5,43 A0 Vậy: N (Silic) = 4,997. 1022 nguyên tử/ cm3 Nếu 2 nguyên tử trong ơ cơ bản khác nhau thì cấu trúc gọi là cấu trúc Sfalerit (hay blenzo kẽm). Các VLBD: GaAs, AlAs, CdS thuộc cấu trúc này. GaAs cĩ cấu trúc tinh thể sfalerit ơ cơ bản cĩ 2 nguyên tử. Trong đĩ 1 là Ga, cịn 1 là As. Bốn nguyên tử As bao quanh 1 nguyên tử Gali, 4 nguyên tử Ga bao quanh 1 nguyên tử Asen. Hình 2.6 Cấu trúc tinh thể Sfalerit của GaAs *VLBD tinh khiết Ở nhiệt độ T=00K khơng cĩ electron nào ở vùng hĩa trị cĩ đủ năng lượng bằng năng lượng vùng cấm Wg để nhảy lên vùng dẫn, để VLBD cĩ thể dẫn điện. Ở nhiệt độ này VLBD khơng cĩ tính dẫn điện giống như điện mơi lý tưởng. Khi T>0 tồn tại một xác suất cĩ một số electron do nhận được năng lượng nhiệt sẽ vượt qua vùng cấm để cĩ mặt ở vùng dẫn, trở thành electron tự do. Như vậy sẽ tạo thành một số lỗ trống ở vùng hĩa trị, do các lỗ trống này mà electron ở vùng hĩa trị sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện. Bản chất của sự chuyển động của các lỗ trống này cĩ thể hình dung như sự chuyển động của các điện tích dương với một giá trị khối lượng hiệu dụng nào đĩ. Sự chuyển động của electron tự do trong miền dẫn dễ dàng hơn sự chuyển động của lỗ trống trong vùng hĩa trị. Nĩi cách khác, tính linh động của electron (μ ) trong vùng dẫn lớn hơn tính linh động của lỗ trống (μ ) n p trong vùng hĩa trị. (Đối với Germani μ = 0,38 m2/Vs, μ = 0,18 m2/Vs) n p Điện dẫn suất của VLBD xác định như sau: σ = n μn + p μ p n, p là mật độ electron và lỗ trống (cm-3) trong VLBD. VLBD tinh khiết là VLBD cĩ thể bỏ qua ảnh hưởng của tạp chất trong nĩ. Trong VLBD tinh khiết cĩ bao nhiêu electron tự do thì cĩ bấy nhiêu lỗ trống. Do vậy: n = p = ni Wg Cĩ thể tính được: n = N exp(− ) C 2kT Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 38 2 W n = n.p = N .N exp(− g ) Và i C V kT W g (NC, NV biến thiên chậm theo nhiệt độ, coi như khơng đổi bên cạnh exp(− ) kT W hay: n = N .N .exp(− g ) i C V 2.k.T * 2π.m kT N = 2( e )3 / 2 Ở đây: C 2 h ∗ 2π.m kT N = 2( h )3 / 2 và V 2 h ∗ ∗ m m Trong đĩ: e và h là khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống (Sự chuyển dịch trong giới hạn tinh thể một cách hỗn loạn hoặc dưới tác động của điện trường ngồi theo hướng nhất định, electron luơn luơn chịu tác động của trường tuần hồn trong tinh thể; đưa khái niệm khối lượng hiệu dụng, cho khả năng viết nên chuyển động của các điện tích tự do trong bán dẫn giống như chuyển động của các hạt điện tích khơng tính tới trường tuần hồn của lưới tinh thể.) σ = neμ + peμ = en (μ + μ ) Từ đĩ: i n p i n p Ví dụ: Tính mật độ hạt mang điện của VLBD tinh khiết là Silic, Germani, GaAs khi nhiệt độ biến thiên từ 100K đến 600K. Cho biết năng lượng vùng cấm biến thiên 2 theo nhiệt độ: W(T) = Wg(0) - αT /(T + β) 0 Wg(0): năng lượng vùng cấm ở 0 K (eV), α;β là hằng số −1 ∗ ∗ Vật liệu Wg(0) α(eV.K ) β(K) mn (hg ) mp (hg ) Silic 1,17 4,37.10-4 636 0,98 m 0,49 m Germani 0,74 4,77.10-4 235 1,64 m 0,28 m GaAs 1,519 5,4.10-4 204 0,067 m 0,45 m Giải: Mật độ hạt mang điện của VLBD tinh khiết được xác định bằng phương trình 3 / 2 ⎛ ⎞ W W 2ΠkT ∗ ∗ 3 / 4 g 3 / 2 g n = 2⎜ ⎟ (m .m ) . exp(− ) = AT exp(− ) i ⎜ 2 ⎟ n p ⎝ h ⎠ 2kT 2kT 3 / 2 ⎛ 2Πk ⎞ ∗ ∗ 3 / 4 A = 2⎜ ⎟ (m .m ) . Trong đĩ: ⎜ 2 ⎟ n p ⎝ h ⎠ Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 39 W g Hàm T3/2 tăng chậm hơn hàm exp(− ) . Trong phép tính gần đúng cĩ thể xem 2kT W g AT3/2 = const bên cạnh exp(− ) 2kT Chọn các giá trị của nhiệt độ T(K) = 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 600. Tính giá trị A 3 / 2 ⎛ − 23 ⎞ ⎜ 6,28.1,38.10 ⎟ ∗ ∗ 3 / 4 66 ∗ ∗ 3 / 4 A = 2⎜ ⎟ (m .m ) = 5,53.10 .(m .m ) ⎜ − 34 2 ⎟ n p n p ⎝ (6,625.10 ) ⎠ Đối với Silic: A = 5,53. 1066(0,98 m.0,49)3/4 = 5,53.1066.m3/2(0,98. 0,49)3/2 -31 21 -3 21 3/2 Với (m=9.10 kg) A = 2,7.10 (m ) ni = 2,7. 10 .T exp (-Wg/2kT) 21 -3 21 3/2 Đối với Germani: A = 2,68.10 (m ) ni = 2,68. 10 .T exp (-Wg/2kT) 20 -3 21 3/2 Với GaAs: A = 3,47.10 (m ) ni = 3,47. 10 .T exp (-Wg/2kT) T(K) 100 150 200 250 300 350 400 600 -Silic Wg(eV) 1,16 1,57 1,14 1,1391 1,13 1,11 1,103 1,043 −W exp( g ) 2.10-30 4.10-20 5.10-15 3.10-12 3.10-10 1.10-8 1,1.10-7 4.10-5 2kT -3 -1 5 10 13 15 17 18 21 ni(m ) 6.10 2.10 4.10 3.10 5.10 2.10 2.10 1,7.10 -Germani Wg(eV) 0,72 0,71 0,69 0,68 0,66 0,64 0,62 0,53 −W exp( g ) 2,8.10-19 1,3.10-12 2.10-9 1,35.10-7 3.10-6 2,8.10-5 1,2.10-4 5,9.10-3 2kT -3 5 512 16 18 19 20 21 23 ni(m ) 7,5.10 2,3.10 1,5.10 1,4.10 4,2.10 4,3.10 2,7.10 2,3.10 -GaAs Wg(eV) 1,5 1,48 1,46 1,44 1,42 1,4 1,38 1,2 −W exp( g ) 4,5.10-39 1,5.10-25 6,4.10-19 2,6.10-15 1,3.10-12 1.10-10 2.10-9 4,5.10-6 2kT -3 -5 -2 5 9 12 14 15 19 ni(m ) 1,5.10 9,9.10 6,3.10 3,5.10 2,3.10 2,4.10 5,5.10 2,3.10 *VLBD cĩ tạp chất Để tăng điện dẫn suất của Silic, Germani người ta cho vào nguyên tố khác cĩ hĩa trị III hoặc V. Nguyên tố này gọi là tạp chất, coi như là chất kích thích với số lượng rất nhỏ. Tùy theo loại điện tích nào (âm hay dương) mà VLBD cĩ tạp chất được phân loại là loại n hay p. *VLBD loại n Nếu cho vào Silic (hoặc Germani) một số lượng của nguyên tố cĩ hĩa trị V, ví dụ Antimony (Sb). Nguyên tử Sb cĩ 5 electron hĩa trị, sẽ thay thế nguyên tử Silic, nĩ liên kết với 4 nguyên tử Silic gần nhất bằng cách trao 4 electron. Cịn 1 electron dư, gần như được tự do chuyển động xung quanh lõi mang điện tích dương của nguyên tử Silic với bán kính của quĩ đạo rất lớn. Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 40 Hình 2.7 Tạp chất Sb trong tinh thể Si Đối với Germani chẳng hạn năng lượng electron dư này gần bằng 0 (-0,03 eV), cịn bán kính quĩ đạo lớn gấp 27 lần bán kính quĩ đạo của electron hydro. Do năng lượng liên kết quá nhỏ cho nên ngay ở nhiệt độ phịng electron dư này của tạp chất được gần như tự do, cĩ thể nhảy vào vùng dẫn gĩp phần vào việc tạo ra dịng điện nếu được kích thích bằng một năng lượng rất nhỏ (như ánh sáng, nhiệt độ ). Rõ ràng, electron này khơng tạo ra lỗ trống. Số hạt mang điện âm nhiều hơn do đĩ tạp chất gọi là tạp chất cho hay tạp chất donor. Mức năng lượng cho “Wd” ở sát ngay mức Wc. Như vậy tạp chất cho đã tạo ra mức năng lượng cho phép ở trong vùng cấm (ở nửa phía trên). Hình 2.8 Mức năng lượng cho “Wd” ở sát ngay mức Wc Ở nhiệt độ phịng mỗi nguyên tử tạp chất “cho” cho thêm 1 hạt mang điện, mặc dù cĩ nồng độ thấp nhưng làm tăng mật độ hạt mang điện, từ đĩ làm tăng điện dẫn suất với mức độ tăng lớn. σ n = σ i + e.N.d.μn ≈ e.N.d.μn với Nd: mật độ tạp chất cho e.Nd.μ >> σ Vì : n i Ví dụ: So sánh điện dẫn suất của Germani tinh khiết với Germani loại n cĩ tạp chất cho là phốtpho, số nguyên tử tạp chất này chỉ bằng 1 phần triệu của số nguyên tử Germani. Giải: Số nguyên tử Germani trong 1 m3 là N = 1028 (m-3), số nguyên tử phốtpho chỉ bằng 1/106 số nguyên tử Germani tức là 1022 (m-3) Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 41 19 -3 Ở nhiệt độ phịng: niGermani =10 (m ) nên điện dẫn suất : 19 −19 σ = ne(μ + μ ) = 10 .1,6.10 (0,38 + 0,18) i i n p 1 σ = 0,89( ) i Ωm Đối với Germani loại n: −19 22 3 1 σ = e.Nd.μ = 1,6.10 .10 .0,38 = 0,61.10 ( ) n n Ωm Ta thấy điện dẫn suất tăng lên 1000 lần trong khi số nguyên tử tạp chất chỉ bằng 1 phần triệu số nguyên tử VLBD tinh khiết. *VLBD loại p VLBD tinh khiết nếu pha tạp chất nhĩm III như B, Al, In do chỉ cĩ 3 liên kết hồn chỉnh, 1 liên kết bỏ hở nên chỉ cần 1 kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng) sẽ cĩ 1 electron của các liên kết hồn chỉnh bên cạnh thế vào. Tạp chất bị ion hĩa thành âm, cịn ở mối liên kết mà electron đi khỏi sẽ xuất hiện một điện tích dương tức một lỗ hổng. Vậy tạp chất đã làm tăng mật độ lỗ trống mà khơng làm tăng mật độ điện tử. Tạp chất nhĩm III làm tăng mật độ lỗ trống được gọi là tạp chất nhận và bán dẫn gọi là bán dẫn loại p, nĩ tạo ra mức nhận Wa nằm sát bờ trên của vùng hĩa trị. (Hình 2.9 ) Hình 2.9 Mức năng lượng nhận Wa nằm sát mức Wv Gọi Na là mật độ tạp chất nhận thì điện dẫn suất của VLBD loại p là : σ = e.Na.μ + σ ≈ e.Na.μ p p i p Ví dụ: Tính mật độ tạp chất trong 1 thanh Germani loại p cĩ chiều dài 6 mm, bề rộng 1 mm, dày 0,5 mm và điện trở là 120 Ω 19 -3 Cho biết ni = 2,5.10 [m ] ⎡m 2 ⎤ ⎡ m 2 ⎤ Giải: μ n = 0,39 ⎢ ⎥ và μ p = 0,19 ⎢ ⎥ ⎣V.s ⎦ ⎣V.s ⎦ −6 S 0,5.10 − 2 Tính điện trở suất: ρ = R = 120. = 10 [Ωm] − 3 l 6.10 Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 42 1 2 1 σ = = 10 [ ] p Suy ra điện dẫn suất: ρ Ωm Tính σ i : −19 19 σ = e.n (μ + μ ) = 1,6.10 .2,5.10 (0,39 + 0,19) i i n p 1 1 σ = 1,45[ ] << σ = 100 [ ] i p Ωm Ωm σ − σ 100 − 1,45 21 − 3 Suy ra: Na = p i = = 3,8.10 [m ] 19 eμ 1,6.10 .0,19 p Điện dẫn suất do electron trong vùng dẫn bằng −19 19 e.n .μ = 1,6.10 .2,5.10 .0.39 = 1,56 chiếm tỉ lệ 1,56% tổng điện dẫn suất. i n 2.1.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của mật độ các hạt mang điện *Vị trí mức Fermi trong VLBD cĩ tạp chất Hàm phân bố Fermi-Dirac p(w) cho biết xác suất điện tử chiếm mức năng lượng w nào đĩ. 1 p(W ) = ⎡W −WF ⎤ 1+ exp⎢ ⎥ ⎣ kT ⎦ Trong đĩ: k = 1,38.10- 23 [J/K] Hằng số Boltzmann WF : Năng lượng Fermi 1 Với W = WF: p(W ) = độc lập với nhiệt độ (mức năng lượng Fermi là trạng 2 thái năng lượng mà ở đĩ xác suất chiếm trạng thái năng lượng bởi một electron đúng bằng 1/2) Sự phân bố của electron và lỗ trống cĩ trạng thái năng lượng cho phép phụ thuộc vào vị trí của mức năng lượng Fermi. Xác định được vị trí của mức Fermi ta xác định được số hạt mang điện cĩ thể cĩ của sự dẫn điện. *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 = n = S (w).p(w).dw = N exp[−(w − w ) / kT] e ∫ e C g p WC Tương tự, ta cĩ: W V W p = S (w)[1 − p(w)].dw = N exp[− F ] ∫ p V ∞ kT Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 43 * 2π.m kT N = 2( e )3 / 2 Ở đây: C 2 h ∗ 2π.m kT N = 2( h )3 / 2 và V 2 h ∗ ∗ m m Trong đĩ: e và h là khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống Vị trí mức Fermi trong VLBD tinh khiết Ta cĩ: n = p = ni ∗ ∗ −31 m = m = m = 9,1.10 kg Giả thiết rằng : e h e thì Nc = Nv = 2,5. 1025 m-2 Vậy: n = p ⇔ Wg – WFi = WFi ⇔ WFi = Wg/2 Mức Fermi trong VLBD tinh khiết nằm ở giữa vùng cấm. *Vị trí mức Fermi trong VLBD loại n Ở nhiệt độ thấp hoặc cĩ mật độ tạp chất lớn: Ở nhiệt độ thấp, nồng độ tạp chất donor bị ion hĩa bằng nồng độ của electron: Pd = n. Mỗi donor bị ion hĩa cĩ thể xem như một “trung tâm” vừa chiếm được một lỗ trống. Khi đĩ nồng độ của các donor này xác định được: Wd − W Pd = Nd exp( F ) kT Wd − W Wg − W Pd = n ⇔ Nd exp( F ) =Nc exp(− F ) kT kT Chọn trục tọa độ tại Wv = 0 thì Wg = Wc ta cĩ: Wd − W Wc − W lnNd + ( F )=lnNc − ( F ) kT kT Wd + Wc 1 Nd WF = ( ) + kT ln 2 2 Nc Ở T= 00K mức Fermi nằm giữa mức cho Wd và bờ dưới của vùng dẫn Ở nhiệt độ cao hoặc mật độ tạp chất nhỏ: Trong trường hợp này Nd<< Nc. Ta tính được Nc W = Wg − kT ln Fn Nd 0 Nc Ở nhiệt độ phịng T=300 K giá trị kT ln ≈ 0.01 ÷ 0.02 (eV) ; WFn <Wd Nd Ở nhiệt độ rất cao mức WFn giảm xuống mức WFi của VLBD tinh khiết *Vị trí mức Fermi trong VLBD loại p Lập luận tương tự ta tính được Fermi trong VLBD loại p Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 44 Na W = Wv − kT ln Fp Nv 0 - T=300 K WFp nằm giữa mức nhận Wa và đỉnh vùng hĩa trị WV - Nhiệt độ cao sẽ làm WFn tăng về phía WFi = Wg/ 2 WFn Germani-n WFp Germani-p WC=Wg Wd Wg/2 18 14 16 18 Nd=10 10 10 Na=10 1014 1016 W /2 W g a 0 T0K 0 T0K Hình 2.10 Vị trí mức Fermi trong VLBD Ví dụ: Hãy tính mật độ electron trong Silic nếu mức Fermi ở cách dưới mức vùng dẫn một khoảng 0,2 eV ở nhiệt độ phịng. Giải: Ta biết mức Fermi trong VLBD cĩ tạp chất loại n được xác định bởi hệ thức: N W = W − kT ln C F g Nd Nc Nc 0,2 Từ đĩ: kT ln = 0,2(eV) ; ln = = 7,69 Nd Nd 0,026 −.4 Nd = Nc exp(−7,69) = Nc.4,57.10 28 −.3 25 −.3 Với Nc = 2,5.10 (m ) thì Nd = 1,14.10 (m ) Ví dụ: Một thanh Silic tinh khiết được pha tạp chất loại n, điện trở của nĩ ở 200C giảm xuống 1% giá trị điện trở của thanh Silic tinh khiết. Tính khoảng chuyển dịch của mức Fermi khỏi vị trí ban đầu của nĩ. Giải: σ = 100.σ Nd cĩ thể xác định từ giá trị của điện dẫn suất: n i e.Nd.μ = 100.e.n (μ + μ ) n i n P μ + μ Nd = 100.n . n P i μ n ⎛ W ⎞ Biết rằng: N = Nc. exp⎜− g ⎟ i ⎜ ⎟ ⎝ 0,052 ⎠ ⎛ ⎞ ⎜ μ + μ ⎟ ⎛ W ⎞ Vậy: Nd = 100. n P .Nc. exp⎜− g ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ μ ⎟ ⎝ 0.052 ⎠ ⎝ n ⎠ Khoảng dời của WF khỏi vị trí ban đầu của nĩ bằng: Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 45 ⎡ ⎤ W μ g Nc ⎢ n 1,1 ⎥ − kT ln = 0,55 − 0,26⎢ln + ⎥ = 0,128(eV) 2 Nd 100 μ + μ 0.052 ⎣⎢ ()n P ⎦⎥ 0,128 So sánh với mức năng lượng vùng cấm: = 12% 1,1 2.1.3 Cơ chế của sự khuyếch tán và sự chuyển dịch của hạt mang điện Khi khơng cĩ điện trường ngồi đặt lên cũng cĩ thể cĩ dịng điện chảy trong vật liệu do gradien nồng độ hạt mang điện trong tinh thể Xét một vách cĩ bề dày δx , bề mặt A dp P(x) là áp suất tại x, P + .δx là áp suất tại X + δx , chênh lệch áp suất là: dx ⎡ ⎛ dP ⎞⎤ dP ⎢P(x) − ⎜P(x) + .δx⎟⎥.A = − .δx.A ⎢ ⎜ ⎟⎥ ⎣ ⎝ dx ⎠⎦ dx N dP P P + δx dx x x x+δx δx Hình 2.11 Sự khuyếch tán của hạt tự do Gọi N là mật độ hạt mang điện. Thể tích của khối cĩ bề mặt A, bề dày σx là tích A. δx và tổng số hạt trong nĩ là N.A.δx 1 dP Lực tác dụng lên một hạt F = . lực F này làm cho hạt chuyển động cĩ gia d d N dx tốc tương tự như tác dụng của điện trường.Gọi τ là thời gian trung bình giữa 2 lần va đập. Trong khi chuyển động cĩ xảy ra sự va chạm nhưng các hạt vẫn cĩ một vận tốc định F τ dP hướng nào đĩ: v = a .τ = D .τ = − . [m/s] D D m m.N dx Áp suất P tỉ lệ với mật độ điện tích N và nhiệt độ T: P =N. kT τ.kT dP 1 dN Vậy cĩ thể viết: v = − . = −D. . D m.N dx N dx τ.kT Với D là hệ số khuếch tán D = [m2/s] m. 1 dn dn v = D . . J = nev = e.D . -VLBD loại n: Dn n ; Dn Dn n n dx dx 1 dp dp v = D . . J = nev = e.D . -VLBD loại P: DP P ; DP DP P p dx dx Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 46 Hệ số khuếch tán D nĩi lên khả năng của hạt mang điện chuyển động qua tinh thể, tương tự như độ linh động nĩi lên khả năng chuyển động của hạt mang điện. m m kT Ta cĩ: τ = μ = D. hay D = ( ).μ e kT e D D kT Vậy: P = n = (Phương trình Einstein) μ μ e P n Trong trường hợp tổng quát sự khuếch tán tuân theo phương trình của định luật ∂N ∂ ∂N Fick: = (D. ) ∂t ∂r ∂r Phương trình này cho phép ta xác định nồng độ hạt dẫn, độ sâu khuếch tán, thời gian khuếch tán 2.1.4. Điện dẫn suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ Điện dẫn suất trong VLBD tinh khiết tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Hình 2.12 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của n i , p i trong Si ,Ge, GaAs Điện dẫn suất trong VLBD loại n được xác định bằng: σ = e.nμn Trong đĩ n là mật độ electron trong bán dẫn. Khi nhiệt độ cịn thấp, cùng với sự tăng nhiệt độ (tức là tăng năng lượng nhịệt) mật độ các electron sẽ tăng do sự ion hố các donor (đoạn 1-2). Độ dốc của đoạn này đặc trưng cho năng lượng ion hĩa của tạp chất. Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 47 Tiếp tục tăng nhiệt độ, nồng độ các electron tự do gần như khơng tăng nữa (đoạn 2- 3) vì lúc này tất cả các tạp chất đã bị ion hố, cịn xác suất ion hố 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 hĩa trị vào vùng dẫn. Độ nghiêng của đoạn này đặc trưng cho độ rộng vùng cấm của bán dẫn; nhiệt độ mà tại đĩ bắt đầu xuất hiện sự dẫn điện riêng sẽ càng nhỏ nếu độ rộng của vùng cấm bán dẫn càng nhỏ. ln n 3 2 1 1/T Hình 2.13 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ electron trong bán dẫn 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 với mật độ tạp chất donor Nd; 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 hĩa tạp chất tiến về 0. Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn suy biến (bán kim loại). 2.1.5. Sự mất cân bằng của hạt mang điện và cơ chế tái hợp Sự sinh ra lỗ trống và electron tự do cĩ nghĩa là cĩ một liên kết bị phá vỡ, từ đĩ electron được giải phĩng trở thành tự do ở bên trong tinh thể. Trong quá trình chuyển động nĩ sẽ gặp một lỗ trống do electron khác để lại, điền vào lỗ trống, mối liên kết được thiết lập lại. Đĩ 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 hố trị sẽ tái hợp với lỗ trống. Quá trình tái hợp cĩ thể là quá trình cĩ bức xạ, cĩ thể là quá trình khơng cĩ bức xạ. - Trong quá trình tái hợp cĩ bức xạ, photon được phát ra. Cĩ 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 khơng cĩ phơton từ trước. Đặc điểm của bức xạ tự phát là photon được phát ra khơng cĩ 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 Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 48 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 cĩ thể tái hợp với nhau mà khơng cĩ bức xạ, năng lượng phát ra thành nhiệt hoặc gây nên dao động tinh thể. Cĩ hai loại tái hợp khơng cĩ bức xạ: + Quá trình khơng cĩ bức xạ do sai lệch mang tinh thể. + Quá trình tái hợp Auger. Quá trình tái hợp khơng cĩ bức xạ do sai lệch mạng tinh thể Trong vật liệu bán dẫn hồn tồn khơng cĩ khuyết tật, trong vùng cấm khơng cĩ trạng thái cho phép nào đối với electron. Nhưng nếu trong vật liệu cĩ tạp chất hoặc do ý muốn hoặc ngồi ý muốn, thì trong vùng cấm cĩ mức năng lượng của điện tích. Những mức năng lượng trong vùng cấm là mức năng lượng của electron được định vị trong một khơng gian cĩ hạn ở gần chỗ sai lệch. Khi những electron tự do chuyển động trong những vùng cho phép cĩ thể bị sa vào “bẫy” do sai lệch mạng tinh thể. Hình 2.14 Quá trình electron rơi vào “bẫy” và tái hợp (khơng cĩ 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 hố trị và toả ra nhiệt Wth. Trên hình 2.14 là sơ đồ mơ tả quá trình electron rơi vào “bẫy”, và quá trình được giải phĩng ra khỏi bẫy trong tái hợp với lỗ trống. Quá trình tái hợp này khơng cĩ bức xạ, năng lượng được giải phĩng ra là nhiệt năng. Quá trình rơi vào “bẫy” cũng cĩ thể xảy ra với lỗ trống, khi lỗ trống chuyển động đến gần phạm vi cĩ sai lệch mạng. Sự tái hợp khơng cĩ bức xạ do sai lệch mạng gọi là sự tái hợp Shockky - Read - Hall (viết tắt: sự tái hợp SRH). Sự tái hợp này cĩ tầm quan trọng ở bề mặt của vật liệu vì bề mặt thường cĩ nhiều sai lệch mạng. Sự tái hợp Auger Electron ở vùng dẫn tái hợp với lỗ trống ở vùng hố trị, giải phĩng năng lượng, nhưng năng lượng này khơng 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 nĩng. Electron nĩng thường giải phĩng nhiệt năng. Quá trình này gọi là quá trình Auger, là một quá trình tái hợp khơng cĩ bức xạ, cĩ tầm quan trọng ở vật liệu bán dẫn cĩ năng lượng vùng cấm nhỏ. Tốc độ tái hợp Auger tỉ lệ với np2 hoặc pn2, tùy thuộc vào điện tích nĩng là electron hoặc lỗ trống. 2.1.6. Hiện tượng quang và quang điện trong chất bán dẫn Tính chất quang học của vật liệu bán dẫn Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 49 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 hĩa trị lên vùng dẫn điện tạo ra cặp hạt dẫn. - Hoặc ion hố 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 cĩ nhiều cực trị (GaAs), ánh sáng cĩ thể làm electron nhảy từ đáy vùng năng lượng này lên đáy vùng năng lượng cao hơn. VLBD phát quang Khi một electron ở mức năng lượng ban đầu W1, chuyển dời xuống mức năng lượng thấp hơn W2 thì cĩ hiện tượng phát quang. Năng lượng ánh sáng được phát ra bằng hiệu của hai mức năng lượng: c hf = W1 – W2 = h λ Khi một electron ở vùng dẫn tác hợp trực tiếp với lỗ trống ở vùng hố trị, thì hiệu của hai mức năng lượng chính là năng lượng vùng cấm. c Wg = h λg Từ đây,ta cĩ: hc 1,24 λg = = (μm) Wg Wg (eV) λg là bước sĩng của ánh sáng được phát ra. Ví dụ: GaAs cĩ Wg = 1,44eV, thì ánh sáng được phát ra cĩ bước sĩng bằng: 1,24 λg = = 0,86 μm 1,44 Cĩ hai loại vật liệu bán dẫn: đĩ là vật liệu bán dẫn trực tiếp như GaAs và vật liệu bán dẫn gián tiếp như Si, Ge. Ở vật liệu GaAs electron tái hợp trực tiếp với lỗ trống, năng lượng của electron trực tiếp chuyển đổi thành quang năng, như mơ tả trên đồ thị trên hình 2.15a. Ở vật liệu Si, Ge thì ngồi sự biến đổi năng lượng cịn cĩ sự biến đổi động lượng xảy ra đồng thời như mơ tả trên hình 2.15b Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 50 Hình 2.15 a) Sự tái hợp trực tiếp của electron với lỗ trống trong vật liệu bán dẫn trực tiếp. b) Sự tái hợp và sự biến đổi động lượng trong vật liệu bán dẫn gián tiếp. Hiệu suất phát sĩng của vật liệu bán dẫn gián tiếp rất nhỏ, năng lượng được chuyển đổi thành nhiệt năng là chủ yếu. hπ Electron bị mất động lượng cĩ giá trị bằng: , ở đĩ a là hằng số tinh thể. Động a lượng của ánh sáng được phát ra bằng: Wph hf h pph = mc = = = (2.1) c c λ So sánh động lượng bị mất với động lượng của ánh sáng được phát ra : động lượng bị mất của electron hπ/ a λ = ≈ (2.2) động lượng của ánh sáng h / λ a Ánh sáng mắt nhìn thấy được cĩ λ ≈ 10 -6m và hằng số tinh thể cĩ a ≈ 10 -10m, thì tỉ số (2.2) là: h 10 −6 m = = 104 a 10 −10 m Con số này nĩi lên rằng động lượng của ánh sáng được phát ra chỉ là một phần rất nhỏ của động lượng bị mất của electron. 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 cĩ bức xạ. Cịn ở vật liệu bán dẫn gián tiếp thì hiệu suất phát quang rất thấp, năng lượng giải phĩng chủ yếu là nhiệt năng. Vật liệu bán dẫn trực tiếp là GaAs. Ngồi ra, cịn cĩ những vật liệu khác: GaxAl1- xAs; In0,53; Ga0,47As; In0,52Al0,48As; InGaAsP; GaAsP. Những vật liệu cĩ 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 tĩm tắt của các vật liệu dùng để chế tạo LED. Tên vật liệu Nhận xét In1-xGaxAsyP1-y; x = 0,47y để cĩ mạng tinh *Cĩ mạng tinh thể phù hợp với InP thể phù hợp mạng tinh thể của InP. *Cĩ dải năng lượng bức xạ rộng, cĩ 2 Wg = 1,35 – 0,72y + 0,12y , eV thể đạt từ ∼0,8eV đến 1,35eV. *Cơng nghệ vật liệu hồn tồn tiên tiến cĩ thể ứng dụng trong viễn thơng. GaxAl1-xAs *Cĩ mạng tinh thể phù hợp với Wg = 1,43 + 1,25x, eV GaAs x ≤ 0,35 *Cơng nghệ vật liệu hồn tồn tiên Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN
BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 51 tiến, cĩ thể ứng dụng vào mạng thơng tin cơng 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 cĩ tính chất gián tiếp, phát ra ánh sáng màu xanh lá cây (λ=0,55μm) *Cĩ 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 cĩ năng lượng *Vật liệu quan trọng để phát ra ánh vùng cấm lớn, cĩ thể phát ra áng sáng xanh sáng màu xanh (ở những linh kiện và tím, cực tím. hiển thị, bộ nhớ) *Cơng nghệ vật liệu chưa hồn thiện, nhưng đang trên đà tiến bộ nhanh. Vật liệu bán dẫn trực tiếp cĩ hiệu suất bức xạ lớn, cịn vật liệu bán dẫn gián tiếp thì rất nhỏ. Tuy nhiên, cĩ thể đưa tạp chất vào vật liệu bán dẫn gián tiếp để làm cho vật liệu bán dẫn cĩ hiệu suất bức xạ cĩ giá trị chấp nhận được. Tạp chất tạo ra mức năng lượng trong vùng cấm, và nếu electron chuyển động đến mức này thì cĩ thể hấp thụ photon. Tuy nhiên, hiệu suất hấp thụ và bức xạ vẫn thấp hơn so với vật liệu bán dẫn trực tiếp. GaAsP là một loại vật liệu mà cĩ thể đưa vào tạp chất với nhiều mật độ khác nhau, từ đĩ cĩ nhiều mức năng lựơng hợp chất trong vùng cấm, nĩ được sử dụng để chế tạo LED. *Nguyên lý làm việc của LED LED là một điốt p-n làm việc với điện áp thuận. Electron và lỗ trống được phun qua mặt tiếp giáp p-n: electron được phun từ phía n sang phía p, cịn lỗ trống từ phía p sang phía n. Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN