Bài giảng LINH KIỆN ĐIỆN TỬ. Ths. Phạm Thanh Huyền

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI Khoa Điện – Điện tử Bộ môn Kỹ thuật điện tử Bài giảng LINH KIỆN ĐIỆN TỬ (chương 1) Biên soạn: Ths Phạm Thanh Huyền Nội dung: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Chương 2: Linh kiện thụ động Chương 3: Linh kiện bán dẫn Chương 4: Linh kiện quang điện tử Chương 1: Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Cấu trúc nguyên tử Lý thuyết dải lượng chất rắn Hàm Fermi Vật liệu dẫn điện Vật liệu cách điện Vật liệu bán dẫn Vật liệu từ Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Cấu trúc nguyên tử •Tất nguyên tử bao gồm hạt nhân nhỏ mang điện tích dương tập trung hầu hết khối lượng nguyên tử •Quay xung quanh hạt nhân điện tử (Electron) mang điện tích âm, nhỏ nhẹ nhiều •Hạt nhân gồm hạt proton nơtron Proton mang điện tích dương cịn nơtron khơng mang điện Về mặt trị số ta có: q p = −qe = 1,6 *10 −19 C •Khi nguyên tử trạng thái bình thường số proton số electron nên nguyên tử trung hòa điện •Các điện tử quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo có bán kính xác định nhờ cân lực: lực tĩnh điện lực hấp dẫn Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Nguyên tử Lithium (Li) • Ở trạng thái trung hịa ngun tử Li có điện tử proton • Khi điện tử, nguyên tử Li trở thành ion dương • Khi nhận thêm điện tử, nguyên tử Li trở thành ion âm Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Hai tiên đề Bohr Tiên đề trạng thái dừng: nguyên tử tồn trạng thái có lượng xác định gọi trạng thái dừng Khi trạng thái dừng nguyên tử không xạ Tiên đề xạ hấp thụ lượng nguyên tử: Trạng thái dừng có lượng thấp bền vững Khi nguyên tử trạng thái dừng có mức lượng lớn có xu hướng chuyển sang trạng thái dừng có mức lượng nhỏ Khi xạ photon có lượng hiệu mức lượng hf = E2 – E1 Qúa trình hấp thụ xạ nguyên tử Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Các mức lượng nguyên tử Khi trạng thái dừng đó, điện tử có lượng tính cơng thức sau: me e Wn = − Z = − R h Z 2 n 2.( 4πε ) h n Trong đó: Wn: lượng nguyên tử số thứ tự n, có đơn vị [eV] n: số thứ tự lớp R: số Ritbe, R = 13,6 [eV] h: số Plank, h = 6,626.10-34 Z: tổng số electron nguyên tử số thứ tự nguyên tố bảng tuần hoàn Như vậy, điện tử đơn nguyên tử tồn mức lượng rời rạc Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Giản đồ lượng nguyên tử Mức lượng thấp gọi mức lượng (đất) gần hạt nhân Các mức lượng xa hạt nhân gọi mức lượng kích thích Khi nhận lượng điện tử chuyển lên mức lượng cao tồn khoảng thời gian ngắn từ 10-10 – 10-7s sau trở trạng thái tĩnh xạ photon có bước sóng 12400 λ= E2 − E1 với E[eV] λ[A0] Hiện tượng tạo quang phổ vạch nguyên tử khác khác Khi cung cấp lượng lớn lượng lớn giản đồ (năng lượng ion hóa) điện tử bứt khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự nguyên tử trở thành ion dương Giản đồ lượng quang phổ vạch nguyên tử Hidro Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Khái niệm dải lượng chất rắn Có nhiều cách để phân loại vật liệu cách đơn giản phân thành: thể rắn, thể lỏng thể khí Vật liệu điện tử vật liệu thuộc thể rắn (solid state) có cấu trúc mạng tinh thể Nghĩa nguyên tử không độc lập mà chúng liên kết với theo liên kết cộng hóa trị Điện tử (đặc biệt điện tử hóa trị) ràng buộc tác động lên (nhưng tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli) kết hình thành nên dải lượng thay cho mức lượng khoảng cách nguyên tử đủ nhỏ Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Khái niệm dải lượng chất rắn (tiếp) Dải hóa trị (valence band): Dải lượng thấp điện tử chiếm đầy điều kiện độ tuyệt đối Dải dẫn (conduction band): Dải lượng cao dải hóa trị Ở điều kiện độ tuyệt đối dải dẫn khơng có điện tử chiếm giữ Khi điện tử dải dẫn dễ dàng trở thành điện tử tự để tham gia vào trình dẫn điện Dải cấm (forbidden band) dải lượng nằm dải hóa trị dải dẫn, khơng có điện tử có mức lượng nằm dải cấm Tùy theo vị trí dải lượng người ta chia chất rắn thành loại vật liệu: cách điện (insulator), bán dẫn (semiconductor) dẫn điện (conductor) 10 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu bán dẫn (semiconductor) Một số đặc tính quan trọng chất bán dẫn (tiếp): •Ở nhiệt độ phịng chất bán dẫn ln có hạt dẫn, bao gồm điện tử lỗ trống Khi dịng điện chất bán dẫn gồm loại sau: + Dịng khuếch tán hình thành chênh lệch nồng độ hạt dẫn vùng khác khối bán dẫn Dịng khuếch tán có xu hướng giảm dần nồng độ hạt dẫn cân + Dịng trơi hình thành tác động điện trường Điện tử di chuyển nơi có điện áp dương cịn lỗ trống di chuyển nơi có điện áp âm 23 Dòng điện chất bán dẫn gồm điện tử lỗ trống Chng 1: C s vt lý vật liệu điện tử Vật liệu bán dẫn (tiếp) Bán dẫn pha tạp: pha tạp chất nhóm V vào bán dẫn ta có Bán dẫn loại N, pha tạp chất nhóm III vào bán dẫn ta có Bán dẫn loại P Bán dẫn loại N bán dẫn tạp hình thành cách pha nguyên tố nhóm V vào bán dẫn Khi số nút mạng, nguyên tử Si (có điện tử hóa trị) bị thay nguyên tử tạp chất (có điện tử hóa trị, ví dụ Phốt pho) Kết điện tử thứ thừa có liên kết yếu với nguyên tử tạp chất dễ dàng trở thành điện tử tự thân nguyên tử tạp chất trở thành ion dương Nồng độ điện tử tạo có nồng độ nồng độ tạp chất (gọi chất cho - Donor) n = ND Dải dẫn (bị chiếm phần) thứ chưa tách khỏi nguyên tử tạp chất hình thành nên mức lượng Donor gần đáy dải dẫn Ở nhiệt độ phòng điện tử thứ trở thành điện tử tự chiếm phần dải dẫn Các điện tử tự loại sinh mà thêm lỗ trống nào, vậy, bán dẫn loại N điện tử hạt dẫn đa số lỗ trống hạt dẫn thiểu số (lỗ trống sinh trình hấp thụ nhiệt ánh sáng) Giản đồ lượng chất bán dẫn loại N giống chất dẫn điện kim loại Năng lượng Bán dẫn loại N có giản đồ lượng hình bên, K, điện tử Dải hóa trị (bị chiếm hồn tồn) 24 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu bán dẫn (tiếp) Bán dẫn pha tạp Bán dẫn loại P bán dẫn tạp hình thành cách pha nguyên tố nhóm III vào bán dẫn Khi số nút mạng, ví dụ nguyên tử Si (có điện tử hóa trị) bị thay nguyên tử tạp chất (có điện tử hóa trị, ví dụ Bohr) Kết có liên kết cộng hóa trị bị thiếu điện tử Điện tử nguyên tử Si bên cạnh dễ dàng chuyển tới để bù cho thiếu hụt liên kết đồng thời để lại lỗ trống vị trí vừa nhảy nguyên tử tạp chất nhận thêm điện tử nên trở thành ion âm Nồng độ lỗ trống tạo nồng độ tạp chất (gọi chất nhận - Acceptor) p = NA dẫn bị chiếm đầy hồn tồn, dải dẫn khơng có điện tử tự Ở nhiệt độ phòng điện tử dải dẫn nhảy lên mức lượng gần đỉnh dải hóa trị (gọi mức lượng Acceptor) để lại dải hóa trị lỗ trống dải dẫn khơng có điện tử Trong bán dẫn loại N, lỗ trống hạt dẫn chiếm đa số điện tử hạt dẫn thiểu số Năng lượng Bán dẫn loại P có giản đồ lượng K hình bên, dải Dải dẫn Dải hóa trị 25 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu từ Nguồn gốc từ tính chuyển động điện tích, nói cách khác điện tích chuyển động nguyên tử tạo dòng điện , dòng điện tạo từ trường Đặc tính từ coi đặc tính tự nhiên vật chất độ mạnh yếu loại khác Khả giữ từ tính vật liệu sau khỏi từ trường thể đặc tính Thí nghiệm khả giữ từ Hình ảnh đường sức từ nam châm vĩnh cửu, ống dây, ống dây lõi sắt 26 từ, dòng điện thẳng dòng điện vòng Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu từ (tiếp) Trường từ trường điện từ đóng vai trị quan trọng mang tính hệ thống điện điện Động cơ, máy phát, loa, micro, nhớ máy tính thiết bị hoạt động dựa nguyên tắc từ điện từ 27 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu từ (tiếp) Phân loại vật liệu từ: + Vật liệu nghịch từ: vật liệu khơng có môment từ nguyên tử Tổng môment từ điện tử vật liệu khơng có từ trường Các chất Bi,H2O,Si,Pb,Cu vật liệu nghịch từ điển hình + Vật liệu thuận từ vật liệu có mơmen từ ngun tử, mơment khơng có tương tác với nên trạng thái thường, tổng mômen từ Khi đặt vào từ trường ngồi, mơmen từ có xu hướng xoay theo chiều từ trường từ trường chúng lại trở lại trạng thái ban đầu Các vật liệu thuận từ điển hình Al,Na,O2 Các moment từ vật liệu thuận từ giống nam châm nhỏ có khoảng cách với lớn nên khó tác động tới chịu tác động từ trường hay tính thuận từ tính chất yếu Sự xếp hỗn độn moment từ Oxy lỏng bị hút vào nam châm điện 28 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu từ (tiếp) + Vật liệu sắt từ vật liệu có mơmen từ nguyên tử Nhưng khác biệt so với vật liệu thuận từ chỗ mômen từ lớn có khả tương tác với Tương tác dẫn đến việc hình thành lịng vật liệu domain từ mà domain này, mômen từ xếp hoàn toàn song song tạo thành từ độ tự phát vật liệu (có nghĩa độ từ hóa tồn khơng có từ trường) Nếu khơng có từ trường, lượng nhiệt làm cho mơmen từ domain tồn khối xếp hỗn độn tổng độ từ hóa tồn khối Vật liệu sắt từ điển hình Fe, Ni, Sd … Khi có từ trường domain lớn lên xếp lại theo hướng từ trường Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có tượng bão hịa từ, lúc tất mơmen từ xếp song song với vật liệu có domain Nếu ta ngắt từ trường, mơmen từ lại có xu hướng hỗn độn lại tạo thành domain, nhiên, domain tương tác với nhau, tổng mơmen từ tồn khối khơng thể mà giá trị khác 0, gọi độ từ Điều tạo thành tượng trễ vật liệu Hình bên đường cong từ hóa số vật liệu sắt từ 29 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu từ (tiếp) a) Vật liệu từ mềm “Mềm" phương diện từ (tức dễ bị từ hóa khử từ) Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ bé) nưng lại có từ độ bão hịa cao, có độ từ thẩm lớn, từ tính lại dễ dàng bị sau ngắt từ trường Các chất từ mềm "truyền thống" biết sắt non, ferrite Mn,Zn, Các chất sắt từ mềm sử dụng lõi nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ , có nghĩa sử dụng vật dụng từ trường ngồi Chúng có đặc trưng Tổn hao trễ sinh mát lượng q trình từ hóa, tính diện tích đường cong từ trễ Do vậy, vật liệu sắt từ mềm có đường trễ hẹp tốt Tổn hao xoáy: sinh dòng Foucalt sinh trường xoay chiều làm nóng vật liệu, lượng tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất vật liệu, nghĩa tổn thất lượng lớn khu vực tần số cao Tuy nhiên, loại vật liệu từ mềm khắc phục điều vật liệu cấu trúc tinh thể nano Fe-SiB-Nb-Cu Chúng vật liệu có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất lớn (dù băng kim loại) cấu trúc đặc biệt nên sử dụng ứng dụng cao tần cỡ từ kHz-MHz 30 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Vật liệu từ (tiếp) a) Vật liệu từ cứng Chúng khó bị từ hóa, khó bị khử từ (đó tính chất "cứng"), tức có lực kháng từ lớn lại thường có từ độ bão hịa thấp Khả lớn nhóm khả giữ từ tính sau ngắt từ trường ngồi nên sử dụng vật dụng tồn trữ lượng (nam châm vĩnh cửu), lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng), dụng cụ đo lường Các nam châm vĩnh cửu truyền thống sử dụng ferrite từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo Thế hệ nam châm vĩnh cửu đời sau nam châm đất hiếm, mở đầu hợp chất RCo5 (như SmCo5 ) sau R2Fe14B (Nd2Fe14B,Pr2Fe14B ), R thường ký hiệu để nguyên tố đất 31 Tài liệu tham khảo • Giáo trình Linh kiện điện tử - Ths.Phạm Thanh Huyền – Ths.Đỗ Việt Hà NXB Thơng tin truyền thơng – 2008 • Internet 32 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Quy tắc bàn tay phải để xác định chiều dòng cảm ứng Lực tương tác cực từ Quy tắc bàn tay trái để xác định chiều lực từ 33 Hiệu ứng Hall Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử GaAs Dải dẫn Năng lượng (eV) ∆E=0.31 Eg -1 -2 [111] [100] Dải dẫn k Eg -1 Dải hóa trị Si Năng lượng (eV) -2 Dải hóa trị [111] [100] k Giản đồ lượng GaAs Si 34 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử 35 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Bảng tuần hoàn III IV V 36 Chương 1: Cơ sở vật lý vật liệu điện tử Ion tạp chất Donor Hạt đa số Hạt thiểu số N Ion tạp chất Acceptor Cơ chế di chuyển lỗ trống bán dẫn: Dòng lỗ trống ngược chiều với dòng điện tử Hạt đa số P Hạt thiểu số Các loại hạt dẫn bán dẫn loại N P 37