Phần 2 của giáo trình Vật liệu điện, điện tử tiếp tục cung cấp cho học viên những nội dung về: vật liệu bán dẫn và tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn; vật liệu từ, vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng, vật liệu từ có công dụng đặc biệt;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Chương VẬT LIỆU BÁN DẪN 4.1 Khái niệm chung bán dẫn 4.1.1 Các khái niệm bán dẫn 4.1.1.1 Vùng lượng chất rắn Chất rắn coi cấu tạo tập hợp nguyên tử Trong vật rắn tinh thể nguyên tử xếp cách tuần hoàn mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề cách khái quát ta xét mạng tinh thể gồm nguyên tử giống Khi khoảng cách nguyên tử lớn, nguyên tử coi độc lập, không tương tác với Mỗi nguyên tử có mức lượng gián đoạn cho phép, giống trường hợp có nguyên tử đơn độc Trong số mức lượng có số mức bị chiếm electron Ở trạng thái electron chiếm mức lượng thấp Khi có nguyên tử cô lập ứng với giá trị lượng tử n có mức lượng, quĩ đạo Khi khoảng cách nguyên tử giảm đến giá trị đó, nguyên tử có tương tác với chuyển động electron chịu ảnh hưởng hạt nhân nguyên tử mà cịn chịu ảnh hưởng nguyên tử khác mạng tinh thể Khi có nguyên tử tương tác với chuyển động hai electron hai nguyên tử chịu ảnh hưởng hai hạt nhân hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli hai electron phải hai trạng thái khác Do đó, mức lượng cũ bị tách thành mức lượng Nếu hệ chứa N nguyên tử mức lượng nguyên tử cô lập tách thành N mức Các mức sát tạo thành vùng lượng cho phép Trong 1cm3 có khoảng 1022 nguyên tử, mức lượng tách thành số lớn, mà độ rộng vùng lượng khoảng vài eV Do vậy, khoảng cách mức nhỏ vùng lượng khoảng 10-22eV, nói biến thiên lượng vùng lượng gần liên tục Giữa vùng lượng vùng trống (gọi vùng cấm) mà khơng thể tồn trạng thái electron Khi số lượng electron số nguyên tử tăng lên số mức tách từ mức tăng lên theo, tạo thành vùng lượng cho phép Những electron vịng quĩ đạo ngồi chịu ảnh hưởng tương tác nhiều Vì vậy, có vùng lượng rộng Đối với electron cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nên vùng lượng hẹp nhất, chí khơng thể phân biệt với mức lượng nguyên tử cô lập Bề rộng vùng lượng phụ thuộc vào khoảng cách nguyên tử tức phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể Số trạng thái vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức phụ thuộc vào độ lớn nguyên tử Những vùng gần phủ lên nhau, khoảng cách lớn vùng lượng cách xa ngăn cách vùng cấm 4.1.1.2 Cấu trúc vùng lượng VLBD Các vùng lượng chất rắn bị chiếm đầy, chiếm phần hay bỏ trống Vùng lượng cao bị chiếm electron hóa trị vùng cao định tính dẫn điện chất rắn Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy vùng phía tiếp sau vùng dẫn Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không 92 điền đầy Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức lượng cao trở thành electron tự tham gia vào trình dẫn điện Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV Do vậy, electron khó có khả vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng lượng tương tự vật liệu cách điện vùng cấm hẹp cỡ 0,1eV đến 1eV Ở 00K chúng chất cách điện Ở nhiệt độ phịng electron thu lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn tham gia vào trình dẫn điện Điều khác dẫn điện kim loại bán dẫn electron chuyển lên vùng dẫn đồng thời tạo vùng hóa trị lỗ trống - Electron tự vùng dẫn - Lỗ trống vùng hóa trị Hình 4-1 Cấu trúc vùng lượng VLBD Do đó, electron vùng hóa trị chuyển động đến lỗ trống để lấp đầy tạo chuyển động lỗ trống dịng lỗ trống mang điện tích dương Mức thấp vùng dẫn ứng với lượng electron đứng yên electron Do đó, đáy vùng dẫn tương ứng với electron, tương tự đỉnh vùng hoá trị ứng với lỗ trống Nếu electron mức lượng cao WC lỗ trống mức lượng thấp WV electron lỗ trống có động hiệu mức lượng chúng lượng ứng với đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị Hình 4-2 Đáy vùng dẫn tương ứng với electron 93 4.1.1.3 Phân loại VLBD Vật liệu bán dẫn sử dụng thực tế chia bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hóa học bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm) Hiện nghiên cứu bán dẫn từ trường bán dẫn lỏng Tất có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản gồm Bo (B), Silic (Si), Germani (Ge), Photpho (P), Asen (As), Lưu huỳnh (S), Selen (Se), Telua (Te), Iốt (I) Các chất Germani, Silic Selen có ý nghĩa quan trọng kỹ thuật đại Bán dẫn hợp chất hóa học hợp chất nguyên tố thuộc nhóm khác bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep tương ứng với dạng tổng quát AIVBIV (SiC), AIIIBV (InSb,GaAs) số chất có thành phần phức tạp.(Các VLBD liên kết GaAs, ký hiệu chung AIIIBV, liên kết nguyên tố có hố trị III Ga với ngun tố có hóa trị V As) 4.2 Điện dẫn bán dẫn Theo lý thuyết phân vùng lượng vật chất, bề rộng vùng cấm chất bán dẫn có trị số khoảng 1-3eV Bảng 4-1 đưa số liệu bề rộng vùng cấm số chất bán dẫn Bảng 4-1 Số liệu bề rộng vùng cấm số chất bán dẫn Nguyên tố Bề rộng vùng cấm eV Nguyên tố Bề rộng vùng cấm eV Bo 1,1 Lưu huỳnh 2,5 Silic 1,12 Selen 1,7 Germani 0,72 Telua 0,36 Photpho 1,5 Iot 1,25 Asen 1,2 Theo sơ đồ lượng bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T vùng dẫn có vài điện tử chuyển qua tạo nên vùng hóa trị số lỗ trống , với chuyển dời điện tử bán dẫn đồng thời tạo hai hạt mang điện trái dấu, nên tổng số hạt mang điện hai lần số điện tử tự vùng dẫn 4.2.1 Cấu trúc tinh thể VLBD Khảo sát VLBD Silic germani: Hạt tải điện chất bán dẫn điện tử tự vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị Xét cấu trúc tinh thể Gecmani Silic biểu diễn không gian hai chiều hình 4-3: Gecmani (Ge) Silic (Si) có điện tử hóa trị lớp Trong mạng tinh thể nguyên tử Ge (hoặc Si) góp điện tử hóa trị vào liên kết cộng hóa trị với điện tử hóa trị nguyên tử kế cận để cho nguyên tử có hóa trị Hạt nhân bên nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4 Như điện tử hóa trị liên kết cộng hóa trị có liên kết chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, có sẵn điện tử hóa trị tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng hình 4-3 gần tinh thể bán dẫn chất cách điện 94 Hình 4-3 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn không gian chiều Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt làm tăng lượng số điện tử làm gãy số nối hóa trị Các điện tử nối bị gãy rời xa di chuyển dễ dàng mạng tinh thể tác dụng điện trường Tại nối hóa trị bị gãy ta có lỗ trống (hole) Về phương diện lượng, ta nói nhiệt làm tăng lượng điện tử dải hóa trị Khi lượng lớn lượng dải cấm (0,7eV Ge 1,12eV Si), điện tử vượt dải cấm vào dải dẫn điện chừa lại lỗ trống (trạng thái lượng trống) dải hóa trị) Ta nhận thấy số điện tử dải dẫn điện số lỗ trống dải hóa trị Hình 4-4 Tinh thể Ge với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ Cấu trúc tinh thể Silic, Germani mạng không gian ba chiều cấu trúc kim cương Gồm lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách ¼ đường chéo khơng gian 95 Hình 4-5 Cấu trúc tinh thể Si, Ge, cấu trúc kim cương 4.2.2 VLBD tinh khiết Ở nhiệt độ T = 00K khơng có electron vùng hóa trị có đủ lượng lượng vùng cấm Wg để nhảy lên vùng dẫn, để VLBD dẫn điện Ở nhiệt độ VLBD khơng có tính dẫn điện giống điện mơi lý tưởng Khi T > tồn xác suất có số electron nhận lượng nhiệt vượt qua vùng cấm để có mặt vùng dẫn, trở thành electron tự Như tạo thành số lỗ trống vùng hóa trị, lỗ trống mà electron vùng hóa trị tham gia vào trình dẫn điện Bản chất chuyển động lỗ trống hình dung chuyển động điện tích dương với giá trị khối lượng hiệu dụng Sự chuyển động electron tự miền dẫn dễ dàng chuyển động lỗ trống vùng hóa trị Nói cách khác, tính linh động electron (μn) vùng dẫn lớn tính linh động lỗ trống (μp) vùng hóa trị (Đối với Germani μn = 0,38 m2/Vs, μp = 0,18 m2/Vs) Điện dẫn suất VLBD xác định sau: σ = n μn + p μp (4-1) Trong đó: n, p - Là mật độ electron lỗ trống (cm-3) VLBD VLBD tinh khiết VLBD bỏ qua ảnh hưởng tạp chất Trong VLBD tinh khiết có electron tự có nhiêu lỗ trống Do vậy: n = p = ni 4.2.3 VLBD có tạp chất Để tăng điện dẫn suất Silic, Germani người ta cho vào nguyên tố khác có hóa trị III V Nguyên tố gọi tạp chất, coi chất kích thích với số lượng nhỏ Tùy theo loại điện tích (âm hay dương) mà VLBD có tạp chất phân loại loại n hay p 4.2.3.1 VLBD loại n Nếu cho vào Silic (hoặc Germani) số lượng ngun tố có hóa trị V, ví dụ Antimon (Sb) Nguyên tử Sb có electron hóa trị, thay nguyên tử Silic, liên kết với nguyên tử Silic gần cách trao electron Còn electron dư, gần tự chuyển động xung quanh lõi mang điện tích dương nguyên tử Silic với bán kính quĩ đạo lớn Đối với Germani chẳng hạn lượng electron dư gần (-0,03 eV), cịn bán kính quĩ đạo lớn gấp 27 lần bán kính quĩ đạo electron hydro Do lượng liên kết nhỏ nhiệt độ phòng electron dư tạp chất 96 gần tự do, nhảy vào vùng dẫn góp phần vào việc tạo dịng điện kích thích lượng nhỏ (như ánh sáng, nhiệt độ ) Rõ ràng, electron không tạo lỗ trống Số hạt mang điện âm nhiều tạp chất gọi tạp chất cho hay tạp chất donor Mức lượng cho “Wd” sát mức Wc Như tạp chất cho tạo mức lượng cho phép vùng cấm (ở nửa phía trên) Hình 4-6 Mức lượng cho “Wd” sát mức Wc Ở nhiệt độ phòng nguyên tử tạp chất “cho” cho thêm hạt mang điện, có nồng độ thấp làm tăng mật độ hạt mang điện, từ làm tăng điện dẫn suất với mức độ tăng lớn (4-2) n i e.N d n e.N d i Trong đó: Nd - Mật độ tạp chất cho Vì e.N d i Ví dụ: So sánh điện dẫn suất Germani tinh khiết với Germani loại n có tạp chất cho phốtpho, số nguyên tử tạp chất phần triệu số nguyên tử Germani Giải: Số nguyên tử Germani 1m3 N = 1028 (m-3), số nguyên tử phốtpho 1/106 số nguyên tử Germani tức 1022 (m-3) Ở nhiệt độ phòng: niGe = 1019 (m-3) nên điện dẫn suất : i ni e(n p 1019.1,6.1019 (0,38 0,18) i 0,89( ) m Đối với Germani loại n: n e.Nd n 1,6.10 19.10 22.0,38 0,61.103 ( ) m Ta thấy điện dẫn suất tăng lên 1000 lần số nguyên tử tạp chất phần triệu số nguyên tử VLBD tinh khiết 4.2.3.2 VLBD loại p VLBD tinh khiết pha tạp chất nhóm III B, Al, In… có liên kết hoàn chỉnh, liên kết bỏ hở nên cần kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng) có electron liên kết hồn chỉnh bên cạnh vào Tạp chất bị ion hóa thành âm, 97 mối liên kết mà electron khỏi xuất điện tích dương tức lỗ hổng Vậy tạp chất làm tăng mật độ lỗ trống mà không làm tăng mật độ điện tử Tạp chất nhóm III làm tăng mật độ lỗ trống gọi tạp chất nhận bán dẫn gọi bán dẫn loại p, tạo mức nhận Wa nằm sát bờ vùng hóa trị 4.3 Tiếp giáp điện tử lỗ trống (tiếp giáp p-n) Trong công nghệ chế tạo phần tử mặt ghép p-n, người ta thực pha trộn hai loại bán dẫn tạp chất lên phiến đế tinh thể bán dẫn với bên bán dẫn loại p bên bán dẫn loại n Do lực hút lẫn nhau, electron tự bên phía bán dẫn loại n có xu hướng khuếch tán theo hướng Một vài electron tự khuếch tán vượt qua bề mặt ghép p-n Khi electron tự bán dẫn loại n vào vùng bán dẫn loại p, trở thành hạt thiểu số Do có lượng lớn lỗ trống nên electron nhanh chóng liên kết với lỗ trống để tinh thể trở trạng thái cân đồng thời làm lỗ trống biến Mỗi lần electron khuếch tán vượt qua vùng tiếp giáp tạo cặp ion Khi electron rời khỏi miền n để lại cho cấu trúc ngun tử tạp chất (thuộc nhóm bảng tuần hồn Mendeleep) sang trạng thái mới, trạng thái thiếu electron Nguyên tử tạp chất lúc lại trở thành ion dương Nhưng đồng thời, sang miền p kết hợp với lỗ trống vơ hình làm nguyên tử tạp chất (thuộc nhóm bảng tuần hồn Medeleep) trở thành ion âm Q trình diễn liên tục làm cho vùng tiếp xúc chất bán dẫn có ngày nhiều cặp ion dương âm tương ứng miền n miền p Các cặp ion sau hình thành tạo nên vùng miền tiếp xúc bán dẫn mà ta gọi miền tiếp xúc, có điện trường ngược lại với chiều khuếch tán tự nhiên electron tự lỗ trống Quá trình khuếch tán dừng số lượng cặp ion sinh đủ lớn để cản trở khuếch tán tự electron từ n sang p Như vậy, ký hiệu âm dương miền tiếp xúc p-n ký hiệu cặp ion sinh trình khuếch tán Tiếp giáp pn hay diode tiếp giáp tạo thành đơn giản cách ghép nối hai loại vật liệu bán dẫn tạp dạng n p với (cấu trúc dựa loại bán dẫn Si Ge), mô tả hình 4-7a Trong thực tế, diode chế tạo cách: Trước tiên, người ta lấy mẫu bán dẫn tạp dạng n có nồng độ pha tạp ND tiến hành biến đổi chọn lọc phần mẫu n thành vật liệu bán dẫn p nhờ bổ sung tạp chất acceptor có nồng độ N A > ND Vùng bán dẫn tạp dạng p gọi anode vùng n gọi cathode diode có ký hiệu mạch hình 4-7c Tiếp giáp p-n phận tất cấu kiện bán dẫn vi mạch điện tử (IC) Để đơn giản, với giả thiết khơng hiệu ngồi đặt vào mẫu tinh thể gọi tiếp giáp p-n trạng thái cân Mật độ hạt tải điện xét phụ thuộc vào phương x, xem diode tiếp giáp pn hình 4-7 Ở vùng vật liệu bán dẫn tạp dạng -p có NA = 1017 (nguyên tử /cm3) ND = 1016 (nguyên tử/cm3) vùng vật liệu dạng -n Như vậy, nồng độ điện tử lỗ trống hai phía tiếp giáp là: Vùng bán dẫn tạp -p có pp = 1017 (lỗ trống/cm3) np 103 (điện tử/cm3) Vùng bán dẫn tạp -n có pn 104 (lỗ trống/cm3) nn = 1016 (điện tử/cm3) 98 Hình 4-7 (a)(b)Cấu tạo Diode tiếp giáp p-n (c): Ký hiệu diode Ở phía bán dẫn p tiếp giáp có nồng độ lỗ trống lớn, ngược lại phía bán dẫn n có nồng độ lỗ trống nhỏ nhiều Cũng vậy, nồng độ điện tử lớn phía bán dẫn n nồng độ điện tử nhỏ phía bán dẫn p Do có chênh lệch nồng độ hai phía tiếp giáp nên có khuyếch tán xảy qua tiếp giáp pn Các lỗ trống khuyếch tán từ vùng có nồng độ cao phía bán dẫn p sang vùng có nồng độ thấp phía bán dẫn n, điện tử khuyếch tán từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫn p 4.3.1 Tiếp giáp p-n khơng có điện áp ngồi Điều kiện cân động lớp tiếp xúc p-n Khi dòng điện hạt dẫn chuyển động khuếch tán hạt dẫn chuyển động trôi qua tiếp xúc p-n có giá trị ta nói tiếp xúc p-n trạng thái cân động Do dòng điện ngược chiều nên chúng triệt tiêu lẫn dòng điện tổng qua lớp tiếp xúc p-n khơng Lúc lớp tiếp xúc có bề dày ký hiệu d, điện trở lớp tiếp xúc ký hiệu RP/N, cường độ điện trường tiếp xúc ký hiệu E0 (hay gọi hàng rào năng) tương ứng với có hiệu điện tiếp xúc ký hiệu V0 Các đại lượng ta tính qua cơng thức Do lớp tiếp xúc p-n vùng nghèo hạt dẫn nên điện trở lớn nhiều điện trở hai vùng bán dẫn p n (RP/N >>RN RP) Điều kiện cân giúp ta tính độ cao hàng rào V phụ thuộc vào nồng độ tạp chất cho tạp chất nhận Giá trị V0 khoảng từ vài phần mười vơn Theo hình 4-8 ta thấy mức lượng Fecmi hai phần bán dẫn p n nằm đường thẳng Mức lượng E0 - điện tử hay hàng rào điện tử tiếp xúc p-n trạng thái cân là: E0 = ECP – ECn = EVp - EVn 99 Hình 4-8 Đồ thị vùng lượng tiếp xúc p-n hở mạch (trạng thái cân bằng) E0= KTlnNDNA/n2i (4-3) Trong đó: E0 - Đo [eV], V0 đo [V] Ngoài ra, hiệu điện tiếp xúc E cịn tính theo công thức sau: E0 = KTlnPP0/Pn0 = KTln(nn0/nP0) (4-4) Trong đó: K - Là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ T Chỉ số công thức để biểu thị nồng độ hạt dẫn tính điều kiện cân nhiệt động 4.3.2 Tiếp giáp p-n phân cực thuận Tiếp xúc p-n phân cực thuận ta đặt nguồn điện áp bên ngồi lên lớp tiếp xúc p-n có chiều cực dương nối vào bán dẫn loại p cực âm nối vào bán dẫn n Hình 4-9 Tiếp xúc p-n phân cực thuận đồ thị dải lượng Điện trường lớp tiếp xúc giảm xuống, hàng rào giảm xuống lượng điện trường ngồi: ET.X = E0 - Engồi (4-5) Do phần lớn hạt dẫn đa số dễ dàng khuếch tán qua tiếp xúc p-n, kết dòng điện qua tiếp xúc p-n tăng lên Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc p-n phân cực thuận gọi dòng điện thuận Ith 100 Khi tăng điện áp thuận lên, tiếp xúc p-n phân cực thuận mạnh, hiệu điện tiếp xúc giảm, hàng rào thấp xuống, đồng thời điện trở lớp tiếp xúc giảm, bề dày lớp tiếp xúc giảm, hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n nhiều nên dòng điện thuận tăng tăng theo qui luật hàm số mũ với điện áp ngồi Khi điện áp thuận có giá trị xấp xỉ với V0, dòng điện chạy qua tiếp xúc p-n thực khống chế điện trở thuận tiếp xúc kim loại điện trở khối tinh thể Do đặc tuyến Vôn-Ampe gần giống đường thẳng 4.3.3 Tiếp giáp P-N phân cực ngược Lớp tiếp xúc p-n phân cực ngược ta đặt nguồn điện áp cho cực dương nối với phần bán dẫn n, cịn cực âm nối với phần bán dẫn p Khi điện áp tạo điện trường chiều với điện trường tiếp xúc E0, làm cho điện trường lớp tiếp xúc tăng lên: ET.X.=E0+Engoài (4-6) Tức hàng rào cao Các hạt dẫn đa số khó khuếch tán qua vùng điện tích khơng gian, làm cho dòng điện khuếch tán qua tiếp xúc p-n giảm xuống so với trạng thái cân Đồng thời, điện trường lớp tiếp xúc tăng lên thúc đẩy q trình chuyển động trơi hạt dẫn thiểu số tạo nên dịng điện trơi có chiều từ bán dẫn N sang bán dẫn P gọi dòng điện ngược Ingược Nếu ta tăng điện áp ngược lên, hiệu điện tiếp xúc tăng lên làm cho dòng điện ngược tăng lên Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số có nên dịng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bão hòa gọi dòng điện ngược bão hịa I0 có giá trị nhỏ khoảng từ vài nA đến vài chục µA Hình 4-10 Tiếp xúc p-n phân cực ngược đồ thị dải lượng 4.3.4 Dịng điện qua tiếp xúc p-n 4.3.4.1 Dịng điện thuận Khi tiếp xúc p-n phân cực thuận, qua có dịng điện thuận Đó dịng điện hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n Ta có: 101 u cầu kích thước hệ thống dẫn từ giảm xuống nhiều Vật liệu từ sử dụng trường từ biến thiên phải có tổn hao từ hóa nhỏ nhất, thơng thường dây dẫn từ ráp từ thép mỏng cách điện với Những vật liệu băng phải có độ mềm dẻo q trình chế tạo chi tiết dễ dàng Yêu cầu quan trọng vật liệu từ mềm thỏa mãn tính chất ổn định theo thời gian khơng bị tác động nhiệt độ, lực học… Trong số đặc tính từ thường có thay đổi lớn q trình sử dụng hệ số từ thẩm μ (đặc biệt trường yếu) lực kháng từ - Thơng số quan trọng để nói lên tính chất từ mềm vật liệu từ mềm lực kháng từ (coercivity, thường ký hiệu H) Lực kháng từ từ trường ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ mẫu Lực kháng từ vật liệu từ mềm phải nhỏ cỡ 100 Oe Những vật liệu có tính từ mềm tốt, chí có lực kháng từ nhỏ (tới cỡ 0,01 Oe) - Độ từ thẩm ban đầu (intial permeability): Là thơng số quan trọng nói lên tính từ mềm vật liệu từ mềm Độ từ thẩm ban đầu định nghĩa công thức: i lim H 0 dB dH (5-16) Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến vài ngàn, vật liệu có tính từ mềm tốt đạt tới vài chục ngàn, chí hàng trăm ngàn Chú ý: Độ từ thẩm (permeability) đại lượng đặc trưng cho khả phản ứng vật liệu từ tác dụng từ trường 5.3.1.1 Sắt sắt cacbon Thành phần chủ yếu phần lớn vật liệu từ sắt (Fe) Sắt vật liệu từ mềm điển hình, tính chất từ phụ thuộc vào lượng tạp chất Trong số vật liệu sắt từ, sắt có từ cảm bão hòa lớn ( khoảng 2,2 Tesla) Sắt nguyên chất siêu có lượng cacbon khơng q 0,05% điều chế hai phương pháp: + Phương pháp điện phân + Phương pháp nhiệt luyện quặng - Sắt non: Sắt non sắt tinh khiết, có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối (body-centered cubic-bcc hay alpha-Fe) có độ cao, vật liệu sắt từ điển hình (chú ý bị chuyển thành cấu trúc lập phương tâm mặt khơng cịn từ tính) Sắt non có cảm ứng từ bão hồ đạt tới 2,23T nên sử dụng làm lõi nam châm điện Người ta tăng thêm từ độ lõi sắt nam châm điện cách tạo hợp kim Fe với Co hợp kim FeCo (Fe_{65}Co_{35}) tăng từ độ bão hồ tới 2,43T Tính chất sắt phụ thuộc khơng lượng tạp chất, mà cịn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, áp lực học - Sắt kỹ thuật: Thường chứa số lượng tạp chất khơng nhiều, gồm có cacbon, lưu huỳnh, mangan, Silic, nguyên tố khác làm giảm tính chất từ Do có điện trở suất thấp, sắt từ kỹ thuật sử dụng không nhiều - Tôn Silic: Thực chất hợp kim Fe Si (với Si chiếm khoảng 1-10% nguyên tử), chế tạo phương pháp luyện kim nóng chảy cảm ứng, nấu hồ quang để hoà tan Si Fe nóng chảy, sau đem cán nóng cán lạnh tạo thành thép tôn Silic Vật liệu sử dụng chủ yếu lõi biến (làm 132 lõi dẫn từ) sử dụng dòng điện có tần số thấp (khơng q vài trăm Hz) vật liệu mang kim loại có điện trở suất nhỏ, sử dụng tần số cao dẫn đến tổn hao Foucault lớn chí nóng chảy lõi hay bị phẩm chất vật liệu Việc pha tạp Si vào Fe nhằm làm tăng điện trở suất vật liệu, giảm bớt tổn hao Foucault Tuy nhiên dẫn đến việc thay đổi tính chất nội Fe Thép Silic kỹ thuật vật liệu từ mềm sử dụng rộng rãi Nhờ có Silic thành phần thép mà vật liệu có điện trở suất cao, giảm tổn thất dịng điện xóay Ngồi Silic có thép có khả loại bỏ cacbon dạng grafit khử oxy có thép liên kết hóa học với oxy tạo thành SiO (sỉ) bị loại bỏ Nhờ có đưa Si vào thép làm tăng hệ số từ thẩm khởi đầu μ H hệ số từ thẩm cực đại μ max, giảm bớt lực kháng từ Hc giảm tổn thất từ trễ Sự đóng góp Si làm tăng hệ số từ thẩm thép, giảm số dị hướng từ số từ giảo Ở thép có chứa 6,8% Si số dị hướng từ nhỏ ba lần so với sắt sạch, giá trị từ giảo khơng Trong trường hợp thép Si có hệ số từ thẩm cao Tuy nhiên kỹ thuật thành phần Si không vượt 5% điều giải thích Si làm giảm tính chất thép độ bền học, làm cho thép dễ gãy Loại thép không sử dụng để dập khuôn Ngồi tăng Si làm giảm từ cảm bão hịa, Si thành phần không dẫn từ Thép Si có tính dị hướng từ, tương tự sắt tức hướng từ hóa dễ trùng với hướng tinh thể, cịn hướng từ hóa khó trùng với đường chéo không gian ô Với vật liệu từ mềm gốc kim loại, người ta thường có cách xử lý ủ khí H2 nhằm khử tạp, tạo đồng tạo kích thước hạt lớn Đối với vật liệu từ mềm khối truyền thống, lực kháng từ H_c giảm theo kích thước hạt tinh thể tính chất tốt độ nguyên liệu cao Ví dụ hợp kim FeSi tăng kích thước hạt làm giảm đáng kể tổn hao lõi Thép kỹ thuật điện: Là hợp kim sắt Silic, chứa cacbon cán thành Chia làm loại: loại không hướng loại có hướng - Thép kỹ thuật điện khơng hướng: Có từ tính gần theo hướng phẳng Được sử dụng máy điện lớn nhỏ, máy biến áp Ngày chế tạo phương pháp cán nguội Hệ số từ thẩm, suất tổn hao thép kỹ thuật điện không hướng khơng phụ thuộc phụ thuộc vào góc hướng từ hóa hướng cán Thép có hướng có thay đổi rõ rệt Các tham số thường thấy: Tỉ lệ Silic đến 3,5% ; 0,5% Al Chiều dày 0,35 mm; 0,45mm; 0,635mm Thép kỹ thuật điện không hướng loại bán thành phẩm sử dụng trường hợp chế tạo sản phẩm với loạt lớn, có kích thước lõi từ nhỏ Hàm lượng Silic đến 3%; 0,5% Al, tỉ lệ C 0,05% phải giảm đến 0,005% sau ủ nhiệt, bề dày 0,47 đến 0,64 mm - Thép kỹ thuật điện có hướng: Từ thơng chảy theo chiều cán thép, sử dụng máy biến công suất lớn Chiều dày 0,23 ; 0,27 ; 0,3 ; 0,35 mm Tỉ lệ Si 3,5%, đường kính hạt mm Loại có suất tổn hao nhỏ từ cảm lớn thường có tỉ lệ Si 2,5% đường kính hạt 8mm (thường ta phải cách điện bề mặt thép để hạn chế tổn hao lõi thép) 133 5.3.1.2 Hợp kim kháng từ thấp Permalloy: Là hợp kim sắt- nikel có độ từ thẩm cao vùng trường yếu có lực kháng từ nhỏ Permalloy chia loại cao loại thấp nikel Cao chứa 72% - 80% Ni cịn thấp chứa 40% - 50% Ni hệ số từ thẩm khởi đầu μ H hệ số từ thẩm cực đại μ max đạt cực đại hợp kim chứa 78,5% Ni Hợp kim dễ từ hóa trường yếu khơng tồn dị hướng từ tượng từ giảo Do có dị hướng yếu nên mơmen từ dễ dàng xoay từ hướng dễ từ hóa theo hướng trường, nhờ khơng tồn từ giảo nên từ hóa không xuất ứng suất học làm giảm dịch chuyển biên giới domen tác động trường yếu Tính chất từ permalloy nhạy cảm với lực tác động học bên ngoài, phụ thuộc vào thành phần hóa học, lượng tạp chất có hợp kim thay đổi mạnh vào chế độ gia nhiệt vật liệu - Hợp kim Permalloy vật liệu sắt từ mềm cao cấp có độ từ thẩm cao, có tính dẻo tốt, khả chịu mài mòn chống ăn mòn cao, từ độ bão hồ khơng cao Độ từ thẩm ban đầu Permalloy đạt tới 10000 lần, độ từ thẩm cực đại đạt tới 600000 có lực kháng từ nhỏ tới 0,01Oe Tuy nhiên, tính chất permalloy có điện trở suất thấp cảm ứng từ bão hồ khơng cao nên khơng sử dụng ứng dụng cao tần Permalloy sử dụng nhiều màng mỏng spintronics, biến có chất lượng cao, hay lõi dẫn từ, stator động cơ, máy phát điện Tính chất permalloy phụ thuộc mạnh vào tỉ số Fe Ni vật liệu Để tạo nên hợp kim có tính chất cần thiết thành phần hợp kim có thêm phụ gia Molipđen, Crom chúng làm tăng điện trở suất hệ số từ thẩm khởi đầu làm giảm ảnh hưởng lực học, nhiên làm giảm từ cảm bão hòa Đồng làm tăng μ khoảng hẹp, tăng độ ổn định nhiệt điện trở suất đồng thời gia công dễ dàng hơn, Silic Mangan làm tăng điện trở suất Alsifer: Là hợp kim ba thành phần sắt, Silic nhơm 9,5% Si, 5,6% Al, cịn lại sắt, loại hợp kim có độ cứng giịn Tính chất Alsifer sau: μ = 35400; μmax = 117000; Hc = 1,8A/m; ρ= 0,8μΩ.m Nó có tính chất khơng thua permalloy cao Nikel Các sản phẩm chế từ Alsifer - từ, thân dụng cụ v.v… chế tạo phương pháp đúc với thành chi tiết khơng mỏng 2mm - 3mm hợp kim giòn Điều làm hạn chế nhiều sử dụng vật liệu alsifer Do tính giịn alsifer nghiền nhỏ thành bột dùng với sắt cacbon để sản xuất lõi ép cao tần 5.3.2 Vật liệu từ mềm từ trường thay đổi có tần số cao Vật liệu từ dùng cuộn kháng, biến áp cuộn cảm, khí cụ đóng ngắt lựa chọn sở giá trò từ cảm, hệ số từ thẩm, tổn hao tần số sử dụng Khống chế dịng điện xốy có tầm quan trọng hàng đầu, nhằm để giảm tổn hao giảm thiểu hiệu ứng dịng điện xốy, chống nhiễu gây u cầu thực việc sử dụng hợp kim có hệ số từ thẩm cao dạng băng mỏng cuộn thành lõi hay dạng bột hợp kim sắt bọc cách điện, ép thành lõi dùng lõi ferit Băng từ mỏng sử dụng với tần số làm việc từ 400Hz đến 20 kHz Thiết bị điều hịa cơng suất thường làm việc tần số 10 kHz cao 134 Vật liệu từ sử dụng bột hợp kim sắt ép thành lõi ferit Tổn hao thông số quan trọng yếu đặc biệt sử dụng tần số cao Những thông số cần xem xét khác nhiệt độ môi trường, thông số vật lý khác tác dụng lên phần tử từ + Hợp kim sắt - niken 3%: Sử dụng tần số cao, chế tạo thành băng mỏng có cách điện dày 0,025 đến 0,15 mm bề mặt, có μ cao, suất tổn hao nhỏ từ cảm tương đối thấp Giống băng từ mềm loại hợp kim khác, hợp kim dùng để chế tạo lõi thép ghép phương pháp khác bao gồm: Cuộn băng để làm lõi hình xuyến, chữ C chữ E Dập cắt theo chiều dọc thép để làm lõi biến áp Lá thép dập sẵn có hình chữ E, I, F, L … để làm lõi biến áp + Băng hợp kim niken: Có μ cao, dày từ 0,0032 đến 0,15 mm sử dụng tần số 0,1 đến 100kHz Những băng mỏng 0,0254 mm thường quấn lõi thép không gỉ gốm sứ để làm cứng vững cuộn băng để giữ từ tính ổn định Ví dụ: Mo permalloy, supermalloy, Fe- No 48 … Thường μ giảm tần số tăng tính chất chung vật liệu từ Những hợp kim dùng làm lõi cho máy biến dòng, biến áp chỉnh lưu - nghịch lưu, biến áp xung công suất lớn, đầu từ … băng từ mỏng 0,0254 mm dùng mạch định giờ, nghịch lưu tần số cao, nhớ số, biến áp xung, từ kế + Những loại băng từ khác: Permendur (30 đến 50% coban), permendur vanadi (49% Co, 2% V) hợp kim vơ định hình Permendur có từ cảm lớn (236 G) cán thành băng dày 0,0254 mm, dùng chế tạo đầu ghi từ, permendur vanadi dùng làm lõi cuộn cho máy biến áp địi hỏi phải có kích thước nhỏ trọng lượng nhỏ dùng tần số kHz phát triển tính chất từ giảo cao vật liệu cách ủ nhiệt để dùng làm cảm biến Vật liệu gốm Ferite (MeO.Fe2O3): Là dạng hợp chất tạo từ hỗn hợp ôxit Fe (Fe2O3) với ôxit kim loại khác mang hóa trị (MeO) Về mặt chất, ferrite nhóm vật liệu ferri từ, có nghĩa cấu trúc gồm phân mạng có spin đối song song với nhau, khơng bù trừ hồn tồn Các ferrite từ mềm điển hình MnZnFe2O4, ferite Cd, ferriteNiMnFe2O4 Điểm mạnh ferrite có điện trở suất cao (chúng có tính dẫn bán dẫn có chất gốm) nên sử dụng ứng dụng sử dụng tần số ao (ta biết điện trở suất lớn làm giảm tổn hao xốy nhiều Hình 5-12 ảnh chụp lõi ferrite cuộn cảm sử dụng tần số cao (dẫn sóng, tách sóng) Thậm chí ứng dụng siêu cao tần, khơng có vật liệu thay ferrite Một ưu điểm khác ferrite công nghệ chế tạo đơn giản độ bền cực cao Phương pháp phổ biến để chế tạo ferrite nghiền trộn oxit theo hợp thức, trộn keo kết dính, ép định hình nung thiêu kết mơi trường khơng khí Giá thành sản phẩm giá thành sản xuất ferrite thấp Ferrit mangan kẽm thường bán thị trường dùng tần số 1,5 MHz Ferrit niken kẽm dùng chủ yếu lọc có tần số làm việc 1,5 MHz Chúng giống với vật liệu gốm cơng nghệ chế tạo tính chất vật lý, có điện trở suất tương đương với chất bán dẫn lớn (1triệu lần) so với kim loại, μ =10000, điểm Quiri thấp (100 đến 3000C), từ cảm bão hòa nhỏ 135 (