Quy trình thiết kế mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) sử dụng bán thành phẩm

Quy trình thiết kế mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) sử dụng bán thành phẩm

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

I Định nghĩa

Vật liệu dẫn điện là loại vật liệu ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do Nếu đặt những vật liệu này trong điện trường các điện tích sẽ chuyển động theo hướng xác định và tạo thành dòng điện

II Phân loại

Vật liệu dẫn điện được chia thành hai loại:

- Vật dẫn với tính dẫn điện tử

- Vật dẫn với tính dẫn ion

1 Vật dẫn với tính dẫn điện tử, bao gồm các kim loại ở trạng thái rắn hoặc lỏng, hợp kim và một số phi kim loại Sự hoạt động của các điện tích không làm biến đổi cấu trúc vật liệu

2 Vật dẫn với tính dẫn ion, bao gồm các dung dịch có cơ sở là nước như axit, bazơ, muối; một số ở dạng rắn như AgI Khi dòng điện đi qua sẽ gây ra biến đổi hoá học

Trong cường độ điện trường mạnh chất khí vừa có tính dẫn điện tử, vừa có tính dẫn ion

III Các đặc tính của vật liệu dẫn điện

1 Điện trở (R) là quan hệ giữa hiệu điện thế đặt ở hai đầu dây dẫn và cường độ dòng điện một chiều chạy trong dây dẫn đó

R = ρ

sl

ρ - điện trở suất (Ωmm2/m) S - tiết diện dây dẫn (mm2)

Điện dẫn (G) là đại lượng nghịch đảo của điện trở

G =

R1

Đơn vị của điện dẫn: S (siemen)

2 Điện trở suất (ρρρρ) là điện trở của dây dẫn có chiều dài là một đơn vị chiều dài và tiết diện là một đơn vị diện tích

Đơn vị của điện trở suất: Ωm (MKSA); Ωcm (CGS); Ωmm2/m (thường dùng trong kỹ thuật)

Điện dẫn suất (γγγγ) là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất

γ =

ρ

1

Đơn vị của điện dẫn suất: 1/Ωm (MKSA); 1/Ωcm (CGS); m/Ωmm2

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất:

- Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ (ααα)

Điện trở suất của kim loại và nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ; điện trở suất của cacbon và dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức:

ρt = ρ0(1 + αt)

ρt - điện trở suất ở nhiệt độ t

ρ0 - điện trở suất ở 200C

Hệ số α gần như giống nhau đối với các kim loại tinh khiết, α ≈ 4.10-31/0C

- Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ (k)

Khi kéo hoặc nén đàn hồi, điện trở suất của kim loại biến đổi theo công thức:

ρt = ρ0(1 ± kt)

Dấu "+" ứng với biến dạng do kéo

Dấu "-" ứng với biến dạng do nén

- Ảnh hưởng của từ trường và ánh sáng

Thực nghiệm cho thấy điện trở suất thay đổi khi kim loại đặt trong từ trường, hoặc một số vật liệu khi bị chiếu sáng

IV Tính dẫn điện, cách điện của vật liệu

1 Tính dẫn điện của kim loại

Trong kim loại và hợp kim có một số lớn các electron tự do Các electron tự do nằm trong không gian giữa các nút mạng tinh thể Cũng như các nguyên tử của nút mạng, chúng dao động hỗn loạn, tốc độ của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Khi không có điện trường ngoài tác dụng thì sự phân bố tốc độ của các electron mọi hướng có xác suất như nhau cho nên không có dòng điện Khi có điện trường ngoài, mỗi electron chịu tác dụng bởi một lực F = Eq và các electron chuyển động theo chiều ngược với chiều của điện trường ngoài

2 Tính dẫn điện của chất bán dẫn

Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiều các yếu tố khác nhau, ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành và tái hợp các hạt mang điện tích tự do: sự thay đổi nhiệt độ, tác động của bức xạ, sự thay đổi cường độ điện trường

Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm, vật liệu có hệ số nhiệt điện trở âm Mật độ dòng điện trong chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của tạp chất Chẳng hạn, chất bán dẫn nền Si pha thêm P ta được chất bán dẫn loại N, pha thêm B ta được chất bán dẫn loại P

3 Tính dẫn điện trong chất điện môi rắn

Quá trình dẫn điện trong chất điện môi rắn chính là sự chuyển động của những ion điện môi hoặc của những tạp chất ngẫu nhiên, hay một số điện môi có các electron tự do

Trong vật chất rắn có cấu trúc ion, tính dẫn điện chủ yếu là sự chuyển dịch của các ion được giải phóng do hiện tượng dao động nhiệt Ở nhiệt độ thấp là sự chuyển động của các ion liên kết yếu và một phần của ion tạp chất Ở nhiệt độ cao chúng được giải phóng bởi một số ion ở nút lưới tinh thể

Trong chất điện môi có lưới nguyên tử hoặc phân tử, tính dẫn điện chỉ bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của tạp chất, điện dẫn suất của chúng rất nhỏ

4 Tính dẫn điện mặt của điện môi rắn

Tính dẫn điện mặt của điện môi rắn phụ thuộc bản chất bề mặt điện môi và điều kiện làm việc: độ ẩm, bụi bẩn Độ bám của nước lên bền mặt điện môi phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, môi trường điện môi làm việc Điện dẫn suất của lớp vật chất bề mặt tăng lên rất nhanh khi độ ẩm tương đối lớn hơn 70 - 80%

5 Tính dẫn điện của chất khí

Việc nghiên cứu tính dẫn điện của chất khí là rất quan trọng bởi vì bất kỳ thiết bị điện nào cũng đặt trong môi trường không khí

Tất cả các chất khí đều là điện môi Ở điện trường thấp, điện dẫn suất của chất khí có giá trị rất nhỏ Quá trình dẫn điện trong chất khí là do trong đó có một số ít các hạt mang điện Trong điều kiện bình thường mật độ của các hạt mang điện nhỏ hơn 1013hạt/m3

Chất khí được sử dụng trong các thiết bị điện cần thỏa mãn các yêu cầu: điện dẫn suất nhỏ, tổn hao điện môi thấp, độ bền cách điện cao, giá thành rẻ

6 Tính dẫn điện của chất lỏng

Tính dẫn điện của chất lỏng có liên quan mật thiết với cấu tạo phân tử chất lỏng

Tính dẫn điện của chất lỏng không có cực phụ thuộc vào hàm lượng tạp chất, trong đó có độ ẩm

Tính dẫn điện của chất lỏng có cực không những phụ thuộc vào tạp chất mà còn phụ thuộc vào sự phân ly của các phân tử chất lỏng Dòng điện trong chất lỏng có thể là sự chuyển động của các ion hoặc sự chuyển động tương đối của các hạt keo lớn Do không loại bỏ được hoàn toàn tạp chất có trong chất lỏng, cho nên để tạo ra được chất cách điện lỏng có tính dẫn điện thấp rất khó khăn

Chương 2

VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI

I Điện môi (vật liệu cách điện)

Điện môi (vật liệu cách điện) là những chất không dẫn điện Khác với kim loại và chất điện phân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do

Có ba cách phân loại vật liệu cách điện:

- Theo trạng thái vật lý: rắn, lỏng và khí Vật liệu cách điện thể rắn còn được phân loại thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng Giữa vật liệu cách điện thể rắn và thể lỏng còn có thể mềm nhão

- Theo thành phần hoá học: vật liệu cách điện hữu cơ, vật liệu cách điện vô cơ

- Theo cấp chịu nhiệt: Y (900C), A (1050C), E (1200C), B (1300C), F (1550C), H (1800C), C (> 1800C)

II Tính dẫn điện của điện môi

Tuỳ theo sự phân bố electron xung quanh hạt nhân, người ta phân biệt hai loại phân tử điện môi: phân tử không phân cực và phân tử phân cực

- Phân tử không phân cực là loại phân tử có phân bố electron đối xứng xung quanh hạt nhân Khi chưa đặt trong điện trường trọng tâm của điện tích dương và điện tích âm trùng nhau, chẳng hạn H2, N2, CCl4, hydro cacbon

- Phân tử phân cực là loại phân tử có phân bố electron không đối xứng xung quanh hạt nhân Khi chưa đặt trong điện trường trọng tâm của điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, chẳng hạn H2O, NH3, HCl, CH3Cl

Ở trạng thái bình thường các phân tử điện môi trung hoà về điện, các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do, cho nên nó không có tính dẫn điện Tuy nhiên khi đặt trong điện trường thì điện trường và điện môi đều có những biến đổi cơ bản

III Phân cực điện môi

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi đưa thanh điện môi đồng chất và đẳng hướng (BC) vào trong điện trường của vật mang điện (A) thì trên các mặt giới hạn đối diện sẽ xuất hiện điện tích trái dấu (hình 6)

Hiện tượng trên thanh điện môi đặt trong điện trường có xuất hiện điện tích gọi là hiện tượng phân cực điện môi Trong hiện tượng phân cực điện môi không thể tách riêng các điện tích cho nên trên thanh điện môi điện tích xuất hiện ở đâu thì sẽ định xứ ở đó, gọi là điện tích liên kết Các điện tích liên kết sẽ tạo ra điện trường phụ E→' làm cho điện trường ban đầu E0

→

, do chuyển động nhiệt các lưỡng cực phân tử sắp xếp hỗn loạn, các điện tích trái dấu của lưỡng cực phân tử trung hoà nhau Khi đặt điện môi trong điện trường E0

→

, các lưỡng cực phân tử sắp xếp có trật tự sao cho cùng phương với E0

→

Khi đó trong lòng điện môi các điện tích trái dấu vẫn trung hoà nhau, còn trên các mặt giới hạn đối diện mới xuất hiện điện tích trái dấu

IV Tổn hao điện môi

Xét một tụ điện, lớp cách điện có hằng số điện môi ε, điện dung C, được mắc vào nguồn điện xoay chiều có tần số ω, điện áp U Dòng điện nạp điện cho tụ điện (I) có hai thành phần (hình 7):

A + - B C +

hình 6 Phân cực điện môi

- Dòng điện nạp điện thực sự (IC) nhanh pha hơn 900 so với điện áp, mang tính chất điện dung: IC = ωCU

- Dòng điện gây tổn hao (IR) làm nóng điện môi, cùng pha với điện áp

R

I +

2 C

I ; IR = I sinδ (δ - góc tổn hao)

Suy ra: IR = IC tgδ = ωCU tgδ

Tổn hao điện môi: Pd = UIR = ωCU2 tgδ

V Tính chất cơ - lý - hoá của điện môi

1 Điện trường

Khi tăng điện áp lớn hơn trị số đặc trưng của vật liệu cách điện và kết cấu hình học của điện cực thì sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện, có thể chia thành hai trường hợp sau (hình 8):

- Đánh thủng toàn phần hoặc một phần bên trong vật liệu cách điện: cách điện không chịu nổi điện áp, ở một hoặc nhiều chỗ có điện tích chạy từ điện cực này sang điện cực kia xuyên qua cách điện

- Phóng điện bề mặt: khi điện áp đánh thủng của cách điện lớn, tăng điện áp đến một giá trị nào đó thì sẽ có hiện tượng phóng điện ở bề mặt tiếp giáp của tấm cách điện

Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng, vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng chỉ bị xuyên thủng trong giây lát, còn vật liệu cách điện thể rắn bị xuyên thủng vĩnh viễn Phóng điện bề mặt có thể làm mủn, rạn nứt bề mặt cách điện

Điện áp làm cho cách điện có bề dày nhất định bị đánh thủng gọi là điện áp đánh thủng (UBR)

Điện áp gây ra sự phóng điện bề mặt gọi là điện áp phóng điện bề mặt (UBF)

Điều kiện làm việc của cách điện: U < UBF < UBR

aBR =

U

UBR hệ số an toàn đối với đánh thủng

aBF =

U

U

BF hệ số an toàn đối với phóng điện bề mặt

Phụ tải điện của cách điện là điện áp tính trên một đơn vị bề dày cách điện theo phương của điện trường, có đơn vị V/cm hoặc kV/cm

Độ bền cách điện là điện áp đánh thủng tính trên một đơn vị bề dày cách điện đặt trong điện trường đồng nhất, có đơn vị kV/cm hoặc kV/mm

Hằng số điện môi (ε) phụ thuộc vào tính chất của môi trường Cường độ điện trường trong điện môi giảm đi ε lần so với cường độ điện trường trong chân không

2 Bề mặt tiếp giáp

Khi có điện áp đặt lên cách điện thì sẽ có một thành phần điện trường song song với bề mặt tiếp giáp của cách điện (tiếp giáp giữa chất rắn và chất khí, chất rắn và chất lỏng, chất lỏng và chất khí) Thực tế cho thấy rằng dọc theo bề mặt tiếp giáp có một lớp tiếp giáp có bề dày nhất định mà tính chất của nó khác với tính chất của hai điện môi tiếp giáp với nhau qua lớp này Tính chất dẫn điện của bề mặt tiếp giáp phụ thuộc vào tính dẫn điện của lớp bẩn đóng trên bề mặt

3 Sự hoá già của vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện chủ yếu là vật liệu hữu cơ, sau một thời gian vận hành sẽ bị hoá già hay lão hoá, đến mức không có khả năng cách điện được nữa

Quá trình hoá già thực chất là kết quả của sự biến đổi cấu trúc của vật liệu xảy ra nhanh hoặc chậm do điều kiện vận hành tác động Tất cả những yếu tố nào ảnh hưởng đến những phản ứng hoá học xảy ra trong vật liệu cách điện đều có tác động đến sự hoá già của vật liệu cách điện, chẳng hạn như:

- Nhiệt độ cao

- Tác dụng cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành

- Tác dụng hoá học: sự oxy hoá, sự trùng hợp, sự khử trùng hợp, sự thuỷ phân, sự bay hơi

VI Tính chất của vật liệu cách điện

1 Tính chất của vật liệu cách điện thể khí

- Hằng số điện môi ε ≈ 1

- Điện trở cách điện rất lớn và phụ thuộc điện áp

- Hệ số tổn hao (tgδ) phụ thuộc điện áp

- Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, các thông số hình học của điện cực, thời gian tác dụng của điện áp

2 Tính chất của vật liệu cách điện thể lỏng

Vật liệu cách điện thể lỏng thường dùng trong máy biến áp, khí cụ điện đóng ngắt, chẳng hạn dầu biến thế

Ưu điểm:

- Có độ bền cách điện cao (160kV/cm)

- Hằng số điện môi ε = 2,2 - 2,3

- Sau khi bị đánh thủng, có khả năng phục hồi cách điện

- Có thể thâm nhập vào các rãnh hẹp; vừa cách điện, vừa có tác dụng làm mát

- Sử dụng làm môi trường dập tắt hồ quang điện ở máy cắt điện

- Dễ cháy, hơi dầu nóng có lẫn không khí sẽ tạo thành hỗn hợp nổ

Các tính chất:

- Có độ bền cách điện cao (200 - 250kV/cm) Chất bẩn và độ ẩm làm giảm độ bền cách điện

- Hằng số điện môi ε = 2,2 - 2,5

- Điện trở suất ρ = 1014 - 1016Ωcm, giảm nhanh khi nhiệt độ tăng

- Khả năng bảo tồn khí: khi tiếp xúc với không khí dầu hấp thụ không khí nhiều hơn (do không khí bị ion hóa bởi tác dụng của điện trường) so với lượng không khí của dầu thải ra Lượng không khí được hấp thụ sẽ lấp đầy các lỗ bọt, làm tăng khả năng cách điện

3 Tính chất của vật liệu cách điện thể rắn

- Độ bền cách điện cao

- Hằng số điện môi lớn

- Khả năng tản nhiệt kém

- Hầu hết đều có khả năng chống ẩm (trừ giấy, vải có nguồn gốc xơ thực vật)

- Một số vật kiệu có khả năng chịu axit, khó bị oxy hóa, lâu hoá già a) Vật liệu cách điện dạng sợi

- Sợi bông axetanhydrit hay cotopa có tính hút ẩm bằng một nửa sợi bông thường, có khả năng chịu nhiệt và cách điện tốt hơn; dùng làm cách điện cuộn dây biến thế, cách điện dây dẫn ở các trung tâm điện thoại

- Sợi poliamit (có hai loại: sợi nylon và sợi perlon) chịu axit, bazơ; không

bị oxi hoá; có thể chịu đến nhiệt độ 120 - 1500C; có cơ tính tốt, bền, dẽo, chịu

ma sát; dùng làm cách điện cho cáp điện

- Sợi thuỷ tinh có độ bền cách điện cao; có tính trơn láng thường sử dụng với nhựa silicon, nhựa teflon; dùng làm cách điện cho các cuộn dây

b) Giấy và các chế phẩm từ giấy

Có nhiều loại giấy như giấy xenlulo, phíp, amiăng, giấy ép tẩm nhựa; dùng làm cách điện cho tụ điện

c) Cánh kiến, mica

- Cánh kiến (có hai loại: muxcovit - K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O và flogopit -

K2O.3Al2O3.13SiO2.2H2O) có tính chịu dầu tốt nhưng chịu axit kém hơn; khả năng dẫn nhiệt kém; có điện áp đánh thủng cao và hoàn toàn chịu được phóng điện bề mặt

- Mica là những miếng cánh kiến có diện tích 10 - 60cm2, bề dày 0,006 - 0,1mm Tính chất của mica phụ thuộc vào thành phần hợp chất của cánh kiến và chất keo kết dính Mica dùng làm cách điện cổ góp, cách điện cuộn dây trong máy điện, cách điện ở các điện trở đốt nóng

- Micalex được làm từ bột cánh kiến trộn với bột thuỷ tinh, nén dưới áp lực lớn trong khuôn thép Micalex dùng làm buồng dập hồ quang điện trong máy cắt, vỏ phích cắm ở bếp điện, các tấm đệm chịu được dao động

d) Vật liệu gốm sứ

Sứ được chế tạo từ cao lanh - Al2O3.2SiO2.2H2O, fenspat

-Al2O3.6SiO2.2K2O hoặc Al2O3.6SiO2.Na2O, thạch anh - SiO2 Steatit 3MgO.4SiO2.H2O hoặc 4MgO.5SiO2.H2O Sứ và steatit được sử dụng ở cao thế, ống cách điện trong máy cắt, đế cách điện cho tháp anten, chi tiết cách điện và đỡ cho các phần tử đốt nóng, buồng dập hồ quang, tấm ngăn hồ quang

e) Thuỷ tinh

- Vải thuỷ tinh có tính chịu nhiệt cao; độ bền đứt lớn hơn vải bông nhiều lần; không hút ẩm; có khả năng chịu dầu, axit, bazơ; không bị mục; không hoá già; có độ bền cách điện cao Vải thuỷ tinh dùng làm cách điện stato, động cơ điện sử dụng ở chỗ nóng, khí cụ điện làm việc ở nhiệt độ cao

- Amiăng là chất cách điện có tính chịu nhiệt cao Sợi amiăng mịn, dễ uốn, có thể tách thành sợi nhỏ hoặc bện thành sợi to, ép thành tấm Giấy amiăng quintera chịu được axit, bazơ, dầu; có khả năng chống ẩm dùng làm cách điện cuộn dây biến thế khô Giấy mica amiăng làm bằng mica dán trên giấy amiăng có tính chịu nhiệt và cách điện cao dùng làm cách điện cho cuộn dây điện trở, phần tử đốt nóng Ximăng amiăng được ép thành tấm có cơ tính tốt; có khả năng chịu nhiệt dùng làm buồng dập hồ quang trong máy cắt, tấm ngăn ở bộ khống chế hình trống

f) Cao su tổng hợp

Bao gồm butadien, polycloropen, polyizobutilen, thiocol Cao su tổng hợp có tính đàn hồi cao, không thấm nước, dễ uốn cong dùng làm cách điện ở dây dẫn điện, dây cáp điện ngầm, động cơ điện của dụng cụ cầm tay, dụng cụ gia dụng

g) Nhựa

Nhựa có trạng thái trung gian giữa vật liệu cách điện thể lỏng và thể rắn dùng làm cách điện ở đầu cáp điện, vỏ bọc cho ống nối; làm đầy hoàn toàn lỗ rỗng để chống sự xâm nhập của không khí và hơi ẩm

h) Nhựa tổng hợp

- Nhựa nhiệt cứng: khi được làm nóng thì lúc đầu mềm, sau đó hoá cứng, bao gồm nhựa phenol-focmandehit, nhựa phenol-focmandehit có độn vải sợi, nhựa cacbamit-focmandehit, nhựa polyeste, nhựa epoxi dùng làm khung cuộn dây, vỏ cách điện, buồng dập hồ quang điện, làm đầy lỗ trống; bảo vệ dây cáp điện, các chi tiết của thiết bị vô tuyến ở máy bay

- Nhựa nhiệt mềm: khi bị làm nóng thì hoá mềm, có thể ép thành tấm mỏng

i) Sơn tẩm

Bao gồm nhựa xenlulo nitrat, xenlulo axetat, sellac, polistyren, polivinyl axetat dùng làm vỏ bọc cách điện cho dây quấn của cuộn dây máy điện, làm đầy lỗ rỗng chống sự xâm nhập của không khí và hơi ẩm, đúc cuộn dây

II Chất bán dẫn tinh khiết

Nguyên tử Si có 3 lớp electron, lớp ngoài cùng có 4 electron Trong tinh thể chúng liên kết với nhau tạo thành lớp ngoài cùng có 8 electron, do có những electron dùng chung (hình 5) Các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân, bền vững cho nên trong chất bán dẫn Si tinh khiết không có các electron tự do và khi đặt trong điện trường hầu như không dẫn điện Khi chiếu ánh sáng hoặc đốt nóng chất bán dẫn tinh khiết, một số electron có thể bị bứt ra khỏi nguyên tử và để lại lỗ trống, lúc này mật độ electron bằng mật độ lỗ trống

III Chất bán dẫn loại N (negative)

Khi thêm một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc nhóm V trong bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hoá học (chẳng hạn P, Sb) ta được chất bán dẫn loại N Trong tinh thể các nguyên tử P liên kết với các nguyên tử Si bên cạnh tạo thành lớp ngoài cùng có 9 electron, sẽ thừa 1 electron (so với lớp ngoài cùng của nguyên tử Si có 8 electron bền vững) Các electron thừa này có liên kết yếu

e

: :

: :

hình 5b Chất bán dẫn loại

P (positive)

với hạt nhân, dễ dàng trở thành hạt mang điện tự do và khi đặt trong điện trường chúng đóng vai trò dẫn điện

Trong chất bán dẫn loại N phần tử tải điện đa số là electron, còn phần tử tải điện thiểu số là lỗ trống, do chất bán dẫn nền (Si) và việc pha tạp chất là không thuần khiết

IV Chất bán dẫn loại P (positive)

Khi thêm một lượng nhỏ các nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố hoá học (chẳng hạn B, Ga, Al) ta được chất bán dẫn loại P Trong tinh thể các nguyên tử B liên kết với các nguyên tử Si bên cạnh tạo thành lớp ngoài cùng có 7 electron, sẽ thiếu 1 electron (so với lớp ngoài cùng của nguyên tử Si có 8 electron bền vững) Chỗ thiếu electron này giống như lỗ trống (h+) có khuynh hướng nhận electron và khi đặt trong điện trường do sự dịch chuyển của các electron từ nguyên tử này sang nguyên tử bên cạnh mà các lỗ trống có chuyển động biểu kiến, đóng vai trò dẫn điện

Trong chất bán dẫn loại P phần tử tải điện đa số là lỗ trống, còn phần tử tải điện thiểu số là electron, do chất bán dẫn nền (Si) và việc pha tạp chất là không thuần khiết

V Một số chất bán dẫn chính thường dùng trong kỹ thuật điện

1 Cacbon (C)

Cacbon được tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng kim cương, graphic và cacbon vô định hình Kim cương, graphic thu được từ các mỏ tự nhiên; graphic có thể thu được từ antraxit, than cốc; cacbon vô định hình thu được từ đen của khói, than cốc, than bùn

Cacbon có hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ là âm Kim cương có điện trở suất ρ = 4,14.1014Ωcm là vật liệu cách điện; graphic có điện trở suất ρ = 0,00283Ωcm là vật liệu dẫn điện tốt; cacbon vô định hình có điện trở suất ρ = 4Ωcm

Cacbon dùng để chế tạo số lượng khá lớn các sản phẩm trong kỹ thuật điện như điện cực cacbon, chổi than, tiếp điểm điện, dây tóc bóng đèn, điện trở bằng cacbon, điện trở bằng cacbua silic

- Điện cực cacbon được sử dụng trong điện phân, lò điện hồ quang, lò điện trở, hàn bằng hồ quang điện, đèn hồ quang

- Chổi than dùng làm vành tiếp xúc với cổ góp của máy điện

- Cacbon có tính dẻo khá lớn, có sức bền cơ học cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt; có tính bôi trơn; không nóng chảy, không bị hàn dính, không tạo lỗ xốp khi có hồ quang điện thường dùng làm tiếp điểm điện

- Dây tóc bóng đèn bằng cacbon ít được dùng vì dễ bay hơi và phải rất mảnh nên dễ đứt, tuổi thọ ít (300 - 400 giờ)

2 Giecmani (Ge)

Giecmani được tìm thấy trong thiên nhiên dưới dạng quặng acgirodit - GeS2.4Ag2S, cafindit - 4Ag2(GeSn)S2, giecmanit - Cu3.4GeS, quặng kẽm, cặn hắc ín Giecmani thu được bằng cách khử oxy của GeO2, GeS2 bằng C, H hoặc Mg; điện phân muối (GeFe)K2 nóng chảy hay hoà tan GeS2 trong criolit

Giecmani là một kim loại có màu xám tro sáng; trong một khoảng nhiệt độ nhất định hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ là âm; không bị oxit hoá trong không khí và không bị phân huỷ bởi nước; hoà tan chậm trong bazơ

Giecmani dùng để chế tạo các linh kiện điện tử trong bộ tách sóng, bộ chỉnh lưu phẳng, bộ khuếch đại

3 Silic (Si)

Silic là nguyên tố rất phổ biến trong thiên nhiên (28% khối lượng vỏ trái đất) được tìm thấy dưới dạng oxit silic - SiO2, silicat Silic thu được bằng phương pháp tổng hợp trong lò điện một hỗn hợp gồm cát thạch anh + than cốc hoặc cát thạch anh + CaC2 Silic tồn tại dưới hai dạng: tinh thể và vô định hình

Silic tinh thể có màu xám tro giống như thép, dễ bị vỡ vụn, không tan trong axit Silic vô định hình khó bị oxit hoá trong không khí nhưng rất dễ cháy ở nhiệt độ 700 - 8000C

Silic dùng để chế tạo các linh kiện điện tử trong bộ tách sóng, máy khuếch đại; dùng làm chất khử oxy trong luyện kim Trong hợp kim của sắt (4%Si) dùng làm các tấm thép trong lõi máy biến áp và một số hợp kim khác của sắt dùng làm thép công cụ, thép trong xây dựng, vật liệu chịu lửa Cacbua silic với vật liệu gốm dùng làm điện trở

Selen dùng để chế tạo tế bào quang điện, bộ phận chỉnh lưu, diode để tách dòng điện có tần số cao

II Cấu tạo của kim loại và hợp kim

1 Cấu tạo nguyên tử

Nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm: hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân đó Hạt nhân gồm có: proton và neutron

Ở trạng thái bình thường nguyên tử trung hoà về điện, số lượng electron và proton của mỗi nguyên tử bằng nhau Đối với kim loại, vỏ ngoài cùng có 1 - 2 electron dễ bị bứt ra khỏi nguyên tử và tạo thành các electron tự do và ion dương Các electron tự do này là nguyên nhân tạo nên tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và tính dẻo dai của kim loại

2 Cấu tạo tinh thể

Ở trạng thái rắn, các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự nhất định, gọi là mạng tinh thể Phần nhỏ nhất đặc trưng cho một loại mạng tinh thể gọi là ô cơ bản Mạng tinh thể bao gồm nhiều ô cơ bản sắp xếp liên tiếp nhau Thông thường mạng tinh thể được đặc trưng bằng ô cơ bản của nó

Các kiểu mạng tinh thể của kim loại: lập phương thể tâm, lập phương diện tâm và lục phương dày đặc

a) Lập phương thể tâm: ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử (hình 1) Khoảng cách giữa hai tâm nguyên tử kề nhau gọi là thông số mạng (đơn vị là Å) Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này, bao gồm Fe, Cr, W,

Mo, V

b) Lập phương diện tâm: ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương (hình 2) Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này, bao gồm Fe - γ, Cu, Ni,

Hình 1 Ô cơ bản kiểu lập

phương thể tâm

Hình 2 Ô cơ bản kiểu lập phương diện tâm

Hình 3 Ô cơ bản kiểu lục

phương dày đặc

Hình 4 Ô cơ bản kiểu lập phương chính tâm

Ngoài ra còn có kiểu mạng chính phương thể tâm, chỉ khác với kiểu mạng lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản của nó có một cạnh không bằng hai cạnh kia (hình 4)

3 Tính thù hình của kim loại

Cấu trúc mạng tinh thể của kim loại có thể bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi (ở nhiệt độ nhất định có sự hình thành những trung tâm kết tinh mới và tạo nên cấu trúc mạng tinh thể mới) Khả năng thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của kim loại gọi là tính thù hình của kim loại

Fe, Sn, Ti, Co là các kim loại có sự thay đổi thù hình Cu, Al không có sự thay đổi thù hình

4 Cấu tạo của hợp kim

Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều kim loại, có tính chất như kim loại Một số hợp kim có thành phần là các nguyên tố á kim, chẳng hạn thép là hợp kim của Fe và C Có thể chế tạo hợp kim bằng cách nấu chảy, điện phân, thiêu kết

III Tính chất của kim loại và hợp kim

1 Tính chất vật lý

- Vẻ sáng mặt ngoài: dựa vào vẻ sáng mặt ngoài có thể chia thành kim loại đen và kim loại màu Kim loại đen gồm các hợp kim của sắt (gang, thép), kim loại màu là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại Kim loại không trong suốt có tính phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài

- Tính nóng chảy: khi đốt nóng kim loại sẽ bị chảy loãng, khi làm nguội sẽ đông đặc lại Nhiệt độ ứng với kim loại từ thể rắn sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy

Điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó