Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 9 Ngô Quang Ước Bài giảng Vật liệu điện và cao áp

Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chương 9 Vật liệu bán dẫn trong bài giảng Vật liệu điện và cao áp để nắm bắt được những khái niệm chung về bán dẫn, điện dẫn của bán dẫn, một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật,... Mời các bạn cùng tham khảo để có thêm tài liệu phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu.

CHƯƠNG 9 VẬT LIỆU BÁN DẪN

9.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BÁN DẪN

- Bán dẫn là nhóm các loại vật chất có điện dẫn điện tử mà trị số điện trở suất của chúng ở nhiệt độ bình thường nằm trong khoảng giữa điện trở suất của vật dẫn và điện môi

- Các chất bán dẫn có hai loại điện dẫn là điện dẫn “điện tử: (n)

và điện dẫn “điện tử - lỗ” (p) cho nên ta có thể tạo ra các sản phẩm bán dẫn với tiếp giáp p-n

+ Có thể làm lạnh môi trường xuống vài chục độ

+ Lám sợi nung nóng (thanh silic), dùng để kích thích điểm catốt trong đèn inhitron để đo cường độ từ trường nó có thể làm bộ chỉ báo phóng xạ.v.v…

- Phân loại: gồm bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hoá học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm) Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ trường và bán dẫn lỏng

- Các dụng cụ chế tạo bằng vật liệu bán dẫn có ưu điểm:

+ Thời gian làm việc lâu dài

+ Kích thước và trọng lượng nhỏ;

+ Cấu trúc đơn giản và chắc chắn, độ bền cơ tốt

+ Chỉnh lưu bằng bán dẫn thay thế đèn điện tử, không cần máy biến áp đốt, công suất tiêu thụ ít và có quán tính nhỏ

+ Có thể sản xuất hàng loạt theo dây truyền tự động đem lại hiệu quả kinh tế cao

9.2.2 Bán dẫn tạp

- Đa số dụng cụ bán dẫn trong kỹ thuật là bán dẫn tạp chất

- Tạp chất trong chất bán dẫn thuần là các nguyên tử kim loại

- Tạp chất trong chất bán dẫn hợp nhất hoá học không chỉ là nguyên tử khác loại mà còn là nguyên tử thừa của chính nguyên tố có trong thành phần hợp thức

- Tất các các khuyết tập trong mạng tinh thể: nút khuyết, nguyên

tử hay ion nằm giữa các nút,… cũng được gọi là tạp chất

γ = e.n k + e.p k

- Các nguyên tử tạp chất nằm ở nút của mạng tinh thể nó được gọi là tạp chất thế, nằm ở giữa các nút là tạp chất xen kẽ

cơ bản Trong bán dẫn loại P thì ngược lại

Chất bán dẫn loại P

Để tạo thành vật liệu kiểu p, tạp chất, thường là Gali, Indi hoặc Bore được bổ sung vào tinh thể Si hoặc Ge Các tạp chất này có hóa trị 3, nghĩa là có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng Khi Gali hoặc B, Indi được đưa vào tinh thể Si hoặc Ge (hóa trị 4), sẽ thiếu một điện tử hóa trị, tạo thành lỗ và có điện tích dương, tạp chất tạo lỗ được gọi là tập chất nhận

Chất bán dẫn loại N

Để tạo thành vật liệu kiểu n, tạp chất, thường là Arsen hoặc Antimony được bổ sung vào tinh thể Si hoặc Ge, các tạp chất này có hóa trị 5, khi được đưa vào sẽ thừa một điện tử tự do, điện tử này tạo ra điện tích âm trong nguyên tử, do đó được gọi là tập chất cho

Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Thuận Ngược

Transistor

Cách xác định các chân tranzito

- Tìm cực B

Cho que đen (+Pin) vào 1 chân dịch que đỏ 2 chân còn lại:

+Nếu thông hết thì chân đặt que đen là cực B và thứ tự các chân là BCE và đây là tranzito NPN,

+Nếu không thông, thì để que đỏ (-Pin) cố định dịch que đen (+Pin) các chân nếu thông thì chân que đỏ là cực B còn các chân còn lại là CE và đây là loại Tranzito thuận PNP

- Nếu tìm được chân B nằm ở giữa thì tìm cực C và E như sau:

+ Nếu loại PNP: Đặt que đen (+Pin) vào 1 cực E que đo vào cực C rồi cho tín hiệu vào cực B (có thể chạm ngón tay vào) nếu có điện trở R CE thì cực tại que đen là E và đỏ là C còn điện trở vô cùng lớn thì ngược lại

+ Nếu loại NPN: Đặt que đen (+Pin) vào 1 cực C que đo vào cực E rồi cho tín hiệu vào cực B (có thể chạm ngón tay vào) nếu có điện trở R CE thì cực tại que đen là C và đỏ là E còn điện trở vô cùng lớn thì ngược lại

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

của Thyristor

Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận và một Transistor ngược ( như sơ đồ tương đương ở trên ) Thyristor có 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-

G, Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn

Đặt động hồ thang x1W , đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Katot ban đầu kim không lên , dùng Tovit chập chân A vào chân G =>thấy đồng

hồ lên kim , sau đó bỏ Tovit ra => đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt

9.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến điện dẫn của chất bán dẫn

1- Nhiệt độ

+ Hệ số nhiệt của điện trở suất bán dẫn:

2 Cường độ điện trường bên ngoài

+ Khi điện trường thấp (E < E tb) quan hệ = f(E) tuân theo định luật ôm

+ Khi E lớn điện dẫn bắt đầu tăng nhanh theo quy luật hàm số mũ dẫn tới phá huỷ cấu trúc của bán dẫn

W 2kT

β - hệ số đặc trưng cho từng bán dẫn

3 Ảnh hưởng của độ chiếu sáng

- Để sản xuất dụng cụ bán dẫn thỏi giécmani được cắt thành phiến mỏng, bề mặt của các phiến được tẩy rửa để loại trừ các khuyết tật lúc gia công

Nhiệt lượng nóng chảy 36,94 kJ·mol−1

Nhiệt lượng bay hơi 334 kJ·mol−1

Nhiệt dung 23,222 J·mol−1·K−1

Áp suất hơi

Tính chất khác Cấu trúc tinh thể Lập phương dạng kim cương

Trạng thái trật tự từ Nghịch từ

Điện trở suất (20 °C) 1 Ω·m

Độ dẫn nhiệt 60,2 W·m−1·K−1

Độ giãn nở nhiệt 6,0 µm/(m·K)

Tốc độ truyền âm thanh (thanh mỏng) (20 °C) 5400 m·s−1

Độ cứng theo thang Mohs 6,0

Năng lượng vùng cấm ở 300 K 0,67 eV

- Ứng dụng:

+ Dùng để sản xuất chỉnh lưu dòng điện xoay chiều với các công suất khác nhau, các loại trazito, chế tạo bộ cảm biến sức điện động Holl và các hiệu ứng từ điện để đo cường độ từ trường dòng điện, công suất, để nhân đôi đại lượng trong các dụng cụ tính toán kỹ thuật …

+ Tính chất quang dùng làm tranzito quang, điện trở quang, thấu kính quang mạng, các bộ lọc quang học điều biến ánh sáng và sóng vô tuyến ngắn

- Khoảng nhiệt độ làm việc của các dụng cụ giécmani từ

-60 đến + 70 0 C, khi nhiệt độ tăng gần giới hạn trên thì dòng điện thuận chiều trong điốt tăng lên hai lần, còn dòng điện ngược chiều thì tăng ba lần Khi làm lạnh đến -50 đến -60 0 C dòng điện thuận chiều giảm 70 -75%

- Dụng cụ giécmani cần được bảo vệ chống ẩm của không khí

Si có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở thể tinh khiết các nguyên tử Si liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị

- Quá trình điều chế:

+ Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng silica

siêu sạch trong lò luyện bằng hồ quang với các điện cực

cacbon Ở nhiệt độ trên 1900 °C, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng

– SiO 2 + C → Si + CO 2

Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là silic loại luyện kim và nó ít nhất đạt 99% tinh khiết

+ Khử têtraclorua silic bằng hơi kẽm (SiCl 4 ) ở 1000 0 C trong môi trường kín (cho độ tính khiết cao)

SiCl 4 + 2Zn → Si + 2ZnCl 2

Tính chất chung

Tên , Ký hiệu , Số Silic, Si, 14

Phiên âm / ˈsɪlɪkən/ SIL-ə-kən or / ˈsɪlɪkɒn/

Nhiệt lượng nóng chảy 50.21 kJ·mol−1

Nhiệt lượng bay hơi 359 kJ·mol−1

Nhiệt dung 19,789 J·mol−1·K−1

Áp suất hơi

P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k

ở T (K) 1908 2102 2339 2636 3021 3537

Tốc độ truyền âm thanh (thanh mỏng) (20 °C) 8433 m·s−1

Độ cứng theo thang Mohs 7

Năng lượng vùng cấm ở 300 K 1.12 eV

- Ứng dụng: để sản xuất dụng cụ bán dẫn giống giécmani: điốt triốt, tế bào quang có lớp chắn cảu biến hiệu ưng Holl

- Giới hạn nhiệt độ làm việc của các dụng cụ silic phụ thuộc vào mức thuần khiết của vật liệu có thể đến

120 -200 0 C

9.4.3 Selen (Se)

- Selen là nguyên tố nhóm VI được điều chế trong nhà máy sản xuất axít sunfuric khi làm sạch đồng bằng điện phân Selen có các dạng khác nhau, vô định hình cũng như tinh thể, màu sắc khác nhau

- Điện trở suất của selen giao động trong phạm vi rất rộng nó phụ thuộc vào loại và nồng độ tạp chất, nhiệt độ và độ chiếu sáng

Có ba màu ánh kim đen, xám và đỏ đục

- Ứng dụng: được dùng để sản xuất chỉnh lưu, tế bào quang điện, Thiết bị đo độ sáng, tế bào năng lượng mặt trời…

Cácbít silic kỹ thuật được sản xuất trong các lò điện khi khử điôxýt silic bằng cácbon, Sau khi kết thúc quá trình nung và làm nguội lò rút ra được các bó tinh thể SiC gọi là chum tinh thể Sau khi tán sẽ nhận được bột với những hạt sắc cạnh và gồ ghề, kích thước hạt trung bình từ 40 đến 300μm

• Màu sắc phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu và quá

trình công nghệ Màu và điện dẫn của tinh thể SiC phụ thuộc vào các tạp chất và số nguyên tử thừa của Si hay C so với thành phần hợp thức

• Các nguyên tố tạp chất ở nhóm V và sắt trong SiC

làm cho nó có màu xanh và điện dẫn loại n,

• Các nguyên tố tạp chất trong nhóm II và nhóm III làm

cho nó có màu da trời và tím và điện dẫn loại p

• Thừa Si làm cho SiC có điện dẫn loại n, còn thừa C

có loại p Tinh thể SiC tinh khiết thì trong suốt

• Đặc tuyến von – ampe không tuyến tính và điện trở

không đường thẳng của SiC nên được gọi là varisto

• Ứng dụng:

SiC được dùng để chế tạo các tấm điện trở phi tuyến của chống sét van để bảo vệ đường dây tải điện và các thiết bị điện; Sản xuất các varisto điện áp thấp dùng trong các thiết bị tự động, kỹ thuật máy tính và dụng cụ điện trong xây dựng, dùng trong các lò điện nhiệt độ cao, để sản xuất bộ phận đốt trong đèn inhitron…

• Varisto làm bằng các hạt SiC rời rạc không ổn định,

không được rung, va đập, dễ thay đổi đặc tính Vì thế các hạt SiC cần gắn chặt bằng chất kết dính

Thạch anh áp điện (SiO2)

• Thạch anh áp điện (SiO 2 )

• Thạch anh là tinh thể Si0 2 tự nhiên không màu, trong suốt, thường gọi là pha lê tự nhiên;hoặc thạch anh màu (thạch anh khói, thạch anh tím)

Tinh thể thạch anh áp điện có thể được gia công bằng phương pháp

nhân tạo, khi đó các tính chất của nó gần giống như các tính chất của các tinh thể tự nhiên

• Thạch anh áp điện thườngđược dùng làm các bộ dao động thạch anh có tần số dao động rất ổn định

• Bộ cộng hưởng thạch anh: Bề mặt của các tấm thạch anh được mài

bằng bột mịn và trên chúng được đặt các điện cực bằng kim loại tạo ra

bộ cộng hưởng thạch anh

• Ký hiệu và mạch tương đương