Đang tải... (xem toàn văn)
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 nhóm loại vật chất có điện dẫn điện tử mà trị số điện trở suất chúng nhiệt độ bình thường nằm khoảng điện trở suất vật dẫn điện môi. - Các chất bán dẫn có hai loại điện dẫn điện dẫn “điện tử: (n) điện dẫn “điện tử - lỗ” (p) ta tạo sản phẩm bán dẫn với tiếp giáp p-n. - Ứng dụng nó: + Dùng làm chỉnh lưu công suất lớn công suất nhỏ, khuếch đại phát sóng. + Dùng để biến đổi dạng lượng khác thành lượng điện trở với hiệu suất tương đương, cao loại biến đổi khác. + Có thể làm lạnh môi trường xuống vài chục độ. + Lám sợi nung nóng (thanh silic), dùng để kích thích điểm catốt đèn inhitron để đo cường độ từ trường làm báo phóng xạ.v.v… - Phân loại: gồm bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hoá học bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện nghiên cứu bán dẫn từ trường bán dẫn lỏng - Các dụng cụ chế tạo vật liệu bán dẫn có ưu điểm: + Thời gian làm việc lâu dài + Kích thước trọng lượng nhỏ; + Cấu trúc đơn giản chắn, độ bền tốt + Chỉnh lưu bán dẫn thay đèn điện tử, không cần máy biến áp đốt, công suất tiêu thụ có quán tính nhỏ. + Có thể sản xuất hàng loạt theo dây truyền tự động đem lại hiệu kinh tế cao. 9.2. ĐIỆN DẪN CỦA BÁN DẪN 9.2.1. Các bán dẫn Bán dẫn không pha với chất khác có nồng độ điện tử ( e ) nồng độ lỗ trống ( ion dương ) Hai chất bán dẫn điển hình Ge Si thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Có lượng cấm 0.72 eV 1.12 eV γ = e.n oi .k n + e.poi .k p 9.2.2 Bán dẫn tạp - Đa số dụng cụ bán dẫn kỹ thuật bán dẫn tạp chất. - Tạp chất chất bán dẫn nguyên tử kim loại - Tạp chất chất bán dẫn hợp hoá học không nguyên tử khác loại mà nguyên tử thừa nguyên tố có thành phần hợp thức. - Tất các khuyết tập mạng tinh thể: nút khuyết, nguyên tử hay ion nằm nút,… gọi tạp chất. - Các nguyên tử tạp chất nằm nút mạng tinh thể gọi tạp chất thế, nằm nút tạp chất xen kẽ. - Bán dẫn có tạp chất có nồng độ điện tử lớn nồng độ lỗ gọi bán dẫn loại N, tạp chất đưa điện tử vào dải dẫn gọi tạp chất cho. - Bán dẫn có tạp chất có nồng độ lỗ lớn nồng độ điện tử gọi bán dẫn loại P, tạp chất chiếm điện tử từ dải hoá trị bán dẫn gốc gọi tạp chất nhận. - Hạt mạng điện có nồng độ lớn chất bán dẫn gọi hạt bản, hạt có nồng độ nhỏ không bản. Vậy bán dẫn loại N điện tử hạt mang điện lỗ trống mang điện không bản. Trong bán dẫn loại P ngược lại. Chất bán dẫn loại P Để tạo thành vật liệu kiểu p, tạp chất, thường Gali, Indi Bore bổ sung vào tinh thể Si Ge. Các tạp chất có hóa trị 3, nghĩa có điện tử lớp cùng. Khi Gali B, Indi đưa vào tinh thể Si Ge (hóa trị 4), thiếu điện tử hóa trị, tạo thành lỗ có điện tích dương, tạp chất tạo lỗ gọi tập chất nhận Chất bán dẫn loại N Để tạo thành vật liệu kiểu n, tạp chất, thường Arsen Antimony bổ sung vào tinh thể Si Ge, tạp chất có hóa trị 5, đưa vào thừa điện tử tự do, điện tử tạo điện tích âm nguyên tử, gọi tập chất cho Tiếp giáp P - N Cấu tạo Diode bán dẫn. Khi có hai chất bán dẫn P N , ghép hai chất bán dẫn theo tiếp giáp P - N ta Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào lỗ trống => tạo thành lớp Ion trung hoà điện => lớp Ion tạo thành miền cách điện hai chất bán dẫn. - Để sản xuất dụng cụ bán dẫn thỏi giécmani cắt thành phiến mỏng, bề mặt phiến tẩy rửa để loại trừ khuyết tật lúc gia công Tính chất vật lý Màu Ánh kim xám trắng Trạng thái vật chất Chất rắn Mật độ gần nhiệt độ phòng 5,323 g·cm Mật độ thể lỏng đạt nhiệt độ nóng chảy 5,60 g·cm Nhiệt độ nóng chảy 1211,40 K, 938,25 °C, 1720,85 °F Nhiệt độ sôi 3106 K, 2833 °C, 5131 °F Nhiệt lượng nóng chảy 36,94 kJ·mol Nhiệt lượng bay 334 kJ·mol Nhiệt dung 23,222 J·mol ·K −3 −3 −1 −1 −1 Áp suất −1 Tính chất khác Cấu trúc tinh thể Lập phương dạng kim cương Trạng thái trật tự từ Nghịch từ Điện trở suất (20 °C) Ω·m Độ dẫn nhiệt 60,2 W·m ·K Độ giãn nở nhiệt 6,0 µm/(m·K) Tốc độ truyền âm thanh(thanh mỏng) (20 °C) 5400 m·s Độ cứng theo thang Mohs 6,0 Năng lượng vùng cấm 300 K 0,67 eV −1 −1 −1 - Ứng dụng: + Dùng để sản xuất chỉnh lưu dòng điện xoay chiều với công suất khác nhau, loại trazito, chế tạo cảm biến sức điện động Holl hiệu ứng từ điện để đo cường độ từ trường dòng điện, công suất, để nhân đôi đại lượng dụng cụ tính toán kỹ thuật … + Tính chất quang dùng làm tranzito quang, điện trở quang, thấu kính quang mạng, lọc quang học. điều biến ánh sáng sóng vô tuyến ngắn. - Khoảng nhiệt độ làm việc dụng cụ giécmani từ 60 đến + 700C, nhiệt độ tăng gần giới hạn dòng điện thuận chiều điốt tăng lên hai lần, dòng điện ngược chiều tăng ba lần. Khi làm lạnh đến -50 đến -600C dòng điện thuận chiều giảm 70 -75% - Dụng cụ giécmani cần bảo vệ chống ẩm không khí. 9.4.2. Silic (Si) Nó nguyên tố phổ biến sau ôxy vỏ Trái Đất (25,7 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, kim, Silic nguyên tố không tìm thấy tự nhiên. Nó thường xuất ôxít silicat. Cát, amêtít, mã não (agate), thạch anh, đá tinh thể, đá lửa, jatpe, opan dạng tự nhiên silic dạng ôxít. Granit, amiăng, fenspat, đất sét, hoócblen, mica dạng khoáng chất silicat Si có hoá trị 4, tức lớp có điện tử, thể tinh khiết nguyên tử Si liên kết với theo liên kết cộng hoá trị - Quá trình điều chế: + Silic sản xuất công nghiệp cách nung nóng silica siêu lò luyện hồ quang với điện cực cacbon. Ở nhiệt độ 1900 °C, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng – SiO2 + C → Si + CO2 Silic lỏng thu hồi đáy lò, sau tháo làm nguội. Silic sản xuất theo công nghệ gọi silic loại luyện kim đạt 99% tinh khiết + Khử têtraclorua silic kẽm (SiCl4 ) 10000C môi trường kín. (cho độ tính khiết cao) SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2 Tính chất chung Tên, Ký hiệu, Số Silic, Si, 14 Phiên âm Phân loại /ˈsɪlɪkən/ SIL-ə-kən or/ˈsɪlɪkɒn/ SIL-əkon Á kim Nhóm, Chu kỳ, Phân lớp 14, 3, p Khối lượng nguyên tử 28,0855(3) Cấu hình electron [Ne] 3s 3p Số electron vỏ điện tử 2, 8, Tính chất vật lý Màu Ánh kim xám sẫm ánh xanh Trạng thái vật chất Chất rắn Mật độ gần nhiệt độ phòng 2,3290 g·cm Mật độ thể lỏng đạt nhiệt độ nóng chảy 2,57 g·cm Nhiệt độ nóng chảy 1687 K, 1414 °C, 2577 °F Nhiệt độ sôi 3538 K, 3265 °C, 5909 °F Nhiệt lượng nóng chảy 50.21 kJ·mol Nhiệt lượng bay 359 kJ·mol Nhiệt dung 19,789 J·mol ·K −3 −3 −1 −1 −1 −1 Áp suất P (Pa) 10 100 1k 10 k 100 k T (K) 1908 2102 2339 2636 3021 3537 Thông tin khác Cấu trúc tinh thể Lập phương Trạng thái trật tự từ Nghịch từ Điện trở suất (20 °C) 10 Độ dẫn nhiệt 149 W·m ·K Độ giãn nở nhiệt (25 °C) 2,6 µm·m ·K Tốc độ truyền âm thanh(thanh mỏng) (20 °C) 8433 m·s Độ cứng theo thang Mohs Năng lượng vùng cấm 300 K 1.12 eV [ −1 −1 Ω·m −1 −1 −1 - 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 dụng cụ silic phụ thuộc vào mức khiết vật liệu đến 120 -2000C 9.4.3. Selen (Se) - Selen nguyên tố nhóm VI điều chế nhà máy sản xuất axít sunfuric làm đồng điện phân. Selen có dạng khác nhau, vô định tinh thể, màu sắc khác nhau. - Điện trở suất selen giao động phạm vi rộng phụ thuộc vào loại nồng độ tạp chất, nhiệt độ độ chiếu sáng Có ba màu ánh kim đen, xám đỏ đục - Ứng dụng: dùng để sản xuất chỉnh lưu, tế bào quang điện, Thiết bị đo độ sáng, tế bào lượng mặt trời… 9.5. CÁC HỢP CHẤT HOÁ HỌC BÁN DẪN VÀ CÁC VẬT LIỆU DẪN SUẤT CÙNG GỐC 9.5.1 Cácbít silic Đây hợp chất nguyên tố nhóm IV silic bon (AIV.BIV) theo công thức SiCx (x ≈ 1). Cácbít silic công thức có: 70,045% Si 29,955%C Cácbít silic kỹ thuật sản xuất lò điện khử điôxýt silic cácbon, Sau kết thúc trình nung làm nguội lò rút bó tinh thể SiC gọi chum tinh thể. Sau tán nhận bột với hạt sắc cạnh gồ ghề, kích thước hạt trung bình từ 40 đến 300μm. • Màu sắc phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu trình công nghệ. Màu điện dẫn tinh thể SiC phụ thuộc vào tạp chất số nguyên tử thừa Si hay C so với thành phần hợp thức. • Các nguyên tố tạp chất nhóm V sắt SiC làm cho có màu xanh điện dẫn loại n, • Các nguyên tố tạp chất nhóm II nhóm III làm cho có màu da trời tím điện dẫn loại p. • Thừa Si làm cho SiC có điện dẫn loại n, thừa C có loại p. Tinh thể SiC tinh khiết suốt. • Đặc tuyến von – ampe không tuyến tính điện trở không đường thẳng SiC nên gọi varisto • Ứng dụng: SiC dùng để chế tạo điện trở phi tuyến chống sét van để bảo vệ đường dây tải điện thiết bị điện; Sản xuất varisto điện áp thấp dùng thiết bị tự động, kỹ thuật máy tính dụng cụ điện xây dựng, dùng lò điện nhiệt độ cao, để sản xuất phận đốt đèn inhitron… • Varisto làm hạt SiC rời rạc không ổn định, không rung, va đập, dễ thay đổi đặc tính. Vì hạt SiC cần gắn chặt chất kết dính Thạch anh áp điện (SiO2) • Thạch anh áp điện (SiO2) • Thạch anh tinh thể Si02 tự nhiên không màu, suốt, thường gọi pha lê tự nhiên;hoặc thạch anh màu (thạch anh khói, thạch anh tím). Tinh thể thạch anh áp điện gia công phương pháp nhân tạo, tính chất gần giống tính chất tinh thể tự nhiên. • Thạch anh áp điện thườngđược dùng làm dao động thạch anh có tần số dao động ổn định. • Bộ cộng hưởng thạch anh: Bề mặt thạch anh mài bột mịn chúng đặt điện cực kim loại tạo cộng hưởng thạch anh. • Ký hiệu mạch tương đương [...]... 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 RCE 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 RCE thì cực tại que đen là C và đỏ là E còn điện trở vô cùng lớn thì ngược lại Cấu tạo và. .. thuận và một Transistor ngược ( như sơ đồ tương đương ở trên ) Thyristor có 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-KG, 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... 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… 9. 5 CÁC HỢP CHẤT HOÁ HỌC BÁN DẪN VÀ CÁC VẬT LIỆU DẪN SUẤT CÙNG GỐC 9. 5.1 Cácbít silic Đây là hợp chất của các nguyên tố nhóm IV là silic và các bon (AIV.BIV) theo công... 70,045% Si và 29, 955%C 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... 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... 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... 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 + 700C, khi nhiệt độ tăng gần giới hạn trên thì dòng điện thuận chiều trong điốt tăng lên hai lần, còn dòng điện. .. tử 2, 8, 4 2 2 Tính chất vật lý Màu Ánh kim xám sẫm ánh xanh Trạng thái vật chất Chất rắn Mật độ gần nhiệt độ phòng 2,3 290 g·cm Mật độ ở thể lỏng khi đạt nhiệt độ nóng chảy 2,57 g·cm Nhiệt độ nóng chảy 1687 K, 1414 °C, 2577 °F Nhiệt độ sôi 3538 K, 3265 °C, 590 9 °F Nhiệt lượng nóng chảy 50.21 kJ·mol Nhiệt lượng bay hơi 3 59 kJ·mol Nhiệt dung 19, 7 89 J·mol ·K −3 −3 −1 −1 −1 −1 Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100... chất kết dính Thạch anh áp điện (SiO2) • Thạch anh áp điện (SiO2) • Thạch anh là tinh thể Si02 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... điện Đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi điện dẫn suất hay điện trở suất của bán dẫn khi có biến dạng cơ học gọi là độ nhạy biến dạng: Δρ ρ dρ = ΔL L 9. 3 MỘT SỐ NGUYÊN TỐ CÓ TÍNH CHẤT BÁN DẪN DÙNG TRONG KỸ THUẬT 9. 4.1 Giécmani (Gecmani) Ge - Có số nguyên tử là 32, và 4 điện tử hóa trị - Điều chế: + Từ nguyên liệu ban đầu tetraclorua giécmani Ge2O(bột trắng) và nó được khử trong lò hyđrô ở nhịêt độ . 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. h0" alt=""