Bài giảng vật liệu điện

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục `VẬT LIỆU ĐIỆN Bài mở đầu: Cấu tạo vật chất phân loại 1.1.KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 1.1.1 KHÁI NIỆM Vật liệu điện tất chất liệu dùng để sản suất thiết bị sử dụng lĩnh vực ngành điện Thường phân vật liệu theo đặc điểm, tính chất công dụng nó, thường vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn vật liệu dẫn từ 1.1.2.CẤU TẠO NGUYÊN TỬ CỦA VẬT LIỆU Nguyên tử phần tử vật chất Mọi vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử theo mô hình nguyên tử Bo Nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton p nơtron n) điện tử mang điện tích âm (electron, ký hiệu e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Nguyên tử : Là phần nhỏ phân tử tham gia phản ứng hoá học, nguyên tử gồm có hạt nhân lớp vỏ điện tử hình 1.1 - Hạt nhân : gồm có hạt Proton Nơrton Vỏ nguyên t - Vỏ hạt nhân gồm electron chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Tùy theo mức lượng mà điện tử xếp H ạt nhân Hình 1.1 Cấu tạo nguyên tử Thành lớp Ở điều kiện bình thường, nguyên tử trung hòa điện, tức là: ∑(+)hạt nhân = ∑(-)e Khối lượng e nhỏ: me= 9,1 10-31 (Kg) qe = 1,601 10-19 (C) Do điện tử có khối lượng nhỏ độ linh hoạt tốc độ chuyển động cao Ở nhiệt độ định, tốc độ chuyển động electron cao Nếu nguyên nhân nguyên tử bị điện tử e trở thành Ion (+), nguyên tử nhận thêm e trở thành Ion (-) Quá trình biến đổi nguyên tử trung hòa trở thành điện tử tự hay Ion (+) gọi trình Ion hóa Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Để có khái niệm lượng điện tử xét trường hợp đơn giản nguyên tử Hydro, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử e (hình 1.2) Khi điện tử chuyển động quỹ đạo có bán kính r bao quanh hạt nhân, e hạt nhân điện tử e có lực: q2 Lực hút (lực hướng tâm): f1 = (1-1) r r lực ly tâm: f2 = mv r (1-2) Hình 1.2 Mô hình nguyên tử H đó: m - khối lượng điện tử, v - vận tốc dài chuyển động tròn q2 Ở trạng thái trung hòa, hai lực bân bằng: f1 = f2 hay mv2 = r Năng lượng điện tử bằng: We = T + U (Động T + Thế U) q2 mv2 đó: T = , U = - r q2 q2 q2 q2 Vậy We = T + U = 2r - r = - 2r hay We = - 2r (1-3) (1-4) Biểu thức chứng tỏ điện tử nguyên tử tương ứng với mức lượng định để di chuyển tới quỹ đạo xa phải cung cấp lượng cho điện tử, Năng lượng điện tử phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo chuyển động Điện tử có mức lượng thấp dễ bị bứt trở thành trạng thái tự Năng lượng cung cấp cho điện tử e để trở thành trạng thái tự gọi lượng Ion hóa (Wi) Để tách điện tử trở thành trạng thái tự phải cần lượng W i ≥ We Khi Wi < We kích thích dao động khoảng thời gian ngắn, nguyên tử sau lại trở trạng thái ban đầu Năng lượng Ion hóa cung cấp cho nguyên tử lượng nhiệt, lượng điện trường va chạm, lượng tia tử ngoại, tia cực tím, phóng xạ Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Ngược lại với trình Ion hóa trình kết hợp: Nguyên tử + e → Ion (-) Ion (+) + e → nguyên tử, phân tử trung hòa 1.1.3.CẤU TẠO PHÂN TỬ CỦA VẬT LIỆU Là phần nhỏ chất trạng thải tự mang đầy đủ đặc điểm, tính chất chất đó, phân tử nguyên tử liên kết với liên kết hóa học.Vật chất cấu tạo từ nguyên, phân tử ion theo dạng liên kết đây: 1.1.3.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết đặc trưng kiện số điện tử trở thành chung cho nguyên tử tham gia hình thành phân tử Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ: phân tử gồm nguyên tử clo biết, nguyên tử clo có 17 điện tử, điện tử lớp (điện tử hoá trị) Hai nguyên tử clo liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử hình 1.3 Lớp vỏ nguyên tử bổ sung thêm điện tử nguyên tử • • •• •• •• •• •• •• •• •• Cl • + •• Cl • ⇒ •• Cl •• Cl •• Hình 1.3 Phân tử liên kết đồng hoá trị trung tính cực tính Phân tử clo thuộc loại trung tính trung tâm điện tích dương điện tích dương trùng Axit clohydric HCl ví dụ phân tử cực tính Các trung tâm điện tích dương âm cách khoảng phân tử xem lưỡng cực điện Tùy theo cấu trúc phân tử đối xứng hay không đối xứng mà chia phân tử làm hai loại - Phân tử không phân cực phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dương Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục - Phân tử phân cực phân tử mà tâm điện tích âm cách trọng tâm điện tích dương khoảng l Để đặc trưng cho phân cực nguời ta dùng mô men lưỡng cực Pe = q.l Trong đó: q: điện tích l: có chiều –q đến +q có độ lớn l( khoảng cách trọng tâm điện tích dương trọng tâm điện tích âm) 1.1.3.2 Liên kết Ion Liên kết ion xác lập lực hút Ion (+) Ion(-) Liên kết xảy nguyên tử nguyên tố hóa học có tính chất khác Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại liên kết kim loại phi kim để tạo thành muối, cụ thể Halogen kim loại kiềm gọi muối Halogen kim loại kiềm Liên kết bền vững Do nhiệt độ nóng chảy chất có liên kết Ion cao Ví dụ: liên kết Na Cl muối NaCl liên kết ion ( Na co electron lớp dễ nhường electron tạo thành Na +, Cl có electron lớp dễ nhận electron tạo thành Cl - , hai ion trái dấu hút tạo thành phân tử NaCl, muối NaCl có tính hút ẩm tnc =8000C, tsôi 1: gọi vật liệu thuận từ µ>1: gọi vật liệu dẫn từ 1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN 1.2.1 Phân loại theo khả dẫn điện Trên sở giản đồ lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi ), bán dẫn dẫn điện Điện môi: chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử không xảy Các điện tử hóa trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm điện môi ∆W nằm khoảng từ 1,5 đến vài điện tử von ( eV) Bán dẫn: chất có vùng cấm hẹp so với điện môi, vùng thay đổi nhờ tác động lượng từ bên Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (∆W=0,2-1,5eV), nhiệt độ bình thường số điện tử hóa trị vùng đầy Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục tiếp sức chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng điện dẫn Vật dẫn: chất có vùng tự nằm sát với vùng đầy chí chồng lên vùng đầy (∆W < 0,2eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự lớn, nhiệt độ bình thường điện tử hóa trị vùng đầy chuyển sang vùng tự dễ dàng, tác dụng lực điện trường điện từ tham gia vào dòng điện dẫn, vật dẫn có tính dẫn điện tốt 1.2.2.Phân loại theo từ tính Nguyên nhân chủ yếu vật liệu gây nên từ tính điện tích chuyển động ngầm theo quĩ đạo kín tạo nên dòng điện vòng Cụ thể quay điện tử xung quanh trục chúng – spin điện đử quay theo quĩ đạo điện tử nguyên tử - Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân tạo nên dòng điện mà đặc trưng mômen từ M Mône từ M tính tích dòng điện với diện tích S giới hạn đường viền bản: M = i.S Chiều véc tơ M xác định theo quy tắc vặn nút chai hình 1.7 theo phương thẳng góc với diện tích S Mômen từ vật thể kết tổng hợp tất mômen từ nêu - Ngoài mômen quĩ đạo nêu trên, điện tử quay xung quanh trục nó, Hình 1.Biểu diễn chiều mômen từ tạo nên mômen gọi mômen Spin Các spin đóng vai trò quan trọng việc từ hóa vật liệu sắt từ - Khi nhiệt độ nhiệt độ curri, việc hình thành dòng xoay chiều nhìn thấy mắt thường, gọi vùng từ tính, vùng trở nên song song thẳng hàng hướng Như vật liệu sắt từ thể chủ yếu phân cực từ hóa tự phát từ trường đặt bên - Qúa trình từ hóa vật liệu sắt từ tác dụng từ trường dẫn đến làm tăng khu vực mà mômen từ tạo góc nhỏ với hướng từ trường, giảm kích cỡ vùng khác xếp thẳng hàng mômen từ tính theo hướng từ trường bên Sự bão hòa từ tính đạt tăng lên khu vực dùng Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục từ lại mômen từ tính tất phần tinh thể nhỏ đựợc từ tính hóa tưh sinh trở thành hướng theo hướng từ trường Hinh 1.8 Hướng từ hóa khó dễ đơn tinh thể Sắt - Khi từ hóa dọc theo cạnh hình khối, mở rộng theo hướng đường chéo, nghĩa co lại theo hướng từ hóa, tượng gọi tường từ gião Hình 1.9.Đường cong từ hóa vật liệu sắt từ Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 1.2.2 Tính từ dẫn công thức kinh nghiệm ( dùng tính toán sơ ) Hình 6.6 a) Từ dẫn khe hở không khí (hình a) Từ dẫn khe hở không khí nắp lõi tạo thành góc G = K G0 Với: K: hệ số điều chỉnh K=2,75 ϕ (ϕ tính theo rađian) G = µ S δ S :tiết diện lõi [cm2] δ: độ dài trung bình khe hở không khí (cm) b ) Từ dẫn cực từ tròn với mặt phẳng (hình b) G = µ S 2,09 + δ δ d c) Từ dẫn hai cực từ chữ nhật (hình c) G=K.μ0 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục d) Từ dẫn mặt phẳng cực từ đặt đầu mặt phẳng (hình d) G = K G0 8.1.6 MẠCH TỪ XOAY CHIỀU Mạch từ xoay chiều khác mạch từ chiều đặc điểm sau: a) Trong mạch từ xoay chiều: i=i(t) nên i = I m Sin ωt dòng biến thiên có tượng từ trễ, dòng xoáy, dòng điện chạy cuộn dây phụ thuộc vào điện kháng cuộn dây, mà điện kháng phụ thuộc từ dẫn mạch từ nên từ trở toàn mạch từ lớn (khe hở không khí lớn) điện kháng bé dòng điện cuộn dây lớn Khi nắp mạch từ mở dòng điện khoảng I = (4÷ 15)Iđm Chú ý: đóng điện cấu điện từ, phải kiểm tra nắp xem đóng chưa, nắp mở làm cuộn dây bị cháy b) Lực hút điện từ F biến thiên F=F(t) có thời điểm F=0 có thời điểm F=Fmax dẫn đến mạch từ làm việc bị rung, để hạn chế rung người ta đặt vòng ngắn mạch Từ thông biến thiên làm xuất sức điện động vòng ngắn mạch, vòng có dòng điện mắc vòng khép kín, làm vòng ngắn mạch nóng lên Gọi Wnm số vòng ngắn mạch (thường Wnm=1) Theo định luật toàn dòng điện có: IW+ InmWnm = ϕ c) Trong mạch từ xoay chiều có tổn hao dòng xoáy từ trễ làm nóng mạch từ, xem tổn hao vòng ngắn mạch Nếu gọi Pxt công suất hao tổn dòng xoáy từ trễ biểu diễn dạng tương đương vòng ngắn mạch Pxt = I nm rnm d) Từ dẫn rò quy đổi Khác với mạch chiều vì: Sức từ động tổng F = IW sức từ động đoạn X FX = I W WX = W x l x từ thông mắc vòng đoạn x yrx =Wx.frx l Cuối có Gr = ql từ dẫn rò mạch xoay chiều Về phương pháp tính toán mạch từ xoay chiều giống mạch từ chiều phải lưu ý bốn đặc điểm Ví dụ mạch từ xoay chiều hình minh họa: Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Hình 6.7 Khi vẽ mạch từ đẳng trị phải xét đến tác dụng vòng ngắn mạch, tổn hao dòng xoáy từ trễ - Khi nắp đóng, bỏ qua từ thông rò phải kể đến từ trễ từ kháng mạch từ nên dạng hình minh họa a - Khi nắp mạch từ mở, bỏ qua từ trở từ kháng mạch từ, phải xét đến từ thông rò mạch từ đẳng trị có dạng hình minh họa b Hình 6.8 8.1.7.MẠCH TỪ MỘT CHIỀU + Mạch từ chiều làm việc, mạch Φ = const nên tổn hao dòng xoáy, có dòng không đổi I, từ thông lõi làm vật liệu sắt từ khối để dễ gia công khí Trình tự tính toán mạch từ: * Vẽ mạch từ đẳng trị * Tính từ dẫn G khe hở không khí toàn mạch Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục * Giải mạch từ, tìm tham số chưa biết Trong trình làm việc khe hở không khí biến thiên ta chia trườngΦthay đổi làm từ thông hợp: a) Tính mạch từ chiều không xét từ thông rò Với mạch từ khe hở không khí bé, cuộn dây phân bố mạch từ bỏ qua từ thông rò Ví dụ: xét mạch từ hình xuyến hình có từ thong δminh họa; phần sắt từ chiều dài l, tiết diện S, khe hở Φrò = Hình 6.9 8.1.8 VẬT LIỆU SẮT TỪ Vật liệu sắt từ Vật liệu quan trọng sử dụng kỹ thuật điện, điện tử sắt từ hợp chất sắt từ (ferit) Trong tự nhiên có số chất (sắt, côban, niken hợp kim chúng) có tính nhiễm từ mạnh Các vật liệu gọi chung vật liệu sắt từ Độ từ thẩm chất lớn hàng nghìn lần, chí có trường hợp cao nhiều Tính chất sắt từ thể chất trạng thái tinh thể Sự nhiễm từ sắt Tính nhiễm từ mạnh sắt giải thích nam châm sắt hút Một miếng sắt đặt gần nam châm bị nhiễm từ mạnh trở thành Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục nam châm Đầu miếng sắt gần cực bắc nam châm, trở thành cực nam ngược lại Hai cực khác tên hút Tính nhiễm điện sắt giải thích dòng điện phân tử mà miền nhiễm từ tự nhiên Khi từ trường miền nhiễm từ tự nhiên xếp cho từ trường miền nhiễm từ tự nhiên khử lẫn Khi đặt vào từ trường xảy phân bố lại miền nhiễm từ tự nhiên dẫn đến kết qua sắt bị nhiễm từ mạnh 8.2 Vật liệu từ mềm số thấp Vật liệu từ mềm sử dụng làm mạch từ thiết bị dụng cụ điện có từ trường không đổi biến đổi Vật liệu từ mềm từ trường khử từ HK nhỏ (dưới 400 A/m), độ từ thẩm µ lớn tổn hao từ trễ nhỏ Vật liệu sắt từ mềm gồm có thép kỹ thuật, thép cácbon, thép kỹ thuật điện, hợp kim sắt - niken (pecmaloi) ferit a Thép kỹ thuật (gồm gang) dùng làm từ trường mạch từ không đổi Thép kỹ thuật có cường độ từ cảm bão hoà cao (tới 2,2 Tesla), số từ thẩm lớn cường độ khử từ nhỏ b Thép kỹ thuật điện hợp chất sắt-silic (1-4%Si) Silic cải thiện đặc tính từ sắt kỹ thuật: tăng số từ thẩm, giảm cường độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dòng điện Fucô hay dòng điện xoáy) c Pecmaloi hợp kim sắt - niken (22%Ni), có số tạp chất: Molipden, crôm, silic, nhôm Pecmaloi có số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép kỹ thuật điện, cần cường độ từ trường nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đạt tới cường độ từ cảm bão hoà 8.3 Vật liệu từ mềm tần số cao.( Ferit) vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm số nguyên tố khác Khi chế tạo, hỗn hợp ép khuôn với công suất lớn Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục nung đến nhiệt độ khoảng 1200 0C, thành phẩm có dạng theo ý muốn Ferit có điện trở suất lớn, thực tế coi gần không dẫn điện, nên dòng điện xoáy chạy ferit nhỏ Bởi cho phép dùng ferit làm mạch từ từ trường biến thiên với tần số cao Ferit niken-kẽm cách nhiệt phân muối, gọi Oxyfe Ferit Oxyfe có số từ thẩm ban đầu lớn, từ dư nhỏ (0,18-0,32 Tesla) từ trường khử từ nhỏ (8-80 A/m) Chúng sử dụng rọng rãi làm mạch từ linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính, 8.4.Vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Đặc điểm loại có từ dư lớn Thành phần, từ dư trường khử từ số vật liệu từ cứng cho bảng 6.2 Bảng 6.2 Vật liệu từ cứng Wonfram Thép crôm Thép côban Anni Annisi Annico Macnico Gốm annico Ferit bary Thành phần tạp chất (%) sắt Won -fram Al Cr Co Ni Cu Si 14 14 10 12 24 25 34 17 13 Từ Cường trường độ từ khử từ, cảm dư, HK (A/m) Bd (T) 4800 4800 0,9 7200 0,9 44000 0,44 64000 0,4 40000 0,7 44000 1,25 45000 1,1 130000 0,35 8.5 Vật liệu từ có công dụng đặc biệt CÂU HỎI Nêu khái niệm chung tính chất từ vật liệu từ tính Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Trình bày đặc tính công dụng vật liệu từ mềm Hãy nêu thành phần, tính chất công dụng vật liệu từ cứng CHƯƠNG VẬT LIỆU BÁN DẪN 9.1 ĐẶC ĐIỂM DẪN ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN Vật liệu bán dẫn (VLBD) gồm nhóm vật chất có tính trung gian vật liệu dẫn điện vật liệu cách điện Đặc điểm điện trở suất lớn vật liệu dẫn điện nhỏ vật liệu cách điện ( ρ =10-4 ÷ 1010 Ω cm) Tuy nhiên danh giới rõ rệt ba loại vật liệu kể Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Điểm khác biệt quan trọng vật liệu bán dẫn vật liệu dẫn điện biến thiên điện trở suất theo nhiệt độ: nhiệt độ tăng, điện trở suất vật liệu dẫn điện tăng lên, điện trở suất vật liệu bán dẫn lại giảm có dạng đồ thị hình 5.1 Như nhiệt độ thấp chất bán dẫn có tính cách điện điện môi, nhiệt độ cao chất bán dẫn lại dẫn điện tốt Điều giải thích sau : Như ta biết cấu trúc vùng lượng chất bán dẫn OK mô tả hình 5.2 điện tử tự lỗ trống vùng hoá trị (bán dẫn) T (K) Hình 5.1 W (năng lượng điện tử) Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị Hình 5.2 Vùng hoá trị vùng dẫn cách vùng cấm Ở OK, vùng hoá trị hoàn toàn đầy, vùng dẫn trống, chất bán dẫn có tính cách điện Khi nhiệt độ tăng cao điện tử tự bứt khỏi vùng hoá trị, vượt qua vùng cấn vào vùng dẫn, nên chất bán dẫn có tính dẫn điện Các chất có tính bán dẫn điện tồn phổ biến tự nhiên ứng dụng nhiều kỹ thuật điện, đặc biệt kỹ thuật điện tử Chất bán dẫn thực tế dạng nguyên chất, gọi chất bán dẫn (Si, Ge, As, C, P, S, Se, ) dạng hợp chất, gọi bán dẫn tạp chất (tất oxit kim loại, sêlelua telurua nhiều kim loại) 9.2 VẬT LIỆU BÁN DẪN NGUYÊN CHẤT Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục 9.1.1 Dòng điện chất bán dẫn nguyên chất Để hiểu chất dẫn điện bán dẫn ta nghiên cứu cấu trúc bên Ta xét tinh thể Silic bán dẫn điển hình Trong mạng tinh thể, nguyên tử Si liên kết với nguyên tử Si khác bên cạnh mối liên kết đồng hoá trị (Hình 5.3) Ở nhiệt độ thấp liên kết bền vững Do chất bán dẫn Si có tính dẫn điện Si Si Si Khi đốt nóng, mạng tinh thể chất bán dẫn Si thu thêm Si Si lượng Do chuyển động nhiệt, Si Si Si số nguyên tử liên kết với hạt nhân, trở thành điện tử tự Si Si Hình 5.4 giúp ta hình dung tình trạng chất bán dẫn lúc Hình 5.3 Mô hình cấu trúc nguyên tử Si Eng Giả sử điện tử tách Hình khỏi5.4 nguyên tử số 1, nguyên tử trở thành ion dương, xem lỗ trống lấy điện tử nguyên tử gần để lấp lỗ trống trở thành trung hoà Nguyên tử số vừa điện tử lại trở thành lỗ trống lại lấy điện tử nguyên tử gần Hiện tượng tiếp diễn gây chuyển dịch vị trí lỗ trống Nếu điện trường E ng tác động, Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục tượng xảy hỗn độn, chất bán dẫn dòng điện Còn có điện trường Eng, điện tử chuyển dịch ngược chiều điện trường (hình 5.4) tạo thành dòng điện Tính dẫn điện chất bán dẫn Si tăng lên Vậy chất dòng điện chất bán dẫn dòng chuyển dời có hướng đồng thời điện tử ngược chiều điện trường lỗ trống thuận chiều điện trường 9.1.2 Một số chất bán dẫn thường gặp Silic, (Si) Si nguyên tố có nhiều thiên nhiên dạng SiO mỏ khác dạng Silicat (Si chiếm khoảng 28% lớp vỏ trái đất) Nhưng, kỹ thuật để sản xuất Si tinh khiết phức tạp nên dụng cụ sử dụng bán dẫn Si đắt so với dụng cụ bán dẫn sử chất khác chất thiên nhiên nhiều so với Si Điện dẫn suất Si biến đổi phạm vi rộng, γ = (7.102 ÷ 10-2) 1/ Ω cm Silic nguyên chất chế tạo làm điện trở phi tuyến mạch điện tần số cao, dùng làm chất bán dẫn điện máy tách sóng, khuyếch đại, Silic sử dụng chất khử oxy luyện kim Silic hợp hợp kim Sắt - Silic (4% Si) chế tao dạng tấm, dùng để làm lõi thép dẫn từ máy biến áp Ngoài sử dụng để chế tạo hợp kim khác sắt - Si ; đồng thanh, đồng thau - Silic, sử dụng rộng rãi công nghiệp Giecmani, (Ge) Ge tự nhiên, có mặt hợp chất dạng mỏ: ác-girô-đít (GeS24Ag2S), Canfidit [ 4Ag (GeSn)S2 ] , Cu3GeS , tìm thấy mỏ kẽm tro Điện dẫn suất Ge, γ = (103 ÷ 10-2) 1/ Ω cm Ge dùng để chế tạo chất bán dẫn máy tách sóng, chỉnh lưu phẳng, transisto khuyếch đại Các bon, (C) Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Các bon tìm thấy nhiều tự nhiên Trong kỹ thuật, chia bon thành dạng: Kim cương (diamant), graphit bon vô định hình (carbone amorphe), kim cương, graphit khai thác từ mỏ tự nhiên bon vô định hình điều chế nhiều phương pháp khác Hằng số vật lý của loại bon bảng 5.1 Bảng 5.1 Loại bon Kim cương Graphit Các bon vô định hình Trọng lượng riêng 180C (kg/dm3) 3,514 2,216 1,2218-1,919 Điện trở suất 200C, ρ ( Ω cm) 4,74.1014 0,00263 Điện dẫn suất 150C, γ (1/ Ω cm) 0,211.10-14 353 0,25 Các bon dùng nhiều kỹ thuật điện, điện tử để chế tạo: - Các điện cực bon (điện cực điện phân, hàn hồ quang điện) - Chổi than (graphit, bon vô định hình) - Tiếp điểm điện - Điện trở đốt nóng, điện trở hoá học - Dùng Micro, ống nói dạng hạt nhỏ, khối 9.3 VẬT LIỆU BÁN DẪN TẠP CHẤT 9.3.1 Dòng điện vật liệu bán dẫn tạp chất Trong thực tiễn, chế tạo chất bán dẫn nguyên chất khó khăn Các bán dẫn thường có lẫn tạp chất, kỹ thuật người ta chủ động pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất Nếu có tạp chất lẫn vào (dù lượng nhỏ, không đáng kể) đủ làm cho độ dẫn điện chất bán dẫn tăng lên nhiều lần, chí hàng chục nghìn lần Ví dụ, cho vào Si Ge chất có điện tử hoá trị; vào mạng tinh thể Si, điện tử hoá trị Ge kết chặt đôi với điện tử nguyên tử Si láng giềng, điện tử thứ trở thành điện tử tự chuyển động tự mạng tinh thể (hình 5.5) Khi mật độ điện tử tự chất bán dẫn Si tăng lên Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục nhiều Dưới tác dụng điện trường, điện tử tự chuyển động có hướng tạo thành dòng điện Loại bán dẫn có tính chất dẫn điện chủ yếu điện tử tự gọi chất bán dẫn loại n hay bán dẫn điện tử Si Si Si Si Ge Si Si Si Si Si Nếu ta cho vào Silic chút nguyên tố thuộc nhóm III bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep, chẳngSihạn Indi (In)Si: vành Si In có điện tử hoá trị, nên vào mạng tinh thể Si, tạo lỗ trống mối liên kết Hình 5.5 nguyên tử Điện tử nguyên tử bên cạnh dễ dàng nhảy vào lỗ trống tạo thành lỗ trống mới, quà trình tiếp diễn mãi; lỗ trống chạy tự tinh thể Khi mật độ lỗ trống chất bán dẫn tăng lên nhiều Dưới tác dụng điện trường, điện tử chuyển dời có hướng ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển dịch thuận chiều điện trường Ta xem lỗ trống tương tự điện tích dương dòng điện chạy chất bán dẫn dòng lỗ trống chuyển động Chất bán dẫn gọi chất bán dẫn loại p hay bán dẫn lỗ trống 9.3.2 Những ứng dụng chủ yếu vật liệu bán dẫn tạp chất Bằng cách ghép bán dẫn loại n với loại p, người ta chế tạo nhiều dụng cụ điện, điện tử quan trọng Điốt bán dẫn (đèn bán dẫn cực) Điốt bán dẫn gồm chất bán dẫn loại p n tiếp xúc Điện tử tự bên n khuếch tán sang p lỗ trống bên p khuếch tán sang n Ranh giới chất tạo thành Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục điện trường tiếp xúc Etx chiều từ n sang p ngăn không cho lỗ trống điện tử khuếch tán sang Si p In Ge In n p n a) Cu2O Cu p b) p n n c) d) Hình 5.6 a) Điốt Silic, b) Điốt c) Điốtvào Oxithai đồng, Sơ đồ mạch Nếu đặt mộtGecmani, điện áp thuận chấtd)bán dẫnĐiốt (Cực dương p điện cực âm n) điện trường nguồn điện Eng sinh ngược chiều với điện trường tiếp xúc Etx có tác dụng khử ảnh hưởng E tx Điện tử ‘‘lỗ’’ lại dễ dàng chuyển qua mặt tiếp xúc, điốt dẫn điện tốt Nếu đặt điện áp ngược lại, điốt gần không dẫn điện Vậy Điốt dẫn điện theo chiều từ chất bán dẫn loại p sang loại n Do tính chất này, điốt bán dẫn dùng làm chỉnh lưu dòng điện (nắn điện) Trên hình 5.6 loại điốt hay dùng kỹ thuật Transisto (đèn bán dẫn cực) Transisto loại đèn bán dẫn có khả khuyếch đại Nó gồm lớp bán dẫn có tính dẫn điện khác hợp thành Transisto loại p-n-p hình 5.7 transisto loại n-p-n hình 5.8 E p n C p E n B a) E b) p B C B Hình 5.7 Transisto loại n-p-n C n a) C E B b) Hình 5.8 Transisto loại p-n-p Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Quy ước, phần transisto, cực nối với chất bán dẫn p gọi cực gốc hay badơ (B) Cực đặt điện áp thuận với cực gốc cực phát hay êmetơ (E), cực lại cực góp hay côlectơ (C) Sau đây, ta xét nguyên lý làm việc loại n-p-n (hình 5.9), loại p-n-p xét tương tự, cần thay đổi vai trò điện tử lỗ trống Khi cho lớp n-p-n tiếp xúc với nhau, chúng tạo điện trường tiếp xúc Giữa chất bán dẫn n p (bên trái) đặt nguồn điện áp thuận E nhỏ chất bán dẫn n p (bên trái) đặt nguồn điện áp ngược E lớn (thường E2 lớn E1 từ đến 10 lần) n n p E IE C _ + IB B E1 _ IC + E2 Hình 5.9 Vì điện áp cực phát E gốc B thuận nên dòng điện dễ dàng từ cực phát sang cực gốc Lớp p mỏng nên đa số điện tử từ n lọt sang p chưa kịp lấp vào lỗ trống bị điện trường mạnh điện áp ngược kéo cực góp C Chỉ có số điện tử lấp vào lỗ trống lớp p tạo nên dòng điện cực - gốc nhỏ Như nói dòng điện cực góp xấp xỉ dòng điện cực phát cực phát cực gốc có điện áp thuận nên cần thay đổi nhỏ E làm thay đổi dòng điện cực phát cực góp nhiều, nên điện áp lấy thay đổi lớn Do transisto có tính khuếch đại liên tục Transisto ứng dụng nhiều kỹ thuật đại: mạch khuếch đại, tạo dao động điện, vi mạch điện tử bán dẫn, máy thu thanh, vô tuyến truyền hình máy tính Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục CÂU HỎI CHƯƠNG Hãy nêu khái niệm chung bán dẫn Trình bày đặc tính loại bán dẫn nguyên chất bán dẫn tạp chất n n p E IE C _ + IB B E1 _ IC + E2 Hình 5.9 [...]... phân loại vật liệu điện ? Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Phần I : VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN CHƯƠNG1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI Mục đích của việc sử dụng vật liệu cách điện trong kỹ thuật điện là để duy trì khả năng cách điện của chúng trong điện trường Bởi vậy, khi nghiên cứu vật liệu cách điện không thể không xét đến ảnh hưởng của điện môi trong điện trường 1.1.1 Khái niệm về điện trường Sở dĩ các điện tích... trong các chất điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài đặt lên điện môi Dưới tác dụng của lực điện trường F= E.q các điện tích dương cách điện theo chiều điện trường, các điện tích âm cách điện ngược lại Như vậy trong điện môi xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện điện dẫn, dòng điện này phụ thuộc vào mật độ điện tích tự do trong điện môi, dòng điện điện dẫn còn gọi là dòng điện rò (thường... rất nhỏ) Điện dẫn điện môi gồm : - Điện dẫn điện tử : Thành phần mang điện là các điện tử tự do - Điện dẫn ion : Thành phần mang điện là các ion dương và ion âm - Điện dẫn điện ly : Thành phần mang điện là các nhóm các phần tử tích điện, các tạp chất tồn tại trong điện môi 1.3 PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 1.3.1 Hiện tượng phân cực điện môi Khi đưa một thanh điện môi vào trong điện trường của một vật mang điện ,... Phân loại theo trạng thái vật thể - Vật liệu điện theo trạng thái vật rắn - Vật liệu điện theo trạng thái vật lỏng - Vật liệu điện theo trạng thái the khi CÂU HỎI : 1 Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử, phân biệt chất trung tính và chất cực tính ? 2 Trình bày nguyên nhân gây ra những khyết tật trong vật rắn ? 3 Phân loại vật liệu theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất 4 Tính lực hút hướng... điện môi là góc phụ của góc lệch pha ϕ giữa dòng điện i và điện áp u trong điện môi Để đơn giản, ta xét tổn hao điện môi của chất điện môi giữa hai bản cực của một tụ điện Biết hằng số điện môi là ε, tụ được nối vào một điện áp xoay chiều U Khi đó: Dòng điện tích điện cho tụ điện It sẽ gồm hai thành phần (hình 3.2):  Dòng tích điện thực sự, IC sớm pha 900 so với điện áp đặt vào tụ mang tích chất điện. .. THỦNG ĐIỆN MÔI 4.1 Khái niệm về sự đánh thủng điện môi Trong điện môi có lẫn tạp chất có khả năng tạo ra một số điện tử tự do Trong điều kiện bình thường độ dẫn điện của điện môi rất thấp, dòng điện qua điện môi gọi là dòng điện rò, trị số rất bé Khi cường độ điện trường đủ lớn, lực tĩnh điện tác dụng lên điện tử, có thể bứt điện tử ra khỏi mối liên kết với hạt nhân trở thành điện tử tự do Độ dẫn điện. .. tổn hao điện môi * Tổn hao điện môi với điện áp một chiều: Đặt điện áp một chiều lên một đoạn cách điện, sau khoảng thời gian đủ lớn sẽ có dòng điện rò ( I r ) chảy qua điện môi, bao gồm :dòng điện rò khối ( I v ) và dòng điện rò mặt ( I s ) chảy trên bề mặt điện môi: I r = I v + I s = U/ R v + U/ R s = U/R Trong đó : 1/R =1/Rs +1/Rv ; R v: điện trở khối ; R s: điện trở mặt Điện trở khối của điện môi... thương số của lực điện trường tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó 1.1.2 Điện môi Điện môi là những chất không không dẫn điện vì trong điện môi không có hoặc có rất ít các điện tích tự do Hằng số điện môi: từ công thức D = ε.ε0.E (3-2) D: là cảm ứng điện thường gọi là véc tơ dịch chuyển điện tích E: là điện trường ε: là hằng số điện môi ε0: hằng số điện môi trong... các điện tử trong các dạng phân cực khác của điện môi Đối với điện áp một chiều dòng I c chỉ có khi đóng hoặc ngắt điện Đối với điện áp xoay chiều nó tồn tại liên tục Vậy tổng dòng điện trong điện môi: I=Ir+ Ic Độ dẫn điện của điện môi còn phụ thuộc vào trạng thái điện môi: khí, lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc lâu dài dưới điện áp 2.2 Tính dẫn điện của điện môi khí Khi điện. .. của điện môi tăng lên Dòng điện qua điện môi tăng lên đột ngột, điện môi trở thành vật dẫn Đó là hiện tượng đánh thủng cách điện Cường độ điện trường đủ để gây ra hiện tượng đánh thủng điện môi gọi là cường độ đánh thủng Eđt Điện môi có Eđt càng lớn thì độ bền cách điện càng tốt Vì thế cường độ đánh thủng được gọi là độ bền cách điện Cường độ đánh thủng của điện môi phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu