Bài giảng Vật liệu điện, điện tử

Bộ lao động thương binh xà hội Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định tập giảng VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Mã số: TB2013-03-10 Ban biên sọan: Th.S Trần Thị Hiền Th.S Đào Thị Hằng Nam định, 2013 M U Chỳng ta ang sng giai đoạn mở đầu văn minh thông tin Một văn minh chuyển động với tốc độ siêu âm vũ trụ, mở chân trời bao la phát triển kỳ diệu Trong nghiệp phát triển cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước, nhiệm vụ điện khí hóa đóng vai trị quan trọng Là người kỹ sư muốn nắm vững chun mơn khơng thể khơng có kiến thức đầy đủ vật liệu nói chung vật liệu điện - điện tử nói riêng Khái niệm vật liệu điện - điện tử hiểu theo nghĩa ứng dụng, bao gồm toàn loại vật liệu trạng thái rắn, lỏng, khí sử dụng kỹ thuật điện điện tử Thí dụ dây dẫn điện, loại điện trở, cầu dao, tụ điện, loại cách điện, bóng điện thắp sáng, linh kiện bán dẫn, vi mạch loại linh kiện sử dụng lĩnh vực đời sống kỹ thuật Như vật liệu điện - điện tử đa dạng, chúng có nguồn gốc hóa học phương pháp chế tạo khác Tuy nhiên, chúng có đặc điểm chung tính chất (tính chất từ, tính dẫn điện, tính chịu nhiệt, độ bền học, hóa già sử dụng ) phụ thuộc nhiều vào cấu tạo bên vật chất Để sử dụng vật liệu lĩnh vực cơng tác mình, người kỹ sư cần cung cấp kiến thức tối thiểu mối quan hệ phụ thuộc tổ chức tính chất Ngồi tính đa dạng phong phú chủng loại, nên việc nhận biết sử dụng vật liệu điện trường hợp cụ thể đòi hỏi hiểu biết định Tập giảng "Vật liệu điện - điện tử" biên soạn phù hợp với chương trình Vật liệu điện - điện tử trường ĐHSPKT Nam Định nhằm cung cấp kiến thức vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn, vật liệu dẫn điện vật liệu dẫn từ cho sinh viên ngành điện trường đại học kỹ thuật Tập giảng đề cập đến vấn đề sau: - Trình bày cấu tạo chung vật liệu điện, phân loại vật liệu điện theo công dụng, thành phần cấu tạo đặc tính chúng - Giới thiệu tính chất đặc trưng, tiêu kỹ thuật vật liệu điện, cách phân loại chúng (theo cơng dụng, thành phần tính chất), làm sở cho việc lựa chọn sử dụng vật liệu điện thuận lợi, hiệu - Nêu lên tính chất chủ yếu loại vật liệu điện ứng dụng chúng ngành kỹ thuật điện, điện tử Trong nghiên cứu tập giảng thời gian có hạn hiểu biết cịn hạn chế mong góp ý thầy quan tâm đến nội dung tập giảng để tập giảng hoàn thiện Nhóm tác giả i Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Mục lục MỞ ĐẦU i CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 1.1 Khái niệm chung 1.2 Cấu tạo chung vật liệu điện 1.2.1 Cấu tạo nguyên tử 1.2.2 Các mối liên kết vật liệu điện 1.3 Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn 1.3.1 Phân vùng lượng vật rắn 1.3.2 Phân loại vật liệu theo thuyết phân vùng lượng CÂU HỎI CHƯƠNG 11 CHƯƠNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 12 2.1 Khái quát vật liệu cách điện 12 2.1.1 Khái niệm 12 2.1.2 Phân loại vật liệu cách điện 12 2.1.3 Tính chất chung vật liệu cách điện 14 2.2 Sự phân cực chất điện môi 24 2.2.1 Hiện tượng phân cực 24 2.2.2 Các dạng phân cực 25 2.2.3 Hằng số điện môi 27 2.3 Tính dẫn điện chất điện mơi 28 2.3.1 Điện dẫn điện môi 28 2.3.2 Sự hình thành dịng điện điện mơi 30 2.3.3 Tính dẫn điện điện mơi 31 2.4 Tổn hao điện môi đánh thủng điện môi 33 2.4.1 Tổn hao điện môi 33 2.4.2 Các dạng tổn hao điện môi 35 2.4.3 Sự phóng điện chất điện mơi 38 2.5 Vật liệu cách điện thể khí 40 2.5.1 Tính chất 40 2.5.2 Một số điện mơi khí chủ yếu 40 2.6 Vật liệu cách điện thể lỏng 42 2.6.1 Tính chất 42 2.6.2 Một số điện môi lỏng thường dùng 42 2.7 Vật liệu cách điện thể rắn 48 2.7.1 Vật liệu cách điện dạng sợi 48 2.7.2 Giấy chất chế phẩm từ giấy 49 2.7.3 Nhựa cánh kiến, mica 51 ii Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) 2.7.4 Vật liệu gốm sứ .54 2.7.5 Thuỷ tinh 56 2.7.6 Cao su - Cao su tổng hợp 57 2.7.7 Nhựa, nhựa tổng hợp .59 2.7.8 Sơn cách điện hợp chất sơn cách điện 63 2.8 Sử dụng vật liệu cách điện 65 2.8.1 Các nhóm cách điện .65 2.8.2 Cách điện máy biến áp 65 2.8.3 Cách điện máy điện quay 70 2.8.4 Cách điện khí cụ điện 74 2.8.5 Cáp sợi quang .81 CÂU HỎI CHƯƠNG 87 CHƯƠNG VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN .88 3.1 Khái quát vật liệu dẫn điện 88 3.1.1 Định nghĩa .88 3.1.2 Phân loại 88 3.1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn điện 89 3.2 Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 95 3.2.1 Đồng hợp kim đồng 95 3.2.3 Kẽm (Zn-Zinic) .104 3.2.4 Sắt (Fe-Ferrum) .108 3.2.5 Magiê (Mg - Magnesium) 109 3.2.6 Vonfram (W- Wolfram) .110 3.2.7 Niken (Ni) .111 3.2.8 Môlipđen (Mo - Molybdenum) 113 3.2.9 Platin (Pt- Platium) 114 3.2.10 Bạc (Ag - Argentium) 115 3.2.11 Vàng (Au- Autrum) .116 3.2.12 Chì (Pb-Plumbum) .117 3.2.14 Thuỷ ngân (Hg- Hydrargyrum) 120 3.2.15 Lưỡng kim 122 3.2.16 Sử dụng vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 124 3.3 Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 124 3.3.1 Các loại hợp kim có điện trở cao 124 3.3.2 Các kim loại khác 128 3.4 Các loại vật liệu dẫn điện khác 129 3.4.2 Than kỹ thuật điện 132 3.4.3 Vật liệu siêu dẫn vật liệu dẫn điện 134 iii Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) CÂU HỎI CHƯƠNG 147 CHƯƠNG VẬT LIỆU DẪN TỪ 148 4.1 Khái quát vật liệu dẫn từ (VLDT) 148 4.1.1 Khái niệm chung tính chất vật liệu từ tính 148 4.1.2 Chu trình từ hố vật liệu sắt từ 154 4.2 Vật liệu sắt từ mềm 156 4.2.1 Khái niệm 156 4.2.2 Vật liệu sắt từ mềm tần số thấp 157 4.2.3 Vật liệu sắt từ mềm cao tần 161 4.2.4 Các loại sắt thép sử dụng chế tạo máy 165 4.3 Vật liệu sắt từ cứng 166 4.3.1 Khái niệm 166 4.3.2 Thép hợp kim hố tơi đến trạng thái mactenxit 168 4.3.3 Hợp kim từ cứng đúc 168 4.3.4 Nam châm bột 170 4.3.5 Ferrite nam châm cứng 170 4.3.6 Băng từ hợp kim biến dạng dẻo 171 CÂU HỎI CHƯƠNG 173 CHƯƠNG VẬT LIỆU BÁN DẪN 174 5.1 Khái quát vật liệu bán dẫn 174 5.1.1 Định nghĩa 175 5.1.2 Chất bán dẫn điện dùng kỹ thuật điện 175 5.2 Điện dẫn vật liệu bán dẫn 194 5.2.1 Điện dẫn vật liệu bán dẫn nguyên chất 194 5.2.2 Điện dẫn vật liệu bán dẫn tạp 197 5.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới điện dẫn chất bán dẫn 199 5.3 Ứng dụng vật liệu bán dẫn kỹ thuật điện, điện tử 202 5.3.1 Diode bán dẫn (đèn bán dẫn cực) 203 5.3.2 Transistor (đèn bán dẫn cực) 203 5.3.3 Pin mặt trời 204 5.3.4 Vật liệu màng mỏng 205 5.3.5 Vi mạch tích hợp 207 CÂU HỎI CHƯƠNG 209 TÀI LIỆU THAM KHẢO 210 iv Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Mục đích chương nhắc lại số kiến thức học phổ thông trung học cấu tạo vật chất trước nghiên cứu vật liệu kỹ thuật điện – điện tử cụ thể 1.1 Khái niệm chung Vật liệu điện - điện tử tất chất liệu dùng để sản xuất thiết bị sử dụng lĩnh vực ngành điện - điện tử Thường phân vật liệu theo đặc điểm, tính chất cơng dụng nó, vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn vật liệu dẫn từ Trong kỹ thuật điện rõ chất dòng điện chuyển rời có hướng điện tích điện trường Do nghiên cứu vật liệu điện - điện tử cần phải nghiên cứu cấu tạo vật liệu, khảo sát tồn hay khơng tồn điện tích vật liệu Trên sở ta phân loại vật liệu điện - điện tử, biết tính chất vật liệu cách điện, dẫn điện, dẫn từ hay bán dẫn đồng thời ta biết ứng dụng loại vật liệu lĩnh vực điện - điện tử 1.2 Cấu tạo chung vật liệu điện 1.2.1 Cấu tạo nguyên tử Nguyên tử phần tử vật chất Mọi vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử theo mơ hình ngun tử Bor Ngun tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương (gồm proton-p norton-n) điện tử mang điện tích âm (electron-e) chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định Nguyên tử phần nhỏ phân tử tham gia phản ứng hố học, ngun tử gồm có hạt nhân lớp vỏ điện tử hình 1.1 Hạt nhân nguyên tử gồm có hạt proton norton Vỏ nguyên tử Hạt nhân Hình 1.1 Cấu tạo nguyên tử Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Proton mang điện tích dương với số lượng điện tích Z.q Trong đó: q - Điện tích điện tử, qe = 1,601.10-19 C Z - Số điện tử nguyên tử số thứ tự nguyên tố nguyên tử bảng tuần hoàn Mendeleev Norton hạt không mang điện Tuỳ theo mức lượng mà điện tử xếp thành lớp Ở điều kiện bình thường, nguyên tử trung hoà điện, tức là: (+)hạt nhân = (-)e Khối lượng e nhỏ: me = 9,1.10-31 kg Thí nghiệm cho thấy khối lượng hạt nhân gấp 1850 lần khối lượng điện tử, khối lượng nguyên tử tập trung hạt nhân Bình thường nguyên tử trạng thái trung hoà điện, số điện tích dương hạt nhân số điện tích âm điện tử nguyên tử Nguyên tử bị vài điện tử tạo thành ion dương, ngược lại nguyên tử nhận thêm điện tử tạo thành ion âm Nguyên tử hay nhận thêm điện tử ngun tử bị ion hố bị kích thích Điều có nghĩa nguyên tử nhận thêm phát lượng Để có khái niệm lượng điện tử, xét trường hợp đơn giản nguyên tử hydro, theo bảng tuần hoàn Mendeleev, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử e - e r Hình 1.2 Mơ hình ngun tử H Xét trường hợp đặc biệt điện tử chuyển động quỹ đạo trịn có bán kính r bao quanh hạt nhân hạt nhân điện tử e có lực: Lực hút (lực hướng tâm) hạt nhân: Và lực ly tâm chuyển động trịn: Trong đó: F1 = F2= q2 (N) r2 mv (N) r m - Khối lượng điện tử (kg) v - Vận tốc dài chuyển động tròn (m/s) Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) (1-01) (1-02) Ở trạng thái trung hoà, hai lực cân bằng: F1=F2 => v  Từ xác định động Wđ = Do điện tử có trị số là: q2 mr (1-03) mv q m q   mr 2r (1-04) q2 r (1-05) Wt =  Nên lượng điện tử bằng: W = Wđ + Wt =  q2 2r (1-06) Như : Mỗi điện tử nguyên tử tương ứng với mức lượng định để di chuyển tới quỹ đạo xa phải cấp lượng cho điện tử Ví dụ : Khi di chuyển điện tử từ quỹ đạo bán kính r xa vơ phải tốn lượng lớn q2 2r Mức lượng cung cấp cho điện tử đạt giá trị để điện tử tách rời nguyên tử trở thành điện tử tự do, đồng thời thân nguyên tử biến thành ion dương, mức lượng gọi mức lượng ion hố, ngun tử gọi nguyên tử bị ion hoá Năng lượng ion hoá tương ứng với điện tử quỹ đạo khác nguyên tử khác Điện tử lớp vỏ ứng với mức lượng ion hoá thấp nhất, điện tử gọi điện tử hố trị chúng thực liên kết hoá học với nguyên tử nguyên tố khác Khi điện tử nhận lượng bé mức lượng ion hố, điện tử di chuyển tới quỹ đạo xa hạt nhân Ta nói nguyên tử trạng thái bị kích thích, mức lượng gọi mức lượng kích thích Khi khơng cịn bị kích thích ngun tử quay trạng thái ổn định, điện tử nhanh chóng trở trạng thái ổn định ban đầu Kết luận: Khảo sát cấu tạo nguyên tử cho biết tồn xuất hay điện tử ngun tử (kích thích, ion hố) để hình thành ion dương ion âm Đây yếu tố hình thành dịng điện vật liệu Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) 1.2.2 Các mối liên kết vật liệu điện Là phần nhỏ chất trạng thái tự mang đầy đủ đặc điểm, tính chất chất đó, phân tử nguyên tử kiên kết với liên kết hoá học Vật chất cấu tạo từ nguyên tử, phân tử ion theo dạng liên kết sau: a Liên kết đồng hoá trị Phân tử tạo thành nguyên tử liên kết với điện tử góp chung Điều có nghĩa số điện tử tạo thành chung cho nguyên tử tham gia liên kết hình thành phân tử Khi mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững Ví dụ : Phân tử Clo hình thành mối liên kết hai nguyên tử Clo, mà nguyên tử Clo có 17 điện tử (số thứ tự 17), xếp thành lớp (chu kỳ III), lớp ngồi có điện tử (7 điện tử hoá trị) Hai nguyên tử Clo liên kết bền vững với cách sử dụng chung điện tử, lớp vỏ nguyên tử bổ xung thêm điện tử nguyên tử (hình 1.3) Cl + Cl Cl Cl Hình 1.3 Liên kết đồng hóa trị phân tử Clo Phân tử liên kết đồng hố 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 Tuỳ theo cấu trúc phân tử đối xứng hay không đối xứng mà chia phân tử thành loại: - Phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dương phân tử khơng phân cực hay cịn gọi phân tử trung tính Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính - Phân tử mà trọng tâm điện tích âm cách trọng tâm điện tích dương khoảng l phân tử phân cực hay gọi phân tử cực tính Để đặc trưng cho phân cực người ta dùng mô men lưỡng cực   Pe  q.l (1-07) Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Trong đó: q- Điện tích l- Khoảng cách trọng tâm điện tích dương trọng tâm điện tích âm (có chiều –q đến +q có độ lớn l) Dựa vào trị số mômen lưỡng cực phân tử người ta chia thành chất cực tính yếu chất cực tính mạnh Những chất cấu tạo phân tử cực tính gọi chất có cực tính Liên kết đồng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ nguyên tử, ví dụ kim cương b Liên kết ion Liên kết ion sinh ion dương ion âm tác dụng lực Coulomb với trị số: F  B r2 (1-08) B: Hệ số tỷ lệ r: Khoảng cách hai ion Liên kết xảy nguyên tử nguyên tố hoá học có tính chất khác Đặc trưng cho dạng liên kết ion liên kết gữa 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 (vì Na có electron lớp ngồi dễ nhường 1electron 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, tsơi < 14500C Hình 1.4 Mơ hình mạng tinh thể NaCl Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Bảng 5.7 Các nguyên tố bán dẫn bề rộng vùng cấm Thuộc nhóm (bảng tuần hoàn Mendeleev) Nguyên tố Bề rộng vùng cấm (eV) Bo III 1,1 Silic IV 1,12 Giecmani IV 0,72 Phot V 1,5 Asen V 1,2 Lưu huỳnh VI 2,5 Selen VI 1,7 Telua VI 0,36 Iot VII 1,25 Theo sơ đồ lượng bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T vùng dẫn có vài điện tử chuyển qua tạo nên vùng trị hóa số lỗ trống Vì 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 vùng dẫn: n0i = Poi; noi + P oi = 2noi (5-01) Chỉ số i nồng độ điện tử lỗ trống – ký hiệu hạt mang điện tử bán dẫn thuần, trường hợp điện dẫn suất bằng: γ = en oiu n+ ePoiup (5-02) Do có q trình kích thích kết hợp, số nhiệt độ xác định nồng độ hạt mang điện cân Nồng độ điện tử :  noi = 2Ntd e W KT (5-03) nồng độ lỗ trống bằng: P0i = 2Nht e  W KT 196 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) (5-04) Ở ∆w- bề rộng vùng cấm bán dẫn; Ntđ, Nht – số mức đơn vị thể tích bán dẫn vùng tự (vùng dẫn) vùng trị hóa Hệ số khả mức có hai điện tử Độ linh hoạt điện tử lỗ trống biểu thức (5-02) không Khi chuyển động trường mạng tinh thể điện tử lỗ trống có qn tính khác nghĩa chúng có khối lượng hiệu dụng mn mp khác Thông thường mn < mp Từ ta thấy điện dẫn bán dẫn điện tử có đặc tính điện tử trội chút 5.2.2 Điện dẫn vật liệu bán dẫn tạp Đa số dụng cụ bán dẫn sử dụng kỹ thuật bán dẫn tạp chất Vì vậy, thực tế chất bán dẫn mà nồng độ hạt mang điện có giá trị đủ lớn nhiệt độ cao tốt, nghĩa bán dẫn có vùng cấm đủ lớn loại có ý nghĩa quan trọng Trong khoảng độ làm việc, nguồn cung cấp hạt dẫn điện tự tạp chất Nếu tạp chất bán dẫn nguyên tử kim loại, bán dẫn tạp chất hóa học khơng phải ngun tử khác loại mà nguyên tử thừa ngun tố có thành phần hợp thức Ngoài ra, tất khuyết tật mạng tinh thể: nút khuyết, nguyên tử hay ion nằm nút, biến vị hay lệch phát sinh biến dạng dẻo tinh thể, khe nứt vi mô v.v… coi tạp chất Nếu nguyên tử tạp chất nằm nút mạng tinh thể gọi tạp chất thế, nằm nút gọi tạp chất xen kẽ Những tạp chất đưa vào dải dẫn lấy điện tử từ vùng hóa trị chất bán dẫn – tạp chất cho nhận Hạt mang điện có nồng độ lớn chất bán dẫn gọi hạt mang điện bản, hạt có nồng độ nhỏ không vậy, bán dẫn loại n, “điện tử” hạt mang điện bản, “lỗ trống” mang điện không Trong bán dẫn loại p ngược lại, hạt dẫn điện “lỗ trống”, hạt không “điện tử” Điện dẫn bán dẫn tạp đòi hỏi lượng tác động nhỏ bán dẫn nguyên chất (0,01eV – 0,10eV), tạo nhiệt độ thấp so với bán dẫn nguyên 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 197 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) 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 * Bán dẫn tạp chất loại N (tạp chất cho) Khi pha vật liệu bán dẫn nguyên chất (Gecmani Silic) thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hoàn kết hợp với nguyên tố photpho (P) thuộc nhóm V bảng hệ thống tuần hồn photpho (P) có điện tử hố trị lớp ngồi Như điện tử hoá trị photpho (P) liên kết với điện tử hoá trị bán dẫn nguyên chất, thừa điện tử hố trị photpho (P) hình thành nên điện tử tự gọi ion âm (-), ion chuyển động ngược chiều với lực tác dụng điện trường Hình 5.13 Chất bán dẫn loại N * Bán dẫn tạp chất loại P (tạp chất nhận) Giả sử ta pha vật liệu bán dẫn nguyên chất (Gecmani Silic) thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hồn với ngun tố Indium (In) thuộc nhóm III Indium (In) có điện tử hố trị lớp ngồi Do điện tử hố trị Indium (In) kết hợp với điện tử hoá trị bán dẫn ngun chất tạo thành nối hóa trị cịn thiếu điện tử hố trị bán dẫn 198 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Hình 5.14 Chất bán dẫn loại P Điện tử nguyên tử bên cạnh dễ dàng nhảy vào lỗ trống tạo thành lỗ trống mới, 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, cịn lỗ trống chuyển dịch chiều điện trường Ta xem lỗ trống tương tự điện tích dương dịng điện chạy chất bán dẫn dòng lỗ trống chuyển động Chất bán dẫn gọi chất bán dẫn loại p hay bán dẫn lỗ trống 5.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới điện dẫn chất bán dẫn a Điện dẫn chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ Điện dẫn suất vật liệu bán dẫn tinh khiết tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ Sự tăng điện dẫn suất bán dẫn thực tế gây tăng nồng độ hạt dẫn điện với nhiệt độ Nguyên tắc hoạt động linh kiện bán dẫn dựa dẫn điện tạp chất nên dẫn điện riêng phá hủy trình làm việc bình thường linh kiện Như nhiệt độ tương ứng với điểm nhiệt độ làm việc tối đa linh kiện bán dẫn loại n, tăng mật độ tạp chất đoạn tương ứng với dẫn điện tạp chất bán dẫn dịch chuyển lên Khi mật độ tạp chất đủ lớn lượng ion hóa tạp chất tiến Bán dẫn gọi bán dẫn suy biến (bán kim loại) 199 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Hình 5.15 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ ni , pi Si ,Ge, GaAs lnn n1 1/T Hình 5.16 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ mật độ electron bán dẫn Điện dẫn suất vật liệu bán dẫn loại n xác định bằng: σ = e.nμn Trong n mật độ electron bán dẫn Khi nhiệt độ thấp, với tăng nhiệt độ (nghĩa tăng lượng nhiệt) mật độ eletron tăng ion hoá donor (đoạn 1-2) Độ dốc đoạn đặc trưng cho lượng ion hóa tạp chất 200 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) Tiếp tục tăng nhiệt độ, nồng độ electron tự gần khơng tăng (đoạn 2- 3) lúc tất tạp chất bị ion hố, cịn xác suất ion hố bán dẫn riêng nhỏ Hai đoạn 1-2 2-3 dẫn điện tạp chất bán dẫn Khi nhiệt độ tăng tương đối cao (đoạn sau điểm 3) nồng độ hạt điện tích tự tăng mạnh với nhiệt độ vượt qua vùng cấm electron vùng hóa trị vào vùng dẫn Độ nghiêng đoạn đặc trưng cho độ rộng vùng cấm bán dẫn Nhiệt độ mà bắt đầu xuất dẫn điện riêng nhỏ độ rộng vùng cấm bán dẫn nhỏ b Điện dẫn chất bán dẫn phụ thuộc vào cường độ điện trường bên Điện dẫn chất bán dẫn phụ thuộc vào cường độ điện trường, mối quan hệ biểu diễn hình 5.18 γ T1> T2 T1 T2 γ0 EK E Hình 5.17 Sự phụ thuộc điện dẫn vào cường độ điện trường điều kiện nhiệt độ khác (T 1> T 2) Khi cường độ điện trường nhỏ (E < EK) quan hệ điện dẫn điện trường theo định luật Ohm điện dẫn khơng phụ thuộc vào cường độ điện trường Nếu cường độ điện trường (E > EK) điện dẫn tăng nhanh theo hàm số mũ phá hủy kết cấu chất bán dẫn Đối với nhiều bán dẫn quan hệ điện dẫn suất với cường độ điện trường biểu diễn cơng thức: γ = γ0 eβ E (5-10) Ở : γ0 - điện dẫn suất bán dẫn E < EK β - hệ số đặc trưng cho chất bán dẫn Khi điện trường thấp (E < Eth) quan hệ γ = f(E) tuân theo định luật Ohm điện dẫn không phụ thuộc vào cường độ điện trường, cường độ trường lớn, điện dẫn bắt đầu tăng nhanh theo quy luật hàm số mũ dẫn tới phá hủy cấu trúc bán dẫn 201 Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/) c Điện dẫn chất bán dẫn phụ thuộc vào chiếu sáng - Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn điện tử vùng đầy lên vùng tự tham gia dẫn điện làm cho điện dẫn phụ thuộc vào cường độ trường Quan hệ điện dẫn suất bán dẫn với độ chiếu sáng Đường cong tuân theo phương trình: γ = B.Lx (5-11) Ở đây: B - Hằng số đặc trưng cho bán dẫn; L – Cường độ chiếu sáng; x – Chỉ số nằm khoảng < x