Chương 2 Chất bán dẫn
2.2. Chất dẫn điện
Chất dẫn điện là loại vật liệu có thể tạo ra dòng điện tích khi có nguồn điện áp đặt ngang qua hai đầu vật liệu.
Chất dẫn điện là vật liệu có độ dẫn điện cao. Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm. Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí.
Ta xét một số tham số của chất dẫn điện: - Điện trở suất :
(2-5) Trong đó:
là điện trở suất, có đơn vị là m, R là điện trở dây dẫn, có đơn vị là , S là tiết diện dây dẫn, có đơn vị là m2, l là chiều dài của dây dẫn, có đơn vị là m.
33
Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m (của bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm).
- Hệ số nhiệt của điện trở suất: Hệ số nhiệt của điện trở suất biểu thị sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10 C. Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất cũng tăng lên theo quy luật:
ρt = ρo(1+ αt) (2-6)
trong đó: ρt - điện trở suất ở nhiệt độ t (0C) ρo - điện trở suất ở nhiệt độ 0 0C
α - hệ số nhiệt của điện trở suất [K-1
]
Để cho kim loại nguyên chất thì hệ số nhiệt của chúng hầu như đều bằng nhau và bằng:[1]
α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 K-1.
- Nhiệt lượng và hệ số dẫn nhiệt: Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S trong thời gian t là:
(2-7)
Trong đó:
là hệ số dẫn nhiệt, có đơn vị là W/(m.K);
T/l là gradien nhiệt độ (T là lượng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm cách nhau một khoảng /l);
S là diện tích bề mặt; T là thời gian.
- Công thoát khỏi bề mặt của điện tử trong kim loại: Năng lượng cần thiết cấp thêm cho điện tử để nó thoát ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là công thoát của kim loại EW.
- Điện thế tiếp xúc: Xét hai chất kim loại tiếp xúc nhau tại điểm C như hình 2.1. Hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại này được xác định là sự chênh lệch thế năng EAB giữa điểm A và B và được tính theo công thức:
34
Tương ứng với thế năng EAB (đo bằng eV) ta có điện thế tiếp xúc (đo bằng Vôn), ký hiệunlà VAB và có trị số bằng EAB. Nếu kim loại 1 và 2 giống nhau, điện thế tiếp xúc giữa chúng bằng 0. Nếu hai kim loại khác nhau thì kim loại nào có công thoát thấp hơn trở thành điện tích dương và kim loại có công thoát cao hơn sẽ trở thành điện tích âm.
Chất dẫn điện được chia làm hai loại là chất có điện trở suất thấp và chất có điện trở suất cao.
Chất dẫn điện có điện trở suất thấp được dùng làm vật liệu dẫn điện. Bảng 2.3 trình bày một số chất dẫn điện có điện trở suất thấp điển hình.
Bảng 2.3. Chất dẫn điện điện trở suất thấp và các tính chất
Vật liệu [m] [K-1] Tnóng chảy [0C] Tỷ trọng 103Kg/m3 Ứng dụng Bạc (Ag) 0,0165 0,0038 960 10,8 Mạ công tắc, bản cực, ống dẫn sóng…
Đồng đỏ (Cu) 0,0175 0,0043 1080 8,96 Dây dẫn, chân cực linh kiện, ống dẫn sóng…
Hợp kim đồng
0,030÷0,06 0,002 900 lá tiếp xúc,dây điện thoại, dây điện trở…
Nhôm (Al) 0,0267 0,0045 660 2,7 Dây dẫn, điện cực, vỏ tụ…
Thiếc (Sn) 0,115 0,0042 230 7,3 hàn
Chì (Pb) 0,21 0,004 330 11,4 Cầu chì, vỏ cáp, acqui axit. Vonfram (W) 0,055 2500 19,31 Sợi nung, công tắc, điện cực…
Hình 2.1. Hai kim loại tiếp xúc nhau tại vị trí C.
35
Moliden (Mo) 0,057 1500 10.2 Sợi nung, công tắc, điện cực…
Niken (Ni) 0,078 1450 8,9 Sợi nung, công tắc, điện cực …
Vàng (Au) 0,024 19,31 Dây dẫn cao tần, chân vi mạch,
ống dẫn sóng…chống ăn mòn
Bạch kim (Pt) 0,105 Tiếp điểm, chất dẫn điện, đồng
hồ đo điện...
Các hợp kim có điện trở suất cao dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện, các điện trở, biến trở, các dây may so, các thiết bị nung nóng bằng điện.
Bảng 2.4. Chất dẫn điện điện trở suất cao và các tính chất
Vật liệu [m] [K-1] Tnóng chảy
[0C]
Tỷ trọng
103Kg/m3
Ứng dụng
Manganhin 0,42 ÷ 0,48 0,00005 1200 8,4 Điện trở mẫu, dụng cụ đo điện
Constantan 0,48 ÷ 0,52 0,00005 1270 8,9 Biến trở, sợi đốt
Nicrôm 1 ÷ 1,2 0,00015 1400 8,2 Sợi nung, mỏ hàn, bếp điện, bàn
là…
Cacbon (C) 0,28 ÷ 3,5 0,00004 1400 Điện trở, chất bôitrơn,
micrôphôn…