- Khởi động bằng khơng khí nén: dùng cho động cơ tĩnh tại và
5. Trang bị điện bán dẫn trên ôtô
5.1. Sơ lợc về các chất bán dẫn:
Các chất trong tự nhiên, theo tính dẫn điện, đợc chia ra thành:
+ Các chất dẫn điện: có tính dẫn điện cao (nh các kim loại), độ
dẫn điện riêng lớn σ = 105...106 (Ω.cm)-1.
+ Các chất cách điện hay điện mơi: có tính dẫn điện thấp, độ dẫn
điện riêng nhỏ σ < 10-14 (Ω.cm)-1.
+ Những chất còn lại: có tính dẫn điện biến đổi trong giới hạn
rộng, phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài, nh: nhiệt độ, áp suất, ánh sáng và
tác dụng của các trờng, ... Nên không thể xếp vào hai loại trên mà chiếm vị trí
trung gian, đợc gọi là các chất bán dẫn. Độ dẫn điện riêng của các chất này có thể thay đổi trong giới hạn σ = 10-10...104 (Ω.cm)-1.
Có nhiều chất bán dẫn khác nhau, nhng để chế tạo các linh kiện bán dẫn ngời ta thờng sử dụng Gecmani (Ge) và Silíc (Si).
Hai nguyên tố này thuộc nhóm 4 trong bảng tuần hồn Menđêlêép, tức là ở đám mây điện tử vịng ngồi, mỗi ngun tử của chúng có 4 điện tử hố trị.
Trong mạng tinh thể, các nguyên tử sẽ góp chung những điện tử này với 4 nguyên tử khác bên cạnh để tạo thành liên kết cặp điện tử (hình 5.1).
Nh vậy,trong Gécmani và Silíc thuần khiết ở nhiệt độ bình thờng hầu nh khơng có điện tử tự do, vì tất cả các điện tử ở vành ngoài đều đã tham gia vào liên kết cặp điện tử. Trong các điều kiện nh vậy, Ge và Si giống nh chất điện môi - chúng không dẫn điện.
Nhng dới tác dụng của nhiệt độ, ánh sáng hay các yếu tố khác:
động năng của các điện tử tăng lên, một số thắng đợc lực hút, tách ra khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do. Khi có điện trờng tác dụng, các điện tử tự do này sẽ
Trang bị điện và điện tử trên ôtô Biên soạn : TS. Nguyễn Hồng Việt
136
Hình 5.1. Liên kết cặp điện tử trong mạng tinh thể Gécmani.
chuyển động có hớng tạo thành dòng điện. Chất bán dẫn lúc này trở nên dẫn điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn có đợc nhờ chuyển động có hớng của các điện tử đợc gọi là tính dẫn điện điện tử hay tính dẫn điện loại n (negative - âm).
Nguyên tử bán dẫn khi mất điện tử trở thành iơng dơng hay cịn gọi là "lỗ trống" để nhấn mạnh rằng trong nó cịn thiếu một điện tử. Rõ ràng trong chất bán dẫn thuần khiết, dịng điện tử chuyển động có hớng sẽ tạo nên một dòng "lỗ trống" chuyển động theo chiều ngợc lại. Q trình này có thể minh hoạ nh trên hình 5.2.
Tính dẫn điện có đợc nhờ chuyển động của các lỗ trống đợc gọi là tính dẫn điện lỗ trống hay tính dẫn điện loại p (positive - dơng).
Trong chất bán dẫn thuần khiết, số lỗ trống bằng số điện tử tự do nên tính dẫn điện điện tử và lỗ trống của nó cũng bằng nhau và đợc gọi là tính dẫn
điện riêng. Tính dẫn điện riêng của chất bán dẫn rất nhỏ, vì trong điều kiện bình
thờng, số điện tử tự do trong chất bán dẫn rất ít.
Tuy vậy, nếu ta cho vào chất bán dẫn một lợng nhỏ tạp chất đặc biệt nào đó thì sự cân bằng giữa số lợng điện tử và lỗ trống bị phá huỷ và chất bán dẫn sẽ có hoặc tính dẫn điện điện tử hoặc tính dẫn điện lỗ trống mạnh hơn ngay ở nhiệt độ bình thờng.
Tạp chất tạo nên tính dẫn điện điện tử đợc gọi là tạp chất cho, còn tạp chất tạo nên tính dẫn điện lỗ trống đợc gọi là tạp chất nhận.
Ví dụ: khi cho một lợng nhỏ ăngtimon (Sb), Asen (As) hay Phốt pho (P) vào Gécmani hay Silíc, thì do các tạp chất này có 5 điện tử hố trị cịn Ge và Si chỉ có 4, nên khi các điện tử liên kết với nhau theo cặp thì điện tử thứ 5 bị thừa (hình 5.3a) và có thể dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử thành điện tử tự do ngay ở điều kiện nhiệt độ bình thờng.
Trang bị điện và điện tử trên ôtô Biên soạn : TS. Nguyễn Hồng Việt
137
Hình 5.2. Q trình chuyển
động của điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn thuần khiết. Hình 5.3. Sơ đồ tạo thành tính dẫn điện điện tử (a) và tính dẫn điện lỗ trống (b) của các chất bán dẫn. 1- Nguyên tử chất bán dẫn; 2- Nguyên tử tạp chất; 3- Điện tử thừa; 4- Lỗ trống.
Dới tác dụng của điện trờng, chúng sẽ chuyển động có hớng tạo nên dòng điện. Nh vậy SB, As và P là các tạp chất cho và điện tử trong trờng hợp
này là phần tử tải điện cơ bản.
Khi cho vào Ge hoặc Si một lợng nhỏ Inđi (In) là ngun tố có 3 điện tử hố trị, thì khi các điện tử liên kết theo cặp sẽ có một liên kết thiếu điện tử - tức là có 1 lỗ trống (hình 5.3b). Do số lỗ trống nhiều hơn số điện tử tự do nên chất bán dẫn sẽ có tính dẫn điện lỗ trống. Inđi trong trờng hợp này là tạp chất
nhận và lỗ trống là phần tử tải điện cơ bản.
Nếu cho hai loại bán dẫn có tính dẫn điện khác nhau là n và p tiếp xúc với nhau (hình 5.4a), thì do mật độ điện tử và lỗ trống trong các vùng n và p khác nhau, nên các điện tử sẽ khuyếch tán từ n sang p và ngợc lại, các lỗ trống sẽ khuyếch tán từ p sang n.
Quá trình khuyêch tán này làm cho chỗ vùng n tiếp giáp với p có điện thế dơng, cịn chỗ vùng p tiếp giáp với n có điện thế âm và tạo nên một điện trờng (Etg) có chiều nh trên hình vẽ, ngăn cản sự khuyếch tán tiếp tục của các điện tử và lỗ trống. Số điện tử chuyển động sang vùng p và số lỗ trống chuyển động sang vùng n càng nhiều thì điện trờng này càng mạnh, đến một lúc nào đó, nó nh một hàng rào thế ngăn khơng cho q trình khuyếch tán tiếp tục nữa, tạo nên một trạng thái cân bằng động ở vùng tiếp giáp. Trong vùng tiếp giáp, số lợng các phần tử tải điện cơ bản rất ít nên điện trở của nó tăng lên. Vùng có điện trở cao này cịn
đợc gọi là lớp khoá.
Nếu bây giờ nối tiếp giáp p - n với nguồn điện: p - với cực âm, n -
Trang bị điện và điện tử trên ôtô Biên soạn : TS. Nguyễn Hồng Việt
138
Hình 5.4. Tiếp giáp Điện tử - Lỗ trống.
a- Tiếp giáp p-n; b- Tiếp giáp p-n nối với nguồn ngoài (p nối với cực âm, n- cực dương); c- Tiếp giáp p-n nối với nguồn ngoài (p nối với cực dương, n-
với cực dơng (hình 5.4b), thì chiều điện trờng của nguồn (Eng) trùng với chiều điện trờng của lớp tiếp giáp --> làm cho lớp này mở rộng ra, hàng rào thế và lớp khoá tăng lên. Lúc này các lỗ trống từ vùng p và các điện tử từ vùng n càng khó chuyển động vợt qua đợc vùng tiếp giáp nên dịng điện hầu nh khơng có, chỉ có một dịng rất nhỏ do chuyển động của các phần tử tải điện không cơ bản gây ra đợc gọi là dịng bão hồ.
Nếu nối p với cực (+), n với cực (-) của nguồn (hình 5.4c) thì chiều của điện trờng nguồn sẽ ngợc chiều với điện trờng của lớp tiếp giáp. Chiều dày lớp này vì thế thu hẹp lại, hàng rào thế và lớp khoá giảm đi, tạo điều kiện cho các phần tử tải điện cơ bản là điện tử ở vùng n và lỗ trống ở vùng p vợt qua tạo nên dòng điện. Thế hiệu của nguồn càng cao dòng điện đi qua tiếp giáp càng lớn.
Nh vậy, tiếp giáp p - n rõ ràng có tính dẫn điện theo một chiều: chiều thuận là chiều có điện trở nhỏ và cho dịng điện đi qua. Lợi dụng tính chất
đặc biệt đó, ngời ta chế tạo ra hàng loạt các linh kiện bán dẫn có cơng dụng khác nhau.