Bài giảng Vật kiệu kỹ thuật điện - Chương 9: Vật liệu bán dẫn

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 điện tử mà trị số điện trở suất của chúng ở nhiệt độ bình thường nằm trong khoảng giữa điện trở suất của vật dẫn và điện môi. - Các chất bán dẫn có hai loại điện dẫn là điện dẫn “điện tử: (n) và điện dẫn “điện tử - lỗ” (p) cho nên ta có thể tạo ra các sản phẩm bán dẫn với tiếp giáp p-n. - Ứng dụng của nó: + Dùng làm chỉnh lưu công suất lớn cũng như công suất nhỏ, khuếch đại và phát sóng. + Dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng điện trở với hiệu suất tương đương, đôi khi cao hơn các 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 trong đèn inhitron để đo cường độ từ trường nó có thể làm bộ chỉ báo phóng xạ.v.v - Phân loại: gồm bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hoá học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ trường và bán dẫn lỏng - Các dụng cụ chế tạo bằng vật liệu bán dẫn có ưu điểm: + Thời gian làm việc lâu dài + Kích thước và trọng lượng nhỏ; + Cấu trúc đơn giản và chắc chắn, độ bền cơ tốt + Chỉnh lưu bằng bán dẫn thay thế đèn điện tử, không cần máy biến áp đốt, công suất tiêu thụ ít và có quán tính nhỏ. + Có thể sản xuất hàng loạt theo dây truyền tự động đem lại hiệu quả kinh tế cao. 9.2. ĐIỆN DẪN CỦA BÁN DẪN 9.2.1. Các bán dẫn thuần Bán dẫn thuần không được pha với các chất khác có nồng độ điện tử ( e ) và nồng độ lỗ trống ( các ion dương ) bằng nhau Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Ge và Si thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Có năng lượng cấm lần lượt là 0.72 eV và 1.12 eV 9.2.2 Bán dẫn tạp - Đa số dụng cụ bán dẫn trong kỹ thuật là bán dẫn tạp chất. - Tạp chất trong chất bán dẫn thuần là các nguyên tử kim loại - Tạp chất trong chất bán dẫn hợp nhất hoá học không chỉ là nguyên tử khác loại mà còn là nguyên tử thừa của chính nguyên tố có trong thành phần hợp thức. - Tất các các khuyết tập trong mạng tinh thể: nút khuyết, nguyên tử hay ion nằm giữa các nút, cũng được gọi là tạp chất. oi n oi pγ = e.n .k + e.p .k - Các nguyên tử tạp chất nằm ở nút của mạng tinh thể nó được gọi là tạp chất thế, nằm ở giữa các nút là tạp chất xen kẽ. - Bán dẫn có tạp chất có nồng độ điện tử lớn hơn nồng độ lỗ gọi là bán dẫn loại N, còn tạp chất đưa điện tử vào dải dẫn gọi là tạp chất cho. - Bán dẫn có tạp chất có nồng độ lỗ lớn hơn nồng độ điện tử gọi là bán dẫn loại P, còn tạp chất chiếm điện tử từ dải hoá trị của bán dẫn gốc gọi là tạp chất nhận. - Hạt mạng điện có nồng độ lớn hơn trong chất bán dẫn gọi là hạt cơ bản, còn hạt có nồng độ nhỏ hơn là không cơ bản. Vậy trong bán dẫn loại N thì điện tử là hạt mang điện cơ bản còn lỗ trống mang điện không cơ bản. Trong bán dẫn loại P thì ngược lại. Chất bán dẫn loại P Để tạo thành vật liệu kiểu p, tạp chất, thường là Gali, Indi hoặc Bore được bổ sung vào tinh thể Si hoặc Ge. Các tạp chất này có hóa trị 3, nghĩa là có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng. Khi Gali hoặc B, Indi được đưa vào tinh thể Si hoặc Ge (hóa trị 4), sẽ thiếu một điện tử hóa trị, tạo thành lỗ và có điện tích dương, tạp chất tạo lỗ được gọi là tập chất nhận Chất bán dẫn loại N Để tạo thành vật liệu kiểu n, tạp chất, thường là Arsen hoặc Antimony được bổ sung vào tinh thể Si hoặc Ge, các tạp chất này có hóa trị 5, khi được đưa vào sẽ thừa một điện tử tự do, điện tử này tạo ra điện tích âm trong nguyên tử, do đó được gọi là tập chất cho Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn. Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn. Thuận Ngược Transistor Cách xác định các chân tranzito - Tìm cực B Cho que đen (+Pin) vào 1 chân dịch que đỏ 2 chân còn lại: +Nếu thông hết thì chân đặt que đen là cực B và thứ tự các chân là BCE và đây là tranzito NPN, +Nếu không thông, thì để que đỏ (-Pin) cố định dịch que đen (+Pin) các chân nếu thông thì chân que đỏ là cực B còn các chân còn lại là CE và đây là loại Tranzito thuận PNP - Nếu tìm được chân B nằm ở giữa thì tìm cực C và E như sau: + Nếu loại PNP: Đặt que đen (+Pin) 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 nguyên lý hoạt động của Thyristor Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận và một Transistor ngược ( như sơ đồ tương đương ở trên ) . Thyristor có 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K- G, 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 ban đầu kim không lên , dùng Tovit chập chân A vào chân G =>thấy đồng hồ lên kim , sau đó bỏ Tovit ra => đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt 9.2.3. Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến điện dẫn của chất bán dẫn. 1- Nhiệt độ + Hệ số nhiệt của điện trở suất bán dẫn: 2. Cường độ điện trường bên ngoài + Khi điện trường thấp (E < E tb) quan hệ = f(E) tuân theo định luật ôm + Khi E lớn điện dẫn bắt đầu tăng nhanh theo quy luật hàm số mũ dẫn tới phá huỷ cấu trúc của bán dẫn W 2kTρ = A.e ρ 2 b TK = - T β E oγ = γ e γ0 - điện dẫn suất bán dẫn khi E < Etb; β - hệ số đặc trưng cho từng bán dẫn. 3. Ảnh hưởng của độ chiếu sáng γ = B.Lx B - hằng số đặc trưng cho mỗi bán dẫn, L - độ chiếu sáng; x - trị số nằm trong khoảng : 0 <x < 1 4. Sự biến dạng cơ cũng làm điện dẫn suất của bán dẫn biến đổi vì sự tăng hay giảm khoảng cách giữa các nguyên tử làm thay đổi nồng độ và độ linh hoạt của các hạt dẫn 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 650 – 7000C thành giécmani. + Có thể điều chế từ GeCl4 bằng cách phân tích hợp chất này ở nhiệt độ cao trong hơi kẽm. + Bột giécmani được rửa trong dung dịch axit và đúc thành thỏi. Và nó dùng để điều chế giécmani đặc biệt tinh khiết bằng phương pháp nóng chảy phân vùng hay điều chế trực tiếp đơn tinh thể bằng phương pháp kéo nóng chảy - Để sản xuất dụng cụ bán dẫn thỏi giécmani được cắt thành phiến mỏng, bề mặt của các phiến được tẩy rửa để loại trừ các 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 −3 Mật độ ở thể lỏng khi đạt nhiệt độ nóng chảy 5,60 g·cm −3 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 −1 Nhiệt lượng bay hơi 334 kJ·mol −1 Nhiệt dung 23,222 J·mol −1 ·K −1 Áp suất hơi Tính chất khác Cấu trúc tinh thể Lập phương dạng kim cương Trạng thái trật tự từ Nghịch từ Điện trở suất (20 °C) 1 Ω·m Độ dẫn nhiệt 60,2 W·m −1 ·K −1 Độ giãn nở nhiệt 6,0 µm/(m·K) Tốc độ truyền âm thanh(thanh mỏng) (20 °C) 5400 m·s −1 Độ cứng theo thang Mohs 6,0 Năng lượng vùng cấm ở 300 K 0,67 eV - Ứng dụng: + Dùng để sản xuất chỉnh lưu dòng điện xoay chiều với các công suất khác nhau, các loại trazito, chế tạo bộ cảm biến sức điện động Holl và các hiệu ứng từ điện để đo cường độ từ trường 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 ngược chiều thì tăng ba lần. Khi làm lạnh đến -50 đến -600C dòng điện thuận chiều giảm 70 -75% - Dụng cụ giécmani cần được bảo vệ chống ẩm của không khí. 9.4.2. Silic (Si) Nó là nguyên tố phổ biến sau ôxy trong vỏ Trái Đất (25,7 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, là á kim, Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên. Nó thường xuất hiện trong các ôxít và silicat. Cát, amêtít, mã não (agate), thạch anh, đá tinh thể, đá lửa, jatpe, và opan là những dạng tự nhiên của silic dưới dạng ôxít. Granit, amiăng, fenspat, đất sét, hoócblen, mica là những dạng khoáng chất silicat Si có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở thể tinh khiết các nguyên tử Si liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị - Quá trình điều chế: + Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng silica siêu sạch trong lò luyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon. Ở nhiệt độ trên 1900 °C, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng – SiO2 + C → Si + CO2 Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội. Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là silic loại luyện kim và nó ít nhất đạt 99% tinh khiết + Khử têtraclorua silic bằng hơi kẽm (SiCl4 ) ở 1000 0C trong môi trường kín. (cho độ tính khiết cao) SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2 Tính chất chung Tên, Ký hiệu, Số Silic, Si, 14 Phiên âm /ˈsɪlɪkən/ SIL-ə-kən or/ˈsɪlɪkɒn/ SIL-ə- kon Phân loại Á kim Nhóm, Chu kỳ, Phân lớp 14, 3, p Khối lượng nguyên tử 28,0855(3) Cấu hình electron [Ne] 3s 2 3p 2 Số electron trên vỏ điện tử 2, 8, 4 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 −3 Mật độ ở thể lỏng khi đạt nhiệt độ nóng chảy 2,57 g·cm −3 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 −1 Nhiệt lượng bay hơi 359 kJ·mol −1 Nhiệt dung 19,789 J·mol −1 ·K −1 Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở 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 3 [ Ω·m Độ dẫn nhiệt 149 W·m −1 ·K −1 Độ giãn nở nhiệt (25 °C) 2,6 µm·m −1 ·K −1 Tốc độ truyền âm thanh(thanh mỏng) (20 °C) 8433 m·s −1 Độ cứng theo thang Mohs 7 Năng lượng vùng cấm ở 300 K 1.12 eV - 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 của các dụng cụ silic phụ thuộc vào mức thuần khiết của vật liệu có thể đến 120 -2000C 9.4.3. Selen (Se) - Selen là nguyên tố nhóm VI được điều chế trong nhà máy sản xuất axít sunfuric khi làm sạch đồng bằng điện phân. Selen có các dạng khác nhau, vô định hình cũng như tinh thể, màu sắc khác nhau. - Điện trở suất của selen giao động trong 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 thức SiCx (x ≈ 1). Cácbít silic trong công thức có: 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 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 tinh khiết thì trong suốt. • Đặc tuyến 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 trong đèn inhitron • Varisto làm bằng các hạt SiC rời rạc không ổn định, không được rung, va đập, dễ thay đổi đặc tính. Vì thế các hạt SiC cần gắn chặt bằng 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 các bộ dao động thạch anh có tần số dao động rất ổn định. • Bộ cộng hưởng thạch anh: Bề mặt của các tấm thạch anh được mài bằng bột mịn và trên chúng được đặt các điện cực bằng kim loại tạo ra bộ cộng hưởng thạch anh. • Ký hiệu và mạch tương đương