Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 9 Ngô Quang Ước Bài giảng Vật liệu điện và cao áp

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 p
γ = 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 R
CE
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 R
CE
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
2kT
ρ = A.e
ρ
2
b
TK = -
T
βE
o
γ = γ e
γ

0
- 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.L
x
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 Ge

2
O(bột trắng) và nó
được khử trong lò hyđrô ở nhịêt độ 650 – 700
0
C thành giécmani.
+ Có thể điều chế từ GeCl
4
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 + 70
0
C, 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 -60
0
C 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
– SiO
2
+ C → Si + CO
2
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 (SiCl
4
) ở 1000
0
C trong môi
trường kín. (cho độ tính khiết cao)
SiCl
4
+ 2Zn → Si + 2ZnCl
2