Bài giảng LINH KIỆN ĐIỆN TỬ. Ths. Phạm Thanh Huyền

Cấu trúc của nguyên tửLý thuyết dải năng lượng trong chất rắn Hàm Fermi Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện Vật liệu cách điện Vật liệu bán dẫn Vật liệu từ... Điện tử đặc biệt là các điệ

LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Chương 1: Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử

Cấu trúc của nguyên tử

Lý thuyết dải năng lượng trong chất rắn Hàm Fermi

Vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện Vật liệu cách điện Vật liệu bán dẫn Vật liệu từ

Cấu trúc của nguyên tử

• Tất cả các nguyên tử đều bao gồm một hạt nhân nhỏ

mang điện tích dương và tập trung hầu hết khối

lượng của nguyên tử.

• Quay xung quanh hạt nhân là các điện tử (Electron)

mang điện tích âm, nhỏ và nhẹ hơn nhiều.

mang điện tích âm, nhỏ và nhẹ hơn nhiều.

• Hạt nhân gồm các hạt proton và nơtron Proton

mang điện tích dương còn nơtron không mang điện

Về mặt trị số ta có:

C q

qp = − e = 1 , 6 * 10−19

• Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường số proton

bằng số electron nên nguyên tử trung hòa về điện.

• Các điện tử quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo

có bán kính xác định nhờ sự cân bằng của 2 lực: lực

Nguyên tử Lithium (Li)

• Ở trạng thái trung hòa nguyên tử Li có 3 điện tử và 3 proton

• Khi mất đi một điện tử, nguyên tử Li trở thành ion dương.

Hai tiên đề của Bohr

1 Tiên đề về trạng thái dừng: nguyên tử chỉ tồn tại ở trong những trạng thái

có năng lượng xác định gọi là trạng thái dừng Khi ở trạng thái dừng nguyên tử

không bức xạ.

2 Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử:

Trạng thái dừng có năng lượng

càng thấp thì càng bền vững

Khi nguyên tử ở trạng thái

dừng có mức năng lượng lớn

bao giờ cũng có xu hướng

chuyển sang trạng thái dừng có

mức năng lượng nhỏ hơn Khi

này nó bức xạ ra 1 photon có

năng lượng đúng bằng hiệu 2

mức năng lượng đó.

hf = E2 – E1

Các mức năng lượng của nguyên tử

Khi ở một trạng thái dừng nào đó, điện tử có năng lượng tính bằng công thức sau:

2

2 2

2 0

4 2

2

1

)

4 (

2

.

.

1

n

Z h R e

m Z

n

h πε

Z: tổng số electron của nguyên tử hay chính là số

thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn

Như vậy, mỗi điện tử của một đơn nguyên tử tồn

Giản đồ năng lượng của nguyên tử

Mức năng lượng thấp nhất gọi là mức năng lượng 0

(đất) ở gần hạt nhân nhất Các mức năng lượng ở

xa hạt nhân hơn gọi là mức năng lượng kích

thích.

thích.

Khi nhận năng lượng điện tử sẽ chuyển lên mức năng

lượng cao nhưng chỉ tồn tại ở đó trong khoảng

thời gian rất ngắn từ 10-10– 10-7s sau đó trở về

trạng thái tĩnh và bức xạ ra photon có bước sóng

với E[eV] và λλλλ [A0]

Hiện tượng này tạo ra quang phổ vạch của mỗi nguyên tử khác

nhau là khác nhau.

Khi được cung cấp năng lượng lớn hơn năng lượng

lớn nhất trong giản đồ (năng lượng ion hóa) thì

điện tử sẽ bứt khỏi nguyên tử để trở thành điện tử

Gi ả n đồ n ă ng l ượ ng và quang ph ổ v ạ ch

c ủ a nguyên t ử Hidro

1 2

Khái niệm dải năng lượng trong chất rắn

Có nhiều cách để phân loại vật liệu nhưng cách đơn giản nhất là phân thành: thể rắn, thể lỏng và thể khí Vật liệu điện tử là các vật liệu thuộc thể rắn (solid state) và có cấu trúc mạng tinh thể Nghĩa là khi ấy các nguyên tử không độc lập mà chúng liên kết với nhau theo liên kết cộng hóa trị

Điện tử (đặc biệt là các điện tử hóa trị) sẽ ràng buộc và tác động lên nhau (nhưng tuân theo

Điện tử (đặc biệt là các điện tử hóa trị) sẽ ràng buộc và tác động lên nhau (nhưng tuân theo

nguyên lý loại trừ Pauli) và kết quả là hình thành nên dải năng lượng thay cho mức năng lượng khi khoảng cách giữa các nguyên tử đủ nhỏ.

Khái niệm dải năng lượng trong chất rắn (tiếp)

Dải hóa trị (valence band): Dải năng lượng thấp

được các điện tử chiếm đầy ở điều kiện 0 độ tuyệt

đối.

Dải dẫn (conduction band): Dải năng lượng cao hơn

dải hóa trị Ở điều kiện 0 độ tuyệt đối dải dẫn không

dải hóa trị Ở điều kiện 0 độ tuyệt đối dải dẫn không

có điện tử nào chiếm giữ Khi điện tử ở trong dải dẫn

nó dễ dàng trở thành điện tử tự do để tham gia vào

quá trình dẫn điện.

Dải cấm (forbidden band) là dải năng lượng nằm

giữa dải hóa trị và dải dẫn, không có điện tử nào có

mức năng lượng nằm trong dải cấm.

Tùy theo vị trí của 3 dải năng lượng trên người ta

chia chất rắn thành 4 loại vật liệu: cách điện

(insulator), bán dẫn (semiconductor) và dẫn điện

(conductor).

• Hàm Fermi f(E) là hàm xác định xác suất xuất hiện điện tử

ở trạng thái năng lượng E nào đó trong điều kiện cân bằng

Ở nhiệt độ 0 độ tuyệt đối, tất cả các mức năng lượng ở dưới mức Fermi

đều bị điện tử chiếm đầy còn những mức năng lượng cao hơn đều bỏ

trống

KT E

+

=

• Khi nhiệt độ tăng lên một số điện tử nhận năng lượng sẽ chuyển lên mức năng lượng kích thích và như thế có mức năng lượng cao hơn mức Fermi Lúc này hàm Fermi thay đổi để biểu thị sự xuất hiện của các điện tử ở mức năng lượng cao nhưng xác suất xuất hiện điện tử tại EFluôn bằng ½

• Nhiệt độ càng cao hàm Fermi suy biến càng nhiều nhưng vẫn đối xứng qua giá trị ½.

• Nhiệt độ càng cao hàm Fermi suy biến càng nhiều nhưng vẫn đối xứng qua giá trị ½.

Dựa vào khả năng cho qua dòng điện người ta chia vật liệu điện tử thành các loại sau:

Phân loại vật liệu điện tử

Vật liệu cách điện: gần như không có điện tử tự do nên không cho dòng điện qua.

Vật liệu dẫn điện: có rất nhiều điện tử hóa trị liên kết lỏng lẻo với hạt nhân và chỉ cần một năng lượng nhỏ cũng làm chúng bật khỏi nguyên tử thành điện tử tự do

Vật liệu bán dẫn: không cách điện tốt cũng không dẫn điện tốt Chất bán dẫn điển hình là các

Vật liệu bán dẫn: không cách điện tốt cũng không dẫn điện tốt Chất bán dẫn điển hình là các nguyên tố có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng như Silicon, Germanium.

Vật liệu siêu dẫn: không cản trở dòng điện, chúng là các chất dẫn điện hoàn hảo.

Ngoài ra để biểu thị đặc tính từ của vật liệu người ta còn có vật liệu từ

• Vật liệu cách điện (còn gọi là vật liệu khử điện) là vật liệu ngăn không cho dòng điện lưu thông

• Trên thực tế những vật liệu có điện trở suất lớn từ 107 – 1017 Ω m được coi là vật liệu cách điện.

• Một số vật liệu cách điện được sử dụng trong kỹ thuật điện tử là: Mica, gốm sứ, polyme, giấy cách điện, thạch anh, sơn cách điện…

• Ứ ng dụng: làm chất điện môi cho tụ điện, đỡ đầu dây điện hạ thế và cao thế, vỏ bọc dây dẫn …

Vật liệu cách điện (insulator)

• Ứ ng dụng: làm chất điện môi cho tụ điện, đỡ đầu dây điện hạ thế và cao thế, vỏ bọc dây dẫn …

Một số đặc tính của chất điện môi:

εεεεbiểu thị khả năng phân cực của điện môi

Độ tổn hao điện môi: đặ c trưng bởi công tỏa ra

trên một đơn vị thể tích chất điện môi

Độ bền về điện: đặ c trưng bởi điện áp một chiều

lớn nhất mà trong chất điện môi bắt đầu xảy

Vật liệu Độ từ thẩm tương đối

Bạc < 1Len khô < 1

Nhôm > 1Niken 50 –60Cobalt 60 –70Thép 60 - 100Ferit 100 - 3000Sắt luyện 3000 –8000Permalloy 3,000 –30,000Permalloy đặc biệt 100,000–1,000,000

• Trong vật liệu dẫn điện có nhiều điện tử tự do sẵn sàng tham gia vào quá trình tạo dòng Điện trở suất của vật liệu dẫn điện có giá trị rất nhỏ, từ 10-8 – 10-5 Ω m.

• Tuy nhiên, nếu các điện tử tự do chỉ chuyển động hỗn loạn thì không có dòng điện còn nếu có lực hút đị nh hướng cho chuyển động của đ iện tử thì sẽ tạo thành dòng điện (có chiều quy ước

là chiều chuyển động của các điện tích dương, nghĩa là ngược chiều chuyển động của điện tử)

Vật liệu dẫn điện (conductor)

là chiều chuyển động của các điện tích dương, nghĩa là ngược chiều chuyển động của điện tử)

• Vật liệu dẫn điện tốt nhất ở nhiệt độ phòng là bạc, vàng, nhôm, đồng, thiếc … Trong đó,

nhôm và đồng thường được làm dây dẫn, chân linh kiện, connector, bảng mạch in … Thiếc có

đặ c tính cơ học kém nên chỉ dùng để hàn, còn vàng và bạc được sử dụng khi cần chất lượng cực cao và chấp nhận giá thành đắt.

Vật liệu dẫn điện (conductor)

• Ngoài ra, một số vật liệu có điện trở suất lớn người ta sử dụng để sản xuất điện trở

• Vật liệu bán dẫn có điện trở suất lớn hơn vật liệu dẫn điện nhưng nhỏ hơn của vật liệu cách

đ iện Bằng việc điều khiển được giá trị điện trở (nội trở) của bán dẫn mà người ta đã dễ dàng

đ iều khiển được dòng và áp ở các linh kiện bán dẫn Chính vì vậy những nghiên cứu thành công về quá trình tạo ra các linh kiện bán dẫn đã tạo tiền đề cho các bước tiến vượt bậc trong

kỹ thuật điện tử, làm thay đổi hoàn toàn nhiều ngành kỹ thuật khoa học và cuộc sống của con

Trong đó Si và Ge được gọi là bán dẫn tự nhiên, nguyên tố nhóm IV Các loại còn lại được tạo ra bởi sự

• Vật liệu bán dẫn có điện trở suất lớn hơn vật liệu dẫn điện nhưng nhỏ hơn của vật liệu cách

đ iện Bằng việc điều khiển được giá trị điện trở (nội trở) của bán dẫn mà người ta đã dễ dàng

đ iều khiển được dòng và áp ở các linh kiện bán dẫn Chính vì vậy những nghiên cứu thành công về quá trình tạo ra các linh kiện bán dẫn đã tạo tiền đề cho các bước tiến vượt bậc trong

kỹ thuật điện tử, làm thay đổi hoàn toàn nhiều ngành kỹ thuật khoa học và cuộc sống của con

kỹ thuật điện tử, làm thay đổi hoàn toàn nhiều ngành kỹ thuật khoa học và cuộc sống của con người kể từ đó.

• Silicon và Germanium là 2 chất bán dẫn điển hình nhất, có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng (Nhóm

4 trong bảng tuần hoàn) và là các chất có cấu trúc tinh thể.

Một số đặc tính quan trọng của chất bán dẫn:

•Độ dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ Ở 0 Kelvin, tất cả các điện tử hóa trị đều thuộc về các liên kết cộng hóa trị, trong mạng tinh thể không có điện tử tự do Khi này có thể coi chất bán dẫn giống như chất cách điện Khi nhiệt độ tăng lên , nguyên tử nhận năng lượng nhiệt làm cho các điện tử hóa trị dao động quanh nút mạng Nếu năng lượng nhận được đủ lớn điện tử

Vật liệu bán dẫn (semiconductor)

cho các điện tử hóa trị dao động quanh nút mạng Nếu năng lượng nhận được đủ lớn điện tử

sẽ bứt khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do và để lại một lỗ trống mang điện tích dương

Số điện tử tự do càng lớn thì độ dẫn điện của khối bán dẫn càng tăng lên.

Một số đặc tính quan trọng của chất bán dẫn (tiếp):

•Trong bán dẫn thuần (còn gọi bán dẫn nguyên tính), số lượng lỗ trống được tạo ra bằng đúng số lượng điện

Giá trị này ở mức trung bình so với Eg = 0 của kim loại và Eg > 5 eV của vật liệu cách điện

• Bán dẫn thuần có đặc tính dẫn điện rất hạn chế (vì số lượng hạt dẫn ít) nên người ta đã tìm cách pha tạp chất vào bán dẫn thuần để tạo ra lượng hạt dẫn như mong muốn Khi pha tạp chất vào số lượng hạt dẫn (điện tử hoặc lỗ trống) tự do sẽ nhiều lên, bán dẫn thuần trở thành bán dẫn pha tạp (còn gọi là bán dẫn ngoại tính) có tính dẫn điện tốt hơn rất nhiều và thậm chí có thể siêu dẫn

Bảng tuần hoàn của các nguyên tố hóa học

Một số đặc tính quan trọng của chất bán dẫn (tiếp):

•Ở nhiệt độ phòng trong chất bán dẫn luôn có các hạt dẫn, bao gồm điện tử và lỗ trống Khi đó dòng điện trong chất bán dẫn gồm 2 loại sau:

+ Dòng khuếch tán hình thành do sự chênh lệch nồng độ hạt dẫn giữa các vùng khác nhau trong khối bán dẫn Dòng khuếch tán có xu hướng giảm dần và bằng 0 khi nồng độ hạt dẫn cân bằng nhau.

Vật liệu bán dẫn (semiconductor)

bán dẫn Dòng khuếch tán có xu hướng giảm dần và bằng 0 khi nồng độ hạt dẫn cân bằng nhau.

+ Dòng trôi hình thành do tác động của điện trường Điện tử sẽ di chuyển về nơi có điện áp dương hơn còn lỗ trống di chuyển về nơi có điện áp âm hơn.

Bán dẫn loại N là bán dẫn tạp được hình thành bằng cách pha nguyên tố

nhóm V vào bán dẫn thuần Khi này tại một số nút mạng, nguyên tử Si (có 4

đ iện tử hóa trị) sẽ bị thay thế bởi nguyên tử tạp chất (có 5 điện tử hóa trị, ví

Bán dẫn pha tạp: pha tạp chất nhóm V vào bán dẫn thuần ta có Bán

dẫn loại N , pha tạp chất nhóm III vào bán dẫn thuần ta có Bán dẫn loại P

đ iện tử hóa trị) sẽ bị thay thế bởi nguyên tử tạp chất (có 5 điện tử hóa trị, ví

dụ như Phốt pho) Kết quả là điện tử thứ 5 thừa ra sẽ có liên kết rất yếu với

nguyên tử tạp chất và dễ dàng trở thành điện tử tự do còn bản thân nguyên

tử tạp chất trở thành ion dương Nồng độ điện tử được tạo ra có nồng độ

đ úng bằng nồng độ của tạp chất (gọi là chất cho - Donor)

Dải hóa trị (bị chiếm hoàn toàn)

Bán dẫn loại N có giản đồ năng lượng như hình bên, ở 0 K, các điện tử

thứ 5 chưa tách khỏi nguyên tử tạp chất và hình thành nên mức năng lượng

Donor rất gần đáy dải dẫn.

Ở nhiệt độ phòng các điện tử thứ 5 đều trở thành điện tử tự do và chiếm

một phần dải dẫn Các điện tử tự do loại này được sinh ra mà không có

thêm lỗ trống nào, vì vậy, trong bán dẫn loại N điện tử là hạt dẫn đa số còn

nhiệt hoặc ánh sáng) Giản đồ năng lượng của chất bán dẫn loại N giống

Dải dẫn (bị chiếm một phần)

Vật liệu bán dẫn (tiếp)

Bán dẫn pha tạp

Bán dẫn loại P là bán dẫn tạp được hình thành bằng cách pha nguyên tố

nhóm III vào bán dẫn thuần Khi này tại một số nút mạng, ví dụ nguyên tử

Si (có 4 điện tử hóa trị) sẽ bị thay thế bởi nguyên tử tạp chất (có 3 điện tử

hóa trị, ví dụ như Bohr) Kết quả là có một liên kết cộng hóa trị bị thiếu mất

hóa trị, ví dụ như Bohr) Kết quả là có một liên kết cộng hóa trị bị thiếu mất

1 điện tử Điện tử của nguyên tử Si bên cạnh dễ dàng chuyển tới để bù cho

sự thiếu hụt ở liên kết này đồng thời để lại một lỗ trống tại vị trí nó vừa

nhảy ra còn nguyên tử tạp chất nhận thêm điện tử nên trở thành ion âm

Nồng độ lỗ trống được tạo ra bằng đúng nồng độ của tạp chất (gọi là chất

nhận - Acceptor)

Bán dẫn loại Pcó giản đồ năng lượng tại 0 K như hình bên, trong đó dải

dẫn bị chiếm đầy hoàn toàn, dải dẫn không có điện tử tự do.

Ở nhiệt độ phòng các điện tử ở dải dẫn nhảy lên mức năng lượng rất gần

đỉ nh dải hóa trị (gọi là mức năng lượng Acceptor) để lại trong dải hóa trị

những lỗ trống nhưng trong dải dẫn vẫn không có điện tử.

Vật liệu từ

Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích, nói cách khác các điện tích

chuyển động trong nguyên tử tạo ra các dòng điện , các dòng điện này tạo ra từ trường.

Đặ c tính từ có thể coi như là đặc tính tự nhiên của vật chất nhưng độ mạnh yếu của mỗi loại

khác nhau Khả năng giữ được từ tính của vật liệu sau khi ra khỏi từ trường sẽ thể hiện đặc

tính này

Thí nghiệm về khả năng giữ từ

Vật liệu từ (tiếp)

Trường từ và trường điện từ đóng vai trò quan trọng và mang tính căn

bản trong các hệ thống điện và điện cơ Động cơ, máy phát, loa, micro,

bộ nhớ máy tính đều là những thiết bị hoạt động dựa trên nguyên tắc

của từ và điện từ

Vật liệu từ (tiếp)

Phân loại vật liệu từ:

nên ở trạng thái thường, tổng mômen từ bằng 0 Khi đặt vào từ trường ngoài, các mômen từ này có xu hướng xoay theo chiều của từ trường và khi mất từ trường ngoài chúng lại trở lại trạng thái ban đầu Các hướng xoay theo chiều của từ trường và khi mất từ trường ngoài chúng lại trở lại trạng thái ban đầu Các

Các moment từ trong vật liệu thuận từ giống như những nam châm nhỏ nhưng có khoảng cách với nhau quá lớn nên khó tác động được tới nhau và ít chịu tác động của từ trường ngoài hay tính thuận từ là tính chất yếu.

Vật liệu từ (tiếp)

biệt so với vật liệu thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả

năng tương tác với nhau Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong

lòng vật liệu các domain từ mà trong mỗi domain này, các mômen từ

sắp xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát của vật liệu

(có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường) Nếu

(có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường) Nếu

không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các

domain trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của

toàn khối vẫn bằng 0.

Vật liệu sắt từ điển hình là Fe, Ni, Sd …

Khi có từ trường các domain này lớn lên và sắp xếp lại theo hướng từ

trường Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa

từ, lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật

liệu chỉ có 1 domain duy nhất Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại

có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các domain, tuy nhiên, các domain

này vẫn còn tương tác với nhau, do vậy tổng mômen từ trong toàn khối

không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ Điều này tạo