giao trinh linh kien co ngan 5941

Do đó các điện tử hoá trị có năng lượng cao hơn và liên kết yếu với hạt nhân hơn so với các điện tử lớp trong, chúng có thể nhảy lên các quỹ đạo cao hơn trong lớp hoá trị một cách dễ dàn

Trường………

Khoa………

GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU LINH KIỆN 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM

1.1.1 Cấu trúc nguyên tử

Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố và mang các đặc điểm của nguyên tố đó Nguyên tử gồm có một hạt nhân ở giữa và bao xung quanh là các quỹ đạo điện tử Hạt nhân gồm có các hạt tích điện dương gọi là proton và các hạt không tích điện gọi là notron Điện tử là các hạt mang điện tích âm

Số proton và điện tử của mỗi nguyên tử phụ thuộc vào từng nguyên tố Ví dụ, nguyên tử đơn giản nhất là hyđrô chỉ có một proton và một điện tử Nguyên

tử khác là helium có 2 proton và 2 notron trong hạt nhân và 2 điện tử quay xung quanh

1.1.2 Trọng lượng và số nguyên tử

Các nguyên tố sắp xếp trong bảng hệ thống tuần hoàn theo số nguyên tử của chúng, tức là số điện tử trong nguyên tử ở trạng thái trung hoà về điện Các nguyên tố cũng có thể được sắp xếp theo trọng lượng nguyên tử của chúng, trọng lượng nguyên tử xấp xỉ bằng số proton cộng với số notronỉtong hạt nhân Ví dụ hidro có số nguyên tử là 1 và trọng lượng nguyên tử là 1,0079 Số nguyên tử cảu helium là 2 và trọng lượng nguyên tử là 4,00260 Ở trạng thái trung hoà nguyên tử có số điện tử bằng số proton nên nguyên tử mang điện tích bằng không

1.1.3 Quỹ đạo và các lớp điện tử

Điện tử quay xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo nhất định Các điện tử gần hạt nhân có năng lượng ít hơn so với các điện tử có quỹ đạo xa hạt nhân hơn Quỹ đạo của các điện tử quanh hạt nhân tương ứng với các mức năng lượng khác nhau Trong nguyên tử, các quỹ đạo được nhóm thành các dải năng lượng và được gọi là các lớp Mỗi nguyên tử có một số lớp nhất định, mỗi lớp quy định số điện tử lớn nhất ở các quỹ đạo Sự chênh lệch các mức năng lượng trong một lớp là thấp hơn so với sự chênh lệch các mức năng lượng giữa các lớp Các lớp được gọi là lớp K,L,M,N… với lớp K là lớp gần hạt nhân nhất

Các điện tử có quỹ đạo xa hạt nhân thì có năng lượng cao hơn và liên kết yếu với hạt nhân hơn so với các quỹ đạo của các điện tử có quỹ đạo gần hạt nhân hơn Các điện tử nằm ở lớp ngoài cùng có mức năng lượng cao nhất và liên kết yếu với hạt nhân Lớp ngoài cùng gọi là lớp hoá trị và các điện tử ở lớp đó gọi là điện tử hoá trị Các điện tử hoá trị này có ảnh hưởng tới tính chất và liên kết trong cấu trúc và xác định tích dẫn điện của vật chất

1.1.5 Sự ion hoá

Khi các nguyên tử hấp thu năng lượng (nhiệt hay ánh sáng), sẽ làm tăng các mức năng lượng của các điện tử Khi các điện tử được tăng năng lượng nó sẽ

di chuyền ở các quỹ đạo xa hạt nhân hơn Do đó các điện tử hoá trị có năng lượng cao hơn và liên kết yếu với hạt nhân hơn so với các điện tử lớp trong, chúng có thể nhảy lên các quỹ đạo cao hơn trong lớp hoá trị một cách dễ dàng khi năng lượng ngoài được hấp thu

Nếu các điện tử hoá trị thu được đủ năng lượng nó có thể nhảy ra khỏi lớp ngoài cùng Sự di chuyển của các điện tử hoá trị làm cho nguyên tử mất cân bằng về điện và trở thành tích điện dương (số proton lớn hơn số điện tử), quá trình mất điện tử hoá trị gọi là sự ion hóa và kết quả là nguyên tử tích điện dương gọi là ion dương Các điện tử hoá trị trở thành điện tử tự do Khi các điện tử tự do bị hút vào lớp ngoài cùng thì nguyên tử trở nên tích điện âm và gọi là ion âm

1.1.6 Số điện tử trong một lớp

Số điện tử lớn nhất (Ne) có thể có trong mỗi lớp của nguyên tử được tính theo công thức:

2

e 2 n

N =

ở đây n là số của lớp Lớp trong cùng K có số là 1, lớp L là số 2, lớp M là số 3,…

Ví dụ số điện tử lớn nhất có thể có trong lớp K là:

2 1

2

n

2

Ne = 2 = 2 =

Tất cả các lớp trong nguyên tử phải điền đủ số điện tử trừ lớp ngoài cùng

1.2 CHẤT BÁN DẪN, CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT ĐIỆN MÔI

Chất dẫn điện là chất dễ dàng dẫn dòng điện Chất dẫn điện tốt nhất là các

có duy nhất một điện tử hoá trị liên kết yếu với hạt nhân Điện tử hoá trị này liên kết yếu với hạt nhân nên đễ dàng tách ra khỏi nguyên tử và tạo thành điện

tử tự do Do đó các chất dẫn điện có nhiều điện tử tự do và khi đặt trong một điện trường thì tạo nên dòng điện

Chất cách điện là các chất không dẫn dòng điện ở điều kiện thường Phần lớn các chất cách điện tốt là các hợp chất có nhiều hơn một chất Các điện tử hoá trị liên kết chặt chẽ với hạt nhân, do đó có rất ít điện tử tự do trong chất cách điện

Chất bán dẫn là chất nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện về khả năng dẫn dòng điện Chất bán dẫn đơn chất phổ biến nhất là Silicon, Germanium và Carbon Chất bán dẫn phổ biến như là gali arsen cũng được sử dụng phổ biến Các chất bán dẫn đơn chất được tạo thành từ các nguyên tử có 4 điện tử hoá trị

1.2.1 Các vùng năng lượng

Lớp hoá trị của một nguyên tử được thay thế bởi một vùng các mức năng lượng và các điện tử hoá trị bị giới hạn trong vùng đó Nếu điện tử hấp thu đủ năng lượng ngoài thì nó rời khỏi lớp hoá trị và trở thành điện tử tự do và tồn tại trong vùng gọi là vùng dẫn

Sự chênh lệch năng lượng giữa vùng hoá trị và vùng dẫn gọi là vùng cấm Đây là phần năng lượng mà điện tử hoá trị phải có để nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Hình 1-1 chỉ ra cấu trúc vùng năng lượng của 3 chất bán dẫn, dẫn điện và cách điện Đối với chất cách điện là rất lớn, các điện tử hoá trị không nhảy được lên vùng dẫn trừ trường hợp bị đánh thủng khi có điện áp vô cùng lớn được đặt lên Đối với chất bán dẫn vùng cấm hẹp hơn, do đó cho phép các điện tử hoá trị nhảy lên vùng dẫn và trở thành điện tử tự do Đối với chất dẫn điện các vùng năng lượng bị chồng lên nhau, do đó luôn luôn có một số lớn điện tử tự do

1.2.2 Chất điện môi

1.2.2.1 Khái niệm

Chất điện môi (hay cong gọi là chất cách điện) là chất dẫn điện kém Chất

điện môi là chất có điện trở suất cao, khoảng 107 ÷ 1017Ωm ở nhiệt độ bình

thường ( khoảng 25oC)

Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ

1.2.2.2 Một số tính chất của chất điện môi

• Hằng số điện môi (còn gọi là độ thẩm thấu điện tương đối)

Hằng số điện môi là tham số biểu thị khă năng phân cực của chất điện môi

Trạng thái phân cực của chất điện môi là trường hợp một số phần thể tích của

chất điện môi có các mô men điện khác không Mức độ phân cực của chất

điện môi được đánh giá bằng sự thay đổi điện dung của tụ điện khi thay chân

không hoặc không khí giữa hai bản cực của tụ bằng vật liệu chất điện môi Trị

số này được gọi là độ thẩm thấu điện tương đối của chất điện môi hay hằng số

điện môi, kí hiệu là ε và được xác định bằng biểu thức:

C d

=

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

Vùng cấm

Mức năng lượng

0

Vùng dẫn

Vùng hoá trị Vùng cấm Mức năng lượng

0

Vùng dẫn Vùng hoá trị Mức năng lượng

0

Bị chồng

Chất cách điện Chất bán dẫn Chất dẫn điện

Hình 1.1 Cấu trúc vùng năng lượng của chất cách điện , chất bán dẫn và chất dẫn điện

Trong đó :

Cd : là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi

C0: là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là không khí hoặc chân không

• Độ tổn hao điện môi P a

Là công suất điện chi phí để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong điện trường Độ tổn hao năng lượng này được nghiên cứu đối với điện áp xoay chiểu và điện áp môộtchiều khi trong nó xuất hiện dòng điện dò

Độ tổn hao điện môi được đặc trưng bằng công toả ra trên một đơn vị thể tích điện môi gọi là tổn hao điện môi Đế đặc trưng cho khả năng toả nhiệt của chất điện môi khi đặt nó trong điện trường người ta sử dụng tham số góc tổn hao điện môi(tgδ, δ là góc tổn hao) Hình 1.6(trnag 25 sach linh kien bưu chính) là sơ đồ tương đương của tụ điện khi có tổn hao

c

a c

a

U

U

I

I

Độ tổn hao điện môi Pa=U2ωCtgδ

Trong đó :

Pa: công suất điện làm nóng chất điêện môi

U: điện áp dặt lên tụ điện

C: điện dung tụ

Ω: tần số góc (rad/s)

Tgδ: góc tổn hao điện môi

Nhận xét: Chất điện môi có tham số góc tổn hao điện môi càng nhỏ thì độ tổn hao điện môi của nó càng thấp

Khi một tụ điện làm việc ở dải tần rộn, chỉ có dòng điện dò thì độ tổn hao điện môi được tính theo công thức: Pa =U2/R với R là nội trở của tụ điện Nếu tổn hao điện môi trong tụ điện là do điện trở của các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp thì tổn hao điện môi sẽ tăng tỉ lệ với bình phương tần số:

Pa=U2ωC2R2

Trên thực tế các tụ điện làm việc ở tần số cao thường có các bản cực, dây dẫn, tiếp giáp được tráng bạc để giảm nhỏ điện trở của chúng

• Độ bền về nhiệt của chất điện môi.Eđt

Hiện tượng đánh thủng chất điện môi: Nếu đặt một chất điện môi vào trong một điện trường và tăng cường độ điện trường lên quá một giá trị giới hạn thì chất điện môi mất đi khả năng cách điện, đó gọi là hiện tượng đánh thủng chất điện môi Giá trị điện áp mà tại đó xảy ra hiênj tượng đánh thủng gọi là điện

áp đánh thủng, Udt

d

U

dt = (KV/cm)

Udt: là điện áp đánh thủng chất điện môi

d: độ dày của lớp điện mối bị đánh thủng

1.2.2.3 Dòng điện trong chất điện môi

Dòng điên jtrong chất điện môi gồm có 2 thành phần: dòng điện dịch và dòng điện rò

Dòng điện dịch(Dòng điện cảm ứng): Quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi xảy ra cho tới khi đạt đến trang jthái cân bằng sẽ tạo nên dòng điện phân cực hay là dòng điện dịch Khi ở điện áp xoay chiều dòng điện dịch tồn tại trong suốt thời gian chất điện môi nằm trong điện trường Khi ở điện áp một chiều dòng điện chuyển dịch chỉ tồn tại ở thời điểm đóng, ngắt điện áp

Dòng điện rò: Là dòng điện được tạo ra do các điện tíchtwj do và điện tử phát

xạ chuyển động dưới tác dụng của điện trường Nếu dòng ro lớn sẽ làm mất tính chất cách điện của chất điện môi

Vậy dòng điện trong chất điện môi là: I=Idịch+Irò

Sau khi quá trình phân cực kết thúc thì qua chất điện môi chỉ còn dòng điện

rò

1.2.2.4 Độ dẫn điện của chất điện môi

Điện trở của chất điện môi ở giữa hai bản cực khi đặt một điện áp một chiều lên chúng thì giống như điện trở cách điện của chúng Điêệntrở cách điện đựpc tính thồng qua dòng điện rò:

CM cd

I I

U R

∑

−

= Trong đó: ∑I CM: tổng các thành phần dòng điện phân cực

I: Dòng điện nghiên cứu

Ngoài ra để đánh giá độ dẫn điện của chất điện môi người ta còn sử dụng tham số điện trở suất khối:

d

S R

=

ρ Trong đó:

R: điện trở khối thể tích chất điện môi

S: diện tích

d: độ dày của mẫu chất điện môi

1.2.2.5 Một số chất điện môi thường dùng

Chất điện môi được chia làm hai loại là chất điện môi thụ động và chất điện môi tích cực

• Chất điện môi thụ động

* Mica: Vật liệu này có tinh chịu nhiệt cao, bền về điện, Etđ=50 ÷200KV/mm, nhiệt độ chịu đừng cao đến 6000C, hằng số điện môi ε= 6 ÷ 8; góc tổn hao nhỏ tgδ=0,0004; điện trở suất ρ=107 Ωm Mi ca thường được dùng làm tụ mi

ca, làm khuôn mẫu cho các chi tiết của linh kiện điện tử, làm cuộn cảm, ống đãn sóng, biến áp, làm chất cách điện trong các dụng cụ thiết bị điện tử bị nung nóng

* Sứ: độ bền về điện, Etđ=15 ÷30KV/mm, hằng số điện môi ε= 6,3 ÷ 7,5, điện trở suất ρ=3 1014 Ωm Sứ được dùng làm giá đỡ cách điện, làm tụ điện, làm

đế đèn

* Gốm: là đất nung, chịu nhiệt tốt, dễ thay đổi được hình dạng Gốm được sử dụng chủ yếu làm tụ điện

Gốm có hằng số điện môi ε= 1700 ÷ 4500; góc tổn hao nhỏ tgδ=0,02 ÷ 0,03,

tỷ trọng 4Mg/m3 Gốm vừa là chất điện môi thấp tần vừa là chất điện môi cao tần

* Chất dẻo, nhựa tổn hợp(Bakelit): thường có độ bền cơ học rất cao, chịu được nhiệt độ cao, 3000C, Etđ=10 ÷40KV/mm, hằng số điện môi ε= 4 ÷ 4,6 , góc tổn hao điện môi nhỏ tgδ=0,05÷0,12 Bakelit thường được dùng làm khuôn mẫu để chế tạo linh kiện, chế tạo vỏ máy TV, các thiết bị đo

* Giấy làm tụ điện: Tụ giấy thường dùng ở nơi có nhiệt độ cao(70÷100oC), giấy có độ bền về điện khá caoE=30KV/mm, hằng số điện môi khá nhỏ ε=3÷

4

• Chất điện môi tích cực

* Thạch anh áp điện(SiO2):tồn tại ở dạng tinh thể, không màu, trong suốt, còn gọi là phalê thiên nhiên hay là thạch anh màu Tinh thể thạch anh áp điện có thể kéo dài bằng phương pháp nhân tạo, khi đó tính chất của nó gần giống tính chất của các tinh thể thiên nhiên Trong các thiết bị sử dụng các tấm thạch anh được tạo ra sao cho tương tự một đơn tinh thể không đẳng hướng

và các tính chất của nó trong các hướng khác nhau sẽ khác nhau Thạch anh thường được dùng để chế tạo các bộ dao động, cộng hưởng thạch anh

* Xây nhét điện: Đây là hiện tượng phân cực tự phát trong muối xây nhet Khi đặt một điện trường ngoài lên xây nhet thì nó bị phân cực Sau khi điện trường ngừng tác dụng trong xây nhét vẫn tiếp tục điễn ra hiện tượng phân cực Độ thẩm thấu điện của xây nhét điện diễn ra rất mạnh nó phụ thuộc vào cường độ điện trường tác dụng

* Chất khí: không khí có độ thẩm thấu điện εo=8,85pF/m; ở nhiệt độ thấp và điện trường thấp không khí không dẫn điện

* CHất lỏng: Dầu: dầu thường được dùng để tạo chất cách điện bằng cách thay thế không khi trong một số hệ thống hoặc dùng để tẩm các chất cách điện xốp Độ bền về điện của dầu phuụthuộc vào độ thinh khiết của nó

1.3 Chất dẫn điện

1.3.1 Khái niệm

Chất dẫn điện là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất thấp khoảng

10-8 đến 10-5Ωm

Trong tự nhiên chất dẫn điện tồn tại ở cả 3 thể rắn, lỏng và khí (hoặc hơi kim loại)

Chất rắn: là kim loại, được chia thành 2 loại:

- Kim loại có độ dẫn điện cao, thường được sử dụng để chế tạo dây dẫn, cáp, biến áp, ống dẫn sóng, chân các linh kiện điện tử

- Kim loại và hợp chất kim loại có điện trở suất cao dùng để chế tạo các

Chất lỏng: gồm các kim loại nóng chảy và các dung dịch điện phân, thông thường là các dung dịch kiềm, dung dịch axit hoặc dung dịch muối Trong các chất điện phân các hạt tích điện là ion dương và ion âm Khi có dòng điện chạy qua chất điện phân các điện tích sẽ chuyển động dẫn đến thành phần của chất điện phân thay đổi và trên các điện cực sẽ xuất hiện kết quả của quá trình điện phân

Chất khí và hơi kim loại: Trong môi trường có cường độ điện trường thấp chất khi và hơi kim loại không dẫn điện Khi cường độ điện trường cao hơn đến mức xảy ra sự ion hoá do va chạm và quang học thì chất khí mới dẫn điện Độ dẫn điện do ion và điện tử tự do quyết định

1.3.2 Một số đặc tính của chất dẫn điện

1.3.2.1 Điện trở suất

.m]

][

.

S

l R

Trong đó:

S: tiết diện của dây dẫn

L: chiều dài dây dẫn

R: điện trở của dây dẫn

Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng từ 0,016μΩ.m (Ag) đến 10μΩ.m (hợp kim sắt- crôm- nhôm) Chất có điện trở suất thấp nhất thường được dùng làm dây dẫn như:

Đồng đỏ (Cu) : ρ= 0, 017μΩ.m

Nhôm(Al) : ρ= 0, 028μΩ.m

Vàng (Au) : ρ= 0, 055μΩ.m

Volfram(W) : ρ= 0, 024μΩ.m

Molipden(Mo) : ρ= 0, 057μΩ.m

1.3.2.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất (α)

Hệ số nhiệt của điện trở suất biểu thị sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10C

Khi nhiệt độ tăng điện trở suất tăng theo quy luật:

ρt=ρ0(1+αt) Trong đó :

ρt: điện trở suất tại nhiệt độ t

ρ0: điện trở suất tại nhiệt độ 00C

α: hệ số nhiệt của điện trở suất [K-1]

Nếu kim loại là nguyên chất thì hệ số nhiệt của chúng đều như nhau và có giá trị α=1/273,15K-1=0,004K-1

1.3.3.3 Hệ số dẫn nhiệt λ

Hệ số dẫn nhiệt là lương jnhiệt truyền qua một đơn vị điện tích trong một đơn

vị thời gian khi gradien nhiệt độ bằng đơn vị

Đơn vị của hệ số dẫn nhiệt là W/m.K

Sự dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt bằng sự chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S trong thời gian t là:

St l

t Q

Δ

Δ

=λ

Trong đó:

λ: hệ số dẫn nhiệt

t

Δ : Lượng chênh lệch nhiệt độ tại hai thời điểm cách nhau một khoảng Δl S: diện tích bề mặt

T: thời gian

1.3.3.4 Công thoát điện tử trong kim loại

Ở 00K điện tử không thể thoát khỏi bề mặt kim loại vì năng lượng cần thiết để thoát khỏi bề mặt kim loại là EB, mà năng lượng lớn nhất điện tử có thể đạt được là Ep Năng lượng cần thiết để cấp thêm cho điện tử để nó có thể thoát khỏi bề mặt kim loại là Ew=EB-EP gọi là công thoát của kim loại Như vậy, công thoát của kim loại biểu thị năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho điện tử chuyển động nhanh nhất ở 0oK để điện tử này có thể thoát ra khỏi bề mặt kim loại

Phát xạ nhiệt điện tử: Giả sử nung nóng một sợi dây kim loại, nhiệt năng được cấp cho điện tử trong mạng tinh thể và sự phân bố năng lượng của điện tử sẽ

bị thay đổi Một số điêệntử sẽ có khả năng bứt ra khỏi mạng tinh thể trở thành điện tử tự do(thoát khỏi bề mặt kim loại)

1.3.3.5 Điện thế tiếp xúc

Hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại được xác định như hiệu điện thế giữa