Hình 1.1 Mô hình nguyên tử bán dẫn tinh khiết silic Gallium Arsenide GaAs: Được biết đến với tính di động electron cao hơn so với silicon, GaAs thường được sử dụng trong các ứng dụng tầ
Phần lý thuyết
Phân loại và so sánh các khí cụ điện đóng cắt bằng tay
Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Quang Phú
Sinh viên thực hiện: Lê Đức Duy
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Hưng Yên, ngày …… tháng …… năm
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 2
1 Phân loại vật liệu bán dẫn và đặc tính của chúng 5
1.1 Bán dẫn đơn tinh thể 5
1.4 Bán dẫn có vùng cấm rộng 12
2 Phân loại và so sánh các khí cụ điện đóng cắt bằng tay 24
2.1 Tìm hiểu và phân loại công tắc, cầu dao, và nút ấn 24
2.2 So sánh các khí cụ này về các tiêu chí cấu tạo, công dụng, độ bền, khả năng làm việc, và mức độ an toàn 29
Vật liệu bán dẫn và các khí cụ điện đóng cắt bằng tay là thành phần thiết yếu trong lĩnh vực điện tử và kỹ thuật điện hiện đại Vật liệu bán dẫn, như mạch tích hợp, transistor và điốt, thúc đẩy sự phát triển công nghệ điện tử, từ vi xử lý trong thiết bị gia dụng đến hệ thống điều khiển công nghiệp Mỗi loại vật liệu bán dẫn có đặc tính riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau, giúp hiểu rõ hơn về tính năng và ứng dụng thực tế Đồng thời, các khí cụ điện đóng cắt bằng tay đóng vai trò bảo vệ, điều khiển và ngắt kết nối trong hệ thống điện, với phân loại dựa trên chức năng, khả năng chịu tải, cấu tạo và phương thức hoạt động, mỗi loại có đặc điểm và ưu nhược điểm riêng, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.
1 Mục đích nghiên cứu a) Phân loại các loại vật liệu bán dẫn và phân tích tính chất của chúng. b) Phân loại các khí cụ điện đóng cắt bằng tay (công tắc, cầu dao, nút ấn) và so sánh sự giống và khác nhau về cấu tạo, nguyên lý làm việc, và ứng dụng thực tiễn của chúng.
2 Phạm vi nghiên cứu a) Phân loại vật liệu bán dẫn thành bán dẫn bán dẫn đơn tinh thể (tinh khiết), bán dẫn hợp chất, bán dẫn có vùng cấm hẹp, bán dẫn có vùng cấm rộng, bán dẫn ô-xít, bán dẫn từ tính, bán dẫn hữu cơ (organic semiconductor), bán dẫn kích thước nhỏ,….Đánh giá các đặc tính của từng loại vật liệu và ứng dụng của chúng trong thực tế. b) Tìm hiểu và phân loại công tắc, cầu dao, và nút ấn dựa trên cấu tạo và công dụng So sánh các khí cụ này về các tiêu chí như cấu tạo, công dụng, độ bền, khả năng làm việc, và mức độ an toàn
1 Phân loại vật liệu bán dẫn và đặc tính của chúng
1.1 Bán dẫn đơn tinh thể
Vật liệu bán dẫn đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể đồng nhất và liên tục, không có ranh giới hạt, mang lại tính chất ưu việt cho chúng Điều này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao nhờ vào đặc tính điện vượt trội.
1.1.1 Các loại vật liệu bán dẫn đơn tinh thể phổ biến
Silic đơn tinh thể (Si) là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong các ứng dụng như pin mặt trời, mạch tích hợp (IC) và bóng bán dẫn Với hiệu suất cao, silic đơn tinh thể được sử dụng rộng rãi trong sản xuất vi điện tử, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ hiện đại.
Hình 1.1 Mô hình nguyên tử bán dẫn tinh khiết silic
Gallium Arsenide (GaAs) là một vật liệu bán dẫn nổi bật với tính di động electron vượt trội so với silicon Nhờ vào đặc tính này, GaAs thường được ứng dụng trong các lĩnh vực tần số cao và quang điện tử, bao gồm điốt phát quang (LED), điốt laser và thiết bị vi sóng.
Germanium (Ge) từng là vật liệu phổ biến trong các bóng bán dẫn đầu tiên, nhưng hiện nay chủ yếu được sử dụng kết hợp với silicon (SiGe) trong các thiết bị tốc độ cao Mặc dù germanium có tính di động electron tốt hơn silicon, nhưng chi phí của nó lại cao hơn.
Silicon Carbide (SiC) là một vật liệu nổi bật với khoảng cách dải rộng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng ở nhiệt độ và công suất cao Nhờ vào đặc tính vượt trội này, SiC được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử công suất và các loại điốt hiệu suất cao.
Gallium Nitride (GaN) là một vật liệu có khoảng cách dải rộng, thường được ứng dụng trong các lĩnh vực công suất cao và tần số cao GaN được sử dụng phổ biến trong các bộ khuếch đại tần số vô tuyến (RF), đèn LED và công tắc nguồn, nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả và độ bền cao.
1.1.2 Các tính năng chính của vật liệu bán dẫn đơn tinh thể
Cấu trúc tinh thể đơn của vật liệu đơn tinh thể cho phép các nguyên tử được sắp xếp theo mạng liên tục và tổ chức cao, mang lại tính chất điện đồng nhất Đặc biệt, vật liệu đơn tinh thể như silicon thường được phát triển với độ tinh khiết cao, giúp giảm thiểu khuyết tật và sự không hoàn hảo, từ đó cải thiện khả năng dẫn điện.
Với cấu trúc tinh thể đồng nhất, các vật liệu này có tính chất điện vượt trội, thể hiện ít sự kiện tán xạ hơn đối với các hạt mang điện như electron và lỗ trống Điều này dẫn đến độ linh động của electron cao hơn, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể trong các ứng dụng bán dẫn.
1.1.3 Ứng dụng của bán dẫn đơn tinh thể
Bộ vi xử lý và Mạch tích hợp (IC) sử dụng silic đơn tinh thể là nền tảng quan trọng cho hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại, nhờ vào khả năng hỗ trợ thiết kế mạch phức tạp với hiệu suất cao và tiêu thụ điện năng thấp.
Pin mặt trời sử dụng silic đơn tinh thể mang lại hiệu suất cao nhờ khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng vượt trội hơn so với silic đa tinh thể và silic vô định hình.
Hình 1.2 Ứng dụng pin mặt trời
Quang điện tử: Gallium arsenide và gallium nitride thường được sử dụng trong các thiết bị quang điện tử như đèn LED, điốt laser và bộ tách sóng quang.
Các vật liệu như SiC và GaN đang được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị công suất cao và tần số cao, đặc biệt trong các lĩnh vực như xe điện, hệ thống truyền thông 5G và truyền thông vệ tinh, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý điện năng.
Hình 1.3 Bán dẫn loại N và P
Vật liệu bán dẫn hợp chất được hình thành từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều nguyên tố thuộc các nhóm khác nhau trong bảng tuần hoàn, khác với các chất bán dẫn nguyên tố như silicon (Si) hoặc germani (Ge) chỉ chứa một nguyên tố duy nhất Thường thì, các chất bán dẫn hợp chất kết hợp các nguyên tố từ nhóm III và V hoặc nhóm II và VI, tạo ra các vật liệu với những tính chất độc đáo, mang lại lợi thế trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử.
1.2.1 Các loại hợp chất bán dẫn phổ biến
Gali Arsenide (GaAs): Một chất bán dẫn III-V kết hợp gali (Ga) từ nhóm III và asen (As) từ nhóm V.
Gali Nitride (GaN): Một chất bán dẫn III-V kết hợp gali (Ga) và nitơ (N).
Thành phần: Một hợp chất III-V kết hợp indium (In) và phốt pho (P).
Kẽm Selenide (ZnSe): Một chất bán dẫn II-VI kết hợp kẽm (Zn) và selen (Se).
Cadmium Telluride (CdTe): Một chất bán dẫn II-VI kết hợp cadmium (Cd) và tellurium (Te).
Silicon Carbide (SiC): Một hợp chất IV-IV kết hợp silicon (Si) và carbon (C).
Gallium Antimonide (GaSb): Hợp chất III-V tạo thành từ gali (Ga) và antimon
1.2.2 Các tính năng chính của chất bán dẫn hợp chất
