Bài giảng Cơ sở vật lý cho Tin học - Chương 5: Vật liệu điện

Bài giảng Cơ sở vật lý cho Tin học - Chương 5: Vật liệu điện, cung cấp cho người học những kiến thức như: Vật liệu dẫn điện; Vật liệu cách điện (điện môi); Vật liệu bán dẫn;...Mời các bạn cùng tham khảo!

5.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện

Năng lượng của một nguyên tử độc

lập, điện tử có thể nằm ở các mức

năng lượng gián đoạn rời rạc nào đó

-các mức năng lượng nguyên tử.

- Để tạo thành vật liệu, các nguyên tử tiến lại rất gần nhau (cỡ

A0), chúng tương tác với nhau làm cho các mức năng lượng rời rạc đó tiến rất gần nhau và suy biến thành nhiều mức năng lượng sát nhau tạo thành vùng năng lượng gần như liên tục.

Cấu trúc vùng năng lượng

Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn,không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùngcấm Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộngvùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap).

Cấu trúc vùng năng lượng

Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thangnăng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh

động Mọi mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm chỗ.

Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà

điện tử sẽ linh động (điện tử tự do) , các mức năng lượng đều còn bỏ trống

hoặc bị điện tử chiếm chỗ một phần Điện tử ở vùng này sẽ có khả năng

dẫn điện Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng

Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặckhông dẫn điện Bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượngtrong vùng cấm (mức pha tạp)

Vật liệu dẫn điện là loại vật chất có vùng

hóa trị và vùng dẫn gần nhau có thể

chồng chập một phần, không có vùng

cấm Vì vậy ở nhiệt độ bình thường dưới

tác dụng của điện trường các điện tử tự

do trong vùng hóa trị có thể dễ dàng

chuyển sang vùng trống Vật liệu dẫn

điện cho phép dòng điện đi qua.

Khái niệm

5.1.1 Khái niệm Vật liệu dẫn điện

“ Độ dẫn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng di chuyển của các hạt điện tích qua một môi trường vật chất khi có lực tác động vào các hạt điện tích” Độ dẫn điện ký hiệu là 

“Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở chuyển động có hướng của các hạt điện tích trong mỗi chất”

Trong mạch điện điện trở là phần tử tcó đặc điểm ngăn cản dòng điện.

l R

là chiều di dây dẫn điện, S là tiết diện dây dẫn điện,

là điện trở suất của dây dẫn điện

Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở

Dung sai (sai số) trên điện trở là độ chênh lệch của giá trị thực tế của điệntrở so với giá trị đúng (giá trị định danh) tính theo phần trăm

d d

Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở

Quy ước cách ghi trên điện trở

Ký hiệu cách ghi trên điện trở

Ghi dung sai: B=0.1%, C=0.5%, F=1%, G=2%, J=5%, K=10%,M=20%

Ghi đơn vị: Chữ E là , chữ K là K, chữ M là M, chữ R tươngứng với điểm thập phân (chẳng hạn 1R2 =1,2)

Ví dụ 220E=220 , 0R45= 0,45Ω hoặc R45= 0,45, 100K=

100 K, 47R = 47Ω

Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở

Quy ước cách ghi trên điện trở

Quy ước theo vòng màu

Loại 3 vòng màu: hai vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở,

vòng màu thứ 3 là hệ số nhân

Loại 4 vòng màu: hai vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở,

vòng màu thứ 3 là hệ số nhân, vòng màu thứ 4 là dung sai

Loại 5 vòng màu: ba vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở,

vòng màu thứ 4 là hệ số nhân, vòng thứ 5 là dung sai

Loại 6 vòng màu: ba vòng màu đầu tiên là chỉ số thực của điện trở,

vòng màu thứ 4 là hệ số nhân, vòng thứ 5 là dung sai, vòng thứ 6 làhằng số nhiệt điện trở (TCR)

5.1.2 Độ dẫn điện Điện trở

Ta thấy điện trở đầu tiên có 4 vòng màu là vàng, xanh lá cây (lục), đỏ

và hoàng kim Theo quy ước 2 vòng đầu là chỉ số thực của điện trở thìvàng và lục tương ứng là 4 và 5, vòng thứ ba là hệ số nhân: màu đỏ hệ

số nhân là 2, tức là được nhân với 102 Vòng thứ tư màu hoàng kim chothấy dung sai là 5% Do vậy, giá trị điện trở là 45.102 tức là 4500  vàdung sai là 5%, hay có thể viết là 4K5  dung sai 5%

Ví dụ về cách đọc

điện trở ở hình vẽ

Lưu ý: Đối với các điện trở có tổng số vòng màu từ 5 trở xuống thì có thể

không bị nhầm lẫn vì vị trí bị trống không có vòng màu sẽ được đặt về phíatay phải trước khi đọc giá trị Còn đối với các điện trở có độ chính xác cao

và có thêm tham số thay đổi theo nhiệt độ thì phải để ý vòng màu tham sốnhiệt có chiều rộng lớn hơn và phải được xếp về bên tay phải trước khi đọcgiá trị của điện trở

• Khi đặt một vật dẫn bằng kim loại BC gần một

vật mang điện A

Kết quả là các electron tự do bị dồn về một đầu vật dẫn, đầu đó

tích điện âm, đầu đối diện tích điện dương và hai đầu vật đẫn

sẽ mang điện trái dấu

ngược chiều điện trường

Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng điện hưởng

Điện tích cảm ứng

e

-5.1.3 Hiện tượng điện hưởng

Điều kiện cân bằng tĩnh điện

Khi có hiện tượng điện hưởng, trong lòng vật dẫn tồn tại hai điện trường:

Điện trường phụ do điện tích

cảm ứng ở hai đầu vật dẫn

gây ra

Hai điện trường , ngược chiều nhau

Khi = thì điện trường trong vật dẫn bằng không, các electron trong vật ngừng dịch chuyển, ta nói vật dẫn đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện

Điện trường ngoài do vật

mang điện gây ra

5.1.3 Hiện tượng điện hưởng

Điều kiện cân bằng tĩnh điện

Như vậy, để đạt trạng thái cân bằng tĩnh điện (các điện tích trong vật dẫn ở trạng thái cân bằng, không dịch chuyển), phải có các điều

kiện:

- Véc tơ cường độ điện trường tại mọi điểm bên trong vật dẫn phải bằng không.

- Véc tơ cường độ điện trường tại mọi điểm trên bề mặt vật đẫn

phải vuông góc với bề mặt.

5.1.3 Hiện tượng điện hưởng

Tính chất của vật dẫn cân bằng tĩnh điện

 Mọi điểm trên vật đẫn đều có

không đều thì điện tích tập

trung chủ yếu ở những chỗ lồi

của vật.

5.1.3 Hiện tượng điện hưởng

5.1.4 Tụ điện

Là linh kiện dùng để chứa điện

tích (dự trữ năng lượng điện

trường) Gồm 2 bản dẫn điện

đặt song song ngăn cách nhau

bởi 1 lớp cách điện.

Q = C.u

C gọi là điện dung của tụ điện,

u hiệu điện thế trên 2 bản tụ

“Điện dung của tụ là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ ở một hiệu điện thế xác định và được xác định bằng tỷ số giữa điện tích của tụ và hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện”.

Đơn vị của điện dung là Fara (F) Fara là điện dung của một tụ điện mà khi hiệu điện thế giữa hai bản tụ là một vôn (1V) thì điện tích của tụ là một Culông (1C).

Ngoài ra, ta còn có thể dùng đơn vị điện dung là

microfara, nanofara, picofara…(mF, nF, pF…)

5.1.4 Tụ điện

5.1.4 Tụ điện

Điện dung của tụ trụ

Điện dung của tụ cầu

Mặt cắt của tụ trụ và tụ cầu

S là diện tích bản tụ, d khoảng cách 2 bản tụ,

là hằng số điện môi và hằng số điện

0,

 

Ra là bán kính ngoài của bản trụ trong,

Rb bán kính trong của bản trụ ngoài

5.1.4 Tụ điện

dq du

- Với dòng không đổi u=U=const nên i=0 Vậy tụ không cho

dòng không đổi (1 chiều- DC) đi qua, tụ chỉ cho dòng xoay chiều đi qua được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các tầng

khuyếch đại có chênh lệch về điện áp một chiều.

- Loc điện áp xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu thành điện áp một chiều bằng phẳng.

- Nếu dt  0 thì i  vô lý Vì vậy điện áp trên tụ không thể thay đổi đột ngột  Tụ dùng để hạn chế xung 

5.1.4 Tụ điện

5.1.4 Tụ điện

Các tham số kỹ thuật đặc trưng cho tụ điện

- Trị số dung lượng C (đơn vị F, pF, ….)

- Dung sai hay sai số của tụ tt d 100 (%)

d

C



- Điện áp làm việc (Nếu quá thì tụ bị đánh thủng)

-Hệ số nhiệt: khoảng nhiệt độ chịu ảnh hưởng (TCC),

5.1.4 Tụ điện

Trong các chất điện môi không có các điện tích tự do Chúng không thể dẫn điện trong điều kiện bình thường Năng lượng vùng cấm lớn hơn 6eV

0<EG<6eV

EG>6eV

5.2.1 Khái niệm

5.2.2 Sự phân cực chất điện môi

Tính chất quan trọng bậc nhất của chất điện môi là khả năng phân

cực của nó dưới tác dụng của điện trường ngoài

• Phân tử của bất kỳ vật chất nào của điện môi cũng có cấu tạo từ những nguyên tử Trong phân tử có các điện tích dương hoặc âm.

• Lực liên kết giữa các điện tích xác định tính chất cơ học của vật chất.

• Tổng đại số của tất cả các điện tích trong phân tử đều bằng 0, tuy nhiên vị trí các điện tích trong phân tử khác nhau.

• Nếu thay tất cả các điện tích dương và điện tích âm bằng một điện tích dương và một điện tích âm tương đương thì vị trí trọng tâm của các điện tích dương và âm có thể trùng nhau hoặc không trùng nhau

Chất điện môi không cực và có cực

Phân tử H 2 là chất điện môi không cực Phân tử H 2 O là chất điện môi có cực

Chất điện môi không cực là chất điện môi ở điều kiện bình thường mỗi phân tử có tâm của các điện tích âm trùng với tâm của các điện tích dương.(H2…)

Chất điện môi có cực là chất điện môi ở điều kiện bình thường mỗi phân tử đã là một lưỡng cực điện (có hai cực âm và dương tích điện trái dấu, bằng nhau về độ lớn, cách nhau một khoảng cách nhỏ) Tâm của các điện tích dương và các điện tích âm không trùng nhau (NH3, H2O…)

5.2.2 Sự phân cực chất điện môi

+ Do chuyển động nhiệt, các lưỡng cực sắp xếp hỗn loạn nên không tạo rađiện tích trái dấu ở bất kỳ phía nào của khối điện môi

+ Khi đặt khối điện môi trong điện trường, dưới tác dụng của điện trườngcác lưỡng cực điện sẽ quay và sắp xếp có trật tự, nằm dọc theo đường sứcđiện trường Các cực dương cùng chiều điện trường, các cực âm ngượcchiều điện trường

 Kết quả khi được đặt trong điện trường hai đầu khối chất điện môi xuất hiện các điện tích trái dấu.

5.2.2 Sự phân cực chất điện môi

Với chất điện môi không cực (N2 , H2, )

+ Ở điều kiện bình thường các phân

tử chất điện môi không cực Nhưng

khi đặt khối điện môi trong điện

trường, dưới tác dụng của điện

trường các phân tử đang từ không có

cực trở thành có cực đồng thời sắp

xếp có trật tự nằm dọc theo đường

sức điện trường Các cực dương

cùng chiều điện trường, các cực âm

ngược chiều điện trường.

“Hiện tượng phân cực chất điện môi là hiện tượng xuất hiện các điện tích trái dấu trên hai đầu thanh chất điện môi khi đặt thanh chất đó trong điện trường ngoài”.

5.2.2 Sự phân cực chất điện môi

Khi khối chất điện môi bị phân cực, trong lòng chất điện môi xuất hiện

điện trường phụ ngược chiều với điện

điện trường trong chất điện môi giảm đi bao nhiêu lần so với trong chân không.

5.2.2 Sự phân cực chất điện môi

-Vật liệu bán dẫn là những vật liệu có tính chất dẫn điện nằm giữachất dẫn điện và chất cách điện, năng lượng vùng cấm 0< EG< 6 eV

EG>6eV 0<E

G <6eV

5.3.1 Khái niệm

Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém, còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt Tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất pha vào chất bán dẫn

5.3.1 Khái niệm

Tính chất của điện trở suất của chất bán dẫn

Chất bán dẫn

5.3.1 Khái niệm

-

- Hình thành cặp electron – lỗtrống

- Cả electron và lỗ trống có thểdịch chuyển trong toàn tinhthể và trở thành hạt tải điệnElectron và lỗ trống

5.3.1 Khái niệm

Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các eletron

và lỗ trống

Electron và lỗ trống

- Ở nhiệt độ thấp các electron (e) hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng tinh thể Do đó không có hạt tải điện tự do.

- Ở nhiệt độ tương đối cao các e thu thêm năng lượng giải phóng khỏi liên kết và trở thành e tự do, đồng thời để lại lỗ trống (liên kết bị bỏ trống) Lỗ trống mang điện dương Một e nào đó ở gần có thể đến lấp đầy lỗ trống và tạo thành lỗ trống

ở vị trí khác Như vậy lỗ trống cũng có thể bị dịch chuyển.

- Khi có điện trường đặt vào e dịch chuyển ngược chiều điện trường, lỗ trống dịch chuyển cùng chiều điện trường gây nên dòng điện trong chất bán dẫn.

Cấu trúc mạng tinh thể Silic

Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

Cung cấp nhiệt làm phá vỡ liên kết cộng

hóa trị, tại ra các điện tử tự do

-Si -

-

-Si -

- -

-Điện tử tự do Cácđể lại bởilỗ trống

điện tử sẽ mang điện dương

+

+

Bán dẫn tinh khiết (Loại i)

Là loại bán dẫn có số electron và số lỗ trống bằng nhau

Ví dụ: Si (Silic)

- Tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất pha vào

chất bán dẫn nên ta có bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

Ví dụ: Silic (Si) pha thêm

Photpho (P) hoặc Asen (As) Ví dụ: Silic (Si) pha thêm Boron (B)

5.3.2 Các loại bán dẫn

5.3.2 Các loại bán dẫn

Si -

- Si

-Si -

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

-• Cấy nguyên tử As vào mạng tinh thể Silic

• As có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng, dư 1 điện tử so với Silic

• Có thêm nhiều điện tử tự do hơn tham gia vào quá trình dẫn điện

• Bán dẫn loại N (n – vì hạt tải điện chủ yếu là điện tích âm)

Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

-

-Si -

-

+

-+

+

As -

-As -

- - As

-+ -

-

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

-• Cấy Boron vào mạng tinh thể Silic.

• Boron có 3 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng (ít hơn 1 electron so với silicon)

• Hình thành các lỗ trong trong mạng tinh thể và tham gia vào quá trình dẫn điện

• Bán dẫn loại P (p – vì hạt tải điện chủ yếu là điện tích dương)

Si -

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

- Si

-Si -

-Si -

-Si -

-Si -

-

-Si -

-

+

-+

B -

+

B -

+

B -

+

Lớp tiếp xúc giữa miền bán dẫn loại N và loại P

Do sự chênh lệch mật độ hạt tảiđiện nên quá trình khuếch tánhạt tải điện sẽ diển ra qua lớp

Si Si

Si B

Si Si

B

Si Si

Si B

Si As

Si B

B Si

Si B

Si

Si Si

Si Si

Si Si

Si As

As As

As Si

Si Si

• Hiệu ứng khuếch tán khi chưa có điện trường E – Điện tử và lỗ trống

dịch chuyển theo chiều giảm của mật độ

• Chúng hủy lẫn nhau và tạo thành có rất ít hạt tích điện (có điện trở rất lớn) Vùng này có tên là vùng nghèo hạt tải điện tự do và có tác dụng ngăn cản

sự chuyển động của các hạt tải điện khác qua lớp tiếp xúc

• Tại miền tiếp xúc P-N, electron

khuếch tán sang miền P còn lỗ

trống khuếch tán sang miền N.

• Do sự thiếu hụt electron trong

miền N dẫn tới trên bề mặt của

miền này mang điện tích dương.

• Tương tự trên bề mặt của miền P

do thiếu hụt lỗ trống nên mang

điện tích âm.

• Kết quả là sự hình thành điện

trường có chiều từ N sang P ngăn

cản quá trình khuếch tán của điện

tử và lỗ trống

Tính chất của lớp tiếp xúc

Tính chất vật lý của miền nghèo

– Mối liên hệ giữa mật độ tạp chất pha tạp và độ

rộng của miền nghèo:

– Độ rộng của miền nghèo được cho bởi:

) (

1

D A

D

A n

N N

N

N e

V l



  

) (

1

D A

A

D p

N N

N

N e

V l



  

p A n

đầu P-N sẽ thiết lập

dòng điện chạy qua diod.

Phân cực ngược: cực dương của nguồn nối với bán dẫn n, cực âm nối với bán

dẫn p, không có dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc

- Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng

có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

Để sử dụng Transistor trong mạch cần phải cấp cho nó một nguồn điện,

nguồn điện cung cấp cho Transistor được quy ước là nguồn cấp cho cực CE

Về kí hiệu Tranzito cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực Êmitơ và

Bazơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n Loại pnp có mũi tên chạy

vào, loại npn có mũi tên chạy ra Chiều mũi tên chỉ chiều dòng điện chạy

trong tranzito

Để tranzito làm việc, người ta phải đưa

điện áp một chiều (cung cấp điện trường)

tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho

tranzito

Ở chế độ khuếch đại của tranzito thì

mối nối B-E phải được phân cực thuận (cỡ

0,7V với Si và cỡ 0,3V với Ge )

Do tác dụng của điện trường làm cho

các hạt tải điện cơ bản xuất phát đi ra cùng

chiều điện trường Mối B-C phân cực

ngược để nhờ điện trường gia tốc lôi kéo

tập trung các hạt này chạy đến cực thu C

Dù là loại tranzito npn hay pnp thì

nguyên tắc hoạt động đều tương tự như

nhau Chẳng hạn ta xét:

Với transitor npn,