Bài tập Cơ sở khoa học vật liệu: Tính chất điện của vật liệu - ThS. Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

Bài tập Cơ sở khoa học vật liệu: Tính chất điện của vật liệu - ThS. Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh cung cấp cho học viên những kiến thức về tính chất điện của vật liệu, bán dẫn, so sánh nồng độ acceptor cần thiết với nồng độ nguyên tử Si,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU

ThS Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh

5/2016

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Biết đồng có khối lượng riêng d = 8900kg/m 3 và

nguyên tử lượng bằng 63,57g/mol.

• Tính số electron dẫn trong một khối vật liệu bằng đồng

hình lập phương cạnh 1cm.

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Mỗi nguyên tử đồng có một electron hóa trị.

• Do đó, số electron dẫn được tính bằng: N = ρa3

• Trong đó, ρv là mật độ nguyên tử trong 1 đơn vị thể tích:

A v

N d A

 

23

6, 02 10 8900

63, 57 10

8, 43 10 / 8, 43x10 electron hóa tr /m



  



TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

3 v

2

N 8, 43 10 1 10 8, 43 10 electron

  

• Tính vận tốc của electron dẫn trong đồng với động

năng bằng năng lượng Fermi (bằng 7eV).

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Năng lượng toàn phần của các electron dẫn hoàn toàn

là động năng và bằng năng lượng Fermi

• Như vậy, ta có thể viết:

F F

e

19

6

2E v

m

9,11 10









• Vận tốc Fermi:

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

2 e

1

2

• Khi đặt một tấm đồng vào một điện trường, điện tử

dịch chuyển một khoảng tương đối so với hạt nhân

bằng 10 -8 Å.

• Biết thông số mạng bằng 3,6151Å.

• Tính độ phân cực điện

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Số hiệu nguyên tử đồng là 29, tức là có 29 electron

trong mỗi nguyên tử

• Một ô cơ sở của đồng có 4 nguyên tử

• Mật độ điện tử:

10

4 29

3, 6151 10





 30   19   8 10 

7 2

3,93 10 C/m





• Độ phân cực điện:

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Độ dẫn điện của MgO phụ thuộc khả năng khuếch tán

ion Mg2+

• Biết hệ số khuếch tán của ion Mg2+ trong MgO ở

1800 o C là 10 -10 cm 2 /s và thông số mạng của MgO bằng 3,96x10 -8 cm.

• Ước tính độ linh động của các ion Mg2+ và tính độ dẫn

điện của MgO ở 1800 o C.

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Ta có:

B

19 10 23

9 2 1 1

ZqD

k T

1,12 10 C.cm J s



 

  

• 1 C tương ứng với 1 Ampere.s

• 1 Joule tương tứng 1 Ampere.s.Volt

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

 

9 2

1,12 10 cm / V.s

   

• MgO có kiểu cấu trúc NaCl với 4 Mg2+ trong 1 ô cơ sở.

• Mật độ ion Mg2+:

8

4

3, 96 10



6 2 3

5 1 1

nZq

23 10 C.cm / cm V.s



  

  

 

    

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Độ dẫn điện:

• Một tụ điện đa lớp trên cơ sở vật liệu BaTiO3 chứa

SrTiO3

• Hằng số điện môi của vật liệu là 300

• Diện tích mỗi lớp là 10mmx5mm và chiều dày mỗi lớp

bằng 10µm.

• Tính điện dung của tụ nếu 100 lớp song song với nhau

và sử dụng các điện cực nickel

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Điện dung của tụ điện các lớp song song:

0

k A C

t





0 layer

8

k A C

t

C

10 10

13, 28 10 F











TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Suy ra điện dung cho mỗi lớp:

• Suy ra điện dung cho mỗi lớp:

total layer layer

total

C 100 13, 28 10 13, 28 10 F 13, 28 F

BÁN DẪN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Biết mật độ các electron dẫn trong silic nguyên chất ở

nhiệt độ phòng là 10 16 m -3

• Giả thuyết ở nhiệt độ phòng, chuyển động nhiệt có tác

dụng đủ để hầu hết các nguyên tử P đều cho electron thừa tới vùng dẫn

• Biết Si có nguyên tử lượng 28,1g/mol và khối lượng

riêng bằng 2330kg/m 3

• Nếu muốn tăng giá trị này lên 1 triệu lần, cần cách pha

tạp phốt pho vào mạng silic, tính tỷ lệ số nguyên tử silic cần thay bởi nguyên tử phốt pho (P)

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Mật độ các nguyên tử P cần phải bằng:

16 6 22 3

10 10 10 m

A Si

23

28 3

N d n

A

6, 02 10 2330

28,1 10









TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Mật độ các nguyên tử Si trong mạng Si tinh khiết:

• Tỷ số hai mật độ:

28

6 Si

22 P

5 10



Cứ 5 triệu nguyên tử Si chỉ cần thay 1 nguyên tử bằng 1 nguyên tử P

là số electron trong vùng dẫn sẽ tăng lên 1 triệu lần.

• Thiết kế một bán dẫn loại p trên cơ sở vật liệu Si.

• Biết độ dẫn điện của Si bằng 100Ω -1 cm -1

• µ p = 480cm 2 /(V.s).

• So sánh nồng độ acceptor cần thiết với nồng độ

nguyên tử Si

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• Kích thích Si với các nguyên tử cĩ số hĩa trị +3.

• Ta cĩ:

a p

N q

  

p

100 N

1, 3 10 /cm





  nguyên tử nhận

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU

• 1 nguyên tử kích thích cĩ 1 lỗ trống, 1 ơ cơ sở Si cĩ 8

nguyên tử

8

1 x 8 N

5, 4307 10

 





6

1, 3 10 5, 4307 10 x

8





 

  nguyên tử kích thích / nguyên tử

“Hãy theo đuổi sự ưu tú,

thành công sẽ theo đuổi bạn”