Đang tải... (xem toàn văn)
Cấu kiện điện tử
Phạm Thanh Huyền - - Bài giảng Cấu kiện điện tử Chuyên ngành: KTVT, KTTT, ĐKH-THGT Hà nội 5/ 2005 Lời nói đầu Cấu kiện Điện tử môn học nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc làm việc nh ứng dụng điển hình linh kiện điện tử Đây đợc coi môn sở quan trọng trớc tiếp cận sâu vào phần kỹ thuật điện tử Môn học trang bị kiến thức tảng để sinh viên tiếp thu kiến thức môn học nh Kỹ thuật mạch điện tử, Kỹ thuật xung, Kỹ thuật đo lờng thực tập phòng thí nghiệm Bài giảng Cấu kiện Điện tử đợc biên soạn với mục đích nh dựa giáo trình tài liệu tham khảo nay, đợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên qui chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Thông tin, Tự động hoá, Trang thiết bị điện, Điều khiển học Tín hiệu Giao thông Ngoài ra, tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên ngành Cơ khí sinh viên hệ chức cần tìm hiểu sâu điện tử Mặc dù đà đợc kiểm tra cẩn thận nhng tài liệu chắn có sai sót Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới đồng nghiệp môn Kỹ thuật Điện tử đà đóng góp nhiều ý kiến quí báu cho tài liệu Rất mong nhận đợc ý kiến đóng góp bạn đọc Các ý kiến đóng góp xin gửi Bộ mô Kỹ thuật Điện tử - Khoa Điện Điện tử - ĐH GTVT Hà Nội tháng năm 2005 Tác giả Chơng I: Cơ sở vật lý vật liƯu linh kiƯn Ch−¬ng I C¬ së vËt lý cđa vËt liƯu linh kiƯn I Kh¸i niƯm vỊ lý thut vùng lợng Bản chất nguyên tử Tất vật chất hình thành từ hạt nhỏ li ti Những hạt có mật độ dày đặc làm cho vật chất dờng nh liên tục chúng nhỏ di chuyển với tốc độ cực nhanh Các nhà khoa học đà nhận biết đợc 92 loại vật chất tự nhiên, chúng đợc gọi nguyên tố Sau có vài nguyên tố ngời tạo Mỗi nguyên tố có cấu trúc hạt riêng nó, gọi nguyên tử Cho tới cuối kỷ 19 ngời ta cho nguyên tử phần tử vật chất cấu trúc phân chia Tuy nhiên, sau hàng loạt nghiên cứu, tới ngời ta đà đa mô hình đắn nguyên tử cha thực biết đợc có hạt vật chất nhỏ hay không Dới số kết lý thuyết nguyên tử đà đợc thừa nhận rộng rÃi, giải thích đặc tính vật chất tốt lý thuyết khác Tất nguyên tử bao gồm hạt nhân nhỏ tập trung hầu hết khối lợng nguyên tử Quay xung quanh hạt nhân điện tử (electron) mang điện tích âm, nhỏ nhẹ nhiều Hạt nhân bao gồm hạt proton nơtron, proton mang điện tích dơng nơtron không mang điện qp = - qe = 1,6 x 10-19 C Khi nguyªn tư ë trạng thái bình thờng số proton = số điện tử nên nguyên tử trung hoà điện Một thay đổi nhỏ cấu tạo nguyên tử tạo nên khác biệt lớn vỊ tÝnh chÊt cđa nã VÝ dơ, chóng ta chØ sống đợc thở oxy tuý nh−ng kh«ng thĨ sèng nÕu chØ cã khÝ nito oxy làm kim loại bị ăn mòn nhng nito không Mặc dù điều kiện bình thờng oxy nito không màu, không mùi, không vị trọng lợng nguyên tử gần Chúng khác v× oxy cã proton nito chØ có Mô hình lợng tử nguyên tử Điện tử quỹ đạo lợng tử xác định, quay quanh hạt nhân nhờ cân lực: Lực điện điện tích (-) điện tử điện tích (+) hạt nhân Lực hấp dẫn (lực hớng tâm) thực thể có khối lợng điện tử hạt nhân Cấu kiện điện tử Chơng I: Cơ sở vật lý vật liệu linh kiện Các điện tử liên kết với hạt nhân mức lợng mà mức lợng rời rạc xác định theo quỹ đạo cho phép Những mức lợng gọi mức lợng tử Các mức lợng không cách Các điện tử xa hạt nhân liên kết với hạt nhân yếu Mỗi nguyên tử có vô số quỹ đạo nhng tất quỹ đạo có điện tử Bohr cho rằng: Các e không chuyển động nguyên tử theo quỹ đạo mà theo quỹ đạo xác định gọi quỹ đạo lợng tử Khi chuyển động quỹ đạo e không bị lợng Chỉ e nhảy từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác trạng thái lợng thay đổi Khi lợng tử ánh sáng photon bị xạ hay hấp thụ Hai tiên đề Bohr: + Tiên đề trạng thái dừng: nguyên tử tồn trạng thái có lợng xác định gọi trạng thái dừng Trong trạng thái dừng nguyên tử không xạ + Tiên đề xạ hấp thụ lợng nguyên tử: trạng thái dừng có lợng thấp bền vững Khi nguyên tử trạng thái dừng có lợng lớn có xu hớng chuyển sang trạng thái dừng có lợng nhỏ Khi xạ photon có lợng hiệu mức lợng Số điện tử tối đa quỹ đạo số xác định: (2n2) n=1 lớp K ®iƯn tư n=2 líp L ®iƯn tư n=3 líp M 18 ®iƯn tư n=4 líp N 32 ®iƯn tư n=5 líp O 50 ®iƯn tư C¸c ®iƯn tử lớp đợc gọi điện tử hoá trị Điện tử hóa trị xác định tính chất vật lý nh hoá học nguyên tố Số điện tử hoá trị lớn (với khí trơ) Số điện tử hoá trị nhỏ (với kiềm) Bán kính quỹ đạo lợng tử h2 r = n2 Z me e K Pham Thanh Huyen_GTVT Ch−¬ng I: C¬ së vËt lý cđa vËt liƯu linh kiƯn đó: n = 1, 2, 3, số lợng tử Z: số thứ tự nguyên tố bảng tuần hoàn (số proton hạt nhân) me = 9,1 x 10-31 kg khối lợng điện tử -19 e = -1,6 x 10 C điện tích ®iƯn tư h h= = 1,054.10 −34 Js lµ momen gãc cđa ®iƯn tư (h»ng sè Plank rót gän) 2π h = 6,625.10-34 Js lµ h»ng sè Plank K0 = 9.109 Nm2/C hệ số tỉ lệ Năng lợng điện tử quỹ đạo (còn gọi lợng trạng thái dừng hay lợng trạng th¸i nghØ) Wn = − me e = − R.h.Z Z 2 n 2.(4πε ) h n me e = 3,27.1015.s −1 4π (4πε ) h Tần số photon xạ điện tử nhảy từ quỹ đạo có mức lợng WK sang mức lợng Wi đợc tính theo công thức: W − Wi 1 f = K = R.Z ( − ) h ni nK nK, ni số lợng tử ứng với trạng thái dõng WK vµ Wi Ng−êi ta gäi d·y phỉ bøc xạ điện tử nhảy: + Từ quỹ đạo quỹ đạo thứ dÃy vạch phổ Lyman + Từ quỹ đạo quỹ đạo thứ hai dÃy vạch phổ Banme + Từ quỹ đạo quỹ đạo thứ ba dÃy vạch phổ Paschen + Từ quỹ đạo quỹ đạo thứ t dÃy vạch phổ Bracket Với R số Ritbe R = Các mức lợng nguyên tử Theo công thức: Wn = me e = − R.h.Z Z 2 n 2.( 4πε ) h n Ta thấy ứng với giá trị n có mức lợng tơng ứng Tập hợp mức lợng cho ta giản đồ lợng nguyên tử Dới giản đồ lợng nguyên tử Hidro Cấu kiện điện tử Chơng I: Cơ sở vật lý vËt liƯu linh kiƯn E(eV) O – ion ho¸ 13,6 12,07 M – 2nd L – 1st 91nm 121nm 10,2 486.1nm N – 3rd 656.3nm 12,74 K - ground Ngời ta chọn mức lợng thấp mức (mức đất- ground) mức khác gọi mức kích thích Khi nhận lợng điện tử chuyển lên mức lợng cao xa hạt nhân bứt khỏi nguyên tử lợng nhận đợc đủ lớn, giá trị lớn giản đồ lợng (năng lợng ion hoá) Nguyên tử tồn trạng thái kích thích (có lợng W2) khoảng từ -10 10 ữ 10-7 s sau trở trạng thái tĩnh (năng lợng W1) Khi đó, xạ photon cã tÇn sè: W − W1 [Hz] víi W2 > W1 tính đơn vị [J] f = h 12400 hay photon cã b−íc sãng λ = với E đơn vị [eV] [A0] E E1 eV lợng đợc tính công 1e chuyển dời điện trờng điểm có hiệu điện 1V 1eV = 1,6.10-19 C x 1V = 1,6.10-19 J Các phơng pháp cung cấp lợng cho nguyên tử a Sự va chạm điện tử với nguyên tử: Gia tốc cho ®iƯn tư èng phãng ®Ĩ cung cÊp cho điện tử lợng lớn với vận tốc cao Khi điện tử va đập với nguyên tử, truyền lợng cho nguyên tử làm cho điện tử (chủ yếu điện tử hoá trị) nhảy lên mức lợng cao Khi lợng cung cấp đủ lớn điện tử hoá trị nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử, lợng gọi ion hoá Mọi vật chất ion hoá từ ữ 25 eV Năng lợng d thừa tồn dới dạng động điện tử ion d−¬ng Pham Thanh Huyen_GTVT Ch−¬ng I: C¬ së vËt lý cđa vËt liƯu linh kiƯn b Sù va ch¹m cđa quang tử với nguyên tử Kích thích loại thực đợc photon có lợng độ chênh lệch lợng mức lợng tĩnh W1 W2 nguyên tử Nói cách khác, photon bị hấp thụ lợng bằng: h.f = W2 W1 Nếu tần số ánh sáng chiếu vào đủ lớn để ion hoá nguyên tử lợng hf lớn ion hoá Năng lợng d thừa tồn dới dạng động điện tử phát ion dơng vừa hình thành Chú ý: Nguyên tử bị kích thích trở trạng thái ban đầu lần vài lần nhảy (bức xạ một vài photon) Lý thuyết dải lợng chất rắn Hầu hết kim loại bán dẫn có cấu trúc mạng tinh thể, nghĩa nguyên tử bố trí theo quy luật định hình thành nên mạng tinh thể Khi tạo nên mạng tinh thể điện tử chịu ảnh hởng ràng buộc lẫn Đặc biệt điện tử hoá trị, chúng không liên kết với nguyên tử riêng lẻ mà chúng thuộc hệ nguyên tử nh hệ thống Kết hình thành nên dải lợng thay cho mức lợng nh nguyên tử độc lập Giải thích: Xét cấu trúc khối tinh thể gồm N nguyên tử (khoảng 1023 nguyªn tư) Si: 1s2 2s2 p6 3s2 3p2 (14 ®iƯn tư ) Ge: 1s2 2s2 p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 (32 điện tử) Nh vậy, khoảng cách nguyên tử lớn (đủ để coi chúng không gây ảnh hởng tới nhau), có 2N điện tử chiếm hết 2N trạng thái s tất có mức lợng; có 2N điện tử chiếm 2N trạng thái số 6N trạng thái p tất mức lợng Khi khoảng cách nguyên tử giảm xuống hình thành nên mạng tinh thể theo quy tắc hạn chế Pauli điện tử có mức lợng, mà chúng hình thành nên số lợng lớn mức lợng tách rời nhng gần gọi vùng lợng Tiếp tục giảm khoảng cách nguyên tử dải lợng gối phủ lên nh có 4N điện tử chiếm 4N trạng thái số 8N trạng thái có Nh vậy, nguyên tử đà bỏ điện tử đóng góp vào mạng tinh thể, dải lợng mà chúng chiếm gọi dải hoá trị (valance band) 4N trạng thái lại điện tử chiếm giữ gọi dải dẫn (conduction band), phân cách dải dẫn dải hoá trị gọi dải cấm, không cho phép tồn mức lợng Cấu trúc dải lợng phụ thuộc vào hớng tác động nguyên tử với số nguyên tử mạng Dựa vào cấu trúc vùng lợng ngời ta phân loại chất rắn thành loại: Eg > eV cách điện Cấu kiện ®iƯn tư Ch−¬ng I: C¬ së vËt lý cđa vËt liƯu linh kiƯn Eg < eV ⇒ b¸n dÉn Eg dẫn điện Chú ý : Độ rộng dải cấm phụ thuộc vào nhiệt độ, Eg giảm nhiệt độ tăng với tốc độ Eg>2eV Eg>2eV Cách điện Bán dẫn Dẫn điện giảm 3,6.10-4eV/K Vật liệu Ge Eg t¹i K 0,785 eV Eg t¹i 300 K 0,72 eV Si 1,21 eV 1,1 eV Sù phân bố lợng điện tử hàm Fecmi nhiệt độ tuyệt đối, tất điện tử trạng thái lợng thấp tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli Vùng hoá trị đợc điền đầy hoàn toàn vùng dẫn trống hoàn toàn Khi nhiệt độ tăng dới tác dụng kích thích nhiệt số điện tử vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn để lại lỗ trống (trạng thái điện tử chiếm giữ) vùng hoá trị Theo định luật học thống kê điều kiện cân nhiệt xác suất điền đầy điện tử mức lợng đợc xác định hàm Fecmi: f (E) = ( E − E F ) / KT 1+ e víi K = 1,38.10-23 J/K ~ 8,625.10-5 eV/K (hằng số Bozman) tơng tự có hàm phân bố lỗ trống: f(E) = ( E F − E ) / KT 1+ e Khi E – EF > 3KT th× f ( E ) = e ( E EF ) / KT Định nghÜa møc Fecmi: ë nhiƯt ®é ®é tut ®èi, tất mức lợng dới mức bị điện tử chiếm đầy mức lợng cao bỏ trống, ngời ta gọi mức lợng ranh giới mức đợc chiếm đầy mức trống mức lợng Fecmi K Nói cách khác, mức Fecmi mức lợng mà xác suất xuất điện tử 1/2 EF thớc đo xác suất chiếm đóng trạng thái lợng cho phép EF = 3,64.10-19.n2/3 với n mật độ điện tử tù / m3 Pham Thanh Huyen_GTVT Ch−¬ng I: C¬ së vËt lý cđa vËt liƯu linh kiƯn NhËn xÐt: f(E) T¹i T = K + f(E) = E > EF, nghĩa trạng thái lợng tử cao EF có xuất ®iƯn tư + f(E) = E < EF, nghĩa tất 1/2 trạng thái lợng tử có lợng nhỏ EF bị điện tử chiÕm ®ãng T=0K T = 300 K T = 2500 K E - EF Xác suất vùng chiếm ®ãng T ≠ ®Ịu lu«n b»ng 1/2 E = EF, không phụ thuộc vào T Hàm phân bố Fecmi f(E) đối xứng qua EF nghĩa xác suất điện tử chiếm đóng mức lợng ( E F E ) xác suất điện tử chiếm đóng mức lợng ( E F + E ) Vị trí mức Fecmi giản đồ lợng cho phép xác định tính chất vật liệu Nếu mức Fecmi thuộc: Dải dẫn chất dẫn điện Dải hoá trị chất cách điện Giữa vùng cấm bán dẫn nguyên tính Gần đáy vùng dẫn Ec bán dẫn loại N Gần đỉnh vùng hoá trị Ev bán dẫn loại P II Chất cách điện (dielectric) Định nghĩa Chất cách điện (còn gọi chất khử điện) chất ngăn không cho dòng điện lu thông Tuy nhiên, thực tế ngời ta coi chất cách điện chất có điện trở suất cao vào khoảng 107 ữ 1017 m nhiệt độ bình thờng Hầu hết chất khí chất cách điện tốt, thuỷ tinh, giấy khô, gỗ khô chất dẻo chất cách điện Nớc tuý chất cách điện tốt nhng bị ô nhiễm, dù nhỏ, cho phép dòng điện chạy qua Oxit kim loại chất cách điện kim loại dạng tuý lại chất dẫn điện Trong kỹ thuật điện tử, chất cách điện đợc sử dụng chất điện môi, dới ta xét tới chất điện môi Các tham số chất điện môi a Độ thẩm thấu tơng đối (hằng số điện môi) Có thể nói chất điện môi có hạt mang điện ràng buộc Dới tác dụng điện trờng điện tử ràng buộc (liên kết) tiếp nhận lợng điện dịch khỏi vị trí cân hình thành nên lỡng cực điện, ngời ta gọi tợng phân cực điện môi Mức độ thay đổi điện dung tụ điện thay đổi chân không 10 Cấu kiện ®iƯn tư ... điện điện tích (-) điện tử điện tích (+) hạt nhân Lực hấp dẫn (lực hớng tâm) thực thể có khối lợng điện tử hạt nhân Cấu kiện điện tử Ch−¬ng I: C¬ së vËt lý cđa vËt liƯu linh kiện Các điện tử. .. Số điện tử tối đa quỹ đạo số xác định: (2n2) n=1 lớp K điện tử n=2 líp L ®iƯn tư n=3 líp M 18 ®iƯn tư n=4 líp N 32 ®iƯn tư n=5 líp O 50 điện tử Các điện tử lớp đợc gọi điện tử hoá trị Điện tử. .. điện tử va đập với nguyên tử, truyền lợng cho nguyên tử làm cho điện tử (chủ yếu điện tử hoá trị) nhảy lên mức lợng cao Khi lợng cung cấp đủ lớn điện tử hoá trị nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử,