CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU LINH KIỆN 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 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.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.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.4 Các điện tử hoá trị Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 2 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội 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.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.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: N e = 2n 2 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: N e = 2 n 2 = 2.12 = 2 Tất cả các lớp trong nguyên tử phải điền đủ số điện tử trừ lớp ngoài cùng.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 đơn chất ví dụ như đồng, bạc, vàng, nhôm, là các chất mà trong nguyên tử chỉ Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 3 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội 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 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. Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 4 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội Mức năng lượng Mức năng lượng Mức năng lượng Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng cấm Vùng cấm Vùng dẫn Bị chồng Vùng hoá trị Vùng hoá trị Vùng hoá trị 0 0 0 Chất cách điện Chất bán dẫn Chất dẫn điện Hình 1. Cấu trúc vùng năng lượng của chất cách điện , chất bán dẫn và chất dẫn điện.2 Chất điện môi 1.1 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.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: Cd ε= C0 Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 5 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội 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 Pa 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).6(trnag 25 sach linh kien bưu chính) là sơ đồ tương đương của tụ điện khi có tổn hao. Ia Ua tgδ = = Ic Uc 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.