Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Ôn tập: Tính chất điện của Vật liệu

6/17/2015

Sơ đồ đo độ dẫn điện

Biến trở

Tính chất điện của

Vật liệu

Nguồn điện

Ampe kế

Mẫu đo

S

Tiết diện

Vôn kế

Khái niệm về dẫn điện

Độ biến thiên độ dẫn điện giữa các vật liệu

(VL Kim loại)

(VL Bán dẫn)

(VL cách điện)

1

6/17/2015

Cấu trúc vùng năng lượng trong các vật rắn

Vùng năng lượng

Khe vùng

Vùng năng lượng

a)

b)

(a) Cấu trúc vùng năng lượng điện tử trong vật

rắn (a) là kết quả của sự mở rộng các mức năng

lượng điện tử (b) khi các nguyên tử đứng gần

nhau.

Khoảng cách

nguyên tử

Khoảng cách

cân bằng

Phân loại vật liệu kỹ thuật điện

Cấu trúc vùng năng lượng trong các vật rắn

2

6/17/2015

Độ linh động điện tử

Phân loại vật liệu kỹ thuật điện

V_d: tốc độ đẩy

µ_e: độ linh động điện tử (có đơn vị:cm²/V.s)

Độ dẫn điện tỷ lệ với số điện tử

tự do và độ linh động điện tử:

n: số điện tử tự do-tức điện tử dẫn

trong một đơn vị thể tích

: giá trị tuyệt đối của điện tích một

điện tử (1.6x10^-19C)

Điện trở suất của kim loại

Độ linh động điện tử

Điện trở suất thực của kim loại:

ρ_t, ρ_ivà ρ_d: điện trở suất của nhiệt độ,

tạp chất và biến dạng

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Tăng tuyến tính trong khoảng nhiệt độ

> -200^oC

ρ₀, a: là các hằng số cho riêng từng

kim loại.

3

6/17/2015

Điện trở suất của kim loại

3. Ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi (ρ_d):

Điện trở suất của kim loại

2. Ảnh hưởng của tạp chất:

Gần đúng:

A: là hàng số phụ thuộc vào kim loại nền và

tạp chất

c_i: là phần mol tạp chất kim loại

ρ_α, V_α: là điện trở suất riêng và phần thể

tích của kim loại α

Điện trở suất của hợp kim Cu-Ni theo thành

phần tạp chất

Vật liệu bán dẫn

Cơ chế dẫn điện

4

6/17/2015

Số phần tử mang điện

Tính chất vật liệu bán dẫn

(Bán dẫn tinh khiết-Intrinsic semicondoctor)

(0.085 + 0.04) m²/V.s

7.02x10¹²/m³

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Vật liệu bán dẫn

5

6/17/2015

Bán dẫn loại n (n-type extrinsic semiconductor)

(điện tử ở vùng dẫn vượt xa lỗ trống vùng hóa trị: n >> p)

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Bán dẫn loại p (p-type extrinsic semiconductor)

(lỗ trống ở vùng hóa trị vượt xa điện tử ở vùng dẫn: p >> n)

Bán dẫn có phụ gia

(Extrinsic semiconductor)

thiếu electron

(electron acceptor)

lỗ trống

6

6/17/2015

Bán dẫn có phụ gia

(Extrinsic semiconductor)

Nồng độ

electron và độ

dẫn của bán

dẫn có phụ gia

phụ thuộc vào

nhiệt độ như

thế nào????

Extrinsic region: All P donor state electrons are excited

Freeze-out region: Thermal energy is too low for exciting the electrons from P

donor states to the conduction band

Intrinsic region: Excitations across the band gap dominate

7

6/17/2015

8

6/17/2015

9

6/17/2015

Ví dụ 1

Ví dụ 2

ρ

A

ρ

N_A

A

Số ions Cl^-trong một ô cơ sở là: 8x1/8 +

b)

6x1/2 = 4

Số ions Na⁺trong một ô cơ sở là: 12x1/4 +

1 = 4

Số ions trong một ô cơ sở:

4Na⁺+ 4Cl^-

Số phân tử NaCl trong một ô cơ sở là n = 4

n A

V_CN_A

(g/cm³)

 =

Trong đó: n số nguyên tử/ions trong ô mạng cơ sở

A khối lượng nguyên tử (g/mol)

r_Na+= 1.81x10^-8cm

r_Cl-= 0.98x10^-8cm

V_CThể tích của ô cơ sở (= a³cho mạng lặp phương)

N_ASố Avogadro = 6.023 x 10²³atoms/mol

Ví dụ 3

Số nguyên tử trong ô cơ sở: n = 8x1/8 + 6x1/2 + 4 = 8

Số hiệu nguyên tử Z=14: 1s²2s²2p⁶3s²3p²

Si có cấu trúc giống Kim cương

Hằng số mạng a_Si= 4.53 Å

10

6/17/2015

Ví dụ 4

TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI TỤ ĐIỆN PHẲNG

Điện dung (C) – Điện lượng (Q)

C = Q/V (Culong/von, hay

Faraday F)

C = ε₀A/l

A: diện tích bề mặt

l: Khoảng cách giữa các bề mặt

ε_o: độ từ thẩm chân không (8.85x10^-12F/m)

Khi vật liệu điện môi điền đầy 2 tấm:

C = ε A/l

Trong đó: ε độ từ thẩm môi trường điện môi;

ε = ε_rε_o

Mật độ điện tích mặt (Khi có chân không)

D = ε₀E

Trong trường hợp điện môi (còn gọi là độ

dịch chuyển điện môi)

D = εE

11

6/17/2015

l

(Trong trường hợp điên môi)

V/l

(Độ phân cực)

Ví dụ:

Xét một tụ điện tấm phẳng song song có diện tích mặt là 6.45x10^-4

m²và một tấm ngăn cách là 2x10^-3m và điện áp đăt lên tụ điện là

10V. Giả sử một vật liệu có hằng số điện môi là 6.0 được đặt vào

giữa hai tấm của tụ điện, hãy tính:

a) Điện dung

b) Số lượng điện tích lưu trữ trên mỗi tấm

c) Tính độ dịch chuyển điện môi

A = 6.45x10^-4m²

L = 2x10^-3m

V = 10 von

d) Độ phân cực

ε_r= 6.0

ε_o= 8.85x10^-12F/m

Giải:

a) Điện dung: C = ε A/l = ε_rε_oA/l = [6.0x(8.85x10^-12

F/m) 6.45x10^-4]/2x10^-3= 1.71x10^-11F/m

12

6/17/2015

Một số tóm tắt

b) Số lượng điện tích lưu trữ trên mỗi tấm:

Q = CV = (1.71x10^-11F/m)x(10V) = 1.71x10^-11

C

c) Tính độ dịch chuyển điện môi:

D

=

εE

=

εV/l

=

[(6.0)x(8.85x10^-12

F/m)]x10V/2x10^-3m = 2.66x10^-7C/m²

d) Độ phân cực:

P = ε_o(ε_r–1)E = D – ε_oV/l = 2.66x10-7 – [8.85x10^-12

]x(10V)/2x10^-3m = 2.22x10^-7C/m²

Một số tóm tắt

13

6/17/2015

Một số tóm tắt

14