Đang tải... (xem toàn văn)
Quy trình thiết kế mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) sử dụng bán thành phẩm
Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN - ĐIỆN TỬ I Định nghóa Vật liệu dẫn điện loại vật liệu trạng thái bình thường có điện tích tự Nếu đặt vật liệu điện trường điện tích chuyển động theo hướng xác định tạo thành dòng điện II Phân loại Vật liệu dẫn điện chia thành hai loại: - Vật dẫn với tính dẫn điện tử - Vật dẫn với tính dẫn ion Vật dẫn với tính dẫn điện tử, bao gồm kim loại trạng thái rắn lỏng, hợp kim số phi kim loại Sự hoạt động điện tích không làm biến đổi cấu trúc vật liệu Vật dẫn với tính dẫn ion, bao gồm dung dịch có sở nước axit, bazơ, muối; số dạng rắn AgI Khi dòng điện qua gây biến đổi hoá học Trong cường độ điện trường mạnh chất khí vừa có tính dẫn điện tử, vừa có tính dẫn ion III Các đặc tính vật liệu dẫn điện Điện trở (R) quan hệ hiệu điện đặt hai đầu dây dẫn cường độ dòng điện chiều chạy dây dẫn R=ρ l s R - điện trở (Ω) ρ - điện trở suất (Ωmm2/m) l - chiều dài dây dẫn (m) S - tiết diện dây dẫn (mm2) Trang 42 Điện dẫn (G) đại lượng nghịch đảo điện trở G= R Đơn vị điện dẫn: S (siemen) Điện trở suất (ρ ρ) điện trở dây dẫn có chiều dài đơn vị chiều dài tiết diện đơn vị diện tích Đơn vị điện trở suất: Ωm (MKSA); Ωcm (CGS); Ωmm2/m (thường dùng kỹ thuật) Điện dẫn suất (γγ) đại lượng nghịch đảo điện trở suất γ= ρ Đơn vị điện dẫn suất: 1/Ωm (MKSA); 1/Ωcm (CGS); m/Ωmm2 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất: - Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ (α α) Điện trở suất kim loại nhiều hợp kim tăng theo nhiệt độ; điện trở suất cacbon dung dịch điện phân giảm theo nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất kim loại biến đổi theo công thức: ρt = ρ0(1 + αt) ρt - điện trở suất nhiệt độ t ρ0 - điện trở suất 200C Hệ số α gần giống kim loại tinh khiết, 4.10 1/0C -3 Trang 42 α≈ - Hệ số biến đổi điện trở suất theo nhiệt độ (k) Khi kéo nén đàn hồi, điện trở suất kim loại biến đổi theo công thức: ρt = ρ0(1 ± kt) Dấu "+" ứng với biến dạng kéo Dấu "-" ứng với biến dạng nén - Ảnh hưởng từ trường ánh sáng Thực nghiệm cho thấy điện trở suất thay đổi kim loại đặt từ trường, số vật liệu bị chiếu sáng IV Tính dẫn điện, cách điện vật liệu Tính dẫn điện kim loại Trong kim loại hợp kim có số lớn electron tự Các electron tự nằm không gian nút mạng tinh thể Cũng nguyên tử nút mạng, chúng dao động hỗn loạn, tốc độ chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Khi điện trường tác dụng phân bố tốc độ electron hướng có xác suất dòng điện Khi có điện trường ngoài, electron chịu tác dụng lực F = Eq electron chuyển động theo chiều ngược với chiều điện trường Tính dẫn điện chất bán dẫn Điện trở suất chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, ảnh hưởng lớn đến việc hình thành tái hợp hạt mang điện tích tự do: thay đổi nhiệt độ, tác động xạ, thay đổi cường độ điện trường Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm, vật liệu có hệ số nhiệt điện trở âm Mật độ dòng điện chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào có mặt tạp chất Chẳng hạn, chất bán dẫn Si pha thêm P ta chất bán dẫn loại N, pha thêm B ta chất bán dẫn loại P Trang 42 Tính dẫn điện chất điện môi rắn Quá trình dẫn điện chất điện môi rắn chuyển động ion điện môi tạp chất ngẫu nhiên, hay số điện môi có electron tự Trong vật chất rắn có cấu trúc ion, tính dẫn điện chủ yếu chuyển dịch ion giải phóng tượng dao động nhiệt Ở nhiệt độ thấp chuyển động ion liên kết yếu phần ion tạp chất Ở nhiệt độ cao chúng giải phóng số ion nút lưới tinh thể Trong chất điện môi có lưới nguyên tử phân tử, tính dẫn điện bị ảnh hưởng có mặt tạp chất, điện dẫn suất chúng nhỏ Tính dẫn điện mặt điện môi rắn Tính dẫn điện mặt điện môi rắn phụ thuộc chất bề mặt điện môi điều kiện làm việc: độ ẩm, bụi bẩn Độ bám nước lên bền mặt điện môi phụ thuộc vào chất vật liệu, môi trường điện môi làm việc Điện dẫn suất lớp vật chất bề mặt tăng lên nhanh độ ẩm tương đối lớn 70 80% Tính dẫn điện chất khí Việc nghiên cứu tính dẫn điện chất khí quan trọng thiết bị điện đặt môi trường không khí Tất chất khí điện môi Ở điện trường thấp, điện dẫn suất chất khí có giá trị nhỏ Quá trình dẫn điện chất khí có số hạt mang điện Trong điều kiện bình thường mật độ hạt mang điện nhỏ 1013hạt/m3 Chất khí sử dụng thiết bị điện cần thỏa mãn yêu cầu: điện dẫn suất nhỏ, tổn hao điện môi thấp, độ bền cách điện cao, giá thành rẻ Tính dẫn điện chất lỏng Trang 42 Tính dẫn điện chất lỏng có liên quan mật thiết với cấu tạo phân tử chất lỏng Tính dẫn điện chất lỏng cực phụ thuộc vào hàm lượng tạp chất, có độ ẩm Tính dẫn điện chất lỏng có cực phụ thuộc vào tạp chất mà phụ thuộc vào phân ly phân tử chất lỏng Dòng điện chất lỏng chuyển động ion chuyển động tương đối hạt keo lớn Do không loại bỏ hoàn toàn tạp chất có chất lỏng, để tạo chất cách điện lỏng có tính dẫn điện thấp khó khăn Trang 42 Chương VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI I Điện môi (vật liệu cách điện) Điện môi (vật liệu cách điện) chất không dẫn điện Khác với kim loại chất điện phân, điện môi hạt mang điện tự Có ba cách phân loại vật liệu cách điện: - Theo trạng thái vật lý: rắn, lỏng khí Vật liệu cách điện thể rắn phân loại thành nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng Giữa vật liệu cách điện thể rắn thể lỏng mềm nhão - Theo thành phần hoá học: vật liệu cách điện hữu cơ, vật liệu cách điện vô - Theo cấp chịu nhiệt: Y (900C), A (1050C), E (1200C), B (1300C), F (1550C), H (1800C), C (> 1800C) II Tính dẫn điện điện môi Tuỳ theo phân bố electron xung quanh hạt nhân, người ta phân biệt hai loại phân tử điện môi: phân tử không phân cực phân tử phân cực - Phân tử không phân cực loại phân tử có phân bố electron đối xứng xung quanh hạt nhân Khi chưa đặt điện trường trọng tâm điện tích dương điện tích âm trùng nhau, chẳng hạn H2, N2, CCl4, hydro cacbon - Phân tử phân cực loại phân tử có phân bố electron không đối xứng xung quanh hạt nhân Khi chưa đặt điện trường trọng tâm điện tích dương điện tích âm không trùng nhau, chẳng hạn H2O, NH3, HCl, CH3Cl Ở trạng thái bình thường phân tử điện môi trung hoà điện, electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân, điện môi hạt mang điện tự do, tính dẫn điện Tuy nhiên đặt điện trường điện trường điện môi có biến đổi Trang 42 III Phân cực điện môi Thực nghiệm chứng tỏ rằng, đưa điện môi đồng chất đẳng hướng (BC) vào điện trường vật mang điện (A) mặt giới hạn đối diện xuất điện tích trái dấu (hình 6) A+ -B C + hình Phân cực điện môi Hiện tượng điện môi đặt điện trường có xuất điện tích gọi tượng phân cực điện môi Trong tượng phân cực điện môi tách riêng điện tích điện môi điện tích xuất đâu định xứ đó, gọi điện tích liên kết Các điện tích liên kết → → tạo điện trường phụ E' làm cho điện trường ban đầu E thay đổi, điện trường → → → tổng hợp: E = E + E' → Giải thích: chưa đặt điện môi điện trường E , chuyển động nhiệt lưỡng cực phân tử xếp hỗn loạn, điện tích trái dấu lưỡng → cực phân tử trung hoà Khi đặt điện môi điện trường E , lưỡng → cực phân tử xếp có trật tự cho phương với E Khi lòng điện môi điện tích trái dấu trung hoà nhau, mặt giới hạn đối diện xuất điện tích trái dấu IV Tổn hao điện môi Xét tụ điện, lớp cách điện có số điện môi ε, điện dung C, mắc vào nguồn điện xoay chiều có tần số ω, điện áp U Dòng điện nạp điện cho tụ điện (I) có hai thành phần (hình 7): Trang 42 - Dòng điện nạp điện thực (IC) nhanh pha 900 so với điện áp, mang tính chất điện dung: IC = ωCU - Dòng điện gây tổn hao (IR) làm nóng điện môi, pha với điện áp IR IC I δ ϕ U hình Giản đồ vector so sánh pha I U I C2 + I 2R ; IR = I sinδ (δ - góc tổn hao) Khi đó: I = Với: tgδ = IR IC hệ số tổn hao Suy ra: IR = IC tgδ = ωCU tgδ Tổn hao điện môi: Pd = UIR = ωCU2 tgδ V Tính chất - lý - hoá điện môi Điện trường Khi tăng điện áp lớn trị số đặc trưng vật liệu cách điện kết cấu hình học điện cực xảy tượng phóng điện, chia thành hai trường hợp sau (hình 8): - Đánh thủng toàn phần phần bên vật liệu cách điện: cách điện không chịu điện áp, nhiều chỗ có điện tích chạy từ điện cực sang điện cực xuyên qua cách điện Trang 42 Đánh thủng Phóng điện bề mặt hình Phóng điện qua lớp điện môi - Phóng điện bề mặt: điện áp đánh thủng cách điện lớn, tăng điện áp đến giá trị có tượng phóng điện bề mặt tiếp giáp cách điện Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng, vật liệu cách điện thể khí thể lỏng bị xuyên thủng giây lát, vật liệu cách điện thể rắn bị xuyên thủng vónh viễn Phóng điện bề mặt làm mủn, rạn nứt bề mặt cách điện Điện áp làm cho cách điện có bề dày định bị đánh thủng gọi điện áp đánh thủng (UBR) Điện áp gây phóng điện bề mặt gọi điện áp phóng điện bề mặt (UBF) Điều kiện làm việc cách điện: U < UBF < UBR U BR U U aBF = BF U aBR = heä số an toàn đánh thủng hệ số an toàn phóng điện bề mặt Phụ tải điện cách điện điện áp tính đơn vị bề dày cách điện theo phương điện trường, có đơn vị V/cm kV/cm Độ bền cách điện điện áp đánh thủng tính đơn vị bề dày cách điện đặt điện trường đồng nhất, có đơn vị kV/cm kV/mm Trang 42 Hằng số điện môi (ε) phụ thuộc vào tính chất môi trường Cường độ điện trường điện môi giảm ε lần so với cường độ điện trường chân không Bề mặt tiếp giáp Khi có điện áp đặt lên cách điện có thành phần điện trường song song với bề mặt tiếp giáp cách điện (tiếp giáp chất rắn chất khí, chất rắn chất lỏng, chất lỏng chất khí) Thực tế cho thấy dọc theo bề mặt tiếp giáp có lớp tiếp giáp có bề dày định mà tính chất khác với tính chất hai điện môi tiếp giáp với qua lớp Tính chất dẫn điện bề mặt tiếp giáp phụ thuộc vào tính dẫn điện lớp bẩn đóng bề mặt Sự hoá già vật liệu cách điện Vật liệu cách điện chủ yếu vật liệu hữu cơ, sau thời gian vận hành bị hoá già hay lão hoá, đến mức khả cách điện Quá trình hoá già thực chất kết biến đổi cấu trúc vật liệu xảy nhanh chậm điều kiện vận hành tác động Tất yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hoá học xảy vật liệu cách điện có tác động đến hoá già vật liệu cách điện, chẳng hạn như: - Nhiệt độ cao - Tác dụng học trình chế tạo, trình vận hành - Tác dụng hoá học: oxy hoá, trùng hợp, khử trùng hợp, thuỷ phân, bay VI Tính chất vật liệu cách điện Tính chất vật liệu cách điện thể khí - Hằng số điện môi ε ≈ - Điện trở cách điện lớn phụ thuộc điện áp - Hệ số tổn hao (tgδ) phụ thuộc điện áp - Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, thông số hình học điện cực, thời gian tác dụng điện áp Trang 42 ... lớn sản phẩm kỹ thuật điện điện cực cacbon, chổi than, tiếp điểm điện, dây tóc bóng đèn, điện trở cacbon, điện trở cacbua silic - Điện cực cacbon sử dụng điện phân, lò điện hồ quang, lò điện trở,... dàng trở thành hạt mang điện tự đặt điện trường chúng đóng vai trò dẫn điện Trong chất bán dẫn loại N phần tử tải điện đa số electron, phần tử tải điện thiểu số lỗ trống, chất bán dẫn (Si) vi? ??c pha... cách điện: cách điện không chịu điện áp, nhiều chỗ có điện tích chạy từ điện cực sang điện cực xuyên qua cách điện Trang 42 Đánh thủng Phóng điện bề mặt hình Phóng điện qua lớp điện môi - Phóng điện