Chương 2 Cấu kiện điện tử: Vật liệu bán dẫn

Chương 2. Vật liệu bán dẫn1. Định nghĩa và phân loại vật liệu bán dẫn2. Vật liệu bán dẫn thuần3. Vật liệu bán dẫn tạp4. Dòng điện trong vật liệu bán dẫn27012021 Chương 2. Vật liệu bán dẫn 11. Định nghĩa Vật liệu bán dẫn là vật liệu có điện trở suất nằm ở giữa trịsố điện trở suất của vật liệu dẫn điện và vật liệu điện môikhi ở nhiệt độ phòng, ρ = 104÷107 Ω.m; Vật liệu bán dẫn là vật liệu mà trong cấu trúc dải nănglượng có độ rộng vùng cấm là 0 < EG < 2eV.270120212Chương 2. Vật liệu bán dẫn Trong kỹ thuật điện tử hiện nay sử dụng một số chất bándẫn có cấu trúc đơn tinh thể. Quan trọng nhất là hai nguyêntố Gecmani (Ge) và Silic (Si). Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể này là độ dẫn điệncủa nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và sẽ tăng theo lũy thừavới sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm íttạp chất. Do đó đặc điểm cơ bản của chất bán dẫn là độ dẫnđiện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường và nồng độtạp chất, ngoài ra còn phụ thuộc vào ánh sáng, bức xạ ionhóa, ...270120213Chương 2. Vật liệu bán dẫnPhân loạiPhân loại theo thành phần hóa học Nguyên tố bán dẫn: Bo (B), Indi (In),Gali (Ga) ở nhóm 3, Silic (Si),Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Asen(As), P, Sb (Antimony) thuộc nhóm 5,Selen (Se), lưu huỳnh (S) ở nhóm 6,...270120214 Hợp chất bán dẫn: Một số hợp chất bán dẫn hay gặp được tạora bởi sự kết hợp của nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhómIII và nhóm V (gọi là hợp chất III V) hoặc nhóm II và nhómVI (gọi là hợp chất II VI). Một số loại hợp chất bao gồm 3nguyên tố hoặc nhiều hơn (HgCdTe, GaAlAs, GaInAr,GaInP,…), thậm chí là có nguồn gốc hữu cơ.Chương 2. Vật liệu bán dẫn Theo nguồn gốc phát sinh: Thực ra đây không phải là tiêu chí cơ bản nhưng hiện nay vẫn được sử dụng trong nhiều trường hợp cần so sánh. Theo tiêu chí này có bán dẫn vô cơ và bán dẫn hữu cơ. Các loại chất bán dẫn có nguồn gốc hữu cơ thường được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt(ví dụ chế tạo các loại Diode phát quang hữu cơ OLED, chế tạo cảm biến,…).270120215Chương 2. Vật liệu bán dẫnTheo đặc tính kỹ thuật công nghệ: Đây là phương pháp phânloại bán dẫn cơ bản nhất. Bán dẫn thuần: là các loại vật liệu bán dẫn sau khi đã trảiqua một quy trình làm sạch nhằm loại bỏ tạp chất để đạt đếnmột độ tinh khiết nhất định. Bán dẫn tạp: là bán dẫn được tạo ra từ bán dẫn thuần bằngcách thêm vào một lượng tạp chất nhất định. Lưu ý rằng“tạp chất” trong trường hợp này được pha tạp vào bằng mộtquy trình công nghệ rất khắt khe để tạo nên những tính chấtđặc thù. Có hai loại bán dẫn tạp: Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên điện tử (loại N) Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên lỗ trống (loại P).270120216Chương 2. Vật liệu bán dẫnVật liệu bán dẫn thuầnCấu trúc mạng tinh thể của Si: Silic thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học,có bốn điện tử ở lớp ngoài cùng, gọi là 4 điện tử hóa trị. Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng liên kết đồng hóa trịcủa mỗi nguyên tử Si với 4 nguyên tử Si lân cận gần nhất dướidạng khối không gian ba chiều rất đều đặn như ở hình vẽ.270120217Chương 2. Vật liệu bán dẫnMô hình liên kết đồng hóa trị Sự liên kết bền vững giữa các nguyêntử bằng các điện tử hóa trị góp chungđược gọi là liên kết đồng hóa trị. Mặc dù liên kết đồng hóa trị là lọailiên kết mạnh giữa các điện tử hóa trịvà nguyên tử gốc của chúng nhưng cácđiện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ nănglượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảycác liên kết đồng hóa trị và tạo ra cácđiện tử ở trạng thái tự do.270120218 Thuật ngữ “tự do” nói lên rằng sự di chuyển của các điện tử là rất nhạycảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay sự chênhlệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dướidạng các photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh.Chương 2. Vật liệu bán dẫnỞ nhiệt độ gần độ0 tuyệt đối, toàn bộcác điện tử định vị trong các mối liênkết đồng hóa trị góp chung giữa cácnguyên tử và không có điện tử tự dođể tham gia vào quá trình dẫn điện.Lớp ngoài cùng của nguyên tử là đầyđủ và vật liệu giống như một chấtcách điện. Khi tăng nhiệt độ, thì năng lượngnhiệt sẽ được bổ sung vào tinh thể,lúc này một vài liên kết sẽ bị bẻ gãy,giải phóng một lượng nhỏ điện tửcung cấp cho việc dẫn điện.270120219Chương 2. Vật liệu bán dẫn Mật độ các điện tử tự do này được gọi là: mật độ các hạt tải điện cơ bảnni (cm−3) và được xác định tùy theo đặc tính của vật liệu và nhiệt độ nhưsau: EG là mức năng lượng độ rộng vùng cấm, (eV); k là hằng số Boltzmann, 8,62x10−5, (eV K); T là nhiệt độ tuyệt đối, (K); B là thông số tùy thuộc vật liệu, (K−3 x cm−6); Ví dụ, đối với Si thì B = 1,08x1031 (K−3 x cm−6) Mức năng lượng vùng cấm EG bandgap energy là mức năng lượng tốithiểu cần thiết để bẻ gãy một mối liên kết trong tinh thể bán dẫn để giảiphóng một điện tử cho quá trình dẫn điện.2701202110 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Mật độ các điện tử tự do được biểudiển bằng ký hiệu n (sốelectroncm3), và đối với vật liệunguyên chất n = ni . Mặc dù ni làmột đặc tính cơ bản của mỗi chấtbán dẫn nhưng nó phụ thuộc rấtnhiều vào nhiệt độ đối với tất cảcác vật liệu. Để đơn giản trong tính toán, ta lấygiá trị ni ≈ 1010 cm3 ở nhiệt độphòng đối với Si.2701202111Chú ý: Mật độ các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng 5x1022 cm3,so sánh với kết quả ở trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ 1013nguyên tử Si, thì chỉ có một mối liên kết bị bẻ gãy.Chương 2. Vật liệu bán dẫn Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kếtđồng hóa trị bị bẻ gãy. Khi một điện tử mang điện tích âm q ,di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa trị, thì nó sẽ để lại mộtkhoảng trống trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicongốc. Khoảng trống có điện tích hiệu dụng dương +q . Một điện tử từ liên kết lân cận có thể điền vào khoảng trống nàyvà sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác. Quá trình nàylàm cho khoảng trống di chuyển qua khắp các mối liên kếttrong mạng tinh thể bán dẫn. Khoảng trống di chuyển giốngnhư hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lỗ trống hole.Mật độ lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống cm3).2701202112 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗiliên kết bị bẽ gảy: một điện tử và một lỗ trống, do đó đối với bándẫn silicon nguyên chất ta có:2701202113Chú ý: Tích pn cho ở trên chỉ đúng với điều kiện một chất bán dẫnở điều kiện cân bằng nhiệt, mà trong đó, các đặc tính của vật liệubán dẫn chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, mà không có các dạng kíchthích khác. Phương trình sẽ không đúng đối với các chất bán dẫnkhi có các kích thích ngoài như: điện áp, dòng điện hay kích thíchbằng ánh sáng.Chương 2. Vật liệu bán dẫn Ở điều kiện nhiệt độ ổn định (cân bằng nhiệt), người ta nhận thấytrong cả bán dẫn thuần và bán dẫn tạp tồn tại trạng thái cân bằngđộng, ở đó nồng độ động tử sinh ra bằng với nồng độ động tử tựdo mất đi. Sở dĩ xảy ra hiện tượng này là do trong quá trình chuyển độngtrong lòng vật liệu, các electron tự do gặp các lỗ trống. Vị trí củalỗ trống lúc này giống như một “bẫy” năng lượng, có khả nănghấp thụ lại electron để chuyển nó từ trạng thái tự do về mối liênkết đồng hóa trị. Hiện tượng đó được gọi bằng một thuật ngữ rấthợp lý là “hiện tượng tái hợp động tử”. Thời gian trung bình từ khi tạo ra cho đến khi tái hợp động tửđược gọi là “thời gian sống trung bình” của động tử.2701202114 Chương 2. Vật liệu bán dẫnĐiện trở suất của bán dẫn Si nguyên chấtDòng trôi trong các chất bán dẫn Điện trở suất ρ và đại lượng nghịch đảo của điện trở suất là điện dẫnsuất conductivity: σ là đặc trưng của dòng điện chảy trong vật liệu khicó điện trường đặt vào. Dưới tác dụng của điện trường, các hạt tích điệnsẽ di chuyển hoặc trôi drift và tạo thành dòng điện được gọi là dòngtrôi. Mật độ dòng trôi j được định nghĩa như sau: Q là mật độ điện tích; v là vận tốc của các điện tích trong điệntrường. Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể siliconbằng cách sử dụng cả hai mô hình liên kết đồng hóa trị và mô hình vùngnăng lượng trong các chất bán dẫn. Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường taphải xét độ linh động của các hạt tải điện.2701202115 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Độ linh động mobility Các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụngcủa điện trường đặt vào. Sự chuyển động này được gọi là sự trôivà tạo thành dòng điện chảy trong chất bán hay là dòng trôi. Cácđiện tích dương trôi cùng chiều của điện trường, ngược lại các hạtmang điện tích âm trôi theo hướng ngược chiều của điện trường. Vận tốc trôi của các hạt tải điện v (cms) tỷ lệ với điện trường E(Vcm); hằng số tỷ lệ được gọi là độ linh động µ Độ linh động của điện tử và lỗ trống có giá trị lần lượt bằng 1350và 500 cm2V∙s đối với bán dẫn Si thuần.2701202116 Chương 2. Vật liệu bán dẫnĐiện trở suất của bán dẫn Si thuần Để đơn giản cho việc xác định mật độ dòng trôi của điện tử và lổ trống, ta giả sử dòng chảy theo một chiều để tránh ký hiệu véc tơ ở phương trình Tổng mật độ dòng trôi sẽ là: Từ phương trình này sẽ xác định độ dẫn điện σ :2701202117 Chương 2. Vật liệu bán dẫnVật liệu bán dẫn tạp Trong thực tế, các ưu điểm của các chất bán dẫn thể hiện rõ khicác tạp chất được bổ sung vào vật liệu bán dẫn nguyên chất, mặcdù với một tỷ lệ rất thấp tạp chất nhưng chất bán dẫn mới được tạothành có ý nghĩa điều chỉnh đặc tính dẫn điện của vật liệu rất tốt.Quá trình như vậy được gọi là sự pha tạp, và vật liệu tạo thành gọilà bán dẫn tạp. Sự pha tạp sẽ cho phép làm thay đổi điện trở suất của vật liệutrong một khoảng rất rộng và định rõ hoặc nồng độ điện tử hoặcnồng độ lỗ trống sẽ điều chỉnh điện trở suất của vật liệu. Ở đây ta xét sự pha tạp vào bán dẫn Si nguyên chất. Các tạp chấtthường được sử dụng nhiều là các nguyên tố thuộc nhóm III vànhóm V của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.2701202118 Chương 2. Vật liệu bán dẫnBán dẫn tạp loạin Các tạp chất dùng để pha tạp vàobán dẫn Si được lấy từ cácnguyên tố thuộc nhómV, có5điện tử hóa trịở lớp ngoài cùng.Các nguyên tố thường được sửdụng nhất là Phosphorus, Arsenic. Khi một nguyên tửP thay thế mộtnguyên tử Si trong mạng tinh thể,thì4 trong số5 điện tử sẽ điềnđầy vào cấu trúc liên kết đồnghóa trị với mạng tinh thể Si, điệntử thứ5 liên kết yếu với nguyêntửP nên chỉ cần một năng lượngnhiệt rất bé nó dể trở thành điệntử tự do. 2701202119 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Như vậy, ở nhiệt độ phòng, chủ yếu một nguyên tử P đóng gópmột điện tử tự do cho quá trình dẫn điện, do đó mỗi nguyên tử Psẽ trở nên bị ion hóa vì đã mất một điện tử và sẽ mang điện tích+q, tương đương như một điện tích cố định, không dịch chuyểntrong mạng tinh thể. Các electron tự do phát sinh do tạp chất sẽ bổ sung vào số cácelectron tự do của bán dẫn thuần (được phát sinh do nhiệt độ); vìvậy, tính dẫn điện của bán dẫn lúc này trở thành tính dẫn điện ưutiên electron. Các chất bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn dạngdư điện tử hay bán dẫn dạng n. Tạp chất tạo ra tính dẫn điện ưutiên electron được gọi là tạp chất cho (Donor).

1 Định nghĩa

 Vật liệu bán dẫn là vật liệu có điện trở suất nằm ở giữa trị

số điện trở suất của vật liệu dẫn điện và vật liệu điện môi

khi ở nhiệt độ phòng, ρ = 10-4÷107 Ω.m;

 Vật liệu bán dẫn là vật liệu mà trong cấu trúc dải năng

lượng có độ rộng vùng cấm là 0 < EG < 2eV

 Trong kỹ thuật điện tử hiện nay sử dụng một số chất bán

dẫn có cấu trúc đơn tinh thể Quan trọng nhất là hai nguyên

tố Gecmani (Ge) và Silic (Si)

 Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể này là độ dẫn điện

của nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và sẽ tăng theo lũy thừa

với sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm ít

tạp chất Do đó đặc điểm cơ bản của chất bán dẫn là độ dẫn

điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường và nồng độ

tạp chất, ngoài ra còn phụ thuộc vào ánh sáng, bức xạ ion

hóa,

Phân loại

Phân loại theo thành phần hóa học

 Nguyên tố bán dẫn: Bo (B), Indi (In),

Gali (Ga) ở nhóm 3, Silic (Si),

Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Asen

(As), P, Sb (Antimony) thuộc nhóm 5,

Selen (Se), lưu huỳnh (S) ở nhóm 6,

 Hợp chất bán dẫn: Một số hợp chất bán dẫn hay gặp được tạo

ra bởi sự kết hợp của nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhómIII và nhóm V (gọi là hợp chất III - V) hoặc nhóm II và nhóm

VI (gọi là hợp chất II - VI) Một số loại hợp chất bao gồm 3nguyên tố hoặc nhiều hơn (HgCdTe, GaAlAs, GaInAr,GaInP,…), thậm chí là có nguồn gốc hữu cơ

Chương 2 Vật liệu bán dẫn

 Theo nguồn gốc phát sinh: Thực ra đây không phải là tiêu

chí cơ bản nhưng hiện nay vẫn được sử dụng trong nhiều

trường hợp cần so sánh Theo tiêu chí này có bán dẫn vô cơ

và bán dẫn hữu cơ Các loại chất bán dẫn có nguồn gốc hữu

cơ thường được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt

(ví dụ chế tạo các loại Diode phát quang hữu cơ - OLED,

chế tạo cảm biến,…)

Theo đặc tính kỹ thuật - công nghệ: Đây là phương pháp phân

loại bán dẫn cơ bản nhất

 Bán dẫn thuần: là các loại vật liệu bán dẫn sau khi đã trải

qua một quy trình làm sạch nhằm loại bỏ tạp chất để đạt đến

một độ tinh khiết nhất định

 Bán dẫn tạp: là bán dẫn được tạo ra từ bán dẫn thuần bằng

cách thêm vào một lượng tạp chất nhất định Lưu ý rằng

“tạp chất” trong trường hợp này được pha tạp vào bằng một

quy trình công nghệ rất khắt khe để tạo nên những tính chất

đặc thù Có hai loại bán dẫn tạp:

 Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên điện tử (loại N)

 Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên lỗ trống (loại P)

Vật liệu bán dẫn thuần

Cấu trúc mạng tinh thể của Si:

 Silic thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học,

có bốn điện tử ở lớp ngoài cùng, gọi là 4 điện tử hóa trị

 Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng liên kết đồng hóa trị

của mỗi nguyên tử Si với 4 nguyên tử Si lân cận gần nhất dướidạng khối không gian ba chiều rất đều đặn như ở hình vẽ

Mô hình liên kết đồng hóa trị

 Sự liên kết bền vững giữa các nguyên

tử bằng các điện tử hóa trị góp chung

được gọi là liên kết đồng hóa trị.

 Mặc dù liên kết đồng hóa trị là lọai

liên kết mạnh giữa các điện tử hóa trị

và nguyên tử gốc của chúng nhưng các

điện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ năng

lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy

các liên kết đồng hóa trị và tạo ra các

điện tử ở trạng thái tự do.

 Thuật ngữ “tự do” nói lên rằng sự di chuyển của các điện tử là rất nhạy

cảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay sự chênh lệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dưới dạng các photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh.

Chương 2 Vật liệu bán dẫn

 Ở nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối, toàn bộ

các điện tử định vị trong các mối liên

kết đồng hóa trị góp chung giữa các

nguyên tử và không có điện tử tự do

để tham gia vào quá trình dẫn điện.

Lớp ngoài cùng của nguyên tử là đầy

đủ và vật liệu giống như một chất

cách điện.

 Khi tăng nhiệt độ, thì năng lượng

nhiệt sẽ được bổ sung vào tinh thể,

lúc này một vài liên kết sẽ bị bẻ gãy,

giải phóng một lượng nhỏ điện tử

cung cấp cho việc dẫn điện.

 Mật độ các điện tử tự do này được gọi là: mật độ các hạt tải điện cơ bản

ni (cm−3) và được xác định tùy theo đặc tính của vật liệu và nhiệt độ như sau:

 EG là mức năng lượng độ rộng vùng cấm, (eV);

 k là hằng số Boltzmann, 8,62x10−5, (eV/ K);

 T là nhiệt độ tuyệt đối, (K);

 B là thông số tùy thuộc vật liệu, (K−3 x cm−6);

 Ví dụ, đối với Si thì B = 1,08x10 31 (K−3x cm−6)

 Mức năng lượng vùng cấm EG [bandgap energy] là mức năng lượng tối

thiểu cần thiết để bẻ gãy một mối liên kết trong tinh thể bán dẫn để giải phóng một điện tử cho quá trình dẫn điện.

 Mật độ các điện tử tự do được biểu

Chú ý: Mật độ các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng 5x1022 cm-3,

so sánh với kết quả ở trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ 1013nguyên tử Si, thì chỉ có một mối liên kết bị bẻ gãy.

Chương 2 Vật liệu bán dẫn

 Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kết

đồng hóa trị bị bẻ gãy Khi một điện tử mang điện tích âm -q ,

di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa trị, thì nó sẽ để lại mộtkhoảng trống trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicongốc Khoảng trống có điện tích hiệu dụng dương +q

 Một điện tử từ liên kết lân cận có thể điền vào khoảng trống này

và sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác Quá trình nàylàm cho khoảng trống di chuyển qua khắp các mối liên kếttrong mạng tinh thể bán dẫn Khoảng trống di chuyển giốngnhư hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lỗ trống [hole].Mật độ lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống / cm3)

 Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗi

liên kết bị bẽ gảy: một điện tử và một lỗ trống, do đó đối với bándẫn silicon nguyên chất ta có:

Chú ý: Tích pn cho ở trên chỉ đúng với điều kiện một chất bán dẫn

ở điều kiện cân bằng nhiệt, mà trong đó, các đặc tính của vật liệubán dẫn chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, mà không có các dạng kíchthích khác Phương trình sẽ không đúng đối với các chất bán dẫnkhi có các kích thích ngoài như: điện áp, dòng điện hay kích thíchbằng ánh sáng

Chương 2 Vật liệu bán dẫn

 Ở điều kiện nhiệt độ ổn định (cân bằng nhiệt), người ta nhận thấy

trong cả bán dẫn thuần và bán dẫn tạp tồn tại trạng thái cân bằngđộng, ở đó nồng độ động tử sinh ra bằng với nồng độ động tử tự

do mất đi

 Sở dĩ xảy ra hiện tượng này là do trong quá trình chuyển động

trong lòng vật liệu, các electron tự do gặp các lỗ trống Vị trí của

lỗ trống lúc này giống như một “bẫy” năng lượng, có khả nănghấp thụ lại electron để chuyển nó từ trạng thái tự do về mối liênkết đồng hóa trị Hiện tượng đó được gọi bằng một thuật ngữ rấthợp lý là “hiện tượng tái hợp động tử”

 Thời gian trung bình từ khi tạo ra cho đến khi tái hợp động tử

được gọi là “thời gian sống trung bình” của động tử

Điện trở suất của bán dẫn Si nguyên chất

Dòng trôi trong các chất bán dẫn

 Điện trở suất ρ và đại lượng nghịch đảo của điện trở suất là điện dẫn

suất [conductivity]: σ là đặc trưng của dòng điện chảy trong vật liệu khi

có điện trường đặt vào Dưới tác dụng của điện trường, các hạt tích điện

sẽ di chuyển hoặc trôi [drift] và tạo thành dòng điện được gọi là dòng trôi Mật độ dòng trôi j được định nghĩa như sau:

 Q là mật độ điện tích; v là vận tốc của các điện tích trong điện

trường.

 Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể silicon

bằng cách sử dụng cả hai mô hình liên kết đồng hóa trị và mô hình vùng năng lượng trong các chất bán dẫn.

 Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường ta

phải xét độ linh động của các hạt tải điện.

 Độ linh động [mobility]

 Các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụng

của điện trường đặt vào Sự chuyển động này được gọi là sự trôi

và tạo thành dòng điện chảy trong chất bán hay là dòng trôi Cácđiện tích dương trôi cùng chiều của điện trường, ngược lại các hạtmang điện tích âm trôi theo hướng ngược chiều của điện trường

 Vận tốc trôi của các hạt tải điện v (cm/s) tỷ lệ với điện trường E

(V/cm); hằng số tỷ lệ được gọi là độ linh động µ

 Độ linh động của điện tử và lỗ trống có giá trị lần lượt bằng 1350

và 500 cm2/V∙s đối với bán dẫn Si thuần

Điện trở suất của bán dẫn Si thuần

 Để đơn giản cho việc xác định mật độ dòng trôi của điện tử và lổ

trống, ta giả sử dòng chảy theo một chiều để tránh ký hiệu véc tơ

ở phương trình

 Tổng mật độ dòng trôi sẽ là:

 Từ phương trình này sẽ xác định độ dẫn điện σ :

Vật liệu bán dẫn tạp

 Trong thực tế, các ưu điểm của các chất bán dẫn thể hiện rõ khi

các tạp chất được bổ sung vào vật liệu bán dẫn nguyên chất, mặc

dù với một tỷ lệ rất thấp tạp chất nhưng chất bán dẫn mới được tạothành có ý nghĩa điều chỉnh đặc tính dẫn điện của vật liệu rất tốt.Quá trình như vậy được gọi là sự pha tạp, và vật liệu tạo thành gọi

là bán dẫn tạp

 Sự pha tạp sẽ cho phép làm thay đổi điện trở suất của vật liệu

trong một khoảng rất rộng và định rõ hoặc nồng độ điện tử hoặcnồng độ lỗ trống sẽ điều chỉnh điện trở suất của vật liệu

 Ở đây ta xét sự pha tạp vào bán dẫn Si nguyên chất Các tạp chất

thường được sử dụng nhiều là các nguyên tố thuộc nhóm III vànhóm V của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Bán dẫn tạp loại n

 Các tạp chất dùng để pha tạp vào

bán dẫn Si được lấy từ các

nguyên tố thuộc nhóm V, có 5

điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng

Các nguyên tố thường được sử

dụng nhất là Phosphorus, Arsenic

 Khi một nguyên tử P thay thế một

nguyên tử Si trong mạng tinh thể,

thì 4 trong số 5 điện tử sẽ điền

đầy vào cấu trúc liên kết đồng

hóa trị với mạng tinh thể Si, điện

tử thứ 5 liên kết yếu với nguyên

tử P nên chỉ cần một năng lượng

nhiệt rất bé nó dể trở thành điện

Chương 2 Vật liệu bán dẫn

 Như vậy, ở nhiệt độ phòng, chủ yếu một nguyên tử P đóng góp

một điện tử tự do cho quá trình dẫn điện, do đó mỗi nguyên tử P

sẽ trở nên bị ion hóa vì đã mất một điện tử và sẽ mang điện tích+q, tương đương như một điện tích cố định, không dịch chuyểntrong mạng tinh thể

 Các electron tự do phát sinh do tạp chất sẽ bổ sung vào số các

electron tự do của bán dẫn thuần (được phát sinh do nhiệt độ); vìvậy, tính dẫn điện của bán dẫn lúc này trở thành tính dẫn điện ưutiên electron Các chất bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn dạng

dư điện tử hay bán dẫn dạng n Tạp chất tạo ra tính dẫn điện ưutiên electron được gọi là tạp chất cho (Donor)

Bán dẫn loại p

 Các tạp chất dùng để pha tạp vào bán dẫn Si được lấy từ các

nguyên tố thuộc nhóm III, nếu so sánh số điện tử ở lớp ngoàicùng, thì nguyên tử nhóm III ít hơn một điện tử Nguyên tố B(Boron ) là tạp chất chính thay thế nguyên tử Si ttong mạng tinhthể

 Do nguyên tử B chỉ có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng nên sẽ tồn tại

một khoảng trống trong cấu trúc liên kết Khoảng trống này dễcho một điện tử bên cạnh di chuyển vào, tạo ra một khoảng trốngkhác trong cấu trúc liên kết Khoảng trống này được gọi là lỗtrống có thể di chuyển qua khắp mạng tinh thể và lổ trống có thểđơn giản xem như một hạt tích điện có điện tích +q

 Khoảng trống trong mối liên kết đồng hóa trị ở nguyên tử chất

nhận B

 Lỗ trống được tạo ra sau khi nguyên tử B chấp nhận 1 điện tử

 Lỗ trống lưu động khi di chuyển trong mạng tinh thể Si

 Tại vị trí mà electron rời khỏi đó, một lỗ trống tự do được tạo ra

và nó bổ sung vào các lỗ trống tự do được phát sinh bởi nhiệt độ.Các loại bán dẫn này có tính dẫn điện theo kiểu ưu tiên lỗ trống vàđược gọi là bán dẫn loại dư lỗ trống hay bán dẫn loại P, còn tạpchất tương ứng với nó được gọi là tạp chất nhận (Acceptor)

 Việc electron “dư” (loại n) bứt ra khỏi tạp chất cho và electron

“thiếu” (loại p) đến được tạp chất nhận cần phải được bổ sung mộtnăng lượng, gọi là năng lượng ion hoá mạng tinh thể

 Trong thực tế, ở nhiệt độ phòng thì các nguyên tử tạp chất ở các

nhóm III và V sẽ bị ion hoá hoàn toàn trong Germani và Silic

Nồng độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn tạp

 Đối với bán dẫn tạp bao gồm cả tạp chất cho (donor) và nhận

(acceptor) thì việc tính nồng độ điện tử và lỗ trống như sau:

 Trong vật liệu bán dẫn đã được pha tạp, nồng độ của điện tử

và lỗ trống là rất chênh lệch

 Nếu n > p , thì vật liệu bán dẫn được gọi là bán dẫn tạp dạng n,

và ngược lại nếu p > n, thì vật liệu được gọi là bán dẫn tạpdạng p

 Hạt tải điện có nồng độ lớn hơn được gọi là hạt tải điện đa số,

và hạt tải có nồng độ thấp hơn được gọi là hạt tải điện thiểu số

 Để tính toán chi tiết mật độ điện tử và lỗ trống, ta cần phải biết

nồng độ các tạp chất acceptor và donor :

 ND là nồng độ tạp chất donor [nguyên tử /cm3]

 NA là nồng độ tạp chất acceptor [nguyên tử /cm3]

 Vật liệu bán dẫn phải trung hòa về điện tích, tức là: tổng điện tích

dương và điện tích âm bằng không Các ion donor và các lỗ trốngmang điện tích dương, ngược lại, các ion acceptor và các điện tửmang điện tích âm Vi vậy, điều kiện trung hòa về điện tích sẽ là:

 Tích của nồng độ điện tử và lỗ trống trong vật liệu bán dẫn

nguyên chất : np = ni2 có thể hiểu một cách lý thuyết vẫn đúng đốivới bán dẫn tạp ở điều kiện cân bằng nhiệt và vẫn có giá trị chomột khoảng rất rộng của nồng độ pha tạp

 Đối với vật liệu bán dẫn tạp dạng n (ND >NA)

 Đối với vật liệu bán dẫn tạp dạng p (NA > ND)

Mô hình vùng năng lượng

Sự phát sinh cặp điện tử-lỗ trống ở bán dẫn thuần

 Khi bán dẫn Si ở nhiệt độ rất thấp

(≈0K), thì các trạng thái năng lượng

ở vùng hóa trị hoàn toàn được điền

đầy các điện tử, và các trạng thái

vùng dẫn là hoàn toàn trống

 Khi nhiệt độ tăng lên trên 0K, năng

lượng nhiệt sẽ được bổ sung vào

mạng tinh thể, một vài điện tử nhận

được đủ năng lượng cần thiết vượt

quá mức năng lượng của độ rộng

Mô hình vùng năng lượng đối với bán dẫn tạp loại n

 Các điện tử dư ở các nguyên tử cho (donor) đưa vào bán dẫn Si sẽ được

định vị trên các mức năng lượng mới trong phạm vi vùng cấm tức là tại các mức năng lượng donor ED gần với đáy của vùng dẫn.

 Giá trị của (EC−ED) của nguyên tử P vào khoảng 0,045 eV, do vậy chỉ cần

một năng lượng nhiệt rất nhỏ có thể đẩy các điện tử dư từ vị trí donor vào vùng dẫn.

 Mật độ các điện tử ở các trạng thái năng lượng trong vùng dẫn cao hơn,

xác suất tìm kiếm một điện tử ở trạng thái donor hầu như bằng không, ngoại trừ các vật liệu pha tạp đậm (ND lớn) hoặc tại nhiệt độ rất thấp.

Mô hình vùng năng lượng đối với bán dẫn tạp loại p

 Một lượng tạp chất acceptor (chất nhận) thuộc nhóm 3, có nồng độ NA

đã được bổ sung vào bán dẫn Các nguyên tử acceptor đưa vào sẽ tạo ra các mức năng lượng mới trong vùng cấm tại các mức năng lượng acceptor EA gần với đỉnh của vùng hóa trị.

 Giá trị (EA−EV) của Boron (B) trong bán dẫn Si xấp xỉ 0.044 eV, và chỉ

cần lấy năng lượng nhiệt rất nhỏ để đẩy các điện tử từ vùng hóa trị lên các mức năng lượng acceptor.

 Ở nhiệt độ phòng, chủ yếu toàn bộ các vị trí acceptor là được điền đầy,

và cứ một điện tử được đẩy lên mức acceptor sẽ tạo ta một lỗ trống tức

là hạt tải điện tự do để tham gia vào quá trình dẫn điện.

Các chất bán dẫn hỗn hợp

 Trạng thái của một bán dẫn hỗn hợp bao gồm cả hai loại tạp chất

acceptor và donor, cho trường hợp mà trong đó có các nguyên tử donor nhiều hơn nguyên tử acceptor.

 Các điện tử sẽ tìm các trạng thái năng lượng thấp có sẵn và chúng sẽ rơi

xuống từ các vị trí donor để điền đầy toàn bộ vào các vị trí acceptor có sẵn Nồng độ điện tử tự do còn lại cho bời n = (ND − NA).

Độ linh động và điện trở suất bán dẫn tạp

 Việc đưa các tạp chất vào một chất bán dẫn chẳng hạn như Si,

thực sự làm giảm độ linh động của các hạt tải điện trong vật liệu.Các nguyên tử tạp chất có sự khác nhẹ về kích thước so với cácnguyên tử Si mà chúng thay thế vì thế phá vở tính chu kỳ củamạng tinh thể Ngoài ra, các nguyên tử tạp chất là được ion hóa vàtương ứng với các vùng điện tích được xác định mà trong đó sẽkhông có tinh thể gốc (Si)

 Hai ảnh hưởng đó sẽ làm cho các điện tử và các lỗ trống phân tán

khi chúng di chuyển trong bán dẫn cũng như làm giảm độ linhđộng của các hạt tải điện trong tinh thể

 Hình bên cho biết sự phụ

thuộc của độ linh động vào

tổng mật độ tạp chất pha tạp

n = (ND + NA) ở bán dẫn Si,

trong đó độ linh động giảm

mạnh khi mức pha tạp trong

tinh thể bán dẫn tăng lên Độ

linh động trong các vật liệu

pha tạp đậm đặc thấp hơn

nhiều so với độ linh động

trong vật liệu pha tạp loãng

 So sánh điện trở suất của bán dẫn tạp với điện trở suất của bán dẫn

Si tinh khiết, ta thấy rằng: việc đưa một phần rất nhỏ tạp chất vàomạng tinh thể Si sẽ làm thay đổi điện trở suất rất lớn, tức là làmthay đổi vật liệu từ một chất cách điện thành chất bán dẫn có giátrị điện trở suất nằm ở khoảng giữa dải điện trở suất của chất bándẫn

 Sự pha tạp tạp chất cũng sẽ quyết định một trong hai loại vật liệu

bán dẫn tạp dạng n hoặc p và các biểu thức đơn giản có thể đượcdùng để tính độ dẫn điện của nhiều loại vật liệu bán dẫn tạp

Dòng khuyếch tán và dòng tổng

Dòng khuyếch tán

 Như đã giải thích ở trên, ta biết rằng nồng độ điện tử và lỗ trống

trong chất bán dẫn được quyết đinh bởi nồng độ tạp chất pha tạp

NA và ND; ở đây ta ngầm giả thiết rằng sự pha tạp trong chất bándẫn là đồng nhất, nhưng vấn đề này là không thể có

 Các thay đổi trong việc pha tạp là thường gặp trong các chất bán

dẫn và sẽ có các độ chênh lệch [gradient] ở các nồng độ điện tử và

lỗ trống Gradien về nồng độ các hạt tải điện tự do này sẽ dẫn đếnmột cơ chế dòng điện khác được gọi là dòng khuyếch tán[diffusion]

 Các hạt tải điện tự do có khuynh hướng khuyếch tán từ vùng có

nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp

 Mật độ dòng khuyếch tán sẽ tỷ lệ với âm gradient hạt tải điện:

 Các hằng số tỷ lệ Dp và Dn được gọi là hệ số khuyếch tán của

điện tử và lỗ trống, có đơn vị là (cm2/s) Độ khuyếch tán và độlinh động có quan hệ với nhau bởi hệ thức Einstein:

 Đai lượng (kT/q = VT) được gọi là thế nhiệt VT, có giá trị xấp xỉ

0,025V ở nhiệt độ phòng Thông số VT thường được dùng trongcác phần nội dung của môn học

Dòng tổng

 Thông thường, dòng điện trong bán dẫn có hai thành phần: dòng

trôi và dòng khuyếch tán Mật độ dòng tổng của điện tử và lỗtrống có thể được xác định bằng cách cộng các thành phần dòngtrôi và dòng khuyếch tán tương ứng của mỗi loại:

 Các biểu thức trên là những công cụ toán hình thành nên cơ sở lý

thuyết cho việc phân tích nguyên lý hoạt động của các cấu kiệnbán dẫn

Mặt ghép PN

 Mặt ghép pn (pn-junction) là phần tử chính của các cấu kiện bán

dẫn và nếu chỉ xét một mặt ghép pn thì được gọi là diode bán dẫn,một cấu kiện rất quan trọng trong điện tử Tuy nhiên, có lẽ đáng

kể hơn, mặt ghép pn hiện nay có thể vẫn là phần cơ bản của hầuhết các dụng cụ bán dẫn khác nhau và cả các vi mạch điện tử, nêncần phải hiểu về mặt ghép pn trước khi khảo sát các cấu kiện bándẫn khác ở các chương tiếp theo

 Cấu kiện điện tử đơn giản nhất được gọi là diode bán dẫn Diode

bán dẫn được kết hợp bằng hai vật liệu khác loại được gắn kết vớinhau theo kiểu sao cho điện tích dễ dàng chảy theo một chiềunhưng sẽ bị ngăn cản theo chiều ngược lại

Phân cực cho mặt ghép PN

Phân cực thuận

Phân cực ngược

Mặt ghép PN ở trạng thái cân bằng

 Trên cùng một tinh thể bán dẫn thuần đồng nhất, bằng phương

pháp công nghệ, tạo ra hai miền bán dẫn khác loại (P và N) tiếpxúc với nhau Từ vị trí tiếp xúc sẽ tạo ra một khu vực có tính chấtđặc biệt gọi là mặt ghép (tên gọi khác là chuyển tiếp, mặt ghép,mối nối,…) PN

 Điểm chú ý trong kết cấu của mặt ghép PN chính là “trên cùng

một tinh thể bán dẫn thuần đồng nhất” Luận điểm này mang tínhchất định hướng về công nghệ rất quan trọng Việc tạo ra mặtghép PN, qua đó tạo ra các linh kiện bán dẫn khác nhau, là mộtquy trình công nghệ rất phức tạp chứ không đơn thuần là việcghép hai lớp bán dẫn P và N với nhau

Lỗ trống di động (Hạt tải điện đa số) Ion tạp mang điện (-) đứng yên

Điện tử di động (Hạt tải điện đa số)

Ion tạp mang điện (+) đứng yên