Vật liệu bán dẫn

+ Vùng dẫn với W > Wc gồm những mức năng lượng của lớp ngoài cùng trong đó còn nhiều mức trống, tại đây điện tử có thể tự do dịch chuyển trong toàn bộ mạng tinh thể và sẵn sàng tham gia

Lession 2 : Semiconductor

1.1 Nh ữ ng tính ch ấ t c ơ b ả n

1.1 Nh ữ ng tính ch ấ t c ơ b ả n

C ấ u trúc vùng n ă ng l ượ ng c ủ a v ậ t

r ắ n

đồng hoá trị bền vững, không có khả năng dẫn điện

+ Vùng dẫn với W > Wc gồm những mức năng lượng của lớp ngoài cùng trong đó còn nhiều mức trống, tại đây điện

tử có thể tự do dịch chuyển trong toàn bộ mạng tinh thể và sẵn sàng tham gia dẫn điện khi có điện trường.

+ Vùng cấm với Wv < ∆Wg < Ec không có mức năng lượng nào để điện tử có thể tồn tại được

Các loại chất bán dẫn

• Bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất

70,045%Si + 29,955%C, đ−ợc dùng để chế tạo các điện trở có trị số biến đổi theo điện áp (Varistor-VDR)

với một nguyên tử nhóm V nh− AlP, GaP; GaAs; InAs; GaSb; InSb, những bán dẫn này đ−ợc dùng để chế tao ra các linh kiện

đặc biệt nh− LED, LASER, Photodiot, phototransistor v.v

dùng sản xuất các dụng cụ cảm biến quang điện, ví dụ quang

Các dạng dẫn của bán dẫn

• Dựa vào bản chất của các hạt tải điện (hay còn gọi làhạt dẫn) mà người ta có thể chia ra thành 3 dạng dẫn của bán dẫn:

- Nếu hạt tải điện gồm 2 loại hạt với số lượng bằng nhau là điện tử và lỗ trống, đồng thời độ dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ thì đó là bán dẫn thuần (Bán dẫn loại I – viết tắt của từ Intrinsic)

- Nếu hạt tải điện chủ yếu là điện tử thì là bán dẫn dạng

N

- Nếu hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống thì là bán dẫn dạng P

ChÊt b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn lo¹i

M¹ng tinh thÓ

Vïng n¨ng l−îng cña b¸n dÉn thuÇn

• Với vật liệu bán dẫn loại Si, GaAs và Ge, độ lớn vùng cấm nh− sau:

∆Wg = 1,1eV (Si) ; ∆Wg = 1,41eV (GaAs);

§iÖn tö vµ lç trèng trong b¸n dÉn

thuÇn

Nồng độ

• Dựa vào hàm thống kê Fermi - Dirac người ta đ5 tính được

nồng độ điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị:

Bán dẫn loại N

• Đ−a một l−ợng rất nhỏ một chất khác có hoá trị 5 (tức

là có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng) vào mạng tinh thểcủa chất bán dẫn thuần nh− chất Sb-(Antimoan), hoặc As-(Asen), hoặc Ph-(Photpho)

• điện tử tự do

• Tạp chất loại này đ−ợc gọi là tạp chất cho (Donor)

• ở nhiệt độ trong phòng (250C), số l−ợng điện tử tự do của loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn 105 lần bán dẫn thuần

• Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi là bán dẫn loại N

B¸n dÉn lo¹i N

Bán dẫn loại P

• Đưa tạp chất có hoá trị 3 (tức là có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng) vào mạng tinh thể của bán dẫn, ví dụ chất B-Bo (Boron), hoặc In-Indi (Indium), hoặc Al-Nhôm (Aluminium), hoặc Ga- Gali (Gallium)

• Mối liên kết cạnh mất một điện tử và mang điện tích dương, tức là hình thành một lỗ trống

• Tạp chất để tạo nên hiệu ứng này có tên là tạp chất nhận (Acceptor)

• Loại bán dẫn có pha tạp chất Acceptor gọi là bán dẫn loại P

B¸n dÉn lo¹i P

C¬ chÕ dÉn ®iÖn b»ng lç trèng

N N p

n p

n p

1.1 Nh ữ ng tính ch ấ t c ơ b ả n

1.2 N ồ ng ñộ h ạ t d ẫ n

Nồng độ hạt dẫn trong chất bán

dẫn

• điện tử chỉ chiếm những mức năng l−ợng nhất định

• ở trạng thái cân bằng nhiệt động, tức nhiệt độ không đổi thì xác suất phân bố theo năng l−ợng của điện tử có thể đ−ợc xét bằng biểu thức thống kê Fecmi-Dirac

• Trong đó: F(W) là hàm phụ thuộc năng l−ợng, nó biểu diễn khả năng chiếm giữ các mức năng l−ợng của điện tử ở một nhiệt độ T nào đó.

=

=

KT

Wf W

e dZ

dN W

F

1

1 )

(

Møc n¨ng l−îng Fecmi

Mức năng l−ợng Fecmi

• Mức Fecmi là mức năng l−ợng lớn nhất mà

điện tử có thể tồn tại ở To = 0oK

• Mức năng l−ợng fecmi là mức có xác suất điện

tử chiếm giữ luôn bằng 1/2 ở tất cả nhiệt độ nào lớn hơn không

Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn

• Nc(W), Nv(W) là các hàm phân bố trạng thái

• h là hằng số plank, m * , m * là khối l−ợng hiệu dụng

W N

N p

n0 0 c v exp g i2 3 exp g

( * * )32 6

3 3

32

p

n m

m h

k

A = π

const n

p

0 0

Sự phát xạ và tái hợp hạt dẫn

• Sự phát xạ

- Sự phát xạ đó là quá trình làm xuất hiện các hạt dẫn trong chất bán dẫn, nếu quá trình này tạo ra số điện tử và số lỗ trống bằng nhau thì đ−ợc gọi là phát xạ cặp điện tử lỗ trống.

Sự phát xạ (tt)

• Sự phát xạ chỉ tạo ra một loại hạt dẫn hoặc điện

tử, hoặc lỗ trống thì đó là quá trình ion hoá tạp chất

• Tạp chất cho (donor) tạo ra điện tử trên vùng dẫn còn tạp chất nhận (acceptor) tạo ra lỗ trống trong vùng hoá trị.

Sự tái hợp

- Tái hợp trực tiếp: điện tử chuyển trực tiếp từ vùng

dẫn xuống vùng hoá trị để trung hoà với lỗ trống

Quá trình này thường giải phóng ra năng lượng dưới dạng ánh sáng, tần số ánh sáng phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai mức năng lượng mà nó chuyển dời

Hiện tượng này được ứng dụng để chế tạo ra các dụng

cụ phát sáng

tật về cấu trúc mạng, chúng sẽ tạo ra những mức năng lượng nằm trong vùng cấm có khả năng bắt giữ các

điện tử được gọi là tâm tái hợp

• §é lín cña n¨ng l−îng vïng cÊm lµ: ∆∆∆∆ Wg =

|WC – WV|

• ChÊt c¸ch ®iÖn: ∆∆∆∆ Wg > 5eV

• ChÊt dÉn ®iÖn : ∆∆∆∆ Wg = 0eV, hai vïng dÉn

vµ vïng hãa trÞ trïng mét phÇn lªn nhau

• ChÊt b¸n dÉn 0eV < ∆∆∆∆ Wg < 5eV

• ∆∆∆∆ Wg (Si) = 1,1eV ; ∆∆∆∆ Wg (Ge) = 0,67eV

• Chất bán dẫn thuần (bán dẫn I) là bán dẫn có độ

sạch rất cao (tỷ lệ tạp chất khoảng 1/10 tỷ trên thể tích 1cm 3 )

• Nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn thuần n i = p i

• Chất bán dẫn N là bán dẫn có tạp chất cho

Next lession : Diode