ở không độ tuyệt đối mức Fermi nằm giữa vùng cấm => chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao sẽ có một số điện tử sẽ nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm
Trang 1ĐỀ CƯƠNG MÔN BÁN DẪN – CÔ
LIÊN
Câu 3: cấu trúc vùng năng lượng
trog bán dẫn tinh khiết, tạp chất
-Cấu trúc vùng năng lượng
trong VLBD: Vùng hóa trị được lấp
đầy hoàn toàn, vùng dẫn được bỏ trống
hoàn toàn Vùng cấm nhỏ cỡ 0,1eV
đến 1 eV Ở 00K chúng là chất
cách điện ở không độ tuyệt đối mức
Fermi nằm giữa vùng cấm => chất bán
dẫn không dẫn điện
Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao sẽ
có một số điện tử sẽ nhận được năng
lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm
và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và trở nên
dẫn điện.( nhiệt độ càng tăng thì mật
độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng
tăng-> tính dẫn điện tăng theo nhiệt độ
*VLBD tinh khiết
Ở nhiệt độ T=00K không có
electron nào ở vùng hóa trị có đủ
năng lượng bằng năng lượng
vùng cấm Wg để nhảy lên vùng
dẫn, để BD có thể dẫn điện Ở
nhiệt độ này VLBD không có tính
dẫn điện giống như điện môi lý
tưởng
Khi T>0 tồn tại một xác suất có
một số electron do nhận được
năng lượng nhiệt sẽ vượt qua
vùng cấm để có mặt ở vùng dẫn,
trở thành electron tự do Như vậy
sẽ tạothành một số lỗ trống ở
vùng hóa trị, do các lỗ trống này
mà electron ở vùng hóa trịsẽ
tham gia vào quá trình dẫn điện
Bản chất của sự chuyển động của
các
lỗ
trống này có thể hình dung như
sự chuyển động của các điện tích
dương với một giá trị khối lượng
hiệu dụng nào đó Sự chuyển
động của electron tự do trong
miền dẫn dễ dàng hơn sự chuyển
động của lỗ trống trong vùng hóa
trị Nói cách khác, tính linh động
của electron trong vùng dẫn lớn
hơn tính linh động của lỗ trống
trong vùng hóa trị
*VLBD loại n Nếu cho vào Silic
(hoặc Germani) một số lượng
của nguyên tố có hóa trị V, ví
dụ Antimony (Sb) Nguyên tử
Sb có 5 electron hóa trị, sẽ
thay thế nguyên tử Silic, nó
liên kết với 4 nguyên tử Silic
gần nhất bằng cách trao 4
electron Còn 1 electron dư,
gần như được tự do chuyển
động xung quanh lõi mang
điện tích dương của nguyên tử
Silic với bán kính của quĩ đạo
rất lớn Do năng lượng liên kết
quá nhỏ cho nên ngay ở nhiệt
độ phòng electron dư này của
tạp chất được gần như tự do,
có thể nhảy vào vùng dẫn góp
phần vào việc tạo ra dòng điện nếu được kích thích bằng một năng lượng rất nhỏ (như ánh sáng, nhiệt độ ) Rõ ràng, electron này không tạo ra lỗ trống Số hạt mang điện âm nhiều hơn do đó tạp chất gọi là tạp chất cho hay tạp chất donor
Mức năng lượng cho “Ed” ở sát ngay mức Ec Như vậy tạp chất cho đã tạo ra mức năng lượng cho phép ở trong vùng cấm (ở nửa phía trên)
*VLBD loại p VLBD tinh khiết nếu pha tạp chất nhóm III như B, Al, In… do chỉ có 3 liên kết hoàn chỉnh, 1 liên kết bỏ hở nên chỉ cần 1 kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng) sẽ có1 electron của các liên kết hoàn chỉnh bên cạnh thế vào Tạp chất bị ion hóa thành âm, còn ở mối liên kết
mà electron đi khỏi sẽ xuất hiện một điện tích dương tức một lỗ hổng Vậy tạp chất đã làm tăng mật độ lỗ trống mà không làm tăng mật độ điện
tử Tạp chất nhóm III làm tăng mật độ lỗ trống được gọi là tạp chất nhận và bán dẫn gọi là bán dẫn loại p, nó tạo ra mức nhận Ea nằm sát bờ trên của vùng hóa trị
Câu 4: tính chất của hàm phân bố Fermi-Dirac
hàm phân bố Fermi- Dirac:
1 exp
1 )
, (
T k
E E T
E f
B F
(1)
*Ý nghĩa:
- Biểu diễn xác suất có điện tử nằm trên mức năng lượng E tại nhiệt độ T
hay xác suất một trạng thái có năng lượng E bị điện tử chiếm chỗ trong trạng thái cân bằng nhiệt của khí điện
tử lí tưởng ở nhiệt độ T; EF là năng lượng mức fecmi – là năng lượng cần
để bứt 1e ra khỏi ngtu
*) Tính chất
- ở 0K các điện tử lấp đầy từ mức thấp đến cao, cao nhất là tới EF
F i
k
E neuE
T E f
0
1 )
, ( lim
0
- tại T¹0K, E<< EF; f(E,T)»1; các mức năng lượng thấp hơn nhiều mức fecmi EF đều đã bị lấp đầy hoàn toàn
E>> EF; f(E,T)»A.exp(-E/kT); các mức năng lượng cao hơn nhiều mức fecmi
EF xác suất lấp đầy giảm theo hàm e
mũ E=EF; f=1/2 E=EF+2kT; f=0,12 E=EF-2kT; f=0,88 Trong khoảng 4kT xung quanh EF xác suất các mức năng lượng bị chiếm xung quanh EF biến thiên mạnh xung quanh EF hàm f phụ thuộc mạnh vào E
- khi T thay đổi, chỉ những đtu ở gần mức EF thì trạng thái mới thay đổi, xác suất thay đổi nhiều
- ở T lớn, E>> EF;
f(E,T)»A.exp(-E/kT); hàm phân bố cổ điển Bolzoman
Câu 5: tính nồng độ hạt tải và mức Fecmi trong bán dẫn riêng và bán dẫn tạp chất
a nồng độ hạt tải và mức Fecmi trong bán dẫn riêng
ta gọi n,p nồng độ e ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị Nd, Na là nồng độ tạp chất dono, acepto; nd,pa là nồng độ
e ở mức dono; lỗ trống ở mức acepto tcó pt trung hòa
d a
B
a F a B
F v h
B
B
F d d B
c F e
B
N N
T K
E E
N T
K
E E Tm
K
T K
E E
N T
K
E E Tm
K
1 exp
2 ) exp(
2
2
1 exp
2 1 ) exp(
2
2
2 2
*
2 2
*
(1) trong BD riêng thì Na=Nd = 0; nd,=pa
=0 Mặt khác (n+Na -pa)- (p+Nd-nd)=0 suy ra n=p: các điện tử vùng dẫn bằng
số lỗ trống vùng hóa trị
từ (1) suy ra
) exp(
2
) exp(
2
2 2
*
2 2
*
T K
E E Tm
K
T K
E E Tm
K
B
F v h
B
B
c F e
B
(2)
) exp(
.
) exp(
.
T K
E E A
T K
E E A
B
F v h
B
c F e
) exp(
.
) exp(
.
*
*
T K
E E m
T K
E E m
B
F v h
B
c F e
)
2 exp(
2 / 3
*
*
T K
E E E m
m
B
F c v h
T K
E E E m
m
B
F c v h
ln
2 / 3
*
*
2 / 3
*
*
ln 2
1
h
e B
c V F
m
m T k E E E
(3)
V c
2
1
; mức fecmi nằm giữa vùng cấm
T¹0K; nếu me =m h * thì mức fecmi nằm giữa vùng cấm ko phụ thuộc nhiệt độ
me <m h * thì mức fecmi dịch về phía đáy vùng dẫn Ec khi nhiệt độ tăng
me > mh * thì mức fecmi dịch về phía đỉnh vùng hóa trị Ev khi nhiệt độ tăng;
vì sự dịch chuyển là nhỏ lên đối với bán dẫn riêng vị trí của mức fecmi luôn lấy là giữa vùng cấm
V c
2
1
(4)
- nồng độ điện tử trong bán dẫn riêng
) 2 exp(
2
) 2 exp(
2
2
2 2
*
T K
E A
T K
E E Tm
K n
B
g e
B
c v e
B
- nồng độ lỗ trống trong bán dẫn riêng
) 2 exp(
2
) 2 exp(
2
2
2 2
*
T K
E A
T K
E E Tm
K p
B
g h
B
c v h
B
*) Nhận xét:
- khi nhiệt độ tăng n, p tăng nhanh theo hàm e mũ của nhiệt độ
- ở cùng nhiệt độ, n,p phụ thuộc vào bản chất của bán dẫn- độ rộng vùng cấm(tỉ lệ nghịch theo hàm e mũ)
b nồng độ hạt tải và mức Fecmi trong bán dẫn loại n
Na=0; pa =0; n+nd=p=Nd n= p+Nd-nd = p+Nd+ (nồng độ các ion dương dono): các điện tử ở vùng dẫn là
do sự đóng góp của các điện tử của tạp chất và điện tử vùng hóa trị chuyển lên
Hai quá trình này xảy ra ở những nđộ khác nhau
*) ở vùng nhiệt độ thấp: chỉ có các điện
tử ở mức dono chuyển lên vùng dẫn;
ko có các dtu vùng hóa trị chuyển lên n=Nd+ = Nd –nd; n+nd = Nd
Trang 2B
F d d B
c F e
B
N
T K
E E
N T
K
E E Tm
K
1 exp
2 1 ) exp(
2
2
2 2
*
(1)
đặt
x
ek T
E
B
F
, (1) là phương trình
bậc 2 của x, tìm được ngiệm
T k
E E
A
N
B
d c e
d
2
Ae =
2 2
*
2
e
F
A
N T k E
E
E
2 ln 2 2
(3)
2
d c F
E E
fecmi nằm giữa Ec và Ed;
Khi T tăng trong vùng nđộ thấp thì EF
tăng dần đến Ec; khi nđộ tiếp tục tăng
thì EF lại giảm
) 2
exp(
2
) 2
exp(
2 2
ln
exp
).
2 exp(
2
2 / 1
2 2
*
T K
Ed Ec N
A
T K
Ed Ec A
N A A
N
T K
Ed Ec Tm
K
n
B d
e
B e
d e e
d
B
e
B
(4)
n tăng chậm theo hàm e mũ, gọi là e
định sứ; vùng đông cứng hạt dẫn
nếu nđộ tiếp tục tăng, các ngtu tạp chất
bi ion hóa nhiều lên, đến nđộ nào đó tất
cả ngtu tạp chất bị ion hóa hết, tuy
nhiên quá trình chuyển mức dtu tử
vùng hóa trị vẫn ít có thể bỏ qua
*) vùng nhiệt độ trung bình (tất cả
ngtu tạp chất bị ion hóa hết)
n= Nd+Pi = Nd
trong vùng nhiệt độ quanh nđộ ion hóa
tạp chất thì nồng độ hạt tải không thay
đổi hầu hết bán dẫn tạp chất hoạt
động ở vùng nhiệt độ này
F
A
N T
k
E
Khi T tăng mức EF giảm đi sâu vào
vùng cấm
*) vùng nhiệt độ cao: có các e vùng hóa
trị chuyển lên vùng dẫn, sự đóng góp
này tăng nhanh n= Nd+ni (ni là điện tử
chuyển lên từ vùng hóa trị >> Nd);
n=ni=pi – giống bán dẫn riêngmức
fecmi luôn lấy là giữa vùng cấm
V c
2
1
- nồng độ điện tử trong bán dẫn riêng
) 2 exp(
2
) 2 exp(
2
2
2 2
*
T K
E A
T K
E E Tm
K n
B
g e
B
c v e
B
*) Nhận xét: ở vùng nhiệt độ cao
- khi nhiệt độ tăng n, p tăng nhanh theo hàm e mũ của nhiệt độ
- ở cùng nhiệt độ, n,p phụ thuộc vào bản chất của bán dẫn- độ rộng vùng cấm
Câu 7: sự phụ thuộc của điện dẫn suất của bán dẫn vào nhiệt độ
h
e
độ linh động của điện tử và lỗ trống
- VLBD tinh khiết : n,p tỉ lệ với T theo hàm e mũ, e phụ thuộc vào T theo hàm căn bậc 2 của T nên phụ thuộc vào T theo hàm e mũ Điện dẫn suất trong VLBD tinh khiết tăng tỷ lệ với nhiệt độ theo hàm e mũ Suy ra Điện trở suất của bán dẫn giảm dần khi nhiệt
độ tăng 0.e T
- hệ số nhiệt điện trở âm, Hay do đó ở nhiệt độ thấp bán dẫn không dẫn điện
-Bán dẫn tạp chất:
+ vùng nhiệt độ thấp(p=0): Điện dẫn suất trong VLBD loại n được xác định bằng: σ = ne.μe
Trong đó n là mật độ electron trong bán dẫn Khi nhiệt độ còn thấp, cùng với sự tăng nhiệt độ (tức là tăng năng lượng nhịệt) mật độ các electron sẽ tăng do sự ion hoá các donor , (đoạn 1-2) Độ dốc của đoạn này đặc trưng cho năng lượng ion hóa của tạp chất
+ Tiếp tục tăng nhiệt độ, nồng độ các electron tự do gần như không tăng nữa (đoạn 2- 3) vì lúc này tất cả các tạp chất đã bị ion hoá, còn xác suất ion hoá
bán dẫn riêng thì rất nhỏ Hai đoạn 1-2
và 2-3 là sự dẫn điện của tạp chất của bán dẫn Khi nhiệt độ đã tăng tương đối cao (đoạn sau điểm 3) nồng độ các hạt điện tích tự do sẽ tăng mạnh với nhiệt độ do sự vượt qua vùng cấm của các electron ở vùng hóa trị vào vùng dẫn Độ nghiêng của đoạn này đặc trưng cho độ rộng vùng cấm của bán dẫn; nhiệt độ mà tại đó bắt đầu xuất hiện sự dẫn điện riêng sẽ càng nhỏ nếu
độ rộng của vùng cấm bán dẫn càng nhỏ
Nguyên tắc hoạt động của các linh kiện bán dẫn dựa trên sự dẫn điện của tạp chất nên sự dẫn điện riêng sẽ phá hủy quá trình làm việc bình thường của linh kiện Như vậy nhiệt độ tương ứng với điểm 3 là nhiệt độ làm việc tối đa của linh kiện bán dẫn loại n với mật độ tạp chất donor Nd; nếu tăng mật độ tạp chất thì các đoạn tương ứng với sự dẫn điện của tạp chất của bán dẫn sẽ dịch chuyển lên trên Khi mật độ tạp chất đủ lớn thì năng lượng ion hóa tạp chất tiến
về 0 Bán dẫn như vậy được gọi là bán
dẫn suy biến (bán kim loại).
Câu 8: Hiệu ứng hall trong bán dẫn
a/ hiệu ứng
- Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall
1 Giải thích
Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện Dòng điện này chính là
sự chuyển động của các điện tích (ví
dụ như electron trong kim loại ) Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu Lorentz lực bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện
tích chuyển động đó âm hay dương Sự
tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall -Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:
U h = Rjx Bd= H d (*)
trong đó: + U h (V) là hiệu thế Hall,
+ j (A/m2) là mật độ dòng điện,
+ B (T) là cảm ứng từ , + d (m) là khoảng cách giữa hai
mặt mang điện trái dấu của thanh Hall,
+ R là hằng số Hall
+H là điện trường hall
- Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường trong kim loại là: V h = (IB)/(den)
với VH là hiệu thế Hall, I là cường
độ dòng điện, B là cường độ từ trường,
d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này trong thanh Hall
-Công thức này cho thấy tính chất quan trọng trong hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dương Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim
là proton được chuyển động tự do để mang dòng điện
-Hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện được mang đi bởi các lỗ trống(có điện tích tổng cộng là dương) chứ không phải là electron đơn thuần
xác định hằng số Hall của bán dẫn như sau:
-Nhận xét : + Bán dẫn loại n có n > > p từ (18) suy ra
+ Bán dẫn loại p có n << p từ (18) suy ra
- øng dông cña hiÖu øng Hall:
1) M¸y dß Hall : a) §o tõ trêng cña nam ch©m : b) §o vËn tèc tr«i cña h¹t t¶i ®iÖn : c) Nghiªn cøu tÝnh dÉn ®iÖn cña b¸n dÉn :
1 Đo cường độ dòng điện
Đo công suất điện
2 Xác định vị trí và chuyển động
a Khởi động ô-tô
Dò chuyển động quay
Trang 3Câu 10:
1.Hiệu ứng Secbeck
- Hiện tượng tạo thành dòng điện trong
mạch kín gồm hai vật dẫn khác nhau
khi giữ mối hàn ở nhiệt độ khác nhau
Đó là hiện tượng nhiệt điện do Seebeck
tìm ra năm 1821
-Giải thích hiện tượng Seebeck
Giả sử mật độ electron ở kim loại A
lớn hơn trong kim loại B (nA > nB) Do
vậy số electron từ A khuếch tán sang B
qua mặt tiếp xúc sẽ nhiều hơn số
electron từ B khuếch tán sang A
Thanh kim loại A sẽ tích điện dương,
thanh kim loại B tích điện âm, và tại
chỗ tiếp xúc sẽ xuất hiện một điện
tường hướng từ A sang B
Cụ thể:
Xét mạch kín gồm hai kim loại 1 và 2
tiếp xúc với nhau Nếu nhiệt độ ở hai
mối hàn bằng nhau thì tổng của hiệu
điện thế tiếp xúc trong ở hai mối hàn sẽ
bằng không Bây giờ giả sử nhiệt độ ở
một mối hàn T1 = T, còn ở mối hàn kia
là T2 = T + T Nếu ta coi mật độ
electron tự do n1 và n2 ở hai kim loại
không phụ thuộc vào nhiệt độ thì tổng
hiệu điện thế tiếp xúc ở hai mối hàn sẽ
khác không, vì hiệu điện thế tiếp xúc
phụ thuộc vào nhiệt độ (ở mối hàn
nóng sự khuếch tán của electron nhiều
hơn là ở mối hàn lạnh)
Ui1 + Ui2 =
e
KT1
ln (n2/n1)
+
e
KT 2
ln (n1/n2)
e
T
T
(K là hằng số Boltzmann, K = 1,38.10
-23J/k)
Ta đã biết chuyển động của electron ở
đầu nóng của thanh kim loại cao hơn
đầu lạnh, vì thế dòng electron khuếch
tán từ đầu nóng đến đầu lạnh lớn hơn
dòng electron khuếch tán theo chiều
lại Kết quả là đầu lạnh tích điện âm,
đầu nóng tích điện dương Quá trình
khuếch tán kéo dài cho đến khi điện
trường xuất hiện làm cho dòng electron
đi từ đầu lạnh đến đầu nóng electron đi
ngược lại, khi đó có sự cân bằng động
và có một hiệu điện thế được thiết lập
giữa hai đầu mỗi thanh kim loại Tổng
đại số hai hiệu điện thế như thế ở hai
thanh kim loại 1 và 2 tạo nên thành
phần thứ hai của suất điện động Ở một
số cặp nhiệt điện người ta còn phát
hiện thấy sự đổi dấu của suất điện
động Thí dụ đối với cặp vônfram –
môlipđen, khi hiệu điện thế còn nhỏ thì
ở mối hàn nóng dòng điện chạy từ
môlipđen dang vônfram, còn khi hiệu
nhiệt độ lớn thì dòng điện lại chạy theo
chiều ngược lại (điều này có thể giải
thích, nếu cho rằng nhiệt độ đã làm thay đổi tỉ số n1/n2
Đối với bán dẫn khi nhiệt độ tăng lên nồng độ các hạt tải điện (electron và lỗ trống) tăng lên và năng lượng của chúng cũng tăng lên do vậy với các mẫu bán dẫn ta sẽ thhu được suất nhiệt điện động lớn Suất điện động này lớn hơn so với trường hợp kim loại hàng chục, hàng trăm lần
-Ứng dụng hiệu ứng Seebeck
Các nhà nghiên cứu đã dùng nhiệt để phát ra điện bằng cách kẹp giữ các phân tử hữu cơ giữa các hạt nano kim loại, mở ra tiềm năng mới về khai thác năng lượng - Đây có thể là mốc quan trọng trên con đường tiến tới biến đổi trực tiếp nhiệt thành điện Ví dụ: Phân
tử hữu cơ bị kẹp giữ giữa hai bề mặt bằng vàng; tạo ra chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt kim loại sẽ sinh ra điện áp
và dòng điện
Đây là minh chứng đáng kể cho ý tưởng thiết kế và là bước đi đầu tiên của ngành nhiệt điện phân tử
Ngày nay, hiện tượng áp điện (hiệu ứng Seebeck) được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết
bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, hầu hết các máy in hiện nay
một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo
+ Nhiệt kế nhiệt điện Cặp nhiệt điện
có thể dùng để đo nhiệt độ rất cao cũng như rất thấp mà không thể đo được bằng các nhiệt kế thông thường
+ Pin nhiệt điện: Mắc nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện ta được một bộ pin gọi
là pin nhiệt điện, có suất điện động vài vôn và cường độ dòng điện tới vài ampe Nhưng hiệu suất của pin nhiệt điện rất thấp (khoảng 0,1%) nếu ta thay bằng vật liệu bán dẫn thì hiệu suất có thê đạt tới 10%
2.Hiệu ứng Pilties
-HT: Khi có dòng điện qua chỗ tiếp
xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự toả nhiệt hay hấp thụ nhiệt tuỳ theo chiều dòng điện Nó làm cho chỗ tiếp xúc hoặc là nóng lên hoặc là lạnh đi
Hiện tượng nhiệt điện này là do Jean Peltier phát minh năm 1834
-GT:
Khi cho dòng điện qua vật dẫn không đồng nhất, ngoài nhiệt lượng Joule _ Lenz toả ra trong thể tích vật dẫn, người ta còn quan sát thấy một hiện tượng nhiệt phụ nữa xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau Đó là hiệu ứng Peltier Để đo nhiệt lượng toả ra hay hấp thụ của hiện tượng Peltier người ta dung mạch điện gồm hai vật dẫn khác nhau hàn nối với nhau Nếu tại mối hàn T2 dòng điện đi
từ B sang kim loại A thì tại mối hàn T1 dòng điện sẽ đi từ mối hàn A sang kim loại B Vì vậy nếu mối hàn T2 nóng lên thì mối hàn T1 lạnh đi và ngược lại
Nguyên nhân của hiện tượng Peltier là
sự tồn tại của hiệu điện thế tiếp xúc trong Nếu điện trường tạo ra ở mối hàn do hiệu điện thế tiếp xúc mà làm tăng tốc độ electron dẫn thì động năng của các electron dẫn tăng lên và các electron dẫn nhường động năng dư cho mạng tinh thể Kết quả là mối hàn đó nóng lên và toả nhiệt lượng phụ Nếu electron chuyển động theo chiều ngược lại thì điện trường làm giảm tốc độ của electron, động năng của các electorn dẫn giảm và electron phải lấy năng lượng còn thiếu từ mạng tinh thể Do mối hàn phải cung cấp năng lượng cho
electron nên mối hàn lạnh đi
Do mâu thuẫn không đồng nhất nên trong mẫu xuất hiện một điện trường trong ngay cả khi không có gradien nhiệt độ:
Khi có điện trường ngoài gây nên điện trường trong mẫu thì trường thực hiện công làm tỏa ra hay thu vào nhiệt lượng
Mẫu sẽ nguội khi trường bên trong cùng chiều với trường ngoài và sẽ nóng lên khi trường bên trong ngược chiều với trường ngoài
Từ công thức:
Ta thấy dòng năng lượng gồm 2 thành phần:
1 Liên quan đến chuyển động có hướng của hạt dẫn, chính la dòng năng lượng gây nên hiệu ứng Peltier
2 Do truyền nhiệt phụ thuộc vào gradien nhiệt độ
Vì vậy có thể viết:
Nếu gọi là dòng năng lượng do hiệu ứng Peltier thì ta có thể viết
với
Trong đó là hệ số Peltier tuyệt đối Hiệu ứng Peltier thường xảy ra mạnh
ở chỗ tiếp xúc hai vật khác nhau Khi dòng điện đi qua tiếp xúc của 2 vật sự phân tán dòng năng lượng bằng hiệu 2 dòng năng lượng Gọi năng lượng tỏa
ra là thì ta có:
Trong đó 12 là hệ số Peltier tương đối bằng hiệu hai hệ số Peltier tuyệt đối
Nó phụ thuộc vào bản chất của các kim loại tiếp xúc nhau và vào nhiệt độ của mối hàn
Như vậy chúng ta có thể biểu diễn hệ
số Peltier tương đối 12 qua suất nhiệt điện động vi phân tương đối 12 :
-UD :Máy lạnh sử dụng hiệu ứng nhiệt
điện
Ứng dụng hiện tượng Peltier, người ta thiết kế một linh kiện gồm hai vật dẫn khác nhau có hai mối hàn tạo thành mạch điện Khi cho dòng điện chạy qua, một đầu mối hàn nóng lên, còn đầu kia lạnh đi Điều đó có nghĩa là có thể chế tạo được một linh kiện có hai mặt, một mặt lạnh chuyển nhiệt sang mặt nóng Để hiệu suất hoạt động của thiết bị làm lạnh theo nguyên lí của hiện tượng Peltier cao hơn, người ta lấy hai vật dẫn kim loại khác nhau bằng hai tấm bán dẫn khác loại, bán dẫn loại
p và bán dẫn loại n
1
e
2
31 11 21 21
2
31 11 21 21
.
Q
K eK
12
Q
Q J J J
2
12 2 1 ( 1)T 12T (3 157)
Trang 43,Hiệu ứng từ điện trở
-kn : Sự thay đổi điện trở suất của
một vật liệu dưới tỏc dụng của từ
trường ngoài gọi là hiệu ứng từ điện
trở
Từ điện trở thường; Từ điện trở dị
hướng ; Từ điện trở khổng lồ; Từ điện
trở chui hầm;Từ điện trở siờu khổng lồ
-gt : Phương trỡnh động Boltzmann
trong trường hợp cú điện trường và từ
trường tỏc dụng cú dạng
Độ dẫn dọc theo trường x cú dạng
Hệ số từ điện trở B là một đại lượng
đặc trưng cho hiệu ứng từ điện trở
Một số ứng dụng của hiện tượng từ
điện trở như:
Chế tạo cảm biến đo từ trường, đo
dũng điện
Đầu đọc, ghi trong cỏc ổ cứng mỏy
tớnh
Cỏc linh kiện spintronics
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)
nghiờn cứu cỏc linh kiện điện tử mới
hoạt động dựa trờn điều khiển tớnh
chất spin của điện tử.
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR)
trong cỏc chất bỏn dẫn chủ yếu là do sự
lệch quỹ đạo của dũng hạt tải dưới tỏc
dụng của từ trường, thường được ứng
dụng trong một số cảm biến đo từ
trường như đo từ trường Trỏi đất, hay
cảm biến đo dũng điện
Hiệu ứng từ điện trở siờu khổng lồ
(CMR) cũng được ứng dụng trong
cỏc đầu đọc/ghi của ổ cứng, phỏt
triển cỏc linh kiện spintronic
Hiệu ứng từ điện trở chu hầm (TMR)
được cũng đúng vai trũ cực kỳ quan
trọng trong cỏc nghiờn cứu về linh kiện
spintronic
4 hiệu ứng thomson
-một vật dẫn đồng chất mà cú biến thiờn nhiệt độ thỡ khi cú dũng điện chạy qua sẽ xuất hiện một nhiệt lượng phụ toả ra hay hấp thụ trong vật dẫn, độc lập với nhiệt lượng Jun-Lenx Lượng nhiệt này bổ sung thờm hoặc hấp thụ bớt đi làm cho nhịờt lượng của vật dẫn tăng lờn hay giảm đi so với khi chỉ cú nhiệt lượng Jun-Lenx
-Là sự thu nhiệt hay toả nhiệt so với định luật Jun-Lenx khi cú dũng điện chạy qua một mẫu đồng nhất nhưng cú građien nhiệt độ
-Trong một mẫu bỏn dẫn đồng nhất cú građien nhiệt độ thỡ khi dũng điện chạy qua mẫu đú sẽ làm mẫu núng lờn hay nguội đi so với nhiệt lượng tỏa ra theo định luật Jun-Lenx
-GT: - Khi nhiệt độ hai đầu dõy dẫn khỏc nhau sẽ cú dũng electron khuếch tỏn từ đầu núng đến đầu lạnh lớn hơn dũng khuếch tỏn theo chiều ngược lại Giữa hai đầu của vật dẫn xuất hiện một điện trường phụ, hướng từ đầu núng sang đầu lạnh - Khi electron đi từ đầu lạnh đến đầu núng thỡ điện trường phụ làm tăng tốc electron (trờn vật a) Cũn electron
đi từ đầu núng đến đầu lạnh, thỡ điện trường phụ sẽ hóm cỏc electron lại (trờn vật b) - Nguyờn nhõn khỏc:
Electron ở đầu núng cú năng lượng nhiệt cao hơn ở đầu lạnh Khi cỏc electron dưới tỏc dụng của điện trường đi từ đầu núng đến đầu lạnh, chỳng sẽ truyền phần năng lượng cũn
dư cho mạng tinh thể làm cho vật dẫn núng lờn nhanh (vật b) Khi dũng điện cú chiều ngược lại, cỏc electron
đi từ đầu lạnh đến đầu núng, chỳng
sẽ nhận thờm năng lượng của mạng tinh thể, tức là hấp thụ nhiệt làm cho vật dẫn núng lờn chậm (vật a).
- Khi trong mẫu cú građien nhiệt độ
sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tỏn hạt dẫn và kốm theo nú là sự xuất hiện trường nhiệt điện cú xu hướng chống lại dũng khuếch tỏn Gọi là trường nhiệt điện nội tại
11
i
K K
eK T
- Khi đặt vào mẫu một trường ngoài
e , thỡ điện trường tổng cộng tại mỗi điểm của mẫu là:
+ Mật độ dũng điện tại mỗi điểm tớnh theo định luật Ohm:
2 11
J e K
+ Theo định luật bảo toàn năng lượng: nhiệt lượngQ toả ra trờn vật dẫn chớnh là cụng A của điện trường tổng cộng sinh ra khi làm chuyển dời cỏc điện tớch
2
e
*Nhận xột (4):
_Theo giả thiết mẫu đồng nhất F=0 _ Nếu j T >0 thỡ vật sẽ núng lờn hơn so với ĐL Jun-Lenx
_ Nếu j T <0 thỡ vật sẽ núng lờn ớt hơn so với ĐL Jun-Lenx -UD: Cặp nhiệt điện_Pin nhiệt điện
Tủ lạnh sử dụng hiệu ứng nhiệt điện
Cõu 12: Quang điện trở
*) Cấu tạo
Quang điện trở là điện trở làm bằng
chất quang dẫn cú trị số thay đổi khi cường độ của chựm sỏng chiếu vào nú thay đổi (càng giảm khi được chiếu sỏng càng mạnh)
- Khi khụng được chiếu sỏng điện trở
của quang điện trở lờn tới vài MΩ (vài
triệu Ω )- Điện trở tối
- Khi được chiếu sỏng thớch hợp điện
trở của quang điện trở cú thể giảm xuống cũn vài chục Ω ( khoảng 20 Ω )
Cấu tạo
- Quang điện trở cú cấu tạo gồm: một sợi dõy (hoặc một màng) bằng chất quang dẫn (CdS) 1 gắn trờn một đế cỏch điện 2 Hai điện cực gắn vào lớp bỏn dẫn.
Nguyờn tắc hoạt động
- Quang điện trở hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong
- Nối quang trở với nguồn(vài V)
- Đặt quang trở trong búng tối: Khụng
cú dũng điện
- Chiếu askt cú bước súng nhỏ hơn giới hạn quang dẫn: xuất hiện dũng điện Khi ỏnh sỏng chiếu vào chất bỏn dẫn làm phỏt sinh cỏc điện tử tự do, tức
sự dẫn điện tăng lờn và làm giảm điện trở của chất bỏn dẫn Cỏc đặc tớnh điện
và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiờn tựy thuộc vào vật liệu dựng trong chế tạo Về phương diện năng lượng, ỏnh sỏng đó cung cấp một năng lượng E=h.f để cỏc điện tử nhảy từ dải húa trị lờn dải dẫn điện
Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dải cấm
Ứng dụng
Quang điện trở được dựng rất phổ biến trong cỏc mạch điều khiển,mạch bỏo động,cảm biến ỏnh sỏng hay mỏy nộn
õm thanh
- Cỏc quang điện trở thường được lắp với cỏc tranzito trong cỏc thiết bị điều khiển tự động bằng ỏnh sỏng Mạch bỏo động:
Mạch mở điện tự động về đờm dựng
điện AC:
Cõu 13L pin mặt trời
a Định nghĩa:
Pin quang điện là nguồn điện trong đú quang năng chuyển húa thành điện năng Pin quang điện hoạt động dựa trờn hiện tượng quang điện trong của cỏc chất bỏn dẫn: german, silic, selen Vật liệu xuất phỏt là cỏc bỏn dẫn tinh khiết : german, silic, selen
Lớp chuyển tiếp p-n đợc hỡnh thành khi ta cho hai mẫu bán dẫn khác loại, loại p và loại n, tiếp xúc với nhau Tuy nhiên, do ở bán dẫn p, lỗ trống là hạt tải
điện đa số, nên dòng khuếch tán từ bán dẫn p sang n chủ yếu lỗ trống Lỗ trống
từ p sang n tái hợp với êlectron tự do
Do đó ở phần tiếp giáp gia hai bán dẫn gần mặt phân cách không còn các hạt tải điện tự do (êlectron và lỗ trống) mà thay vào đó là các ion tạp chất mang
điện dơng (ở bán dẫn loại n) và các ion tạp chất mang điện âm (ở bán dẫn loại p)
Sự khuếch tán diễn ra ở mặt phân cách giữa hai bán dẫn Tại đó xuất hiện một
điện trờng trong E hớng từ phía n sang
p, có tác dụng ngăn cản sự khuếch tán các hạt mang điện đa số Ở chỗ tiếp xỳc giữa hai loại bỏn dẫn đó hỡnh thành lớp chuyển tiếp p-n,hầu như khụng cú hạt tải điện tự do gọi là vựng nghốo hạt tải điện.
Ánh sỏng cú bước súng thớch hợp rọi vào điện cực dương + (trong suốt) vào lớp bỏn dẫn loai p
Tại lớp p, xảy ra hiện tượng quang điện trong tạo thành lỗ trống và electron quang điện
Điện trường lớp tiếp xỳc p - n đẩy lỗ trống về lớp p và đẩy e về lớp n Lớp kim loại mỏng nhiễm điện dương Phần đế tiếp xỳc với lớp n nhiễm điện
õm trở thành cực õm
UD: Pin Mặt trời
Hệ thống điện, đốn giao thụng, vệ tinh, viễn thỏm,…
1 (
( )
f e
k
2
4 *
12
11 *2
2 2
2 2
2 2
2 2
1 :
1
1
B
B
e K
m
B B
B
B
1
B o B o o B
B
o
2 2
B
B B B
Trang 5Câu 1; các tính chất chung của bán
dẫn
Chất bán dẫn là vật chất có điện trở
suất nằm ở giữa trị số điện trở suất của
chất dẫn điện và chất điện môi khi ở
nhiệt độ phòng: ρ = 10-4 ÷ 107 Ω.m
Chất bán dẫn hoạt động như một chất
cách điện ở nhiệt độthấp và có tính dẫn
điện ở nhiệt độ phòng Gọi là "bán
dẫn" (chữ"bán" theo nghĩa Hán Việtcó
nghĩa là một nửa), có nghĩa là có thể
dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc
ở một điều kiện khác sẽ không dẫn
điện (ánh sáng, áp suất,nhiệt độ, các
tác dụng của trường ngoài)
Trong kỹ thuật điện tử chỉ sử dụng một
số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh
thể, quan trọng nhất là hai nguyên tố
Gecmani và Silic Thông thường
Gecmani và Silic được dùng làm chất
chính, còn các chất như Bo, Indi (nhóm
3), phôtpho, Asen (nhóm 5) làm tạp
chất cho các vật liệu bán dẫn chính
Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể
này là độ dẫn điện của nó rất nhỏ khi ở
nhiệt độ thấp và nó sẽ tăng theo lũy
thừa với sự tăng của nhiệt độ và tăng
gấp bội khi có trộn thêm tạp chất
Hạt tải điện trong chất bán dẫn là các
điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ
trống trong vùng hóa trị
- Hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần:
n=p
Bán dẫn loại n: hạt tải cơ bản là e, ko
cơ bản là h;ngược lại với bán dẫn loại p
Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc tinh thể lý
tưởng bán dẫn thuần như là một chất
cách điện.các e hóa trị tham gia hết vào
liên kết cộng hóa trị trong mạng tinh
thể Trg BD ko có hạt mang điện tự do;
dưới td của môi trường bên ngoài, e
nhận năng lượng đủ để bứt ra khỏi liên
kết trở thành điện tử dẫn, để lại vị trí
liên kết thiếu e mang điện dương gọi là
lỗ trống trong bd có hạt tải tự do nên
dẫn điện
Cấu trúc năng lượngcủa điện tửtrong
mạng nguyên tửcủa chất bán dẫn Vùng
hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng
dẫntrống Mức năng lượng Ferminằm ở
vùng trống năng lượng Các chất bán
dẫn có vùng cấm có một độrộng xác
định Ởkhông độtuyệt đối (0 ⁰K), mức
Ferminằm giữa vùng cấm, có nghĩa là
tất cảcác điện tửtồn tại ởvùnghóa trị, do
đó chất bán dẫn không dẫn điện Khi
tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽnhận
được năng lượng nhiệt (kB.T với kBlà
hằng sốBoltzmann) nhưng năng lượng
này chưa đủ để điện tửvượt qua vùng
cấm nên điện tửvẫn ở vùng hóa trị Khi
tăng nhiệt độ đến mức đủcao, sẽcó một
số điện tửnhận được năng lượng lớn
hơn năng lượng vùng cấm và nó
sẽnhảy lên vùng dẫn và chất rắn
trởthành dẫn điện Khi nhiệt độcàng
tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn
sẽcàng tăng lên, do đó, tính dẫn điện
của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt
độ(hay điện trởsuất giảm dần theo nhiệt
độ) Một cách gần đúng, có thểviết sự
phụthuộc của điện trởchất bán dẫn vào
nhiệt độnhưsau:
Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn
có thể thay đổi nhờcác kích thích năng
lượng khác, ví dụnhưánh sáng Khi chiếu sáng, các điện tửsẽhấp thu năng lượng từ photon, và có thểnhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủlớn Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sựthay đổi vềtính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng(quang-bán dẫn)
-Điện dẫn suất tăng tỉ lệ với nhiệt độ
*) Úng dụng của bán dẫn tinh khiết
gecmani là BDTK có vùng cấm nhỏ,
cho phép nó phản ứng rất hiệu quả với ánh sáng hồng ngoại Vì thế nó được sử
dụng trong các kính quang phổ hồng
ngoại và các thiết bị quang học khác trong đó đòi hỏi các thiết bị phát hiện
cực kỳ nhạy với tia hồng ngoại Chiết suất của ôxít gecmani và thuộc tính tán
sắc của nó làm cho gecmani là hữu ích
trong các thấu kính camera góc rộng
và trong kính vật của các kính hiển vi.
Các tinh thể gecmani độ tinh khiết cao được dùng trong các máy dò cho kính quang phổ gamma
Hợp kim gecmanua silic (hay "silic-gecmani", SiGe) rất nhanh chóng trở thành vật liệu bán dẫn quan trọng, dùng trong các mạch IC tốc độ cao Các mạch IC dùng các tính chất của kết nối Si-SiGe có thể nhanh hơn nhiều so với các mạch chỉ dùng silic
Câu 2: khái niệm lỗ trống
-KN: lỗ trống là mọt ví trí liên kết ko
có e; hay là một mức năng lượng bị bỏ trống, chuyển động cùng chiều điện trường ngoài và thm gia vào sự dãn điện
Đặc trưng:
-Lỗ trống có đầy đủ các đặc trưng của hạt: khối lượng; năng lượng; xung lượng; điện tích
- so sánh với các đặc trưng của e ở cùng 1 trạng thái
Khối lượng hiệu dụng m* h=- m*; Năng lượng: Eh = -Ee;
Vận tốc Vh=-ve Vecto sóng kh ke
Điện tích dương qh=+e
Lỗ trống là vi hạt lên nó lan truyền dưới dạng sóng điện từ
Câu 14: các hiệu ứng trong điện trường mạnh
Trong mục này ta sẽ xét một số hiện tượng xảy ra trong điện trường mạnh khi mà năng lượng dẫn thu được trong điện trường khá lớn và không trao đổi hết cho mạng tinh thể sau mỗi lần va chạm làm cho nhiệt độ của điện tử và của mạng tinh thể chênh lệch nhau
Trong vật liệu có các hạt chuyển
động nhiệt hỗn loạn, vận tốc trung bình
của chuyển động nhiệt là u Khi có
thêm điện trường ε tác dụng thì dưới tác dụng của điện trường các hạt mạng điện này sẽ có thêm vận tốc vd ( vận tốc cuốn- vận tốc chuyển động có hướng)
Nếu vd << u thì điện trường được coi
là yếu (τ(Қ) không phụ thuộc vào trường ngoài)
Nếu vd tăng làm τ(Қ) phụ thuộc vào trường ngoài thì lúc đó điện trường được coi là mạnh
1 Điện tử nóng và thời gian hồi phục
năng lượng
1.1 Hiện tượng
- Bình thường: trong vật liệu, các hạt chuyển động nhiệt hỗn loạn với vận tốc trung bình là vnh
- Khi có điện trường ngoài : ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn, các hạt có thêm thành phần chuyển động có hướng (chuyển động cuốn) theo phương (ngược hướng) điện trường ngoài với vận tốc cuốn vd:
+ Điện trường trong mẫu nhỏ: vd<<vnh => không phụ thuộc vào trường ngoài
+ Điện trường trong mẫu lớn: vd tăng lên
phụ thuộc vào điện trường
Độ linh động và độ dẫn phụ thuộc vào điện trường
Định luật Ohm j với
cố định không còn đúng nữa!
1.2 Giải thích
Biểu thức độ dẫn:
Sự sai lệch khỏi định luật Ohm chỉ có thể do:
+ Nguyên nhân 1: độ linh động µ phụ thuộc vào điện trường
+ Nguyên nhân 2: nồng độ hạt dẫn phụ thuộc vào điện trường
- Giải thích theo nguyên nhân 1: Xét bán dẫn loại n trong điều kiện tán
xạ của điện tử là đẳng hướng Xem thời gian hồi phục (k )
bằng thời gian chuyển động tự do trung bình
+Điện tử giống như 1 khí lý tưởng tuân theo phân bố Boltzmann (bán dẫn không suy biến)
2
*
e n
en hay
m
Trang 62 Hiện tượng ion hóa do va chạm
Là hiện tượng đánh thủng thác lũ trong
bán dẫn (giống như các hiện tượng
phóng điện trong chất khí)
2.1 Hiệu ứng ion hóa do va chạm
trong bán dẫn đồng nhất
2.1.1 Hiện tượng
Xét hiện tượng ion hóa do va chạm các
nguyên tử tạp chất trong Ge, các mức
tạp chất này rất nông, năng lượng ion
hóa chỉ cỡ 10-2 eV, nên hiện tượng
đánh thủng đã phát hiện được khi điện
trường chỉ mới đạt cỡ V/cm và kéo dài
mãi đến khi tất cả tạp chất bị ion hóa
hết:
+ Ở nhiệt độ thấp: phần lớn hạt dẫn bị
“đông cứng” ở các nguyên tử tạp chất,
nên chúng ta dễ quan sát hiện tượng
ion hóa do va chạm và dẫn đến đánh
thủng
+ Khi nhiệt độ tăng: tất cả các nguyên
tử tạp chất đã bị ion hóa và chúng ta
không còn quan sát được hiện tượng
ion hóa do va chạm
2.1.2 Giải thích
-Trong điện trường yếu, cơ chế tán xạ
trên ion tạp chất hoàn toàn chi phối độ
linh động Năng lượng của điện tử tăng
theo cường độ điện trường và độ linh
động của nó cũng tăng theo điện
trường cho đến khi cơ chế tán xạ trên
dao động mạng lấn át và làm cho độ
linh động giảm xuống sau khi đạt cực
đại
-Ngược lại với tán xạ trên ion tạp chất,
tán xạ trên dao động mạng tinh thể là
tán xạ không đàn hồi (không bảo toàn
năng lượng) nên sự tăng nồng độ điện
tử bị chững lại khi cơ chế tán xạ trên dao động mạng chi phối hoàn toàn
=> Sự giảm độ dẫn khi điện trường tăng lên là do độ linh động của điện tử giảm khi điện trường tăng và nồng độ điện tử không còn nữa
2.2 Hiệu ứng ion hóa do va chạm ở chuyển tiếp p-n
2.2.1 Hiện tượng
Trong bán dẫn vùng cấm không hẹp, hay vùng cấm rộng, ở nhiệt độ phòng, hiện tượng ion hóa do va chạm chỉ có thể xảy ra trong điện trường rất cao, cỡ
106 V/cm, có thể tồn tại trong các vùng nghèo của chuyển tiếp p-n phân cực ngược với sự tỏa nhiệt theo định luật Joule không đáng kể
Ví dụ: lớp chuyển tiếp p-n của điôt Ge
có điện áp đánh thủng là 1200 V xảy ra
do hiện tượng ion hóa do va chạm, nếu biết bề rộng vùng nghèo trong chuyển tiếp p-n cỡ 1 vài µm thì điện trường trong lớp đó đạt gần 5.106 V/cm
2.3 Ứng dụng
Hiệu ứng ion hóa do va chạm thường gây nên hiện tượng đánh thủng thác lũ trong các điôt bán dẫn và chính nó đã giới hạn điện áp ngược của điốt bán dẫn Nhưng hiệu ứng ion hóa do va chạm lại được sử dụng như là nguyên
lý hoạt động của một số linh kiện bán dẫn
Ví dụ: Điốt IMPATT (chữ viết tắt của
“thời gian chuyển động thác lũ ion hóa
do va chạm”) dùng để phát sóng viba được phát minh bởi Read nên gọi là điốt Read
3 Hiệu ứng Zener (hiệu ứng đường ngầm)
3.1 Hiện tượng
Trong điện trường, các mức năng lượng như Ec, Ev trong bán dẫn sẽ bị nghiêng đi phụ thuộc vào thế năng trong điện trường Nhờ hiệu ứng đường ngầm, điện tử có thể đi từ vùng năng lượng thấp qua vùng cấm sang vùng năng lượng cao hơn nếu trạng thái điện
tử đến còn trống
=> Hiệu ứng đường ngầm là một trong những hiệu ứng làm tăng nồng
độ hạt dẫn trong điện trường mạnh!
Hiệu ứng đường ngầm xảy ra trong điện trường rất cao cỡ 106 V/cm đối với
Si, GaAs
3.2 Giải thích
Xét hiệu ứng đường ngầm trong trường hợp điện trường đều, nghĩa là V(x) là tuyến tính giữa vùng hóa trị và vùng dẫn
Trong điện trường đều =hso thế năng V(x) thay đổi tuyến tính theo x, các
vùng năng lượng đều bị nghiêng, chuyển động của điện tử phải tuân theo quy luật năng lượng toàn phần H0 không đổi
=> Chuyển động của điện tử từ điểm A sang điểm C về mặt bảo toàn năng lượng toàn phần là được phép
3.2 Giải thích
Tuy nhiên, muốn thực hiện chuyển động đó điện tử phải vượt qua 1 hàng rào thế hình tam giác ABC có đáy AC=a với:
e
E E
a c v
Chuyển mức như vậy không thể thực hiện được trong trường hợp các hạt tuân theo cơ học cổ điển
Do tính chất sóng của điện tử, cơ học lượng tử đã chứng minh rằng tồn tại một xác suất khác không cho phép các điện tử “chui” qua hàng rào thế từ A sang C
=> Hiệu ứng đường ngầm
Xác suất chuyển mức đường ngầm phụ thuộc vào chiều cao của rào, tức làEg
và bề dày của hàng rào a, nghĩa là phụ thuộc vào điện trường
Biểu thức xác suất chuyển mức đường ngầm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn:
Xác suất điện tử “chui” qua hàng rào từ vùng hóa trị sang vùng dẫn cũng bằng xác suất từ vùng dẫn sang vùng hóa trị, nhưng vì trong vùng hóa trị có nhiều
điện tử hơn trong vùng dẫn nên dòng điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn lớn hơn dòng ngược lại
=> Hiệu ứng đường ngầm làm tăng nồng độ hạt dẫn tự do!
3.3 Ứng dụng
Hiệu ứng đường ngầm thường xảy ra trong chuyển tiếp p-n pha tạp mạnh
Hiệu ứng đường ngầm gây nên hiện tượng đánh thủng lớp chuyển tiếp p-n
và được sử dụng như nguyên lý hoạt động của điôt ổn áp Zener
Thay đổi nồng độ pha tạp trong chuyển tiếp p-n, tức là thay đổi bề dày lớp nghèo và điện trường trên lớp đó, bằng cách đó có thể thay đổi điện áp đánh thủng, tức là điện áp cần ổn định
4 Hiệu ứng Gunn
4.1 Hiện tượng
Hiệu ứng Gunn là một trong các hiệu ứng liên quan đến sự chuyển mức của điện tử giữa các cực tiểu không tương đương của vùng dẫn khi có điện trường mạnh tác dụng vào mẫu
Hiện tượng này do Gunn phát hiện đầu tiên trong GaAs và InP loại n
Trong vùng dẫn của GaAs có 1 cực tiểu tuyệt đối tại điểm T có độ cong lớn, có
khối lượng hiệu dụng mật độ trạng thái nhỏ, vì thế có mật độ trạng thái nhỏ, có
độ linh động của điện tử lớn
Ngoài ra, GaAs có 1 cực tiểu cao hơn 1 khoảng rETL=0,29eV tại điểm L có độ cong nhỏ, có khối lượng hiệu dụng và khối lượng hiệu dụng mật độ trạng thái lớn nên có mật độ trạng thái lớn, độ linh động của điện tử rất nhỏ
4.2 Giải thích
Vì khối lượng hiệu dụng của điện tử ở mức cực tiểu T rất nhỏ nên điện tử bị
“đun nóng” rất nhanh trong điện trường
nó đạt được khoảng năng lượng rETL=0,29eV khi điện trường
-3kV/cm
Trước khi đạt được năng lượng đó độ linh động của điện tử không thay đổi đáng kể và có giá trị khoảng 7000 cm2/ V.s
Khi điện trường-3kV/cm điện tử chuyển từ mức cực tiểu T sang cực tiểu
L, nơi mà nó trở nên nặng hơn, có thời gian hồi phục ngắn hơn, có độ linh động nhỏ hơn trước rất nhiều, khoảng
900 cm2/V.s
4.2 Giải thích
Vì điện tử ở cực tiểu T có (mT)* nhỏ và
µT lớn, điện tử ở cực tiểu L có (mL)* lớn
và µL nhỏ nên chúng có thể tuân theo hai đặc trưng vd=f() khác nhau
- Khi điện trường nhỏ: độ dốc của đường đặc trưng là độ linh động lớn µT
ở cực tiểu T
- Khi điện trường lớn: độ dốc của đường đặc trưng là độ linh động nhỏ µL
ở cực tiểu L với giả thuyết là tất cả điện
tử chuyển sang cực tiểu L
=> Sự thay đổi µ dẫn đến thay đổi độ dẫn điện hay điện trở suất của mẫu
4.3 Ứng dụng
Hiệu ứng Gunn được ứng dụng trong điốt Gunn, trong RADAR và trong các
hệ thống viễn thông
3
0 2 exp
2
g
m E
D D
e
Trang 7Câu 6:
Trang 8Câu 10+11