bài giảng điện tử đại cương về vật liệu bán dẫn

Khái niệmPhân loại vật liệu bán dẫn Cấu trúc vùng năng lượng Lớp chuyển tiếp P-N Ứng dụng của vật liệu bán dẫn... Þ Tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể lý giải nhờ lý thuyết vùng năn

Chủ đề: Vật liệu

bán dẫn

Họ và tên: Trần Thị Thu HoàiLớp: Lý k51

Khái niệm

Phân loại vật liệu bán dẫn

Cấu trúc vùng năng lượng

Lớp chuyển tiếp P-N

Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

dẫn Kim

loại

Điện trở suất của bán dẫn

có giá trị trung gian giữa điện môi

II Cấu trúc vùng năng lượng

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn

Þ Tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể lý giải nhờ lý

thuyết vùng năng lượng:

 Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác

định Ở 0 K, chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng ⁰K, chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt, khi năng lượng mà các điện tử nhận được thắng được năng lượng vùng cấm thì điện tử sẽ nhảy lên vùng dẫn

và bán dẫn trở thành chất dẫn điện Khi nhiệt độ tăng, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ tăng theo Sự phụ

thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ:

với: R0 là hằng số, Eg là độ rộng vùng cấm

) 2

exp(

0

T k

E R

Ở nhiệt độ cao, nhiệt năng làm gãy một số nối hóa trị Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau

và di chuyển trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm, điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ

trống=> Chúng là chất dẫn điện

P Si

Electron dư trong nguyên tử P liên kết yếu với nguyên tử P

dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử Chất bán dẫn lúc này thừa điện

tử và được gọi là bán dẫn loại N

2, Bán dẫn tạp chất

a, Bán dẫn loại N

- Khi pha các nguyên tố có 5 điện tử hóa trị ( As,P…) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết thuộc nhóm 4 (Si, Ge,…), thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện tử ( hạt đa số) gọi là chất bán dẫn

tạp chất loại N.

Si As

b, Bán dẫn loại P

Lỗ trống tạo nên do nguyên tử As thiếu một e liên kết với một nguyên tử Si lân cận Bán dẫn lúc này thiếu

1 điện tử và được gọi

là bán dẫn loại P

Nếu pha các nguyên tố thuộc nhóm 3 điện tử hóa trị (Al,

Ga, B…) vào mạng tinh thể Si sẽ xuất hiện các liên kết

ghép đôi bị khuyết ( lỗ trống) Chỉ cần kích thích một

năng lượng đủ nhỏ, các nguyên tử tạp chất sẽ bị ion hóa tạo nên các ion âm ( nhận điện tử) và các lỗ trống.

Đối với bán dẫn loại N

 Tạp chất P pha vào bán dẫn Si đã tạo thêm e tự do mà không làm tăng số lỗ trống

 e là hạt tải điện cơ bản, lỗ trống là hạt tải điện không

cơ bản

Đối với bán dẫn loại P

 Tạp chất As pha vào bán dẫn Si đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số e dẫn.

 Lỗ trống là hạt tải điện cơ bản, e là hạt tải điện không

cơ bản

Nhận xét

 Nếu pha hai loại tạp chất, chẳng hạn như cả P và

As vào bán dẫn Si thì bán dẫn này có thể là bán dẫn loại P hoặc bán dẫn loại N, tùy theo tỉ lệ giữa hai

loại tạp chất

 Như vậy, bằng cách chọn tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán

dẫn thuộc loại mình mong muốn Đây chính là tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng

IV Lớp chuyển tiếp P-N

1, Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N

+ + + + +

- - -

-Chỗ tiếp xúc 2 loại bán dẫn đã hình

thành lớp chuyển tiếp P-N

Lớp này còn được gọi là vùng nghèo hạt tải điện, gọi tắt

là vùng nghèo

tx

E

a Trường hợp phân cực thuận( U PN > 0):

2, Dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N

Chuyển tiếp P-N phân cực thuận và đồ thị năng lượng của nó.

b Trường hợp phân cực ngược (U PN <0):

Chuyển tiếp P-N phân cực ngược và đồ thi năng lượng của nó

Như vậy, dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N mắc theo chiều thuận có cường độ lớn, dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N mắc theo chiều ngược có

cường độ rất nhỏ Lớp chuyển tiếp P-N dẫn điện tốt theo một chiều, từ P sang N Lớp chuyển tiếp P- N có tính chất chỉnh lưu

V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

Làm các dụng cụ bán dẫn, chúng có ưu điểm: Kích thước nhỏ, tiết kiệm được năng lượng, chỉ cần nguồn hiệu điện thế thấp, bền vững về mặt

cơ học, thời gian sử dụng được dài, …

a, Điốt bán dẫn

 Là dụng cụ bán dẫn có lớp tiếp xúc p-n nên có tính chất dẫn điện chủ yếu theo một chiều.

 Dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, dùng trong mạch tách sóng

b, Transistor bán dẫn

• Là dụng cụ bán dẫn cấu tạo từ ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp p-n.

• Có hai loại Transistor

• Loại p-n-p: phần giữa là bán dẫn loại n, hai bên là bán dẫn loại p.

• Loại n-p-n: phần giữa là bán dẫn loại p, hai bên là bán dẫn loại n.

Một số loại trandito thường dùng hiện nay

c, Nhiệt điện trở bán dẫn

Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc

mạnh của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ

Được chế tạo từ các chất bán dẫn khác nhau như Ge, Si, Se, một số oxit kim loại,…

Dùng trong các thiết bị đo nhiệt độ, khống chế nhiệt độ từ xa, thiết bị báo cháy

Một số hệ thống báo cháy có sử dụng nhiệt điện trở

d , Quang điện trở bán dẫn

 Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc của điện trở bán dẫn vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó (hiện tượng quang điện bên trong).

 Được chế tạo từ Ge, Si, Se và một số bán dẫn hợp chất như CdS, PbS,…

 Dùng trong các thiết bị kiểm tra và điều khiển tự động.

e, Vi mạch điện tử

Là những vi mạch có kích thước rất nhỏ nhưng chứa hàng trăm, hàng nghìn chi tiết khác nhau ( điốt, tradito, điện trở,…) thay thế cho các

mạch điện tử cồng kềnh

Tổng kết

• Chất bán dẫn là vật liệu trung gian

giữa chất dẫn điện và cách điện

Chất bán dẫn hoạt động như một

chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng Ta có thể tạo ra bán dẫn mình mong muốn bằng cách chọn tạp chất và nồng độ tạp chất tùy ý Vật liệu bán dẫn có

ứng dụng rất lớn trong việc chế tạo

ra các dụng cụ bán dẫn và các linh

kiện điện tử