Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 2 - Lưu Đức Trung

Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 2 - Lưu Đức Trung cung cấp cho học viên các kiến thức về vật liệu điện tử trạng thái rắn, mô hình liên kết hóa trị, dòng điện dịch và sự dịch chuyển trong chất bán dẫn, pha tạp chất trong chất bán dẫn,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

2.1 V t li u đi n t  tr ng thái r n ậ ệ ệ ử ạ ắ

3 lo i: ạ cách đi nệ , d n đi nẫ ệ  và bán d nẫ

Tham s  c  b n đ  phân bi t các lo i này là đi n tr  su tố ơ ả ể ệ ạ ệ ở ấ  

ρ: đ n v  là  cm.ơ ị Ω

Ch t cách đi n: ấ ệ ρ > 105  cmΩ

Ch t d n đi n: ấ ẫ ệ ρ < 10­3  cm.Ω

Ví d , kim cụ ương, m t trong nh ng ch t cách đi n có ch tộ ữ ấ ệ ấ  

lượng t t nh t, có đi n tr  su t r t l n, 10ố ấ ệ ở ấ ấ ớ 6  cm. M tΩ ặ  

khác, đ ng nguyên ch t, m t ch t d n đi n t t, có đi n trồ ấ ộ ấ ẫ ệ ố ệ ở 

su t ch  3×10ấ ỉ ­6  cm.Ω

Các ch t bán d n chi m toàn b  kho ng đi n tr  su t gi aấ ẫ ế ộ ả ệ ở ấ ữ  

ch t d n đi n và cách đi n; h n n a, có th  đi u khi nấ ẫ ệ ệ ơ ữ ể ề ể  

đi n tr  su t b ng cách thêm các t p ch t vào tinh th  bánệ ở ấ ằ ạ ấ ể  

d n.ẫ

B NG 2.1Ả

Phân   lo i   ch t   r n   theo   đi nạ ấ ắ ệ  

d nẫ

Cách đi n ệ 10  < ρ

Bán d n ẫ 10 ­3  < ρ < 10 5

D n đi n ẫ ệ ρ  < 10 ­3

Các ch t bán d n c  b nấ ẫ ơ ả   được t o thành t  m t lo iạ ừ ộ ạ  nguyên t  (c t IV c a b ng nguyên t  tu n hoàn) ử ộ ủ ả ố ầ

Cácbon (kim cương)Silic

GermaniThi cếCác ch t bán d n h p ch t:ấ ẫ ợ ấ  đượ ạc t o ra t  s  k t h pừ ự ế ợ  

c a các nguyên t  trong c t III và V ho c c t II và VI. Cácủ ử ộ ặ ộ  

lo i này thạ ường được đ  c p là bán d n h p ch t III­V (3­ề ậ ẫ ợ ấ5) hay II­VI (2­6)

Cũng có nhi u h p ch t 3 thành ph n nh : thu  ngân catmiề ợ ấ ầ ư ỷ  telua, gali nhôm asen, gali Indi asen và gali indi ph tpho.ố

2.2 Mô hình liên k t hoá tr ế ị

Các nguyên t  có th  liên k t v i nhau theo các d ng  ử ể ế ớ ạ vô 

đ nh hìnhị , đa tinh thể hay đ n tinh th ơ ể. Các ch t khôngấ  

đ nh hình t ng th  có c u trúc không có tr t t , trong khi đaị ổ ể ấ ậ ự  tinh th  có r t nhi u các tinh th  nh  Tuy nhiên, h u h tể ấ ề ể ỏ ầ ế  các tính ch t h u ích c a ch t bán d n ch  có   ch t đ nấ ữ ủ ấ ẫ ỉ ở ấ ơ  tinh th  nguyên ch t. Silic ­   c t IV b ng tu n hoàn – cóể ấ ở ộ ả ầ  

b n electron   v  ngoài cùng.ố ở ỏ

Lưới silicon 2 chi u v i liênề ớ  

k t hoá tr  dùng chung. ế ị Ở 

T o ra c p l  tr ng –ạ ặ ỗ ố   electron khi phá v  liênỡ  

nhi t đ  g n 0 tuy t đ i, 0K,ệ ộ ầ ệ ố  

t t c  các liên k t đấ ả ế ượ ấc l p  

đ y, các v  ngoài c a nguyênầ ỏ ủ  

t  silic đ y hoàn toàn.ử ầ

k t hoá trế ị

M t đ  electron đậ ộ ược gi i phóng b ng v i ả ằ ớ m t đ  h tậ ộ ạ  mang đi n nguyên ch tệ ấ  n i (cm­3), được xác đ nh b ng cácị ằ  tính ch t c a nguyên t  và nhi t đ :ấ ủ ố ệ ộ

kT

E BT

B = tham s  ph  thu c vào nguyên t , 1.08 × 10ố ụ ộ ố 31 

K­3.cm­6 v i Si.ớNăng lượng gi i phóngả  E G là năng lượng nh  nh t đỏ ấ ể phá v  liên k t hoá tr , do v y s  gi i phóng các electron đỡ ế ị ậ ẽ ả ể 

d n đi n. B ng 2.3 li t kê các giá tr  c a năng lẫ ệ ả ệ ị ủ ượng gi iả  phóng c a nhi u ch t bán d n.ủ ề ấ ẫ

B NG 2.3 Ả

Ch t bán d nấ ẫ Năng lượng gi iả  

phóng E G (eV)Cácbon   (kim 

Bo nit rítơ 7.50Silic cácbua 3.26Cátmi selenic 1.70

M t đ  electron d n đi n ậ ộ ẫ ệ   (ho c t  do ặ ự ) được bi u di nể ễ  

b ng bi u tằ ể ượng n (electron/cm3), và v i ch t nguyên ch tớ ấ ấ  

n  =  n i. Thu t ng  ậ ữ nguyên ch t ấ   đ  c p đ n các tính ch tề ậ ế ấ  chung c a v t li u nguyên ch t. M c dù ủ ậ ệ ấ ặ n i là m t tính ch tộ ấ  bên trong c a t ng ch t bán d n, nh ng nó ph  thu c vàoủ ừ ấ ẫ ư ụ ộ  nhi t đ ệ ộ

M t h t mang đi n th  hai cũng độ ạ ệ ứ ượ ạc t o ra khi liên k tế  hoá tr  b  phá v  Khi m t electron có đi n tích –ị ị ỡ ộ ệ q b ng –ằ1.602 × 10­19C tách ra kh i liên k t hoá tr , nó s  đ  l i m tỏ ế ị ẽ ể ạ ộ  

l  tr ngỗ ố  trong c u trúc liên k t trong lân c n c a nguyên tấ ế ậ ủ ử silic m  L  tr ng có đi n tích hi u d ng là +ẹ ỗ ố ệ ệ ụ q.

M t electron t  liên k t bên c nh có th  l p vào lộ ừ ế ạ ể ấ ỗ 

tr ng này, và t o ra m t l  tr ng m i   v  trí khác. Quáố ạ ộ ỗ ố ớ ở ị  trình này cho phép l  tr ng d ch chuy n qua tinh th  Lỗ ố ị ể ể ỗ 

tr ng d ch chuy n nh  là m t h t có đi n tích +ố ị ể ư ộ ạ ệ q. M t đậ ộ 

l  tr ng đỗ ố ược bi u di n b ng ch  ể ễ ằ ữ p (l /cmỗ 3)

Nh  v y, hai h t đi n tích đư ậ ạ ệ ượ ạc t o ra khi m t liên k tộ ế  

b  phá v : m t electron và m t l  tr ng.ị ỡ ộ ộ ỗ ố

V i silic ớ n = n i  = p (2.2.2)

và tích c a electron và l  tr ng làủ ỗ ố   pn ni2 (2.2.3)Tích pn trong công th c 2.ứ 2.3 có khi ch t bán d n ấ ẫ ở tr ngạ  thái cân b ng nhi tằ ệ  (K t qu  r t quan tr ng này đế ả ấ ọ ượ  c

dùng sau này). Trong tr ng thái cân b ng nhi t, các tính ch tạ ằ ệ ấ  

ch  ph  thu c vào nhi t đ  T, không ch u tác đ ng c a cácỉ ụ ộ ệ ộ ị ộ ủ  nhân t  kích thích khác. Phố ương trình 2.2.3 không áp d ngụ  cho các bán d n ho t đ ng n u có các kích thích bên ngoàiẫ ạ ộ ế  

nh  dòng, áp hay quang.ư

VÍ D  2.1  TÍNH H T MANG ĐI N NGUYÊN CH TỤ Ạ Ệ Ấ

Tính giá tr  theo lý thuy t ị ế n i c a silicon   nhi t đ  tiêuủ ở ệ ộ  chu n.ẩ

Đ  BÀI:Ề  Tính giá tr   ị n i c a silicon   nhi t đ  phòng(300K).ủ ở ệ ộ

L I GI IỜ Ả :  D  li u và thông tin đã bi t:ữ ệ ế   Phương trình 2.2.1 xác đ nh ị n i , B, và k. E G = 1.12 eV theo b ng 2.3.ả

Ch a bi tư ế : m t đ  h t mang đi n ậ ộ ạ ệ n i

Gi  thi tả ế : T = 300K   nhi t đ  phòng.ở ệ ộ

Phân tích:

        2 1 08 10 31 ( 3 6 )( 300 ) exp (8.62 10 15.12/ )(300 )

K K

eV

eV K

cm K

n i

6 19

Th o lu n:ả ậ  Đ  đ n gi n, trong các phép tính sau, ta dùng ể ơ ả n i  

=   1010/cm3    nhi t   đ   phòng   đ i   v i   silic.  M t   đ   c aở ệ ộ ố ớ ậ ộ ủ  nguyên t  silic trong lử ưới tinh th  kho ng 5 × 10ể ả 22/cm3. Từ 

ví d  này chúng ta th y   nhi t đ  phòng m t liên k t bụ ấ ở ệ ộ ộ ế ị phá v    kho ng 10ỡ ở ả 13.

2.3 Dòng đi n d ch và s  d ch chuy n trong ch t bán ệ ị ự ị ể ấ  

d n ẫ

Dòng đi n d ch ệ ị

Đi n tr  su t ệ ở ấ ρ và ngh ch đ o c a nó ị ả ủ đi n d n su tệ ẫ ấ  σ 

mô t  dòng đi n trong v t d n khi có đi n trả ệ ậ ẫ ệ ường

 Các h t mang đi n d ch chuy n theo đi n trạ ệ ị ể ệ ường và t oạ  

ra dòng đi n g i là ệ ọ dòng đi n d ch ệ ị

M t đ  dòng đi n d ch ậ ộ ệ ị j đ c đ nh nghĩa là:ượ ị

S   ự d ch  ị chuy n ể

Chúng ta bi t r ng các h t mang đi n s  chuy n đ ngế ằ ạ ệ ẽ ể ộ  theo   hướng   trong   trường   đi n   t   S   chuy n   đ ng   nàyệ ừ ự ể ộ  

được g i là d ch chuy n, và dòng đi n này đọ ị ể ệ ược g i là dòngọ  

đi n   d ch   Các   h t   mang   đi n   dệ ị ạ ệ ương   d ch   chuy n   theoị ể  

hướng c a đi n trủ ệ ường, trong khi các h t mang đi n âm l iạ ệ ạ  

d ch chuy n theo hị ể ướng ngượ ạ ớc l i v i đi n trệ ường

Trong trường th p, t c đ  d ch chuy n c a h t mangấ ố ộ ị ể ủ ạ  

đi n v (cm/s) t  l  v i đi n trệ ỉ ệ ớ ệ ường E (V/cm), h ng s  t  lằ ố ỉ ệ 

được g i là ọ h  s  d ch chuy n ệ ố ị ể μ:

vn = –μ nE và vp = μ pE (2.3.2)

trong đó vn = t c đ  c a electron (cm/s)ố ộ ủ

vp = t c đ  l  tr ng (cm/s)ố ộ ỗ ố

μ n = h  s  d ch chuy n c a electronệ ố ị ể ủ , 1350 cm2/Vs v iớ  Si

μ p = h  s  d ch chuy n c a l  tr ngệ ố ị ể ủ ỗ ố , 500 cm2/Vs v iớ  

Trên lý thuy t, các l  tr ng d ch chuy n qua c u trúc liênế ỗ ố ị ể ấ  

k t hoá tr , nh ng các electron d ch chuy n t  do qua cácế ị ư ị ể ự  tinh th  Do v y thể ậ ường chuy n d ch c a l  tr ng ít h nể ị ủ ỗ ố ơ  chuy n d ch c a electron.ể ị ủ

2.4 Pha t p ch t trong ch t bán d n ạ ấ ấ ẫ

Thu t   ngậ ữ  ch t   bán   d n   pha   t p   ch tấ ẫ ạ ấ   (doped 

semiconductor)

Vi c pha t p ch t cho phép thay đ i đi n tr  su t trongệ ạ ấ ổ ệ ở ấ  kho ng r t r ng và xác đ nh đả ấ ộ ị ược electron hay l  tr ng sỗ ố ẽ 

đi u khi n đề ể ược đi n tr  su t.ệ ở ấ

Hình 2.4.1 M t electron s n có t  nguyên t  cho ph tộ ẵ ừ ử ố  

pho

Khi m t nguyên t  cho thay th  nguyên t  silic trongộ ử ế ử  

lưới   tinh   th ,   nh   trong   hình   2.ể ư 4.1,   thì   b n   trong   nămố  electron   l p ngoài cùng s  l p vào c u trúc liên k t hoáở ớ ẽ ấ ấ ế  

tr , s  m t r t ít nhi t năng đ  gi i phóng thêm electron đị ẽ ấ ấ ệ ể ả ể 

d n đi n. M i nguyên t  cho s  iôn hoá b ng cách t  bẫ ệ ỗ ử ẽ ằ ự ỏ 

m t electron s  có m t đi n tích t ng là +ộ ẽ ộ ệ ổ q  và bi u di nể ễ  

m t đi n tích c  đ nh trong lộ ệ ố ị ưới tinh th ể

T p ch t nh n trong silic ạ ấ ậ

Hình 2.4.2 a) ch  tr ng liên k t hoá tr  do nguyên tỗ ố ế ị ử 

nh n Bo, b) L  tr ng đậ ỗ ố ượ ạc t o sau khi nguyên t  Boử  

nh n electron, ậ

c) L  tr ng d ch chuy n trong lỗ ố ị ể ưới silic

Các t p ch t nh nạ ấ ậ  trong silic n m trong c t III và có ítằ ộ  

h n m t electron so v i silic   l p ngoài cùng. T p ch tơ ộ ớ ở ớ ạ ấ  

nh n c  b n là Bo, nh  minh ho  trong hình 2.ậ ơ ả ư ạ 4.2a. Do Bo 

ch  có ba electron   l p ngoài cùng, nên s  có m t ch  tr ngỉ ở ớ ẽ ộ ỗ ố  trong c u trúc liên k t. M t electron g n đó d  dàng d chấ ế ộ ầ ễ ị  vào ch  tr ng này và t o m t ch  tr ng khác   c u trúc liênỗ ố ạ ộ ỗ ố ở ấ  

k t. Ch  tr ng d ch chuy n này bi u di n m t l  tr ng cóế ỗ ố ị ể ể ễ ộ ỗ ố  

th  d ch chuy n trong lể ị ể ưới, nh  đư ược minh ho  trong hìnhạ  2.4.2 b và c, và l  tr ng có th  đ n gi n đỗ ố ể ơ ả ược coi nh  m tư ộ  

h t có đi n tích +ạ ệ q. M i nguyên t  t p ch t đỗ ử ạ ấ ược iôn hoá 

b ng cách nh n electron có đi n tích t ng là –ằ ậ ệ ổ q  và không 

d ch chuy n trong lị ể ưới, nh  trong hình 2.ư 4.2 b