LÝ THUYẾT BÁN dẫn VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Chap 1: LÝ THUYẾT BÁN DẪN & DẢI NĂNG LƯỢNG Trình bày: NGUYỄN THỊ THIÊN TRANG OUTLINE ❖ Cấu trúc nguyên tử ❖ Tổng quan vật liệu bán dẫn ❖ Cấu trúc vùng lượng ❖ Bán dẫn tinh khiết ❖ Bán dẫn loại N & bán dẫn loại P ❖ Độ linh động, độ dẫn CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ • Nguyên tử thành phần nhỏ nguyên tố giữ đặc tính ngun tố CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ Ví dụ nguyên tử: • Nguyên tố Hydrogen có electron proton • Nguyên tố Helium có electron, proton neutron • Ngun tố Silicon có 14 electron proton - - - - - + + + Helium - +14 - Hydrogen - - - - - Silicon CẤU TRÚC NGUN TỬ ❖ Mơ hình Bohr CẤU TRÚC NGUN TỬ ❖ Mơ hình Bohr TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN Vật liệu cách điện Vật liệu bán dẫn Vật liệu dẫn điện • Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), Là nguyên tố thuộc nhóm nằm bảng hệ thống tuần hoàn Tổng quan vật liệu bán dẫn ✓ Carbon (C), Silicon (Si), … ✓ Galium Arsenide (GaAs), Indium Phosphide (InP), … ✓ Silicon Germanium (SiGe), Aluminum Gallium Arsenide (AlGaAs) Tổng quan vật liệu bán dẫn • Si có electron hóa trị lớp ngồi has four valence electrons Và tạo thành liên kết cơng hóa trị với electron liền kề khác • Khi nhiệt độ tăng lên, electron bị bứt khỏi liên kết cộng hóa trị tạo thành electron tự 10 BÁN DẪN LOẠI N & P -Bán dẫn mà electron tự hạt tải đa số gọi bán dẫn loại N, ngược lại, bán dẫn lỗ trống hạt tải đa số gọi bán dẫn loại P BÁN DẪN LOẠI N BÁN DẪN LOẠI P CHẤT BÁN DẪN PHA LOẠI N PP Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Loại N hạt tải dẫn điện đa số e 21 CHẤT BÁN DẪN PHA LOẠI N Ngoài ra, điều kiện nhiệt độ phòng, còn có sinh tạo nhiệt cặp điện tử – lỗ trống với nồng độ rất bé Trong điều kiện cân bằng nhiệt động cho: nn = ND + pn ND Và: nn.pn = n i Mật độ lỗ trống thiểu số chất bán dẫn loai n cho bởi: pn ni = ND 22 CHẤT BÁN DẪN PHA LOẠI P • Pha nguyên tử hoá trị (B5) vào tinh thể Si: • B dùng hết điện tử vịng ngồi để liên kết cọng hố trị với điện tử ngun tử kế cận • Cịn lại vị trí thiếu điện tử nên xem có điện tích dương điện tử lân cận dễ đến tái kết với lỗ trống B để lại ở vị trí lổ trơng tượng tiếp diễn → dẫn điện lỗ trớng • ngun tử B cho lỗ trống, pha nhiều nguyên tử B cho nhiều lỗ trớng → dịng điện mạnh 23 CHẤT BÁN DẪN PHA LOẠI P InB Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Loại P hạt tải dẫn điện đa số lỗ trống 24 CHẤT BÁN DẪN PHA LOẠI P Ngoài ra, điều kiện nhiệt độ phòng, còn có sinh tạo nhiệt cặp điện tử – lỗ trống với nồng độ rất bé Trong điều kiện cân bằng nhiệt động cho: pp = NA + np  NA và: pp.np = n i mật độ điện tử tự thiểu số chất bán dẫn loại P cho bởi: np = i n NA 25 DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN Tổng quan dòng điện chất bán dẫn: • Trong vật liệu dẫn điện có nhiều electron tự • Khi điều kiện môi trường, hấp thu lượng nhiệt electron giải phóng khỏi nguyên tử • Khi electron chuyển động có hướng sinh dịng điện • Đối với vật liệu bán dẫn, electron tự sinh cách tương tự 26 SỰ DẪN ĐIỆN CỦA CHẤT BÁN DẪN Metallurgical Junction Na - P - - Nd - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + n Space Charge Region ionized acceptors ionized donors E-Field + h+ drift _ + = h+ diffusion e- diffusion _ = e- drift DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN 28 DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN - Việc phá vỡ liên kết hóa trị tạo electron tự lỗ trống, số lượng lỗ trống ln số lượng electron tự Bán dẫn gọi bán dẫn hay bán dẫn nội (intrinsic) - Ta có: ni = pi ni: mật độ eletron (electron/cm3) pi: mật độ lỗ trống (lỗ trống/cm3) - Khi lỗ trống di chuyển từ phải sang trái đồng nghĩa với việc electron lớp vỏ di chuyển từ trái sang phải 30 DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN ❖ Dòng trôi: Khi hiệu điện đặt lên hai đầu bán dẫn, điện trường làm cho electron tự di chuyển ngược chiều điện trường lỗ trống di chuyển chiều điện trường • Cả hai di chuyển gây bán dẫn dịng điện có chiều chiều điện trường gọi dịng trơi (drift current) • Dịng trôi phụ thuộc nhiều vào khả di chuyển hạt dẫn bán dẫn, khả di chuyển đánh giá độ linh động hạt dẫn Độ linh động phụ thuộc vào loại hạt dẫn loại vật liệu 32 DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN ❖ Dòng khuếch tán: Khi bán dẫn có chênh lệch mật độ hạt dẫn hạt dẫn có khuynh hướng di chuyển từ nơi có mật độ hạt dẫn cao đến nơi có mật độ hạt dẫn thấp nhằm cân mật độ hạt dẫn • Q trình di chủn sinh dòng điện bên bán dẫn Dòng điện gọi dịng khuếch tán (diffusion current) • Dịng khuếch tán có tính chất q độ (thời gian tồn ngắn) trừ chênh lệch mật độ trì bán dẫn 33 34 ... dời hạt tải 11 CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG Tổng quan dải lượng: • Năng lượng cần để giải phóng electron lớn vật liệu dẫn điện chúng bị ràng buộc liên kết hóa trị • Năng lượng phải đủ lớn để phá... lớp khơng nguyên tử GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG Vùng dẫn vùng lượng electron tự Vùng hóa trị vùng electron nằm lớp vỏ cùng, chúng mang lượng thấp so với vùng dẫn GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG • Số electron tự vật... tử cho phép ta nhìn mơ hình ngun tử dựa lượng nó, thường biểu diễn dạng giản đồ lượng 12 GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG • Khi nhìn nguyên tử, electron nguyên tử xếp vào mức lượng rời rạc tùy thuộc vào lớp