Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 7: Các chất bán dẫn điện. Bài này cung cấp cho học viên những kiến thức về: các chất bán dẫn điện; các chất bán dẫn nguyên tố; các chất bán dẫn hợp chất; tạp chất trong các chất bán dẫn; nồng độ các hạt tải điện trong chất bán dẫn; điều kiện trung hòa điện trong chất bán dẫn mức Fermi; các hạt tải điện không cân bằng;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Bài Nuôi đơn tinh thể Ge I Các chất bán dẫn điện Định nghóa § Chất bán dẫn chất có độ độ dẫn điện s nằm khoảng từ 10-10 W-1 cm-1 ( điện môi ) đến 104 106 W-1 cm-1 ( kim loaùi ) Đ s chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào yếu tố bên nhiệt độ, áp suất, điện trường, từ trường, tạp chất Tạp chất làm thay đổi nhiều độ dẫn điện chất bán dẫn Pha tạp chất Bo vào tinh thể Si theo tỷ lệ : 105 điện Si lên 1000 lần nhiệt độ phòng làm tăng độ dẫn Sự phụ thuộc điện trở suất r (Wcm) Si GaAs vào nồng độ tạp chất 300K Nồng độ tạp chất ( cm-3) ni 1014 1015 1016 1017 1018 1019 Si GaAs N P 2.105 40 4,5 0,6 0,1 2,5.10-2 6.10-3 180 12 1,8 0,3 6,2.10-2 1,2.10-2 N P 7.107 12 160 0,9 22 0,2 2,3 9.10-3 0,3 2,1.10-3 3,5.10-2 2,9.10-4 8,0.10-3 Sự phụ thuộc điện trở suất vào nồng độ tạp chất Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ • Kim loại : Điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ gần tuyến tính rT = ro [1 + aT (T - To )] với rT = điện trở suất nhiệt độ T (oC) ro = điện trở suất nhiệt độ tham chiếu To ( thường 20oC) aT = hệ số nhiệt điện trở suất • Sự biến thiên điện trở theo nhiệt ñoä RT = Ro [1 + a T (T - To ) ] Vật liệu Bạc Đồng Nhôm Tungsten Đ trở suất r Hệ số nhiệt (ohm m) độ C 1,59 1,68 2,65 5,6 9,71 Sắt Bạch kim 10,6 Manganin 48,2 22 Chì Thủy ngân 98 x10-8 x10-8 x10-8 x10-8 x10-8 x10-8 x10-8 x10-8 x10-8 0061 0068 00429 0045 00651 003927 000002 0009 Độ dẫn điện s x 107 /Wm 6,29 5,95 3,77 1,79 1,03 0,943 0,207 0,45 0,10 Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ Chất bán dẫn : Điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ theo hàm mũ : giảm nhiệt độ tăng A rT = r o exp( ) kT A s T = s o exp(- ) kT Các chất bán dẫn nguyên tố 1) Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân ng Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Giản đồ vùng lượng lớp chuyển tiếp P - N Thế hiệu tiếp xúc Khi hình thành lớp chuyển tiếp, có chênh lệch nồng độ hạt tải điện ( electron lỗ trống ) hai miền , xẩy trình khuếch tán sau : electron khuếch tán từ miền N sang miền P lỗ trống khuếch tán từ miền P sang miền N Kết trình khuếch tán : miền N xuất ion đôno dương không trung hòa bên miền P lại ion acxepto âm không trung hòa lỗ trống Ở ranh giới miền hình thành điện trường hướng từ miền N sang miền P Điện trường có tác dụng hạn chế trình khuếch tán hạt tải điện nên đến lúc đạt tới trạng thái cân Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Dòng ktán lỗ trống Dòng ktán electron Điện trường txúc BDĐ-P BDĐ-N Trong miền điện tích thể tích W ranh giới hai miền N P có điện trường tiếp xúc E0 dòng electron từ N sang P dòng lỗ trống từ P sang N : jn = jns : dòng electron từ P sang N : jp = jps : dòng lỗ trống từ N sang P dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + jp ) - ( jps + jns ) = Chuyeån tiếp P – N : điều kiện cân Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com EcP EvP EF EcN EvN EcP EvP Vùng dẫn Vùng hóa trị Lớp ngăn EF eUo EcN EvN Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com EcP EiP cuoán P eUo Khuếch tán N EvP Khuếch tán N N N Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 2) Thế hiệu tiếp xúc Miền điện tích thể tích có điện tích cố định ( ion ND+ ion NA-) nên điện trở miền điện trở miền P N trung hòa Trong miền N : noN EF - EcN = N c exp kT n0N p0N = ni2 Khi EF = EiN n0N = ni nên vieát noN EF - EiN = ni exp kT Theá hiệu tiếp xúc Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Trong mieàn P : n0P p0P = ni2 EF - EvP poP = N v expkT EF - EiP poP = ni expkT noN poP = ni2 exp EiP - EiN kT Thế hiệu tiếp xúc : EiP EF EiN noN poP ni noN kT poP kT Uo = Ln = Ln e noP e poN eUo = exp kT Thế hiệu tiếp xúc phụ thuộc vào nồng độ tạp chất chuyển tiếp P+ N hoaëc N+ P Uo ( V ) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Na hoaëc Nd ( cm-3 ) 3) Chuyển tiếp P – N : đặc tröng Von-Ampe Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Xét lớp chuyển tiếp P-N Có dòng sau chạy qua lớp chuyển tiếp : + dòng lỗ trống từ miền P sang miền N : jp ( dòng hạt tải điện ) + dòng lỗ trống từ miền N sang miền P : jps ( dòng hạt tải điện không ) + dòng electron từ miền N sang miền P : jn ( dòng hạt tải điện ) + dòng electron từ miền P sang miền N : jns ( dòng hạt tải điện không ) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Khi không đặt điện áp vào , dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + jp ) - ( jps + jns ) = jns = enoP j ps = epoN Ln tn Lp EiP EF poN vp EiN Đặt điện áp V lên hệ P-N § Do điện trở lớp điện tích thể tiùch lớn nên gần xem toàn V sụt hết miền § Xét trường hợp lớp ngăn mỏng để bỏ qua trình sinh tái hợp hạt tải điện miền a Chuyển tiếp P – N : phân cực thuận Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com P Dòng lỗ trống N Dòng electron Điện áp V tạo điện trường ngược chiều với điện trường tiếp xúc Do hai điện trường ngược chiều nên điện trường tổng cộng lớp chuyển tiếp giảm xuống Thế hiệu tiếp xúc e ( U0 - V ) e(Uo-V) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Sự giảm không ảnh hưởng đến dòng hạt tải điện không làm tăng dòng hạt tải điện : eV jn = jns exp = enoP kT eV j p = j ps exp = epoN kT Ln eV exp tn kT Lp eV exp kT Dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + j p ) - ( jns + j ps ) Lp Ln eV eV = ( jns + j ps )(exp - ) = e( noP + poN )(exp - 1) kT kT tn b Chuyển tiếp P – N : phân cực ngược Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Miền nghèo e(Uo+V) V Điện áp V tạo điện trường chiều với điện trường tiếp xúc Do hai điện trường chiều nên điện trường tổng cộng lớp chuyển tiếp tăng lên Thế hiệu tiếp xúc baèng e ( U0 + V ) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Sự tăng không ảnh hửơng đến dòng hạt tải điện không làm giảm dòng hạt tải điện : Ln eV eV jn = jns exp= enoP - exp kT tn kT Lp eV eV j p = j ps exp= epoN expkT kT Dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + j p ) - ( jns + j ps ) Lp Ln - eV - eV = ( jns + j ps )(exp - ) = e( noP + poN )(exp - 1) kT tn kT Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kết hợp kết trên, viết biểu thức đường đặc trưng Von - Ampe dạng j eV j = js (exp± - 1) kT lấy dấu + phân cực thuận dấu - phân cực ngược Lp Ln + poN j s = ( jns + j pn ) = e( noP ) với tn Lp Lp Ln Ln j s = e( noP + poN ) = eni ( + ) tn N At n N D t p phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ js V Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com ... 99,999999999% Các chất bán dẫn hợp chất Chất bán dẫn hợp chất ( AxB8-x ) : Chất bán dẫn nhiều thành phần : AlGaAs, InGaAsN , II Tạp chất chất bán dẫn v Tạp chất thay v Tạp chất điền khích Tạp chất chất bán. ..I Các chất bán dẫn điện Định nghóa § Chất bán dẫn chất có độ độ dẫn điện s nằm khoảng từ 1 0-1 0 W-1 cm-1 ( điện môi ) đến 104 ¸ 106 W-1 cm-1 ( kim loại ) § s chất bán dẫn phụ thuộc... cấp điện tử dẫn điện : tạp chất đô-no mức tạp chất gọi mức đô-no Ec Eg Mức đô-no Ev Mức lượng tạp chất đô-no Ec Ev Chất bán dẫn loại N : chất bán dẫn có chứa tạp chất đôno n >> p Hạt tải điện