Đang tải... (xem toàn văn)
NhuYcattuong DVI §¹i häc HuÕ tr−êng ®¹i häc s− ph¹m Huúnh Vò TÝnh dÉn ®iÖn cña b¸n dÉn Vµ øng dông Khãa luËn Ngµnh häc S− ph¹m VËt Lý Gi¶ng viªn h−íng dÉn PGS TS Tr−¬ng Minh §øc HuÕ, Khãa 2008 2012 i[.]
Đại học Huế tr-ờng đại học s- phạm Huỳnh Vũ Tính dẫn điện bán dẫn Và ứng dụng Khóa luận Ngành học: S- phạm Vật Lý Giảng viên h-ớng dẫn PGS.TS Tr-ơng Minh Đức Huế, Khóa 2008-2012 i Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo PGS.TS Tr-ơng Minh Đức, ng-ời đà giúp đỡ nhiều tài liệu h-ớng dẫn tận tình suốt thời gian thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý đà tận tình giảng dạy giúp đỡ nhiều suốt trình học tập Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn lớp Lý 4A đà động viên giúp đỡ suốt trình học tập làm khóa luận tốt nghiệp Huế, tháng 05 năm 2012 Tác giả Huỳnh Vũ ii Mục lục Trang Trang phơ b×a i Lời cảm ơn ii Môc lôc iii Mở đầu Nội dung Ch-ơng Các kiến thức sở 1.1 Sơ l-ợc tính chất bán dÉn 1.2 Hàm phân bố Fermi-Dirac 1.3 Mật độ trạng thái l-ợng 1.4 Hàm phân bố theo trạng thái tạp chất Ch-¬ng TÝnh dẫn điện bán dẫn 2.1 Cấu tạo bán dẫn 10 2.2 Lỗ trống 11 2.3 Khối l-ợng hiệu dụng bán dẫn 12 2.4 Cơ chế dẫn điện 13 2.5 Nång độ phân tử tải 14 2.6 Vị trí Fermi bán dẫn 17 2.7 18 Độ dẫn điện bán dẫn iii Ch-¬ng Tính dẫn điện bán dẫn pha tạp 19 3.1 Bán dẫn loại n, mức tạp chất donor 20 3.2 Bán dẫn loại p, møc t¹p chÊt acceptor 21 3.3 Nồng độ hạt bán dẫn pha tạp 22 3.4 VÞ trÝ mức Fermi độ dẫn điện bán dẫn tạp chÊt 25 3.4.1 C¸c tính chất bán dẫn loại n 25 3.4.2 Các tính chất bán dẫn loại p 28 3.4.3 Độ dẫn điện bán dÉn pha t¹p 30 3.5 B¸n dÉn suy biÕn 33 3.5.1 Điều kiện dẫn đến bán dẫn suy biến 33 3.5.2 Nồng độ hạt dẫn mức Fermi bán dÉn suy biÕn 35 Ch-¬ng øng dơng cđa bán dẫn 37 4.1 Pin mặt trời 38 4.1.1 Pin mỈt trêi silic 38 4.1.2 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 40 4.1.3 GhÐp c¸c tÕ bào mặt trời 42 4.1.4 øng dơng pin mỈt trêi ë ViƯt Nam 43 4.2 đầu dò bán dẫn 44 4.2.1 Quá trình vật lý đầu dò bán dẫn 45 4.2.2 C¸c kiĨu đầu dò 47 KÕt ln 49 Tµi liƯu tham kh¶o 50 Phô lôc P.1 iv Mở đầu Lý chọn đề tài Vật lí chất rắn ngày đà trở thành môn khoa học rộng lớn, bao gồm nhiều phận nh-: Vật lí kim loại hợp kim, vật lí bán dẫn, vật lí điện môi, vật lí vật liệu từ siêu dẫn Mỗi môn có lí thuyết hấp dẫn, có ứng dụng quan trọng phong phú đời sống Trong bốn thập kỷ vừa qua công nghệ điện tử đà phát triển nhanh chóng, phát triển nhờ vào cách mạng công nghệ vi điện tử Cùng với phát bán dẫn phát minh transistor đà thay cho đèn điện tử cực làm cho dụng cụ điện tử đặc biệt máy tính gọn hơn, nhanh hơn, rẻ hơn, có công suất tuổi thọ cao tiết kiệm điện Từ kỹ thuật điện tử đà có b-ớc nhảy vọt, làm bùng nổ công nghệ thông tin thay đổi giới Ngày nay, linh kiện điện tử có kích th-ớc vài milimet đến hàng trăm micromet từ làm xuất vi điện tử Vi mạch ngày đà đ-ợc chế tạo sử dụng rộng khắp giới Chúng đ-ợc sử dụng hầu hết thiết bị điện tử, từ thiết bị dân dụng bình th-ờng nh- đồ chơi, đồng hồ thiết bị chuyên dụng cao cấp nh- máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ nên vật lí bán dẫn công cụ phát triển công nghệ vi điện tử máy tính Bên cạnh vật lí bán dẫn có ứng dụng nhằm giải vấn đề nóng bỏng vấn đề ô nhiễm cạn kiệt tài nguyên Con ng-ời tìm nguồn tài nguyên vô tận để áp ứng nhu cầu nh- giải vấn đề Việc phát minh pin mặt trời nói góp phần giải vấn đề nóng bỏng toàn cầu Từ năm 1991 đà xuất loại pin Mặt trời kiểu gọi pin mặt trời chất màu nhạy quang thay pin mặt trời làm silic, qua 15 năm phát triển, loại pin Mặt trời đà chứng tỏ rằng, dùng để sản xuất điện cạnh tranh với điện than, dầu mỏ Việc tạo pin mặt trời góp phần cải thiện phần vấn đề nóng bỏng không Việt Nam mà toàn giới vấn đề khủng hoảng l-ợng Chúng ta đà thấy bán dẫn có vai trò quan trọng dụng cụ thiết yếu thiếu sống ngày chúng ta, góp phần vào phát triển công nghệ thông tin phát triển toàn giới Do thấy đ-ợc quan trọng bán dẫn đời sống nh- nên sinh viên khoa vật lí tr-ờng đại học s- phạm, với yêu thích đam mê vật lí nên định nghiên cứu bán dẫn để mở rộng tri thức cho thân biết đ-ợc bán dẫn lại có ứng dụng quan trọng nh- nên đà chọn đề tài khóa luận tốt nghiệp Tính dẫn điện bán dẫn ứng dụng Mục đích nghiên cứu Tính đ-ợc nồng độ phần tử tải vị trí Fecmi bán dẫn từ suy đ-ợc độ linh động độ dẫn điện bán dẫn bán dẫn pha tạp Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt đ-ợc mục đích nghiên cứu, số nhiệm vụ cần đ-ợc thực nh- sau: - Nghiên cứu tính chất dẫn điện bán dẫn - Nghiên cứu cấu tạo chất bán dẫn, nồng độ phần tử tải, vị trí mức l-ợng Fecmi, độ dẫn điện bán dẫn bán dẫn pha tạp - Tìm hiểu bán dẫn suy biến - ứng dụng bán dẫn đời sống Ph-ơng pháp nghiên cứu Một số ph-ơng pháp đ-ợc sử dụng để hoàn thành luận văn: - Ph-ơng pháp chung gồm phân tích, tổng hợp kiến thức liên quan; - Sử dụng kiến thức học l-ợng tử, vật lí chất rắn; - Sử dụng công cụ bổ trợ máy vi tính; - Sử dụng phầm mềm soạn thảo văn bảng Pctex Bố cục luận văn Ngoài mục lục tài liệu tham khảo, luận văn đ-ợc chia làm phần: - Phần mở đầu nêu rõ lý chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu, ph-ơng pháp nghiên cứu bố cục luận văn; - Phần nội dung bao gồm ch-ơng: Ch-ơng trình bày kiến thức sở; Ch-ơng trình bày kiến thức tổng quan dẫn điện bán dẫn thuần; Ch-ơng trình bày kiến thức tổng quan dẫn điện bán dẫn; Ch-ơng nêu số ứng dụng bán dẫn đời sống - Phần kết luận, phần đ-a kết luận chung kết đạt đ-ợc khoá luận Ch-ơng Các kiến thức sở 1.1 Sơ l-ợc tính chất bán dẫn Tinh thể bán dẫn tinh thể mà mặt cấu trúc vùng l-ợng có vùng hóa trị bị chiếm đầy vùng trống gọi vùng dẫn, vùng cấm nằm hai vùng có giá trị không lớn d-ới vài eV Xét giá trị độ dẫn bán dẫn có giá trị điện trở suất nằm kim loại điện môi Xét nhiệt độ phòng kim loại điện trở suất vào cỡ từ 108 (.m) đến 106 (.m) bán dẫn điện trở suất vào cỡ từ 106 (.m) đến 109 (.m) Ví dụ bán dẫn Ge có điện trở suất 5.106 (.m) đến 0, 017(.m) điện môi điện trở suất lớn 1010 (.m) Qua thí dụ ta thấy ranh giới rõ rệt ba loại vật liệu Ta phân biệt vật liệu dựa vào phụ thc cđa ®iƯn trë st theo nhiƯt ®é ë nhiỊu kim loại, điện trở suất coi gần ®óng nh- tû lƯ víi nhiƯt ®é tut ®èi T = (1 + t), đó, ®iƯn trë st ë 00 C, α lµ hƯ sè nhiệt điện trở suất Bán dẫn có điện trở st phơ thc nhiƯt ®é theo biĨu thøc B ρ = ρ0 e T , ®ã ρ0 , B số Nh- vậy, nhiệt độ tăng, điện trở kim loại tăng điện trở bán dẫn giảm Các điện môi có tính chất giống nh- bán dẫn, nh-ng đại l-ợng , B có giá trị khác Bán dẫn bán dẫn đơn chất nh-: Ge, Se, T e, Si, hợp chất hóa học hai thành phần nh- nhóm AIII B V gồm chất hóa trị III kết hợp với chất hãa trÞ V VÝ dơ nh- GaAs, InAs, Hc nhãm AII B V I (ZnO, ZnS, CdT e, HgO, ) hợp chất ba thành phần nh-: AI B III C V I (CuAlS2 , AgInSe2 , ), AIV B V C V I (P bBiSe2 ), Trong bán dẫn có hai loại bán dẫn bán dẫn pha tạp bán dẫn pha tạp, pha tạp với nồng độ rÊt bÐ nh-ng tÝnh dÉn ®iƯn cđa nã cã thĨ tăng hàng vạn lần Ta biết kim loại nhiệt độ tăng điện trở suất tăng theo nghĩa độ dẫn điện giảm xuống nh-ng bán dẫn hoàn toàn ng-ợc lại ta biết đ-ợc định tính tính dẫn điện bán dẫn Để hiểu kỹ vấn đề ta khảo sát kiến thức sở đ-ợc trình bày d-ới 1.2 Hàm phân bố Fermi-Dirac Hàm phân bố Fermi-Dirac hàm phân bố thống kê l-ợng tử, áp dụng cho hạt vi mô có spin bán nguyên Xác suất để electron chiếm trạng thái có l-ợng E nhiệt độ T tu©n theo ph©n bè Fermi-Dirac f (E, T ) = e Eà +1 kB T , (1.1) f (E, T ) hàm phân bố cân Fermi-Dirac, E l-ợng toàn phần đặc tr-ng cho trạng thái hạt l-ợng Fermi nhiệt độ T Việc chứng minh hàm phân bố đ-ợc trình bày chi tiết giáo trình vật lí thống kê ta xét số tính chất hàm phân bố nµy + Khi T = 0K ta cã E < µ f (E, T ) = E = µ 0 E > µ Tõ biĨu thøc (1.2) ta cã thĨ rót mét sè kÕt ln sau: (1.2) ë nhiƯt ®é 0K tất trạng thái l-ợng d-ới mức l-ợng Fermi hoàn toàn bị chiếm đầy Hay xác suất tìm electron giá trị l-ợng d-ới mức Fermi lớn nhiệt độ 0K tất trạng thái l-ợng mức l-ợng Fermi bị trống hoàn toàn Hay xác suất tìm electron giá trị l-ợng mức Fermi Mức l-ợng Fermi làm ranh giới mức bị chiếm đầy hoàn toàn mức trống hoàn toàn Hàm phân bố Fermi-Dirac f (E, T ) lúc bị gián đoạn mức l-ợng Fermi điều minh họa nh- hình + Khi nhiệt độ tăng dần, điện tử nhận đ-ợc l-ợng vào cỡ kB T bắt đầu chuyển động từ mức l-ợng thấp lên mức l-ợng cao Lúc xác suất tìm điện tử phía mức Fermi tăng dần xác suất tìm điện tử phía d-ới mức Fermi giảm dần Tuy nhiên E = f (E, T ) hàm phân bố Fermi-Dirac từ gián đoạn trở thành liên tục điều minh họa hình ứng với nhiệt độ khác Nh- hàm phân bố thay đổi nhiều vùng lân cận mức Fermi Khi nhiƯt ®é tiÕn tíi vïng ®ã cịng tiÕn tíi Một hệ hạt tuân theo phân bố Fermi-Dirac gọi hệ suy biến Một hệ có l-ợng E hàm phân bố đ-ợc viết gần d-ới dạng f (E, T ) = e Eà kB T +1 µ −E ∼ = e kB T e kB T (1.3) ... Tính dẫn điện bán dẫn 2.1 Cấu tạo bán dẫn Chất bán dẫn không chứa tạp chất có số l-ợng không đáng kể khuyết tật sai hỏng mạng gọi bán dẫn Trong bán dẫn có hai loại bán dẫn nguyên chất bán dẫn. .. vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn nhiều, độ dẫn bán dẫn tăng lên độ dẫn điện bán dẫn ta cần l-u ý điểm sau: độ dẫn bán dẫn độ dẫn kích thích, nhiệt độ tăng độ dẫn tăng Sự dẫn điện xảy có yếu tố bên... chất dẫn điện bán dẫn - Nghiên cứu cấu tạo chất bán dẫn, nồng độ phần tử tải, vị trí mức l-ợng Fecmi, độ dẫn điện bán dẫn bán dẫn pha tạp - Tìm hiểu bán dẫn suy biến - ứng dụng bán dẫn đời sống Ph-ơng