Vật liệu bán dẫn

http://hqhuy.wordpress.com 1/38 Lession 2 : Semiconductor Vật liệu bán dẫn http://hqhuy.wordpress.com 2/38 1.1 Những tính chất cơ bản 1.2 Nồng ñộ hạt dẫn http://hqhuy.wordpress.com 3/38 1.1 Những tính chất cơ bản Si - Silic (Silicon), Ge - Gcmani (Germanium) : bán dẫn ñơn chất GaAs - Gali Asenic (Gallium Arsenide) : bán dẫn hợp chất http://hqhuy.wordpress.com 4/38 http://hqhuy.wordpress.com 5/38 Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn . Hình 1: Cấu tạo của nguyên tử http://hqhuy.wordpress.com 6/38 • ðiện tử ở những quỹ ñạo lượng tử xác ñịnh, nó quay quanh hạt nhân nhờ sự cân bằng giữa 2 lực: - Lực ñiện giữa ñiện tích (-) của ñiện tử và ñiện tích (+) của hạt nhân . - Lực hấp dẫn (lực hướng tâm) giữa 2 thực thể có khối lượng là ñiện tử và hạt nhân. http://hqhuy.wordpress.com 7/38 http://hqhuy.wordpress.com 8/38 Ký hiệu: Wc là mức năng lợng đáy vùng dẫn Wv là mức năng lợng đỉnh vùng hóa trị Wg là độ lớn của vùng cấm Cấu trúc năng lợng của vật rắn gồm ba vùng: + Vùng hóa trị với 0< W < Wv đợc cấu tạo bởi những mức năng lợng sát ngoài cùng, đó là những mức đ bị chiếm đầy tợng trng cho các điện tử nằm trong liên kết đồng hoá trị bền vững, không có khả năng dẫn điện. + Vùng dẫn với W > Wc gồm những mức năng lợng của lớp ngoài cùng trong đó còn nhiều mức trống, tại đây điện tử có thể tự do dịch chuyển trong toàn bộ mạng tinh thể và sẵn sàng tham gia dẫn điện khi có điện trờng. + Vùng cấm với Wv < Wg < Ec không có mức năng lợng nào để điện tử có thể tồn tại đợc. http://hqhuy.wordpress.com 9/38 http://hqhuy.wordpress.com 10/38 Các loại chất bán dẫn Bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất Ví dụ các nhóm dạng A IV B IV nh cácbit silic SiC X với tỉ lệ là 70,045%Si + 29,955%C, đợc dùng để chế tạo các điện trở có trị số biến đổi theo điện áp (Varistor-VDR). Hoặc nhóm hợp chất A III B V sự kết hợp một nguyên tử nhóm III với một nguyên tử nhóm V nh AlP, GaP; GaAs; InAs; GaSb; InSb, những bán dẫn này đợc dùng để chế tao ra các linh kiện đặc biệt nh LED, LASER, Photodiot, phototransistor v.v Nhóm hợp chất A II B V kết hợp nhóm II với nhóm V nh Sulfua chì PbS; Sulfua Bismit Bi 2 S 3 ; Sulfua Cadmi CdS có thể đợc dùng sản xuất các dụng cụ cảm biến quang điện, ví dụ quang trở R [...]... 5eV Chất dẫn điện : Wg = 0eV, hai vùng dẫn v vùng hóa trị trùng một phần lên nhau Chất bán dẫn 0eV < Wg < 5eV Wg (Si) = 1,1eV ; Wg (Ge) = 0,67eV http://hqhuy.wordpress.com 35/38 Chất bán dẫn thuần (bán dẫn I) l bán dẫn có độ sạch rất cao (tỷ lệ tạp chất khoảng 1/10 tỷ trên thể tích 1cm3) Nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn thuần ni = pi Chất bán dẫn N l bán dẫn có tạp chất cho (Donor) Hạt dẫn đa... trống thì l bán dẫn dạng P http://hqhuy.wordpress.com 11/38 Chất bán dẫn thuần (bán dẫn loại I) Độ sạch có thể đạt tới 1 phần 10 tỷ trong 1cm3 bán dẫn (1/10.000.000.000) Si: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 http://hqhuy.wordpress.com 12/38 Mạng tinh thể http://hqhuy.wordpress.com 13/38 Vùng năng lợng của bán dẫn thuần http://hqhuy.wordpress.com 14/38 Với vật liệu bán dẫn loại...Các dạng dẫn của bán dẫn Dựa v o bản chất của các hạt tải điện (hay còn gọi l hạt dẫn) m ngời ta có thể chia ra th nh 3 dạng dẫn của bán dẫn: - Nếu hạt tải điện gồm 2 loại hạt với số lợng bằng nhau l điện tử v lỗ trống, đồng thời độ dẫn phụ thuộc mạnh v o nhiệt độ thì đó l bán dẫn thuần (Bán dẫn loại I viết tắt của từ Intrinsic) - Nếu hạt tải điện chủ yếu l điện tử thì l bán dẫn dạng N - Nếu... (Acceptor) Loại bán dẫn có pha tạp chất Acceptor gọi l bán dẫn loại P http://hqhuy.wordpress.com 20/38 Bán dẫn loại P http://hqhuy.wordpress.com 21/38 Cơ chế dẫn điện bằng lỗ trống http://hqhuy.wordpress.com 22/38 Hạt dẫn đa số v hạt dẫn thiểu số Nếu ký hiệu ni v pi l nồng độ điện tử v lỗ trống tơng ứng trong chất bán dẫn sạch thì luôn luôn tồn tại sự cân bằng sau: ni = pi Đối với hai loại bán dẫn N v P... 17/38 Bán dẫn loại N Đa một lợng rất nhỏ một chất khác có hoá trị 5 (tức l có 5 điện tử ở lớp ngo i cùng) v o mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần nh chất Sb-(Antimoan), hoặc As-(Asen), hoặc Ph-(Photpho) điện tử tự do Tạp chất loại n y đợc gọi l tạp chất cho (Donor) ở nhiệt độ trong phòng (250C), số lợng điện tử tự do của loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn 105 lần bán dẫn thuần Loại bán dẫn. .. loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn 105 lần bán dẫn thuần Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi l bán dẫn loại N http://hqhuy.wordpress.com 18/38 Bán dẫn loại N http://hqhuy.wordpress.com 19/38 Bán dẫn loại P Đa tạp chất có hoá trị 3 (tức l có 3 điện tử ở lớp ngo i cùng) v o mạng tinh thể của bán dẫn, ví dụ chất B-Bo (Boron), hoặc In-Indi (Indium), hoặc Al-Nhôm (Aluminium), hoặc Ga- Gali (Gallium)... độ hạt dẫn trong bán dẫn Nc(W), Nv(W) l các h m phân bố trạng thái h l hằng số plank, mn* , mp* l khối lợng hiệu dụng của điện tử v lỗ trống http://hqhuy.wordpress.com 29/38 Tích số nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn W g n0 p 0 = N c N v exp kT W g 2 3 = ni = exp kT 32 3 k 3 * * A= mn m p 6 h ( ) 3 2 n0 p 0 = n = const 2 i http://hqhuy.wordpress.com 30/38 Sự phát xạ v tái hợp hạt dẫn Sự... 1cm3) Nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn thuần ni = pi Chất bán dẫn N l bán dẫn có tạp chất cho (Donor) Hạt dẫn đa số l điện tử nn, hạt dẫn thiểu số l lỗ trống pn với nn >> pn Chất bán dẫn loại P l bán dẫn có tạp chất nhận (Acceptor) Hạt dẫn đa số l lỗ trống pp, hạt dẫn thiểu số l điện tử np với pP >> nP nnpn = ppnp = ni2 = pi2 =const http://hqhuy.wordpress.com 36/38 ... đó l quá trình l m xuất hiện các hạt dẫn trong chất bán dẫn, nếu quá trình n y tạo ra số điện tử v số lỗ trống bằng nhau thì đợc gọi l phát xạ cặp điện tử lỗ trống http://hqhuy.wordpress.com 31/38 Sự phát xạ (tt) Sự phát xạ chỉ tạo ra một loại hạt dẫn hoặc điện tử, hoặc lỗ trống thì đó l quá trình ion hoá tạp chất Tạp chất cho (donor) tạo ra điện tử trên vùng dẫn còn tạp chất nhận (acceptor) tạo... của Ge tơng ứng l 2,3 x 1013 http://hqhuy.wordpress.com 15/38 Điện tử v lỗ trống trong bán dẫn thuần http://hqhuy.wordpress.com 16/38 Nồng độ Dựa v o h m thống kê Fermi - Dirac ngời ta đ tính đợc nồng độ điện tử trong vùng dẫn v lỗ trống trong vùng hoá trị: Trong đó: - NC, NV l mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn v vùng hoá trị - Wf l mức Fermi - K l hằng số Boltzman =1.3806504(24) ì 1023J/oK=18.617343(15) . (25 0 C), số lợng điện tử tự do của loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn 10 5 lần bán dẫn thuần. Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi là bán dẫn loại N http://hqhuy.wordpress.com 19/38 B¸n. trống, đồng thời độ dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ thì đó là bán dẫn thuần (Bán dẫn loại I viết tắt của từ Intrinsic). - Nếu hạt tải điện chủ yếu là điện tử thì là bán dẫn dạng N. - Nếu. R http://hqhuy.wordpress.com 11/38 Các dạng dẫn của bán dẫn Dựa vào bản chất của các hạt tải điện (hay còn gọi là hạt dẫn) mà ngời ta có thể chia ra thành 3 dạng dẫn của bán dẫn: - Nếu hạt tải điện gồm 2