Bài giảng Vật lý bán dẫn - Đại học Thủy lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢl KHOAĐIẸN-DIẸNTŨ Bộ MÔN VẬT LÝ PHAN VĂN Độ (Chủ biên) NGUYỄN VĂN NGHĨA, LƯƠNG DUYTHANH, PHẠM THỊ THANH NGA, ĐẶNG THỊ MINH HUỆ, BÙI THỊ HOÀN, TRẰN THỊ CHUNG THỦY, NGUYỄN THỊ HƯƠNG, PHẠM TIẾN Dự BÀI GIẢNG VẬT LÝ BÁN DẪN NHẢ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA DIỆN - ĐIỆN TỦ BỌ MÔN VẬT LÝ Phan Văn Dộ (Chú hiên) Nguyễn Văn Nghĩa Lưưng Duy Thành, Phạm Thị Thanh Nga Dăng Thị Minh Huệ BÙI Thị Hoàn, Trằn Thị Chung Thúy, Nguyễn Thị Hinrng, Phạm Tiến Dự BÀI GIẢNG VẶT LÝ BÁN DẪN NHÀ XUÁT BẤN BÁCH KHOA HÀ NỘI Biên mục «rên xuất bán phâm cua Thư viện Quốc gia Việt Nam Phan Vân Dộ Bài giáng Vật lý bàn dan / Phan Vãn Độ, Nguyen Vãn Nghĩa, Lê Duy Thành, ■ 11.: Bách khoa Hà Nội, 2023 336 tr.: hĩnh vẽ, báng ; 27 em Vật lỷ bán dân Bùi giã 537.622 - dc23 BKMOI97p-CII’ LỜI NÓI ĐÀU Chát bân dần lủ chất có độ dẫn điện mức trung gian giừa chát dần điện chắt cách điện Tại nhiệt đô thấp, chất bán dan hoụt động chãt cách diện nỏ trờ nên dần điện tốt nhiệt độ cao Vào nhừng nâm cuối cùa thập niên 1940, linh kiện bán dản phát minh (đi-ốt transistor) nhúm thay thê bỏng đèn chân khơng vốn sứ dụng phị biên trước Sau đó, mạch tích họp (IC) phát minh vào nảm cuôi cùa thập niên 1950 Ưu diem cùa cãc linh kiện bán dẫn gọn nhẹ hiệu suất cao vã tiết kiệm điện nâng Việc phát minh linh kiện bán dan dã tạo cách mạng mạnh mẽ theo hướng gọn nhẹ thõng minh ngành công nghiệp điện lữ Ngày linh kiện bân dan lã phân không thê thay thè thiêt bị diộn - diện tư Nhăm mục đích tạo diêu kiện thuận lợi cho sinh viên nằm bat kiến thúc sở vật liệu linh kiện bán dần, giáng viên thuộc Bộ môn Vật lý Trường Đại học Thủy lợi tiên hành biên soạn xuàl ban cuón liài giàng Vệt lý hán dân Bãi giảng trinh bãy chương: Chương Photon, electron nguyên tư Chương Cơ học lượng tir Chương Câu trúc tinh (hê cùa chât rân Chuông Lý thuyết vũng nâng lượng Chương Chất bán dẫn trạng thái càn bẳng Chương Hiện tượng truyền dần hạt tãi điện chất bán dần không cân Chương Các chất bán dần nguyên tổ Chương Bán dấn họp chat Chương Giới thiệu số linh kiện bán dan co bán Trong moi chương, phàn trinh bày vê lý thut sờ, cịn có nhiêu tập ví dụ câu hỏi trác nghiệm theo nội dung kiến thức Ben cạnh chúng tơi dua dê thi trăc nghiệm minh họa Phân cuõi cua cuồn sách dáp án lời giai cho sị câu hói khỏ đẽ thi minh họa Chúng hy vọng với việc tham khao nội dung cua sách với chiên lược học tập phù hợp cùa bàn thân, bạn sinh viên sè đạt dược kết học tập tốt cho môn học Vặt lý bán dẫn Chúc bạn thành cõng Ci cùng, chúng tơi chân thành cám ơn đánh giá cao ý kiên đóng góp, nhận xét đen tử đồng nghiệp bạn sinh viên để tập giang cỏ chắt lượng tốt lần xuất ban sau Các tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẰƯ Chuông PHOTON, ELECTRON VÀ NGUYÊN TỨ 11 1.1 Sự phát xạ hấp thụ ánh sáng 11 1.1.1 Cơ chẽ phát xạ hâp thụ ánh sáng 11 1.1.2 Các dạng phát xạ hắp thụ xạ diện từ 14 1.2 Hiệu úng quang diện 15 1.2.1 Hiệu úng quang điện 15 1.2.2 Hiệu ứng quang điện 20 1.3 Quang phơ vạch cíic mírc hrựng cùa nguyên tứ 21 1.3.1 Quang phô vạch 21 1.3.2 Các mức nâng lượng cùa nguyên từ 25 1.4 Mẩu nguyên từ Bohr 28 1.4.1 Mau nguyên từ 28 1.4.2 Những quỹ đạo dửng - tiên đồ Bohr 30 1.4.3 Mau Bohr nguyên tữ hydro 30 1.5 Quang phô liên tục 35 1.5.1 Đặc điểm quang phổ liên tục 36 1.5.2 Vật đen 36 1.5.3 Các đinh luật thực nghiệm đối vói vật đcn 36 Bài tập chuông .41 Câu hói ơn tập chng 43 Chương HỌC LƯỢNG TỬ 45 2.1 Các nguyên tắc cúa học iirợng tử 45 2.1.1 Lượng lử nâng lượng 45 2.1.2 Lưỡng tinh sóng hạt 46 2.2 Phương trinh sóng Schrodinger 51 2.2.1 Phương trinh sóng 51 2.2.2 Y nghĩa vật lý cùa hàm sóng, điêu kiện chuần hỏa 55 2.2.3 Điều kiện biên 57 2.3 Áp dựng phương trình Schrodinger 58 2.3.1 Electron tự 58 2.3.2 Hạt giêng the chiều thành cao võ hạn 58 2.3.3 Hảng rảo vã hiệu ứng đưòng hằm 64 2.4 Hàm sóng cùa nguyên tứ hydro 69 Bài tập chuông 77 Câu hói ơn tập chương 79 Chương CÁU TRÚC TINH THÊ CỦA CHÁT RÁN 82 3.1 Chất răn phân loại chất rán 82 3.1.1 Chất rắn kết tinh 82 3.1.2 Chất rắn vỏ định hình 85 3.2 Vật liệu hán dẩn 85 3.2.1 Chất bán dản tính chất 85 3.2.2 Vặt liệu bán dần tinh khiết vả không tinh khiết 86 3.3 Mạng không gian 89 3.3.1 Mạng tinh thề lý tưởng 89 3.3.2 Đối xứng tịnh tiến 91 3.3.3 Ò đơn vị vả ỏ sở 93 3.3.4 Hệ tinh the 94 3.3.5 Hệ lộp phương 96 3.3.6 Một sổ cấu trúc tinh the thưởng gặp 98 Chương CHÁT BÁN DẢN TRONG TRẠNG THÁI CẤN BÀNG 139 5.1 Bán dẫn 139 5.1.1 Cẩu lạo bán dẫn 139 5.1.2 Hạt tái điện chắt bán dần 139 5.2 Bán dần không thuân 148 5.2.1 Mô định lính 149 5.2.2 Năng lượng ton hóa 152 5.2.3 Bán dẩn nhóm ni-V 155 5.2.4 Phân bố electron lỗ nống bán dẫn pha tạp trạng thái cân bàng 156 5.2.5 Tích sơ cùa nong độ electron lo trông 159 5.2.6 Tích phân Fermi-Dirac 160 5.3 Bán dẫn suy biến bán dẫn bù 161 31 Bán dần suy biến 161 5.3.2 Bán dẫn bù 163 Bãi tập chuưng 167 Câu hói ồn tập chương 170 Chương HIẸN TƯỢNG TRUYÈN DÀN HẠT TAI DIỆN TRONG CHẢ I BÁN DẢN KHÔNG CÂN BẢNG 173 6.1 Sự trôi cùa hạt tái điện ~ 173 6.1.1 Mật độ dịng trơi 173 6.1.2 Hiệu ứng dịch chuyên 176 6.1.3 Dộ dẫn điện 180 6.1.4 Vặn tổc bào hỏa 184 6.2 Sự khuếch tán hạt tãi diện 187 6.2.1 Mật độ dòng khuếch tán 187 6.2.2 Mật độ dỏng điện 190 6.3 Hiệu ứng Hall 190 Bàí tập chương 194 Câu hói ơn tập chương 195 Chương CÁC CHÁT BÁN DÂN NGUYÊN TỚ 197 7.1.SUỈC 197 7.1.1 Nguyên tốsilic 197 7.1.2 Công nghệ chế tạo đon tinh thê silic 197 7.1.3 Cầu trúc tinh the silic .203 7.1.4 Cẩu trúc vũng lượng cùa silic 204 7.1.5 Những thõng số silic 208 7.1.6 Cảc đặc điểm vã úng dụng silic 210 7.2 Germani 210 7.2.1 Nguyên to germani 210 7.2.2 Công nghệ ché tạo đon tinh germani 211 7.2.3 Câu trúc tinh thể germani .213 7.2.4 Câu trúc vũng nãng lượng cùa germani 213 7.2.5 Những thõng số cùa germani .215 7.2.6 Các đặc điểm ứng dụng cita germani 216 7.3 Selen tclurỉ 217 7.3.1 Selen 217 7.3.2 Tclun 218 Bải lập chương .220 Câu hói ơn tập chương 221 Chương BÁN DÁN HỢP CHÁT 223 8.1 Bán dẫn hợp chất A'"BV 223 8.1.1 Họp chắt A"'BV .223 8.1.2 Cấu trúc tinh thê cùa hợp chất A,I,BV 223 8.1.3 Liên kết hóa học họp chất AUIBV 227 8.1.4 Cấu trúc vùng lượng cùa hợp chất AUIBV 229 8.1.5 Tính chất dặc trưng ứng dụng cua hợp chất A"'BV 231 8.2 Bán dẫn hợp chất A"BVI 234 8.2.1 Họp chất A"BVI 234 8.2.2 Cấu trúc tinh the cùa hợp chất A"BV| 235 8.2.3 Cấu trúc vùng lượng cùa hợp chát A"BVI 236 8.2.4 Tinh chắt đặc trưng irng dụng cùa hợp chất AnBv| .236 8.3 Giói thiệu so loại hán dần họp chât ba nguyền hán dần họp chất hữu cư 238 8.3.1 Bán dẫn họp chắt ba nguyên 238 8.3.2 Bán dẩn hợp chất hữu 239 8.4 Giói thiệu nano bán dẫn 239 8.4.1 Vật liệu nano bán dần vả ứng dụng .239 8.4.2 Phương pháp che tạo vật liệu nano 241 Bài tập chtrưng 243 Câu hỗi ôn tập chương 244 Chương GIỚI THIỆU MỘT SỎ LINH KIỆN BÁN DÁN Cơ BÁN 246 9.1 Sự đòi phát triển cúa thiết bị bân dẫn 246 9.2 Lóp chuyển tiếp p-n 248 9.2.1 Mật độ hạt tái điện lớp bán dản 248 9.2.2 Chuyền tiếp p-n .251 9.3 Di-ổt bán dẩn cảc chế độ làm việc 253 9.3.1 Đi-Ốt phân cực nghịch (VD< 0) 253 9.3.2 Đi-ốt phân cực thuận (Vd> 0) 256 9.3.3 Đi-ổt quang 258 9.4 Transistor 259 9.4.1 Transistor lưỡng cực 259 9.4.2 Mạch khuếch đụi sứ dụng transistor 260 9.4.3 Transistor hiệu ứngtrường 262 9.5 Mạch tích hụp (IC) 263 Bài tập chương .265 Câu hoi ôn tập chương 266 Câu 37 Đãp án A Câu 38 Đáp án A Câu 39 ỉ)áp án B Câu 40 I)áp án c Hướng dẫn giúi - Các múc nảng lượng cùa vi hạt trụng thái dừng giêng the vỏ hạn chiều là: " 8/1/í Tỳ sơ nâng lượng cùa vi hạt trạng thái n = trợng thãi /1 = là: ^ = ẾÌ = £-2 22 ĐÁP ÁN DÈ THI TRÁC NGHIỆM MINH HỌA SÓ 1B 2C 3A 4B 5A 6D 7B 8B 9A 10C 11C 12A I3C 14D I5C 16C I7C 18A 19B 20C 21A 22A 23D 24B 25B 26C 27C 28A 29B 30A 3IB 32A 33C 34C 35A 36B 37A 38A 39A 40C Câu Dápá/iB Hướng dàn giúi Khoáng cách hai mặt phãng lân cận cùa họ mặt phăng là: _Ị_ rf2 h'+k'+i'- Câu ỉ)ủp án c Câu Đáp ân A a _ 0,1 nm = 0.058 nm Jh'+e+i* Vi’+iM2 Hướng dan giúi Bước sóng De Broglie electron là: 6.625.10~M inv Câu 322 9,1.10 tỉiip án B = 14,56.10 15 (m) ".5.101" Câu Dáp án Á Hưởng dun giải Độ rộng vùng cấm Si 25 "C lã: &E' =1,17-4,1.10 4T = 1,17 - 4,1.10^(25 + 273) = 1.048 (cV) Câu ỉ)áp án D Câu Đáp án B Hướng dẫn giúi Mật độ nguyên lử (nguyên lir/cm') tinh thê mạng lập phương lâm mật với so mang ữ = 0.5 nm là: Mật độ nguycn từ = — = -— -7 = 3.2.10“ (o.5.io_’cm) a Câu Dáp án B Câu Dáp ân A Hưởng dân giai Hàm sóng cua vi hạt ị trạng thái co ban là: Ịĩ.ưx V/’(x) = NLSn L Xác suất tim thấy hạt khoáng từ X = L đền X = /./2 là: ’ -1 cos2/rx p = J|(K,(X)|‘ dx = Ị|sin! ĩ^dx =ị\ f0* ’■ dx 4 Câu 10 Dáp án C Hưởng dân giai Độ bất định nhó cúa động lượng là: Ap = Ax = —ý 52 Động lượng cùa VI hạt: p = Ạ ■V =h 'h =h = p 5AA~5Ah 10,7 323 Câu 11 Đáp án c Câu 12 Đáp án A Hướng dân giái Năng lượng cua proton chuyên dộng giêng thê có bê rộng L lã: E„ = n:h! ' ttrnL Khi nâng lượng cúa proton mức It = I n “ tuông úng là: 8mZ? HntL2 Độ chênh lệch nâng lượng cứa proton mức nảy lá: 3.(6,625.10’3')2 StnL2 8.1.67.10^.(4.10 10 )? = 61.6.10*-'' Câu 13 Đáp ân c Hướng dân giái Tốc độ cùa electron có bước sóng De Broglie 5500 Á là: h mà 6.625.10*” = 1324 m/s 9.1.10 ".55(H) 10 '° Câu 14 Dáp án I) Câu 15 Đáp án c Hướng dan giãi Ti số mật độ trụng thái lượng tư cùa electron tụ mức lượng £1 = 0.64 eV £’ = 0,25 eV là: g(5L ỊK= - * ?(£,) ví Vo 25 Câu 16 Đáp án c Câu 17 Đáp án c Hướng dân giãi Mật độ nguyên tư (nguyên từ/m' > cùa tinh thê mạng lập phương đơn gián với hang số mọng (I = Ả là: Mật độ nguyên lử =-7- = - —77 = 8.10n (nguyên lũ ìn') «■ (5.l0*lom) 324 Câu 18 Đáp án A Hưởng dẫn giai Sau nguyên tử háp thụ photon có bước sóng 500 nm lượng cùa là: /-62fJ>()3l()K E, = E,^=-3.27 À 500.10 m^-0-79(eV> Câu 19 Dáp án B Hường dần giai Lập ty số: 0,1 nm 0,1 nm 0,1 nm _ I I 3nm : nm : nm 30 20 10 2.3.6 60 60 60 Vậy chi sỏ Miller cưa mật phảng (236) Câu 20 Đáp án c Hướng dẫn giai Mật độ trạng thái cua electron tụ don vị the tích (clcctron'nr) nãng lượng 5.6 eV xap xi bang: g(£) = Mg£^ = * 4.3^-■^.1^')^ in_, (6.625.10 M) Câu 21 fìáp án A Câu 22 Đáp án A Hưởng dân giai Xác suất dề electron xuất mức nàng lượng cao mức Fermi khống 3.5W là: /,(«) = —U- = l+e =0.029 3% !+