Bài Giảng Vật Lý Linh Kiện Và SenSor

Bài Giảng Vật Lý Linh Kiện Và SenSor

BÀI GIẢNG VẬT LÝ LINH

KIỆN VÀ SENSOR

Tài liệu tham khảo

1) Giáo trình cảm biến – Phan Quốc Phương, Nguyễn Đức Chiến

2) Các bộ cảm biến trong Kỹ thuật đo lường – Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn

A Các khái niệm cơ bản về vật lý dụng cụ bán dẫn

 Dụng cụ bán dẫn được chế tạo từ vật liệu bán dẫn

 Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ở những điều kiện

nhất định nó dẫn điện, ở những điều kiện khác lại cách điện

 Xét về đặc tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn có điện trở

suất nhỏ hơn vật liệu cách điện (điện môi) và lớn hơn vật liệu dẫn điện (kim loại)

 Đặc điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn: điện trở suất

thay đổi khi nhiệt độ thay đổi Có 2 loại:

• Bán dẫn có hệ số nhiệt α > 0: ρ khi nhiệt độ , và

ngược lại

• Bán dẫn có hệ số nhiệt α > 0: ρ khi nhiệt độ , và

ngược lại

 Mỗi loại vật liệu bán dẫn đều có một nhiệt độ giới

hạn Ở những nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này, điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các sai hỏng của mạng tinh thể bán dẫn

 Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hay hợp chất của

hai hay nhiều nguyên tố

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

I Cấu trúc và mô hình năng lượng của bán dẫn

1 Cấu trúc

Trong chất rắn, các nguyên tử được bố trí rất khác nhau:

 Trong một số vật rắn, nguyên tử được bố trí lộn

xộn, không có qui luật: vật rắn không kết tinh

 Trong một số vật rắn khác, các nguyên tử được bố

trí theo một qui luật nhất định tạo thành mạng tinh thể: vật rắn kết tinh:

• Nếu các nguyên tử liên tục sắp xếp có qui luật

trong toàn bộ vật rắn: đơn tinh thể

• Nếu sự sắp xếp các nguyên tử chỉ có qui luật

trong từng vùng của vật rắn: đa tinh thể

 Bán dẫn đơn chất thường được dùng để chế

tạo các dụng cụ bán dẫn hiện nay là Ge, Si (nhóm IV)

 Bán dẫn hợp chất thường là AIIIBV, song hợp

chất được dùng phổ biến để chế tạo các dụng

2 Mô hình năng lượng

 Theo cơ học lượng tử, vị trí của điện tử trong nguyên

tử được xác định bởi 4 số lượng tử:

 Theo nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một

mức năng lượng khác nhau nghĩa là trong một nguyên

tử không thể tồn tại hai điện tử có cùng bốn số lượng

tử kể trên (nguyên lý loại trừ Pauli)

Với khái niệm số lượng tử và nguyên lý Pauli, CHLT đã giải thích được sự tồn tại của các mức năng lượng và sự phân bố điện tử trong nguyên tử

• Khi xét một nguyên tử độc lập thì điện tử trong nguyên

tử chuyển động như trong một hố thế năng

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

nên các điện tử lớp ngoài cùng của chúng phủ lên nhau, làm các mức năng lượng tương ứng của các nguyên tử cô lập tản rộng ra tạo thành các vùng năng lượng

Có ba vùng năng lượng: vùng dẫn (1), vùng cấm (2) và vùng hóa trị (3)

 Trong từng vùng năng lượng, các mức năng lượng có

thể bị chiếm đầy hoàn toàn, chiếm một phần hoặc bỏ trống hoàn toàn

 Độ rộng và vị trí của từng vùng năng lượng phụ thuộc

vào các loại vật rắn khác nhau

 Độ rộng của vùng cấm xác định:

• Năng lượng cần thiết để điện tử bức khỏi liên kết

hóa học, tham gia vào quá trình tải điện,

• Độ dẫn tương đối của các loại vật liệu khác nhau

Nghĩa là vùng cấm là tiêu chuẩn phân biệt vật rắn là vật liệu dẫn điện , bán dẫn hay cách điện

Độ rộng của vùng cấm càng lớn thì độ dẫn càng kém

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Nếu chỉ xét đến tính dẫn điện, ta có thể đơn giản cấu trúc các vùng năng lượng như sau:

 Với kim loại: giữa vùng hóa trị và vùng dẫn không có

vùng cấm ngăn cách, mà tại đó là vùng bị chiếm đầy một phần

⇒ Khi dẫn điện, toàn bộ điện tử hóa trị có thể tham gia vào

thành phần dẫn điện

 Với điện môi và bán dẫn: Ở nhiệt độ 00K, giản đồ vùng

năng lượng của bán dẫn và của điện môi có dạng giống

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Xét cấu tạo của nguyên tử của Silic và Germani:

• Silic có 14 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử

này xếp trên ba lớp

• Ge có 32 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử này

xếp trên bốn lớp

⇒ Đặc điểm chung của Si và Ge: số điện tử trên lớp ngoài

cùng bằng nhau là 4 điện tử (hóa trị 4: thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleep)

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Bốn điện tử của mỗi nguyên tử

sẽ nối với bốn điện tử của bốn nguyên tử xung quanh tạo thành bốn mối nối làm cho các điện tử liên kết chặt chẽ với nhau

Sự liên kết này sẽ làm cho các điện tử khó tách rời khỏi nguyên tử để trở thành điện tử

tự do

gần nhau sẽ liên kết nhau theo kiểu cộng hóa trị

Do đó, chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn

⇒ Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn không có khả năng dẫn

điện vì không có điện tử tự do

Si

Mạng tinh thể của bán dẫn thuần

 Khi nhiệt độ tăng lên, một số rất ít điện tử ở vòng ngoài

có thể rời bỏ nguyên tử của mình và trở thành điện tử tự

do, sinh ra cặp điện tử lỗ trống

⇒ Ở nhiệt độ bình thường, trong chất bán dẫn tinh khiết

chỉ có rất ít điện tử tự do; do đó, độ dẫn điện của nó rất nhỏ

 Ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt trong tinh thể bán

dẫn mạnh hơn và giải thoát một số lớn điện tử nên độ dẫn điện của nó cũng lớn hơn nhiều

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Nghĩa là ở nhiệt độ > 00K, do thu được năng lượng nhiệt, một số điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn trở thành điện tử tự do, tham gia vào thành phần dẫn điện

⇒ Ở vùng hóa trị sẽ xuất hiện các lỗ trống tham gia vào

thành phần dòng điện

Trong bán dẫn, điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dòng điện và chúng được gọi chung là hạt dẫn

Kết quả:

Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán

dẫn tinh khiết cần có năng lượng kích thích

đủ lớn Ekt ≥ Eg

Dòng điện trong chất bán dẫn tinh

khiết gồm hai thành phần tương đương

nhau do quá trình phát sinh từng cặp hạt

dẫn tạo ra (ni = pi)

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

b Chất bán dẫn tạp

 Chất bán dẫn tạp loại n:

Pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân loại tuần hoàn (có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng) như Acsenic hay Phospho vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần (1010 đến 1018 nguyên tử/cm3) Người ta gọi các nguyên tử này là các nguyên tử tạp chất

Vì vậy, các nguyên tử tạp chất thừa một điện tử vành ngoài kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một nguồn năng lượng yếu tạo nên một cặp ion dương tạp chất – điện tử tự do

Mạng tinh thể của Giản đồ vùng năng lượng bán dẫn loại n của bán dẫn n

Ở điều kiện bình thường (250C):

• Toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa

• Ngoài ra, hiện tượng phát sinh hạt tải giống

như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra Chất bán dẫn pha tạp loại này gọi là bán dẫn loại n

Tạp chất gọi là tạp chất cho: donor

Trên đồ thị vùng năng lượng, các mức năng lượng ion tạp chất loại này phân bố bên trong vùng cấm, nằm sát đáy vùng dẫn (khoảng cách cở vài % eV), được gọi là mức donor

Kết quả:

Trong mạng tinh thể:

- Tồn tại nhiều ion dương bất động,

- Dòng điện trong chất bán dẫn loại n gồm hai thành phần không bằng nhau tạo ra:

Điện tử được gọi là loại hạt dẫn đa số

có nồng độ là nn,

Lỗ trống là loại hạt thiểu số có nồng

độ pn (nn >> pn)

 Chất bán dẫn tạp loại p

Pha tạp chất thuộc nhóm III ở bảng phân loại tuần hoàn Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần, ta được

chất bán dẫn tạp loại p

Nguyên tử tạp có ba điện tử hóa trị nên khi liên kết sẽ

có một liên kết bị khuyết, gọi đó là lỗ trống liên kết, có khả năng nhận điện tử

Khi nguyên tử tạp chất bị ion hóa sẽ sinh ra đồng thời một cặp: ion tạp chất – lỗ trống tự do

Tạp chất này nhận điện tử nên gọi là tạp chất nhận: acceptor

Mức năng lượng ion tạp chất loại p nằm trong vùng cấm sát đỉnh vùng hóa trị, được goi là mức acceptor

Mạng tinh thể của bán dẫn Giản đồ vùng năng lượng loại p của bán dẫn p

Kết quả:

Trong mạng tinh thể chất bán dẫn tạp loại p:

- Tồn tại nhiều ion âm có tính chất định xứ từng

vùng

- Dòng điện trong chất bán dẫn p gồm hai thành

phần không tương đương nhau:

 Lỗ trống được gọi là các hạt dẫn đa số có

nồng độ là pp,

 Điện tử là các hạt thiểu số có nồng độ là pp và

np (pp>> np)

II Các chuyển tiếp

a Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng

 Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng là chuyển tiếp

p-n chưa có điện áp đặt vào: V = 0

 Do sự chênh lệch về nồng độ hạt tải nên:

Khi đó:

phía n tích điện dương,

phía p tích điện âm,

Điện trường tiếp xúc Etx: điện trường nội có chiều hướng

từ n sang p

⇒ Một điện trường tiếp xúc Etx

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng

 Sự khuếch tán các hạt tải đa số xảy ra ngày càng mãnh

liệt → vùng điện tích âm, dương ở hai phía của tiếp xúc p-n càng rộng ra; → cường độ điện trường tiếp xúc Etx tăng

 Kết quả:

Dòng khuếch tán các hạt tải đa số giảm,

Dòng cuốn các hạt thiểu số tăng

Cho đến lúc dòng khuếch tán các hạt đa số bằng dòng cuốn các hạt thiểu số

Khi đó, chuyển tiếp p-n đạt trạng thái cân bằng

Miền chứa các ion âm, ion dương hầu như không có hạt tải được gọi là miền điện tích không gian (MĐTKG)

Ở trạng thái cân bằng, độ rộng MĐTKG Xm là xác định

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

b Chuyển tiếp p-n ở trạng thái không cân bằng

Chuyển tiếp p-n ở trạng thái không cân bằng là chuyển tiếp p-n có điện áp bên ngoài đặt vào

Khi đặt điện áp bên ngoài vào chuyển tiếp p-n có hai trường hợp xảy ra:

 Chuyển tiếp p-n phân cực thuận: điện cực dương của

điện áp đặt vào bán dẫn p và điện cực âm của điện áp đặt vào bán dẫn n

Khi đó:

• En ↑↓Etx có chiều ngược nhau, các hạt đa số bị đẩy

về phía MĐTKG

Các điện tử trong miền n và các lỗ trống trong miền p

bị đẩy về phía MĐTKG trung hòa bớt các ion dương và các ion âm trong miền này => độ rộng của miền này hẹp lại

Do đó, các hạt tải đa số dễ dàng qua MĐTKG tạo nên dòng điện được gọi là dòng điện thuận Ith

Uth càng lớn, các hạt đa số bị đẩy về MĐTKG càng nhiều

=> độ rộng của MĐTKG càng giảm;

Nghĩa là số điện tích giảm => điện trường tiếp xúc Etxgiảm nhỏ so với lúc cân bằng

- Chuyển tiếp p-n phân cực nghịch: điện cực

dương của điện áp đặt vào bán dẫn n và điện cực

âm của điện áp đặt vào bán dẫn p

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Ungc

Khi chuyển tiếp p-n phân cực ngược: → các hạt tải đa số bị đẩy xa MĐTKG ⇒:

• Độ rộng miền điện tích không gian tăng

• Dòng cuốn các hạt thiểu số tăng,

• Dòng khuếch tán các hạt đa số giảm

Kết quả trạng thái cân bằng bị phá vỡ, lúc này tồn tại dòng ngược Ingc rất nhỏ và hầu như không đổi

 Nếu tăng Ungc trên chuyển tiếp p-n đến vượt một giá trị

nào đó → Ingc tăng đột ngột: chuyển tiếp p-n bị đánh thủng

• Khi Uth thấp, I thay đổi

tuyến tính theo U tương

Đặc tuyến Vôn-Ampe của chuyển tiếp p-n:

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

• Cấu trúc PIN gồm ba lớp bán dẫn P, I, N

• Lớp p và n pha tạp mạnh, ở giữa là lớp bán dẫn thuần

I, có độ dày lớn hơn để làm tăng độ rộng MĐTKG

Với cấu trúc này, khi phân cực ngược đủ lớn, MĐTKG chính là miền I và MĐTKG không lan vào các lớp bán dẫn p, n

Đặc điểm của loại tiếp xúc này là nó có điện áp ngược cho phép cao, điện dung tiếp xúc nhỏ

3 Tiếp xúc M-S

 Khi bán dẫn tiếp xúc với kim loại hình thành tiếp xúc

M-S Ở một số điều kiện cụ thể, tiếp xúc này có tính chất chỉnh lưu

 Đối với các tiếp xúc M-S lý tưởng (không có sai hỏng

bề mặt), đặc tính của chúng phụ thuộc vào công thoát kim loại Am và công thoát bán dẫn As khi chúng tiếp xúc nhau (Am > As hay ngược lại)

 Cùng một kim loại tiếp xúc với bán dẫn p và bán dẫn n

sẽ xảy ra những hiệu ứng khác nhau

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

a Trường hợp kim loại tiếp xúc với bán dẫn loại n

Sau khi tiếp xúc, do Am > Asn:

• Các điện tử ở vùng dẫn của bán dẫn n sẽ dịch

chuyển sang kim loại,

• Không có điện tử nào từ kim loại sang bán dẫn vì

hàng rào thế tiếp xúc khá lớn

Kết quả tại vùng lân cận bề mặt tiếp xúc:

- ở bán dẫn xuất hiện những ion donor mang điện tích

dương,

- ở kim loại có sự tích tụ điện tử,

Do đó, tại đây hình thành một điện trường

Điện trường này có xu hướng cản trở sự dịch chuyển của điện tử từ bán dẫn sang kim loại

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

điện tử đi từ bán dẫn sang kim loại bằng dòng điện tử bị đẩy ngược trở lại do điện trường tiếp xúc gây ra

Khi đó, sự phân bố điện tích tại đây đạt tới trạng thái cân bằng

 Tương tự như chuyển tiếp p-n, ở đây cũng hình

thành MĐTKG nằm hầu như toàn bộ trong bán dẫn

 Độ rộng MĐTKG tương ứng với độ cao rào thế tiếp

xúc

 Thay đổi cực tính điện áp đặt vào tiếp xúc sẽ thay

đổi được chiều cao rào thế

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

• Nếu → MĐTKG rộng ra, điện trở của

MĐTKG tăng,

<=> chiều cao rào thế tiếp xúc tăng

• Nếu → độ rộng MĐTKG giảm, điện

trở của MĐTKG giảm,

<=> chiều cao rào thế tiếp xúc giảm

Rào thế trong tiếp xúc M-S còn gọi là rào thế Schottki

Đặc tuyến V-A của tiếp xúc M-S cũng tương tự như chuyển tiếp p-n (do bản chất chỉnh lưu đều là MĐTKG)

Khi tiếp xúc, do Am < Asn:

• điện tử từ bề mặt kim loại đi vào bán dẫn,

• không có điện tử từ bán dẫn sang kim loại vì phải

vượt qua hàng rào thế khá lớn

Kết quả tại vùng lân cận mặt tiếp xúc:

Từ mô hình năng lượng, ta có nhận xét:

 Tại miền lân cận mặt tiếp xúc, về phía bán dẫn nồng

độ điện tử lớn hơn so với các miền sâu trong bán dẫn;

 Nghĩa là điện trở suất ở đây giảm nhỏ và không có

MĐTKG

Nếu thay đổi cực tính của điện áp ngoài đặt vào tiếp xúc M-S, điện trở suất của tiếp xúc cũng không thay đổi

b Trường hợp kim loại tiếp xúc với bán dẫn loại p

Lý luận tương tự, ta có:

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Các hiện tượng vật lý xảy ra tương tự như ở tiếp xúc

kim loại với bán dẫn n

 Điều khác cơ bản là vị trí mức năng lượng Fermi EF

trong bán dẫn n nằm gần đáy vùng dẫn, còn trong bán dẫn p mức năng lượng Fermi nằm gần đỉnh vùng hóa trị

Vậy tùy theo đặc điểm công thoát điện tử và loại bán dẫn

mà tiếp xúc M-S có thể tuyến tính hay phi tuyến

III Các hiệu ứng xảy ra trong bán dẫn

1 Hiệu ứng nhiệt điện

Giữa các đầu ra của hai vật dẫn (hay bán dẫn) khác nhau A

và B, được nối với nhau thành một mạch điện Nếu đặt hai đầu nối ở hai nhiệt độ khác nhau t1, t2 sẽ xuất hiện một suất điện động e (t1, t2) Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ t1 khi biết trước nhiệt độ t2

điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ đgl tinh thể hỏa điện Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại các điện tích trái dấu

có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện

Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng làm thay đổi phân cực điện: hiệu ứng hỏa điện

Sự thay đổi phân cực điện có thể xác định bằng cách đo

sự biến thiên của điện áp giữa hai mặt đối nhau của tinh thể