Bài giảng điện tử cấu trúc vùng năng lượng

Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn Năng lượng của một nguyên tử được cô lập, có dạng là các mức rời rạc.. Tùy theo tình trạng các mức năng lượng có bị điện tử chiến chỗ hay không, chi

Huế, 2011

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG

1 Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn

Năng lượng của một nguyên tử được cô lập, có dạng là các mức rời rạc Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác

các mức năng lượng suy biến thành các dải gồm nhiều mức sát nhau

Tùy theo tình trạng các mức năng lượng có bị điện tử chiến chỗ hay không, chia ra làm ba loại vùng năng lượng

+ Vùng dẫn (Vùng trống) là vùng: trong đó tất cả các mức năng lượng đều còn bỏ trống hoặc bị chiếm chỗ một phần

+ Vùng hóa trị (Vùng lấp đầy): Mọi mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm chỗ, không còn trạng thái hay mức năng lượng tự do + Vùng cấm: Trong đó không tồn tại một mức năng lượng nào

để điện tử có thể chiểm chỗ

1 Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn

Tùy theo vị trí tương đối giữa các vùng năng lượng, chúng

ta chia ra làm ba loại vật liệu:

+ Chất cách điện:

1 Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn

+ Chất bán dẫn điện:

1 Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn

+ Chất dẫn điện

2 Chất bán dẫn điện

2.1 Chất bán dẫn thuần (Tinh khiết)

- Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Ge và Si thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev Có năng lượng cấm lần lượt là 0.72 eV và 1.12 eV

- Do nguyên tử bán dẫn có 4 điện tử lớp ngoài cùng chúng tham gia vào liên kết ghép đôi điện tử hóa trị vành ngoài Bình thường, nguyên tử bán dẫn thuần trung hòa về điện, khi nhận được năng lượng kích thích bên ngoài đủ lớn thì điện tử tách khỏi nguyên tử tạo thành hạt tự do mang điện âm và để lại một lỗ trống gọi là lỗ trống liện kết mang điện dương,

có khả năng chuyển động tự do trong mạng tinh thể

2 Chất bán dẫn điện

2.1 Chất bán dẫn thuần (Tinh khiết)

+ Quá trình điện tử tách khỏi nguyên

tử được gọi là quá trình ion hóa Sinh

ra một cặp hạt dẫn tự do Trên đồ thị vùng năng lượng tương ứng với 1 điện tử trong vùng hóa trị sang vùng dẫn.

+ Quá trình điện tử gặp lỗ trống gọi là quá trình tái hợp

2.2 Chất bán dẫn tạp chất

2.1 Bán dẫn loại n

- Pha các nguyên tử thuộc nhóm V bảng hệ thống tuần hoàn mạng tinh thể chất bán dẫn thuần, với nồng độ từ

- Các nguyên tử thuộc nhóm V có 5 điện tử lớp ngoài cùng Trong liên kết với các nguyên tử của chất bán dẫn thuần, chúng thừa một e Điện tử này kiên kết yếu với mạng và dễ dàng tách khỏi nguyên tử chuyển động

tự do Tạo ra 1 ion dương cố định trong mạng tinh thể.

- Ở điều kiện thường, các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa hoàn toàn, bên cạnh đó cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra bình thường Lúc này trong mạng tồn tại hai loại hạt mang điện: Điện tử (e) chiếm số lớn

và lỗ trống ít hơn (thiểu số).

2.2 Chất bán dẫn tạp chất

2.2.2 Bán dẫn loại p

+ Pha các nguyên tử thuộc nhóm III và mạng tinh thể bán dẫn thuần

+ Đặc điểm: Dòng điện trong bán dẫn loại p gồm 2 thành phần không tương đương nhau: Trong đó lỗ trống là hạt đa số nhiều hơn điện tử.

3 Plasma

PLASMA là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác

là rắn, lỏng, khí) trong đó các chất bị ion hóa mạnh Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân Plasma không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ.

3 Plasma

Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là

plasma nguội Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong

chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa

3 Plasma

Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay

nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nóng Khi

nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp

Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma

có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên