Chương 10 chất rắn và bán dẫn

TS. Ngô Văn Thanh, Viện Vật lý. Chuyên ngành : Điện tử - Viễn thông , Công nghệ thông tin, Điện - Điện tử Chương 10: Chất rắn và bán dẫn 10.1 Chất rắn 10.1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của vật rắn 10.1.2 Lý thuyết vùng năng lượng trong chất rắn 10.2 Chất bán dẫn 10.2.1 Sơ đồ vùng năng lượng trong chất bán dẫn 10.2.2 Khái niệm điện tử dẫn và lỗ trống 10.2.3 Hàm phân bố Fermi-Dirac 10.2.4 Bán dẫn tinh khiết và bán dẫn pha 10.2.5 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 10.1 Chất rắn 10.1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của vật rắn. Tinh thể:  Các nguyên tử hoặc phân tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định.  Đơn tinh thể - tinh thể hoàn hảo: Các nguyên tử hay phân tử sắp xếp theo một trật tự tuyệt đối trong toàn bộ tinh thể.  Vật liệu đa tinh thể: bao gồm nhiều hạt đơn tinh thể ghép lại với nhau.  Tính chất đặc trưng của trạng thái tinh thể:  Cấu trúc tinh thể có tính tuần hoàn theo chu kỳ trong không gian.  Tính chất đối xứng tịnh tiến - tuần hoàn tịnh tiến.  Đối xứng tịnh tiến mang tính quyết định mọi tính chất vật lý của tinh thể. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Đối xứng tịnh tiến:  Phép tịnh tiến: xét điểm có tọa độ là  Tinh thể có tính đối xứng tịnh tiến sẽ bất biến đối với phép tịnh tiến.  Nguyên tử dịch chuyển đến vị trí của một nguyên tử cùng loại.  Tinh thể sau khi dịch chuyển sẽ trùng khít lên chính nó.  Xét trong không gian 3 chiều theo hệ tọa độ Descartes :  Vector tịnh tiến với là các số nguyên không âm. là các vector không cùng trong một mặt phẳng trên hướng , chúng được gọi là các vector cơ sở.  Vector bất biến đối với phép tịnh tiến  Có nhiều cách chọn hệ các vector cơ sở .  Ô cơ sở: hình hộp tạo bởi 3 vector cơ sở. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Cách chọn hệ các vector cơ sở @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Mạng Bravais:  Tập hợp tất cả các điểm có bán kính vector tạo thành một mạng không gian gọi là mạng Bravais.  Mỗi một điểm trong mạng gọi là nút mạng. Nền tinh thể: Cấu hình nguyên tử tương ứng với mỗi nút mạng Bravais.  Số loại nguyên tử trong tinh thể.  Vị trí tương đối giữa các nguyên tử. (a) Nền: (b) Nền: (c) Mạng Bravais @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Nhận xét:  Mạng Bravais chỉ mô tả được tính chất tuần hoàn tịnh tiến của mạng tinh thể.  Mạng Bravais không phải là mạng tinh thể thực.  Mạng tinh thể thực: được mô tả bởi mạng Bravais kèm theo nền của nó.  Nút mạng Bravais không nhất thiết phải trùng với các nút mạng tinh thể thực.  Mỗi một loại nguyên tử tạo nên một mạng Bravais riêng cho nó.  Mạng tinh thể có thể có một hoặc nhiều mạng Bravais giống hệt nhau lồng vào nhau.  Tinh thể đơn giản: chỉ có một mạng Bravais.  Tinh thể phức tạp: có nhiều mạng Bravais lồng vào nhau.  Thông thường, vị trí của các nguyên tử thường được xem là nằm ở ngay các nút mạng Bravais. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Mạng Bravais Nền tinh thể Cấu trúc tinh thể Ô đơn vị và Ô cơ sở:  Ô đơn vị: Một đơn vị thể tích nào đó trong mạng tinh thể mà nếu như ta tịnh tiến đơn vị thể tích đó thì ta sẽ thu được toàn bộ mạng tinh thể.  Ô cơ sở: là ô đơn vị có thể tích bé nhất.  Cách chọn ô cơ sở: Thường được chọn bởi hình hộp tạo bởi 3 vector cơ sở theo 3 hướng thích hợp  Nếu các vector cơ sở theo 3 hướng không thích hợp thì sẽ tạo nên ô đơn vị  Có nhiều cách chọn ô cơ sở ứng với bộ các vector cơ sở khác nhau, tuy nhiên thể tích của chúng phải là bé nhất. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Ô Wigner-Seitz:  Chọn một nút mạng Bravais  Nối nút mạng đó với các nút mạng lân cận  Dựng các mặt phẳng đi qua điểm giữa và vuông góc với các đoạn nối trên.  Vùng không gian giới hạn bởi các mặt phẳng đó tạo nên ô Wigner-Seitz.  Tính chất của ô Wigner-Seitz: Là một ô cơ sở vì nó có thể tích bé nhất. Có tính duy nhất vì nó được tạo bởi phương pháp duy nhất áp dụng chung cho tất cả các kiểu mạng Bravais. Nó mang đầy đủ tất cả các tính chất đối xứng của mạng Bravais. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Phân loại mạng Bravais:  Mạng tinh thể bao gồm 14 loại mạng Bravais  Được chia thành 7 hệ.  Các hệ mạng được sắp xếp theo chiều tăng dần của tính đối xứng. 1. Hệ lập phương:  Lập phương đơn giản (SC), lập phương tâm khối (FCC), lập phương tâm mặt (BCC). 2. Hệ tứ giác:  Tứ giác đơn giản, tứ giác tâm khối. 3. Hệ trực giao:  Trực giao đơn giản, trực giao tâm khối, trực giao tâm đáy, trực giao tâm mặt. 4. Hệ hình thoi: 5. Hệ một nghiêng:  Hệ một nghiêng đơn, hệ một nghiêng tâm đáy 6. Hệ ba nghiêng: 7. Hệ lục giác: không có quan hệ với hệ lập phương. @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý [...]... xét    Độ dẫn của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ dẫn tăng khi nhiệt độ tăng – trái ngược đối với kim loại  Khi nhiệt độ tăng, tán xạ giữa điện tử và phonon tăng, dẫn đến độ dẫn của kim loại giảm  Trong chất bán dẫn, do mật độ hạt tải tăng rất nhanh theo nhiệt độ, vì vậy mà độ dẫn cũng tăng Các chất bán dẫn tinh khiết có nồng độ hạt tải rất bé, vì vậy mà nó gần như không dẫn điện ở nhiệt... các hạt tải tạp chất có thể dẫn điện Chất bán dẫn pha tạp loại n (n-type): khi nồng độ của donor lớn hơn nồng độ acceptor Chất bán dẫn pha tạp loại p (p-type): khi nồng độ của acceptor lớn hơn nồng độ donor @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 10. 2.5 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn Mật độ dòng:  Bằng tổng mật độ dòng của điện tử và lỗ trống với là độ linh động của điện tử và lỗ trống Độ dẫn: Độ linh động:... dẫn pha tạp Bán dẫn tinh khiết:  Chất bán dẫn không có tạp chất - không có các phân tử, nguyên tử lạ Số điện tử kích thích trên vùng dẫn đúng bằng số lỗ trống ở vùng hóa trị  ni được gọi là nồng độ hạt tải  Mức Fermi:  Trường hợp   hoặc T = 0 Mức Fermi nằm giữa vùng cấm @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Bán dẫn pha tạp: Chất bán dẫn có một lượng nhỏ các nguyên tử tạp chất  Tạp chất là các nguyên... nồng độ hạt tải rất bé, vì vậy mà nó gần như không dẫn điện ở nhiệt độ thường Chất bán dẫn pha tạp với một lượng nhỏ tạp chất trở nên dẫn điện rất tốt ở điều kiện nhiệt độ thường  Các tạp chất đóng vai trò là nguồn cung cấp các điện tử dẫn  Độ dẫn điện của chất bán dẫn pha tạp phụ thuộc rất mạnh vào nồng độ của các tạp chất @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý ... - Viện Vật Lý @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 10. 2 Chất bán dẫn 10. 2.1 Sơ đồ vùng năng lượng trong chất bán dẫn  Vùng dẫn: các mức năng lượng được phép còn trống  Mức năng lượng: Ec : mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn  mc : khối lượng của điện tử Vùng hóa trị: các mức năng lượng được phép được lấp đầy bởi các điện tử  Mức năng lượng: Vùng dẫn Vùng hóa trị Ev : mức năng lượng cao nhất của... vùng dẫn:  Số điện tử trong một đơn vị thể tích trên vùng dẫn  Mật độ trạng thái của lỗ trống dưới vùng hóa trị:  Số lỗ trống trong một đơn vị thể tích dưới vùng hóa trị  @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý  Phân bố năng lượng của lỗ trống dưới vùng hóa trị (hình bên trái) và của điện tử trên vùng dẫn (hình bên phải) @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 10. 2.4 Bán dẫn tinh khiết và bán dẫn pha tạp Bán. .. điện tử và lỗ trống Độ dẫn: Độ linh động:  Phụ thuộc vào thời gian tán xạ của các hạt tải trong mạng tinh thể trong đó, là thời gian tán xạ @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 10. 2.5 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn Mật độ dòng:  Bằng tổng mật độ dòng của điện tử và lỗ trống với là độ linh động của điện tử và lỗ trống Độ dẫn: Độ linh động:  Phụ thuộc vào thời gian tán xạ của các hạt tải trong mạng tinh... cấm: vùng nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị, là vùng không có các mức năng lượng được phép   Độ rộng vùng cấm: với là tần số ngưỡng hấp thụ quang học – hấp thụ photon để tạo ra một điện tử ở vùng dẫn và một lỗ trống ở vùng hóa trị Chất bán dẫn: các chất có độ rộng vùng cấm cỡ vài eV Mức Fermi:    Mức năng lượng cao nhất mà các điện tử có thể chiếm chỗ tại nhiệt độ 0oK Vùng dẫn Vùng hóa trị @2009,... thể được lấp đầy hoàn toàn hoặc là chỉ được lấp đầy một phần  Vùng dẫn: là vùng năng lượng được phép còn trống hoàn toàn và nằm phía trên vùng hóa trị  Phân loại chất rắn: Vùng dẫn Điện môi: độ rộng vùng cấm lớn Bán dẫn: độ rộng vùng cấm khá bé: Kim loại: không có vùng cấm, vùng dẫn và Vùng hóa trị vùng hóa trị chồng lên nhau  Sự dẫn điện: do sự chuyển động của các electron Chỉ có các điện tử ở lớp... điện tích dương +e Khối lượng hiệu dụng Lỗ trống cũng tham gia vào quá trình truyền năng lượng (nhiệt) và hạt tải @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý 10. 2.3 Hàm phân bố Fermi-Dirac  Hàm phân bố các mức năng lượng với   suy ra Phân bố Fermi-Dirac là phân bố xác suất điện tử trên một trạng thái Chất bán dẫn có mức Fermi nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị @2009, Ngô Văn Thanh - Viện Vật Lý Mật độ trạng . tử Chương 10: Chất rắn và bán dẫn 10. 1 Chất rắn 10. 1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của vật rắn 10. 1.2 Lý thuyết vùng năng lượng trong chất rắn 10. 2 Chất bán dẫn 10. 2.1 Sơ đồ vùng năng lượng trong chất. năng lượng trong chất bán dẫn 10. 2.2 Khái niệm điện tử dẫn và lỗ trống 10. 2.3 Hàm phân bố Fermi-Dirac 10. 2.4 Bán dẫn tinh khiết và bán dẫn pha 10. 2.5 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn @2009, Ngô Văn. lấp đầy một phần.  Vùng dẫn: là vùng năng lượng được phép còn trống hoàn toàn và nằm phía trên vùng hóa trị.  Phân loại chất rắn: Điện môi: độ rộng vùng cấm lớn. Bán dẫn: độ rộng vùng cấm khá