Vùng năng lượng trong chất bán dẫn• Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng.. Vùng năng lượng trong chất bán dẫn• Vùng cấm Forbidden band: L
Trang 1Đề tài: Tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn
Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Như HùngNguyễn Văn HuyNguyễn Hữu TrọngPhạm Văn Tiến
Trần Quốc Huấn
Đỗ Như MinhGiáo viên hướng dẫn: La Văn Hán
Bộ môn:Vật Liệu Đại Cương
Trang 2Nội dung chính của đề tài:
I Các khái niệm cơ bản về bán dẫn
II Vùng năng lượng trong chất bán dẫn
1 Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn
2 Dẫn xuất bán dẫn
III Các loại chất bán dẫn
1 Bán dẫn tinh khiết
2 Bán dẫn tạp chất
Trang 3Nội dung chính của đề tài:
2.1 Bán dẫn tạp chất và bản chất dòng điện.2.2 Bán dẫn loại N
Trang 4I Các khái niệm cơ bản về bán dẫn
• Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện
và chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở điều kiện thường và hoạt động như một chất dẫn điện ở điều kiện đặc biệt (như chiếu
sáng, nhiệt độ cao,…)
Trang 5II Vùng năng lượng trong chất bán dẫn
• Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải
thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng Như ta biết,
điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng
lượng gián đoạn (các trạng thái dừng) Nhưng trong
chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau
thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ
lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có
ba vùng chính
Trang 6II Vùng năng lượng trong chất bán dẫn
Trang 7II Vùng năng lượng trong chất bán dẫn
• Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng
thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử
bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động
• Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng
lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như
các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử
dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có
điện tử tồn tại trên vùng dẫn
Trang 8II Vùng năng lượng trong chất bán dẫn
• Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào
do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu
bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp) Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng
cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo
độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn
điện hoặc không dẫn điện
Trang 91 Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn
• Trong cấu trúc vật liệu của bản thân chất bán dẫn,
dưới tác dụng của nhiệt độ môi trường cũng luôn tồn
tại hai dạng điện tích Một là điện tích âm do electron
và hai là điện tích dương do lỗ trống tạo ra
Trang 101 Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn
• Các electron và các lỗ trống thường được gọi chung
với một cái tên là hạt mang điện bởi chúng mang
năng lượng điện tích dịch chuyển từ điểm này đến
điểm khác
Trang 112 Dẫn xuất bán dẫn
• Hình sau đây mô tả sự di chuyển của điện tử (hay lỗ trống) trong dải hóa trị ở nhiệt độ cao
Trang 122 Dẫn xuất bán dẫn
Trang 13• Vậy ta có thể coi như dòng điện trong chất bán dẫn là
sự hợp thành của dòng điện do những điện tử trong dải dẫn điện và những lỗ trống trong dải hóa trị
Trang 14III Các loại chất bán dẫn
1 Bán dẫn tinh khiết
Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hóa trị Vì vậy tinh thể Ge và
Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện
Trang 15III Các loại chất bán dẫn
• Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và làm gãy một số nối hóa trị
Trang 17III Các loại chất bán dẫn
2.2 Bán dẫn loại N
Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm
V của bảng phân loại tuần hoàn như As (Arsenic),
Photpho (p), Antimony (Sb) Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể.
Trang 18III Các loại chất bán dẫn
2.3 Bán dẫn loại P
Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, ta pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), nhôm (Al),… Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể.
Trang 19III Các loại chất bán dẫn
• Ở nhiệt độ thấp (T=00K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong dải hóa trị Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng lượng và vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vượt dải cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng EA
Trang 21IV Ứng dụng của bán dẫn
4.1 Diot bán dẫn
Trang 224.1 Diot bán dẫn
Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch
tán sang khối N Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)