Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 43 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
43
Dung lượng
553,73 KB
Nội dung
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp ngoài sự cố gắng của bản thân, em đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo và bạn sinh viên. Em xin gửi lời cảm ơn đến: Trường ĐHSP Hà Nội 2. Các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý nói chung và trong tổ vật lý lý thuyết nói riêng đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành khóa luận này. Đặc biệt em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn TS. Phạm Thị Minh Hạnh người đã trực tiếp tận tình chỉ bảo trong suốt quãng thời gian em thực hiện và hoàn thành khóa luận. Trong quá trình nghiên cứu, bản thân là sinh viên bước đầu tập làm quen với việc nghiên cứu đề tài khoa học nên khóa luận của em không tránh khỏi những thiếu sót. Để khóa luận được hoàn thiện hơn em rất mong nhận được những ý kiến góp ý của quý thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2013 Sinh viện thực hiện Đỗ Thị Huyền Trang LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu khoa học riêng của em dựa trên cở sở những kiến thức đã học và tham khảo các tài liệu liên quan với sự hướng dẫn và giúp đỡ của giảng viên TS. Phạm Thị Minh Hạnh. Nó không trùng với kết quả nghiên cứu của bất kỳ tác giả nào. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Hà Nội, tháng năm 2013 Sinh viên thực hiện Đỗ Thị Huyền Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài: Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG CHƯƠNG1: CẤU TRÚC CỦA CÁC BÁN DẪN CÓ DẠNG TINH THỂ 1.1 Mạng tinh thể 1.1.1 Mạng Bravais 1.1.2 Mạng đảo CHƯƠNG 2: MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA BÁN DẪN KHỐI 11 2.1 Các khái niệm sở 11 2.1.1 Sơ lược tính chất bán dẫn 11 2.1.2 Tính chất điện bán dẫn 12 2.1.2.1 Tính chất điện bán dẫn tinh khiết 12 2.1.2.2 Tính chất điện bán dẫn tạp chất 16 2.1.3 Hiệu ứng Hall bán dẫn 25 2.2 Tính chất quang bán dẫn 31 2.2.1 Hệ thức tán sắc bán dẫn 31 2.2.2 Hệ số hấp thụ 34 2.2.2.1 Hệ số hấp thụ điện tử chất điện môi 34 2.2.2.2 Hệ số hấp thụ điện tử chất bán dẫn 35 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nền khoa học công nghệ trên thế giới đang phát triển một cách nhanh chóng nhất là các nước phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga. Sự phát triển của khoa học công nghệ đã đem lại những diện mạo mới cho cuộc sống con người và công nghệ điện tử viễn thông. Hiện nay trên thế giới đang hình thành một khoa học và công nghệ mới, có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ có tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống kinh tế - xã hội của thế kỷ 21. Đó là lĩnh vực nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng và phát triển chất bán dẫn. Thật vậy, việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển chất bán dẫn là vô cùng quan trọng đối với cuộc sống và sự phát triển các ngành khoa học kỹ thuật điện tử. Điều này đã được chứng minh bằng Công trình nghiên cứu về chất bán dẫn của nhóm 3 nhà khoa học người Mỹ đã giành được giải Nobel vào năm 1956, đây được cho là phát minh ấn tượng và nằm trong số top 10 phát minh khoa học quan trọng nhất trong lịch sử nhân loại. Loại vật liệu bán dẫn ngay từ khi ra đời đã được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như chế tạo các loại thiết bị bên trong máy móc như ti vi, máy tính hoặc những con chip bán dẫn trong điện thoại… điều đó đã chứng tỏ những ứng dụng tuyệt vời của chất bán dẫn. Tìm hiểu một số tính chất của bán dẫn nói chung và tính chất vật lý nói riêng của bán dẫn sẽ cung cấp cho chúng ta một số kiến thức cơ bản về vật liệu bán dẫn. Từ đó giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về vật liệu bán dẫn. Đó chính là lí do em quyết định chọn đề tài này: “Nghiên cứu số tính chất vật lý bán dẫn ” 1 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu một số tính chất vật lý của bán dẫn. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cấu trúc bán dẫn. - Nghiên cứu một số tính chất vật lý của bán dẫn khối. Đối tượng nghiên cứu - Bán dẫn khối. Phạm vi nghiên cứu - Tính chất vật lý của bán dẫn khối. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu trên mạng, một số sách. - Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được. - Nghiên cứu lý thuyết, cơ sở lý luận. 2 NỘI DUNG CHƯƠNG1: CẤU TRÚC CỦA CÁC BÁN DẪN CÓ DẠNG TINH THỂ 1.1 Mạng tinh thể 1.1.1 Mạng Bravais 1.1.1.1 Nhóm tịnh tiến tinh thể Hình 1.1: Sự sắp xếp các nguyên tử cùng loại trong một mạng tinh thể hai chiều Ta bắt đầu từ việc nghiên cứu tính đối xứng (bất biến) của tinh thể đối với nhóm tịnh tiến. Phép chuyển động của vật rắn mà trong đó điểm r bất kỳ chuyển thành điểm r R gọi là phép tịnh tiến một đoạn R , ký hiệu là T ( R) Ta viết tắt phép tịnh tiến như sau: T ( R) : r r R ; với mọi r Ta nói rằng, một tinh thể có tính đối xứng đối với với phép tịnh tiến một đoạn e theo hướng trục 0 , nghĩa là đối với T e nếu trong phép tịnh tiến này mỗi nguyên tử dời chỗ đến vị trí của một nguyên tử khác cùng loại, còn tinh thể sau thì khi dịch chuyển sang một vị trí trùng khít với vị trí cũ. Hình 1.1 diễn tả một thí dụ về sự sắp xếp các nguyên tử cùng loại trong một mạng tinh thể hai chiều. Ta còn nói tinh thể như mô tả ở trên có tính chất tuần hoàn theo hướng 0α. 3 Mọi tinh thể trong không gian ba chiều đều có tính bất biến (đối xứng) đối với các phép tịnh tiến T e , T e , T e theo ba hướng nào đó Oα, Oβ, Oγ, nghĩa là có tính tuần hoàn theo các hướng này. Trong mỗi tinh thể có thể chọn 3 hướng khác này bằng nhiều cách khác nhau (xem hình 1.2 với tinh thể 2 chiều). Hình 1.2: Tinh thể hai chiều. Vì tinh thể là gián đoạn cho nên trong số tất cả các vectơ e , e , e theo mỗi hướng tuần hoàn của tinh thể có một vectơ ngắn nhất a , a , a và e n1 a1 , e n2 a2 , e n3 a3 , với n1, n2, n3 là các số nguyên. Tinh thể có tính đối xứng (bất biến) đối với tất cả các phép tịnh tiến T R mà: (1.1) R n1 a1 n2 a2 n3 a3 Các phép tịnh tiến này tạo thành một nhóm, gọi là nhóm tịnh tiến, với quy tắc nhân sau đây: T R1 T R2 T R1 R2 1.1.1.2 Định nghĩa mạng Bravais Tập hợp tất cả các điểm có vecto bán kính R xác định bởi công thức (1.1) tạo thành một mạng trong không gian gọi là mạng Bravais. Mỗi điểm đó gọi là một nút của mạng. Các vecto a1 , a2 , a3 gọi là các vecto cơ sở của mạng Bravais. 4 1.1.1.3 Ô sở Bộ ba vecto a1 , a2 , a3 gọi là các vecto cơ sở, chiều dài của chúng được gọi là hằng số mạng. Hình hộp được tạo bởi các vecto cơ sở gọi là ô đơn vị hay ô cơ sở. Ô cơ sở là một thể tích không gian có tính chất như sau : a Khi thực hiện tất cả phép tịnh tiến tạo thành mạng Bravais, nghĩa là tất cả phép tịnh tiến có dạng (1.1), thì tập hợp tất cả các ô thu được từ ô ban đầu sẽ lấp đầy toàn bộ không gian, không để lại khoảng trống nào. b Hai ô khác nhau chỉ có thể có các điểm chung nằm trên mặt phân cách của chúng. c Ô cơ sở có thể tích: VC a1 a2 a3 (1.2) 1.1.1.4 Ô nguyên tố Wigner- Seitz Có nhiều cách chọn ô cơ sở. Các ô cơ sở mà các nút mạng chỉ nằm ở đỉnh của hình hộp gọi là ô nguyên tố như ví dụ trong hình 1.3. Ô nguyên tố có thể tích nhỏ nhất và trong mỗi ô chỉ chứa một nút mạng. Hình 1.3. Ô nguyên tố lập phương đơn giản. Bao giờ cũng có thể chọn ô nguyên tố để sao cho nó có đầy đủ tính chất đối xứng của mạng Bravais. Cách chọn nổi tiếng là chọn ô Wigner- Seitz, được xây dựng như sau. Lấy một nút 0 xác định trên mạng Bravais, tìm nút lân cận theo tất cả các phương, vẽ mặt phẳng trực giao với đoạn thẳng nối O 5 với tất cả các nút lân cận đó tại trung điểm của đoạn này. Khoảng không gian giới hạn bởi các mặt đó là ô nguyên tố Wigner- Seitz. (Hình 1.4). Hình 1.4. Ô nguyên tố Wigner – Seitz của mạng lập phương tâm mặt. 1.1.1.5 Phân loại mạng Bravais Để mô tả một ô cơ sở cần phải biết sáu đại lượng là ba cạnh a1 , a2 , a3 và các góc , , được tạo thành với ba cạnh như trong hình Hình 1.5. a3 a2 a1 Hình 1.5 Mô tả ô cơ sở Căn cứ vào tính chất đối xứng của các loại mạng không gian người ta chia 14 mạng Bravais thành 7 hệ ứng với bảy loại ô sơ cấp khác nhau, được trình bày trong bảng 1.1.1.5. 6 Bảng 1.1.1.5 Hệ Tam tà (Triclinic) Số mạng tinh thể Tính chất a1 a2 a3 + Tam tà 900 a1 a2 a3 Đơn tà (Monoclicnic) + Đơn tà + Đơn tà tâm đáy 900 , 900 + Hệ thoi + Hệ thoi tâm đáy Thoi (Arthorhomlic) + Hệ thoi tâm khối 900 + Hệ thoi tâm mặt a1 a2 a3 + Hệ tứ giác Tứ giác (Tetragonal) + Hệ tứ giác tâm a1 a2 a3 900 khối + Hệ lập phương + Hệ lập phương Lập phương (Cubic) tâm mặt a1 a2 a3 + Hệ lập phương 900 tâm khối a1 a2 a3 Tam giác (Trigonal) + Hệ tam giác 900 , 1200 a1 a2 a3 Lục giác (Hexagonal) + Hệ lục giác 900 1200 7 Để xác định hằng số Hall trong bán dẫn ta cần xác định mật độ dòng electron và mật độ dòng lỗ trống vì bán dẫn luôn luôn tồn tại hai loại hạt tải là electron và lỗ trống. Ta sẽ tính toán từng loại hạt tải rồi tổng hợp thành kết quả cuối cùng. Xét mật độ dòng electron: J e n.eV e (2.52) Trong đó: n: Mật độ dòng electron e: Điện tích nguyên tố, có giá trị 1,6.10-19C V e : Vận tốc trung bình của electron Nếu có từ trường ngoài tác dụng, B ≠ 0 và trạng thái cân bằng được thiết lập vận tốc trung bình của các electron là: Ve e V B (2.53) e : Độ linh động của electron : Điện trường Thay biểu thức (2.3) vào biểu thức (2.52) ta được: J e ne e V B = nee V B Do từ trường ngoài hướng theo Oz nên Bx = By = 0, Bz = B ta có: i j k V e B Vex Vey Vez Vey Bi Vex Bj 0 B Khi đó phương trình (2.53) trở thành: V e Vey Bi Vex Bj 26 (2.54) Vex e x eVey B e x Vey B Vey e y eVex B e y Vex B (2.55) J ex nee x Vey B và J ey nee y Vex B (2.56) Thay Vex , Vey trong biểu thức (2.55) vào biểu thức (2.56), khai triển và bỏ qua số hạng B2 vì giả thiết từ trường yếu để yêu cầu không làm thay đổi cấu trúc của bán dẫn, lúc này ta sẽ có: J ex nee x Vey B nee x e y Vex B B nee x e y B (2.57) và J ey nee y Vex B nee y e x Vey B B nee y e x B (2.58) Đối với lỗ trống ta thu được biểu thức bằng cách tương tự chỉ cần lưu ý là lỗ trống tích điện (+): J hx peh x Vhy B (2.59) J pe V B hy h y hx mà: Vhx h x Vhy B (2.60) V V B hy h y hx Thay biểu thức Vhx và Vhy trong biểu thức (2.60) vào (2.59), ta thu được: J hx peh x Vhy B peh x h y Vhy B B peh x h y B 27 (2.61) J hy pe h y Vhx B pe h y h x Vhy B B peh y h x B (2.62) Lưu ý rằng trong tính toán ở trên, ta bỏ qua số hạng B2 vì giả thiết từ trường yếu. Trong bán dẫn khi cả electron và lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện, thì mật độ dòng toàn phần: J J e J h Ta có: J x J ex J hx nee x e y B pe h x h y B (2.63) = (nee peh ) x nee2 peh2 y B và J y J ey J hy nee y e x B pe h y h x B (2.64) = (nee peh ) y nee2 peh2 x B Trong hiệu ứng Hall như ta đang giả thiết ở trên các hạt tải điện di chuyển theo trục x và jy= 0. Từ biểu thức (2.64), ta có: (nee peh ) y nee2 peh2 x B = 0 y peh2 nee2 xB nee peh (2.65) Thay (2.65) vào biểu thức (2.53) ta có: pe h2 ne e2 jx (ne e pe h ) x pe ne xB nee pe h h jx ( ne e pe h ) x e 28 x jx (2.66) nee pe h Lưu ý rằng khi tính toán ta loại bỏ số hạng chứa B2, thay thế kết quả x trong (2.66) vào (2.65) ta thu được: y pe h2 nee2 jx B nee peh (2.66) Uy peh2 nee2 I B a nee pe h a.d Cần lưu ý rằng, hiệu điện thế theo trục y, Uy chính là hiệu điện thế Hall, UH. Do đó ta có: UH peh2 nee2 IB nee peh d U H RH (2.67) I B d Suy ra biểu thức của hằng số Hall: peh2 nee2 ph2 ne2 RH nee peh e ne ph (2.68) Trong trường hợp bán dẫn loại n tức p = 0, từ (2.58) ta tính được: Re 0, còn ở khoảng nhiệt độ khác thì ph2 ne2 nên RH [...]... AIBIIICVI (CuAlS2, AgInSe2…), AIVBVCVI (PbBiSe2) v.v…. Một số hợp chất hữu cơ cũng có tính bán dẫn. Ngoài bán dẫn có cấu trúc tinh thể, người ta còn phát hiện gốm có tính chất bán dẫn. Tuy vậy, trong phạm vi nghiên cứu của khóa luận này, ta chỉ xét đến tính chất bán dẫn có cấu tạo tinh thể. 2.1.2 Tính chất điện của bán dẫn 2.1.2.1 Tính chất điện của bán dẫn tinh khiết Trước hết hãy khảo sát tính chất dẫn điện của bán dẫn tinh khiết. Ta kí ... hkl ) G ( hkl ) 10 (1.10) CHƯƠNG 2: MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA BÁN DẪN KHỐI 2.1 Các khái niệm cơ sở 2.1.1 Sơ lược về tính chất của bán dẫn Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa vật dẫn điện và vật cách điện. Bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Về mặt tính chất dẫn điện bán dẫn có giá trị điện trở suất trung gian ... 2.1.2.2.3 Tính mật độ hạt tải điện trong bán dẫn pha tạp Trước hết, ta hãy xét trường hợp bán dẫn pha tạp chất đôno có mật độ tạp chất Nd (số nguyên tử tạp chất đôno trên một đơn vị thể tích bán dẫn) . Giả sử tạp chất có hóa trị 1, tức là mỗi nguyên tử tạp chất có thừa 1 electron (chẳng hạn P trong Si). Ở nhiệt độ T nào đó, một số nguyên tử tạp chất bị ion hóa, trở thành ion tạp chất, ... riêng. Kết quả là với Si pha P số electron dẫn (và do đó mật độ electron dẫn) luôn lớn hơn số (hay mật độ) lỗ trống. Electron là hạt mang điện đa số, còn lỗ trống là hạt mang điện thiểu số. Bán dẫn dẫn điện chủ yếu bằng electron dẫn, nên gọi là bán dẫn loại n. Trên biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại n (hình 2.1b) trong vùng cấm có mức năng lượng đôno ở rất gần đáy vùng dẫn. Cách đáy vùng dẫn một khoảng Ed. Khi thu được năng lương Ed, electron từ mức đôno nhảy lên vùng ... trong đó, ρ0 là điện trở suất ở 0oC, là hệ số nhiệt của điện trở suất. Với một số kim loại tinh khiết 1 K hay T0 =273K. 273 Bán dẫn có điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ theo biểu thức: 0 e B /T (2.2) Như vậy, khi nhiệt độ tăng, điện trở của bán dẫn giảm. Các điện môi cũng có tính chất giống như bán dẫn, nhưng các đại lương ρ0, B có giá trị khác nhau. Bán dẫn có thể là các nguyên tố hóa học như: Ge, Se, B, C, Si, Sn-... Trong trường hợp chung, dấu của hằng số Hall phụ thuộc vào dấu của tử số trong (2.68). Khi ph2 ne2 thì hằng số Hall là âm. Còn khi ph2 ne2 thì hằng số Hall là dương. Ở bán dẫn, mật độ electron n và lỗ trống p phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ (theo hàm mũ), vì vậy hằng số Hall cũng phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Vậy với một số vật liệu bán dẫn cụ thể, có thể xảy ra ở 2 2 một khoảng nhiệt độ nào đó thì ... Nếu ta tiếp tục tăng nhiệt độ, thì một số electron ở vùng hóa trị chuyển được lên vùng dẫn. Nhiệt độ càng tăng, số electron này càng nhiều, do đó vai trò của tính dẫn điện riêng càng trở nên quan trọng so với tính dẫn điện do tạp chất. Mặt khác, đến nhiệt độ đủ cao, mọi nguyên tử tạp chất đều bị ion hóa, khi đó dù nhiệt độ có tăng nữa thì số electron dẫn do tạp chất tạo nên cũng không tăng thêm. ... trong bán dẫn Ta sẽ nghiên cứu hiệu ứng Hall trong một mẫu bán dẫn có mật độ dòng là J, bề dày d, bề rộng a, có dòng điện một chiều I chạy qua dọc theo trục x, đồng thời đặt dưới từ trường B vuông góc hướng theo trục z như hình 2.1.3. Khi đó trên hai mặt của bán dẫn sẽ tích điện trái dấu và hình thành hiệu điện thế U H RH I B được gọi là hiệu điện thế Hall trong bán dẫn. Với RH là hằng d số Hall. Trong bài toán này chúng ta sẽ đi tính toán hằng số Hall đó. ... phụ thuộc vào T 2.1.2.2 Tính chất điện của bán dẫn tạp chất 2.1.2.2.1 Bán dẫn tạp chất loại n Ta hãy xét trường hợp tinh thể Si có pha lượng nhỏ tạp chất là nguyên tố nhóm V như P, As, Sb… Trong tinh thể Si, nguyên tử của tạp chất thay chỗ cho nguyên tử Si. Sau khi đã góp chung 4 electron với các nguyên tử Si ở xung quanh nguyên tử tạp chất (P chẳng hạn) còn thừa một electron hóa trị hình (2.1a). Electron thừa này liên kiết rất yếu với nguyên tử tạp chất. Vì vậy, ... Suy ra biểu thức của hằng số Hall: peh2 nee2 ph2 ne2 RH 2 2 nee peh e ne ph (2.68) Trong trường hợp bán dẫn loại n tức p = 0, từ (2.58) ta tính được: Re 1 ... Đó chính là lí do em quyết định chọn đề tài này: Nghiên cứu số tính chất vật lý bán dẫn ” 1 Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu một số tính chất vật lý của bán dẫn. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cấu trúc bán dẫn. - Nghiên cứu một số tính chất vật lý của bán dẫn khối. ... - Nghiên cứu một số tính chất vật lý của bán dẫn khối. Đối tượng nghiên cứu - Bán dẫn khối. Phạm vi nghiên cứu - Tính chất vật lý của bán dẫn khối. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu trên mạng, một số sách. ... 2: MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA BÁN DẪN KHỐI 2.1 Các khái niệm sở 2.1.1 Sơ lược tính chất bán dẫn Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa vật dẫn điện và vật cách điện. Bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện