Nghiên cứu các hiệu ứng trong chất bán dẫn

Lời cảm ơn Để hoàn thành khoá luận, tác giả nhận đợc giúp đỡ tận tình chu đáo thầy giáo hớng dẫn Ths_Nguyễn Viết Lan, tác giả xin ghi khắc lòng thầy giáo xin đợc gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Trong trình học tập làm khoá luận tác giả nhận đợc giúp đỡ to lớn thầy cô khoa Vật Lý Trờng Đại học Vinh bạn sinh viên lớp 42B khoa Vật Lý Do thời gian không nhiều, phạm vi nghiên cứu rộng không tránh khỏi khiếm khuyết Tác giả mong muốn nhận đợc góp ý thầy cô giáo bạn để học hỏi hoàn thiện Tác giả đề tài: Nguyễn Thị Kiều Hoa Mục lục Trang Mở đầu Chơng I: Các hiệu ứng nhiệt điện 1.Hiệu ứng Seebeck 1.1 Suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối bán dẫn suy biến 1.2 Suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối bán dẫn không suy biến 1.3 Suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối bán dẫn 12 có hai loại hạt dẫn 2.Hiệu ứng Peltier 13 3.Hiệu ứng Thomson 16 4.Hệ số phẩm chất vật liệu nhiệt điện 19 Chơng II: Hiệu ứng điện từ 20 1.Hiệu ứng Hall 20 1.1.Nghiên cứu hiệu ứng Hall thực nghiệm 20 1.2.Giải phơng trình động boltzmann trờng hợp 22 có điện từ trờng tác dụng 1.3.Hiệu ứng Hall bán dẫn suy biến 26 1.4.Hiệu ứng Hall bán dẫn không suy biến 29 1.5.Bán dẫn có tính dẫn hỗn hợp điện tử lỗ trống 30 2.Hiệu ứng từ điện trở 32 3.Hiệu ứng từ nhiệt điện 35 3.1.Hiệu ứng Nernst 35 3.2.Hiệu ứng Ettingshausen 37 3.3.Hiệu ứng Righi-leduc 38 Chơng III: ứng dụng thực tế hiệu ứng nhiệt điện 40 điện từ 3.1.Pin nhiệt điện 40 3.2 Với hiệu ứng điện từ 43 Kết luận 45 Tài liệu tham khảo 46 Mở đầu 1- Lý chọn đề tài Chúng ta sống thời đại phát triển cao mạnh mẽ kỹ thuật điện tử, tin học viễn thông Đóng góp vào thành tựu phải kể đến vai trò lĩnh vực khoa học bề mặt: vật lý chất rắn bán dẫn Sỡ dĩ có đợc thành nh ngời phải trải qua hàng trăm năm tích luỹ kinh nghiệm, tìm tòi, nghiên cứu, từ bớc chập chững ngời ta cố loại bỏ chất bán dẫn khỏi vật liệu kỹ thuật, việc tìm tính chất kỳ lạ Selen vào năm 70 kỷ 19 ngày công trình nghiên cứu cho thấy nhiều chất bán dẫn chất phát quang tốt, số chất bán dẫn khác lại có khả bắn electron khỏi bề mặt mình, cuối ngời ta thấy nhóm chất bán dẫn phát electron dới tác động số kích thích bên (nhiệt, điện, quang) Dựa sở ng ời ta chế tạo máy phát nhiệt điện, thiết bị làm lạnh máy điều hoà nhiệt độ, vô tuyến, máy tính, điện thoại nhằm đáp ứng nhu cầu phục vụ cho sống ngời Tuy nhiên giá trị thực đặc trng cho chất bán dẫn mục tiêu phía trớc nhà nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Song thiết nghĩ để phát huy mạnh thiết bị kỹ thuật cần nắm đợc nguyên lý dụng cụ bán dẫn, cần hiểu hiệu ứng vật lý xẩy bán dẫn, tơng tác hạt tải điện với photon dới điều kiện tác động khác chọn đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng chất bán dẫn Mục đích nghiên cứu Việc khai thác đề tài Nghiên cứu hiệu ứng chất bán dẫn nhằm mục đích hiểu sâu chất tợng vật lý từ biết đợc khả ứng dụng kết nghiên cứu phục vụ khoa học kỹ thuật nh đáp ứng nhu cầu thực tiễn sống ngày Giả thiết khoa học Thông qua việc lựa chọn nghiên cứu đề tài giúp nắm đặc tính chất bán dẫn chịu tác động kích thích bên (nhiệt, điện, quang) từ ngời ta biết khả ứng dụng tợng chất bán dẫn vào khoa học kỹ thuật nh sống Phơng pháp nghiên cứu - Phơng pháp lý thuyết Dùng kiến thức toán học, vật lý đại cơng, học lợng tử, vật lý thống kê, vật lý chất rắn bán dẫn để nghiên cứu hiệu ứng chất bán dẫn - Phơng pháp thực nghiệm Quan sát mô tả hoạt động thiết bị kỹ thuật đợc sản xuất từ việc vận dụng hiệu ứng chất bán dẫn qua để kiểm nghiệm lại đắn lý thuyết Đối tợng nghiên cứu Các hiệu ứng chất bán dẫn ứng dụng hiệu ứng Cấu trúc luận văn - Phần mở đầu - Phần nội dung : Gồm chơng Chơng I: Các hiệu ứng nhiệt điện Chơng II: Hiệu ứng điện từ Chơng III: ứng dụng thực tế hiệu ứng nhiệt điện điện từ - Phần kết luận Chơng I Các hiệu ứng nhiệt điện - Các hiệu ứng nhiệt điện kết dòng lợng, dòng điện mà hạt dẫn gây nên chuyển động dới tác dụng điện trờng hay chênh lệch nhiệt độ ( ! Gradien nhiệt độ mẫu) Điện trờng có thể trờng bên đặt vào l trờng nội i sinh có gradien nhiệt độ hay không đồng mẫu Có ba hiệu ứng nhiệt điện chính, hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier hiệu ứng Thomson Có thể nói ý nghĩa ngắn gọn hiệu ứng nh sau: Hiệu ứng seebeck xuất suất nhiệt điện động mẫu có gradien nhiệt độ, hiệu ứng Peltier thu nhiệt hay toả nhiệt mẫu dòng điện chạy qua mẫu không đồng nhất, nghĩa có gradien mức Fecmi,hiệu ứng Thomson thu nhiệt hay toả nhiệt so với định luật Jun-Lenz có dòng điện chạy qua mẫu đồng nhng có gradien nhiệt độ Hiệu ứng Seebeck Là xuất suất nhiệt điện động mẫu có Gradien nhiệt độ Chúng ta xét hai mẫu vật liệu khác tiếp xúc với (Hình vẽ) B T1 Kim loại (Bán dẫn) C T2 Kim loại Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ hai mối hàn T T2 khác mạch kín có dòng điện chạy Nếu mạch hở chỗ hai đầu hở xuất hiệu, gọi suất nhiệt điện động Đó hiệu ứng Seebeck Chúng ta ký hiệu suất nhiệt điện động 12 độ chênh lệch nhiệt độ T T2 nhỏ ta biểu diễn suất nhiệt điện động sinh biểu thức: d 12 = 12dT (1.1.1) 12: Gọi suất nhiệt điện động vi phân tơng đối Đại lợng 12 phụ thuộc vào: - Vật liệu thứ vật liệu thứ hai - Phụ thuộc vào nhiệt độ 12 đo (V/K) Khi nhiệt độ hai tiếp xúc T1 T2thì suất nhiệt điện động sinh là: T11 12 = 12 ( T )dt (1.1.2) T2 Hiệu ứng Seebeck đợc giải thích: Ta biết mẫu đồng nhất, có tồn Gradien nhiệt độ xẩy chuyển động khuếch tán hạt dẫn từ điểm nóng đến điểm nguội mẫu, đồng thời xuất mẫu điện trờng trờng nhiệt điện Từ công thức xác định điện trờng J F K 21 FK 11 T = + + eK11T r e K11 e r J : Mật độ dòng điện (1.1.3) KRS: Hệ số nhiệt động F: Mức Fecmi Ta thấy điện trờng tồn mẫu gồm thành phần: * Thành phần thứ phụ thuộc vào mật độ dòng điện theo định luật ôm * Thành phần thứ hai không đồng mẫu phụ thuộc gradien mức Fecmi * Thành phần thứ ba phụ thuộc vào gradien nhiệt độ, thành phần thứ ba trờng nhiệt điện Nếu ta ký hiệu trờng nhiệt điện ( ) ta viết: K FK11 ( ) = 21 T = T eK11T Đại lợng = (1.1.4) K 21 FK11 : Gọi suất nhiệt điện động vi phân eK 11T tuyệt đối phụ thuộc vào: + Bản chất vật liệu + Nhiệt độ ii K RS : Hệ số nhiệt động F : Mức Fecmi Ngời ta đa đại lợng khác gọi suất nhiệt điện động tích phân tuyệt định nghĩa: T = ( )d (1.1.5) Giữa có mối quan hệ xác định công thức sau: d d dT d = = = T = ( T ) T = ( ) (1.1.6) dr dT dr dT Mặt khác điện trờng đợc biểu diễn qua gradien điện nhiệt điện, gọi điện V ta viết: = V (1.1.7) Nh suất nhiệt điện động tích phân tuyệt đối điểm điện điểm với dấu ngợc lại, nghĩa là: [ T ( r ) ] = V [ T ( r ) ] (1.1.8) Do hiệu điện hai điểm V12 bằng: V12 = V (1) V ( 2) = ( 2) (1) (1.1.9) Vì đợc biểu diễn qua gradien hàm (V) nên tr ờng lu số khung kín phải không: ( ) V = dl = (1.1.10) Nói cách khác : Suất nhiệt điện động trờng nhiệt điện gây nên khung kín cấu tạo từ chất phải không, gây nên dòng điện suất điện động khung kín cấu tạo từ chất Nếu khung cấu tạo từ hai hay nhiều chất khác khung kín có dòng điện hay suất điện động Giả sử xét khung kín gồm chất khác Khi suất điện động V đợc ký hiệu V12 bằng: ( ) ( ) ( ) B A V =V 12= dl = dl dl A ( ) ( B ) ( ) ( ) B B B = dl + dl = Tdl + Tdl B A A T ( B) = ( A A T ( B) )dT = T ( A) 12 dT (1.1.11) T ( A) T(A) T(B) nhiệt độ hai mối hàn chất thứ chất thứ hai Trong 12 gọi suất nhiệt điên động vi phân tơng đối Kết luận: Suất nhiệt điện động vi phân tơng đối 12 hiệu số suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối hai chất - Bây tính suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối chất bán dẫn 1.1 Suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối bán dẫn suy biến Từ công thức: = K 21 FK 11 eTK 11 (1.1.12) Thay đại lợng K 21 , K11 bán dẫn suy biến: Xuất phát từ công thức tính hệ số nhiệt động: K 11ij = ij 3m . f N ( E ) dE (1.1.13) K = ij 21 ij 3m E f N ( E ) dE Đối với bán dẫn suy biến ta có: (1.1.14) f = (E F ) E (1.1.15) thay vào (1.1.13),(1.1.14) ta tính đợc: K 11 = . ( E ) ( E - F).N ( E ) dE 3m = ( F ) F N ( F ) 3m (1.1.16) 2m 2 N ( F ) = F : mật độ trạng thái vùng cho phép h ( F ) : Thời gian hồi phục ( hay thời gian chuyển động tự trung bình) điện tử mặt đẳng có lợng F Thay N(F) vào biểu thức ta có: 2m K11 = F ( F ) 3m h (1.1.17) Đối với bán dẫn suy biến ta có: n= K11 = 2m F h n (F) m Tơng tự ta có: K 21 = n F ( F ) m (1.1.18) (1.1.19) (1.1.20) Thay (1.1.19),(1.1.20) vào (1.1.12) ta có: n n F ( F ) F (F) m m = =0 n eT ( F ) m (1.1.21) Để nhận đợc giá trị cần phải dùng gần bậc cao Ta xét số trờng hợp riêng sau đây: - Với bán dẫn lỗ trống n = A R= e p p R>0 (2.1.55) - Với bán dẫn điện tử: p = A A R= e n=e n p n R1 nhiệt độ tăng lên giá trị tuyệt đối R giảm xuống - Đối với bán dẫn loại n, R < 0, nhiệt độ ion hoá tạp chất nồng độ điện tử gần nh không đổi theo nhiệt độ nên R không đổi, nhiệt độ tăng bán dẫn trở thành bán dẫn riêng nhng b > nên R < giá trị tuyệt đối R giảm xuống nh bán dẫn riêng - Đối với bán dẫn loại p, nhiệt độ ion hoá p >> n nên b > 1, R lớn không Khi nhiệt độ tăng lên giá trị tuyệt đối R giảm dần n/p = x lớn dần, nhiệt độ tăng đến giá trị R không Hiệu ứng từ điện trở - Chúng ta xét hiệu ứng từ điện trở sở phơng trình động Bolztmann Hiệu ứng từ điện trở thay đổi điện trở mẫu dới tác dụng từ trờng Xét mẫu bán dẫn có dạng hình hộp chữ nhật, cạnh hình hộp song song với trục toạ độ Giả thiết mặt đẳng có dạng mặt cầu có loại hạt dẫn Chúng ta biết trờng hợp có từ trờng, cách xác ta phải dùng hệ số nhiệt động K rs K rs = e r s n m e 1+ B m n e r s = m 1+ 2B2 (2.2.1) Khi độ dẫn dọc theo điện trờng ( ) x có dạng: e4 K B = e K + 12 B m K 11 11 Hay là: B = en + en 1+ 2B2 (2.2.2) à2 1+ 2B2 B2 1+ 2B2 (2.2.3) Để đặc trng cho hai hiệu ứng từ điện trở ngời ta đa đại lợng gọi hệ số từ trở B với định nghĩa sau: B = = B 1 B / B = = 2 B B 1/ B B B B2 (2.2.4) Nếu biết B điện trở suất mẫu từ trờng B có dạng: B = ( 1+ BB2) hay B = + B B 0= e2K11 = en (à) ta tính đợc B: (2.2.5) e ( K 12 ) 2 e ( K 11 K ) B m K 11 B = B e ( K 12 ) 2 e K 11 + B m K 11 11 B = à2 1+ 2B2 1+ 2B2 B2 + 1+ 2B2 (2.2.6) B2 1+ 2B2 à2 1+ 2B2 (2.2.7) B2 1+ 2B2 (1 ) 1+ Với công thức gần Nếu 2[...]... biệt các hiệu ứng từ nhiệt và các hiệu ứng từ nhiệt điện Các hiệu ứng từ nhiệt là các hiệu ứng xẩy ra khi có gradien nhiệt độ, có tác dụng của từ trờng nhng không có dòng điện chạy qua mẫu .Các hiệu ứng từ nhiệt điện là các hiệu ứng xẩy ra khi có gradien nhiệt độ, từ trờng và có dòng điện 3.1 Hiệu ứng Nernst Đây là hiệu ứng từ nhiệt dễ đo nhất trong các hiệu ứng từ nhiệt, bởi vì trong các hiệu ứng khác... nh bán dẫn loại n và bán dẫn loại p, nghĩa là chuyển tiếp p n Trong những trờng hợp đó ngời ta dùng hệ số phẩm chất tơng đối của cặp: 122 1/ 2 1/ 2 Z12 = X 1 X2 1 + 2 2 (1.4.2) Chơng II Hiệu ứng điện từ 1- Hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall là một trong những hiệu ứng ganvanic - từ và là hiệu ứng quan trọng nhất, do sự chuyển động của hạt dẫn trong điện trờng và từ trờng gây nên mẫu 1. 1Nghiên. .. ứng Hall đối với bán dẫn suy biến ta thấy các đặc trng đó phụ thuộc vào ( F ) nghĩa là thời gian hồi phục của hạt dẫn với năng lợng bằng mức Fecmi Đó là vì trong bán dẫn suy biến chỉ có các hạt dẫn ở mức F tham gia vào hiệu ứng Hall 1.4 Hiệu ứng Hall trong bán dẫn không suy biến Trong bán dẫn không suy biến ta có: K 11 = ( 5 +p n n P 2 ( ) = kT 0 m m 5 2 ( ) ) (2.1.47) K12 = n 2 n 2 E = m m (... phân tuyệt đối của bán dẫn có tính dẫn hỗn hợp nhỏ hơn của bán dẫn có một loại hạt dẫn (n ngợc dấu p) Đó là vì chiều của trờng nhiệt điện do khuếch tán điện tử ngợc với trờng do khuếch tán lỗ trống 2 Hiệu ứng Peltier Hiệu ứng peltier là sự thu nhiệt hay toả nhiệt của mẫu khi có dòng điện chạy qua một mẫu không đồng nhất,nghĩa là có gradien của mức Fecmi Hiệu ứng Peltier ngợc lại hiệu ứng Seebeck Cho một... không 2 Hiệu ứng từ điện trở - Chúng ta xét hiệu ứng từ điện trở trên cơ sở phơng trình động Bolztmann Hiệu ứng từ điện trở là sự thay đổi điện trở của mẫu dới tác dụng của từ trờng Xét một mẫu bán dẫn có dạng hình hộp chữ nhật, các cạnh của hình hộp song song với các trục toạ độ Giả thiết mặt đẳng năng có dạng mặt cầu và chỉ có một loại hạt dẫn Chúng ta biết rằng trong trờng hợp có từ trờng, một cách... Đối với bán dẫn riêng n = p; x = 1: Thông thờng R < 0 bởi vì b >1 khi nhiệt độ tăng lên giá trị tuyệt đối của R giảm xuống - Đối với bán dẫn loại n, R < 0, ở nhiệt độ ion hoá tạp chất nồng độ điện tử gần nh không đổi theo nhiệt độ nên R không đổi, khi nhiệt độ tăng bán dẫn trở thành bán dẫn riêng nhng vì b > 1 nên R < 0 và giá trị tuyệt đối của R giảm xuống nh đối với bán dẫn riêng - Đối với bán dẫn loại... của hạt dẫn cơ bản 1.3 Suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối của bán dẫn có hai loại hạt dẫn (Ví dụ điện tử và lỗ trống) Suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối đợc biểu diễn qua K11 và K21, các suất nhiệt điện động đều đợc biểu diễn qua tích phân các hạt dẫn Nói cách khác Krs, có tính chất cộng đợc, nếu có hai loại hạt dẫn thì ta có: Krs= K rs(n ) + K rs( p ) cho nên công thức đối với bán dẫn chứa... tuyệt đối của bán dẫn không suy biến: = 1 [ (5 / 2 + p)kT ( F Ec)] eT = F Ec k 5 + P e 2 kT = k Nc 5 / 2 + p + ln e n (1.1.35) Dựa vào công thức ta có thể kết luận: Khi tán xạ bán dẫn _ kim loại thì suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối thu đợc thực chất là suất nhiệt điện động vi phân tuyệt đối của bán dẫn Ta thấy rằng phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ tạp chất của chất bán dẫn Vì Nc thờng... 5 1 2p + 2 2 = 2 en p+ 5 2 [( (2.1.49) Nh vậy đối với bán dẫn không suy biến thời gian hồi phục đợc lấy theo tất cả hạt dẫn và giá trị đó phụ thuộc cơ chế tán xạ 1.5 Bán dẫn có tính dẫn hỗn hợp điện tử và lỗ trống Đối với bán dẫn có tính dẫn hỗn hợp, do tính cộng đợc của các hệ số nhiệt động nên ta có mật độ dòng điện khi có hai loại hạt dẫn là điện tử và lỗ trống: e 3p en3 2 2 J = en K 11n... trờng và từ trờng gây nên mẫu 1. 1Nghiên cứu hiệu ứng Hall bằng thực nghiệm a c b z N Nam châm By Ix y a B +- b c x VH A Hình 1: Sơ đồ thực nghiệm hiệu ứng Hall Để nghiên cứu hiệu ứng Hall ngời ta dùng sơ đồ nh hình trên ở đây điện trờng đặt vào mẫu song song với trục x, từ trờng song song với trục y và theo trục z ngời ta đo điện trờng Hall Nội dung của hiệu ứng Hall là: Khi cho dòng điện I chạy qua ... đối bán dẫn 12 có hai loại hạt dẫn 2 .Hiệu ứng Peltier 13 3 .Hiệu ứng Thomson 16 4.Hệ số phẩm chất vật liệu nhiệt điện 19 Chơng II: Hiệu ứng điện từ 20 1 .Hiệu ứng Hall 20 1.1 .Nghiên cứu hiệu ứng. .. 1.3 .Hiệu ứng Hall bán dẫn suy biến 26 1.4 .Hiệu ứng Hall bán dẫn không suy biến 29 1.5 .Bán dẫn có tính dẫn hỗn hợp điện tử lỗ trống 30 2 .Hiệu ứng từ điện trở 32 3 .Hiệu ứng từ nhiệt điện 35 3.1 .Hiệu. .. thuật đợc sản xuất từ việc vận dụng hiệu ứng chất bán dẫn qua để kiểm nghiệm lại đắn lý thuyết Đối tợng nghiên cứu Các hiệu ứng chất bán dẫn ứng dụng hiệu ứng Cấu trúc luận văn - Phần mở đầu