Cơ sở vật liệu điện tử

KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ Dải lượng vật liệu rắn Giản đồ lượng Kim loại, vật liệu bán dẫn vật liệu cách điện Bán dẫn Điện tử lỗ trống Pha tạp vật liệu bán dẫn Bán dẫn tạp Bán dẫn tạp loại N loại P Sự tích tụ hạt tải điện vật liệu bán dẫn 10 Phân biệt bán dẫn bán dẫn tạp 11 Phân biệt vật liệu bán dẫn kim loại 12 Độ dẫn điện vật liệu bán dẫn Dải lượng vật liệu rắn  Theo định luật học lượng tử, mức NL electron nguyên tử tự có giá trị tùy ý, mà giá trị xác định (lượng tử)  Tuy nhiên, nguyên tử nằm mạng tinh thể, mức lượng có biến đổi  Sự biến đổi không thấy rõ mức NL electron nằm lớp bên (hoàn toàn lấp đầy)  Nhưng lớp nhận thấy thay đổi, electron chia sẻ (dùng chung) nhiều nguyên tử lân cận  Dưới tác động điện trường mạnh hạt nhân nguyên tử điện tử dùng chung, mức NL phân tách hay trải ra, hình thành nên dải NL Cho mạng tinh thể Si có chứa N nguyên tử Mỗi nguyên tử gắn với vị trí mạng lưới Cấu hình electron Si 1s2, 2s2, 2p6,3s2, 3p2 (Số nguyên tử = 14) Sự hình thành dải lượng vật liệu rắn Năng lượng Dải dẫn điện • • • • 3p2 •••••• • • • • 2p Dải cấm 3s2 Dải hóa trị O a b c d 2s2 1s2 Trạng thái ion hạt nhân K/c ng tử (r) (i) r = Od (>> Oa): Mỗi nguyên tử số N ng.tử sở hữu mức NL riêng Các mức NL đồng nhất, rõ ràng, rời rạc phân biệt Hai phân lớp bên (3s 3p) nguyên tử Silic chứa hai electron s hai electron p Vì vậy, có 2N electron lấp đầy hoàn toàn 2N mức s cho phép, tất số chúng có mức NL Trong số 6N mức NL p cho phép, có 2N mức lấp đầy tất mức p lấp đầy có NL (ii) Oc < r < Od: Không nhìn thấy phân chia mức NL bộc lộ xu hướng phân chia mức NL (iii) r = Oc: Sự tương tác điện tử lớp nguyên tử Si lân cận trở nên đáng kể bắt đầu có phân chia mức NL (iv) Ob < r < Oc: NL tương ứng với mức s p nguyên tử có thay đổi nhỏ Tương ứng với mức s đơn lẻ nguyên tử cách ly thu 2N số mức Tương tự, có 6N mức cho mức p đơn lẻ nguyên tử cách ly Do N số lớn (≈ 1029 ng.tử / m3) NL mức vài eV, mức NL trải với khoảng cách sát Khoảng cách ≈ 10-23 eV cho cm3 tinh thể Tập hợp mức NL xếp sát gọi dải lượng (v) r = Ob: Khe NL cấm biến cách hoàn toàn 8N mức NL phân bố cách liên tục Chỉ nói 4N mức NL lấp đầy 4N mức để trống (v) r = Oa: Dải gồm 4N mức NL lấp đầy ngăn cách với dải gồm 4N mức NL chưa lấp đầy (khe) dải lượng, gọi dải cấm Dải lấp đầy hoàn toàn bên (bởi điện tử hóa trị) gọi dải hóa trị, dải chưa lấp đầy bên gọi dải dẫn điện Chú ý: Bức tranh xác dải NL phụ thuộc vào định hướng tương đối nguyên tử mạng tinh thể Nếu dải NL vật rắn hoàn toàn lấp đầy, electron ko phép di chuyển qua lại, không mức NL trống Kim loại: Giản đồ dải NL cho phép cho thấy dải dẫn điện lấp đầy phần electron Chỉ cần thêm chút NL nhỏ điện tử dễ dàng nhảy đến mức NL trống phía khả dẫn điện đạt tới Giản đồ dải NL cho phép thứ hai cho thấy dải dẫn điện chồng lấn với dải hóa trị Điều mức NL thấp dải dẫn điện cần NL so với mức cao dải hóa trị Các điện tử dải hóa trị nhảy tràn sang dải dẫn điện chúng tự di chuyển xung quanh mạng tinh thể tạo nên dẫn điện • • • • • • Dải dẫn điện lấp đầy phần Dải dẫn điện • • • • • • Dải hóa trị Mức NL cao dải dẫn điện chiếm giữ điện tử mạng tinh thể nhiệt độ tuyệt đối gọi mức NL Fermi NL tương ứng với mức NL gọi NL Fermi Nếu điện tử có đủ NL để vượt mức xảy dẫn điện Vật liệu bán dẫn: Tại nhiệt độ tuyệt đối không điện tử đủ NL để nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn, mạng tinh thể xem chất cách điện Tại nhiệt độ phòng, vài điện tử hóa trị thu NL lớn độ cao dải cấm chí tác động điện trường nhỏ, dịch chuyển sang dải dẫn điện dể dẫn điện Tỷ lệ p α e - Eg kB T Dải dẫn điện Dải cấm ••• •• • ≈1 eV Dải hóa trị Eg-Si = 1.1 eV EgGe= 0.74 eV Do Eg nhỏ, tỷ lệ lớn chất bán dẫn Khi điện tử rời khỏi dải hóa trị, để lại mức NL không lấp đầy dải Các vị trí không lấp đầy dải hóa trị đặt tên “lỗ trống” Chúng hạt tải điện mang điện tích dương Bất dịch chuyển vùng tạo lỗ dương di chuyển từ vị trí sang vị trí khác Vật liệu cách điện: Các điện tử, nung nóng, thực tế nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn điện có dải cấm rộng Bởi vậy, khả dẫn điện vật liệu cách điện Eg-Diamond = eV Điện tử lỗ trống: Dải dẫn điện Dải cấm ≈6 eV •Dải• hóa • • trị •• Khi nhận thêm NL, điện tử thoát khỏi dải hóa trị trở nên tự để di chuyển mạng lưới tinh thể Khi khỏi dải hóa trị, để lại đằng sau khoảng trống đặt tên ‘lỗ trống’ Một điện tử từ nguyên tử lân cận thoát tới vị trí điện tử bị khuyết (hay lỗ trống), lấp đầy dải hóa trị tạo lỗ trống vị trí khác Các lỗ trống dịch chuyển ngẫu nhiên mạng lưới tinh thể Để lấp đầy liên kết không cần đến điện tử từ liên kết nguyên tử lân cận Mối liên kết lấp đầy điện tử thuộc dải dẫn điện, hay điện tử tự xem ‘quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống’ Bán dẫn tinh khiết: Điện tử hóa trị Liên kết hóa trị Ge Ge Ge Ge Liên kết hóa trị bị gãy Điện tử tự do( - ) Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Lỗ trống ( + ) C.B + Eg Ge Ge Ge + Ge + Năng lượng đốt nóng 0.74 eV V.B Bán dẫn bán dẫn tinh khiết Dải cấm Si 1.1 eV Ge 0.74 eV Si: 1s2, 2s2, 2p6,3s2, 3p2 (Số nguyên tử 14) Ge: 1s2, 2s2, 2p6,3s2, 3p6, 3d10, 4s2, 4p2 (Số nguyên tử 32) Trong bán dẫn thuần, số điện tử sinh từ nhiệt cân với số lỗ trống Vì vậy, ni pi tương ứng mật độ điện tử lỗ trống ni = pi Số lượng ni hay pi xem ‘mật độ hạt tải điện thuần’ Pha tạp bán dẫn: Pha tạp trình thêm vào có tính toán số lượng nhỏ chất pha tạp vào chất bán dẫn Các nguyên tử chất pha tạp gọi ‘chất kích tạp’ Bán dẫn chứa chất pha tạp hiểu ‘bán dẫn không tinh khiết hay ngoại lai’ Các phương pháp pha tạp: i) Đốt nóng tinh thể có mặt nguyên tử chất kích tạp ii) Thêm nguyên tử pha tạp vào bán dẫn nóng chảy iii) Bắn phá bán dẫn ion nguyên tử chất pha tạp Bán dẫn ngoại lai hay không tinh khiết: Bán dẫn tạp loại N: Ge Ge Ge C.B Ge Eg = 0.74 eV Ge As + Ge 0.045 eV V.B Ge Ge Mức cho + Bán dẫn tạp loại N tạo thành bán dẫn thuộc nhóm IV (hóa trị 4) Si hay Ge pha tạp chất pha tạp hóa trị (Các nguyên tố thuộc nhóm V P, As hay Sb) Khi Germanium (Ge) pha tạp với Arsenic (As), điện tử hóa trị As tạo liên kết hóa trị với nguyên tử Ge điện tử thứ nguyên tử As liên kết cách lỏng lẻo Năng lượng cần thiết để chia cắt điện tử liên kết lỏng lẻo thứ năm mức 0.045 eV Germanium Một phần NL lượng nhỏ cung cấp nhờ kích thích nhiệt đủ để chia cắt điện tử sẵn sàng để dẫn điện Lực hút điện tử di động ion mang điện tích dương (+ 5) chất pha tạp bị làm suy yếu số điện môi vật liệu Do đó, điện tử từ nguyên tử pha tạp có mức lượng yếu so với lượng điện tử dải dẫn điện Vì vậy, trạng thái lượng tương ứng với điện tử thứ năm nằm dải cấm thấp chút so với mức thấp dải dẫn điện Mức lượng gọi ‘mức cho’ Nguyên tử chất pha tạp gọi ‘chất cho’ Bán dẫn loại N gọi ‘bán dẫn loại cho’ Mật độ hạt tải điện bán dẫn tạp loại N: Khi bán dẫn pha tạp tạp chất cho, không số điện tử tăng lên mà số lỗ trống giảm xuống mức số so với giá trị bán dẫn Số lỗ trống giảm xuống số lượng lớn điện tử xuất hiện, tác nhân làm tỷ lệ tái hợp điện tử lỗ trống tăng lên Do vậy, bán dẫn tạp loại N, điện tử tự hạt tải điện đa số lỗ trống hạt tải điện thiểu số Nếu ký hiệu n p tương ứng mật độ điện tử lỗ trống bán dẫn tạp loại N n p = n i pi = n i2 ni pi mật độ hạt tải điện Tỷ lệ tái hợp điện tử lỗ trống tỷ lệ với n p Hay, tỷ lệ tái hợp tỷ lệ với tích np Do tỷ lệ tái hợp cố định nhiệt độ cho trước nên tích np phải số Khi mật độ điện tử thêm vào tạp chất cho tăng lên vượt giá trị thuần, mật độ lỗ trống giảm xuống giá trị nó, làm tích np số, ni2 Bán dẫn tạp loại P: Ge Ge Ge Ge In Ge C.B Eg = 0.74 eV + Ge 0.05 eV V.B Ge Ge + Mức nhận Bán dẫn tạp loại P tạo thành bán dẫn thuộc nhóm IV (hóa trị 4) Si hay Ge pha tạp chất pha tạp hóa trị (Các nguyên tố nhóm III In, B hay Ga) Khi Germanium (Ge) pha tạp Indium (In), điện tử hóa trị In tạo liên kết hóa trị với nguyên tử Ge Khoảng trống tồn liên kết hóa trị thứ tư với nguyên tử Ge thứ tư tạo nên lỗ trống Lỗ trống tạo có chủ đích lấp đầy electron từ nguyên tử lân cận, tạo nên lỗ trống khác vị trí mà từ điện tử nhảy vào Bởi vậy, nguyên tử chất pha tạp hóa trị gọi ‘chất nhận’ Do lỗ trống mang điện tích dương di chuyển từ vị trí sang vị trí khác, nên loại bán dẫn gọi bán dẫn tạp loại P Chất tạp nhận sinh mức lượng cao dải hóa trị Mức NL gọi ‘mức nhận’ Sự khác biệt lượng mức nhận mức đỉnh dải hóa trị nhỏ nhiều so với độ cao dải cấm Do vậy, điện tử từ dải hóa trị dễ dàng di chuyển lên mức nhận kích hoạt nhiệt Bán dẫn tạp loại P gọi ‘bán dẫn loại nhận’ Trong bán dẫn tạp loại P, lỗ trống hạt tải điện đa số, điện tử hạt tải điện thiểu số Có thể rằng, n p = n i pi = n i2 Sự khác biệt bán dẫn bán dẫn tạp: STT Bán dẫn Bán dẫn tạp Các nguyên tố nhóm III Các nguyên tố tinh khiết nhóm nhóm V đưa vào IV nguyên tố nhóm IV Khả dẫn điện mức Khả dẫn điện tăng yếu mạnh Khả dẫn điện phụ thuộc Khả dẫn điện tăng lên vào số lượng chất pha tạp nhiệt độ tăng đưa vào Trong BD tạp N số điện tử lớn Số lỗ trống cân với nhiều số lỗ trống, số điện tử tự BD tạp P số lỗ trống lớn nhiều so với số điện tử Sự khác biệt bán dẫn kim loại: STT Bán dẫn Kim loại Chất bán dẫn thể chất cách điện độ K Độ Độ dẫn điện giảm nhiệt độ dẫn điện tang lên tang với tang nhiệt độ Độ dẫn điện đặc tính Độ dẫn điện tăng tăng hiệu kim loại không phụ điện đặt vào thuộc hiệu điện đặt vào Không tuân theo định luật Ohm Tuân theo định luật Ohm tuân theo phần Pha tạp bán dẫn chất Making alloy with another metal pha tạp làm độ dẫn điện tăng decreases the conductivity mạnh Độ dẫn điện vật liệu bán dẫn: Ih I = Ie + Ih Ie = neeAve Ie Ih = nheAvh Do vậy, I = neeAve + nheAvh Nếu điện trường đặt vào nhỏ, vật liệu bán dẫn tuân theo định luật Ohm V R = neeAve + nheAvh E ρ = eA (neve + nhvh) Hay VA ρl = eA (neve + nhvh) Từ R = Chú ý: I ρl A E = e (neve + nhvh) Từ E = V l Độ linh độ (μ) định nghĩa tốc độ trôi đơn vị điện trường = e (neμe + nhμh) ρ Hay σ = e (neμe + nhμh) Độ linh động điện tử cao độ linh động lỗ trống Điện trở suất / điện dẫn suất không phụ thuộc vào mật độ điện tử lỗ trống mà phụ thuộc vào độ linh động chúng Độ linh động tương đối phụ thuộc vào nhiệt độ [...]... các điện tử hóa trị 4 của As tạo các liên kết hóa trị với 4 nguyên tử Ge và điện tử thứ 5 của nguyên tử As liên kết một cách lỏng lẻo Năng lượng cần thiết để chia cắt điện tử liên kết lỏng lẻo thứ năm chỉ ở mức 0.045 eV đối với Germanium Một phần NL lượng nhỏ được cung cấp nhờ kích thích nhiệt là đủ để chia cắt điện tử này và nó sẵn sàng để dẫn điện Lực hút giữa điện tử di động này và ion mang điện. .. pha tạp bị làm suy yếu do hằng số điện môi của vật liệu Do đó, các điện tử từ các nguyên tử pha tạp này sẽ có các mức năng lượng yếu hơn so với năng lượng của các điện tử trong dải dẫn điện Vì vậy, trạng thái năng lượng tương ứng với điện tử thứ năm nằm trong dải cấm và thấp hơn một chút so với mức thấp của dải dẫn điện Mức năng lượng này được gọi là ‘mức cho’ Nguyên tử chất pha tạp được gọi là ‘chất... tải điện trong bán dẫn tạp loại N: Khi bán dẫn thuần được pha tạp bởi các tạp chất cho, không chỉ số điện tử tăng lên mà số lỗ trống cũng giảm xuống dưới mức số so với giá trị này trong bán dẫn thuần Số lỗ trống giảm xuống do số lượng lớn các điện tử xuất hiện, là tác nhân làm tỷ lệ tái hợp của các điện tử và lỗ trống tăng lên Do vậy, trong bán dẫn tạp loại N, các điện tử tự do là các hạt tải điện. .. IV nguyên tố nhóm IV 2 Khả năng dẫn điện chỉ ở mức Khả năng dẫn điện được tăng yếu mạnh 3 Khả năng dẫn điện phụ thuộc Khả năng dẫn điện tăng lên khi vào số lượng chất pha tạp được nhiệt độ tăng đưa vào 4 Trong BD tạp N số điện tử lớn Số lỗ trống luôn cân bằng với hơn nhiều số lỗ trống, còn trong số điện tử tự do BD tạp P số lỗ trống lớn hơn nhiều so với số điện tử Sự khác biệt giữa bán dẫn và kim... các điện tử hóa trị 3 của In tạo 3 liên kết hóa trị với 3 nguyên tử Ge Khoảng trống tồn tại cùng liên kết hóa trị thứ tư với nguyên tử Ge thứ tư tạo nên lỗ trống Lỗ trống được tạo ra có chủ đích có thể được lấp đầy bởi một electron từ nguyên tử lân cận, tạo nên lỗ trống khác tại vị trí mà từ đó điện tử nhảy vào Bởi vậy, nguyên tử chất pha tạp hóa trị 3 được gọi là ‘chất nhận’ Do lỗ trống mang điện. .. hạt tải điện thiểu số Nếu ký hiệu n và p tương ứng là mật độ của điện tử và lỗ trống trong bán dẫn tạp loại N thì n p = n i pi = n i2 trong đó ni và pi là mật độ của các hạt tải điện thuần Tỷ lệ tái hợp của điện tử và lỗ trống tỷ lệ với n và p Hay, tỷ lệ tái hợp tỷ lệ với tích np Do tỷ lệ tái hợp là cố định tại một nhiệt độ cho trước nên tích np phải là một hằng số Khi mật độ của các điện tử do thêm... giữa bán dẫn và kim loại: STT Bán dẫn Kim loại 1 Chất bán dẫn thể hiện như một chất cách điện tại 0 độ K Độ Độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ dẫn điện của nó tang lên cùng tang với sự tang nhiệt độ 2 Độ dẫn điện là một đặc tính Độ dẫn điện tăng khi tăng hiệu thuần của kim loại và không phụ điện thế đặt vào thuộc hiệu điện thế đặt vào 3 Không tuân theo định luật Ohm Tuân theo định luật Ohm hoặc tuân theo... Ohm hoặc tuân theo một phần 4 Pha tạp bán dẫn bằng các chất Making alloy with another metal pha tạp làm độ dẫn điện tăng rất decreases the conductivity mạnh Độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn: Ih I = Ie + Ih Ie = neeAve Ie Ih = nheAvh Do vậy, I = neeAve + nheAvh Nếu điện trường đặt vào nhỏ, vật liệu bán dẫn tuân theo định luật Ohm V R = neeAve + nheAvh E ρ = eA (neve + nhvh) Hay VA ρl = eA (neve + nhvh)... Chú ý: I ρl A E = e (neve + nhvh) Từ đó E = V l Độ linh độ (μ) được định nghĩa là tốc độ trôi trên một đơn vị điện trường 1 = e (neμe + nhμh) ρ Hay σ = e (neμe + nhμh) 1 Độ linh động của điện tử cao hơn độ linh động của lỗ trống 2 Điện trở suất / điện dẫn suất không chỉ phụ thuộc vào mật độ điện tử và lỗ trống mà còn phụ thuộc vào độ linh động của chúng 3 Độ linh động tương đối ít phụ thuộc vào nhiệt... nhận và mức đỉnh của dải hóa trị nhỏ hơn rất nhiều so với độ cao dải cấm Do vậy, các điện tử từ dải hóa trị có thể dễ dàng di chuyển lên mức nhận bằng một sự kích hoạt nhiệt Bán dẫn tạp loại P được gọi là ‘bán dẫn loại nhận’ Trong bán dẫn tạp loại P, các lỗ trống là các hạt tải điện đa số, còn các điện tử là các hạt tải điện thiểu số Có thể chỉ ra rằng, n p = n i pi = n i2 Sự khác biệt giữa bán dẫn thuần ... khác Vật liệu cách điện: Các điện tử, nung nóng, thực tế nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn điện có dải cấm rộng Bởi vậy, khả dẫn điện vật liệu cách điện Eg-Diamond = eV Điện tử lỗ trống: Dải dẫn điện. .. nhiệt đủ để chia cắt điện tử sẵn sàng để dẫn điện Lực hút điện tử di động ion mang điện tích dương (+ 5) chất pha tạp bị làm suy yếu số điện môi vật liệu Do đó, điện tử từ nguyên tử pha tạp có mức... điện tử từ liên kết nguyên tử lân cận Mối liên kết lấp đầy điện tử thuộc dải dẫn điện, hay điện tử tự xem ‘quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống’ Bán dẫn tinh khiết: Điện tử hóa trị Liên kết hóa