GIAO TRINH CHUONG VII CHAT BAN DAN

Chương VII I CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯNG CỦA CHẤT BÁN DẪN Từ đường tán sắc E(k) xác đònh nhiều tính chất vật liệu Thực tế tính chất liên quan tới điện tử (tính chất quang, dẫn điện …) chất bán dẫn hoàn toàn xác đònh số electron nằm vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trò → quan tâm đến nhánh E(k) liên quan tới vùng dẫn vùng hóa trò phạm vi vùng Brillouin Vùng dẫn: Vò trí (cực tiểu) thấp nhánh E(k) vùng dẫn → xác đònh đáy vùng dẫn Ta có: E(k) = E(ko) +  [( k − k ox ) + ( k y − k oy ) x 2m ]+ ( k z − k oz ) 2m Với m1 = m2 = mT : khối lượng hiệu dụng ngang m3 = mL : khối lượng hiệu dụng dọc ⇒ Xác đònh phương pháp cộng hưởng Cyclotron Tỉ số mL : xác đònh tính dò hướng mặt đẳng mT Vùng hóa trò: Cực đại ba nhánh E(k) vùng hóa trò vò trí k = → đỉnh vùng hóa trò tâm vùng Brillouin k = có suy biến lượng; tương tác spin – q đạo làm giảm suy biến phần * Trong hai nhánh đầu: + Trong vùng hóa trò khối lượng hiệu dụng tính bởi: mp = m C A± B + với A, B, C số không thứ nguyên phụ thuộc vào chất bán dẫn Có hai loại lỗ trống: + Lỗ trống nặng: + Lỗ trống nhẹ: m p nặng = m p nhẹ = m C A − B2 + m C A+ B + * Nhánh thứ ba: Khối lượng lỗ trống: m p3 ï m = A Khoảng cách ngắn đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trò độ rộng vùng cấm Eg Các chất có đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trò nằm điểm vùng B (cùng k) → chất có vùng cấm thẳng hay trực tiếp VD: GaAs Ngược lại: chất có đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trò nằm điểm vùng B (khác k) → chất có vùng cấm nghiêng hay gián tiếp VD: GaP II BÁN DẪN TINH KHIẾT BÁN DẪN TẠP CHẤT Đònh nghóa Chất bán dẫn chất có độ độ dẫn điện σ nằm khoảng: Từ đến 10-10 Ω-1 cm-1 104 ÷ 106 Ω-1 cm-1 (điện môi) (kim loại ) σ chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào yếu tố bên nhiệt độ, áp suất, điện trường, từ trường, tạp chất Bán dẫn hay bán dẫn tinh khiết → không pha tạp chất → gọi chất bán dẫn điện riêng Pha tạp vào chất bán dẫn làm độ dẫn điện thay đổi mạnh ⇒ Bán dẫn tạp chất VÍ DỤ Pha B Si theo nồng độ 1:105 → độ dẫn điện tăng thêm 103 lần Pha tạp với nồng độ thích hợp đạt được: + Chất bán dẫn có độ dẫn điện mong muốn + Chất bán dẫn loại n hay p Khi đưa tạp chất vào tinh thể bán dẫn: tạp chỗ nguyên tử gốc nút mạng → tạp chất thay hay nằm xen kẽ vào nút mạng → tạp chất điền khít Chuyển tiếp P – N Các cách chế tạo + Phương pháp nóng chảy + Pha tạp trình kéo đơn tinh thể bán dẫn + Phương pháp khuếch tán tạp chất vào chất bán dẫn nhiệt độ cao + Phương pháp cấy ion Trong cách chế tạo lớp chuyển tiếp P-N hình thành đơn tinh thể Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân Giản đồ vùng lượng lớp chuyển tiếp P - N Thế hiệu tiếp xúc Khi hình thành lớp chuyển tiếp, có chênh lệch nồng độ hạt tải điện (điện tử lỗ trống) hai miền , xẩy trình khuếch tán sau : điện tử khuếch tán từ miền N sang miền P lỗ trống khuếch tán từ miền P sang miền N ⇒ bên miền N xuất ion đonor dương không trung hòa bên miền P lại ion acceptor âm không trung hòa lỗ trống Ở ranh giới miền hình thành điện trường hướng từ miền N sang miền P Điện trường hạn chế trình khuếch tán hạt tải điện đến lúc đạt tới trạng thái cân Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân Dòng ktán lỗ trống Dòng ktán electron Điện trường txúc BD-P BD-N Trong miền điện tích thể tích W ranh giới hai miền N P có điện trường tiếp xúc E0 dòng điện tử từ N sang P : jn = jns : dòng điện tử từ P sang N dòng lỗ trống từ P sang N : jp = jps : dòng lỗ trống từ N sang P dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( j + j ) - ( j + j ) = EcP EvP EF EcN EvN EcP EvP Vùng dẫn Vùng hóa trò Lớp ngăn EF eUo EcN EvN Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân EcP EiP P eUo Khuếch tán N EvP Khuếch tán N N N Thế hiệu tiếp xúc Miền điện tích thể tích có điện tích cố đònh (các ion ND+ ion NA-) nên điện trở miền điện trở miền P N trung hòa EF − EcN Trong miền N : noN = N c exp kT n0N p0N = ni2 Khi EF = EiN n0N = ni nên: noN EF − EiN = ni exp kT Thế hiệu tiếp xúc Trong miền P : n0P p0P = ni2 EF − EvP poP = N v exp− kT EF − EiP poP = ni exp− kT noN poP = ni2 exp EiP − EiN kT EiP EF EiN noN poP ni2 Thế hiệu tiếp xúc : noN kT poP kT Uo = Ln = Ln e noP e poN eU o = exp kT Chuyển tiếp P – N : đặc trưng Von-Ampe Xét lớp chuyển tiếp P-N Có dòng sau chạy qua lớp chuyển tiếp : + dòng lỗ trống từ miền P sang miền N : jp ( dòng hạt tải điện ) + dòng lỗ trống từ miền N sang miền P : jps ( dòng hạt tải điện không ) + dòng điện tử từ miền N sang miền P : jn ( dòng hạt tải điện ) + dòng điện tử từ miền P sang miền N : jns ( dòng hạt tải điện không ) Khi không đặt điện áp vào, dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + jp ) - ( jps + jns ) = jns = enoP j ps = epoN Ln τn Lp τp EiP EF poN vp EiN Đặt điện áp V lên hệ P-N  Do điện trở lớp điện tích thể tiùch lớn nên gần xem toàn V sụt hết miền  Xét trường hợp lớp ngăn mỏng để bỏ qua trình sinh tái hợp hạt tải điện miền Chuyển tiếp P – N : phân cực thuận P Dòng lỗ trống N Dòng electron Điện áp V tạo điện trường ngược chiều với điện trường tiếp xúc Do hai điện trường ngược chiều nên điện trường tổng cộng lớp chuyển tiếp giảm xuống Thế hiệu tiếp xúc e ( U0 - V ) e(Uo-V) Sự giảm không ảnh hưởng đến dòng hạt tải điện không làm tăng dòng hạt tải điện : eV jn = jns exp = enoP kT eV j p = j ps exp = epoN kT Ln eV exp τn kT Lp eV exp τp kT Dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + j p ) − ( jns + j ps ) Lp Ln eV eV = ( jns + j ps )(exp − ) = e( noP + poN )(exp − 1) kT τn τp kT Chuyển tiếp P – N : phân cực ngược Miền nghèo e(Uo+V) V Điện áp V tạo điện trường chiều với điện trường tiếp xúc Do hai điện trường chiều nên điện trường tổng cộng lớp chuyển tiếp tăng lên Thế hiệu tiếp xúc e ( U0 + V ) Sự tăng không ảnh hưởng đến dòng hạt tải điện không làm giảm dòng hạt tải điện : Ln eV eV jn = jns exp− = enoP − exp kT τn kT Lp eV eV j p = j ps exp− = epoN exp− kT τp kT Dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + j p ) − ( jns + j ps ) Lp Ln − eV − eV = ( jns + j ps )(exp − ) = e( noP + poN )(exp − 1) kT τn τp kT Kết hợp kết trên, viết biểu thức đường đặc trưng Von - Ampe dạng j eV j = j s (exp± − 1) kT lấy dấu + phân cực thuận dấu - phân cực ngược Lp Ln j s = ( jns + j pn ) = e( noP + poN ) với τn τp Lp Lp Ln Ln j s = e( noP + poN ) = eni ( + ) τn τp N Aτ n N D τ p phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ js V vanthang@hcmut.edu.vn ... cm-3) Si N P ni 1014 1015 1016 1017 1018 10 19 GaAs N P 2.105 7.107 40 180 12 160 4,5 12 0,9 22 0,6 1,8 0,1 0,3 2,5.10 6.1 0-3 -2 6,2.10 -2 1,2.1 0-2 2,3 9.1 0-3 0,2 0,3 2,1.1 0-3 3,5.1 0-2 2,9.1 0-4 ... Manganin Chì Đ trở suất Hệ số nhiệt ρ (Ωm) độ C 1.59 x1 0-8 1.68 x1 0-8 2.65 x1 0-8 5.6 x1 0-8 9.71 x1 0-8 10.6 x1 0-8 48.2 x1 0-8 22 x1 0-8 Thủy ngân 98 x1 0-8 0061 0068 00429 0045 00651 003927 000002 0009... 4πεo  ) n =− 13 ,6 n ( eV ) mo - khối lượng electron tự e - điện tích electron εo - số điện môi chân không h - số Planck n - số lượng tử Trong trạng thái n = 1, EH = - 13,6 eV Năng lượng ion hóa