Silic và chất bán dẫn

Trờng đại học Vinh Khoa vật lý --------- lê thị cúc tìm hiểu các tính chất quang của chất bán dẫn và một số linh kiện thu, phát quang thông dụng khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành vật lý chất rắn VINH, 05/2006 1 Lời cảm ơn Để hoàn thành khoá luận này, ngoài những nỗ lực của bản thân, tôi nhận đợc sự giúp đỡ chân thành của các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý và đặc biệt là sự nhiệt tình của thầy giáo Th.s. Lu Tiến Hng. Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo hớng dẫn Th.s. Lu Tiến Hng, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý, những ngời thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành bài khoá luận này. Tuy nhiên, do thời gian có hạn và lần đầu tiên tiếp xúc với công việc nghiên cứu nên bản khoáluận này không tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn độc giả để khoá luận đạt chất lợng tốt và hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn ! Tác giả. 2 Mở đầu Bớc sang thế kỷ thứ XXI, với tốc độ khoa học kỹ thuật phát triển nh vũ bão đòi hỏi con ngời không ngừng tìm kiếm thông tin và tìm kiếm cái mới phục vụ cho cuộc sống con ngời. Trong công cuộc tìm kiếm đó, rất nhiều vật liệu đã đ- ợc tìm ra và con ngời đã dùng chúng để chế tạo các thiết bị, máy móc hiện đại để phục vụ cho mình. Một bớc ngoặt quan trọng đó là từ đầu những năm 50 của thế kỷ trớc con ngời bắt đầu đi sâu vào nghiên cứu vật liệu bán dẫn và từ đó đã tạo ra đợc những linh kiện bán dẫn phục vụ cho nhiều lĩnh vực nh công nghệ sinh học, y học, trong công nghiệp, điện tử, đo đạc, phân tích cấu trúc vật liệu . Chính vì vậy chúng ta cần phải biết đợc những kiến thức cơ bản cũng nh các ứng dụng của vật liệu bán dẫn nh khái niệm, đặc điểm, cấu trúc vùng năng lợng, các tính chất và các loại vật liệu bán dẫn. Trong thời đại ngày nay - thời đại thông tin, để nắm bắt đợc thời đại và nâng cao đời sống của mình, con ngời đã tạo ra nhiều linh kiện quang điện từ vật liệu bán dẫn (phôtôđiốt, laser bán dẫn, LED, .). Để tạo ra đợc những linh kiện đó cần phải nắm đợc tính chất và vật liệu chế tạo nên chúng, đặc biệt ta sẽ tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, những đặc trng cơ bản cũng nh phạm vi ứng dụng của các linh kiện bán dẫn quang điện tử. Từ những lý do trên chúng tôi chọn đề tài cho luận văn này là: Tìm hiểu các tính chất quang của chất bán dẫn và một số linh kiện thu, phát quang thông dụng. Mục đích của luận văn này là trình bày một số khái niệm, tính chất cơ bản của vật liệu bán dẫn, đặc biệt đi sâu vào tìm hiểu một số tính chất quang, cũng nh cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và các đặc trng cơ bản của một số linh kiện bán dẫn quang điển hình. Nội dung của khoá luận ngoài phần mở đầu, kết luận đợc trình bày trong 3 chơng: Chơng 1. Những kiến thức cơ bản về chất bán dẫn. Chơng 2. Tính chất quang của vật liệu bán dẫn. Chơng 3. Một số linh kiện quang bán dẫn điển TRƯỜNG THPT ĐẶNG HUY TRỨ LỚP: 11A2 TỔ:1 Tính chất vật lí: Silic Silic tinh thể Silic vô định hình -Cấu trúc giống kim -Là chất bột màu nâu cương,màu xám, có ánh kim -Nóng chảy 1420oC -Có tính bán dẫn Tính chất hóa học: Silic Tính khử: -Tác dụng với phi kim: tác dụng với flo nhiệt độ thường đun nóng tác dụng với phi kim khác -Tác dụng với hợp chất: tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm Tính oxi hóa: Ở nhiệt độ cao, silic tác dụng với kim loại Ca, Mg, Fe… Trạng thái tự nhiên: Silic Phổ biến thứ sau oxi, chiếp 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất Cát Cao lanh Xecpentin Fenspat Có thể động thực vật với lượng nhỏ Ứng dụng điều chế Điều chế -Trong phòng thí nghiệm: đốt cháy hỗn hợp bột magie cát mịn -Trong công nghiệp: dùng than cốc khử silic nhiệt độ cao Silic Ứng dụng -Làm chất bán dẫn -Pin mặt trời -Thép chịu axit -Công nghiệp Silicat Ứng dụng điều chế Công nghiệp Silicat Silic Đồ gốm Thủy tinh Xi măng Khái niệm, tính chất: Chất bán dẫn Khái niệm: Chất bán dẫn chất có độ dẫn điện mức trung gian chất dẫn điện chất cách điện Tính chất: -Điện trở suất có giá trị trung gian kim loại điện môi -Điện trở suất bán dẫn tinh khiết giảm mạnh nhiệt độ tăng -Tính chất điện bán dẫn phụ thuộc mạnh tạp chất có mặt tinh thể Phân loại: Chất bán dẫn Bán dẫn tinh khiết Nếu mạng tinh thể có loại nguyên tử Si ta gọi bán dẫn tinh khiết Bán dẫn có tạp chất Bán dẫn loại n Khi pha lượng bé chất có hóa trị V vào bán dẫn tinh khiết ta bán dẫn loại n Bán dẫn loại p Khi pha lượng nhỏ chất có hóa trị III vào bán dẫn tinh khiết ta bán dẫn loại p 2 Phân loại: Chất bán dẫn Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn có tạp chất Ứng dụng: Pin mặt trời Điot chỉnh lưu Chất bán dẫn Tranzito Photođiot Điot phát quang Mục lục Trang Mở đầu .1 Chơng I: Khái quát cấu trúc vùng năng lợng 3 1. Nguyên lý hình thành vùng năng lợng .3 1.1. Vùng năng lợng nh là hệ quả của tính tuần hoàn tịnh tiến .3 1.2. Vùng năng lợng nh là hệ quả của sự tơng tác giữa các nguyên tử với nhau 5 2. Hàm Block và ý nghĩa .7 2.1. Xây dựng hàm Block .7 2.2. ý nghĩa 7 3. Khảo sát chuyển động của điện tử trong trờng tuần hoàn mô hình điện tử liên kết yếu .8 3.1. Tính tuần hoàn của vùng năng lợng .15 3.2 Các cách biểu diễn vùng năng lợng 16 3.3. Sự phụ thuộcvào hớng của bức tranh vùng năng lợng .17 3.4. Mỗi liên hệ giữa độ rộng vùng cấm và hệ số tán xạ cấu trúc .18 4.Mô hình liên kết yếu L/O/G/O www.themegallery.com Danh sách thành viên Đặng Hữu Tỵ Ôn Văn Nghĩa Nguyễn Viết Dũng Bùi Thị Phương Nguyễn Diễm Trúc Linh Nguyễn Thị Thảo Phan Thị Kim Nguyệt Nội dung chính BÁN DẪN HỢP CHẤT BÁN DẪN CƠ BẢN KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI BÁN DẪN Khái niệm bán dẫn Ở nhiệt độ cao : bán dẫn hoạt động như 1 chất dẫn điện. Ở nhiệt độ cao : bán dẫn hoạt động như 1 chất dẫn điện. Ở nhiệt độ thấp : bán dẫn hoạt động như 1 chất cách điện. Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Phân loại bán dẫn Bán dẫn cơ bản • Chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tử có 4 electron lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử. • Chất bán dẫn đặc trưng: • Silic ( Si ) • Germany ( Ge ) Bán dẫn hợp chất • Được hình thành do sự kết hợp đặc biệt giữa các nguyên tố thuộc nhóm III & V. • Chất bán dẫn đặc trưng:  Aluminum Phosphide  Aluminum Asenide  Gallium Phosphide  Gallium Asenide  Indium Phosphide Silic (Si) Mô hình mạng tinh thể Silic Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Ở nhiệt độ thấp, gần 0 K, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng. => Không có các electron tự do Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Khi nhiệt độ tăng cao Khi nhiệt độ tăng cao Vậy, ở nhiệt độ cao luôn có sự phát sinh các cặp electron – lỗ trống. Số electron và lỗ trống trong bán dẫn bằng nhau. E E Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn Các electron chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trừơng. => Gây nên dòng điện trong chất bán dẫn. Silic là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Si và số nguyên tử bằng 14. Nó là nguyên tố phổ biến sau ôxy trong vỏ Trái Đất (25,7 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, là á kim có hóa trị +4. - Silic có hai dạng cấu trúc (1) tinh thể, (2) không phải tinh thể. - Ở nhiệt độ cao silic không phải tinh thể có thể chuyển thành silic ở dạng tinh thể Sơ lược về Silic [...]... cơ thể người nó có thể thực hiện "vận chuyển" Oxy Phân loại bán dẫn Bán dẫn cơ bản Bán dẫn hợp chất •Chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tử có 4 electron lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử Chất bán dẫn đặc trưng: • Silic ( Si ) • Germany ( Ge ) •Được hình thành do sự kết hợp đặc biệt giữa của các nguyên tố thuộc nhóm III & V Chất bán dẫn đặc trưng:      Aluminum Phosphide Aluminum Asenide... thể màu vàng hoặc màu xám Khối lượng phân tử 57,9552 g/mol Khối lượng riêng 2,85 g / cm ³, rắn Điểm nóng chảy 2530 ° C AlP là một vật liệu bán dẫn cho các ứng dụng trong các thiết bị như điốt phát sáng Aluminum Phosphide (AlP) Cơ chế gây độc Phosphine được sinh ra là nguồn gốc gây độc Độc tính của Aluminum Phosphide (AlP) Gây độc tính đối với con người, và động vật bao gồm: cả gây ung thư, độc tính sinh... (GaAs) GaAs là hợp chất gồm 2 nguyên tố Ga và As Trong đó As là chất cực độc đối với con người và môi trường As ở nồng độ cao LỜI CẢM ƠN Khóa luận được thực hiện tại trường Đại học Tây Bắc, phòng thí nghiệm vật lý chất rắn. Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp tôi đã nhận được sự chỉ bảo, hướng dẫn và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô và các bạn. Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo GV. Phan Toàn, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, và truyền đạt cho tôi nhiều kinh nghiệm trong học tập và thực tiễn nghiên cứu khoa học. Đồng thời luôn cho tôi những lời khuyên bổ ích quý báu trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lò Ngọc Dũng, người đã dành thời gian quý báu của mình để động viên, hướng dẫn và đưa ra nhiều gợi ý sâu sắc giúp tôi hoàn thành khóa luận đúng thời hạn. Tôi trân trọng cảm ơn thầy giáo T.S Khổng Cát Cương trưởng bộ môn vật lý lý thuyết & chất rắn đã giúp đỡ tôi được tiến hành thực nghiệm tại phòng vật lý chất rắn. Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Toán - Lý - Tin, các thầy, cô giáo trong tổ vật lý trường Đại học Tây Bắc, phòng Đào tạo Đại học, thư viện trường Đại học Tây Bắc đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa luận. Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với sự động viên, giúp đỡ kịp thời của những người thân trong gia đình, bạn bè, tập thể lớp K50 ĐHSP Vật lý trong suốt quá trình thực hiện khóa luận. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để khóa luận hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Sơn la, tháng 5 năm 2013 Tác giả NGUYễN ĐứC TÙNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG 1 DANH MỤC HÌNH VẼ - HÌNH ẢNH 2 A. PHẦN MỞ ĐẦU 3 1. Lý do chọn đề tài 3 2. Mục đích nghiên cứu. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 4. Nhiệm vụ nghiên cứu 4 5. Phương pháp nghiên cứu 4 6. Giả thiết khoa học 4 7. Bố cục của đề tài. 4 B. PHẦN NỘI DUNG 5 CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN 5 1.1.Tổng quan về hiệu ứng Hall 5 1.1.1. Hiệu ứng Hall là gì? 5 1.1.2. Bản chất vật lý 5 1.1.3. Hiệu ứng Hall trong chất bán dẫn 11 1.1.4. Ứng dụng của hiệu ứng Hall 11 1.2. Các phương pháp đo hiệu điện thế Hall. 13 1.2.1. Phương pháp truyền thống 13 1.2.2.Phương pháp Vander Pauw 13 CHƯƠNG II: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM. SAI SỐ 17 2.1. Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm 17 2.1.1. Bộ thiết bị tạo từ trường: 17 2.1.1.1. Nam châm điện một chiều 17 2.1.1.2. Nguồn điện cấp dòng cho nam châm điện 18 2.1.1.3. Gaussmeter 18 2.1.2. Nguồn điện cấp dòng một chiều cho mẫu đo 18 2.1.3. Dụng cụ đa năng đo dòng và thế: Multimeter Model 2100 19 2.1.3.1. Giới thiệu đặc tính kĩ thuật 19 2.1.3.2. Hướng dẫn sử dụng Multimeter đo dòng và thế 19 2.1.3.3. Phương pháp tính sai số đọc trên Multimeter Model 2100 23 2.2. Các vấn đề liên quan đến sai số và cách khắc phục. 24 2.3.1. Các sai số do nguyên nhân có nguồn gốc bên trong. 24 2.3.2. Các sai số do nguyên nhân BÀI BÁO CÁO NHÓM 01 CHƯƠNG 5 DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI I. Bản chất dòng điện trong kim loại a. Cấu tạo của kim loại: Mạng tinh thể lục phương: Thuộc loại này có các kim loại : Be, Mg, Zn, Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI I. Bản chất dòng điện trong kim loại a. Cấu tạo của kim loại: Mạng tinh thể lập phương tâm diện: Thuộc loại này có các kim loại : Cu, Ag, Au, Al, Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI I. Bản chất dòng điện trong kim loại a. Cấu tạo của kim loại: Mạng tinh thể lập phương tâm khối: Thuộc loại này có các kim loại : Li, Na, K, Mo, Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN Ion Electron tự do Electron trong nguyên tử Nguyên tử tại nút mạng tinh thể Nhân Các ng.tử mất đi e– Ion (+) dao động nhiệt tại nút mạng. Ion Electron tự do Ion Electron tự do Electron trong nguyên tử Nhân Ion Electron tự do Ion Electron tự do Electron trong nguyên tử Nhân Ion Electron tự do Ion Electron tự do Electron trong nguyên tử Nguyên tử tại nút mạng tinh thể Nhân Ion+ Electron tự do A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN I. Bản chất dòng điện trong kim loại a. Cấu tạo của kim loại: Mô hình mạng tinh thể đồng. Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI I. Bản chất dòng điện trong kim loại a. Cấu tạo của kim loại: Mô hình sợi dây đồng và các electron tự do bên trong I. Bản chất dòng điện trong kim loại a. Cấu tạo của kim loại: A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI I. Bản chất dòng điện trong kim loại b. Tính chất điện của kim loại: - Kim loại là chất dẫn điện tốt. - Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm. - Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt. - Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ. Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN E A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN I. Bản chất dòng điện trong kim loại c. Bản chất của dòng điện trong kim loại: A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI I. Bản chất dòng điện trong kim loại c. Bản chất của dòng điện trong kim loại:  Kết luận: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do. Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN [...]... tinh thể  Giải thích tính dẫn điện của kim loại, điện môi ,bán dẫn BÀI 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN  Sơ lược - đặc điểm  Chất bán dẫn tinh khiết BÀI 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN CÓ PHA TẠP CHẤT  Chất bán dẫn loại n  Chất bán dẫn loại p BÀI 4: ỨNG DỤNG  Diode bán dẫn  Phân cực nghịch BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT RẮN 1 Chuyển động của electron trong nguyên tử cô lập P... U’12: 10-3 – 10-2 V A DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp Xúc III) Hiệu điện thế tiếp xúc ngoài + Giả sử hai kim loại I và II đặt xa nhau, A1, A2 là công thoát 2 kim loại đó (AI>AII), nếu xem hiệu điện thế bên ngoài kim loại bằng 0 U I U1 II U2 A1 Điện thế trong kim loại I: U 1 = e A2 Điện thế trong kim loại II: U 2 = e U A DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp Xúc I II... gọi là công thoát e A DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp Xúc Acan = −eU Athoat = − Acan = eU 1eV= 1,6.10-19 J • Công thoát phụ thuộc vào bản chất và trạng thái bề mặt kim loại • Với kim loại thật sạch và đặt trong chân không thì công thoát khoảng vài eV A DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp Xúc III) Hiệu điện thế tiếp xúc trong Hai kim loại 1 và 2 tiếp xúc nhau thì giữa... điện -4 o 4 mA Gồm hai dây dẫn bằng kim loại khhác nhau nối dính hai đầu vào nhau tạo thành mạch kín Trên đó người ta mắc thêm một nhiệt kế A DÒNG ĐIỆN ... bé chất có hóa trị V vào bán dẫn tinh khiết ta bán dẫn loại n Bán dẫn loại p Khi pha lượng nhỏ chất có hóa trị III vào bán dẫn tinh khiết ta bán dẫn loại p 2 Phân loại: Chất bán dẫn Bán dẫn. .. chất điện bán dẫn phụ thuộc mạnh tạp chất có mặt tinh thể Phân loại: Chất bán dẫn Bán dẫn tinh khiết Nếu mạng tinh thể có loại nguyên tử Si ta gọi bán dẫn tinh khiết Bán dẫn có tạp chất Bán dẫn. .. chất: Chất bán dẫn Khái niệm: Chất bán dẫn chất có độ dẫn điện mức trung gian chất dẫn điện chất cách điện Tính chất: -Điện trở suất có giá trị trung gian kim loại điện môi -Điện trở suất bán dẫn