p N c Sb In nhiều n
p N 15 a) Xét bán dẫn GaAs (có Eg =1.42eV 300K), ánh sáng chiếu vào phải có bước sóng để bán dẫn hấp thu photon? b) Bán dẫn Si có nồng độ điện tử dãi dẩn n = 1010 cm–3 T =300K, nồng độ lỗ dải hóa trị p bao nhiêu? c) Ý nghĩa hàm phân bố Fermi-Dirac (của điện tử)? Khi nhiệt độ tăng hàm thay đổi ta nói nồng độ điện tử bị ảnh hưởng nhiệt độ? Xét bán dẫn thuần, T = 0K ni = ? BG a) Photon phải có lượng E [eV] = 1240/ [nm] Eg = 1.42 eV Suy 1240/1.42 = 873 nm b) Bán dẫn đkcbn có n = p = ni p = 1010 cm–3 c) + Hàm phân bố Fermi-Dirac f(E) cho biết xác suất điện tử chiếm chỗ ứng với mức lượng E Khi nhiệt độ T thay đổi: Tất f(E) qua điểm (EF, 0.5) Nhiệt độ tăng đường cong f(E) cách xa đường cong ứng với f(E) T = 0K diện tích tạo đường tăng n, p tăng + Xét bán dẫn thuần, T = 0K ni = (bán dẫn cách điện 0K) EF dải cấm với E > EF f(E) = 16 Xét tinh thể Silicon có Eg = 1.12 eV giữ T = 300 K a) Nếu mức Fermi EF dải cấm, tìm xác suất tìm thấy điện tử (hoặc tương đương xác suất trạng thái bị chiếm) E = EC + kT b) Lặp lại a) mức Fermi cạnh dải dẫn, nghĩa EF = EC BG a) Khi mức Fermi dải cấm EF = EC – Eg/2 f(E) Với E = EC + kT, ta có: b) Thay EF = EC E = EC + kT, ta có: 17 Giả sử Si T = 300 K pha vài tạp chất Arsenic (As) với nồng độ 1018 cm–3 Trong đkcbn, tìm: a) Nồng độ điện tử dải dẫn (Si có ni = 1010 cm–3) b) Vị trí mức Fermi, giả sử NC = 3.23 x 1019 cm–3 c) Nồng độ lỗ dải hóa trị BG a) Vì Si thuộc nhóm IV As thuộc nhóm V, tạp chất donor với nồng độ ND = 1018 cm–3 Ở T = 300 K, tất donor bị ion hóa ND >> ni, suy n = ND = 1018 cm–3 b) Từ công thức n = NCexp(–(EC–EF)/kT) suy EF = EC – kTln(NC/n) VLBD_AY1516-S2_BT giải sẵn – trang 4/7 Thay số vào, ta có: EF = EC – kTln(3.23 x 1019/1018) EC – 3.47kT Ở T = 300 K, ta có kT = 0.026 EF EC – 0.0902 [eV] c) Nồng độ lỗ dải hóa trị p = ni2/n = 1020/1018 = 100 cm–3 18 Xét bán dẫn Si (có ni = 1010/cm3 300 K), tìm n p đkcbn cho trường hợp sau: a) NA = 1015/cm3 >> ND b) ND = 1016/cm3 >> NA c) NA = x 1015/cm3 ND = 1016/cm3 BG a) NA=1015/cm3 >> ND p = NA=1015 cm–3 n = ni2/p = 1020/1015 = 105 cm–3 b) ND=1016/cm3 >> NA n = ND=1016 cm–3 p = ni2/n = 1020/1016 = 104 cm–3 c) ND – NA = 1016 – x 1015 cm–3 = x 1015 cm–3 >> ni n = ND – NA = x 1015 cm–3 p = ni2/n = x 104 cm–3 19 Một mẫu silicon (Si) T = 300 K chứa tạp chất acceptor với nồng độ NA = 1016 cm–3 Xác định nồng độ tạp chất donor cần thêm vào mẫu Si trở thành bán dẫn loại N mức Fermi thấp cạnh dải dẫn (EC) 0.2 eV (Si có ni = 1010 cm–3 NC = 2.86 x 1019 cm–3) BG Vì muốn có bán dẫn loại N có loại tạp chất donor acceptor, suy n = ND – NA Ngồi ra, từ cơng thức n = NCexp(–(EC–EF)/kT) suy ND – NA = NCexp(–(EC–EF)/kT) Với EC – EF = 0.2 eV kT = 0.026 eV T = 300 K, ta có ND – NA = 1.3 x 1016 cm–3 Hay ND = 1.3 x 1016 + 1016 = 2.3 x 1016 cm–3 20 Tìm nồng độ điện tử lỗ mức Fermi Si 300 K với: (giả sử NV = 2.66 x 1019 cm–3) a) Nồng độ tạp chất boron (B) x 1015 cm–3 b) Nồng độ tạp chất boron (B) x 1016 cm–3 arsenic (As) 2.9 x 1016 cm–3 BG a) Vì Si thuộc nhóm IV B thuộc nhóm III, tạp chất acceptor với nồng độ NA = 1015 cm–3 Ở T = 300 K, tất donor bị ion hóa NA >> ni= 1010 cm–3, suy p = NA = 1015 cm–3 n = ni2/p = 1020 /1015 = 105 cm–3 Từ công thức p = NVexp(–(EF–EV)/kT) suy EF = EV + kTln(NV/p) với kTln(NV/p) T = 300 K 0.026 x ln(2.66 x 1019/1015) = 0.265 eV Như vậy: n = 105 cm–3, p = 1015 cm–3, EF = EV + 0.265 eV b) Vì Si thuộc nhóm IV, tạp chất B thuộc nhóm III, tạp chất As thuộc nhóm V, Suy NA = x 1016 cm–3 ND = 2.9 x 1016 cm–3 , NA – ND = 1015 cm–3 >> ni Do p = NA – ND = 1015 cm–3 , n = ni2/p = 1020 /1015 = 105 cm–3, EF = EV + 0.265 eV 21 Một mẫu silicon (Si) T = 300 K pha tạp chất As với nồng độ 1017 cm–3 Nồng độ điện tử nồng độ lỗ cân 300 K bao nhiêu? Vị trí EF so với Ei? (Si có ni = 1010 cm–3) BG Vì Si thuộc nhóm IV As thuộc nhóm V, tạp chất donor với nồng độ ND = 1017 cm–3 Ta có: n = ND = 1017 cm–3 p = ni2/n = 1020 /1017 = 103 cm–3 Từ công thức n = niexp((EF – Ei)/kT) suy EF = Ei + kTln(ND/ni) với kTln(ND/ni) T = 300 K 0.026 x ln(1017/1010) 0.42 eV EF Ei + 0.42 eV VLBD_AY1516-S2_BT giải sẵn – trang 5/7 Chương – Các tượng vận chuyển hạt dẫn 22 Xét bán dẫn nội Si, GaAs (có giá trị Eg tương ứng 1.12eV, 1.42eV) T=300K a) So sánh nồng độ điện tử dải dẫn bán dẫn này? Giải thích b) So sánh điện trở suất bán dẫn này? Giải thích BG a) Nhận xét bán dẫn có khe lượng nhỏ cần cung cấp lượng so với bán dẫn khác, số cặp điện tử lỗ sinh nhiều nSi > nGaAs (tương tự với p) b) Áp dụng kết a) ta thấy dẫn điện bán dẫn Si > GaAs Si < GaAs Chú ý: Ta kiểm chứng từ liệu thật bán dẫn (cho T = 300K): Vật liệu bán dẫn Si GaAs ni (cm–3) 1.45 x 1010 1.8 x 106 µn (cm2/Vs) 1350 8500 µp (cm2/Vs) 450 400 23 a) Cho trước mẫu Si có kích thước giống nhau: X Y Nếu ta pha 2x1018cm–3 tạp chất Boron (B) vào mẫu X pha 1018 cm–3 tạp chất Phosphorous(P) vào mẫu Y Nếu tỉ số µn/µp = tỉ số độ dẫn điện mẫu X so với mẫu Y: X/Y là? b) Bán dẫn loại N (được pha tạp chất đều) có điện trở suất 0.004 cm có độ linh động điện tử 1500 cm2/Vs Nếu bỏ qua đóng góp lỗ vào dẫn điện, nồng độ tạp chất ND pha vào bao nhiêu? BG a) Vì B thuộc nhóm P thuộc nhóm X bán dẫn loại P Y bán dẫn loại N Do nồng độ tạp chất >> ni, ta có: pX = NA = 2x1018cm–3 nY = ND = 1018 cm–3 X p = qpXµp Y n = qnYµn Suy ra: X/Y = qpXµp/qnYµn = pXµp/nYµn = (pX/nY)/(µn/µp) = (2x1018/1018)/5 = 2/5 b) Ta có: n = qnµn = qNDµn = 1/ ND = 1/qµn = 1/(0.004x1.6 x 10–19x1500) 1018cm–3 24 Một bán dẫn Si loại N có pha tạp chất donor ND=1015/cm3 có kích thước L = cm, H = 0.1cm W=0.5cm Bán dẫn Si có ni=1010/cm3 µn = 1250 cm2/Vs T=300oK, giả sử ta cho nồng độ hạt dẫn thiểu số = 0, có điện trở bao nhiêu? BG Ta có n = qnµn = qNDµn = 1/ = 1/qNDµn R = L/A = L/(WxH) = L /(W x H x qNDµn) = 1/(0.1 x 0.5 x 1.6x10–19 x1015x 1250) = 100 25 Người ta pha tạp chất ND = 5x1017cm–3 NA = x 1017cm–3 vào bán dẫn Si có diện tích mặt cắt ngang 10–2cm2, kết có điện trở 5 Hãy tìm chiều dài bán dẫn này? BG Với ND > NA ta có bán dẫn loại N với n = ND – NA = 5x1017cm–3 – x 1017cm–3 = 1017cm–3 p = ni2/n = 1020/1017 = 103 cm–3 = q(nµn + pµp) qnµn = 24 (cm)–1 Ngồi R = L/A L = RA/ = RA = 5 x 10–2cm2 x 24 (cm)–1 = 1.2 cm VLBD_AY1516-S2_BT giải sẵn – trang 6/7 26 Bán dẫn Si pha tạp chất X1 cho bán dẫn SC1 Fermi F1= –0.2V, bán dẫn pha tạp chất X2 cho bán dẫn SC2 Fermi F2= –0.3V Bán dẫn SC1, SC2 bán dẫn loại gì? So sánh X1 X2? BG Theo định nghĩa F = (Ei–EF)/q, F < bán dẫn xét loại N Ngoài tăng nồng độ tạp chất EF tiến đến dải dẫn hay F âm hơn! Do X1 X2 tạp chất Donor, SC1 SC2 bán dẫn loại N, F2 < F1 < suy X1 < X2 27 Người ta áp đặt điện trường E = 2x103 V/cm vào mẫu bán dẫn thấy điện tử có vận tốc trơi 3x106cm/s (giả sử vận tốc chưa bão hòa) Hãy tìm µn Dn bán dẫn này? BG Ta có: Suy ra: |vn| = µnE µn = |vn|/E = 3x106cm/s / 2x103V/cm = 1.5 x 103 cm2/Vs Ngoài theo quan hệ Einstein: Dn = VTµn = 0.025V x 1.5 x 103 cm2/Vs = 37.5 cm2/s VLBD_AY1516-S2_BT giải sẵn – trang 7/7 ĐHBK Tp HCM – Khoa ĐĐT–BMĐT Môn: Vật lý bán dẫn – HK182 GVPT: Hồ Trung Mỹ Đáp án KT lớp (15 phút) #1 (Tuần 04 – 21/02/2019) (2 đ) Hãy cho biết khối xây dựng sử dụng dụng cụ bán dẫn: phần tử nhớ DRAM, varicap, MESFET, HBT BG STT Ứng dụng dụng cụ bán dẫn Khối xây dựng Chuyển tiếp MS MESFET Chuyển tiếp pn varicap Chuyển tiếp dị thể HBT (Heterostructure Bipolar Transistor) Cấu trúc MOS phần tử nhớ DRAM (2 đ) Phân loại vật liệu rắn theo khe lượng Eg? BG · · · Chất cách điện Eg > 4eV Chất dẫn điện Eg < 0.2 eV < Chất bán dẫn Eg < eV (2 đ) Mức [năng lượng] Fermi bán dẫn loại N loại P di chuyển giản đồ dải lượng người ta tăng nồng độ tạp chất? (giả sử pha loại tạp chất) BG · · Bán dẫn loại N: tăng nồng độ tạp chất donor EF tiến đến EC gần Bán dẫn loại P: tăng nồng độ tạp chất donor EF tiến đến EV gần (4 đ) Hãy tìm số Miller mặt phẳng hình (a) hướng tinh thể hình (b): (trình bày chi tiết bước tính) BG · · · · Chỉ số Miller mp (a) Mặt phẳng giao trục (x,y,z) (2, 1, –1) Lấy nghịch đảo: 1/2, 1, –1 Nhân tất cho 2: 1, 2, –2 Mặt phẵng có số Miller ( ) · · · · · Chỉ số Miller hướng tinh thề (b) Tọa độ điểm đầu là: A = (0, 1/3, 0) Tọa độ điểm đuôi là: B = (0, 0, 1) Tính hiệu tọa độ: A – B = (0, 1/3, –1) Nhân tất cho 3: (0, 1, –3) Chỉ số Miller hướng tinh thề [ ] ĐHBK Tp HCM – Khoa ĐĐT–BMĐT Môn: Vật lý bán dẫn – HK182 GVPT: Hồ Trung Mỹ Đáp án KT lớp (15 phút) #2 (Tuần 05 – 28/02/2019) (Cho trước VT = 0.026 V 300 K) (3 đ) Xét bán dẫn có ni = 1010 cm–3 300 K, tìm n p điều kiện cân nhiệt bán dẫn loại cho trường hợp pha tạp chất sau: (Khi X/Y ≥ 100 xem X >> Y) a) NA = 1017 cm–3 ND = 2.5 x 1016 cm–3 b) NA = x 1016 cm–3 ND = 3.5 x 1017 cm–3 BG a) NA – ND = 1017 – 2.5x1016cm–3 = 7.5 x 1016cm–3 >> ni Þ p = NA– ND = 7.5 x 1016cm–3 n = ni2/p = 1020/7.5x1016 » 1333 cm–3 b) ND – NA = 3.5 x 1017 – x 1016cm–3 = 33 x 1016cm–3 >> ni Þ n = ND – NA = 3.3 x 1017 cm–3 p = ni2/n = 1020/3.3x1017 » 303 cm–3 (2 đ) Khi tăng nồng độ tạp chất bán dẫn độ linh động µn µn thay đổi nào? So sánh độ linh động µn µn, lớn hơn? Giải thích BG · · Khi tăng nồng độ tạp chất bán dẫn độ linh động µn µp giảm µn>µp điện tử ln chuyển động nhanh lỗ (chuyển động lỗ liên kết đồng hóa trị gần bị phá vỡ điện tử lỗ vị trí cũ tái hợp với điện tử tự gần đó, chuyển động chậm điện tử) (2 đ) Người ta áp đặt điện trường E = x 103V/cm vào mẫu bán dẫn thấy điện tử có vận tốc trôi = –3.5 x 106cm/s Hãy tìm µn Dn bán dẫn T = 300 K BG Ta có: = –µnE Suy ra: µn = –vn/E = 3.5 x 106cm/s / x 103 V/cm = 1750 cm2/Vs Ngoài theo quan hệ Einstein, ta tìm được: Dn = VTµn = 0.026V x 1750 cm2/Vs = 45.5 cm2/s Như T = 300 K với điều kiện đề bài, mẫu bán dẫn có µn =1750 cm2/Vs Dn = 45.5 cm2/s (3 đ) Hãy vẽ mức Fermi tương Ei Si điều kiện cân nhiệt cho trường hợp sau: (ở T = 300 K bán dẫn có Eg = 1.2 eV, ni = 1010/cm3) a) Pha vào tạp chất donor với nồng độ x 1015 cm–3 b) Pha vào tạp chất acceptor với nồng độ x 1015 cm–3 BG a) Tạp chất donor với nồng độ x 1015 cm–3 b) Tạp chất acceptor với nồng độ x 1015 cm–3 Ta có bán dẫn N với n = ND = x 1015 cm–3 Suy ra: EF – Ei = kT ln(n/ni) = kT ln(ND/ni) = 0.026 ln(3 x 1015 / 1010) » 0.33 eV Ta có bán dẫn P với p = NA = x 1015cm–3 Suy ra: Ei – EF = kT ln(p/ni) = kT ln(NA/ni) = 0.026 ln(5 x 1015 / 1010) » 0.34 eV ... VLBD_AY1516-S2_BT giải sẵn – trang 6/7 26 Bán dẫn Si pha tạp chất X1 cho bán dẫn SC1 Fermi F1= –0.2V, bán dẫn pha tạp chất X2 cho bán dẫn SC2 Fermi F2= –0.3V Bán dẫn SC1, SC2 bán dẫn loại gì? So... có sẵn phần điện tử dãi dẫn dải dẫn hóa trị phủ lấp Bán dẫn: Eg = EC – EV nhỏ ( Eg < eV) Cách điện: Eg lớn (Eg > eV) 12 Bán dẫn gián tiếp bán dẫn trực tiếp gì? Cho thí dụ với loai BG Bán. .. với loai BG Bán dẫn gián tiếp bán dẫn mà điện tử dịch chuyển dải dẫn dải hóa trị cần có thay đổi momentum TD: Si Bán dẫn trực tiếp bán dẫn mà điện tử dịch chuyển dải dẫn dải hóa trị khơng