Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 2: Dải năng lượng và nồng độ hạt dẫn ở cân bằng nhiệt. Chương này cung cấp cho người học các kiến thức: Vật liệu bán dẫn, cấu trúc tinh thể cơ bản, liên kết hóa trị, dải năng lượng, nồng độ hạt dẫn nội tại,... Mời các bạn cùng tham khảo.
Chương Dải lượng nồng độ hạt dẫn cân nhiệt Nội dung Vật liệu bán dẫn Cấu trúc tinh thể Liên kết hóa trị Dải lượng Nồng độ hạt dẫn nội Các chất donor acceptor Nồng độ hạt dẫn bán dẫn loại N P 2.1 Vật liệu bán dẫn Control of Conductivity is the Key to Modern Electronic Devices Conductivity, σ, is the ease with which a given material conducts electricity Ohms Law: V=IR or J=σE where J is current density and E is electric field Metals: High conductivity Insulators: Low Conductivity Semiconductors: Conductivity can be varied by several orders of magnitude It is the ability to control conductivity that make semiconductors useful as “current/voltage control elements” “Current/Voltage control” is the key to switches (digital logic including microprocessors etc…), amplifiers, LEDs, LASERs, photodetectors, etc Classifications of Electronic Materials Electrical/Computer engineers like to classify materials based on electrical behavior (insulating, semi-insulating, and metals) Materials Engineers/Scientists classify materials based on bond type (covalent, ionic, metallic, or van der Waals), or structure (crystalline, polycrystalline, amorphous, etc ) In 20-50 years, EE’s may not be using semiconductors at all!! Polymers or bio-electronics may replace them! However the materials science will be the same! Material Classifications based on Bonding Method Bonds can be classified as metallic, Ionic, Covalent, and van der Waals Material Classifications based on Bonding Method Phân loại vật liệu dựa cấu trúc tinh thể Amorphous Materials (Vật liệu vơ định hình) Các ngun tử khơng có trật tự cấu trúc tinh thể TD: SiO2, Si vơ định hình, Si3N4, … Mặc dù khơng hồn chỉnh vật liệu tinh thể, lớp vật liệu hữu dụng Crystalline Materials (Vật liệu [đơn] tinh thể) Được đặc trưng đối xứng nguyên tử lặp lại không gian Dạng tế bào đơn vị phụ thuộc vào liên kết vật liệu Các Cấu trúc tế bào đơn vị thông dụng kim cương, zincblende (một dẫn xuất cấu trúc kim cương), hexagonal, muối đá (lập phương đơn giản) Polycrystalline Materials (Vật liệu đa tinh thể) Gồm nhiều miền vật liệu tinh thể Mỗi miền định hướng khác với miền khác Tuy nhiên miền, vật liệu tinh thể Kích thước miền vài nm3 đến nhiều cm3 Phân loại vật liệu dựa cấu trúc tinh thể Điện dẫn suất điện trở suất chất cách điện, bán dẫn dẫn điện Điện trở suất Điện dẫn suất Cách điện Bán dẫn Dẫn điện 10 Donors When a semiconductor is doped with impurities Extrinsic semiconductor The impurity energy level are introduced N-type Si with donor Arsenic atom with five valence electron Covalent bonds with its four neighboring Si atoms The fifth electron Relatively small bonding energy to its host arsenic atom Be “ionized” to become a conduction electron The arsenic atom is called a donor Silicon become n-type Because the addition of the negative charge carrier 74 Acceptors P-type Si with acceptor Boron atom with three valence electron An additional electron is “accepted” to form four covalent bonds around the boron A positive charged “hole” is created in the valence band Boron is an acceptor 75 Giản đồ dải lượng bán dẫn loại N bán dẫn loại P 76 Năng lượng ion hóa tạp chất Si GaAs 77 2.7 Nồng độ hạt dẫn bán dẫn loại N P 78 Bán dẫn loại N 79 Quan hệ nồng độ điện tử n nồng độ lỗ bán dẫn 80 Định luật tác động khối lượng (Mass action law) Còn gọi định luật tác dụng khối lượng: Trong điều kiện cân nhiệt tích số nồng độ hạt dẫn âm dương tự số, bất chấp lượng tạp chất donor acceptor pha vào bán dẫn: np = ni2 Chú ý: Định luật luôn với bán dẫn không suy biến! 81 Nồng độ hạt dẫn bán dẫn N Nếu hai tạp chất donor acceptor đồng thời diện tạp chất có nồng độ cao định loại dẫn điện bán dẫn Mức Fermi phải tự điều chỉnh để trì trung hịa điện tích, nghĩa tổng điện tích âm (các điện tử acceptor bị ion hóa) phải tổng điện tích dương (các lỗ donor bị ion hóa) Dưới điều kiện ion hóa hồn tồn, ta có Giải phương trình np=ni2 với (30) ta có Chỉ số n bán dẫn loại N 82 Nồng độ hạt dẫn bán dẫn P (NA >ND) Trong bán dẫn N: hạt dẫn đa số điện tử hạt dẫn thiểu số lỗ Tương tự, ta có nồng độ lỗ (hạt dẫn đa số) điện tử (hạt dẫn thiểu số) bán dẫn P: Chỉ số p bán dẫn loại P 83 Bán dẫn có bổ (Compensated Semiconductor) 84 Mức Fermi hàm nhiệt độ nồng độ tạp chất Vị trí mức Fermi giản đồ dải lượng EF = EC – kT ln (NC/ND) với bán dẫn N EF = EV + kT ln (NV/NA) với bán dẫn P - Thế Fermi F = (Ei – EF)/q Dùng để xác định mức Fermi, Dùng để viết phương trình n p gọn Dấu Fermi cho ta biết bán dẫn loại Thế khối b = -F = (EF – Ei)/q 85 Hình 20 (a) Mức Fermi Si hàm nhiệt độ nồng độ tạp chất T (K) 86 Ảnh hưởng nhiệt độ đến nồng độ hạt dẫn (Td: Si loại N, xét nn) Ở nhiệt độ thấp Khi tăng nhiệt độ Điều kiện để đạt ion hóa hồn tồn nn=ND Khi tăng nhiệt độ thêm Nhiệt khơng đủ ion hóa tất tạp chất donor Một số điện tử bị “đóng băng” mức donor Nồng độ điện tử < nồng độ donor Nồng độ điện tử không đổi dải rộng nhiệt độ Miền ngoại lai Khi tăng nhiệt độ Nồng độ hạt dẫn nội trở nên so sánh với nồng độ donor Bán dẫn trở thành bán dẫn nội Nhiệt độ phụ thuộc vào ND Eg 87 Bán dẫn suy biến không suy biến Phần lớn dụng cụ điện tử, nồng độ điện tử lỗ nhỏ nhiều mật độ trạng thái hiệu dụng dải dẫn hay dải hóa trị Mức Fermi tối thiểu cao dải hóa trị 3kT hay thấp dải dẫn 3kT Trong trường hợp ta gọi bán dẫn không suy biến (nondegenerated semiconductor) Khi pha nhiều tạp chất, nồng độ tạp chất cao mật độ trạng thái hiệu dụng dải hóa trị dải dẫn Trong trường hợp ta có bán dẫn suy biến (degenerated semiconductor) mức Fermi dịch vào dải dẫn hay dải hóa trị Dưới điều kiện ta áp dụng phương trình suy phần trước Tuy nhiên, việc chế tạo bán dẫn suy biến cần thiết Thí dụ chế tạo diode LASER cần đảo ngược mật độ, mà đạt việc bán dẫn loại suy biến 88 ... Compound Semiconductors (Các chất bán dẫn hỗn hợp) [Hợp chất bán dẫn] Những năm gần người ta sử dụng nhiều chất bán dẫn hỗn hợp nhiều loại dụng cụ bán dẫn Có chất bán dẫn hỗn hợp từ nguyên tố... hợp) Nhiều chất bán dẫn có tính chất điện quang khác với Silicon Đặc biệt GaAs dùng làm vật liệu để chế tạo dụng cụ ứng dụng quang điện tử chuyển mạch tốc độ cao 12 Các chất bán dẫn nguyên tố... Kỹ thuật tăng trưởng tinh thể Tự đọc thêm sách 25 2. 4 Các liên kết hóa trị (Valence bonds) 26 Liên kết đồng hóa trị liên kết ion Trong dụng cụ bán dẫn gặp liên kết sau: Liên kết đồng hóa trị