VLBD-lý-thuyết-đã gộp

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 hịa) 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 ĐHQG Tp HCM – ĐHBK – Khoa Điện-ĐT Bộ môn Điện Tử GVPT: Hồ Trung Mỹ HƯỚNG DẪN ÔN TẬP KIỂM TRA GIỮA HỌC KỲ Môn học: Vật lý bán dẫn (EE1013) – HK 182 Chú ý: · Đề kiểm tra trắc nghiệm gồm có 25 câu với thời gian làm 40 phút · Đề kiểm tra không sử dụng tài liệu câu trả lời sai bị trừ 0.2 điểm (không trừ không đánh dấu) · Nội dung: gồm chương 1, v Phần lý thuyết: Trọng tâm chương: Chương Giới thiệu · Các khối xây dựng dụng cụ bán dẫn: STT Khối xây dựng Ứng dụng dụng cụ bán dẫn · Chuyển tiếp kim loại-bán dẫn (M-S) Diode Schottky, Transistor Schottky, MESFET Chuyển tiếp P-N Các loại diode bán dẫn (chỉnh lưu, ổn áp, LED, varicap,,,,), BJT, JFET Chuyển tiếp dị thể Các transistor đặc biệt (TD: HBT) dụng cụ quang ĐT có hiệu cao Cấu trúc MOS MOSFET, phần tử nhớ bit DRAM, cảm biến ảnh CCD CMOS Chú ý: Ta ý đến thành phần tạo nên dụng cụ bán dẫn, chuyển tiếp khác có: o Chuyển tiếp M-S có dạng: § chuyển tiếp chỉnh lưu: làm thành phần chế tạo dụng cụ bán dẫn (trong bảng trên) § tiếp xúc Ohm: để tạo kết nối chân dụng cụ bán dẫn o Chuyển tiếp P-N miền S (Source) D (Drain) MOSFET Các xu hướng công nghệ vi mạch (IC) bán dẫn: Gồm xu hướng chính: tăng mật độ tích hợp, tốc độ xử lý cao tiêu thụ lượng thấp (cơng suất thấp) Ngồi sản phẩm dùng dụng cụ bán dẫn tăng thêm lượng nhớ không bốc Chương Dải lượng nồng độ hạt dẫn điều kiện cân Phân loại vật liệu theo điện dẫn suất (hay điện trở suất) khe lượng Sự hình thành dải lượng Khái niệm dải dẫn, dải hóa trị dải cấm Khe lượng EG Phân biệt bán dẫn nguyên tố bán dẫn hỗn hợp (phức hợp) Chất bán dẫn dùng dụng cụ bán dẫn thường dùng loại bán dẫn có cấu trúc tinh thể gì? Chất bán dẫn hỗn hợp thường dùng cho dụng cụ gì? Các nguyên tố bán dẫn thường nằm đâu bảng phân loại tuần hồn (nhóm mấy)? Thế gọi bán dẫn trực tiếp, bán dẫn gián tiếp Cho thí dụ loại bán dẫn trực tiếp, gián tiếp? Chất bán dẫn có (các) liên kết liên kết sau: kim loại, ion, đồng hóa trị, van der Waals? Bán dẫn nội bán dẫn có pha tạp chất 10 Đặc tính phân bố Fermi-Dirac Khi nhiệt độ tăng đặc tính thay đổi nào? 11 Mức (năng lượng) Fermi EF chất rắn: EF nằm đâu chất dẫn đện, bán dẫn cách điện? 12 Phân bố Botlzmann: nồng độ điện tử n nồng độ lỗ p cân nhiệt n » NC exp(–(EC–EF)/kT) với EC – EF ³ 2kT p » NV exp(–(EF–EV)/kT) với EF – EV ³ 2kT 13 Nồng độ hạt dẫn nội ni æ Eg ni = N C NV exp ỗ ữ è 2kT ø Khi nhiệt độ thay đổi ni bị ảnh hưởng nào? (Khi nhiệt độ tăng ? Khi nhiệt độ K?) 14 Thế chất donor, acceptor? Trong bảng phân loại tuần hoàn, ta dùng bán dẫn thuộc nhóm IV chất donor acceptor thuộc nhóm nào? Các mức lượng donor ED acceptor EA nằm đâu giản đồ lượng chất bán dẫn? VLBD-182 _ KTGHK-Phần LT – Trang 1/2 15 Sự hình thành bán dẫn loại N, loại P Hạt dẫn đa số hạt dẫn thiểu số Định luật tác động số đông chất bán dẫn (nội có pha tạp chất) cân nhiệt: n.p = ni2 16 Năng lượng ion hóa tạp chất donor acceptor gì? 17 Vị trí mức Fermi EF thay đổi giản đồ dải lượng tăng nồng độ tạp chất bán dẫn loại N, loại P? Bán dẫn suy biến bán dẫn gì? 18 Nồng độ hạt dẫn bán dẫn loại N cân nhiệt (nếu ND >> ni) nn » ND pn = ? 19 Nồng độ hạt dẫn bán dẫn loại P cân nhiệt (nếu NA >> ni) pp » NA np = ? 20 Mức lượng Fermi bị ảnh hưởng nồng độ tạp chất nhiệt độ? Công thức tính với bán dẫn N bán dẫn P pha loại tạp chất: EF – Ei = ? 21 Bán dẫn có bổ (cịn gọi bán dẫn bù) cân nhiệt (xét nồng độ tạp chất >>ni): (Ký hiệu NA nồng độ tạp chất acceptor ND nồng độ tạp chất Donor.) · Với bán dẫn loại N (ND > NA), ta có nồng độ hạt dẫn đa số nn nồng độ hạt dẫn thiểu số pn: n2 ni2 nn = é N D - N A + ( N D - N A ) + 4ni2 ù pn = i ; N D - N A ? ni Þ nn » N D - N A pn » û nn ND - N A ë · Với bán dẫn loại P (NA > ND), ta có nồng độ hạt dẫn đa số pp nồng độ hạt dẫn thiểu số np: n2 ni2 p p = é N A - N D + ( N A - N D ) + 4ni2 ù n p = i ; N A - N D ? ni Þ p p » N A - N D n p » û pp NA - ND ë Chương Các tượng vận chuyển hạt dẫn Chuyển động trôi khuếch tán bán dẫn Vận tốc trôi hạt dẫn Quan hệ độ linh động điện tử độ linh động lỗ chất bán dẫn? Công thức vận tốc trôi trường hợp nào? Các chế tán xạ ảnh hưởng đến độ linh động hạt dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ chế nào? Quan hệ Einstein: cho thấy tương quan tượng khuếch tán tượng trôi hạt dẫn Hệ số khuếch tán điện tử Hệ số khuếch tán lỗ Dạng tổng qt D ỉ kT ỉ kT = VT Dn = ỗ Dp = ỗ ữ mn ữ mp m è q ø è q ø với VT điện áp nhiệt VT = kT/q Định nghĩa cùa Fermi Làm xác định loại bán dẫn dựa Fermi? Độ dẫn điện s bán dẫn (giả sử bán dẫn có pha tạp chất phân bố đều): s = s n + s p = qnm n + qp m p = r với độ dẫn điện điện tử sn (= qnmn ) độ dẫn điện lỗ sp (= qp m p ) Ảnh hưởng nồng độ tạp chất lên điện trở suất bán dẫn nào? Sự sinh cặp điện tử-lỗ bán dẫn thường gặp tác động nào? Tái hợp có xạ tái hợp khơng có xạ thường gặp loại bán dẫn nào? Trong dụng cụ quang điện tử người ta thường dùng loại bán dẫn có tái hợp nào? 10 Tái hợp trực tiếp thường xảy với bán dẫn loại nào? Thí dụ: Si GaAs loại bán dẫn có xảy tái hợp trực tiếp? 11 Xét bán dẫn trực tiếp loại N, với bơm mức thấp cơng thức tính tốc độ tái hợp gì? 12 Tái hợp gián tiếp? 13 Tái hợp có ảnh hưởng đến hạt dẫn? 14 Ánh sáng phải có lượng tạo nên cặp điện tử-lỗ ta chiếu ánh sáng vào bán dẫn có khe lượng Eg? 15 Khi có tượng tái hợp bán dẫn trực tiếp có khe lượng Eg ánh sáng sinh có bước sóng bao nhiêu? 16 Ý nghĩa phương trình liên tục? 17 Các phương trình liên tục điện tử lỗ: Phương trình liên tục Mật độ dòng điện Điện tử Lỗ VLBD-182 _ KTGHK-Phần LT – Trang 2/2 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 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 trơi = –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 Ngồi 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 ĐHBK Tp HCM – Khoa ĐĐT–BMĐT Môn: Vật lý bán dẫn – HK182 GVPT: Hồ Trung Mỹ Đáp án KT lớp (15 phút) #3 (Tuần 06 – 07/03/2019) Giả sử T = 300K cho câu hỏi sau trị số cho trước: eS = 11.9 x 8.85 x 10-14 F/cm; q = 1.6 x 10–19 C; VT = 0.026V; Si có ni = 1010 cm–3 (2 đ) Các chuyển tiếp bước [một bên] pn+ p+n có đặc điểm gì? BG · Chuyển tiếp PN bước p+n có NA >> ND miền nghèo nằm bên N · Chuyển tiếp PN bước pn+ có ND >> NA miền nghèo nằm bên P (3 đ) Một bán dẫn loại N có pha tạp chất donor ND = x 1016/cm3 có kích thước dài L = cm, cao H = 0.5 cm rộng W = 0.2 cm Bán dẫn có µn = 2000 cm2/Vs T = 300 K, giả sử ta bỏ qua nồng độ hạt dẫn thiểu số, bán dẫn có điện trở R bao nhiêu? BG R = rL/A = L/sA » L/(nqµnHW) R = 0.7813 W (5 đ) Một chuyển tiếp pn Si loại bước, bên miền P có NA= 2.5 x 1016cm-3 miền N có ND = x 1016 cm-3 Khi khơng có phân cực, tìm Vbi, W0, WN0, WP0 Em BG Khi khơng có phân cực: · Vbi = VTln(NAND/ni2) = 0.026 ln(2.5 x 1016 x 4x1016/1020) = 0.7783 V » 0.778 V W= · 2e SVbi ổ 1 + ỗ ữ q ố N A ND ø » 2.58 x 10–5 cm = W0 · NAWP = NDWN W0 = WN + WP Suy ra: WN = W0/(1+ ND/NA) = 2.58 x 10–5 cm / ( + 4x1016/2.5x1016) » 9.92 x 10–6 cm WP = W0 – WN = 1.59 x 10–5 cm · Em = 2Vbi/W0 = 6.031 x 104 V/cm ĐHQG Tp HCM – ĐHBK – Khoa Điện-ĐT Bộ mơn Điện Tử GVPT: Hồ Trung Mỹ HƯỚNG DẪN ƠN TẬP KIỂM TRA GIỮA HỌC KỲ Môn học: Vật lý bán dẫn (EE1013) – HK 182 Chú ý: · Đề kiểm tra trắc nghiệm gồm có 25 câu với thời gian làm 40 phút · Đề kiểm tra không sử dụng tài liệu câu trả lời sai bị trừ 0.2 điểm (không trừ không đánh dấu) · Nội dung: gồm chương 1, v Phần tập – Có ĐS B C B C D B A B B p = M >> ni Þ ni/M n Þ bán dẫn loại P 10 A Ga (III) Þ NA =2 x 1015/cm3 As (V) Þ ND = 1016/cm3 Vì ND – NA = x 1015/cm3 >> ni = 1010/cm3 Þ n = x 1015/cm3 p =ni2/n = (1/8) x 105/cm3 11 A 12 B Ta có NAWP = NDWN Þ WP/WN = ND/NA = NA= 1015cm-3/1017cm-3 = 10–2 = 0.01 13 D mn = | vn/E| = x 106 /5x103 = 1200 cm2/Vs Þ Dn = VTmn = 31.2 cm2/s 14 C l [nm] = 1240 /Eg [eV] = 1240/1.42eV = 873.24 nm » 873 nm 15 C 16 B jF = (Ei – EF)/q , với bán dẫn loại N EF > Ei Þ jF < Vì As thuộc nhóm V, ta có bán dẫn N với n = ND = x 1015 cm–3 Suy ra: EF – Ei = kT.ln(n/ni) = kT.ln(ND/ni) = 0.34 eV 17 D 18 A 19 C Sb thuộc nhóm VI jF = (Ei–EF)/q , với bán dẫn loại N EF > Ei tăng ND Þ tăng EF Þ jF âm hơn! D 20 21 ĐS n = p = 22 ĐS n = N >> ni Þ ni/N p Þ bán dẫn loại N Þ Tạp chất donor 23 ĐS p = ni2/n = 1020/105 = 1015 cm–3 24 ĐS a) ND = 1015 cm–3 >> NA Þ n = ND = 1015 cm–3 p = ni2/n = 1020/1015 = 105 cm–3 b) NA = 1016 cm–3 >> ND Þ p = NA=1016 cm–3 n = ni2/p = 1020/1016 = 104 cm–3 c) ND – NA = 1016 – x 1015 cm–3 = 1015 cm–3 >> ni Þ n = ND – NA = 1015 cm–3 p = ni2/n = 105 cm–3 25 ĐS Ga (III) Þ NA = x 1015 cm–3 Þ Bán dẫn loại P với p = NA = x 1015 cm–3 n = ni2/p = (2 x 1013)2 / x 1015 = (4/3) x 1011 cm–3 Þ Loại hạt dẫn đa số lỗ, nồng độ hạt dẫn đa số p = x 1015 cm–3 nồng độ hạt dẫn thiểu số điện tử, nồng độ hạt dẫn thiểu số n = (4/3) x 1011 cm–3 Þ Độ dẫn điện s » sp = pqmp = x 1015 x 1.6 x 10–19 x 1500 = 0.72 S/cm 26 ĐS Ta có s = sn + sp = qnàn + qpmp ị r = 1/s = 1/(qnàn + qpmp) Theo đề ta tìm p = NA=1017 cm–3 = 1023m–3 n = ni2/p = 1020/1017 = 103 cm–3 VLBD-182 _KTGHK-Phần BT – Trang 1/2 Theo bảng số liệu Si có µn = 1350 cm2/Vs, µp = 450 cm2/Vs, trị n,p q vào biểu thức trên, ta có r = 0.1389 W.cm Nếu bỏ qua sn r = 1/s = 1/qpmp = 0.1389 W.cm (vì p = NA >> n) 27 ĐS R = rL/A = L/sA = L/((nqµn + pqmp)HW) = L/(q(nµn + pmp)HW) 28 ĐS Ta có: R = L/((nqµn + pqmp)HW) Với bán dẫn loại N s » sn ị R ằ L/(nqànHW) = 23.148 ằ 23.15 W 29 ĐS Bán dẫn có n = p = ni ị s = qni(àn + àp) = 2.88 x 10–6 S/cm Þ r = 1/s =3.47 x 105 W.cm 30 ĐS Gọi A tiết diện ngang (A = 2.5 x 10–4 m2 = 2.5 cm2) L chiều dài Si Theo câu r = 1/s s = qni(µn + µp) = 2.88 x 10–6 S/cm (ni = n = p = 1010 cm–3) Ta có R = V/I = 9V/1.2mA = r x L/ A Þ L = AV/rI = sAV/I = 2.88 x 10–6 x 2.5 x 9/(1.2 x 10–3) = 0.054 cm 31 ĐS NA – ND = x 1014/cm3 – x 1014/cm3 = 1014/cm3 > Þ Bán dẫn loại P p p = é N A - N D + ( N A - N D ) + 4ni2 ù Þ pp = 1.06 x 1014/cm3 û ë 26 Và np = ni /pp = 6.25 x 10 /cm / 1.06 x 1014/cm3 = 5.896 x 1012/cm3 32 ĐS Bán dn loi P cú s ằ sp = qpàp ị p = s/qµp = 1.25 x 1018 cm–3 Và n = ni2/p = 6.25 x 1026 cm–3 / 1.25 x 1018 cm–3 = x 108 cm–3 VLBD-182 _KTGHK-Phần BT – Trang 2/2 ĐHQG Tp HCM – ĐHBK – Khoa Điện-ĐT Bộ môn Điện Tử GVPT: Hồ Trung Mỹ HƯỚNG DẪN ƠN TẬP KIỂM TRA GIỮA HỌC KỲ Mơn học: Vật lý bán dẫn (EE1013) – HK 182 Chú ý: · Đề kiểm tra trắc nghiệm gồm có 25 câu với thời gian làm 40 phút · Đề kiểm tra không sử dụng tài liệu câu trả lời sai bị trừ 0.2 điểm (không trừ không đánh dấu) · Nội dung: gồm chương 1, v Phần tập Các số sử dụng câu hỏi: k = số Boltzman = 8.62 x 10-5 eV/oK q = điện tích điện tử = 1.6 x 10-19 C eS = số điện môi Si = 11.9 x 8.85 x 10-14 F/cm VT = kT/q = 0.026V T = 300 K ni (nđhdnt bán dẫn Si) = 1010 cm–3 T = 300 K Trích bảng phân loại tuần hồn: · Nhóm III: B, Al, Ga, In · Nhóm IV: C, Si, Ge, Sn, Pb · Nhóm V: N, P, As, Sb Độ linh động (Si): mn = 1350 cm2/Vs, mp = 450 cm2/Vs Chú ý: · ĐS viết tắt “đáp số” · Mỗi câu trả lời 0.4đ, tô sai ĐS bị trừ 0.2đ, khơng tơ ĐS 0đ · Qui ước: o Với diode không cho trị số h hiểu ngầm h = o Khơng ghi nhiệt độ xét T=300 K o Mơ hình sụt áp diode Si có VON (hay Vg) = 0.7V Pha tạp chất vào bán dẫn Silicon (Si) tạo bán dẫn loại N a) Boron (B) b) Antimony (Sb) c) Gallium (Ga) d) Aluminium (Al) e) ĐS sai Một vật liệu rắn có khe lượng Eg = 1.4 eV, vật liệu a) cách điện b) dẫn điện c) bán dẫn d) kim loại e) ĐS sai (a) (b) Hình Giản đồ lượng số bán dẫn Hình Với hình 1, ta có giản đồ lượng (a) bán dẫn a) suy biến b) nội c) loại N d) loại P e) ĐS sai Chỉ số Miller mặt phẳng hình (a) a) (123) b) (321) c) (236) d) (623) e) ĐS sai Chỉ số Miller hướng tinh thể hình (b) a) [301] b) [310] c) [031] d) [013] e) ĐS sai Trong giản đồ lượng bán dẫn loại N mức donor ED nằm dãi cấm nằm: a) giửa dãi cấm b) gần EC c) gần EV d) (EC +EV)/4 e) ĐS sai Trong bán dẫn loại N có loại tạp chất donor Khi tăng nồng độ tạp chất donor Fermi jF sẽ: a) âm b) không đổi c) dương d) e) ĐS sai Công thức đặc trưng cho chất bán dẫn trạng thái cân nhiệt: a) n = ni – pi b) np = ni2 c) np = ni + pi d) n – p = ni + pi e) ĐS sai Một bán dẫn pha tạp chất với nồng độ M >> ni tất tạp chất bị ion hóa Người ta thấy bán dẫn lúc có nồng độ p = M n = ni2/M Như tạp chất là: VLBD-182 _KTGHK-Phần BT – Trang 1/3 a) donor b) acceptor c) cách điện d) dẫn điện e) ĐS sai 10 Một mẫu bán dẫn Si pha tạp chất với nồng độ x 1015/cm3 nguyên tử Ga nồng độ 1016/cm3 nguyên tử As Khi nồng độ điện tử n nồng độ lỗ p (đơn vị cm-3): a) n = 8x1015 p = (1/8)x105 b) n = (1/7) x 1015 p = 7x105 c) n = 1016 p = 104 d) n = 104 p = 1016 e) ĐS sai 11 Một mẫu bán dẫn Si pha vào tạp chất B (Boron) với nồng độ 2.5 x 1013/cm3 tạp chất As với nồng độ 1013/cm3 Khi vật liệu bán dẫn: a) loại P với p = 1.5x1013/cm3 b) loại P với p = 1.5x107/cm3 c) loại N với n = 1.5x1013/cm3 d) loại N với n = 1.5x10 /cm e) ĐS sai 12 Một chuyển tiếp P-N (loại bước) có NA= 1017cm-3 ND =1015cm-3 Khi tỉ số WP/WN với chuyển tiếp P-N chưa phân cực là: a) 0.1 b) 0.01 c) 10 d) 100 e) ĐS sai 13 Người ta áp đặt điện trường E = x 103V/cm vào mẫu Si loại P (với NA = 1017/cm3) thấy điện tử có vận tốc trơi –6 x 106 cm/s Khi bán dẫn hệ số khuếch tán Dn là: a) Dn = 63.5 cm2/s b) Dn = 57.4 cm2/s c) Dn = 42.1 cm2/s d) Dn = 31.2 cm2/s e) ĐS sai 14 Với bán dẫn trực tiếp GaAs có khe lượng Eg = 1.42 eV, có tượng tái hợp điện tử-lỗ sinh photon có bước sóng l xấp xỉ là: a) 820 nm b) 853 nm c) 873 nm d) 956 nm e) ĐS sai 15 Thế Fermi bán dẫn loại N có giá trị: a) b) > c) < d) (EC +EV)/2 e) ĐS sai 16 Một mẫu Si pha vào Arsenic (As) với nồng độ x 1015 cm–3 Khi EF – Ei (biết kT » 0.026 eV) a) 0.25 eV b) 0.34 eV c) 0.41 eV d) 0.57 eV e) ĐS sai 17 Xét bán dẫn trực tiếp loại N có nn0 = 1015 cm–3 = 2x10–4s, với bơm mức thấp làm cho pn = 3x106 cm–3, tốc độ tái hợp cm–3s–1 (Giả sử bán dẫn có ni = 1.2 x 1010 ) a) 1.906 x 1010 b) 1.843 x 1010 c) 1.651 x 1010 d) 1.428 x 1010 e) ĐS sai 18 Mẫu bán dẫn Si loại N điều kiện cân nhiệt, có nồng độ điện tử thay đồi theo x đoạn [0, 10 µm] hình sau: Khi độ lớn mật độ dòng điện khuếch tán điện tử Jn T = 300 K xấp xỉ a) 3.05x10–4 A/cm2 b) 3.24x10–4 A/cm2 c) 3.41 x10–4 A/cm2 d) 3.67 x10–4 A/cm2 Hình Q.19 Hình Q.20 VLBD-182 _KTGHK-Phần BT – Trang 2/3 e) ĐS sai 19 Mẫu bán dẫn loại N chiếu ánh sáng không đổi (t < 0) nguồn sáng bị lấy t = Khi nồng độ hạt dẫn thiểu số suy giảm theo thời gian hình Q.19 Từ hình ta tìm thời gian sống hạt dẫn thiểu số là: a) 5.37 µs b) 5.61 µs c) 5.88 µs d) 6.00 µs e) ĐS sai 20 Mẫu bán dẫn loại N có chiều dài >> chiều dài hạt dẫn thiểu số, người ta chiếu ánh sáng vào đầu bán dẫn, ánh sáng hấp thu x = 0, trạng thái xác lập ánh sáng khơng bị hấp thu x > Giả sử nồng độ hạt dẫn thiểu số theo chiều dài x có dạng hình Q.20 thời gian sống hạt dẫn thiểu số a) 36.5 µm b) 39.8 µm c) 42.7 µm d) 45.2 µm e) ĐS sai 15 21 Một phiến bán dẫn Si pha tạp chất thành bán dẫn loại P có NA=10 /cm Ở T » 0oK, nồng độ điện tử nồng độ lỗ đkcb bao nhiêu? 22 Một bán dẫn pha tạp chất với nồng độ N >> ni tất tạp chất bị ion hóa Người ta thấy bán dẫn lúc có nồng độ n = N p = ni2/N Tạp chất chất donor hay acceptor? Giải thích 23 Nồng độ điện tử bán dẫn Si giữ 300 K đkcb 105/cm3 Khi nồng độ lỗ bao nhiêu? 24 Xác định nồng độ điện tử lỗ đkcb bán dẫn Si pha tạp chất điều kiện sau: a) T = 300 K, NA > ND, NA=1016 cm–3 c) T = 300 K, NA = x 1015 cm–3, ND=1016 cm–3 25 Xét mẫu Ge có pha x 1015/cm3 nguyên tử Ga Xác định đại lượng sau nhiệt độ phịng cho mẫu này: (biết Ge có ni= x 1013/cm3 300 K có độ linh động µn = 3500 cm2/Vs µp = 1500 cm2/Vs ) a) Loại hạt dẫn đa số b) Nồng độ hạt dẫn đa số c) Nồng độ hạt dẫn thiểu số d) Độ dẫn điện 26 Một mẫu bán dẫn Si loại P (với NA=1017 cm–3) giữ 300 K Hãy tìm điện trở suất mẫu 27 Hãy tìm biểu thức xác định điện trở bán dẫn có chiều dài L, chiều cao H, chiều rộng W độ dẫn điện s ( s biểu diễn qua nồng độ n p) 28 Tìm điện trở bán dẫn Si loại N có pha tạp chất donor ND = 1016/cm3 có kích thước L= cm, H = 0.1 cm W = 0.2 cm (Giả sử ta cho nồng độ hạt dẫn thiểu số = 0) 29 Tìm điện trở suất bán dẫn Si 300K 30 Một Si có tiết diện ngang 2.5 x 10-4 m2, có chiều dài có sụt áp V dịng điện qua 1.2 mA 31 Xác định nồng độ n p mẫu bán dẫn Ge 300K, biết mẫu pha tạp chất donor với nồng độ x 1014/cm3 nồng độ acceptor x 1014/cm3 Đây bán dẫn P hay N? (Ge có nồng độ hạt dẫn nội thỏa ni2 = 6.25 x 1026/cm3) 32 Tìm nồng độ n p bán dẫn Ge loại P 300K, biết Ge có ni=2.5 x 1013/cm3, biết độ dẫn điện mẫu 100 S/cm µp=500 cm2/Vs VLBD-182 _KTGHK-Phần BT – Trang 3/3