vùng hoá trị được làm đầy hoàn toàn bị khuyết mất một electron nên tương đương với việc xuất hiện một lỗ trống (hole). Tính chất của lỗ trống như một hạt mang điện chuyển động với điện tích dương e . Nguyên nhân là khi một lỗ trống được tạo thành thì một electron ở trong một liên kết trong mạng tinh thể có thể chuyển tới tái hợp với lỗ trống đó. Lúc này lỗ trống cũ biến mất và lỗ trống mới được tạo thành. Quá trình này diễn ra trong thời gian ngắn khoảng 10-8s và diễn ra liên tục giống như
môt hạt mang điện tích dương e chuyển động.
5.2.4. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Để hiểu được bản chất sự dẫn điện của bán dẫn, ta xét cấu trúc bên trong của nó. Xét tinh thể Silic (hay Ge) là tinh thể nguyên tố có hoá trị 4, tức là nó có bốn electron hoá trị. Khi hợp thành mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Si (Ge) liên kết với bốn nguyên tử gần nó nhất bằng liên kết cộng hoá trị. Từ nguyên lý loại trừ Pauli, ta tính được số điện tử tối đa trong mỗi tầng là 2n2, từ đó ta tính được: Silic: 1s22s22p63s23p2; Ge:
2 2 6 2 6 1 0 2 2
1s 2s 2 p 3s 3p 3d 4s 4 p . Các mức năng lượng bên trong của nguyên tử Ge và Si đều được làm đầy còn mức ngoài cùng thiếu 4 electron mới được làm đầy nên Ge (Si có hoá trị 4). Theo quan điểm của lý
thuyết miền năng lượng của chất rắn gồm 3 miền
-Miền hóa trị: Còn gọi là miền đầy, miền chứa đầy các electron.
-Miền cấm: Miền năng lượng không thể có electron chiếm chổ. Miền cấm ngăn cách giữa hai miền hóa trị và miền dẫn.
-Miền dẫn: Miền chưa có các electron chiếm chổ.
Từ đó ta có:
* Chất dẫn điện: Không có vùng cấm ngăn cách giữa hai miền hóa trị và miền đầy. Do đó điện tử ở
miền hóa trị sẵn sàng di chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài, ngay khi cả điện trường ngoài yếu, để tham gia vào việc dẫn điện.
* Chất cách điện: Vùng cấm có độ rộng lớn (5eV ÷ 10 eV). Do đó các điện tử ở
miền hóa trị không thể nhảy mức lên vùng dẫn. Chất cách điện hoàn toàn không dẫn điện dưới tác dụng của điện trường ngoài .
* Chất bán dẫn: Vùng cấm của chất bán dẫn có độ rộng bé (0,2eV ÷ 1,5 eV).
Electron có khả năng nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn. Khi nhảy mức, nó tạo nên lỗ trống (hole) ở vùng hóa trị. Ta thấy nồng độ n của điện tử trong miền dẫn bằng nồng độ p của lỗ trống ở miền hoá trị (n=p). Sự dẫn điện ở miền hoá trị do các lỗ trống gây ra.
Trong chất bán dẫn, điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dẫn điện. Điện tử và lỗ trống được gọi chung là các hạt tải điện. (E
gcủa Si là 1,08 eV, của Ge là 0,66 eV) Như thế, sự nhảy mức của electron từ miền hóa trị lên miền dẫn sẽ tạo thành cặp electron - lỗ. Sự nhảy mức này xảy ra là do electron nhận được một năng lượng phụ lớn hơn độ rộng ΔW của miền cấm. Nguồn năng lượng này có thể do tác dụng của điện trường ngoài, hoặc do dao động nhiệt của mạng tinh thể (đốt nóng, chiếu chùm tia bức xạ ...).
Quá trình ngược lại gọi là quá trình kết hợp hoặc tái hợp giữa lỗ trống và điện tử. Mỗi một kết hợp lại mất đi một cặp electron - lỗ . Ứng với một nồng độ của electron và lỗ nhất định thì có sự cân bằn g động giữa quá trình kích thích và quá trình tái hợp. Lúc đó nồng độ được gọi là cân bằng đối với chất bán dẫn thuần.
Khi có điện trường đặt vào, electron chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động thuận chiều điện trường, gây nên dòng điện trong bán dẫn.
Vậy, dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống.
Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và số lỗ trống bằng nhau. Nói chính xác hơn, trong bán dẫn tinh khiết, mật độ electron và mật độ lỗ trống bằng nhau. S ự dẫn điện trong trường hợp này gọi là sự dẫn điện riêng của bán dẫn.Bán dẫn tinh khiết gọi là bán dẫn loại i.
Nhiệt độ càng cao thì số electron và lỗ trống càng lớn. Do đó, độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng. Ở nhiệt độ phòng, bán dẫn Si tinh khiết dẫn điện kém, vì có rất ít electron tự do và lỗ trống.
Người ta ứng dụng sự phụ thuộc mạnh của điện trở để chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn. Dụng cụ này dùng để đo nhiệt độ, để điều chỉnh và khống chế nhiệt độ.
Cặp electron- lỗ trống còn phát sinh khi ta chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào bán dẫn. Do đó, điện trở suất của bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Đó là hiện tượng quang dẫn. Hiện tượng này được ứng dụng làm quang điện trở bán dẫn, điện trở của nó giảm khi cườn g độ ánh sáng chiếu vào tăng.
Ở nhiệt độ cao hơn 0K, một số electron thu được năng lượng cần thiết, sẽ vượt qua vùng cấm và nhảy lên chiếm phần đáy của vùng dẫn. Những electron này có thể nhận giá trị năng lượng khác nhau bên trong vùng dẫn khi có điện tr ường ngoài đặt vào bán dẫn: chúng là những electron dẫn. Khi có điện trường ngoài (đặt vào khối bán dẫn một hiệu điện thế) số electron đã chuyển lên vùng dẫn dễ dàng nhảy lên mức năng lượng cao hơn và chuyển động có hướng để tạo thành dòng điện. Nhưng khi một electron từ vùng hoá trị chuyển lên vùng dẫn, mức năng lượng mà nó vừa rời khỏi bị bỏ trống. Do đó, dưới tác dụng của điện trường ngoài, một electron khác ở vùng hoá trị đang ở mức năng lượng thấp hơn sẽ nhảy lên chiếm chỗ trống đó và cứ như vậy, các e lectron ở vùng hoá trị thay đổi được mức năng lượng của mình.
Dòng các electron ở vùng hoá trị dịch chuyển ngược chiều với điện trường ngoài, tương đương với một dòng các hạt mang điện dương, nằm tại vị trí của trạng thái bỏ trống và mang điện tích +e, chuyển động cùng chiều điện trường. Vì vậy, trạng thái bị bỏ trống đó mang điện tích +e được gọi là lỗ trống. Nhiệt độ càng cao thì số cặp electron - lỗ trống càng lớn và điện trở suất của bán dẫn càng nhỏ. Vậy, bản chất dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường và của lỗ
trống cùng chiều điện trường. Trong bán dẫn thuần các electron và lỗ trống đều tham gia vào quá trình dẫn điện và có vai trò như nhau.
http://www.youtube.com/watch?v=MCe1JXaLEwQ&feature=fvwrel
5.3. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
Tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào các tạp chất có mặt trong chất bán dẫn. Tạp chất được pha vào làm tăng số hạt tải điện. Tuỳ thuộc vào tạp chất mà hạt tải điện tăng thêm đó là electron hay lỗ trống.
Như vậy, việc pha tạp chất vào bán dẫn tinh khiết không những làm tăng mạnh số lượng các hạt tải điện, mà còn làm thay đổi số lượng tương đối của hai loại hạt t ải: electron và lỗ trống, và do đó làm thay đổi loại bán dẫn, chuyển từ bán dẫn loại i sang bán dẫn loại p hoặc n.
Theo lí thuyết vùng năng lượng về chất rắn, nếu ta pha Phôtpho (P) vào bán dẫn Si, thì tạp chất P tạo thành một mức năng lượng trong vùng cấm, rất gần đáy của vùng dẫn gọi là mức tạp chất. Khoảng cách từmức tạp chất đến đáy vùng dẫn chính là năng lượng cần thiết để electron ở nguyên tử tạp chất bứt ra khỏi nguyên tử và trở thành electron dẫn, tức là electron chuyển từ mức tạp chất lên vùng dẫn. Khi đó, nguyên tử tạp chất trở thành ion dương, ta nói rằng tạp chất đã bị ion hoá.
Tạp chất, như loại ta đang xét, làm nhiệm vụ cung cấp electron cho vùng dẫn nên được Mức tạp
chất cho