a-Vùng năng lượng trong chất rắn
Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử. Khi chỉ có một nguyên tử cô lập ứng với mỗi giá trị lượng tử n chỉ có duy nhất một mức năng lượng, một quĩ đạo. Nhưng, khi có hai nguyên tử tương tác với nhau, thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử do đó mỗi mức năng lượng cũ của nó bị tách thành hai mức năng lượng. Nếu hệ chứa n nguyên tử thì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành n mức. Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép. Trong 1 cm3có khoảng 1022nguyên tử mỗi mức năng lượng sẽ tách thành một số rất lớn với độ rộng của một vùng khoảng vài eV, nên giá trị năng lượng thay đổi không nhiều dẫn tới hình thành các vùng năng lượng liên tục và ngăn cách nhau bởi các khe gọi là vùng cấm mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ một trạng thái nào của electron.
Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm.
b-Cấu trúc vùng năng lượng trong vật liệu bán dẫn
Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏ trống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng pha trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện. Vùng cấm W Electron trong cùng Vùng năng lượng phủ lên nhau Vùng năng lượng cách xa nhau
Biên soạn: Phạm Thị Nga 30 Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV, do vậy các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện.
Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1 eV đến 1 eV. Ở 00K chúng là chất cách điện. Ở nhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống. Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trống mang điện tích dương.
c-Cấu trúc tinh thể của vật liệu bán dẫn
Khảo sát hai vật liệu bán dẫn chính là silic và giecmani Tính chất chung trong cấu tạo nguyên tử của
chúng là: có 4 electron hóa trị ở trên phân lớp ngoài. Giữa các nguyên tử Si có sự liên kết đồng hóa trị, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử xung quanh bằng cách trao đổi electron chung với nhau.
Cấu trúc tinh thể của Si, Ge trong mạng không gian ba chiều là cấu trúc kim cương. Gồm 2 lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách nhau ¼ đường chéo trong không gian. Bốn nguyên tử nằm ở 4 góc của một lập phương, mỗi ô lập phương này là 1 ô cơ bản.
Số nguyên tử trong 1 ô cơ bản là: n= ¼.4+1=2
(Mỗi nguyên tử ở chỗ góc chỉ tính bằng ¼ vì nó thuộc 4 ô cơ bản)
Hình 2.3-Sơ đồ trải phẳng một chiều của mạng tinhthể silic
+4
+4 +4 +4
+4
+4Hình2.2-Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD Hình2.2-Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD
W W W
Năng lượng eletron Eletron tự do trong vùng dẫn
Lỗ trống trong vùng hóa trị Vật liệu dẫn điện Vật liệu cách điện Vật liệu bán dẫn
Vùng dẫn Vùng cấm
Vùng hoá trị Wg
Hình 2.4-Cấu trúc kim cương của tinh thể của Si, Ge
Số nguyên tử Si trong lập phương: .6 4 2 1 8 . 8 1 nV
Mật độ nguyên tử Si trong tinh thể : 3 Si a 4 . 2 N Hằng số tinh thể của Si là: a= 5,43 A0
Nếu hai nguyên tử trong ô cơ bản khác nhau gọi là cấu trúc Sfalerit. Các vật liệu bán dẫn thuộc cấu trúc này như: GaAs, AlAs, CdS…
Ví dụ: Cấu trúc tinh thể của GaAs, ô cơ bản có 2 nguyên tử, một của Ga, một của As, 4 nguyên tử Ga bao quanh 1 nguyên tử As và 4 nguyên tử As bao quanh một nguyên tử Ga.