MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN
2.7. S ự CHUYỂN DỘI CỦA ÇÀÇ HẠT TẢI TRONG BÁN DẪN
Trong các tinh thể bán dẫn, nếu các hạt tải phân bố không đều, hoặc giữa các miền khác nhau có nhiệt độ khác nhau, thì các hạt tải sẽ chuyển dời từ nơi có nồng độ cao sang noi có nồng độ thấp hơn, hoặc từ nơi có nhiệt đ(ộ cao lới nơi có nhiệt độ thấp. Trong các trường họp trên, định luật tác dụng khối lượng không còn nghiệm đúng nữa, nghĩa là n.p * n f . Trong trưũmg hợp này, tinh ĩhể bỏn dẫn bị rwùi cõn bằng nhiệt động. Cú thể xảy ra hai trường hợp sau đây;
Nếu n.p > n f : Có nhiều hạt tải hơn so với trường hợp cân bằng nhiệt động. Có nghĩa là có sự phát sinh các hạt tải trong bán dẫn; hay nói cách khác, bán dẫn được phun các hạt tải điện.
Nếu n.p < n f ; Có ít hạt tải hơn so với trường hợp cân bằng nhiệt động. Có nghĩa là có sự hút bén hạt tải điện khỏi bán dẫn; hay còn gọi là chế độ làm nghèo các hạt tải điện trong bán dẫn.
30
ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ các hạt tải luôn luôn thoả mãn hệ thức:
n „ .p „ = n f
Trong chế độ phun yếu, mật độ các hạt tải được phun nhỏ so với mật độ các hạt tải cơ bản. Trong trường hợp này, mật độ các hạt tải cơ bản giữ nguyên giá trị như mật độ các hạt tải ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Chỉ có các hạt tải không cơ bản là bị biến đổi.
ở chế độ phun mạnh, mật độ các hạt tải được phun có thể so sánh với mật độ các hạt tải cơ bản. Trong chế độ này, mật độ điện tử và lỗ trống gần như nhau.
2.7.2. Sự khuếch tán các hạt tải 2.7.2.1. Mật độ dòng khuếch tán
Trong tinh thể, nếu các hạt tải phân bô' không đồng đểu, hoặc giữa các miền khác nhau có nhiệt độ khác nhau, thì hạt tải sẽ chuyển dời từ miền có nồng độ cao sang miền có nồng độ thấp, hoặc từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp hcfn. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng khuếch tán. Do đó dòng khuếch tán thu được là:
Jdn = g radM „nK T Jdp = -grad^ppKT
Trưòfng hợp đặc biệt: trong các lin h kiện bán dẫn coi không có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các miền. K h i đó:
jdn = l^nKTgradn = q D „g ra d n Jdp = -l^pKTgradp =-qDp gradp
V ớ i D„ = và D = |ip là các hệ s ố khuếch tán của điện tử và lỗ trống.
Nếu tồn tại cả điện trường ngoài và sự khuếch tán thì mật độ dòng điện tử và lỗ trống có dạng:
~ ^pn -^dp Trong các tinh thể đẳng nhiệt, thì:
Jn =q(n^^nỂ +D„gradn) Jp =q(n^pE +Dpgradp)
2.7.2.2. Khái niệm độ dài khuếch tán
Xuất phát từ bán dẫn đồng nhất ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Giả sử ở bề mặt bán dẫn, nồng độ hạt tải lớn hơn mật độ cân bằng và trong lòng bán dẫn không có hiện tượng sinh hạt tải, như vậy sẽ có hai quá trình xảy ra đồng thời.
- Sự khuếch tán hạt tải vào phía trong bán dẫn; ở đấy nồng độ luôn luôn bằng nồng độ cân bằng.
- Sự tái họp hạt tải dư trong quá trình khuếch tán trong khoảng thời gian bằng thời gian sống của chúng.
31
Chúng ta sẽ nghiên cứu hai hiện tượng trên theo hướng vuông góc với mặt phẳng đi qua gốc của trục hoành (hình 2.15). Nếu không có mặt của điện trưòng trong bán dẫn, thì mật độ dòng khuếch tán là:
J„ = qD „gradn = qD „ ổn ổx ỡn
trong đó:
t„ q t„
n„ là nồng độ điện tử trong trạng thái cân bằng, ỡn
1 ai q ổx
Trong chế độ dừng — = 0, do vây:
ỡ t
D. ^~n _ n (t) - n„
n ^ 2 t ổ x
Từ đó tìm được: n(t) - n„ = [n(t) - n„ ] exp
/ \
' exp X
v d . iJ
Đại lượng L„ = t„ gọi là độ dài khuếch tán. Đó chính là khoảng chạy trung bình của điện tử do sự khuếch tán trong khoảng thời gian sống. Tương tự, với lỗ trống ta cũng có: Lp = tp . Hai đại lượng L„ và Lp là hai đại lượng quan trọng trong các lin h kiện bán dẫn; nhất là trong các linh kiện hoạt động dựa theo sự khuếch tán các hạt tải như trong các linh kiện quang điện tử.
Hình 2.15. Sự khuếch tán các hạt tải.
32
Chương 3
ằ lỐ T CHUYỂN TIẾP P-N