VẬT LIỆU BÁN DẪN, CẤU TRÚC, PHÂN LOẠI – Tài liệu text
VẬT LIỆU BÁN DẪN, CẤU TRÚC, PHÂN LOẠI
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.61 MB, 35 trang )
ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
CHƯƠNG I
VẬT LIỆU BÁN DẪN
1.1 Vật liệu bán dẫn
1.1.1 cấu trúc và đặt tính vật liệu bán dẫn
-Theo lý tính vậy liệu chia làm 3 dạng:
•Kim loại
•Bán dẫn
• Điện môi
Cấu trúc mạng tinh thể
– Các nguyên tố thường đứng ở các nhóm đầu và
có số điện tử lớp ngoài cùng hay là điện tử hóa
trị từ 1 đến 2. Kim loại thường có mật độ diện
tử tự do rất lớn và là các chất dẫn điện
– Các nhóm cuối bảng thường là á kim, các
nguyên tố này ít điện tử tự do và được gọi là
chất điện môi( chất cách điện)
– Tham số của vật liệu điện điện tử là:
Điện trở xuất kí hiệu là ρ, đơn vị đo là Ω.cm
Điện dẫn suất σ đơn vị đo là Ω-1 cm-1
– Vật liệu bán dẫn là các nguyên tố nằm trong
nhóm 4 và nhóm 5 của bảng phân loại tuần
hoàn Mendeleev
– Chất bán dẫn cấu tạo từ những tinh thể có hình
dạng xác định, các nguyên tử được sắp xếp
theo một trật tự chặc chẽ tuần hoàn tạo thành
mạng tinh thể bán dẫn
– Cấu trúc năng lượng được sắp xếp theo các
mức rời rạc, sư tương tác giữa các mức năng
lượng và sự tương tac giữa các hạt nhân hình
thành các vùng năng lượng
– Tùy theo cấu trúc của vùng năng lượng ta
phân biệt các chất rắn có cấu trúc tinh thể
làm 3 loại:
1.Kim loại
2. bán dẫn
3. Điện môi
TẦNG DẪN
VÙNG CẤM
Chất cách điện
Tầng hóa trị
Chất dẫn điện
Chất bán dẫn
nguyên
tử
liên kết
hóa học
liên kết
hóa học
ô cơ bản trong cấu trúc mạng tinh thể
ô cơ sở Be và Si
ô cơ sở Ga và As
Mạng bán dẫn thuần
1.1.2 Các hạt dẫn điện trong bán dẫn
Ánh sáng
và T
Lỗ trống
Si
–
+
–
Si
Si
electron
Si
1.1.2 Các hạt dẫn điện trong bán dẫn
– Electron q= -1.6 x 10 -19 C
– HOLE- Vacancy q= +1.6 x 10 -19 C)
– Ion âm
– Ion dương
+
–
+
– Sự khác nhau và giống nhau giữa các hạt dẫn và ion ?
1.1.3 phân loại bán dẫn
Lỗ trống
Tác nhân ánh sáng,
nhiệt độ,…
Tác nhân ánh sáng,
nhiệt độ,…
Lỗ trống
Lỗ trống
_
_
_
IV
_
_ _
+
IV
_
_
_
_
_
IV
_ _
_
IV
_
_
_
IV
_
_
_
_
_
_
IV
_
IV
_
_
_
_
_
V
_
_
nI=pI
_
_
IV
_
_
_
_
_
_
IV
_
_
IV
_
_
_
_
_
_
_
IV
_
_
_ _
IV
_
_ _
V
_
Electron
Bán dẫn loại I
_
IV
_
_
_
_
_
_
_
_
IV
_
IV
_
_
_
III
_
+
_
_ _
IV
_
_
Nn>pN
_
IV
_
_
_
_ _
III
+
_
Electron
Bán dẫn loại N
IV
_
_
_
_
_
_
Lỗ trống
Bán dẫn loại P
nP
– Các nguyên tố hóa trị 5 như Phosphorus (P),
Arsenic (As), Antimony (Sb), Bismuth (Bi) 1Bán dẫn loại N –Donor- tạp chất cho
nd là mật độ điện tử tạp chất trong bán dẫn
loại N – Ta có: Nd=nd
nN=nI+nd+nI+Nd>>pN+pi
Bán dẫn loại P
• Aluminum (Al), Gallium(Ga), Boron (B), Indium (In)
Na là nồng độ tạp chất Acceptor
Mật độ lỗ trống trong bán dẫn pp=Na
pp=pI+pp+pI+Na >>np+nI
c.
d. Chất bán dẫn suy biến N++, P++
•
•
•
•
Chất có nồng độ hạt dẫn không cao, được gọi là chất
không suy biến.
Chất bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn hơn 1020
nguyên tử/cm3, được gọi là bàn dẫn suy biến
chất bán dẫn suy biến có tính chất giống kim loại, dẫn
Năng lượng của các hạt dẫn tự do trong bán dẫn suy
biến không phụ thuộc nhiệt độ
1.1.4 cơ chế dẫn điện theo lý thuyết vùng năng lượng
b. Sự dẫn điện của bán dẫn
• Dòng điện trôi:
J ntr= -(-q) n Vn= qμnnE
J ptr = q pVp = pμqqE
• ta có mật độ dòng điện trôi trong bán dẫn
:
Jtr= Jntr+Jptr
• Điện dẫn xuất của chất bán dẫn:
σ = q( nμp + pμp)
b. Chuyển đông khuếch tán
• Do sự phân bố không đều trong thể tích gradien nồng độ
các hạt dẫn
Ta có hệ số khuếch tán như sau:
Dp=φTμp
Dn=φTμn
φT hằng số phụ thuốc nhiệt độ
φT = kT/q
K hằng số Boillzman
Q điện tích điện tử
T nhiệt độ tuyệt đối của T= 300K
φT = 0.025V = 25mV
Mô hình chuyển động khuếch tán của các hạt dẫn
n
p
pp
+
pp
+
np
–
–
nN
np
pN
x
pN
–
nN(x)
+
+
x
1.1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ dẫn điện của vật
liệu bán dẫn
1.2 Chuyển tiếp P-N ( Junction P-N)
– +
– + +
+
– +
– +
– – +
–
N
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+ +
P
+ +
+
–
+ +
+
+
+
– +
+ +
+
– +
– +
– – +
–
N
+
–
+
–
+
–
+
+
+
+
+ +
P
+ +
+
–
+ +
+
+
+
Cấu trúc lớp chuyển tiếp P-N
n,p
a.
nN
–
pN
+
+
–
pp
np
X
Q
b.
X
V
(1)
c.
Vtx
Vtx – |V|
t
Vtx + |V|
(2)
(3)
a. Sự phân bốmật độ của các
hạt dẫn trong vùng chuyển
tiếp.
b.Đồ thị điện tích của các ion
trên bề mặt tiếp xúc.
c. phân bố điện thế của
chuyển tiếp P-N :
(1) : điện thế phân cực thuận
(2) : điện thế tiếp xúc
(3) : điện thế phân cực
nghịch
ID
Iomax
VBD
Is
0,7
B
R
Đặc tuyến V-I của chuyển tiếp P-N
VD
– Bề dày của vùng nghèo ở trạng thái cân bằng tỉ lệ
nghịch với nồng độ tạp chất trong hai khối bán dẫn:
l0 = ln + lp = √(2ɛɛ0/q) .Vtx(1/NA + 1/ND)
Trong đó:
ɛ0: Hằng số điện môi trog chân không = 9.10-14 F/cm
ɛ : Hằng số điện môi tường đối của chất bán dẫn
I0 : Bề dày của vùng nghèo thường rất bé khoảng 10-5
đến 10-4 cm
– Chất bán dẫn cấu tạo từ những tinh thể có hìnhdạng xác lập, những nguyên tử được sắp xếptheo một trật tự chặc chẽ tuần hoàn tạo thànhmạng tinh thể bán dẫn – Cấu trúc nguồn năng lượng được sắp xếp theo cácmức rời rạc, sư tương tác giữa những mức nănglượng và sự tương tac giữa những hạt nhân hìnhthành những vùng nguồn năng lượng – Tùy theo cấu trúc của vùng nguồn năng lượng taphân biệt những chất rắn có cấu trúc tinh thểlàm 3 loại : 1. Kim loại2. bán dẫn3. Điện môiTẦNG DẪNVÙNG CẤMChất cách điệnTầng hóa trịChất dẫn điệnChất bán dẫnnguyêntửliên kếthóa họcliên kếthóa họcô cơ bản trong cấu trúc mạng tinh thểô cơ sở Be và Siô cơ sở Ga và AsMạng bán dẫn thuần1. 1.2 Các hạt dẫn điện trong bán dẫnÁnh sángvà TLỗ trốngSiSiSielectronSi1. 1.2 Các hạt dẫn điện trong bán dẫn – Electron q = – 1.6 x 10 – 19 C – HOLE – Vacancy q = + 1.6 x 10 – 19 C ) – Ion âm – Ion dương – Sự khác nhau và giống nhau giữa những hạt dẫn và ion ? 1.1.3 phân loại bán dẫnLỗ trốngTác nhân ánh sáng, nhiệt độ, … Tác nhân ánh sáng, nhiệt độ, … Lỗ trốngLỗ trốngIV_ _IVIV_ _IVIVIVIVnI = pIIVIVIVIV_ _IV_ _ElectronBán dẫn loại IIVIVIVIII_ _IVNn > pNIV_ _IIIElectronBán dẫn loại NIVLỗ trốngBán dẫn loại PnP – Các nguyên tố hóa trị 5 như Phosphorus ( P. ), Arsenic ( As ), Antimony ( Sb ), Bismuth ( Bi ) 1B án dẫn loại N – Donor – tạp chất chond là tỷ lệ điện tử tạp chất trong bán dẫnloại N – Ta có : Nd = ndnN = nI + nd + nI + Nd >> pN + piBán dẫn loại P • Aluminum ( Al ), Gallium ( Ga ), Boron ( B ), Indium ( In ) Na là nồng độ tạp chất AcceptorMật độ lỗ trống trong bán dẫn pp = Napp = pI + pp + pI + Na >> np + nIc. d. Chất bán dẫn suy biến N + +, P + + Chất có nồng độ hạt dẫn không cao, được gọi là chấtkhông suy biến. Chất bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn hơn 1020 nguyên tử / cm3, được gọi là bàn dẫn suy biếnchất bán dẫn suy biến có đặc thù giống sắt kẽm kim loại, dẫnNăng lượng của những hạt dẫn tự do trong bán dẫn suybiến không nhờ vào nhiệt độ1. 1.4 chính sách dẫn điện theo triết lý vùng năng lượngb. Sự dẫn điện của bán dẫn • Dòng điện trôi : J ntr = – ( – q ) n Vn = qμnnEJ ptr = q pVp = pμqqE • ta có tỷ lệ dòng điện trôi trong bán dẫnJtr = Jntr + Jptr • Điện dẫn xuất của chất bán dẫn : σ = q ( nμp + pμp ) b. Chuyển đông khuếch tán • Do sự phân bổ không đều trong thể tích gradien nồng độcác hạt dẫnTa có thông số khuếch tán như sau : Dp = φTμpDn = φTμnφT hằng số phụ thuốc nhiệt độφT = kT / qK hằng số BoillzmanQ điện tích điện tửT nhiệt độ tuyệt đối của T = 300K φT = 0.025 V = 25 mVMô hình hoạt động khuếch tán của những hạt dẫnppppnpnNnppNpNnN ( x ) 1.1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ dẫn điện của vậtliệu bán dẫn1. 2 Chuyển tiếp P-N ( Junction P-N ) – + – + + – + – + – – + + + + + + + – + + + – + – + – – + + + + + + + Cấu trúc lớp chuyển tiếp P-Nn, pa. nNpNppnpb. ( 1 ) c. VtxVtx – | V | Vtx + | V | ( 2 ) ( 3 ) a. Sự phân bốmật độ của cáchạt dẫn trong vùng chuyểntiếp. b. Đồ thị điện tích của những iontrên mặt phẳng tiếp xúc. c. phân bổ điện thế củachuyển tiếp P-N : ( 1 ) : điện thế phân cực thuận ( 2 ) : điện thế tiếp xúc ( 3 ) : điện thế phân cựcnghịchIDIomaxVBDIs0, 7 Đặc tuyến V-I của chuyển tiếp P-NVD – Bề dày của vùng nghèo ở trạng thái cân đối tỉ lệnghịch với nồng độ tạp chất trong hai khối bán dẫn : l0 = ln + lp = √ ( 2 ɛɛ0 / q ). Vtx ( 1 / NA + 1 / ND ) Trong đó : ɛ0 : Hằng số điện môi trog chân không = 9.10 – 14 F / cmɛ : Hằng số điện môi tường đối của chất bán dẫnI0 : Bề dày của vùng nghèo thường rất bé khoảng chừng 10-5 đến 10-4 cm
Source: https://dvn.com.vn
Category: Điện Tử
