Cấu trúc miền năng lượng của chất bán dẫn Các loại bán dẫn - Tài liệu text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.37 MB, 59 trang )

Xem thêm: Công nghiệp điện tử Nhật Bản – Wikipedia tiếng Việt

Mục Lục

Chương 2: Sơ lược về chất bán dẫn 2.1 Khái niệm

2.2 Cấu trúc miền năng lượng của chất bán dẫn

Như đã trình bày ở trên cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn gồm có 3 vùng: vùng dẫn, vùng hóa trị và vùng cấm. Độ rộng vùng cấm xác định
trong khoảng
2 3
Eg eV
eV ≤
≤ ÷
. Ở không độ tuyệt đối 0K, mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị vùng dẫn
hồn tồn khơng có điện tử, do đó chất bán dẫn khơng dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt k
B
.T với k
B
là hằng số Boltzmann nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên
điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy
lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán
dẫn tăng dần theo nhiệt độ hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ. Một
GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên
cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở suất của chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:
B T
e ρ ρ
=
, với: B,
ρ
là hằng số. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện
tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của
chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng quang- bán dẫn. Các chất bán dẫn sở dĩ
rất hữu ích bởi chúng có thể đóng mở dòng điện. Điều này
được thực hiện bằng cách đặt vào một hiệu điện thế nhỏ,
cung cấp năng lượng cho các điện tử vượt qua khe năng
lượng trống giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Tuy nhiên, độ rộng của khe năng lượng này độ rộng này có thể quy định thế đóng mở lại là một thuộc tính nội
tại của chất bán dẫn không thể thay đổi và chỉ có thể thay đổi bằng cách thay đổi thành phần hóa học hoặc cấu trúc của vật liệu.

2.3 Các loại bán dẫn

2.3.1 Bán dẫn thuần Các chất bán dẫn khơng chứa tạp chất và có một số lượng không đáng kể
các khuyết tật hoặc sai hỏng về mặt tinh thể thì gọi là bán dẫn thuần. Bán dẫn thuần gồm hai loại: bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất. Bán dẫn đơn chất
là các nguyên tố thuộc nhóm IV, sử dụng nhiều nhất là Si và Ge, Si vẫn được sử dụng nhiều hơn Ge dù Ge là nguyên tố đầu tiên được sử dụng làm chất
GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên
Hình 16: Cấu trúc vùng năng lượng khi
T0K Hình 15: Cấu trúc
vùng năng lượng khi T=0K
bán dẫn vì Ge có độ rộng vùng cấm bé hơn Si, dòng điện rò lớn, nhiệt độ chịu đựng bé, giá thành cao. Bán dẫn hợp chất gồm hai loại:
–
Kết hợp hai nguyên tố, thường kết hợp các nguyên tố nhóm II với nhóm IV và kết hợp nhóm III với nhóm V. Ví dụ: InP, GaAs, GaAr…
–
Kết hợp ba nguyên tố như: GaAlAs, GaInAr, GaInP… Khi khơng có tác động bên ngồi thì vùng dẫn của bán dẫn thuần trống
hồn tồn, vùng hóa trị bị lấp đầy hồn tồn. Khi nhiệt độ của tinh thể tăng lên làm cho một số electron trong các liên kết nhận đủ năng lượng và đủ sức để
thắng năng lượng liên kết chúng trong nguyên tử, chúng sẽ tách ra khỏi liên kết và trở thành electron tự do, điều này ứng với sự chuyển dịch electron từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn. Ở vùng dẫn có các electron tự do sẽ tham gia vào q trình dẫn điện khi có điện trường ngồi, còn vùng hóa trị có các lỗ trống.
Gọi E
c
là mức năng lượng ở đáy vùng dẫn, E
v
là mức năng lượng ở đỉnh của vùng hóa trị. Bề rộng vùng cấm được tính theo cơng thức:
E
g
= E
c
– E
v
. Vị trí mức Fermi W
f
được tính theo cơng thức:
f
3 W
ln 2
4
g h
B e
E m
k T m
= − +
, trong đó: m
h
là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống, m
e
là khối lượng hiệu dụng của electron. Như vậy vị trí của mức Fermi phụ thuộc vào nhiệt độ và tỉ số khối lượng
hiệu dụng của electron và lỗ trống. Với chất bán dẫn thuần có m
h
=m
e
nên:
f
W 2
g
E = −
tức là mức Fermi W
f
nằm ở giữa miền cấm. 2.3.2 Bán dẫn pha tạp chất
Bán dẫn trong thực tế khơng hồn tồn tinh khiết mà ln chứa các nguyên tử tạp chất. Các tạp chất trong bán dẫn gây ra các mức năng lượng
riêng biệt gọi là mức tạp chất. Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn
GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên
pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho điện tử dễ
dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ
cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn. Có hai loại bán dẫn tạp chất: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p:
GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên
o Chất bán dẫn loại p có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Các lỗ trống này làm xuất hiện mức
năng lượng acceptor ở rất gần đỉnh vùng hóa trị cách vùng hóa trị một khoảng E
a
. Lỗ trống có thể dịch chuyển tự do trong mạng tinh thể và tham gia vào quá trình dẫn điện khi có hiệu điện thế ngồi.
Khi nhiệt độ tăng electron chuyển từ vùng hóa trị lên mức acceptor làm xuất hiện lỗ trống ở vùng hóa trị.
o Chất bán dẫn loại n có tạp chất là các nguyên tố thc nhóm V, các ngun tử này dùng 4
electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài
liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các
electron dẫn chính. Các electron này gây ra ở
vùng cấm có mức năng lượng donor ở rất gần
đáy vùng dẫn cách đáy vùng dẫn một khoảng E
d
. Khi nhiệt độ tăng lên thì
trong bán dẫn loại n có hai sự chuyển dịch:
electron từ mức donor lên vùng dẫn, electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.
GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên
Hình 20: Cấu trúc bán dẫn loại n khi T0K
Hình 19: Cấu trúc bán dẫn loại n khi
T=0K
Hình 17: Cấu trúc bán dẫn loại p khi
T=0K Hình 18: Cấu trúc
bán dẫn loại p khi T0K

Chương 3: Chất bán dẫn Graphene 3.1 Khái niệm Graphene

Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫnđiện ở nhiệt độ phòng. Chất bán dẫn có điện trở xuất trung gian giữa kim loại và điện môi.Điện trở suất của: Kim loại chất dẫn điện : ρ = 10-8 Ωm ÷ 10-6 Ωm Bán dẫn : ρ = 10-6 Ωm ÷ 1010 ΩmĐiện môi chất cách điện : ρ 1010 Ωm Ngược với chất dẫn điện, khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của chất bán dẫn tăngtheo. Nghĩa là điện trở suất của chất bán dẫn nghịch biến với nhiệt độ. Ta nói chất bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm.Như đã trình bày ở trên cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn gồm có 3 vùng: vùng dẫn, vùng hóa trị và vùng cấm. Độ rộng vùng cấm xác địnhtrong khoảng2 3Eg eVeV ≤≤ ÷. Ở không độ tuyệt đối 0K, mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị vùng dẫnhồn tồn khơng có điện tử, do đó chất bán dẫn khơng dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt k.T với klà hằng số Boltzmann nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nênđiện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảylên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bándẫn tăng dần theo nhiệt độ hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ. MộtGVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liêncách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở suất của chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:B Te ρ ρ, với: B,là hằng số. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điệntử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất củachất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng quang- bán dẫn. Các chất bán dẫn sở dĩrất hữu ích bởi chúng có thể đóng mở dòng điện. Điều nàyđược thực hiện bằng cách đặt vào một hiệu điện thế nhỏ,cung cấp năng lượng cho các điện tử vượt qua khe nănglượng trống giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Tuy nhiên, độ rộng của khe năng lượng này độ rộng này có thể quy định thế đóng mở lại là một thuộc tính nộitại của chất bán dẫn không thể thay đổi và chỉ có thể thay đổi bằng cách thay đổi thành phần hóa học hoặc cấu trúc của vật liệu.2.3.1 Bán dẫn thuần Các chất bán dẫn khơng chứa tạp chất và có một số lượng không đáng kểcác khuyết tật hoặc sai hỏng về mặt tinh thể thì gọi là bán dẫn thuần. Bán dẫn thuần gồm hai loại: bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất. Bán dẫn đơn chấtlà các nguyên tố thuộc nhóm IV, sử dụng nhiều nhất là Si và Ge, Si vẫn được sử dụng nhiều hơn Ge dù Ge là nguyên tố đầu tiên được sử dụng làm chấtGVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích LiênHình 16: Cấu trúc vùng năng lượng khiT0K Hình 15: Cấu trúcvùng năng lượng khi T=0Kbán dẫn vì Ge có độ rộng vùng cấm bé hơn Si, dòng điện rò lớn, nhiệt độ chịu đựng bé, giá thành cao. Bán dẫn hợp chất gồm hai loại:Kết hợp hai nguyên tố, thường kết hợp các nguyên tố nhóm II với nhóm IV và kết hợp nhóm III với nhóm V. Ví dụ: InP, GaAs, GaAr…Kết hợp ba nguyên tố như: GaAlAs, GaInAr, GaInP… Khi khơng có tác động bên ngồi thì vùng dẫn của bán dẫn thuần trốnghồn tồn, vùng hóa trị bị lấp đầy hồn tồn. Khi nhiệt độ của tinh thể tăng lên làm cho một số electron trong các liên kết nhận đủ năng lượng và đủ sức đểthắng năng lượng liên kết chúng trong nguyên tử, chúng sẽ tách ra khỏi liên kết và trở thành electron tự do, điều này ứng với sự chuyển dịch electron từvùng hóa trị lên vùng dẫn. Ở vùng dẫn có các electron tự do sẽ tham gia vào q trình dẫn điện khi có điện trường ngồi, còn vùng hóa trị có các lỗ trống.Gọi Elà mức năng lượng ở đáy vùng dẫn, Elà mức năng lượng ở đỉnh của vùng hóa trị. Bề rộng vùng cấm được tính theo cơng thức:= E– E. Vị trí mức Fermi Wđược tính theo cơng thức:3 Wln 2g hB eE mk T m= − +, trong đó: mlà khối lượng hiệu dụng của lỗ trống, mlà khối lượng hiệu dụng của electron. Như vậy vị trí của mức Fermi phụ thuộc vào nhiệt độ và tỉ số khối lượnghiệu dụng của electron và lỗ trống. Với chất bán dẫn thuần có m=mnên:W 2E = −tức là mức Fermi Wnằm ở giữa miền cấm. 2.3.2 Bán dẫn pha tạp chấtBán dẫn trong thực tế khơng hồn tồn tinh khiết mà ln chứa các nguyên tử tạp chất. Các tạp chất trong bán dẫn gây ra các mức năng lượngriêng biệt gọi là mức tạp chất. Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫnGVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liênpha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho điện tử dễdàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏcũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn. Có hai loại bán dẫn tạp chất: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p:GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liêno Chất bán dẫn loại p có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Các lỗ trống này làm xuất hiện mứcnăng lượng acceptor ở rất gần đỉnh vùng hóa trị cách vùng hóa trị một khoảng E. Lỗ trống có thể dịch chuyển tự do trong mạng tinh thể và tham gia vào quá trình dẫn điện khi có hiệu điện thế ngồi.Khi nhiệt độ tăng electron chuyển từ vùng hóa trị lên mức acceptor làm xuất hiện lỗ trống ở vùng hóa trị.o Chất bán dẫn loại n có tạp chất là các nguyên tố thc nhóm V, các ngun tử này dùng 4electron tạo liên kết và một electron lớp ngoàiliên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là cácelectron dẫn chính. Các electron này gây ra ởvùng cấm có mức năng lượng donor ở rất gầnđáy vùng dẫn cách đáy vùng dẫn một khoảng E. Khi nhiệt độ tăng lên thìtrong bán dẫn loại n có hai sự chuyển dịch:electron từ mức donor lên vùng dẫn, electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích LiênHình 20: Cấu trúc bán dẫn loại n khi T0KHình 19: Cấu trúc bán dẫn loại n khiT=0KHình 17: Cấu trúc bán dẫn loại p khiT=0K Hình 18: Cấu trúcbán dẫn loại p khi T0K

Xem thêm: quốc oai – Tin tức cập nhật mới nhất tại https://dvn.com.vn | Kết quả trang 1

Bạn đang đọc: Cấu trúc miền năng lượng của chất bán dẫn Các loại bán dẫn – Tài liệu text

Source: https://dvn.com.vn
Category: Điện Tử