Lession 2 : Semiconductor

Vật liệu bán dẫn

http://hqhuy.wordpress.com 1/38

1.1 Những tính chất cơ bản 1.2 Nồng ñộ hạt dẫn

http://hqhuy.wordpress.com 2/38

1.1 Những tính chất cơ bản

Si - Silic (Silicon), Ge - Gcmani (Germanium) : bán dẫn ñơn chất GaAs - Gali Asenic (Gallium Arsenide) : bán dẫn hợp chất

http://hqhuy.wordpress.com 3/38

http://hqhuy.wordpress.com 4/38

Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn

. Hình 1: Cấu tạo của nguyên tử

http://hqhuy.wordpress.com 5/38

• ðiện tử ở những quỹ ñạo lượng tử xác

ñịnh, nó quay quanh hạt nhân nhờ sự cân bằng giữa 2 lực:

- Lực ñiện giữa ñiện tích (-) của ñiện tử và

ñiện tích (+) của hạt nhân .

- Lực hấp dẫn (lực hướng tâm) giữa 2 thực thể có khối lượng là ñiện tử và hạt nhân.

http://hqhuy.wordpress.com 6/38

http://hqhuy.wordpress.com 7/38

• Ký hiÖu:

Wc lµ møc n¨ng l−îng ®¸y vïng dÉn Wv lµ møc n¨ng l−îng ®Ønh vïng hãa trÞ D Wg lµ ®é lín cña vïng cÊm

• CÊu tróc n¨ng l−îng cña vËt r¾n gåm ba vïng:

+ Vïng hãa trÞ víi 0< W < Wv ®−îc cÊu t¹o bëi nh÷ng møc n¨ng l−îng s¸t ngoµi cïng, ®ã lµ nh÷ng møc ®5 bÞ chiÕm ®Çy t−îng tr−ng cho c¸c ®iÖn tö n»m trong liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ bÒn v÷ng, kh«ng cã kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn. + Vïng dÉn víi W > Wc gåm nh÷ng møc n¨ng l−îng cña líp ngoµi cïng trong ®ã cßn nhiÒu møc trèng, t¹i ®©y ®iÖn tö cã thÓ tù do dÞch chuyÓn trong toµn bé m¹ng tinh thÓ vµ s½n sµng tham gia dÉn ®iÖn khi cã ®iÖn tr−êng. + Vïng cÊm víi Wv < ∆Wg < Ec kh«ng cã møc n¨ng l−îng nµo ®Ó ®iÖn tö cã thÓ tån t¹i ®−îc.

http://hqhuy.wordpress.com 8/38

http://hqhuy.wordpress.com 9/38

C¸c lo¹i chÊt b¸n dÉn

• B¸n dÉn ®¬n chÊt vµ b¸n dÉn hîp chÊt • VÝ dô c¸c nhãm d¹ng AIVBIV nh− c¸cbit silic SiCX víi tØ lÖ lµ 70,045%Si + 29,955%C, ®−îc dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c ®iÖn trë cã trÞ sè biÕn ®æi theo ®iÖn ¸p (Varistor-VDR).

• HoÆc nhãm hîp chÊt AIIIBV sù kÕt hîp mét nguyªn tö nhãm III víi mét nguyªn tö nhãm V nh− AlP, GaP; GaAs; InAs; GaSb; InSb, nh÷ng b¸n dÉn nµy ®−îc dïng ®Ó chÕ tao ra c¸c linh kiÖn ®Æc biÖt nh− LED, LASER, Photodiot, phototransistor v.v... • Nhãm hîp chÊt AIIBV kÕt hîp nhãm II víi nhãm V nh− Sulfua ch× PbS; Sulfua Bismit Bi2S3; Sulfua Cadmi CdS cã thÓ ®−îc dïng s¶n xuÊt c¸c dông cô c¶m biÕn quang ®iÖn, vÝ dô quang trë Rf

http://hqhuy.wordpress.com 10/38

C¸c d¹ng dÉn cña b¸n dÉn

• Dùa vµo b¶n chÊt cña c¸c h¹t t¶i ®iÖn (hay cßn gäi lµ h¹t dÉn) mµ ng−êi ta cã thÓ chia ra thµnh 3 d¹ng dÉn cña b¸n dÉn:

- NÕu h¹t t¶i ®iÖn gåm 2 lo¹i h¹t víi sè l−îng b»ng nhau lµ ®iÖn tö vµ lç trèng, ®ång thêi ®é dÉn phô thuéc m¹nh vµo nhiÖt ®é th× ®ã lµ b¸n dÉn thuÇn (B¸n dÉn lo¹i I – viÕt t¾t cña tõ Intrinsic).

- NÕu h¹t t¶i ®iÖn chñ yÕu lµ ®iÖn tö th× lµ b¸n dÉn d¹ng

N.

- NÕu h¹t t¶i ®iÖn chñ yÕu lµ lç trèng th× lµ b¸n dÉn

d¹ng P.

http://hqhuy.wordpress.com 11/38

ChÊt b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn lo¹i I) • §é s¹ch cã thÓ ®¹t tíi 1 phÇn 10 tû trong 1cm3 b¸n dÉn

(1/10.000.000.000) • Si: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 • Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2

http://hqhuy.wordpress.com 12/38

M¹ng tinh thÓ

http://hqhuy.wordpress.com 13/38

Vïng n¨ng l−îng cña b¸n dÉn thuÇn

http://hqhuy.wordpress.com 14/38

• Víi vËt liÖu b¸n dÉn lo¹i Si, GaAs vµ Ge, ®é lín vïng

cÊm nh− sau: D Wg = 1,1eV (Si) ; D Wg = 1,41eV (GaAs); D Wg = 0,67eV (Ge)

• §¬n vÞ n¨ng l−îng tÝnh b»ng eV (electron Volt) ( 2-1)

W = e x U (eV)

• V× ®iÖn tÝch cña ®iÖn tö e = 1,6 x 10-19 C

nªn 1eV = 1,6 x 10-19J

( 2-2)

• Víi nhiÖt ®é 250C, trong 1cm3 cña Si thuÇn cã kho¶ng 1,5 x 1010 ®iÖn tö tù do, cßn cña Ge t−¬ng øng lµ 2,3 x 1013

http://hqhuy.wordpress.com 15/38

§iÖn tö vµ lç trèng trong b¸n dÉn thuÇn

http://hqhuy.wordpress.com 16/38

Nång ®é

• Dùa vµo hµm thèng kª Fermi - Dirac ng−êi ta ®5 tÝnh ®−îc

nång ®é ®iÖn tö trong vïng dÉn vµ lç trèng trong vïng ho¸ trÞ:

Trong ®ã: - NC, NV lµ mËt ®é tr¹ng th¸i hiÖu dông trong vïng dÉn vµ vïng

ho¸ trÞ.

- Wf lµ møc Fermi - K lµ h»ng sè Boltzman

=1.3806504(24) × 10−23J/oK=18.617 343(15) ×10−5eV /oK

- T lµ nhiÖt ®é tÝnh b»ng 0K.

http://hqhuy.wordpress.com 17/38

B¸n dÉn lo¹i N

• §−a mét l−îng rÊt nhá mét chÊt kh¸c cã ho¸ trÞ 5 (tøc lµ cã 5 ®iÖn tö ë líp ngoµi cïng) vµo m¹ng tinh thÓ cña chÊt b¸n dÉn thuÇn nh− chÊt Sb-(Antimoan), hoÆc As-(Asen), hoÆc Ph-(Photpho)

• ®iÖn tö tù do • T¹p chÊt lo¹i nµy ®−îc gäi lµ t¹p chÊt cho (Donor) • ë nhiÖt ®é trong phßng (250C), sè l−îng ®iÖn tö tù do cña lo¹i b¸n dÉn cã t¹p chÊt Donor lín h¬n 105 lÇn b¸n dÉn thuÇn.

• Lo¹i b¸n dÉn cã pha t¹p chÊt Donor gäi lµ b¸n dÉn

lo¹i N

http://hqhuy.wordpress.com 18/38

B¸n dÉn lo¹i N

http://hqhuy.wordpress.com 19/38

B¸n dÉn lo¹i P

• §−a t¹p chÊt cã ho¸ trÞ 3 (tøc lµ cã 3 ®iÖn tö ë líp ngoµi cïng) vµo m¹ng tinh thÓ cña b¸n dÉn, vÝ dô chÊt B-Bo (Boron), hoÆc In-Indi (Indium), hoÆc Al-Nh«m (Aluminium), hoÆc Ga- Gali (Gallium)

• Mèi liªn kÕt c¹nh mÊt mét ®iÖn tö vµ mang ®iÖn tÝch

d−¬ng, tøc lµ h×nh thµnh mét lç trèng

• T¹p chÊt ®Ó t¹o nªn hiÖu øng nµy cã tªn lµ t¹p chÊt

nhËn (Acceptor).

• Lo¹i b¸n dÉn cã pha t¹p chÊt Acceptor gäi lµ b¸n dÉn

lo¹i P

http://hqhuy.wordpress.com 20/38

B¸n dÉn lo¹i P

http://hqhuy.wordpress.com 21/38

C¬ chÕ dÉn ®iÖn b»ng lç trèng

http://hqhuy.wordpress.com 22/38

H¹t dÉn ®a sè vµ h¹t dÉn thiÓu sè

• NÕu ký hiÖu ni vµ pi lµ nång ®é ®iÖn tö vµ lç trèng t−¬ng øng trong chÊt b¸n dÉn s¹ch th× lu«n lu«n tån t¹i sù c©n b»ng sau:

ni = pi • §èi víi hai lo¹i b¸n dÉn N vµ P lu«n tho¶ m5n

bÊt ®¼ng thøc: nn >> pn vµ pp >> np.

2

2

Wg KT

=

=

=

=

=

const

pn n n

pn p

p

n i

p i

eNN c v

D -

http://hqhuy.wordpress.com 23/38

http://hqhuy.wordpress.com 24/38

1.1 Những tính chất cơ bản 1.2 Nồng ñộ hạt dẫn

http://hqhuy.wordpress.com 25/38

Nång ®é h¹t dÉn trong chÊt b¸n dÉn

=

=

( WF

)

dN dZ

  

• ®iÖn tö chØ chiÕm nh÷ng møc n¨ng l−îng nhÊt ®Þnh • ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng, tøc nhiÖt ®é kh«ng ®æi th× x¸c suÊt ph©n bè theo n¨ng l−îng cña ®iÖn tö cã thÓ ®−îc xÐt b»ng biÓu thøc thèng kª Fecmi-Dirac 1  WfW   KT

+

1

e

• Trong ®ã: F(W) lµ hµm phô thuéc n¨ng l−îng, nã biÓu diÔn kh¶ n¨ng chiÕm gi÷ c¸c møc n¨ng l−îng cña ®iÖn tö ë mét nhiÖt ®é T nµo ®ã.

- W lµ møc n¨ng l−îng bÊt kú mµ ng−êi ta cÇn xÐt. - Wf lµ møc n¨ng l−îng Fecmi (cßn gäi lµ thÕ ho¸). - K : lµ h»ng sè khÝ lý t−ëng - h»ng sè Boisman

-

http://hqhuy.wordpress.com 26/38

Møc n¨ng l−îng Fecmi

http://hqhuy.wordpress.com 27/38

Møc n¨ng l−îng Fecmi

• Møc Fecmi lµ møc n¨ng l−îng lín nhÊt mµ

®iÖn tö cã thÓ tån t¹i ë To = 0oK

• Møc n¨ng l−îng fecmi lµ møc cã x¸c suÊt ®iÖn tö chiÕm gi÷ lu«n b»ng 1/2 ë tÊt c¶ nhiÖt ®é nµo lín h¬n kh«ng

http://hqhuy.wordpress.com 28/38

Nång ®é h¹t dÉn trong b¸n dÉn

• Nc(W), Nv(W) lµ c¸c hµm ph©n bè tr¹ng th¸i • h lµ h»ng sè plank, mn* , mp* lµ khèi l−îng hiÖu dông

cña ®iÖn tö vµ lç trèng

http://hqhuy.wordpress.com 29/38

TÝch sè nång ®é h¹t dÉn trong b¸n dÉn

W

W

g

g

3

=

T=

D D

n

pn 0

0

NN c

v

2 i

kT

kT

  exp 

 = 

  exp 

  

3

3

3

p 32

k

- A -

) 2

=

A

( * nmm

* p

6

h

=

const

pn 0

0

= 2 n i

http://hqhuy.wordpress.com 30/38

Sù ph¸t x¹ vµ t¸i hîp h¹t dÉn

• Sù ph¸t x¹ - Sù ph¸t x¹ ®ã lµ qu¸ tr×nh lµm xuÊt hiÖn c¸c h¹t dÉn trong chÊt b¸n dÉn, nÕu qu¸ tr×nh nµy t¹o ra sè ®iÖn tö vµ sè lç trèng b»ng

nhau th× ®−îc gäi lµ ph¸t x¹ cÆp ®iÖn tö lç trèng.

http://hqhuy.wordpress.com 31/38

Sù ph¸t x¹ (tt)

• Sù ph¸t x¹ chØ t¹o ra mét lo¹i h¹t dÉn hoÆc ®iÖn tö, hoÆc lç trèng th× ®ã lµ qu¸ tr×nh ion ho¸ t¹p chÊt

• T¹p chÊt cho (donor) t¹o ra ®iÖn tö trªn vïng dÉn cßn t¹p chÊt nhËn (acceptor) t¹o ra lç trèng trong vïng ho¸ trÞ.

http://hqhuy.wordpress.com 32/38

http://hqhuy.wordpress.com 33/38

Sù t¸i hîp

- T¸i hîp trùc tiÕp: ®iÖn tö chuyÓn trùc tiÕp tõ vïng

dÉn xuèng vïng ho¸ trÞ ®Ó trung hoµ víi lç trèng Qu¸ tr×nh nµy th−êng gi¶i phãng ra n¨ng l−îng d−íi d¹ng ¸nh s¸ng, tÇn sè ¸nh s¸ng phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch gi÷a hai møc n¨ng l−îng mµ nã chuyÓn dêi. HiÖn t−îng nµy ®−îc øng dông ®Ó chÕ t¹o ra c¸c dông cô ph¸t s¸ng.

- T¸i hîp gi¸n tiÕp: Khi trong tinh thÓ cã nh÷ng khuyÕt tËt vÒ cÊu tróc m¹ng, chóng sÏ t¹o ra nh÷ng møc n¨ng l−îng n»m trong vïng cÊm cã kh¶ n¨ng b¾t gi÷ c¸c ®iÖn tö ®−îc gäi lµ t©m t¸i hîp.

http://hqhuy.wordpress.com 34/38

D Wg =

• §é lín cña n¨ng l−îng vïng cÊm lµ: D

D D

|WC – WV|

D D

D Wg > 5eV D Wg = 0eV, hai vïng dÉn

• ChÊt c¸ch ®iÖn: D • ChÊt dÉn ®iÖn : D

D D

vµ vïng hãa trÞ trïng mét phÇn lªn nhau

D Wg < 5eV

D D

D Wg (Ge) = 0,67eV

• ChÊt b¸n dÉn 0eV < D D Wg (Si) = 1,1eV ; D • D

D D D D

http://hqhuy.wordpress.com 35/38

• ChÊt b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn I) lµ b¸n dÉn cã ®é s¹ch rÊt cao (tû lÖ t¹p chÊt kho¶ng 1/10 tû trªn thÓ tÝch 1cm3)

• Nång ®é h¹t dÉn trong chÊt b¸n dÉn thuÇn ni = pi • ChÊt b¸n dÉn N lµ b¸n dÉn cã t¹p chÊt cho (Donor). H¹t dÉn ®a sè lµ ®iÖn tö nn, h¹t dÉn thiÓu sè lµ lç trèng pn víi nn >> pn

• ChÊt b¸n dÉn lo¹i P lµ b¸n dÉn cã t¹p chÊt nhËn (Acceptor). H¹t dÉn ®a sè lµ lç trèng pp, h¹t dÉn thiÓu sè lµ ®iÖn tö np víi pP >> nP

2 =const

nnpn = ppnp = ni

2 = pi

http://hqhuy.wordpress.com 36/38

http://hqhuy.wordpress.com 37/38

Next lession : Diode

http://hqhuy.wordpress.com 38/38