zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử: Chương 3 - Ths. Trần Thục Linh

Chia sẻ: Cảnh Đặng Xuân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Báo xấu

116
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 3 Chất bán dẫn (Semiconductor), cùng tìm hiểu chương học này với các nội dung sau: Định nghĩa chất bán dẫn; Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn; Chất bán dẫn thuần; Chất bán dẫn không thuần; Dòng điện trong chất bán dẫn; Độ dẫn điện của chất bán dẫn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử: Chương 3 - Ths. Trần Thục Linh

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Chương 3- Chất bán dẫn (Semiconductor) • Định nghĩa chất bán dẫn • Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn • Chất bán dẫn thuần • Chất bán dẫn không thuần • Dòng điện trong chất bán dẫn • Độ dẫn điện của chất bán dẫn www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 1 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 1. Định nghĩa Chất bán dẫn là vật chất có điện trở suất nằm ở giữa trị số điện trở suất của chất dẫn điện và chất điện môi khi ở nhiệt độ phòng, ρ= 10-4 ÷ 107 Ω.m Chất bán dẫn là chất mà trong cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm là 0
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 2. Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn đơn Si Mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử bên cạnh o 2.35 A o 5.43 A www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 3 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn ghép Ga As Chất bán dẫn ghép: Hợp chất của các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm III và phân nhóm chính nhóm V: GaAs, GaP, GaN,… Chúng có ứng dụng quan trọng trong các cấu kiện quang điện và IC tốc độ cao www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 4 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Chất bán dẫn mà ở mỗi nút của mạng tinh thể của nó chỉ có nguyên tử của một loại nguyên tố, ví dụ như các tinh thể Ge (gecmani) Si (silic) nguyên chất ... VD: tinh thể Si, EG= 1,1eV (tại nhiệt độ 3000K) Dải E Si Si Si dẫn +4 +4 +4 Điện tử EC EG < 2 eV Si Si Si EV +4 +4 +4 Lỗ trống Si Si Dải Si +4 +4 +4 hoá trị www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 5 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Sự tạo thành lỗ trống và điện tử tự do Ở nhiệt độ phòng một số liên kết cộng Si hóa trị bị phá vỡ tạo ra điện tử tự do và Si Si +4 +4 +4 lỗ trống Lỗ trống cũng có khả năng dẫn điện Si như điện tử tự do Si Si +4 +4 +4 Bán dẫn thuần có nồng độ hạt dẫn lỗ Lỗ Điện tử trống và nồng độ hạt dẫn điện tử bằng trống tự do Si Si nhau: p = n = pi = ni +4 Si +4 +4 Độ dẫn điện của chất bán dẫn σ: μn - độ linh động của điện tử tự do μp - độ linh động của lỗ trống σ = (n.μ n + p.μ p ).q q – điện tích của điện tử q=1,6.10-19C J – mật độ dòng điện khi chất bán dẫn J = (n.μ n + p.μ p ).q.E = σ.E đặt trong điện trường ngoài E: www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 6 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Các thuật ngữ Nồng độ điện tử tự do trong chất bán dẫn (Electron Concentration): n [cm-3] - số lượng điện tử tự do trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn (ni, nn, np) Nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn (Hole Concentration):p [cm-3] - số lượng lỗ trống trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn (pi, pn, pp) Độ linh động của điện tử tự do (Electron Mobility): μn[cm2/(V.s)] – Tham số xác định mức độ phân tán của điện tử trong chất bán dẫn, tỉ lệ thuận với vận tốc khuyếch tán của điện tử và cường độ trường điện từ, cũng như tỉ lệ giữa nồng độ điện tử và độ dẫn điện của chất bán dẫn Độ linh động của lỗ trống (Hole Mobility) : μp[cm2/(V.s)] - Tham số xác định mức độ phân tán của lỗ trống trong chất bán dẫn, tỉ lệ thuận với vận tốc khuyếch tán của lỗ trống và cường độ trường điện từ, cũng như tỉ lệ giữa nồng độ lỗ trống và độ dẫn điện của chất bán dẫn Độ dẫn điện (Electrical conductivity): σ [Ω.m]-1 - tham số đo khả năng dẫn dòng điện thông qua một đơn vị vật liệu, σ = 1/ρ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 7 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Quá trình tạo hạt tải điện và quá trình tái hợp Quá trình tạo ra hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần: do năng lượng nhiệt “thermal generation do năng lượng quang học “optical generation” Quá trình tái hợp giữa điện tử tự do và lỗ trống và giải phóng năng lượng 2 theo cách: Tạo ra nhiệt lượng làm nóng chất bán dẫn: “thermal recombination”- Tái hợp toả nhiệt Phát xạ ra photon ánh sáng : “optical recombination”- Tái hợp phát quang “Optical recombination” rất hiếm xảy ra trong trong chất bán dẫn thuần Si, Ge mà chủ yếu xảy ra trong các loại vật liệu bán dẫn ghép Quá trình tạo và tái hợp liên tục xảy ra trong chất bán dẫn, và đạt trạng thái cân bằng khi tốc độ của 2 quá trình đó bằng nhau www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 8 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ - Tốc độ tạo hạt tải điện phụ thuộc vào T nhưng lại độc lập với n và p - nồng độ của điện tử tự do và của lỗ trống : G = Gthermal (T ) + Goptical - Trong khi đó tốc độ tái hợp lại tỷ lệ thuận với cả n và p R ∝ np - Trạng thái ổn định xảy ra khi tốc độ tạo và tái hợp cân bằng G=R ⇒ np = f (T ) - Nếu trong trường hợp không có các nguồn quang và nguồn điện trường ngoài, trạng thái ổn định được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt “thermal equilibrium” np = n (T ) 2 i www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 9 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Hàm phân bố Fermi-Dirac Xét một hệ gồm nhiều hạt giống hệt nhau có thể nằm trên nhiều mức năng lượng khác nhau → hàm phân bố, bởi vì để xét các tính chất khác nhau của hệ trước hết ta cần phải biết các hạt này phân bố theo các mức năng lượng trên như thế nào? Xét hệ gồm N điện tử tự do nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt tại nhiệt độ T. Phân bố các điện tử đó tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Tìm phân bố của các điện tử theo các mức năng lượng? Áp dụng nguyên lý năng lượng tối thiểu: “xác suất để một hệ gồm N hạt giống hệt nhau nằm trong trạng thái năng lượng E tỷ lệ nghịch với E theo hàm mũ exp, cụ thể là: PN(E) ~ exp(-E/kT) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 10 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Hàm phân bố Fermi-Dirac (1) Xác suất mức năng lượng E [eV] bị điện tử lấp đầy tại nhiệt độ T tuân theo hàm phân bố Fermi- Dirac: f(E) 1 f (E ) = ⎛ E − EF ⎞ exp ⎜ ⎟+1 1 T=00K ⎝ KT ⎠ K: Hằng số Boltzmann (eV/ 0K) 0,5 T=3000K T=25000K K= 8,62×10-5 eV/0K T - Nhiệt độ đo bằng 0K 0 EF - Mức Fermi (eV) -1 0 0,2 1 (E-EF) EF - mức năng lượng Fermi là mức năng lượng lớn nhất còn bị e- lấp đầy tại T=00 K www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 11 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Hàm phân bố Fermi-Dirac (2) 1 E f (E ) = ⎛ E − EF ⎞ Vùng dẫn exp ⎜ ⎟+1 ⎝ KT ⎠ T = 10000K T = 3000K T = 00K EC E > EF => f(E) = 0 E < EF => f(E) = 1 F EF EG T > 00K (T=3000K; KT=26.10-3eV) T= 00K ( EF − E ) EV E - EF >> KT ⇒ f ( E ) ≈ e KT Vùng hoá trị ( E − EF ) E - EF
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 4. Chất bán dẫn không thuần Chất bán dẫn mà một số nguyên tử ở nút của mạng tinh thể của nó được thay thế bằng nguyên tử của chất khác gọi là chất bán dẫn không thuần. Có hai loại chất bán dẫn không thuần: Chất bán dẫn không thuần loại N – gọi tắt là Bán dẫn loại N Chất bán dẫn không thuần loại P – gọi tắt là Bán dẫn loại P Donors: P, As, Sb Acceptors: B, Al, Ga, In www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 13 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ a. Chất bán dẫn loại N (1) Thêm một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 5 (As, P, Sb…) vào chất bán dẫn thuần Ge (Si). Trong nút mạng nguyên tử tạp chất sẽ đưa 4 điện tử trong 5 điện tử hóa trị của nó tham gia vào liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge (hoặc Si) ở bên cạnh; còn điện tử thứ 5 sẽ thừa ra và liên kết của nó trong mạng tinh thể là rất yếu, ở nhiệt độ phòng cũng dễ dàng tách ra trở thành điện tử tự do trong tinh thể và nguyên tử tạp chất cho điện tử trở thành các ion dương cố định E Si Si Si + + + Vùng dẫn 4 4 4 Si e5 0,01e Sb Si EC + + + V ED 4 5 4 Mức cho Si Si Si EG + + EV + 4 4 4 Vùng hoá trị www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 14 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ a. Chất bán dẫn loại N (2) Nồng độ điện tử tự do trong chất bán dẫn loại N tăng nhanh nhưng tốc độ tái hợp tăng nhanh nên nồng độ lỗ trống giảm xuống nhỏ hơn nồng độ có thể có trong bán dẫn thuần Trong chất bán dẫn loại N, nồng độ hạt dẫn điện tử (nn) nhiều hơn nhiều nồng độ lỗ trống pn và điện tử được gọi là hạt dẫn đa số, lỗ trống được gọi là hạt dẫn thiểu số. nn >> pn nn=Nd+pn≈ Nd ni2 ni2 pn = = nn N d Nd – Nồng độ ion nguyên tử tạp chất cho (Donor) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 15 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ b. Chất bán dẫn loại P Thêm một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 3(In, Bo, Ga…) vào chất bán dẫn thuần Ge (Si). Trong nút mạng, nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử hóa trị đưa ra tạo liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử Ge (Si) ở bên cạnh, mối liên kết thứ 4 để trống và tạo thành một lỗ trống. Điện tử của mối liên kết gần đó có thể nhảy sang để hoàn chỉnh mối liên kết thứ 4 còn để trống đó. Nguyên tử tạp chất vừa nhận thêm điện tử sẽ trở thành ion âm và ngược lại ở nguyên tử Ge/Si vừa có 1 điện tử chuyển đi sẽ tạo ra một lỗ trống và nguyên tử này sẽ trở thành ion dương cố định Si Si Si E +4 +4 +4 Vùng dẫn Si In Si EC +4 +3 +4 EG EA Mức nhận 0,01eV Si Si Si EV +4 +4 +4 Vùng hoá trị www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 16 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ b. Chất bán dẫn loại P Nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn loại P tăng nhanh nhưng tốc độ tái hợp tăng nhanh nên nồng độ điện tử tự do giảm xuống nhỏ hơn nồng độ có thể có trong bán dẫn thuần Trong chất bán dẫn loại P, nồng độ hạt dẫn lỗ trống (pp) nhiều hơn nhiều nồng độ điện tử tự do np và lỗ trống được gọi là hạt dẫn đa số, điện tử tự do được gọi là hạt dẫn thiểu số pp >> np pp=Na+np≈ Na ni2 ni2 np = = pp Na Na – Nồng độ ion nguyên tử tạp chất nhận (Acceptor) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 17 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Nồng độ hạt tải điện trong bán dẫn không thuần (1) Thực tế Silicon thường được pha tạp cả chất Donor và Acceptor. Giả sử nồng độ pha tạp tương ứng là Nd, Na . Để tạo thành bán dẫn N thì Nd>Na, điện tử cho của nguyên tử Donor sẽ ion hóa tất cả các nguyên tử Acceptor để hoàn thành liên kết còn thiếu điện tử → quá trình bù “Compensation”. Điện tích trong chất bán dẫn N trung hòa nên: Nd- Na + p - n = 0 nn = (N d − N a ) + (N d − N a ) 1+ 4ni2 2 2 (N d − N a )2 Nếu Nd>>Na nên Nd-Na>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạt tải điện như như sau: ni2 n ≅ Nd − Na ; p≅ Nd − Na www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 18 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Nồng độ hạt tải điện trong bán dẫn không thuần (2) Tương tự để tạo thành bán dẫn P thì Na>Nd, trong bán dẫn cũng xảy ra quá trình bù, tính toán tương tự ta có nồng độ lỗ trống trong trường hợp này được tính như sau: pp = (N a − N d ) + (N a − N d ) 1+ 4ni2 2 2 (N a − N d )2 Nếu Na>>Nd nên Na-Nd>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạt tải điện như như sau: ni2 pp ≅ Na − Nd np ≅ Na − Nd www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 19 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1
BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Mức Fermi trong chất bán dẫn không thuần (1) Mức Fermi trong chất bán dẫn N (Nd càng tăng mức Fermi càng tiến gần tới đáy của dải dẫn): ( E F − EC ) n n = N C .e KT = Nd NC EF = EC − KT ln Nd EF i www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh Trang 20 BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2430 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.