Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

Ệ Ử Ạ

BÀI 2 ĐI N T  TR NG THÁI R N

ấ ẫ ị

ẫ ạ ấ ệ ử ạ ậ ệ 2.1 V t li u đi n t  tr ng thái r n ị ế 2.2 Mô hình liên k t hóa tr ự ị ể ệ 2.3 Dòng đi n d ch và s  d ch chuy n trong ch t bán d n ấ 2.4 Pha t p ch t trong ch t bán d n

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

1

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ậ ệ

ệ ử ạ

2.1 V t li u đi n t

tr ng thái r n

ẫ ệ  và bán d nẫ .

ệ ạ 3 lo i: ạ cách đi nệ , d n đi n ệ ố ơ ả ể ở ấ   t các lo i này là đi n tr  su t

ơ Tham s  c  b n đ  phân bi ρ: đ n v  là  cm.Ω ị

ệ ấ Ch t cách đi n:

ấ ẫ ệ Ch t d n đi n:

>ρ  105  cmΩ  <ρ  10­3  cm.Ω ộ ụ ươ ữ ệ ấ Ví d , kim c

6

Ω ượ ố ệ ấ ở l ng   t ấ   ng, m t trong nh ng ch t cách đi n có ch t ặ   cm.   M t ấ ấ ớ   su t   r t   l n,   10 t   nh t,   có   đi n   tr

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

2

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ấ ẫ ệ ố ồ ộ ệ ấ khác, đ ng nguyên ch t, m t ch t d n đi n t t, có đi n tr ở

­6  cm.Ω

ấ ỉ su t ch  3×10

ấ ở ấ ệ ế ẫ ả ộ

ể ề ấ ẫ ữ ệ ệ ơ ữ   Các ch t bán d n chi m toàn b  kho ng đi n tr  su t gi a ể   ch t d n đi n và cách đi n; h n n a, có th  đi u khi n

ệ ở ấ ằ ể ạ ấ

đi n tr  su t b ng cách thêm các t p ch t vào tinh th  bán d n.ẫ

B NG 2.1

ệ   Phân   lo i   ch t   r n   theo   đi n

d nẫ Ch tấ

Đi n d n ( cm)Ω ẫ

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

3

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

Cách đi nệ Bán d nẫ ệ D n đi n

105 < ρ 10­3 < ρ < 105 ρ < 10­3

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

4

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ẫ ấ ượ ạ ừ ộ ơ ả   đ c t o thành t ạ    m t lo i Các ch t bán d n c  b n

ử ộ ố ầ nguyên t ủ ả  (c t IV c a b ng nguyên t tu n hoàn)

ươ ng)

Cácbon (kim c Silic Germani Thi cế ợ ẫ ấ ượ ạ ấ   đ c t o ra t ừ ự ế ợ    s  k t h p Các ch t bán d n h p ch t:

ử ặ ộ ộ ủ c a các nguyên t trong c t III và V ho c c t II và VI. Các

ạ ườ ượ ề ậ ấ ẫ ợ lo i này th ng đ c đ  c p là bán d n h p ch t III­V (3­

5) hay II­VI (2­6).

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

5

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ư ề ầ ấ ợ ỷ Cũng có nhi u h p ch t 3 thành ph n nh : thu  ngân catmi

ố telua, gali nhôm asen, gali Indi asen và gali indi ph tpho.

ẫ ượ ử ụ ấ Các ch t bán d n đ c s  d ng:

Germani, silic.

ố gali asenic (GaAs), indi ph tphua (InP), silic cácbua

ể ấ ợ ươ Đang tìm hi u: các h p ch t kim c ơ ng, bo nit rít, silicon

cácbua và silicon germani (SiGe).

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

6

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ế

ị 2.2 Mô hình liên k t hoá tr

ử ế ớ ể ạ Các nguyên t có th  liên k t v i nhau theo các d ng vô

ị ơ ấ ể. Các ch t không đ nh hình

, đa tinh thể hay đ n tinh th ổ ể ậ ự ấ ị đ nh hình t ng th  có c u trúc không có tr t t

ề ể ể ấ ầ ỏ

ấ ữ ấ ẫ ở ỉ , trong khi đa   ế   tinh th  có r t nhi u các tinh th  nh . Tuy nhiên, h u h t ấ ơ    ch t đ n ủ các tính ch t h u ích c a ch t bán d n ch  có

ể ấ ở ộ ầ ả tinh th  nguyên ch t. Silic ­ c t IV b ng tu n hoàn – có

ở ỏ ố b n electron v  ngoài cùng.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

7

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ướ

ề ớ

ặ ỗ ố

L

i silicon 2 chi u v i liên

T o ra c p l

tr ng –

ế

k t hoá tr  dùng chung.

electron khi phá v  liênỡ

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

8

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ệ ộ ầ

ệ ố

ế

nhi

t đ  g n 0 tuy t đ i, 0K,

ị k t hoá tr

ấ ả

t

t c  các liên k t đ

ế ượ ấ   c l p

đ y, các v  ngoài c a nguyên

ử t

silic đ y hoàn toàn.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

9

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ậ ộ ượ ả M t đ  electron đ c gi ằ i phóng b ng v i ậ ộ ạ   ớ m t đ  h t

ệ ượ ằ ị c xác đ nh b ng các mang đi n nguyên ch t

ấ ủ ấ  ni (cm­3), đ ố tính ch t c a nguyên t và nhi ệ ộ t đ :

2

3

(cid:0) (cid:0)

n

BT

exp

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) cm­6 (2.2.1)

E G kT

(cid:0) (cid:0)

­5 eV/K

ượ ả Trong đó EG = năng l ng gi ằ   ẫ i phóng bán d n tính b ng

eV (electron Vôn) ố ệ ộ ệ ố ằ k = h ng s  Boltzmann, 8.62 × 10 T = nhi t đ  tuy t đ i, K

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

10

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

31

ố ụ ộ ố , 1.08 × 10

ớ B = tham s  ph  thu c vào nguyên t K­3.cm­6 v i Si.

ượ ả ượ ỏ ng nh  nh t đ ấ ể EG là năng l Năng l ng gi i phóng

ậ ẽ ả ế ỡ ị phá v  liên k t hoá tr , do v y s  gi i phóng các electron đ

ệ ả ệ ị ủ ượ ẫ d n đi n. B ng 2.3 li t kê các giá tr  c a năng l ng gi ể  ả   i

ủ ấ ẫ ề phóng c a nhi u ch t bán d n.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

11

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

Ả B NG 2.3

ẫ ấ ả   i Ch t bán d n

ượ ng gi Năng l phóng EG (eV)

(kim 5.47

Cácbon ươ c ng) Silic Germani Thi cế Gali asenic Gali nit rítơ ố Indi ph tphua 1.12 0.66 0.082 1.42 3.49 1.35

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

12

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

Bo nit rítơ Silic cácbua Cátmi selenic 7.50 3.26 1.70

ậ ộ ẫ ể M t   đ   electron   d n   đi n do )   đ ệ   (ho c   t

ể ượ ớ ằ b ng bi u t ng n (electron/cm

ậ ề ậ ế n  =  ni. Thu t ng

ấ ặ ộ ủ ậ ệ ễ   ặ ự ượ c   bi u   di n 3), và v i ch t nguyên ch t ấ   ấ ữ nguyên ch tấ   đ  c p đ n các tính ch t ấ   ấ   ni là m t tính ch t chung c a v t li u nguyên ch t. M c dù

ủ ừ ụ ư ẫ ấ ộ bên trong c a t ng ch t bán d n, nh ng nó ph  thu c vào

nhi ệ ộ t đ .

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

13

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ộ ạ ứ ượ ạ ệ M t h t mang đi n th  hai cũng đ ế   c t o ra khi liên k t

ị ị ệ ỡ

ẽ ể ạ ế ỏ ị ộ hoá tr  b  phá v . Khi m t electron có đi n tích – 1.602 × 10­19C tách ra kh i liên k t hoá tr , nó s  đ  l ằ q  b ng – ộ   i m t

ậ ủ ấ ế ỗ ố  trong c u trúc liên k t trong lân c n c a nguyên t ử tr ng l

ẹ ỗ ố ệ ụ ệ silic m . L  tr ng có đi n tích hi u d ng là + q.

ộ ừ ể ấ ế ạ M t   electron   t liên   k t   bên   c nh   có   th   l p   vào   l ỗ

ộ ỗ ố ớ ở ị ạ ố tr ng này, và t o ra m t l tr ng m i

ỗ ố ị ể trình này cho phép l ể  tr ng d ch chuy n qua tinh th . L v  trí khác. Quá   ỗ

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

14

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ộ ạ ư ệ ể ố ị tr ng d ch chuy n nh  là m t h t có đi n tích + q. M t đậ ộ

3).

ỗ ố ượ ể ễ ằ l tr ng đ c bi u di n b ng ch /cmỗ ữ p (l

ư ậ ệ ạ ượ ạ ộ Nh  v y, hai h t đi n tích đ ế   c t o ra khi m t liên k t

ộ ỗ ố ộ ỡ ị b  phá v : m t electron và m t l tr ng.

ớ n = ni = p V i silic (2.2.2)

2 in

ủ ỗ ố và tích c a electron và l tr ng là (2.2.3)

pn (cid:0) ấ

2.3 có khi ch t bán d n Tích pn trong công th c 2.ứ ẫ ở tr ngạ

ằ ả ấ ế ọ ệ . (K t qu  r t quan tr ng này đ ượ   c thái cân b ng nhi t

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

15

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ạ ằ ệ dùng sau này). Trong tr ng thái cân b ng nhi ấ   t, các tính ch t

ụ ỉ ệ ộ ủ ộ ộ ch  ph  thu c vào nhi

ố ươ nhân t kích thích khác. Ph ị t đ  T, không ch u tác đ ng c a các   2.3 không áp d ngụ ng trình 2.

ạ ộ ẫ ế cho các bán d n ho t đ ng n u có các kích thích bên ngoài

ư nh  dòng, áp hay quang.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

16

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ệ ộ

Tính giá tr  theo lý thuy t

ủ ế ni  c a silicon

nhi

t đ  tiêu

chu n.ẩ

Ụ Ấ Ạ Ệ VÍ D  2.1  TÍNH H T MANG ĐI N NGUYÊN CH T

ệ ộ

nhi

Đ  BÀI:

ữ ệ

t đ  phòng(300K). ươ

ng   trình

L I   GI I

Tính giá tr   ị ni c a silicon  ủ Ả :  D   li u   và   thông   tin   đã   bi

ế   Ph t:

2.2.1 xác đ nh

ni, B, và k. EG = 1.12 eV theo b ng 2.3.

ậ ộ ạ

ế : m t đ  h t mang đi n

ệ ni.

ư Ch a bi

t

ươ

ươ

: Tính ni theo ph

ng trình 2.

2.1.

Ph

ng pháp

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

17

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ệ ộ

ế : T = 300K

nhi

t đ  phòng.

Gi

thi

t

Phân tích:

31

3

6

K

K

08.1

10

(

cm .

)(

300

)

exp

2 ni

12.1 5 eV

K

eV K /

62.8(

10

)(

300

)

19

6

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

hay ni = 6.73 × 109/cm3

(cid:0) (cid:0)

cm

52.4

10

/

ả ể ơ ả ni ậ  Đ  đ n gi n, trong các phép tính sau, ta dùng

2 ni Th o lu n: =   1010/cm3  ử

ở ệ ộ ố nhi

ướ ể ả nguyên t ộ ủ   ớ ậ t   đ   phòng   đ i   v i   silic.   M t   đ   c a 22/cm3. Từ i tinh th  kho ng 5 × 10 silic trong l

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

18

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ấ ở ụ ệ ộ ví d  này chúng ta th y nhi ộ t đ  phòng m t liên k t b ế ị

13.

ỡ ở phá v ả  kho ng 10

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

19

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ự ị

2.3 Dòng đi n d ch và s  d ch chuy n trong ch t bán

d nẫ

ệ ị

Dòng đi n d ch ệ ả ủ ệ Đi n tr  su t ở ấ ρ và ngh ch đ o c a nó  ị ấ  σ ẫ đi n d n su t

ả ậ ẫ ệ ệ ườ mô t dòng đi n trong v t d n khi có đi n tr ng.

ể ệ ệ ạ ườ ị  Các h t mang đi n d ch chuy n theo đi n tr ạ   ng và t o

ọ ị ệ dòng đi n d ch ệ ra dòng đi n g i là .

ậ ộ ệ ị ượ ị c đ nh nghĩa là: j đ M t đ  dòng đi n d ch

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

20

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

(2.3.1) j = Qv (C/cm3)(cm/s) = A/cm2

trong đó

ệ ệ ằ   ng  đi n tích đo b ng j  = m t  đ  dòng đi n d ch, l

ộ ượ ệ t di n. ệ ng đi n tích trong m t dung

ượ l

ệ ệ ườ ậ ộ ị ộ ế ộ ể Ampe chuy n đ ng qua m t ti ượ ậ ộ ệ Q = m t đ  đi n tích, l ị ơ ng đ n v . ậ ố v = v n t c đi n tích trong đi n tr ng.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

21

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ị S  ự d ch

ế ằ ệ ẽ ể ạ chuy nể Chúng ta bi ộ   t r ng các h t mang đi n s  chuy n đ ng

ướ ườ ệ ừ ự ộ theo   h ng   trong   tr ng   đi n   t ể .   S   chuy n   đ ng   này

ượ ọ ệ ể ị ượ ọ đ c g i là d ch chuy n, và dòng đi n này đ c g i là dòng

ệ ệ ạ ị ươ ị ể đi n   d ch.   Các   h t   mang   đi n   d

ướ ủ ệ ườ ệ h ng c a đi n tr ạ ng, trong khi các h t mang đi n âm l ng   d ch   chuy n   theo   ạ   i

ướ ượ ạ ớ ệ ườ ể ị d ch chuy n theo h ng ng i v i đi n tr c l ng.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

22

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ườ ộ ị ủ ể ấ ạ ố Trong tr ng th p, t c đ  d ch chuy n c a h t mang

ỉ ệ ớ ệ ệ ằ đi n v (cm/s) t  l v i đi n tr ố ỉ ệ ng ườ E (V/cm), h ng s  t  l

ượ ọ ệ ố ị đ c g i là ể μ: h  s  d ch chuy n

(2.3.2)

ố ộ ỗ ố ệ ố ị ể ủ , 1350 cm2/Vs v iớ vn = –μnE và vp = μpE ố ộ ủ trong đó vn = t c đ  c a electron (cm/s) vp = t c đ  l  tr ng (cm/s) μn = h  s  d ch chuy n c a electron

Si

ệ ố ị ể ủ ỗ ố , 500 cm2/Vs v iớ μp = h  s  d ch chuy n c a l tr ng

Si.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

23

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ế ỗ ố ể ấ ị Trên lý thuy t, các l tr ng d ch chuy n qua c u trúc liên

ể ự ư ị ị ế k t hoá tr , nh ng các electron d ch chuy n t

ể ậ ườ ủ ỗ ố ể ị tinh th . Do v y th ng chuy n d ch c a l do qua các   ơ    tr ng  ít h n

ủ ể ị chuy n d ch c a electron.

2.4 Pha t p ch t trong ch t bán d n

ấ ạ ậ Thu t   ng (doped ấ   ữ ch t   bán   d n   pha   t p   ch t ẫ

semiconductor).

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

24

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ệ ệ ấ ạ ổ ở ấ Vi c pha t p ch t cho phép thay đ i đi n tr

ấ ộ ả ị ượ ỗ ố kho ng r t r ng và xác đ nh đ c electron hay l su t trong   ẽ tr ng s

ể ượ ề ở ấ ệ đi u khi n đ c đi n tr  su t.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

25

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ạ ấ

T p ch t cho trong silic ấ ạ ằ ộ trong   silic   n m   trong   c t   V,   có   năm T p   ch t   cho

ị ở ớ electron hoá tr l p ngoài cùng.

ượ ấ ố Các nguyên t ố ườ  th ng đ c dùng nh t là ph t pho, asen

và antimon.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

26

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

27

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

Hình 2.4.1 M t electron s n có t

nguyên t

ố    cho ph t

pho

ộ ử ế ử Khi m t nguyên t cho thay th  nguyên t silic trong

ướ ể ố l ư i   tinh   th ,   nh   trong   hình   2. 4.1,   thì   b n   trong   năm

ở ớ ấ ẽ ấ ế electron

ị ẽ ấ ấ ệ ể ả tr , s  m t r t ít nhi i phóng thêm electron đ t năng đ  gi

ử ẽ ằ ệ ỗ cho s  iôn hoá b ng cách t ẫ d n đi n. M i nguyên t

ệ ẽ ổ ộ l p ngoài cùng s  l p vào c u trúc liên k t hoá   ể  ự ỏ   b ễ   ể q  và bi u di n ộ m t electron s  có m t đi n tích t ng là +

ố ị ệ ộ ướ m t đi n tích c  đ nh trong l ể i tinh th .

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

28

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ấ ạ ậ T p ch t nh n trong silic

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

29

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ỗ ố ế ị Hình 2.4.2 a) ch  tr ng liên k t hoá tr  do nguyên t ử

ỗ ố ậ ượ ạ nh n Bo, b) L  tr ng đ c t o sau khi nguyên t ử    Bo

ậ nh n electron,

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

30

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ỗ ố ể ị ướ c) L  tr ng d ch chuy n trong l i silic.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

31

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ạ ấ ằ ộ ậ  trong silic n m trong c t III và có ít Các t p ch t nh n

ộ ớ ở ớ ạ ơ h n m t electron so v i silic ấ    l p ngoài cùng. T p ch t

ơ ả ạ ậ ư nh n c  b n là Bo, nh  minh ho  trong hình 2.

ẽ ộ ỉ ở ớ ch  có ba electron

4.2a. Do Bo  ỗ ố    l p ngoài cùng, nên s  có m t ch  tr ng ị ễ ế ầ ộ ấ trong c u trúc liên k t. M t electron g n đó d  dàng d ch

ỗ ố ỗ ố ộ ở ấ ạ vào ch  tr ng này và t o m t ch  tr ng khác c u trúc liên

ỗ ố ộ ỗ ố ể ể ễ ị ế k t. Ch  tr ng d ch chuy n này bi u di n m t l tr ng có

ể ị ể ướ ư ượ th  d ch chuy n trong l i, nh  đ

ỗ ố ể ơ ả ượ 2.4.2 b và c, và l tr ng có th  đ n gi n đ ạ c minh ho  trong hình   ư ộ   c coi nh  m t

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

32

Ệ Ử Ạ

BÀI 2. ĐI N T  TR NG THÁI R N

ỗ ử ạ ấ ượ ệ ạ h t có đi n tích + q. M i nguyên t t p ch t đ c iôn hoá

ệ ậ ổ ằ b ng cách nh n electron có đi n tích t ng là – q  và không

ướ ư ể ị d ch chuy n trong l i, nh  trong hình 2. 4.2 b.

Ệ Ử BÀI GI NG K  THU T ĐI N T

33