Hằng số Boltzmann

Chia sẻ: Nguyen An Ninh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

535
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Để giải thích rõ các quá trình ion hóa và tái hợp trong chất bán dẫn, cần phải sử dụng thuyết " miền năng lượng " trong các vật rắn. Thuyết này cho rằng electron chuyển động trong một điện trường tuần hoàn được tạo ra bởi các ion và các electron nên chúng được coi là đứng yên. Các electron được coi như 1 "chất lỏng electron" tích điện âm chiếm phần không gian giữa các ion. Chúng bù trừ với các điện tích dương của ion đứng ở nút mạng làm cho mạng trung hòa về điện. Như vậy,điện trường sẽ biến đổi tuần...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Hằng số Boltzmann

Hằng số Boltzmann, kí hiệu kB hay k, phát hiện bởi Max Planck, lấy tên theo Ludwig Boltzmann, là 1 đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng. kB = 1,38(24).10-23 J/K = 8,617(15).10-5 eV/K Liên hệ giữa hằng số Boltzmann kB với hằng số khí R và hằng số Avogadro NA: kB = R / NA [sửa] Ứng dụng trong phương trình khí lí tưởng • p.V = N.kB.T (p.V = n.R.T) với p: áp suất, V: thể tích, N: số nguyên tử hay phân tử, T: nhiệt độ tuyệt đối; n: số mol tính hiệu điện thế nhiệt UT trong Vật lí bán dẫn • UT = (kB.T)/q với T: nhiệt độ tuyệt đối, q: (e) điện tích nguyên tử Ở nhiệt độ phòng 27°C (T = 300 K), UT ≈ 2 Nay Để giải thích rõ các quá trình ion hóa và tái hợp trong chất bán dẫn, cần phải sử dụng thuyết " miền năng lượng " trong các vật rắn. Thuyết này cho rằng electron chuyển động trong một điện trường tuần hoàn được tạo ra bởi các ion và các electron nên chúng được coi là đứng yên. Các electron được coi như 1 "chất lỏng electron" tích điện âm chiếm phần không gian giữa các ion. Chúng bù trừ với các điện tích dương của ion đứng ở nút mạng làm cho mạng trung hòa về điện. Như vậy,điện trường sẽ biến đổi tuần hoàn trong không gian chứa các mạng tinh thể. Kết quả là ta có bài toán về chuyển động của 1 electron trong điện trường không biến đổi biến thiên tuần hoàn. -Việc giải bài toán này trong cơ học lượng tử dẫn đến thuyết miền năng lượng, nó dặc trưng cho các trạng thái năng lượng khả dĩ của 1 electron nằm trong điện trường nói trên. Sự dẫn điện trong kim loại Module by: CN. Trương Văn Tám. E-mail the author User rating (How does the rating system work?) Ratings
Ratings allow you to judge the quality of modules. If other users have ranked the module then its average rating is displayed below. Ratings are calculated on a scale from one star (Poor) to five stars (Excellent). How to rate a module Hover over the star that corresponds to the rating you wish to assign. Click on the star to add your rating. Your rating should be based on the quality of the content. You must have an account and be logged in to rate content. : PoorFairOKGoodExcellent (0 ratings)(Login required) Summary: Ôn lại khái niệm về độ linh động của điện tử, dẫn suất của kim loại, từ đó đưa ra phương pháp khảo sát chuyển động của hạt tử bằng năng lượng. ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT: Trong chương I, hình ảnh của dải năng lượng trong kim loại đã được trình bày. Theo sự khảo sát trên, dải năng lượng do điện tử chiếm có thể chưa đầy và không có dải cấm cho những năng lượng cao. Nghĩa là điện tử có thể di chuyển tự do trong kim loại dưới tác dụng của điện trường. Hình 1Hình 1 (graphics1.png)
Hình trên vẽ phân bố điện tích trong tinh thể Na. Những chỗ gạch chéo tiêu biểu cho những điện tử ở dải hóa trị có năng lượng thấp nhất, những chỗ trắng chứa những điện tử có năng lượng cao nằm trong dải dẫn điện. Chính những điện tử này là những điện tử không thể nói thuộc hẳn vào một nguyên tử nhất định nào và có thể di chuyển tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Vậy kim loại được coi là nơi các ion kết hợp chặt chẽ với nhau và xếp đều đặn trong 3 chiều trong một đám mây điện tử mà trong đó điện tử có thể di chuyển tự do. Hình ảnh này là sự mô tả kim loại trong chất khí điện tử. Theo thuyết chất khí điện tử kim loại, điện tử chuyển động liên tục với chiều chuyển động biến đổi mỗi lần va chạm với ion dương nặng, được xem như đứng yên. Khoảng cách trung bình giữa hai lần va chạm được gọi là đoạn đường tự do trung bình. Vì đây là chuyển động tán loạn, nên ở một thời điểm nào đó, số điện tử trung bình qua một đơn vị diện tích theo bất cứ chiều nào sẽ bằng số điện tử qua đơn vị diện tích ấy theo chiều ngược lại. Như vậy , dòng điện trung bình triệt tiêu. Giả sử, một điện trường E→ được thiết lập trong mạng tinh thể kim loại, ta thử khảo sát chuyển động của một điện tử trong từ trường nầy. Hình 2Hình 2 (graphics2.png) Hình trên mô tả chuyển động của điện tử dưới tácdụng của điện trường E→. Quỹ đạo của điện tử là một đường gấp khúc vì điện tử chạm vào các ion dương và đổi hướng chuyển động. Trong thời gian t=n lần thời gian tự do trung bình, điện tử di chuyển được một đoạn đường là x. Vận tốc v=xt gọi là vận tốc trung bình. Vận tốc này tỉ lệ với điện trường E→. v=μE Hằng số tỉ lệ gọi là độ linh động của điện tử, tính bằng m2/Vsec.
Điện tích đi qua mỗi đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian được gọi là mật độ dòng điện J. Ta có: J = n.e.v Trong đó, n: mật độ điện tử, e: điện tích của một electron t = -1t = 0S’ SvHình 3Bây giờ, ta xét một điện tích vi cấp S đặt thẳng góc với chiều di chuyển của điện tử. Những điện tử tới mặt S ở thời điểm t=0 (t=0 được chọn làm thời điểm gốc) là những điện tử ở trên mặt S’ cách S một khoảng v (vận tốc trung bình của điện tủ) ở thời điểm t=-1. Ở thời điểm t=+1, những điện tử đi qua mặt S chính là những điện tử chứa trong hình trụ giới hạn bởi mặt S và S’. Điện tích của số điện tử này là q=n.e.v.s, với n là mật độ điện tử di chuyển. Vậy điện tích đi ngang qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian là: J=n.e.v Nhưng v=μEnên J=n.e.μ.E Người ta đặt σ=n.e.μ (đọc là Sigma) Nên J=σEσgọi là dẫn xuất của kim loại Và ρ=1σ gọi là điện trở suất của kim loại Điện trở suất tính bằng m và dẫn suất tính bằng mho/m
PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG: Hình 3Hình 3 (graphics3.png) Phương pháp khảo sát này căn cứ trên định luật bảo toàn lượng. Để dễ hiểu, ta xét thí dụ sau đây: Một diode lý tưởng gồm hai mặt phẳng song song bằng kim loại cách nhau 5 Cm. Anod A có hiệu điện thế là –10V so với Catod K. Một điện tử rời Catod K với năng lượng ban đầu Ec=2eV. Tính khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời Catod. Giả sử, điện tử di chuyển tới điểm M có hoành độ là x. Điện thế tại điểm M sẽ tỉ lệ với hoành độ x vì điện trường giữa Anod và Catod đều. Điện thế tại một điểm có hoành độ x là: V=αx+β Khi x=0, (tại Catod) ⇒V=0⇒β=0 Nên V=αx Tại x=5 Cm (tại Anod A) thì V=-10volt ⇒α=−2 Vậy V=-2x (volt) với x tính bằng Cm Suy ra thế năng tại điểm M là: U=QV=+2.e.x(Joule)với e là điện tích của điện tử. Ta có thể viết U=2.x(eV) Năng lượng toàn phần tại điểm M là: T=12mv2+U
Năng lượng này không thay đổi. Trên đồ thị, T được biểu diễn bằng đường thẳng song song với trục x. Hiệu T−U=12mv2là động năng của điện tử. Động năng này tối đa tại điểm O (Catod) rồi giảm dần và triệt tiêu tại điểm P có hoành độ x0. Nghĩa là tại điểm x0, điện tử dừng lại và di chuyển trở về catod K. Vậy x0 là khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời xa Catod. Hình 4Hình 4 (graphics4.png) Tại điểm M (x=x0) ta có: T-U=0 Mà T=+Ec (năng lượng ban đầu) T=2.e.V Vậy, U=2.x0 (eV) => 2-2.x0=0=> x0=1Cm Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng với năng lượng toàn phần có sẵn T, điện tử không thể vượt qua rào thế năng U để vào phần có gạch chéo. Ta thấy rằng nếu biết năng lượng toàn phần của hạt điện và sự phân bố thế năng trong môi trường hạt điện, ta có thể xác định được đường di chuyển của hạt điện. Phần sau đây, ta áp dụng phương pháp trên để khảo sát sự chuyển động của điện tử trong kim loại. THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI: Nếu ta có một nguyên tử duy nhất thì điện thế tại một điểm cách mmt khoộả r ng là: V=kr+C Nếu chọn điện thế tại một điểm rất xa làm điện thế Zero thì C=0. Vậy một điện tử có điện tích –e ở cách nhân một đoạn r sẽ có thế năng là: U=−eV=−ker
Hình 5Hình 5 (graphics5.png) Hình trên là đồ thị của thế năng U theo khoảng cách r. Phần đồ thị không liên tục ứng với một điện tử ở bên trái nhân . Nếu ta có hai nhân và thì trong vùng giữa hai nhân này thế năng của điện tử là tổng các thế năng do và tt o ra. Trong kim loạạ i, các nhân được sắp xếp đều đặn theo 3 chiều. Vậy, ta có thể khảo sát sự phân bố của thế năng bằng cách xét sự phân bố dọc theo dải , và ... Hình 6Hình 6 (graphics6.png) Hình trên biểu diễn sự phân bố đó. Ta thấy rằng có những vùng đẳng thế rộng nằm xen kẻ với những vùng điện thế thay đổi rất nhanh. Mặt ngoài của mỗi kim loại không được xác định hoàn toàn và cách nhân cuối cùng một khoảng cách nhỏ. Vì bên phải của nhân không còn nhân nên thế năng tiến tới Zero chứ không giữ tính tuần hoàn như bên trong kim loại. Do đó, ta có một rào thế năng tại mặt ngoài của kim loại. Ta xét một điện tử của nhân và có năng lượng nhỏ hơn U0, điện tử này chỉ có thể di chuyển trong một vùng nhỏ cạnh nhân giữa hai rào thế năng tương ứng. Đó là điện tử buộc và không tham gia vào sự dẫn điện của kim loại. Trái lại, một điện tử có năng lượng lớn hơn U0 có thể di chuyển từ nguyên tử này qua nguyên tử khác trong khối kim loại nhưng không thể vượt ra ngoài khối kim loại được vì khi đến mặt phân cách, điện tử đụng vào rào thế năng. Các điện tử có năng lượng lớn hơn U0 được gọi là các điện tử tự do. Trong các chương sau, ta đặt biệt chú ý đến các điện tử này. Vì hầu hết khối kim loại đều có cùng điện thế V0 tương ứng với thế năng U0=-eV0 nên ta có thể giả sử khối kim loại là một khối đẳng thế V0. Nhưng điện thế tùy thuộc vào một hằng số cộng nên ta có thể chọn V0 làm điện thế gốc (V0=0V). Gọi EB là chiều cao của rào thế năng giữa bên trong và bên ngoài kim loại. Một điện tử bên trong khối kim loại muốn vượt ra ngoài phải có ít nhất một năng lượng U=EB, vì vậy ta cần phải biết sự phân bố của điện tử theo năng lượng. SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: Gọi nE= là số điện tử trong một đơn vị thể tích có năng lượng từ E đến E++ E. Theo định nghĩa, mật độ điện tử trung bình có năng lượng từ E đến E++ E là tỉ số ΔnEΔE. Giới hạn của tỉ số này khi ΔE→0 gọi là mật độ điện tử có năng lượng E. Ta có: ρ(E)=limΔE→0ΔnEΔE=dnEdE(1) Vậy, dnE=ρ(E).dE(2)
Do đó, nếu ta biết được hàm số ρ(E)ta có thể suy ra được số điện tử có năng lượng trong khoảng từ E đến E+dE bằng biểu thức (2). Ta thấy rằng (E) chính là số trạng thái năng lượng E đã bị điện tử chiếm. Nếu gọi n(E) là số trạng thái năng lượng có năng lượng E mà điện tử có thể chiếm được. Người ta chứng minh được rằng: tỉ số ρ(E)n(E) bằng một hàm số f(E), có dạng: f(E)=ρ(E)n(E)=11+eE−EFKT Trong đó, K=1,381.10-23 J/0K (hằng số Boltzman) K=1,381.10−23e=8,62.10−5(V/0K) EF năng lượng Fermi, tùy thuộc vào bản chất kim loại. Mức năng lượng này nằm trong dải cấm. Ở nhiệt độ rất thấp (TT 00K) Nếu EEF, ta có f(E)=0 Vậy f(E) chính là xác suất để tìm thấy điện tử có năng lượng E ở nhiệt độ T. Hình sau đây là đồ thị của f(E) theo E khi TT 00K và khi T=2.5000K. Hình 7Hình 7 (graphics7.png) Ta chấp nhận rằng: là hằng số tỉ lệ. N(E)=γ.E12 Lúc đó, mật độ điện tử có năng lượng E là: ρ(E)=f(E).N(E)=γ.E12.f(E) Hình trên là đồ thị của (E) theo E tương ứng với nhiệt độ T=00K và T=2.5000K.
Ta thấy rằng hàm (E) biến đổi rất ít theo nhiệt độ và chỉ biến đổi trong vùng cận của năng lượng EF. Do đó, ở nhiệt độ cao (T=2.5000K) có một số rất ít điện tử có năng lượng lớn hơn EF, hầu hết các điện tử đều có năng lượng nhỏ hơn EF. Diện tích giới hạn bởi đường biểu diễn của (E) và trục E cho ta số điện tử tự do n chứa trong một đơn vị thể tích. n=∫0EFρ(E).dE=∫0EFγ.E12.dE=23γ.E32F (Để ý là f(E)=1 và T=00K) Từ đây ta suy ra năng lượng Fermi EF EF=32.nγ23 Nếu ta dùng đơn vị thể tích là m3 và đơn vị năng lượng là eV thì có trị số là: ố = 6,8.1027 Do đó, EF=3,64.10−19.n23 Nếu biết được khối lượng riêng của kim loại và số điện tử tự do mà mỗi nguyên tử có thể nhả ra, ta tính được n và từ đó suy ra EF. Thông thường EF < 10eV. Thí dụ, khối lượng riêng của Tungsten là d = 18,8g/cm3, nguyên tử khối là A = 184, biết rằng mỗi nguyên tử cho v = 2 điện tử tự do. Tính năng lượng Fermi. Giải: Khối lượng mỗi cm3 là d, vậy trong mỗt cm3 ta có một số nguyên tử khối là d/A. Vậy trong mỗi cm3, ta có số nguyên tử thực là: dA.A0 với A0 là số Avogadro (A0 = 6,023.1023) Mỗi nguyên tử cho v = 2 điện tử tự do, do đó số điện tử tự do trong mỗi m3 là: n=dA.A0.v.106 Với Tungsten, ta có: n=18,8184.6,203.1023.2.106≈1,23.1029điện tử/m3
⇒EF=3,64.10−19.1,23.102923 ⇒EF≈8,95eV CÔNG RA (HÀM CÔNG): Ta thấy rằng ở nhiệt độ thấp (T 00K), năng lượng tối đa của điện tử là EF (E
Khi Ei đủ mạnh, các điện tử không di chuyển nữa, ta có sự cân bằng nhiệt động học của hệ thống hai kim loại nối với nhau. Sự hiện hữu của điện trường Ei chứng tỏ có một hiệu điện thế giữa hai kim loại. Nội dung: Giới thiệu về chất bán dẫn, Chất bán dẫn loại N, Chất bán dẫn loại P. 1. Chất bán dẫn. Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện bán dẫn như Diode, Transistor, IC mà ta đã thấy trong các thiết bị điện tử ngày nay. Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, về phương diện hoá học thì bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử. đó là các chất Germanium ( Ge) và Silicium (Si) Từ các chất bán dẫn ban đầu ( tinh khiết) người ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor. Si và Ge đều có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở thể tinh khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị như hình dưới. Chất bán dẫn tinh khiết . 2. Chất bán dẫn loại N * Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do => Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N ( Negative : âm ).
Chất bán dẫn N 3. Chất bán dẫn loại P Ngược lại khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống ( mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P. Chất bán dẫn P Hhh Dẫn điện Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Bước tới: menu, tìm kiếm Dẫn điện là khả năng của một môi trường cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có lực tác động vào các hạt, ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường. Sự di chuyển có thể tạo thành dòng điện. Cơ chế của chuyển động này tùy thuộc vào vật chất. Sự dẫn điện có thể diễn tả bằng định luật Ohm, rằng dòng điện tỷ lệ với điện trường tương ứng, và tham số tỷ lể chính là độ dẫn điện:
Với: là mật độ dòng điện • là cường độ điện trường • σ là độ dẫn điện • Độ dẫn điện cũng là nghịch đảo của điện trở suất ρ:σ = 1/ρ, σ và ρ là những giá trị vô hướng. Trong hệ SI σ có đơn vị chuẩn là S/m (Siemens trên mét), các đơn vị biến đổi khác như S/cm, m/Ω·mm² và S·m/mm² cũng thường được dùng, với 1 S/cm = 100 S/m và 1 m/Ω·mm² = S·m/mm² = 106 S/m. Riêng ở Hoa kì σ còn có đơn vị % IACS (International Annealed Copper Standard), phần trăm độ dẫn điện của đồng nóng chảy, 100 % IACS = 58 MS/m. Giá trị độ dẫn điện của dây trần trong các đường dây điện cao thế thường được đưa ra bằng % IACS. Độ dẫn điện của 1 số kim loại ở 25°C: Bạc: 62 · 106 S/m (max. σ các kim loại) • Đồng: 58 · 106 S/m • Vàng: 45,2 · 106 S/m • Nhôm: 37,7 · 106 S/m • Thiếc: 15,5 · 106 S/m • Sắt: 9,93 · 106 S/m • Crôm: 7,74 · 106 S/m • Klkl Phương pháp đo độ dẫn điện bằng dòng điện cảm ứng (không điện cực) Giới thiệu Đo độ dẫn điện thường phải thực hiện trong các dung dịch có thể bao bọc, đóng bám hoặc phủ lên bề mặt của các điện cực đo truyền thống ( loại tiếp xúc). Khi đo dung dịch có độ dẫn cao trên 10,000 microSiemens/cm với điện cực truyền thống thì cần phải sử dụng loại có hằng số K (cell constant) lớn. Những điện cực này có bề mặt diện tích điện cực nhỏ và do đó dẫn tới việc dễ bị đóng bám và phân cực làm cho việc đo đạc không còn chính xác. Để giải quyết nhược điểm này, các đầu đo bằng kỹ thuật cảm ứng từ đã được phát triển để khắc phục các vấn đề này. Nguyên tắc hoạt động
Các đầu đo độ dẫn cảm ứng hoạt động dựa vào cảm ứng một dòng điện trong hình 1, bộ vòng lặp khép kín của dung dịch và đo độ lớn của dòng điện này để xác định độ dẫn điện của dung dịch đó. Trong điều khiển truyền tín hiệu nối với hai lõi dây 1 và 2. Lõi 1 cảm ứng dòng điện sinh ra trong dung dịch và được đo lại. Tín hiệu AC trong vòng lặp xuyên qua trục ống đầu đo với dung dịch bao xung quanh. Lõi 2 (tiếp nhận) dò độ lớn của dòng cảm ứng và được đo bởi các bộ phân tích điện tử để hiển thị giá trị đọc tương ứng. p Hình 1: Hoạt động của đầu do độ dẫn điện cảm ứng Loại đầu do cảm ứng từ này loại trừ được các vấn đề hay gặp phải khi sử dụng với điện cực đo truyền thống, kiểu điện cực sử dụng điện cực bằng than chì hay kim loại để đo tiếp xúc với dung dịch. Lớp dầu mỡ, lớp phủ do nước quy trình hay đóng mạ bằng độ dẫn điện hóa sẽ không còn là mối bận tâm khi sử dụng loại đầu đo dòng điện cảm ứng này. Các loại điện cực đo độ dẫn cảm ứng của Hach không có điện cực kiểu tiếp xúc và có thể sử dụng trong dung dịch có độ dẫn thấp từ 0 đến 200 microSiemens/cm có nhiệt độ từ 0 đến 200oC. Tất cả đầu đo loại này của Hach đều có khả năng tự bù trừ nhiệt độ cho thang đo. Ứng dụng
Các ứng dụng phổ biến cho loại đầu do độ dẫn cảm ứng này là đo nồng độ của dung dịch axit, bazo hay muối. Theo đường cong của dung dịch HCl ở hình 2, thì ở nồng độ 9% và 34% đều cho ra độ dẫn điện xấp xỉ 600,000 uS/cm. Độ dẫn điện của HCl tăng khi nồng độ tăng đến gần 19% sau đó thì lại giảm. Hình 2: Nồng độ của dung dịch axit, xút và muối theo độ dẫn điện Bởi vì hai nồng độ HCl khác nhau có thể có cùng giá trị độ dẫn điện cho nên thang đo phải được giới hạn để nó không vượt quá điểm 19%. Nếu có thể, thiết bị đo sẽ được định phần tuyến tính trên đường cong. Hay nói cách khác là cần có một thang đo cho khoảng không tuyến tính. Lưu ý: khi đo các dung dịch có cùng giá trị độ dẫn đối với nhiều nồng độ thì thiết bị chỉ có thể dùng để đo phần đường cong nằm giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất. Chất bán dẫn Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Bước tới: menu, tìm kiếm Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) 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 dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa là một nửa), có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện.
[sửa] Vùng năng lượng trong chất bán dẫn Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính. Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng. Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng • lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà • điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không • có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau: Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó • luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện. Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối • (0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (kB.T với kB 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 cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau: với: R0 là hằng số, ΔEg là độ rộng vùng cấm. 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). [sửa] Bán dẫn pha tạp Chất bán dẫn loại p (hay dùng nghĩa tiếng Việt là bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive', nghĩa là dương). Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm - Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V, các nguyên 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 Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn 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. [sửa] Xem thêm Dẫn điện • Cách điện • Siêu dẫn • Điốt • Bài này còn sơ khai trong lĩnh vực Vật lý. Chúng ta đang có những nỗ lực để hoàn thiện bài này. Nếu bạn biết về vấn đề này, bạn có thể giúp đỡ bằng cách viết bổ sung (trợ giúp).
Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và tài liệu về: Chất bán dẫn Lấy từ “http://vi.wikipedia.org/wiki/Ch%E1%BA%A5t_b%C3%A1n_d%E1%BA %ABn” Thể loại: Sơ thảo vật lý | Bán dẫn | Vật lý chất rắn | Điện từ học | Cơ học lượng tử