1
Chương IV-VLLT
1
CH−¬NG iV: ®iÖn tö trong vËt r¾n
®iÖn tö trong vËt r¾n
P
PhÇn 1. Kim lo¹i, chÊt b¸n dÉn vµ chÊt c¸ch ®iÖn
hÇn 1. Kim lo¹i, chÊt b¸n dÉn vµ chÊt c¸ch ®iÖn
4.1.1 TÝnh chÊt cña vËt r¾n, tÝnh dÉn ®iÖn.
4.1.1 TÝnh chÊt cña vËt r¾n, tÝnh dÉn ®iÖn.
Nó có những tính chất gì?
•Các tính chất cõ học?
•Các tính chất quang học?
•Các tính chất từ?
•Tính dẫn điện?
•Tính dẫn nhiệt?
•và …..
C & Si
Cu
Chương IV-VLLT
2
TÝnh dÉn ®iÖn.
•PhÐp ®o ®iÖn c¬ bản mµ chóng ta cã thÓ lµm víi
mét mÉu lµ ®
®i
iÖ
Ön tr
n trë
ësu
suÊ
Êt
t
ρ
ρ
cña nã ë nhiÖt ®é phßng.
•B»ng c¸ch ®o
ρ
ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau, chóng ta
còng nhËn ®−îc gi¸ trÞ cña h
hÖ
Ös
sè
ènhi
nhiÖ
Öt
t ®
®i
iÖ
Ön tr
n trë
ë
α
α
.
•Cuèi cïng b»ng c¸ch thùc hiÖn c¸c phÐp ®o hiÖu
øng Hall, chóng ta cã thÓ tìm ®−îc gi¸ trÞ cña n, lµ
s
sè
èc
c¸
¸c h
c h¹
¹t t
t tả
ải
i ®
®i
iÖ
Ön trong m
n trong mé
ét
t ®¬
®¬n v
n vÞ
Þth
thÓ
Ót
tÝ
Ých
ch cña vËt
liÖu ®ang xÐt.
dT
d
ρ
ρ
α
1
=
Chương IV-VLLT
3
-70.10-3
+4.10-3
K-1
HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë
α
3.103
2.10-8
Ω
mĐiÖn trë suÊt
ρ
1.1016
9.1028
m-3
MËt ®é c¸c h¹t tải ®iÖn b),n
ChÊt b¸n dÉnKim lo¹iLo¹i vËt dÉn
SilicĐång
B
Bả
ảng1. M
ng1. Mé
ét s
t sè
èt
tÝ
Ýnh ch
nh chÊ
Êt
t ®
®i
iÖ
Ön c
n cñ
ña hai lo
a hai lo¹
¹i v
i vË
Ët li
t liÖ
Öu ti
u tiª
ªu bi
u biÓ
Óu
ua)
a) TÊt cảc¸c gi¸ trÞ ®Òu ®o ë nhiÖt ®é phßng
b) Gi¸ trÞ ®èi víi chÊt b¸n dÉn bao gåm cả®iÖn tö vµ lç trèng
2
Chương IV-VLLT
4
4.1.2 C¸c møc n¨ng l−îng
4.1.2 C¸c møc n¨ng l−îng
trong vËt r¾n.
trong vËt r¾n.
QM về chất rắn
QM về chất rắn –
–lý thuyết vùng năng lượng một
lý thuyết vùng năng lượng một
cách định tính
cách định tính
Chương IV-VLLT
5
VB
CB
Eg
vùng hoá trị
vùng dẫn
vùng cấm
Chương IV-VLLT
6
VB rỗng
Chất cách điện
Chất cách điện
E
Eg
g -
-rất rộng, rất
rất rộng, rất
khó cho chuyển dời
khó cho chuyển dời
do nhiệt
do nhiệt
Chất bán dẫn
Chất bán dẫn
E
Eg
g-
-nhỏ
nhỏ
CB
CB -
-rỗng
rỗng
VB
VB -
-đầy
đầy
E
Eg
g–
–vùng cấm
vùng cấm
giản đồ năng lượng
giản đồ năng lượng
Kim cương
Eg= 5,4 eV Silic
Eg= 1,1 eV
3
Chương IV-VLLT
7
giản đồ năng lượng
giản đồ năng lượng
của kim loại
của kim loại
VB/CB lấp đầy một phần hoặc
VB&CB chồng lên nhau hoặc
Egrất rất nhỏ
Kim loại:
Kim loại:
Chương IV-VLLT
8
Nă
ng
lượ
ng
3p
3s
(a)
3p
3s
(b)
3p
3s
(c)
Hình. Giản đồ vùng năng lượng của một vài chất dẫn
điện kim loại. (a) Natri 3s1: vùng 3schỉ đầy có một nửa,
do chỉ có một điện tử . (b) Magiê, 3s2: vùng 3sđược lấp
đầy và chồng một phần lên vùng 3prỗng. (c) Nhôm,
3s23p1: vùng 3slấp đầy và chồng lên vùng 3pđầy một
phần.
Chương IV-VLLT
9
4
Chương IV-VLLT
10
(b) Các điện tử hoá
trị trong dạng điện
tích âm cá biệt
Các lõi ion dương
(a) Các điện tử hoá trị
trong dạng đám mây điện
tử
Mô hình cổ điển
Mô hình cổ điển
Chương IV-VLLT
11
4.1.3 ChÊt c¸ch ®iÖn.
4.1.3 ChÊt c¸ch ®iÖn.
(chất điện m
(chất điện mô
ôi)
i)
• trong chất cách điện, Egrất lớn - lớn đến mức tại
nhiệt độ đủ cao, điện tử VB không thể nhẩy sang
CB với số lượng tương đối – vùng VB đầy & vùng
CB rỗng (hình).
• do vậy, không có dòng chạy trong chất cách điện,
bởi không tồn tại hạt tải tự do (
ρ
kim cương ∼1016)
•Ví dụ: đèi víi kim c−¬ng Eg= 5,4 eV lín gÇn gÊp
140 lÇn so víi năng l−îng chuyÓn ®éng nhiÖt trung
bình cña c¸c h¹t tù do ë nhiÖt ®é phßng.
Chương IV-VLLT
12
•
•Khi nhi
Khi nhiệ
ệt
t độ
độ T
Tt
tă
ăng
ng, Khi nhiệt độ tăng, động
năng của e-(KE ∼kT) tăng là cho e-chuyển động
nhanh hơn, NHƯNG lại va chạm nhiều hơn với
các ion trong mạng tinh thể, vịvậy tốc độ trung
bình lại giảm đi.
•Tốc độ trung bình giảm đi, có nghĩa là độ linh
động của e-cũng giảm đi, dẫn đến sựtăng điện
trởnhẹkhi Ttăng:
()
[]
00 1TTRR −+=
α
4.1.4 Kim lo¹i, sù dÉn ®iÖn
4.1.4 Kim lo¹i, sù dÉn ®iÖn
trong kim lo¹i.
trong kim lo¹i.
5
Chương IV-VLLT
13
Chương IV-VLLT
14
•Møc bÞ chiÕm cao nhÊt trong vïng nµy (ë kh«ng
®é tuyÖt ®èi) ®−îc gäi lµ n
nă
ăng l
ng l−î
−îng Fermi
ng Fermi E
EF
F;
•thídụ®èi víi ®ång EF= 7,0 eV & động năng
trung bình là 4,2 eV.
•VËn tèc cña ®iÖn tö t−¬ng øng víi năng l−îng
Fermi ®−îc gäi lµ v
vË
Ën
nt
tè
èc Fermi
c Fermi ; ®èi víi ®ång
= 1,6 m/s. F
υ
F
υ
T
T= 0
= 0°
°K
K
1.5 Møc n¨ng l−îng
1.5 Møc n¨ng l−îng
Fermi trong kim lo¹i.
Fermi trong kim lo¹i.
E =0
EF
Chương IV-VLLT
15
C
C¸
¸c
c ®
®i
iÒ
Òu ki
u kiÖ
Ön
n ®è
®èi v
i ví
íi
i T
T >
> 0
0
•ChØ cã những ®iÖn tö ë gÇn năng l−îng Fermi lµ
tìm thÊy c¸c møc trèng phÝa trªn nã vµ còng chØ cã
c¸c ®iÖn tö ®ã míi ®−îc tù do nhảy lªn c¸c møc
năng l−îng cao h¬n bëi chuyÓn ®éng nhiÖt.
•ë T = 1000°K. kT = 0,086 eV, kh«ng cã mét ®iÖn
tö nµo hy väng cã ®−îc sù thay ®æi năng l−îng lín
h¬n Ýt lÇn con sè t−¬ng ®èi nhá bÐ ®ã nÕu chØ dùa
vµo chuyÓn ®éng nhiÖt. Mäi "hµnh ®éng" ®Òu chØ
xảy ra ®èi víi c¸c ®iÖn tö cã năng l−îng gÇn năng
l−îng Fermi.