Bài giảng Vật liệu bán dẫn (Semiconductor)

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu bán dẫn (Semiconductor)

1. Lession 2 : Semiconductor Vt li u bỏn d n 1/38
2. 1.1 Nh ng tớnh ch t c ơ b n 1.2 N ng ủ ht d n 2/38
3. 1.1 Nh ng tớnh ch t c ơ b n Si - Silic (Silicon), Ge - Gcmani (Germanium) : bỏn dn ủơ n ch t GaAs - Gali Asenic (Gallium Arsenide) : bỏn d n h p ch t 3/38
4. Cu trỳc vựng n ăng l ưng c a v t rn . Hỡnh 1: C ấu t ạo c ủa nguyờn t ử 5/38
5. • ðin t nh ng qu ủo l ưng t xỏc ủnh, nú quay quanh h t nhõn nh s cõn bng gi a 2 l c: -Lc ủin gi a ủin tớch (-) c a ủin t và ủin tớch (+) c a h t nhõn . -Lc h p d n (l c h ưng tõm) gi a 2 th c th cú kh i l ưng là ủin t và ht nhõn. 6/38
6. • Ký hiệu: Wc l mức năng l−ợng đáy vùng dẫn Wv l mức năng l−ợng đỉnh vùng hóa trị ∆Wg l độ lớn của vùng cấm • Cấu trúc năng l−ợng của vật rắn gồm ba vùng: + Vùng hóa trị với 0 Wc gồm những mức năng l−ợng của lớp ngoi cùng trong đó còn nhiều mức trống, tại đây điện tử có thể tự do dịch chuyển trong ton bộ mạng tinh thể v sẵn sng tham gia dẫn điện khi có điện tr−ờng. + Vùng cấm với Wv < Wg < Ec không có mức năng l−ợng no để điện tử có thể tồn tại đ−ợc. 8/38
7. Các loại chất bán dẫn • Bán dẫn đơn chất v bán dẫn hợp chất IV IV • Ví dụ các nhóm dạng A B nh− cácbit silic SiC X với tỉ lệ l 70,045%Si + 29,955%C, đ−ợc dùng để chế tạo các điện trở có trị số biến đổi theo điện áp (VaristorVDR). • Hoặc nhóm hợp chất A III BV sự kết hợp một nguyên tử nhóm III với một nguyên tử nhóm V nh− AlP, GaP; GaAs; InAs; GaSb; InSb, những bán dẫn ny đ−ợc dùng để chế tao ra các linh kiện đặc biệt nh− LED, LASER, Photodiot, phototransistor v.v • Nhóm hợp chất A II BV kết hợp nhóm II với nhóm V nh− Sulfua chì PbS; Sulfua Bismit Bi 2S3; Sulfua Cadmi CdS có thể đ−ợc dùng sản xuất các dụng cụ cảm biến quang điện, ví dụ quang trở Rφ 10/38
8. Các dạng dẫn của bán dẫn • Dựa vo bản chất của các hạt tải điện (hay còn gọi l hạt dẫn) m ng−ời ta có thể chia ra thnh 3 dạng dẫn của bán dẫn: Nếu hạt tải điện gồm 2 loại hạt với số l−ợng bằng nhau l điện tử v lỗ trống, đồng thời độ dẫn phụ thuộc mạnh vo nhiệt độ thì đó l bán dẫn thuần (Bán dẫn loại I – viết tắt của từ Intrinsic). Nếu hạt tải điện chủ yếu l điện tử thì l bán dẫn dạng N. Nếu hạt tải điện chủ yếu l lỗ trống thì l bán dẫn dạng P. 11/38
9. Chất bán dẫn thuần (bán dẫn loại I) • Độ sạch có thể đạt tới 1 phần 10 tỷ trong 1cm 3 bán dẫn (1/10.000.000.000) • Si: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 • Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 12/38
10. Mạng tinh thể 13/38
11. Vùng năng l−ợng của bán dẫn thuần 14/38
12. • Với vật liệu bán dẫn loại Si, GaAs v Ge, độ lớn vùng cấm nh− sau: ∆Wg = 1,1eV (Si) ; ∆Wg = 1,41eV (GaAs); ∆Wg = 0,67eV (Ge) • Đơn vị năng l−ợng tính bằng eV (electron Volt) W = e x U (eV) ( 21) • Vì điện tích của điện tử e = 1,6 x 10 19 C nên 1eV = 1,6 x 10 19 J ( 22) • Với nhiệt độ 25 0C, trong 1cm 3 của Si thuần có khoảng 1,5 x 10 10 điện tử tự do, còn của Ge t−ơng ứng l 2,3 x 10 13 15/38
13. Điện tử v lỗ trống trong bán dẫn thuần 16/38
14. Nồng độ • Dựa vo hm thống kê Fermi Dirac ng−ời ta đ tính đ−ợc nồng độ điện tử trong vùng dẫn v lỗ trống trong vùng hoá trị: Trong đó: NC, N V l mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn v vùng hoá trị. Wf l mức Fermi K l hằng số Boltzman =1.3806504(24) ì 10 −23 J/oK=18.617 343(15) ì10−5eV /oK T l nhiệt độ tính bằng 0K. 17/38
15. Bán dẫn loại N • Đ−a một l−ợng rất nhỏ một chất khác có hoá trị 5 (tức l có 5 điện tử ở lớp ngoi cùng) vo mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần nh− chất Sb(Antimoan), hoặc As(Asen), hoặc Ph(Photpho) • điện tử tự do • Tạp chất loại ny đ−ợc gọi l tạp chất cho (Donor) • ở nhiệt độ trong phòng (25 0C), số l−ợng điện tử tự do của loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn 10 5 lần bán dẫn thuần. • Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi l bán dẫn loại N 18/38
16. Bán dẫn loại N 19/38
17. Bán dẫn loại P • Đ−a tạp chất có hoá trị 3 (tức l có 3 điện tử ở lớp ngoi cùng) vo mạng tinh thể của bán dẫn, ví dụ chất BBo (Boron), hoặc InIndi (Indium), hoặc AlNhôm (Aluminium), hoặc Ga Gali (Gallium) • Mối liên kết cạnh mất một điện tử v mang điện tích d−ơng, tức l hình thnh một lỗ trống • Tạp chất để tạo nên hiệu ứng ny có tên l tạp chất nhận (Acceptor). • Loại bán dẫn có pha tạp chất Acceptor gọi l bán dẫn loại P 20/38
18. Bán dẫn loại P 21/38
19. Cơ chế dẫn điện bằng lỗ trống 22/38
20. Hạt dẫn đa số v hạt dẫn thiểu số • Nếu ký hiệu ni v pi l nồng độ điện tử v lỗ trống t−ơng ứng trong chất bán dẫn sạch thì luôn luôn tồn tại sự cân bằng sau: ni = p i • Đối với hai loại bán dẫn N v P luôn thoả mn bất đẳng thức: n n >> p n v pp >> n p. ∆ − Wg = = 2 = 2 = KT = nn pn np pp ni pi Nc Nve const 23/38
21. 1.1 Nh ng tớnh ch t c ơ b n 1.2 N ng ủ ht d n 25/38
22. Nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn • điện tử chỉ chiếm những mức năng l−ợng nhất định • ở trạng thái cân bằng nhiệt động, tức nhiệt độ không đổi thì xác suất phân bố theo năng l−ợng của điện tử có thể đ−ợc xét bằng biểu thức thống kê FecmiDirac dN 1 F(W ) = =  W −Wf  dZ   1+ e KT  • Trong đó: F(W) l hm phụ thuộc năng l−ợng, nó biểu diễn khả năng chiếm giữ các mức năng l−ợng của điện tử ở một nhiệt độ T no đó. W l mức năng l−ợng bất kỳ m ng−ời ta cần xét. Wf l mức năng l−ợng Fecmi (còn gọi l thế hoá). K : l hằng số khí lý t−ởng hằng số Boisman 26/38
23. Mức năng l−ợng Fecmi 27/38
24. Mức năng l−ợng Fecmi • Mức Fecmi l mức năng l−ợng lớn nhất m o điện tử có thể tồn tại ở To = 0 K • Mức năng l−ợng fecmi l mức có xác suất điện tử chiếm giữ luôn bằng 1/2 ở tất cả nhiệt độ no lớn hơn không 28/38
25. Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn • Nc(W), Nv(W) l các hm phân bố trạng thái • h l hằng số plank, m n* , m p* l khối l−ợng hiệu dụng của điện tử v lỗ trống 29/38
26. Tích số nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn  ∆W   ∆W  = − g  = 2 = ΑΤ 3 − g  n0 p0 N c N v exp   ni exp    kT   kT  32 π 3k 3 3 A = ()m*m* 2 h6 n p = 2 = n0 p0 ni const 30/38
27. Sự phát xạ v tái hợp hạt dẫn • Sự phát xạ Sự phát xạ đó l quá trình lm xuất hiện các hạt dẫn trong chất bán dẫn, nếu quá trình ny tạo ra số điện tử v số lỗ trống bằng nhau thì đ−ợc gọi l phát xạ cặp điện tử lỗ trống. 31/38
28. Sự phát xạ (tt) • Sự phát xạ chỉ tạo ra một loại hạt dẫn hoặc điện tử, hoặc lỗ trống thì đó l quá trình ion hoá tạp chất • Tạp chất cho (donor) tạo ra điện tử trên vùng dẫn còn tạp chất nhận (acceptor) tạo ra lỗ trống trong vùng hoá trị. 32/38
29. Sự tái hợp Tái hợp trực tiếp : điện tử chuyển trực tiếp từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị để trung ho với lỗ trống Quá trình ny th−ờng giải phóng ra năng l−ợng d−ới dạng ánh sáng, tần số ánh sáng phụ thuộc vo khoảng cách giữa hai mức năng l−ợng m nó chuyển dời. Hiện t−ợng ny đ−ợc ứng dụng để chế tạo ra các dụng cụ phát sáng. - Tái hợp gián tiếp : Khi trong tinh thể có những khuyết tật về cấu trúc mạng, chúng sẽ tạo ra những mức năng l−ợng nằm trong vùng cấm có khả năng bắt giữ các điện tử đ−ợc gọi l tâm tái hợp. 34/38
30. • Độ lớn của năng l−ợng vùng cấm l: ∆∆∆Wg = |WC –WV| • Chất cách điện: ∆∆∆Wg > 5eV • Chất dẫn điện : ∆∆∆Wg = 0eV, hai vùng dẫn v vùng hóa trị trùng một phần lên nhau • Chất bán dẫn 0eV < ∆∆∆Wg < 5eV • ∆∆∆Wg (Si) = 1,1eV ; ∆∆∆Wg (Ge) = 0,67eV 35/38
31. • Chất bán dẫn thuần (bán dẫn I) l bán dẫn có độ sạch rất cao (tỷ lệ tạp chất khoảng 1/10 tỷ trên thể tích 1cm 3) • Nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn thuần n i = p i • Chất bán dẫn N l bán dẫn có tạp chất cho (Donor). Hạt dẫn đa số l điện tử nn, hạt dẫn thiểu số l lỗ trống p n với n n >> p n • Chất bán dẫn loại P l bán dẫn có tạp chất nhận (Acceptor). Hạt dẫn đa số l lỗ trống p p, hạt dẫn thiểu số l điện tử np với p P >> n P 2 2 • nnpn = p pnp = n i = p i =const 36/38
32. Next lession : Diode 38/38