Bài giảng Vật liệu điện - Chương 4: Điện tử trong vật rắn

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu điện - Chương 4: Điện tử trong vật rắn

1. CH−¬NG iV: ®iÖn tö trong vËt r¾n PhÇn 1. Kim lo¹i, chÊt b¸n dÉn vµ chÊt c¸ch ®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? • C & Si • Các tính chất từ? Cu • Tính dẫn điện? • Tính dẫn nhiệt? • và 1 Chương IV-VLLT TÝnh dÉn ®iÖn. •PhÐp ®o ®iÖn c¬ bản mµ chóng ta cã thÓ lµm víi mét mÉu lµ ®iÖn trë suÊt 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 hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë α. 1 dρ α = ρ dT •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 sè c¸c h¹t tải ®iÖn trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch cña vËt liÖu ®ang xÐt. 2 Chương IV-VLLT Bảng1. Mét sè tÝnh chÊt ®iÖn cña hai lo¹i vËt liÖu tiªu biÓua) Đång Silic Lo¹i vËt dÉn Kim lo¹i ChÊt b¸n dÉn MËt ®é c¸c h¹t tải ®iÖn b),n m-3 9.1028 1.1016 ĐiÖn trë suÊt ρ Ωm 2.10-8 3.103 HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë α K-1 +4.10-3 -70.10-3 a) TÊt cả c¸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 3 Chương IV-VLLT 1
2. 4.1.2 C¸c møc n¨ng l−îng trong vËt r¾n. QM về chất rắn – lý thuyết vùng năng lượng một cách định tính 4 Chương IV-VLLT vùng dẫn CB vùng cấm Eg vùng hoá trị VB 5 Chương IV-VLLT giản đồ năng lượng CB - rỗng VB - đầy VB rỗng Eg – vùng cấm Kim cương Silic Eg = 5,4 eV Eg = 1,1 eV Chất cách điện Chất cách điện Chất bán dẫn Eg - rất rộng, rất khó cho chuyển dời Eg - nhỏ 6 do nhiệt Chương IV-VLLT 2
3. giản đồ năng lượng của kim loại Kim loại: VB/CB lấp đầy một phần hoặc VB&CB chồng lên nhau hoặc Eg rất rất nhỏ 7 Chương IV-VLLT Nă 3p 3p 3p ng lượ 3s 3s 3s ng (a) (b) (c) Hình. Giản đồ vùng năng lượng của một vài chất dẫn điện kim loại. (a) Natri 3s1: vùng 3s chỉ đầy có một nửa, do chỉ có một điện tử . (b) Magiê, 3s2 : vùng 3s được lấp đầy và chồng một phần lên vùng 3p rỗng. (c) Nhôm, 3s23p1: vùng 3s lấp đầy và chồng lên vùng 3p đầy một phần. 8 Chương IV-VLLT 9 Chương IV-VLLT 3
4. Mô hình cổ điển Các lõi ion dương (b) Các điện tử hoá (a) Các điện tử hoá trị trong dạng đám mây điện trị trong dạng điện tích âm cá biệt tử 10 Chương IV-VLLT 4.1.3 ChÊt c¸ch ®iÖn. (chất điện môi) • trong chất cách điện, Eg rất 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, 16 bởi không tồn tại hạt tải tự do (ρkim cương ∼ 10 ) •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. 11 Chương IV-VLLT 4.1.4 Kim lo¹i, sù dÉn ®iÖn trong kim lo¹i. •Khi nhiệt độ T tăng, 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, vị vậy 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 sự tăng điện trở nhẹ khi T tăng: R = R0 []1+α()T −T0 12 Chương IV-VLLT 4
5. 13 Chương IV-VLLT 1.5 Møc n¨ng l−îng Fermi trong kim lo¹i. EF ° T = 0 K E =0 •Møc bÞ chiÕm cao nhÊt trong vïng nµy (ë kh«ng ®é tuyÖt ®èi) ®−îc gäi lµ năng l−îng Fermi EF ; •thí dụ ®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 vËn tèc Fermi υF ; ®èi víi ®ång υF = 1,6 m/s. 14 Chương IV-VLLT C¸c ®iÒu kiÖn ®èi víi T > 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. 15 Chương IV-VLLT 5
6. Kim lo¹i xÐt ®Þnh l−îng C¸c tr¹ng th¸i l−îng tö "Cã bao nhiªu tr¹ng th¸i (trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch) cã năng l−îng n»m trong khoảng tõ E ®Õn E + dE?" Sè nµy cã thÓ viÕt d−íi d¹ng n () E dE víi n () E ®−îc gäi lµ mËt ®é tr¹ng th¸i. NÕu chóng ta giả thiÕt r»ng c¸c ®iÖn tö dÉn chuyÓn ®éng trong vïng cã thÕ năng lµ h»ng sè, thì ng−êi ta chøng minh ®−îc: 8 2πm3/ 2 n()E = E1/ 2 h3 16 Chương IV-VLLT Sù cho¸n ®Çy c¸c tr¹ng th¸i ë T = 0 p()E - hµm x¸c suÊt n0 ()E = n ()()E .p E n0 ()E - lµ mËt ®é c¸c tr¹ng th¸i bÞ chiÕm. 17 Chương IV-VLLT EF n = ∫ n()E dE 0 3 E 3 3 8 2πm 2 F 1  8 2πm 2  2E 2  n = E 2 dE =   F  h3 ∫  h3  3  0    2 3 2 2 2 2  3  h 3 0,12h 3 EF =   n = n 16 2π  m m 18 Chương IV-VLLT 6
7. T > 0 1 P()E = ()E−E / kT e F +1 19 Chương IV-VLLT 4.1.6 ChÊt b¸n dÉn, chÊt b¸n dÉn thuÇn. • ChÊt b¸n dÉn lµ c¸c vËt liÖu cã ®é dÉn ®iÖn n»m giữa kim lo¹i cã ®é dÉn cao vµ chÊt c¸ch ®iÖn hÇu nh− kh«ng dÉn. •ChÊt b¸n dÉn thuÇn (intrinsic semiconductor) lµ chÊt b¸n dÉn s¹ch mµ ®é dÉn ®iÖn cña nã ®−îc x¸c ®Þnh bëi c¸c tÝnh chÊt dÉn ®iÖn vèn cã cña nã. 20 Chương IV-VLLT Hai loại bán dẫn tiêu biểu Lưu ý rằng cả hai đều có 4 điện tử hoá trị 21 Chương IV-VLLT 7
8. 22 Chương IV-VLLT 23 Chương IV-VLLT Độ rộng vùng cấm của một số bán dẫn tiêu biểu tại một vài giá trị của nhiệt độ Galium Germanium Silicon Arsenide T = 300 K 0.66 eV 1.12 eV 1.42 eV T = 400 K 0.62 eV 1.09 eV 1.38 eV T = 500 K 0.58 eV 1.06 eV 1.33 eV T = 600 K 0.54 eV 1.03 eV 1.28 eV 24 Chương IV-VLLT 8
9. • ta có thể thay đổi mật độ hạt tải điện rất nhiều bậc – thí dụ như mật độ hạt tải điện của silic thuần là ∼10 10 cm-3, nhưng dễ dàng tăng lên 7 bậc khi chiếu ánh sáng với công suất trung bình (∼10 17 cm-3) và như vậy điện trở của mẫu giảm đi 7 bậc. •Trên thực tế mật độ hạt tải điện thay đổi theo hàm mũ n ∼ const. exp( - Eg /2kT) (hình). • Tính chất này rất hữu ích khi ta muốn chế tạo ra các sensor nhiệt độ hay các điện trở phụ thuộc vào chiếu sáng (LDR) 25 Chương IV-VLLT m • điÖn trë suÊt, ρ ρ = ne2τ 1 dρ • HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë, α . α = ρ dT • ®iÖn trë suÊt cña silic (vµ c¸c chÊt b¸n dÉn kh¸c) giảm khi nhiÖt ®é tăng dρ < 0 dT 26 Chương IV-VLLT 4.1.7 Sù pha t¹p - doping, c¸c chÊt b¸n dÉn lo¹i n vµ b¸n dÉn lo¹i p. • cái đáng kể nhất của bán dẫn là ta có thể chủ tâm pha thêm các nguyên tử tạp chất vào mạng – mà những nguyên tử đó có số điện tử hoá trị khác với hoá trị của nguyên tử chủ. • quá trình này – ta gọi là pha tạp –có thể dùng để kiểm tra một cách chính xác các tính chất điện của thiết bị được chế tạo từ các vật liệu pha tạp đó. •Chất bán dẫn được pha tạp – extrinsic semiconductor 27 Chương IV-VLLT 9
10. Cái gì xẩy ra nếu như ta thêm chẳng hạn như nguyên tử P có hoá trị 5 vào mạng silic? “mức cho” tại T=0 K T≠0 K 28 Chương IV-VLLT • Đèi víi lo¹i b¸n dÉn n c¸c h¹t tải ®iÖn m¹ng ®iÖn tÝch ©m lín h¬n rÊt nhiÒu so víi c¸c h¹t tải ®iÖn m¹ng ®iÖn tÝch d−¬ng. C¸c h¹t tải ®iÖn m¹ng ®iÖn tÝch ©m ®ã - ®−îc gäi lµ c¸c h¹t tải ®iÖn chñ yÕu - chÝnh lµ c¸c ®iÖn tö ë vïng dÉn. •Cßn c¸c h¹t tải ®iÖn d−¬ng - trong tr−êng hîp nµy ®−îc gäi lµ h¹t tải ®iÖn thø yÕu – chÝnh lµ c¸c lç trèng ë vïng ho¸ trÞ. 29 Chương IV-VLLT Và cái gì xẩy ra nếu như ta thêm các loại nguyên tử như: B, Al, Ga hoặc In có hoá trị 3 vào mạng silic? “m“mứứcc nhnhậận”n” ttạạii T=0T=0 KK T≠0 K 30 Chương IV-VLLT 10
11. •mức năng lượng này được gọi là mức nhận, còn nguyên tử là nguyên tử nhận, bởi nó “nhận” hoặc chuyển đi một điện tử từ chất rắn và chất bán dẫn này được gọi là loại p (positive) bởi có thêm một điện tích dương trong mạng. •Sèh¹t tải ®iÖn tÝch ®iÖn d−¬ng lín h¬n rÊt nhiÒu so víi sè h¹t tải ®iÖn ©m. Trong chÊt b¸n dÉn lo¹i p phÇn tö tải ®iÖn chñ yÕu lµ c¸c lç trèng trong vïng ho¸ trÞ vµ c¸c phÇn tö tải ®iÖn thø yÕu lµ c¸c ®iÖn tö ë vïng dÉn. 31 Chương IV-VLLT Bảng sau tæng kÕt c¸c tÝnh chÊt cña chÊt b¸n dÉn lo¹i n vµ lo¹i p ®iÓn hình. VËt liÖu m¹ng Silic Silic ChÊt pha t¹p Photpho Nh«m Lo¹i chÊt t¹p ChÊt cho ChÊt nhËn Lo¹i chÊt b¸n dÉn Lo¹i n Lo¹i p Ho¸ trÞ cña chÊt t¹p 5 (= 4+1) 3 (= 4-1) Khe năng l−îng chÊt t¹p 45 meV 57 meV PhÇn tö tải ®iÖn chñ yÕu ®iÖn tö lç trèng PhÇn tö tải ®iÖn thø yÕu lç trèng ®iÖn tö ĐiÖn tÝch cña lâi ion chÊt t¹p + e - e 32 Chương IV-VLLT Các năng lượng của một số mức cho và mức nhận tiêu biểu trong bán dẫn pha tạp 33 Chương IV-VLLT 11
12. 4.1.8 Líp chuyÓn tiÕp p-n. 34 Chương IV-VLLT 35 Chương IV-VLLT 36 Chương IV-VLLT 12
13. Mức Fermi trong cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn loại n & p loại n loại p CB CB EF ED Eg EA EF VB VB 37 Chương IV-VLLT Cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp p - n 38 Chương IV-VLLT ChuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö tải ®iÖn chñ yÕu •C¸c ®iÖn tö ë gÇn mÆt ph¼ng chuyÓn tiÕp khuÕch t¸n qua nã. Còn c¸c lç trèng cã xu h−íng khuÕch t¸n qua mÆt ph¼ng chuyÓn tiÕp tõ tr¸i qua phải tạo dßng khuÕch t¸n, idiff , h−íng tõ tr¸i qua phải. •Khi c¸c ®iÖn tö khuÕch t¸n qua mÆt ph¼ng chuyÓn tiÕp, sÏ “®Ó lé” ra mét trong sè c¸c ion chÊt cho vµ nh− vËy lµ ®−a mét ®iÖn tÝch d−¬ng cè ®Þnh vµo vËt liÖu lo¹i n. Khi c¸c ®iÖn tö khuÕch t¸n tíi ®−îc phÝa bªn kia bê thÕ, nã sÏ nhanh chãng tìm thÊy mét lç trèng vµ kÕt hîp víi nã, tạo ra c¸c ion âm trong vËt liÖu lo¹i p. 39 Chương IV-VLLT 13
14. •Nh− vËy, vïng ®iÖn tÝch d−¬ng cè ®Þnh sÏ ®−îc t¹o lËp ë mét phÝa cña bê thÕ vµ c¸c ®iÖn tÝch ©m cè ®Þnh ë phÝa kh¸c vµ t¹o ra c¸i ®−îc gäi lµ vïng nghÌo. • C¸c ®iÖn tÝch cè ®Þnh nµy g©y ra mét hiÖu ®iÖn thÕ tiÕp xóc dùng ngang qua líp chuyÓn tiÕp cã t¸c dông nh− mét bê thÕ h¹n chÕ sù tiÕp tôc khuÕch t¸n cña cả ®iÖn tö lÉn lç trèng ngang qua mÆt ph¼ng chuyÓn tiÕp . 40 Chương IV-VLLT ChuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö tải ®iÖn thø yÕu • HiÖu ®iÖn thÕ tiếp xúc t¹o ®iÒu kiÖn cho c¸c phÇn tö tải ®iÖn thø yÕu ®i qua. •Nh− vËy vïng nghèo ®iÖn tÝch kh«ng gian nói trên bÞ qu¸ trình ®ã quÐt hÕt c¸c phÇn tö tải ®iÖn thứ yếu vµ vì thÕ vïng ®ã - vïng nghÌo. • Dßng ®−îc biÓu diÔn bëi chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö tải ®iÖn thø yÕu ®−îc gäi lµ "dßng tr«i” idrift, cã h−íng ng−îc víi dßng khuÕch t¸n vµ bï trõ nã ë c©n b»ng. 41 Chương IV-VLLT Nh− vËy, ë c©n b»ng, khi ®· an bµi, líp chuyÕn tiÕp p - n cã mét hiÖu ®iÖn thÕ tiÕp xóc V0 giữa hai ®Çu cña nã. Dßng khuÕch t¸n idiff chuyÓn ®éng qua mÆt ph¼ng chuyÓn tiÕp tõ p tíi n sÏ bÞ c©n b»ng hoµn toµn bëi dßng tr«i idrift chuyÓn ®éng theo chiÒu ng−îc lai. 42 Chương IV-VLLT 14
15. 4.1.9 ChØnh l−u b»ng diod. P N • Líp chuyÓn tiÕp p - n vÒ c¬ bản lµ mét bé chØnh l−u hai cùc. • Mét bé chØnh l−u ®ièt lÝ t−ëng chØ cã hai kiÓu ho¹t ®éng: bËt (®iÖn trë zªr«) hoÆc lµ t¾t (®iÖn trë v« cïng lín) •Hình trên cho thÊy kÝ hiÖu quy −íc ®èi víi bé chØnh l−u ®ièt. ĐÇu mòi tªn t−¬ng øng víi cùc lo¹i p cña ®ièt vµ chØ h−íng thuËn ®èi víi dßng ®iÖn. Tøc lµ ®ièt më khi cùc cã ®Çu mòi tªn lµ (®ñ) d−¬ng ®èi víi cùc kia. 43 Chương IV-VLLT (a) (b) Cách mắc thuận (a) và nghịch (b) 44 Chương IV-VLLT - + Thiên áp ngược Bờ thế cao lên, V0 vùng nghèo rộng ra p n loại n 45 Chương IV-VLLT 15
16. + - Thiên áp thuận Bờ thế thấp xuống, V0 vùng nghèo co lại p n 46 Chương IV-VLLT 47 Chương IV-VLLT Đường đặc trưng Khi thiên áp thuận, dòng chuyển động của hạt tải Volt – Amper của chủ yếu lớn một chuyển tiếp p - n Khi thiên áp ngược, dòng dò phát sinh do hạt tải thứ yếu 48 Chương IV-VLLT 16
17. Đặc trưng volt – amper (IV) của diode ứng dụng trong nắn dòng từ AC ⇒ DC 49 Chương IV-VLLT Đường đặc trưng Volt – Amper của một số loại chuyển tiếp p – n và đầu quang điện 50 Chương IV-VLLT 4.1.10 Diod ph¸t quang (LED). hv c c ch λ = = = v Eg / h Eg Trong chất bán dẫn thường, Tại chuyển tiếp p-n, photon bị tái khi thiên áp thuận, hấp thụ dễ dàng tạo ra phân bố đảo - + 51 Chương IV-VLLT 17
18. + - Chuyển tiếp đồng nhất dưới thiên áp thuận: 52 Chương IV-VLLT Chuyển tiếp hỗn tạp dưới thiên áp thuận: 53 Chương IV-VLLT 54 Chương IV-VLLT 18
19. 4.1.11 Transitor. a. Transitor lưỡng cực 55 Chương IV-VLLT 56 Chương IV-VLLT 57 Chương IV-VLLT 19
20. MOSFET- Transitor trường MOSFET – Metal Oxyt Semiconductor Field Effect Transitor – là một loại linh kiện cho phép chúng ta dùng một tín hiệu kiểm tra một tín hiệu khác. 58 Chương IV-VLLT 59 Chương IV-VLLT MOSFET trong mạch khuếch đại thế 60 Chương IV-VLLT 20