BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN doc

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 33

Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN (VLBD)

2.1 Các quá trình vật lý trong VLBD và các tính chất của chúng

2.1.1 Các khái niệm cơ bản về bán dẫn

Vùng năng lượng trong chất rắn

Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử. Trong vật rắn tinh thể

các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sát

vấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giống

nhau. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập:

không tương tác với nhau. Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho phép,

giống như trong trường hợp chỉ có một nguyên tử đơn độc. Trong số các mức năng

lượng đó có một số mức bị chiếm bởi electron. Ở trạng thái cơ bản electron chỉ

chiếm những mức năng lượng thấp nhất. Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗi

giá trị lượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo . Khi khoảng cách

giữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác với

nhau thì sự chuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhân

nguyên tử của nó mà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh

thể. Khi có 2 nguyên tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của

hai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoả

mãn nguyên lý Pauli hai electron phải ở hai trạng thái khác nhau, do đó mỗi mức

năng lượng cũ bây giờ bị tách thành 2 mức năng lượng. Nếu hệ chứa N nguyên tử

thì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức. Các mức này

rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép. Trong 1 cm3

có khoảng 1022

nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ tách thành 1 số rất lớn, mà độ rộng của một

vùng năng lượng khoảng một vài eV, do đó khoảng cách giữa các mức nhỏ trong

vùng năng lượng khoảng 10-22eV, có thể nói sự biến thiên năng lượng trong một

vùng năng lượng gần như liên tục. Giữa các vùng năng lượng là các vùng trống (gọi

là vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ trạng thái nào của electron.

Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1 mức

tăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép. Những electron ở vòng quĩ đạo

ngoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất, do đó có vùng năng lượng rộng

nhất. Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng

lượng hẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cô

lập. (Hình 2.1)

Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử tức là

phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể.

Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụ thuộc

vào độ lớn nguyên tử.

Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng

năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm.

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 34

Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN

Hình 2.1 Sự hình thành vùng năng lượng trong chất rắn

Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD

Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏ

trống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn

quyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy

và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không

được điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng

cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV,

do vậy các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện.

Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện

nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1 eV. Ở 00

K chúng là chất cách điện. Ở

nhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để

chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sự

dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng

thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống (Hình 2.2).

Hình 2.2 Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD.

: Electron tự do trong vùng dẫn

: Lỗ trống trong vùng hóa trị

Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp

đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trống mang điện tích

dương.

Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng của electron đứng yên hay chính

là thế năng của electron, do đó đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron,

Electron

trong cùng

Vùng năng lượng

cách xa nhau

Vùng năng lượng

phủ lên nhau

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 35

Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN

tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống. Nếu electron ở mức

năng lượng cao hơn WC hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thì các

electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của

chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị. (Hình 2.3)

Hình 2.3 Đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron

*Phân loại VLBD

Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia ra bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp

chất hóa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ

trường và bán dẫn lỏng.

Tất cả có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản

Nguyên tố Thuộc nhóm (bảng tuần hoàn Menđêlêev)

Bo III

Silic IV

Giecmani IV

Phốtpho V

Asen V

Lưu huỳnh VI

Sêlen VI

Têlua VI

Iốt VII

Các chất giecmani, silic và sêlen có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật hiện đại.

Bán dẫn hợp chất hóa học là hợp chất của các nguyên tố thuộc các nhóm khác nhau

trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđêlêev tương ứng với dạng tổng quát

A IV B IV (SiC) A III BV (InSb,GaAs) và một số chất có thành phần phức tạp.(Các

VLBD liên kết như GaAs, ký hiệu chung AIIIBV, chỉ sự liên kết của nguyên tố có

hoá trị III là Ga với nguyên tố có hóa trị V là As )

*Cấu trúc tinh thể của VLBD

Khảo sát 2 VLBD chính là Silic và germani: Tính chất chung trong cấu tạo nguyên

tử của chúng là có 4 electron hóa trị ở trên phân lớp ngoài. Giữa các nguyên tử Silic

(germani) có sự liên kết đồng hóa trị, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử xung

quanh bằng cách trao đổi electron chung với nhau. (Hình 3.4)

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 36

Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN

Hình 2.4 Sơ đồ trải phẳng một chiều của mạng tinh thể Silic

Cấu trúc tinh thể của Silic, Germani trong mạng không gian ba chiều là cấu trúc kim

cương. Gồm 2 lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách nhau ¼ đường chéo trong

không gian.

Hình 2.5

Số nguyên tử Silic trong lập phương

.6 4

2

1 .8

8

1

+ =

Mật độ nguyên tử Silic trong tinh thể

a/ Ô cơ bản

b/ Cấu trúc tinh thể của Si, Ge,

cấu trúc kim cương

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 37

Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN

3

2.4

a

Nsi =

Hằng số tinh thể của Silic là:

a= 5,43 A0

Vậy: N (Silic) = 4,997. 1022 nguyên tử/ cm3

Nếu 2 nguyên tử trong ô cơ bản khác nhau thì cấu trúc gọi là cấu trúc Sfalerit (hay

blenzo kẽm). Các VLBD: GaAs, AlAs, CdS … thuộc cấu trúc này. GaAs có cấu

trúc tinh thể sfalerit ô cơ bản có 2 nguyên tử. Trong đó 1 là Ga, còn 1 là As. Bốn

nguyên tử As bao quanh 1 nguyên tử Gali, 4 nguyên tử Ga bao quanh 1 nguyên tử

Asen.

Hình 2.6 Cấu trúc tinh thể Sfalerit của GaAs

*VLBD tinh khiết

Ở nhiệt độ T=00

K không có electron nào ở vùng hóa trị có đủ năng lượng bằng năng

lượng vùng cấm Wg để nhảy lên vùng dẫn, để VLBD có thể dẫn điện. Ở nhiệt độ

này VLBD không có tính dẫn điện giống như điện môi lý tưởng.

Khi T>0 tồn tại một xác suất có một số electron do nhận được năng lượng nhiệt sẽ

vượt qua vùng cấm để có mặt ở vùng dẫn, trở thành electron tự do. Như vậy sẽ tạo

thành một số lỗ trống ở vùng hóa trị, do các lỗ trống này mà electron ở vùng hóa trị

sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện. Bản chất của sự chuyển động của các lỗ trống

này có thể hình dung như sự chuyển động của các điện tích dương với một giá trị

khối lượng hiệu dụng nào đó. Sự chuyển động của electron tự do trong miền dẫn dễ

dàng hơn sự chuyển động của lỗ trống trong vùng hóa trị. Nói cách khác, tính linh

động của electron ( n μ ) trong vùng dẫn lớn hơn tính linh động của lỗ trống ( p μ )

trong vùng hóa trị. (Đối với Germani

n μ = 0,38 m2

/Vs, p μ = 0,18 m2

/Vs)

Điện dẫn suất của VLBD xác định như sau: σ = n μ n + p μ p

n, p là mật độ electron và lỗ trống (cm-3) trong VLBD.

VLBD tinh khiết là VLBD có thể bỏ qua ảnh hưởng của tạp chất trong nó. Trong

VLBD tinh khiết có bao nhiêu electron tự do thì có bấy nhiêu lỗ trống.

Do vậy: n = p = ni

Có thể tính được: )

2kT

Wg n N exp( C = −