Các dụng cụ bán dẫn.DOC

Ch¬ng 3

c¸c dông cô b¸n dÉn

3.1 C¬ chÕ b¸n dÉn

3.1.1. B¸n dÉn thuÇn

C¸c nguyªn tè thuéc nhãm IV trong b¶ng tuÇn hoµn Mendeleep nh

Gecmani(Ge), Silic(Si) lµ nh÷ng nguyªn tè cã 4 ®iÖn tö líp ngoµi cïng. ë ®iÒu

kiÖn b×nh thêng c¸c ®iÖn tö ®ã tham gia liªn kÕt ho¸ trÞ

trong m¹ng tinh thÓ nªn chóng kh«ng dÉn ®iÖn . H×nh 3.1

tr×nh bµy cÊu tróc ph¼ng cña m¹ng tinh thÓ

Gecmani,trong ®ã mçi nguyªn tö ®em 4 ®iÖn tö ngoµi

cïng cña nã gãp víi 4 ®iÖn tö cña 4 nguyªn tö kh¸c t¹o

thµnh c¸c cÆp ®iÖn tö ho¸ trÞ ( ký hiÖu b»ng dÊu chÊm ®Ëm

). Khi ®îc kÝch thÝch b»ng n¨ng lîng tõ bªn ngoµi , mét sè

®iÖn tö cã thÓ bøt ra khái liªn kÕt vµ trë thµnh ®iÖn tö tù do

dÉn ®iÖn nh trong kim lo¹i. Nh vËy chÊt b¸n dÉn trë thµnh

chÊt dÉn ®iÖn. B¸n dÉn nh vËy gäi lµ b¸n dÉn thuÇn hay b¸n dÉn ®¬n chÊt.

3.1.2. B¸n dÉn t¹p .

Nhõng b¸n dÉn thuÇn nh trªn dÉn ®iÖn kh«ng tèt.§Ó t¨ng kh¶ n¨ng dÉn

®iÖn cña b¸n dÉn ngêi ta trén thªm t¹p chÊt vµo b¸n dÉn thuÇn ®Ó ®îc b¸n dÉn

míi cã nång ®é c¸c h¹t dÉn cao gäi lµ b¸n dÉn t¹p.B¸n dÉn t¹p cã 2 lo¹i lµ loÞa n

vµ lo¹i p

a. B¸n dÉn lo¹i cho n.

NÕu ta trén t¹p chÊt thuéc nhãm V cña b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn Medeleep

vµo b¸n dÉn thuÇn th× mét nguyªn tö t¹p chÊt víi 5 nguyªn tö líp ngoµi cïng sÏ

cã 4 ®iÖn tö tham gia liªn kÕt víi 4 nguyªn tö b¸n dÉn , cßn l¹i lµ mét ®iÖn tö tù

do. VÝ dô trªn h×nh 3.2 lµ b¸n dÉn Gecmani (ký hiÖu Ge) ®îc trén víi asen (As).

T¹p chÊt ë ®©y ®· cho ®iÖn tö nªn t¹o thµnh b¸n dÉn lo¹i “cho ”, ký hiÖu lµ n. H¹t

dÉn ®iÖn (hay gäi lµ ®éng tö)chÝnh ë b¸n dÉn lo¹i “cho ” n lµ ®iÖn tö víi mËt ®é

nn.

b. B¸n dÉn lo¹i lÊy p

NÕu ta trén vµo vµo b¸n dÉn thuÇn chÊt Indi

(In)thuéc nhãm III cña b¶ng tuÇn hoµn th× ®Ó t¹o ®îc

4 cÆp ®iÖn tö liªn kÕt ho¸ trÞ víi 4 nguyªn tö b¸n

dÉn,ngoµi 3 ®iÖn tö cña mét nguyªn tö In sÏ cã mét

®iÖn tö cña nguyªn tö Ge l©n cËn ®îc lÊy vµo. Chç

mÊt ®iÖn tö sÏ t¹o thµnh lç “trèng ” mang ®iÖn tÝch d-

¬ng(h×nh 3.3).C¸c “lç trèng ” ®îc t¹o thµnh hµng

lo¹t sÏ dÉn ®iÖn nh nh÷ng ®iÖn tÝch d¬ng. B¸n dÉn

lo¹i nµy cã t¹p chÊt lÊy

G e G e

G e G e

G e G e

G e

G e

G e

H×nh 3.1 CÊu tróc

m¹ng tinh thÓ

Gecmani

G e G e

G e I n

G e G e

G e

G e

G e

lç trèng

H×nh3.3CÊu t¹o b¸n

dÉn lo¹i p

G e G e

G e A s

G e G e

G e

G e

G e

®iÖn tö

tù do

H×nh3.2 CÊu t¹o b¸n dÉn n

51

®iÖn tö nªn gäi lµ b¸n dÉn lo¹i “lÊy” ký hiÖu lµ p. ë ®©y h¹t dÉn chÝnh lµ “lç

trèng”víi mËt ®é lµ pp. CÇn nãi thªm r»ng trong b¸n dÉn lo¹i cho n vÉn cã lÉn h¹t

dÉn phô lµ lç trèng víi nång ®é pn, trong b¸n dÉn lo¹i “lÊy”p vÉn cã lÉn h¹t dÉn

phô lµ ®iÖn tö víi mËt ®é lµ nP. NghÜa lµ pP ≥ nP vµ nn >pn.

3.1.3. Mét sè hiÖn tîng vËt lý trong b¸n dÉn

Trong b¸n dÉn t¹p còng nh b¸n dÉn thuÇn diÔn ra mét sè qu¸ tr×nh vËt lý

¶nh hëng ®Õn tÝnh chÊt dÉn ®iÖn cña chóng. Ta xÐt c¸c hiÖn tîng ®ã.

a. HiÖn tîng ion ho¸ nguyªn tö

Khi nguyªn tö bÞ ion ho¸ sÏ ph¸t sinh c¸c h¹t dÉn tù do. KÕt qu¶ nghiªn

cøu cho thÊy tÝch sè cña hai nång ®é h¹t dÉn chÝnh vµ phô trong bÊt cø mét b¸n

dÉn t¹p nµo ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng lµ mét h»ng sè:

nP.pP = nn.pn = const (3.1)

Tõ(3.1) ta thÊy nÕu t¨ng nång ®é cña h¹t dÉn lo¹i nµy lªn bao nhiªu lÇn th×

nång ®é cña h¹t dÉn lo¹i kia sÏ gi¶m ®i bÊy nhiªu lÇn. Nh vËy muèn thay ®æi

nång ®é cña ®éng tö (h¹t dÉn) trong b¸n dÉn t¹p ta cÇn thay ®æi nång ®é ®éng tö

trong b¸n dÉn thuÇn.

Trong b¸n dÉn lo¹i n sè ®iÖn tö tù do lu«n b»ng sè ion d¬ng ND

+

; cßn trong

b¸n dÉn lo¹i p sè “lç trèng ” lu«n lu«n b»ng sè ion ©m NA

- cña t¹p chÊt.

b. HiÖn tîng t¸i hîp cña h¹t dÉn

Trong b¸n dÉn c¸c ion lu«n cã thÓ nhËn ®iÖn tÝch ®Ó trë thµnh nguyªn tö

trung tÝnh. §ã lµ hiÖn tîng t¸i hîp. Nh vËy cø mét lÇn t¸i hîp th× trong b¸n dÉn

l¹i mÊt ®i mét cÆp ®iÖn tÝch vµ b¸n dÉn l¹i chuyÓn sang mét tr¹ng th¸i míi. Khi

®ã cÇn quan t©m ®Õn sù gia t¨ng nång ®é cña c¸c h¹t dÉn phô v× chóng cã vai trß

quyÕt ®Þnh trong c¬ chÕ ph¸t sinh dßng ®iÖn trong c¸c dông cô b¸n dÉn mµ ta sÏ

nghiªn cøu sau nµy.

Trong b¸n dÉn lo¹i n, sù gi¶m nång ®é lç trèng theo thêi gian ( sù t¸i hîp

cña lç trèng víi ®iÖn tö trong ®iÒu kiÖn nång ®é ®iÖn tö cao) lµ ∆p(t) th×

∆p(t) = ∆P(0)

p

e

τ

−

1

(3.2)

Trong ®ã ∆P(0) - lîng lç trèng t¹i thêi ®iÓm t = 0 ( lµ thêi ®iÓm sau qu¸

tr×nh sinh h¹t.

τP - thêi gian sèng cña lç trèng trong b¸n dÉn lo¹i n. Nã ®îc ®Þnh nghÜa lµ

kho¶ng thêi gian mµ lîng lç trèng gi¶m ®i e lÇn.

T¬ng tù trong b¸n dÉn lo¹i P :

∆n(t) = ∆n(0)

n e

τ

−

1

(3.3)

τP, τn quyÕt ®Þnh tÝnh t¸c ®éng nhanh ( tÇn sè lµm viÖc) cña c¸c dông cô b¸n

dÉn.

c. ChuyÓn ®éng tr«i (gia tèc) cña c¸c h¹t dÉn trong ®iÖn trêng:

Díi t¸c dông cña ®iÖn trêng E c¸c h¹t dÉn (c¸c ®iÖn tÝch) sÏ chuyÓn ®éng

gia tèc theo híng cña ®iÖn trêng t¹o nªn dßng ®iÖn tr«i Itr :

Itr = qE(n.µn + p.µP) = Itr n + ItrP (3.4)

52