Bài giảng Cơ sở Vật lý chất rắn - Bài 7: Các chất bán dẫn điện - Lê Khắc Bình

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở Vật lý chất rắn - Bài 7: Các chất bán dẫn điện - Lê Khắc Bình

1. Bài 7 Nuôâi đơn tinh thểå Ge
2. Tạp chất làm thay đổi rất nhiều độdẫn điện của các chất bán dẫn Pha tạp chấtBovào tinh thểSi theo tỷlệ1 : 105 làm tăng độdẫn điện của Si lên1000lần ởnhiệt độphòng. Sựphụthuộc của điện trởsuất r (Wcm)của Si vàGaAs vào nồng độtạp chất ở300K Nồng độ Si GaAs tạp chất N P N P ( cm-3) 5 7 ni 2.10 7.10 1014 40 180 12 160 1015 4,5 12 0,9 22 1016 0,6 1,8 0,2 2,3 1017 0,1 0,3 9.10-3 0,3 1018 2,5.10-2 6,2.10-2 2,1.10-3 3,5.10-2 -3 -2 2,9.10-4 8,0.10-3 1019 6.10 1,2.10
3. Sựphụthuộccủađiệntrởvàonhiệtđộ • Kim loại :Điện trởsuất phụthuộcnhiệtđộgầnnhưtuyếntính rT = ro[1+aT (T -To )] o với rT = điện trởsuất ởnhiệt độT ( C) ro = điện trởsuất ởmột nhiệt độtham chiếu nào đó o To ( thườnglà0 hoặc20 C) và aT = hệsốnhiệtcủađiệntrởsuất. • Sựbiến thiên của điện trởtheo nhiệt độ RT = Ro [1 + a T (T - To )]
4. Đtrởsuất r Hệsốnhiệt Độdẫnđiện s Vậtliệu (ohm m) trênđộC x 107 /Wm Bạc 1,59 x10-8 .0061 6,29 Đồng 1,68 x10-8 .0068 5,95 Nhôm 2,65 x10-8 .00429 3,77 Tungsten 5,6 x10-8 .0045 1,79 Sắt 9,71 x10-8 .00651 1,03 Bạchkim 10,6 x10-8 .003927 0,943 Manganin 48,2 x10-8 .000002 0,207 Chì 22 x10-8 0,45 Thủyngân 98 x10-8 .0009 0,10
5. Đơn tinh thểSi nuôi bằng kỹ thuật Czochralski của Hãng Wacker Silitronix Hikari Nhật bản. Đường kính 300 mm, chiều dài hơn 1,2 m. Đơn tinh thểSi đường kính 30 cm độsạch 99,999999999%
6. II.II. TaTạïpp cchahấátt ttrroongng cacáùcc cchahấátt babáùnn ddaẫnãn v Tạp chất thay thế v Tạp chất điền khích
7. 1) Tạp chất thuộc nhómV trong chất bán dẫn nhómIV
8. MMôô hhììnnhh ngunguyêyênn ttửử HyHyddroro cucủûaa BBohrohr Năng lượng liên kết m e4 1 13,6 E = - o = - (eV ) H 2 2 2 2(4peoh) n n mo -khối lượng của electron tựdo e -điện tích của electron eo -hằng sốđiện môi của chân không h -hằng sốPlanck n -sốlượng tửchính Trong trạng thái cơ bản n = 1 , EH = -13,6 eV Năng lượng ion hóa tạp chất đô-no m e4 E = - n i 2 2(4peoerh)
9. Ge : mn = 0,22 mo er = 16 Ei = 0,01 eV Si : mn = 0,33 mo er = 12 Ei = 0,031 eV Với phép gần đúng đã dùng, năng lượngionhóa nhưnhau cho mọi nguyên tửtạp chất thuộc nhómV. Trên thực tế,năng lượng đócókhác nhau với các tạp chất khác nhau,nhưng sựsai khác đókhông lớn lắm.
10. Mức năng lượng tạp chất đô-no Ec Ev
11. Sựphụthuộc của nồng độelectron dẫn vào nhiệt độ Silicon chứa 1,15 x 1016 nguyên tửAs / cm3 Germanium chứa 7,5 x 1015 nguyên tửAs / cm3
12. Ln n ND3 ND2 ND1 0 1/2kT dẫn điện riêng dẫn điện tạp chất
13. Sựxuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm Khi đưa các nguyên tửtạp chất thuộc nhómIIIvào GehaySi, trong vùng cấm xuất hiện các mức năng lượng nằm không xa đỉnh vùng hóa trị. Tạp chất cóthểcung cấp lỗ trống dẫn điện : tạp chất ac-xep-to vàmức tạp chất được gọi là mức ac-xep-to . Ec Eg Mức ac-xep-to Ev
14. Chất bán dẫn loạiP: chất bán dẫn cóchứa tạp chất ac-xep-to. p >> n Hạt tải điện cơ bản: lỗ trống Hạt tải điện không cơ bản: electron
15. Các mức năng lượng tạp chất
16. 1) Nồng độelectron trong vùng dẫn Ec' no = ị g(E) f (E)dE Ec g(E)làmật độtrạng thái 2mn 3 / 2 1 / 2 g(E) = 4p ( ) (E - Ec ) h2 mn làkhối lượng hiệu dụng của electron trong vùng dẫn,Eclà năng lượng ởđáy của vùng dẫn. vàhàm phân bố 1 f (E) = E - E exp F + 1 kT
17. 3 1 2m E ¥ E n = 4p ( n ) 2 exp F E 2 exp- dE = o 2 kT ị kT h 0 3 1 2m kT E ¥ = 4p ( n ) 2 exp F x 2e-xdx 2 kT ị h 0 E với x = kT Theođịnh nghĩa vàtính chất của hàm Gamma : ¥ G (n) = ị xn-1e-xdx 0 G (n) = (n - 1)G (n - 1) 1 G ( ) = p 2
18. 2) Nồng độlỗ trống trong vùng hóa trị: chất bán dẫn không suy biến 2pm kT 3 p 2 Ev - EF Ev - EF po = 2( ) exp = Nv exp h2 kT kT 2pm kT 3 p 2 Nv = 2( ) mật độtrạng thái rút gọn của vùng hóa trị h2
19. IV. Điều kiện trung hòa điện trong chất bán dẫn Mức Fermi Với một chất bán dẫn bất kỳ,điều kiện trung hòa điện - + no + N A = po + ND - + NA , ND tương ứng lànồng độionacxepto vànồng độionđôno. Chất bán dẫn riêng : no = po E - E E - E N exp( F c ) = N exp( v F ) c kT v kT 2E N E + E exp F = v exp c v kT Nc kT kT Nv Ec + Ev 3kT mp Ec + Ev EF = ln + = ln + 2 Nc 2 4 mn 2
20. V. Các hạt tải điện không cân bằng Các hạt tải điện cân bằng go = ro = gr no po Sựtạo thành các hạt tải điện không cân bằng trong chất bán dẫn. § Trong kim loại, trên thực tếta không thểlàm thay đổi nồng độ hạt tải điện trong thểtích. § Trong các chất bán dẫn cóthểlàm thay đổi đáng kểnồng độ hạt tải trong thểtích ( do đồng thời cóthểtồn tại hai loại hạt tải điện: electron vàlỗ trống mang điện tích ngược dấu nhau) nhờ các tác nhân bên ngoài nhưchiếu sáng chất bán dẫn với ánh sáng cónăng lượngphoton bằng hoặc lớn hơn độrộng vùng cấm Eg Sựtạo thành các hạt tải điện dư( hạt tải điện không cân bằng ) làm thay đổi nhiều độdẫn điện ởtrong thểtích.
21. E - E n = n exp Fn F o kT E - E p = p exp F Fp o kT EFn vàEFp tương ứng được gọi là chuẩn mức Fermi của electron vàlỗ trống E - E np = n p exp Fn Fp o o kT Hiệu năng lượng EFn -EFp đặc trưng cho độlệch khỏi trạng thái cân bằng
22. * Trường hợp kích thích mạnh Dn >> n0 + p0 dn Dn = -g (Dn)2 = - dt r t 1 t = g rDn Trong các chất bán dẫn tạp chất, nói chung tn ¹tp
23. VII.VII. TTieiếápp xuxúùcc kkiimm lloaoạïii cchahấátt babánùn ddaẫnãn 1)Dòng phát xạnhiệt điện tử. Công thoát nhiệt điện tử § Electron nằm trong tinh thểchịu sựtương tácCoulomb từ phía cácion dương của mạng. Một electron muốn thoát khỏi chất rắn cần tốn một năng lượng xác định nào đó. § Mật độdòng phát xạnhiệt điện tử( dòng điện tích của các electron đi ra chân không trong một đơn vị thời gianqua 1 đơn vị diện tích của vật liệu ởmột nhiệt độT ) : F j = AT 2 exp- s kT được gọi là dòng phát xạnhiệt điện tử . A làmột hằng sốkhông phụthuộc vào vật liệu 4pm ek 2 A = o h3
24. VII. Tiếpá xúcù kim loạïi - chấát báùn dẫnãn 2) Giảnû đồà vùngø năêng lượïng củûa lớùp chuyểnå tiếpá kim loạïi - bánù dẫnãn Giảthửchất bán dẫn làloạiN vàcócông thoát điện tử fBd < fKL. Sốelectron thoát khỏi chất bán dẫn đểsang kim loại sẽ lớn hơn số electron chuyển động theo chiều ngược lại à phía kim loại cótích điện âm còn phía chất bán dẫn mất đi một sốelectron đểlại các ion đôno dương không được trung hòa: xuất hiện điện trường ở ranh giới hướng từchất bán dẫnsang kim loại. Điện trường này ngăn cản sựchuyển động của electron từchất bán dẫnsang kim loại nhưng không ảnh hưởng đến các electron chuyển động từkim loạisang chất bán dẫn. Do tác dụng này màđến một lúc nào đósẽ đạt trạng thái cân bằng : ởranh giới của hai vật liệu xuất hiện một điện trường ổn định E0,được gọi là điện trường tiếp xúc.
25. Miền điện tích thểtíchw trên Trong trường hợp fKL < fBD-N , mặt chất bán dẫn cóđiện trởrất miền điện tích thểtích cóđiện lớnso với điện trởcủa kim loại trởnhỏnên được gọi là lớp đối vàcủa miền bán dẫn trung hòa. ngăn. Lớp đóthường được gọi là lớp ngăn.
26. Phân cực thuận Phân cực ngược
27. 1. Phân cực thuận lớp chuyển tiếp : Điện ápV tạo nên điện trường ngược chiều với điện trường tiếp xúc E0 . Điện trường ngoài làm giảm hàng rào thếnăng đối với các electron chuyển động từchất bán dẫnsang kim loại vàdo đó làm thay đổi jBD màø không ảnh hưởng gìđến dòng jKL : jKL = js f + eU - eV eV j = AT 2 exp- BD o = j exp BD kT s kT Dòng tổng cộngqua lớp chuyển tiếp eV j = j - j = j (exp -1) BD KL s kT j KL BD V
28. VIII.VIII. CChhuuyeyểånn ttieiếápp PP –– NN Các cách chếtạo + Phương pháp nóng chảy + Pha tạp trong quátrình kéo đơn tinh thểbán dẫn + Phương pháp khuếch tán tạp chất vào chất bán dẫn ở nhiệt độcao. Phương pháp plana. Trong các cách chếtạo trên lớp chuyển tiếpP-N được hình thành trên cùng một đơn tinh thể .
29. Chuyển tiếp P –N : điều kiện cân bằng Dòng ktán của lỗ trống Dòng ktán của electron BDĐ-P BDĐ-N Điện trường txúc Trong miền điện tích thểtíchWởranh giới của hai miềnNvàP cóđiện trường tiếp xúc E0 và dòng electron từN sang P : jn =jns : dòng electron từP sang N dòng lỗ trống từP sang N : jp =jps : dòng lỗ trống từN sang P dòng tổng cộngqualớp chuyển tiếp j = (jn+jp) -(jps +jns ) = 0
30. Chuyển tiếp P –N : điều kiện cân bằng EcP cuốn P Khuếch tán eUo EiP N E vP N Khuếch tán N cuốn N
31. Thếá hiệuä tiếáp xúùc 2 Trong miềnP : n0P p0P = ni E EF - EvP iP poP = Nv exp- EF kT E E - E iN p = n exp- F iP oP i kT E - E n p eU 2 iP iN oN oP = exp o noN poP = ni exp 2 kT ni kT Thếhiệu tiếp xúc : kT noN kT poP Uo = Ln = Ln e noP e poN
32. 33)) CChhuuyeyểånn tietiếápp PP –– NN :: đđaặëcc trtrưưnngg VVonon AAmmpepe Xét lớp chuyển tiếpP-N . Cócác dòng sau chạyqualớp chuyển tiếp đó: +dòng lỗ trống từmiềnP sangmiềnN : jp ( dòng hạt tải điện cơ bản) +dòng lỗ trống từmiềnN sangmiềnP : jps ( dòng hạt tải điện không cơ bản) +dòng electron từmiềnN sangmiềnP : jn ( dòng hạt tải điện cơ bản) +dòng electron từmiềnP sangmiềnN : jns ( dòng hạt tải điện không cơ bản)
33. a. Chuyển tiếp P –N : phân cực thuận P N Dòng lỗ trống Dòng electron Điện ápVtạo điện trường ngoài ngược chiều với điện trường tiếp xúc. Dohai điện trường ngược chiều nhau nên điện trường tổng cộng trong lớp chuyển tiếp giảm xuống.Thếhiệu tiếp xúc bây giờbằnge ( U0 -V ) e(Uo-V)
34. b. Chuyển tiếp P –N : phân cực ngược Miền nghèo e(Uo+V) V Điện ápVtạo điện trường ngoài cùng chiều với điện trường tiếp xúc. Dohai điện trường cùng chiều nhau nên điện trường tổng cộng trong lớp chuyển tiếp tăng lên.Thếhiệu tiếp xúc bây giờ bằnge ( U0 + V ) .
35. Kết hợp các kết quảtrên,cóthểviết biểu thức của đường đặc trưngVon -Ampe dưới dạng j eV j = j (exp± -1) s kT trong đólấy dấu+nếu phân cực thuận vàdấu-khi phân cực ngược. js V Ln Lp với js = ( jns + j pn ) = e(noP + poN ) tn t p Ln Lp 2 Ln Lp js = e(noP + poN ) = eni ( + ) tn t p N Atn NDt p phụthuộc nhiều vào nhiệt độ.