Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương VI: Năng lượng của điện tử trong trường tuần hoàn của tinh thể (Tiếp) - Lê Khắc Bình

Nội dung text: Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương VI: Năng lượng của điện tử trong trường tuần hoàn của tinh thể (Tiếp) - Lê Khắc Bình

1. CHƯƠNG VI NĂNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ TRONG TRƯỜNG TUẦN HOÀN CỦA TINH THỂ
2. ▪ Khi đặt điện trường lên tinh thể, electron có thể thu được năng lượng khi chuyển động trong trường đó. ▪ Năng lượng mà electron thu được trên quãng đường bay tự do  bằng eE  . ▪ Trên thực tế eE  << Eg. ▪ Như vậy, năng lượng mà electron thu được khi đó không đủ để cho nó nhảy qua vùng cấm để lên vùng dẫn. muốn dẫn điện tốt, chất phải có vùng năng lượng chưa đầy electron .
3. Các nguyên tử , khi va chạm với các electron, nhường cho chúng một phần hay toàn bộ năng lượng của mình. Nếu năng lượng đó bằng hoặc lớn hơn độ rộng vùng cấm Eg thì electron có thể nhảy lên vùng trên. Với những điều vừa nói, dựa vào cấu trúc vùng năng lượng của một chất ta có thể biết chất đó dẫn điện hay cách điện.
4. VÍ DỤ Các kim loại kiềm : Li, Na, K, Rb và Cs . Các electron hóa trị trong các kim loại này nằm ở trạng thái ns. Khi tạo thành tinh thể chất rắn, các vùng năng lượng trừ vùng hóa trị, đều hoàn toàn đầy electron . Vùng hóa trị (hình thành từ mức ns ) có 2N trạng thái nhưng chỉ có N electron : vùng hóa trị chỉ đầy một nửa. Các kim loại kiềm dẫn điện tốt.
5. KIM LOẠI KIỀM THỔ Các kim loại kiềm thổ có hai electron hóa trị nằm ở trạng thái ns. Tuy nhiên khi hình thành tinh thể, vùng ns và np phủ nhau một phần. Nhờ đó, các electron nằm ở các mức cao của vùng ns chiếm các mức thấp của vùng np cho đến khi cả hai vùng chứa electron đến một mức ngang nhau .
6. CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN Chất có vùng hóa trị chứa đầy electron và trên đó là vùng cấm năng lượng có độ rộng bằng Eg . Ở nhiệt độ 0 K chất này hoàn toàn không dẫn điện vì năng lượng mà electron thu được trong điện trường ngoài và dao động nhiệt không đủ để vượt qua vùng cấm. Ở một nhiệt độ T nào đó, xác suất để electron có năng lượng bằng Eg tỷ lệ với exp(-Eg/ kT) . Như vậy, bao giờ cũng có một số electron có năng lượng nhiệt đủ để nhảy lên vùng năng lượng nằm ở bên trên còn rất nhiều mức trống.
7. ª Mỗi electron nhảy được lên vùng dẫn để lại một lỗ trống ở trong vùng hóa trị. ª Đồng thời với sự nhảy lên vùng năng lượng cao hơn của electron là quá trình nhảy ngược trở lại vùng hóa trị (quá trình tái hợp electron -lỗ trống ) . ª Tốc độ của quá trình này tỷ lệ với nồng độ n của electron có trong vùng dẫn và nồng độ p của lỗ trống có trong vùng hóa trị , nghĩa là bằng .n.p với  là hệ số tỷ lệ. Eg Aexp− = .n.p =  n2 ( vì n = p ). kT A Eg Trong trạng thái n = exp− cân bằng động  2kT
8. Kim loại Chất bán dẫn Điện môi Ec E c E g Eg Ef E v Ev
9. THÀNH CÔNG VÀ HẠN CHẾ CỦA LÝ THUYẾT VÙNG ĐƠN GIẢN ° Giải thích được tại sao chất rắn là chất dẫn điện, chất bán dẫn hoặc chất cách điệän. ° Thiết lập quan hệ giữa các tính chất của vật liệu và nguyên tử. ° Giải thích sự tồn tại của các hạt có điện tích dương (lỗ trống) và giải thích khái niệm khối lượng hiệu dụng. ° Phép gần đúng một electron không thể tính đến các hiệu ứng tập thể như hiện tượng sắt từ và siêu dẫn và sự chuyển pha do năng lượng toàn phần của electron.