VẬT LÝ BÁN DẪN

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.32 MB, 14 trang )

Bạn đang đọc: VẬT LÝ BÁN DẪN – Tài liệu text

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
1

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN
CHƯƠNG 1.
VẬT LÝ BÁN DẪN

1.1 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ :
Các vật liệu điện tử thường được phân chia thành ba loại: Các vật liệu cách điện, dẫn điện và vật
liệu bán dẫn.
Chất cách điện là loại vật liệu thường có độ dẫn điện rất kém dưới tác dụng của một nguồn
điện áp đặt vào nó.
Chất dẫn điện là lo
ại vật liệu có thể tạo ra dòng điện tích khi có nguồn điện áp đặt ngang qua
hai đầu vật liệu.
Chất bán dẫn là một loại vật liệu có độ dẫn điện ở khoảng giữa của chất dẫn điện và chất cách
điện
Thông số chính được dùng để phân biệt 3 loại vật liệu là điện trở suất
ρ
, có đơn vị là Ω.cm.
Như chỉ rỏ ở bảng 1.1, các chất cách điện có điện trở suất lớn hơn
cm.10
5
Ω
. ví dụ: kim cương
[diamond] là một trong những chất cách điện tuyệt vời, nó có điện trở suất rất lớn:
.cm10
16
Ω.
Ngược lại, đồng đỏ nguyên chất [pure copper] là một chất dẫn điện tốt, có điện trở suất chỉ là
.cm103

6
Ω
−
x.
Các vật liệu bán dẫn chiếm toàn bộ khoảng điện trở suất giữa chất cách điện và chất dẫn điện;
ngoài ra, điện trở suất của vật liệu bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách bổ sung thêm các
nguyên tử tạp chất khác vào tinh thể bán dẫn.
Bảng 1.1, cũng cho biết các giá trị điện trở suất điể
n hình của 3 loại vật liệu cơ bản. Mặc dù
trong thực tế chúng ta đã làm quen với tính dẫn điện của đồng đỏ (đồng nguyên chất) và tính
cách điện của mica, nhưng các đặc tính điện của các vật liệu bán dẫn như Gemanium (Ge) và
Silicon (Si) có thể còn mới lạ, dĩ nhiên, vật liệu bán dẫn không chỉ có hai loại vật liệu này,
nhưng đây là 2 loại vật liệu được s
ử dụng nhiều nhất trong sự phát triển của dụng cụ bán dẫn.

BẢNG 1.1
Phân loại đặc tính dẫn điện của các vật liệu bằng chất rắn

Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện

cm.10
3
Ω
−
<
ρ
cm.1010
53
Ω<<
−

ρ

ρ
<.cm10
5
Ω
Giá trị điện trở suất của các chất điển hình

cm.103
6
Ω
−
= x
ρ
cm.50 Ω=
ρ
(germanium) cm.10
12
Ω=
ρ
(mica)
(đồng đỏ ng. chất) .cm1050
3
Ω
x
=
ρ
(silicon) cm.10
16
Ω=

ρ
(kim cương)

Các chất bán dẫn được tạo thành từ hai loại: Các chất
bán dẫn đơn chất
là các nguyên tố thuộc
nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, (bảng 1.2). Mặt khác, các chất
bán dẫn hợp
chất
có thể được hình thành từ các nguyên tố nhóm III và nhóm IV (thường gọi là hợp chất 3-5),
hay nhóm II và nhóm VI (gọi là hợp chất 2-6). Chất bán dẫn hợp chất cũng bao gồm 3 nguyên
tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [gallium-
aluminum-arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indium-
phosphide]. Theo lịch sử chế tạo các linh kiện bán dẫn thì Ge là một trong những chất bán dẫn
đầu tiên được sử dụng. Tuy nhiên, Ge đã được thay thế một cách nhanh chóng bới Si dùng để
chế tạo các dụng cụ bán dẫn quan tr
ọng nhất hiện nay.
Silicon có mức năng lượng độ rộng vùng cấm (
E
g
) lớn hơn so với Ge (xem bảng 1.3) nên cho
phép sử dụng các linh kiện bán dẫn được chế tạo từ Si ở nhiệt độ cao hơn và sự dễ ôxi hóa để
hình thành nên một lớp ôxit cách điện ổn định trên bán dẫn Silicon làm cho việc gia công, xử lý
trên Si khi chế tạo các vi mạch (ICs) dể dàng hơn nhiều so với Ge. Tuy vậy, Ge vẫn có trong
các cấu kiện bán dẫn hiện đại nhưng hạn chế hơn nhiều so với Si và m
ột số chất bán dẫn khác.
Ngoài chất bán dẫn bằng Silicon được dùng nhiều, còn có các chất bán dẫn như: GaAr [gallium-
arsenic] và InP [Indium-phosphide] là những chất bán dẫn thông dụng hiện nay, đó là những vật
liệu quan trọng nhất trong việc chế tạo các cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED),
công nghệ Laser và các bộ tách sóng quang. v. v.. .

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
2

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Bảng 1.3 Giới thiệu một số chất bán dẫn thường được sử dụng nhiều nhất để chế tạo các linh
kiện bán dẫn.
BẢNG 1.3
Các vật liệu bán dẫn
Chất bán dẫn
G
E
(eV)
Chất bán dẫn
G
E
(e
V)
Kim cương (diamond) 5,47 Gallium arsenide 1,42
Silicon 1,12 Indium phosphide 1,45
Germanium 0,66 Boron nitride 7,50
Thiếc (tin) 0,082 Silicon carbide 3,00
Cadimium selenide 1,70
Kim cương và Boron Nitride là những chất cách điện tuyệt vời ở nhiệt độ phòng, nhưng chúng
cũng như Silicon Carbide có thể được dùng như những chất bán dẫn ở nhiệt độ rất cao (
C
o
600
).

Việc bổ sung một tỷ lệ nhỏ ( < 10 % ) Ge vào Si sẽ làm cho đặc tính của các dụng cụ bán dẫn
thông thường được cải thiện.
1.2 MÔ HÌNH LIÊN KẾT ĐỒNG HÓA TRỊ

Trong các chất, các nguyên tử có thể liên kết với nhau dưới 3 dạng cấu trúc như: Vô định hình
[amorphous]; đa tinh thể [polycrystalline] và đơn tinh thể [single-crystal].
Các vật liệu vô định hình có cấu trúc hoàn toàn không có trật tự (hổn độn), ngược với vật liệu đa
tinh thể bao gồm một số lượng lớn các tinh thể không hoàn chỉnh nhỏ kết hợp lại.
Một loại vật liệu bất kỳ chỉ có duy nhất các cấ
u trúc tinh thể lặp lại (tuần hoàn) của cùng một
loại nguyên tử được gọi là cấu trúc đơn tinh thể. Nhiều đặc tính rất hữu ích của các chất bán dẫn
đều được tìm thấy ở các vật liệu đơn tinh thể ở dạng nguyên chất cao, chẳng hạn như: Silicon
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
3

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có bốn
điện tử
(electron) ở lớp ngoài
cùng, gọi là 4 điện tử hóa trị.
Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng liên kết đồng hóa trị của mỗi nguyên tử Silicon với 4
nguyên tử Si lân cận gần nhất dưới dạng khối không gian ba chiều rất đều đặn như ở hình 1.1.
Để đơn giản, ta chỉ xét các mô hình liên kết đồng hóa trị ở dạng hai chiều như hình 1.2.
Sự liên kết bền vững giữa các nguyên tử bằng các điện tử hóa trị góp chung được gọi là liên kết
đồng hóa trị.
Mặc dù liên kết đồng hóa trị là lọai liên kết mạnh giữa các điện tử hóa trị và nguyên tử gốc của
chúng nhưng các điện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ năng lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy các
liên kết đồng hóa trị và tạo ra các điện tử ở trạng thái tự do. Thuật ngữ “tự do” nói lên rằng sự di
chuyể

Xem thêm: Hóa đơn điện tử là gì? 16 điều doanh nghiệp CẦN BIẾT NGAY về HĐĐT

n của các điện tử là rất nhạy cảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay
sự chênh lệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dưới dạng các
photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh. Ở nhiệt độ phòng, trong một cm
3
vật liệu
bán dẫn Si nguyên chất có khoảng
10
10 hạt tải điện tự do [free carrier]. Các điện tử tự do trong vật
liệu bán dẫn do bản chất tương tự như các hạt tải điện cơ bản. Cững tại nhiệt độ phòng, trong
một cm
3
vật liệu Ge nguyên chất có khoảng
13
105,2
x
hạt tải điện tự do. Tỷ lệ về số lượng các
hạt tải điện tự do của Ge đối với Si lớn hơn
3
10
lần, điều này sẽ nói lên rằng Ge có độ dẫn điện
tốt hơn ở nhiệt độ phòng, mặc dù vậy cả hai loại Ge và Si đều có độ dẫn điện rất kém ở trạng
thái cơ bản. Lưu ý ở bảng 1.1, điện trở suất của Si và Ge cũng chênh lệch một tỷ lệ 1000:1, trong
đó Si có điện trở suất lớn hơn, đi
ều này là tất nhiên, vì điện trở suất tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện.
Khi tăng nhiệt độ ở một chất bán dẫn lên trên độ không tuyệt đối (
0
K) thì số lượng các điện tử
hóa trị do hấp thụ năng lượng nhiệt đáng kể để bẻ gãy các liên kết đồng hóa trị tăng lên, làm
tăng độ dẫn điện và chất bán dẫn có điện trở thấp. Do vậy, các vật liệu bán dẫn như Ge và Si sẽ
có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng tức là có hệ số nhiệt độ âm. Đ

iều náy khác với các chất dẫn
điện vì điện trở của nhiều chất dẫn điện tăng theo nhiệt độ do số lượng các hạt tải điện trong chất
dẫn điện là không tăng đáng kể theo nhiệt độ, nhưng chúng sẽ dao động xung quanh vị trí cố
định làm cản trở sự di chuyển của các điện tử khác, tức là làm cho điệ
n trở tăng lên nên đối với
các chất dẫn điện có hệ số nhiệt độ dương. Như vậy, Ở nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối, toàn bộ các
điện tử định vị trong các mối liên kết đồng hóa trị góp chung giữa các nguyên tử theo dạng
mãng và không có điện tử tự do để tham gia vào quá trình dẫn điện. Lớp ngoài cùng của nguyên
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
4

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

tử là đầy đủ và vật liệu giống như một chất cách điện.
Khi tăng nhiệt độ, thì năng lượng nhiệt sẽ được bổ sung vào tinh thể, lúc này một vài liên kết sẽ
bị bẻ gãy, giải phóng một lượng nhỏ điện tử cung cấp cho việc dẫn điện, như ở hình 1.3.
Mật độ các điện tử tự do này được gọi là:
mật độ các hạt tải điện cơ bản

i
n
[intrinsic carrier
density] (
3
cm
−
) và được xác định tùy theo đặc tính của vật liệu và nhiệt độ như sau:

⎟
⎠

⎞
⎜
⎝
⎛
−=
kT
E
BTn
G
32
i
exp
cm
-6
(1.1)
trong đó:
G
E
là mức năng lượng độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, đơn vị đo là eV;

k

là hằng
số Boltzmann,
5
10×628
−
,
(eV/ K);
T

là nhiệt độ tuyệt đối (
o
K);
B

là thông số tùy thuộc vật liệu,
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
5

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

chẳng hạn, đối với Si thì
B
=
31
10×081,
(K
-3
. cm
– 6
).
Mức năng lượng vùng cấm

G
E
[bandgap energy] là mức năng lượng tối thiểu cần thiết để bẻ gãy
một mối liên kết trong tinh thể bán dẫn để giải phóng một điện tử cho quá trình dẫn điện. Bảng
1.3 ở trên đã liệt kê các giá trị mức năng lượng vùng cấm của một số chất bán dẫn khác nhau.
Mật độ các điện tử tự do được biểu diển bằng ký hiệu
n

( số electron / cm
3
), và đối với vật liệu
nguyên chất
i
nn =
. Mặc dù
i
n
là một đặc tính cơ bản của mỗi chất bán dẫn nhưng nó phụ thuộc
rất nhiều vào nhiệt độ đối với tất cả các vật liệu. Hình 1.4 chỉ rõ sự thay đổi mạnh của mật độ hạt
tải điện cơ bản theo nhiệt độ của Gemanium, Silicon, và Gallium Arsenide, tính từ biểu thức
(1.2) với
6330
cm.K1031,2
−−
=
xB
cho Ge và
6329
cm.K1027,1
−−
=
xB
cho GaAr.
Ví dụ 1.1:
Hãy xác đinh giá trị của
i
n
của Si ở nhiệt độ phòng (300K) ?

()
()
()
()
619
5
3
63312
i
cm/1052,4
K300K/eV1062,8
12,1
expK300cm.K1008,1 x
x
xn =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
−−

hay
39

i
cm/1073,6 xn =

Để đơn giản trong tính toán, ta lấy giá trị
310
cm/10≈
i
n
ở nhiệt độ phòng đối với Si.
Mật độ các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng
322
/105 cmx, so sánh với kết quả
ở ví dụ 1.1, trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ
13
10 nguyên tử Si, thì chỉ có một
mối liên kết bị bẻ gãy.
Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kết đồng hóa trị bị bẻ gãy như ở hình
1.3. Khi một điện tử mang điện tích âm
C10602,1
19
−
−= xq
, di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa
trị, thì nó sẽ để lại một khoảng trống [vacancy] trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicon
gốc. Khoảng trống phải có điện tích hiệu dụng dương: +q. Một điện tử từ liên kết lân cận có thể
điền vào khoảng trống này và sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác. Quá trình này làm
cho khoảng trống di chuyể
n qua khắp các mối liên kết trong mạng tinh thể bán dẫn. Khoảng
trống di chuyển giống như hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lổ trống [hole]. Mật độ
lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống / cm

Xem thêm: Tra cứu hóa đơn điện tử

3
).
Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗi liên kết bị bẽ gảy: một điện tử
và một lỗ trống, do đó đối với bán dẫn silicon nguyên chất ta có:
pnn
i
==
(1.2)

2
i
nnp
=⇒
(1.3)
Tích
pn
cho ở (1.3) chỉ đúng với điều kiện một chất bán dẫn ở điều kiện cân bằng nhiệt, mà
trong đó, các đặc tính của vật liệu bán dẫn chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
T
, mà không có các dạng
kích thích khác. Phương trình (1.3) sẽ không đúng đối với các chất bán dẫn khi có các kích thích
ngoài như: điện áp, dòng điện hay kích thích bằng ánh sáng.
1.3 ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA BÁN DẪN SILICON NGUYÊN CHẤT.

a) Dòng trôi trong các chất bán dẫn.
Điện trở suất:
ρ

và đại lượng nghích đảo của điện trở suất là
điện dẫn suất

[conductivity]:
σ
là
đặc trưng của dòng điện chảy trong vật liệu khi có điện trường đặt vào. Dưới tác dụng của điện
trường, các hạt tích điện sẽ di chuyển hoặc trôi [drift] và tạo thành dòng điện được gọi là dòng
trôi [drift current].
Mật độ dòng trôi
j
được định nghĩa như sau:

Qvj =
(C/cm
3
)(cm/s) = A/cm
2
(1.4)
trong đó:
Q
là mật độ điện tích;
v
là vận tốc của các điện tích trong điện trường.
Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể silicon bằng cách sử dụng cả hai
mô hình liên kết đồng hóa trị và mô hình vùng năng lượng trong các chất bán dẫn.
Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường ta phải xét độ linh động của
các hạt t
ải điện.
b) Độ linh động.
[mobility]
Như trên đã xét, các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụng của điện trường

x. Các vật tư bán dẫn chiếm hàng loạt khoảng chừng điện trở suất giữa chất cách điện và chất dẫn điện ; ngoài những, điện trở suất của vật tư bán dẫn hoàn toàn có thể được kiểm soát và điều chỉnh bằng cách bổ trợ thêm cácnguyên tử tạp chất khác vào tinh thể bán dẫn. Bảng 1.1, cũng cho biết những giá trị điện trở suất nổi bật của 3 loại vật tư cơ bản. Mặc dùtrong thực tiễn tất cả chúng ta đã làm quen với tính dẫn điện của đồng đỏ ( đồng nguyên chất ) và tínhcách điện của mica, nhưng những đặc tính điện của những vật tư bán dẫn như Gemanium ( Ge ) vàSilicon ( Si ) hoàn toàn có thể còn mới lạ, đương nhiên, vật tư bán dẫn không riêng gì có hai loại vật tư này, nhưng đây là 2 loại vật tư được sử dụng nhiều nhất trong sự tăng trưởng của dụng cụ bán dẫn. BẢNG 1.1 Phân loại đặc tính dẫn điện của những vật tư bằng chất rắnChất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điệncm. 10 cm. 101053 Ω < < <. cm10Giá trị điện trở suất của những chất điển hìnhcm. 103 = xcm. 50 Ω = ( germanium ) cm. 1012 Ω = ( mica ) ( đồng đỏ ng. chất ). cm1050 ( silicon ) cm. 1016 Ω = ( kim cương ) Các chất bán dẫn được tạo thành từ hai loại : Các chấtbán dẫn đơn chấtlà những nguyên tố thuộcnhóm IV của bảng tuần hoàn những nguyên tố hóa học, ( bảng 1.2 ). Mặt khác, những chấtbán dẫn hợpchấtcó thể được hình thành từ những nguyên tố nhóm III và nhóm IV ( thường gọi là hợp chất 3-5 ), hay nhóm II và nhóm VI ( gọi là hợp chất 2-6 ). Chất bán dẫn hợp chất cũng gồm có 3 nguyêntố, ví dụ điển hình như : Thủy ngân-Cadimi-telurit [ mercury - cadmium-telluride ] ; Ga-Al-As [ gallium-aluminum-arsenic ] ; Ga-In-Ar [ gallium-indium-arsenic ] ; và Ga-In-P [ gallium-indium-phosphide ]. Theo lịch sử vẻ vang sản xuất những linh phụ kiện bán dẫn thì Ge là một trong những chất bán dẫnđầu tiên được sử dụng. Tuy nhiên, Ge đã được thay thế sửa chữa một cách nhanh gọn bới Si dùng đểchế tạo những dụng cụ bán dẫn quan trọng nhất lúc bấy giờ. Silicon có mức nguồn năng lượng độ rộng vùng cấm ( ) lớn hơn so với Ge ( xem bảng 1.3 ) nên chophép sử dụng những linh phụ kiện bán dẫn được sản xuất từ Si ở nhiệt độ cao hơn và sự dễ ôxi hóa đểhình thành nên một lớp ôxit cách điện không thay đổi trên bán dẫn Silicon làm cho việc gia công, xử lýtrên Si khi sản xuất những vi mạch ( ICs ) dể dàng hơn nhiều so với Ge. Tuy vậy, Ge vẫn có trongcác cấu kiện bán dẫn văn minh nhưng hạn chế hơn nhiều so với Si và một số ít chất bán dẫn khác. Ngoài chất bán dẫn bằng Silicon được dùng nhiều, còn có những chất bán dẫn như : GaAr [ gallium-arsenic ] và InP [ Indium-phosphide ] là những chất bán dẫn thông dụng lúc bấy giờ, đó là những vậtliệu quan trọng nhất trong việc sản xuất những cấu kiện quang điện tử như : diode phát quang ( LED ), công nghệ tiên tiến Laser và những bộ tách sóng quang. v. v. .. CẤU KIỆN ĐIỆN TỬBIÊN SOẠN DQB, B / M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1 : VẬT LÝ BÁN DẪNBảng 1.3 Giới thiệu một số ít chất bán dẫn thường được sử dụng nhiều nhất để sản xuất những linhkiện bán dẫn. BẢNG 1.3 Các vật tư bán dẫnChất bán dẫn ( eV ) Chất bán dẫn ( eV ) Kim cương ( diamond ) 5,47 Gallium arsenide 1,42 Silicon 1,12 Indium phosphide 1,45 Germanium 0,66 Boron nitride 7,50 Thiếc ( tin ) 0,082 Silicon carbide 3,00 Cadimium selenide 1,70 Kim cương và Boron Nitride là những chất cách điện tuyệt vời ở nhiệt độ phòng, nhưng chúngcũng như Silicon Carbide hoàn toàn có thể được dùng như những chất bán dẫn ở nhiệt độ rất cao ( 600 ). Việc bổ trợ một tỷ suất nhỏ ( < 10 % ) Ge vào Si sẽ làm cho đặc tính của những dụng cụ bán dẫnthông thường được cải tổ. 1.2 MÔ HÌNH LIÊN KẾT ĐỒNG HÓA TRỊTrong những chất, những nguyên tử hoàn toàn có thể link với nhau dưới 3 dạng cấu trúc như : Vô định hình [ amorphous ] ; đa tinh thể [ polycrystalline ] và đơn tinh thể [ single-crystal ]. Các vật tư vô định hình có cấu trúc trọn vẹn không có trật tự ( hổn độn ), ngược với vật tư đatinh thể gồm có một số lượng lớn những tinh thể không hoàn hảo nhỏ tích hợp lại. Một loại vật tư bất kể chỉ có duy nhất những cấu trúc tinh thể lặp lại ( tuần hoàn ) của cùng mộtloại nguyên tử được gọi là cấu trúc đơn tinh thể. Nhiều đặc tính rất có ích của những chất bán dẫnđều được tìm thấy ở những vật tư đơn tinh thể ở dạng nguyên chất cao, ví dụ điển hình như : SiliconCẤU KIỆN ĐIỆN TỬBIÊN SOẠN DQB, B / M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1 : VẬT LÝ BÁN DẪNthuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn những nguyên tố hóa học, có bốnđiện tử ( electron ) ở lớp ngoàicùng, gọi là 4 điện tử hóa trị. Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng link đồng hóa trị của mỗi nguyên tử Silicon với 4 nguyên tử Si lân cận gần nhất dưới dạng khối khoảng trống ba chiều rất đều đặn như ở hình 1.1. Để đơn thuần, ta chỉ xét những quy mô link đồng hóa trị ở dạng hai chiều như hình 1.2. Sự link bền vững và kiên cố giữa những nguyên tử bằng những điện tử hóa trị góp chung được gọi là liên kếtđồng hóa trị. Mặc dù link đồng hóa trị là loại link mạnh giữa những điện tử hóa trị và nguyên tử gốc củachúng nhưng những điện tử hóa trị vẫn hoàn toàn có thể hấp thụ nguồn năng lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy cácliên kết đồng hóa trị và tạo ra những điện tử ở trạng thái tự do. Thuật ngữ “ tự do ” nói lên rằng sự dichuyển của những điện tử là rất nhạy cảm dưới tính năng của điện trường do một nguồn điện áp haysự chênh lệch nào đó về thế hiệu ; những ảnh hưởng tác động của nguồn năng lượng ánh sáng dưới dạng cácphoton ; nguồn năng lượng nhiệt từ môi trường tự nhiên xung quanh. Ở nhiệt độ phòng, trong một cmvật liệubán dẫn Si nguyên chất có khoảng1010 hạt tải điện tự do [ không lấy phí carrier ]. Các điện tử tự do trong vậtliệu bán dẫn do thực chất tựa như như những hạt tải điện cơ bản. Cững tại nhiệt độ phòng, trongmột cmvật liệu Ge nguyên chất có khoảng13105, 2 hạt tải điện tự do. Tỷ lệ về số lượng cáchạt tải điện tự do của Ge so với Si lớn hơn10lần, điều này sẽ nói lên rằng Ge có độ dẫn điệntốt hơn ở nhiệt độ phòng, mặc dầu vậy cả hai loại Ge và Si đều có độ dẫn điện rất kém ở trạngthái cơ bản. Lưu ý ở bảng 1.1, điện trở suất của Si và Ge cũng chênh lệch một tỷ suất 1000 : 1, trongđó Si có điện trở suất lớn hơn, điều này là tất yếu, vì điện trở suất tỷ suất nghịch với độ dẫn điện. Khi tăng nhiệt độ ở một chất bán dẫn lên trên độ không tuyệt đối ( K ) thì số lượng những điện tửhóa trị do hấp thụ nguồn năng lượng nhiệt đáng kể để bẻ gãy những link đồng hóa trị tăng lên, làmtăng độ dẫn điện và chất bán dẫn có điện trở thấp. Do vậy, những vật tư bán dẫn như Ge và Si sẽcó điện trở giảm khi nhiệt độ tăng tức là có thông số nhiệt độ âm. Điều náy khác với những chất dẫnđiện vì điện trở của nhiều chất dẫn điện tăng theo nhiệt độ do số lượng những hạt tải điện trong chấtdẫn điện là không tăng đáng kể theo nhiệt độ, nhưng chúng sẽ xê dịch xung quanh vị trí cốđịnh làm cản trở sự vận động và di chuyển của những điện tử khác, tức là làm cho điện trở tăng lên nên đối vớicác chất dẫn điện có thông số nhiệt độ dương. Như vậy, Ở nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối, hàng loạt cácđiện tử xác định trong những mối link đồng hóa trị góp chung giữa những nguyên tử theo dạngmãng và không có điện tử tự do để tham gia vào quy trình dẫn điện. Lớp ngoài cùng của nguyênCẤU KIỆN ĐIỆN TỬBIÊN SOẠN DQB, B / M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1 : VẬT LÝ BÁN DẪNtử là không thiếu và vật tư giống như một chất cách điện. Khi tăng nhiệt độ, thì nguồn năng lượng nhiệt sẽ được bổ trợ vào tinh thể, lúc này một vài link sẽbị bẻ gãy, giải phóng một lượng nhỏ điện tử phân phối cho việc dẫn điện, như ở hình 1.3. Mật độ những điện tử tự do này được gọi là : tỷ lệ những hạt tải điện cơ bản [ intrinsic carrierdensity ] ( cm ) và được xác lập tùy theo đặc tính của vật tư và nhiệt độ như sau : − = kTBTn32expcm-6 ( 1.1 ) trong đó : là mức nguồn năng lượng độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, đơn vị chức năng đo là eV ; là hằngsố Boltzmann, 10x628 ( eV / K ) ; là nhiệt độ tuyệt đối ( K ) ; là thông số kỹ thuật tùy thuộc vật tư, CẤU KIỆN ĐIỆN TỬBIÊN SOẠN DQB, B / M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1 : VẬT LÝ BÁN DẪNchẳng hạn, so với Si thì3110x081, ( K-3. cm - 6 ). Mức nguồn năng lượng vùng cấm [ bandgap energy ] là mức nguồn năng lượng tối thiểu thiết yếu để bẻ gãymột mối link trong tinh thể bán dẫn để giải phóng một điện tử cho quy trình dẫn điện. Bảng1. 3 ở trên đã liệt kê những giá trị mức nguồn năng lượng vùng cấm của 1 số ít chất bán dẫn khác nhau. Mật độ những điện tử tự do được biểu diển bằng ký hiệu ( số electron / cm ), và so với vật liệunguyên chấtnn =. Mặc dùlà một đặc tính cơ bản của mỗi chất bán dẫn nhưng nó phụ thuộcrất nhiều vào nhiệt độ so với toàn bộ những vật tư. Hình 1.4 chỉ rõ sự biến hóa mạnh của tỷ lệ hạttải điện cơ bản theo nhiệt độ của Gemanium, Silicon, và Gallium Arsenide, tính từ biểu thức ( 1.2 ) với6330cm. K1031, 2 − − xBcho Ge và6329cm. K1027, 1 − − xBcho GaAr. Ví dụ 1.1 : Hãy xác đinh giá trị củacủa Si ở nhiệt độ phòng ( 300K ) ? ( ) ( ) ( ) ( ) 61963312 cm / 1052,4 K300K / eV1062, 812,1 expK300cm. K1008, 1 xxn = − − hay39cm / 1073,6 xn = Để đơn thuần trong đo lường và thống kê, ta lấy giá trị310cm / 10 ≈ ở nhiệt độ phòng so với Si. Mật độ những nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng322 / 105 cmx, so sánh với kết quảở ví dụ 1.1, trên, suy ra rằng : ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ1310 nguyên tử Si, thì chỉ có mộtmối link bị bẻ gãy. Một loại hạt tải điện khác trong thực tiễn cũng được tạo ra khi link đồng hóa trị bị bẻ gãy như ở hình1. 3. Khi một điện tử mang điện tích âmC10602, 119 − = xq, chuyển dời ra khỏi link đồng hóatrị, thì nó sẽ để lại một khoảng chừng trống [ vacancy ] trong cấu trúc link bên cạnh nguyên tử silicongốc. Khoảng trống phải có điện tích hiệu dụng dương : + q. Một điện tử từ link lân cận có thểđiền vào lúc trống này và sẽ tạo ra một khoảng chừng trống mới ở vị trị khác. Quá trình này làmcho khoảng chừng trống vận động và di chuyển qua khắp những mối link trong mạng tinh thể bán dẫn. Khoảngtrống chuyển dời giống như hạt tích điện có điện tích + q nên được gọi là lổ trống [ hole ]. Mật độlỗ trống được ký hiệu là p ( lỗ trống / cm ). Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗi link bị bẽ gảy : một điện tửvà một lỗ trống, do đó so với bán dẫn silicon nguyên chất ta có : pnn = = ( 1.2 ) nnp = ⇒ ( 1.3 ) Tíchpncho ở ( 1.3 ) chỉ đúng với điều kiện kèm theo một chất bán dẫn ở điều kiện kèm theo cân đối nhiệt, màtrong đó, những đặc tính của vật tư bán dẫn chỉ nhờ vào vào nhiệt độ, mà không có những dạngkích thích khác. Phương trình ( 1.3 ) sẽ không đúng so với những chất bán dẫn khi có những kích thíchngoài như : điện áp, dòng điện hay kích thích bằng ánh sáng. 1.3 ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA BÁN DẪN SILICON NGUYÊN CHẤT.a ) Dòng trôi trong những chất bán dẫn. Điện trở suất : và đại lượng nghích đảo của điện trở suất làđiện dẫn suất [ conductivity ] : làđặc trưng của dòng điện chảy trong vật tư khi có điện trường đặt vào. Dưới công dụng của điệntrường, những hạt tích điện sẽ vận động và di chuyển hoặc trôi [ drift ] và tạo thành dòng điện được gọi là dòngtrôi [ drift current ]. Mật độ dòng trôiđược định nghĩa như sau : Qvj = ( C / cm ) ( cm / s ) = A / cm ( 1.4 ) trong đó : là tỷ lệ điện tích ; là tốc độ của những điện tích trong điện trường. Để tính tỷ lệ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể silicon bằng cách sử dụng cả haimô hình link đồng hóa trị và quy mô vùng nguồn năng lượng trong những chất bán dẫn. Đối với tốc độ của những hạt tải điện dưới công dụng của điện trường ta phải xét độ linh động củacác hạt tải điện. b ) Độ linh động. [ mobility ] Như trên đã xét, những hạt tải điện trong những chất bán dẫn chuyển dời dưới tính năng của điện trường

Source: https://vh2.com.vn
Category : Điện Tử