Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 3 - Phạm Thành Chung

Chương 3. Vật liệu bán dẫn
Giới thiệu chung
Vật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng nằm giữa hai loại vật liệu cách
điện và dẫn điện:
- Vùng hóa trị của bán dẫn hoàn toàn được lấp đầy điện tử
- Độ rộng của vùng trống tương đối hẹp (<2eV). Do đó các điện tử nằm trong
vùng hóa trị dễ dàng bị kích thích để di chuyển lên vùng dẫn để vật liệu trở
thành dẫn điện.

58


Chương 3. Vật liệu bán dẫn
1. Bán dẫn tinh khiết
Trong chất bán dẫn tinh khiết:
- Mỗi khi e di chuyển lên vùng dẫn để tham gia quá
trình dẫn điện sẽ để lại sau nó 1 lỗ trống trong vùng
hóa trị.
- Lỗ trống cư xử như 1 ion +
- Dưới tác dụng của E, e -> phải và h -> trái
- Hiện tượng này gọi là dẫn điện bằng lỗ trống (hole
conduction)
- Số lượng e ne = nh
Điện dẫn của bán dẫn tinh khiết
Khi đặt dưới điện áp trong bán dẫn tinh khiết xuất hiện
một dịng điện chạy qua nó. Q trình dẫn điện do cả
hai loại điện tích điện tử và lỗ trống tạo nên. Dòng
điện tổng cộng chạy trong chất bán dẫn được viết dưới
dạng:
59

Chương 3. Vật liệu bán dẫn
Do J=nqv, nên công thức trên có thể viết lại thành:
Do trong chất bán dẫn tinh khiết số điện tử và số lỗ trống bằng nhau nên ne=nh=n,
Sử dụng định luật Ohm ta có:
Vì độ linh động μ của điện tích được đo bằng vận tốc có hướng của điện tích trên
một đơn vị điện trường:
Vì vậy điện dẫn của bán dẫn được viết dưới dạng:
Một số tính chất vật lý của Si và Ge ở nhiệt độ phòng
Tên bán dẫn

Si (silicon)

Ge (germani)

Độ rộng vùng trống, eV
Độ linh động của điện tử (μe), m2/Vs

1,06

0,67

0,135

0,39

Độ linh động của lỗ trống (μh), m2/Vs

0,048

0,19

Mật độ điện tích (n), /m3

1,5.1016

Điện trở suất (ρ), Ω.m
Mật độ vật chất, g/cm3

2300

0,46

2,33

5,32

2,4.1019

60


Vật liệu bán dẫn – Silicon (Si)
Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi
trong các thiết bị điện, điện tử hàng
ngày như máy tính cá nhân, TV, điện
thoại thơng minh, máy ảnh kỹ thuật số,
thẻ IC, vv…Vật liệu bán dẫn được sử rộng
dãi nhất trong ngành công nghiệp bán
dẫn là Silic (ký hiệu hóa học = Si). Silic là

nguyên tố phổ biến thứ hai trên trái đất
sau oxy. Hầu hết Silic được tìm thấy
trong đất và đá, nhưng nó cũng được
chứa trong nước tự nhiên, cây cối và
thực vật.
Cấu trúc đơn tinh thể là một cấu trúc trong đó các nguyên tử được sắp xếp một cách trật
tự trong không gian ba chiều, các đơn vị cơ bản trong cách sắp xếp này được gọi là mạng
tinh thể. Một đơn tinh thể là một mạng tinh thể trong một trật tự, sắp xếp liên tục.
Mạng tinh thể của Silic có cấu trúc lập phương giống cấu trúc tinh thể của kim cương,
trong đó mỗi nguyên tử Silic được liên kết với bốn nguyên tử silic gần nhất. Silic là một
nguyên tố rất phổ biến, và thường được sử dụng làm nguyên liệu chất bán dẫn vì cấu
trúc ổn định của nó
61


Chương 3. Vật liệu bán dẫn
2. Bán dẫn tạp chất
 Do mật độ điện tích trong bán dẫn tinh khiết nhỏ, dịng điện chạy trong
nó cũng nhỏ nên ứng dụng của chúng rất hạn chế, vì thế bán dẫn tạp chất
đã ra đời.
 Bán dẫn tạp chất có thành phần là chất bán dẫn tinh khiết có trộn thêm
một loại tạp chất cịn gọi là chất kích thích (doping) để tăng đặc tính điện
của nó.
 Có hai loại bán dẫn tạp chất là bán dẫn tạp chất loại n và bán dẫn tạp
chất loại p

62


Loại N

Phân bố năng lượng trong
chất bán dẫn loại n

•Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị lớn
hơn số điện tử hóa trị (4) của chất bán dẫn
tinh khiết (Germani (Ge) hoặc Silic (Si)).
•Tạp chất loại này gọi là chất cho (donor) vì nó
cho chất bán dẫn điện tử dẫn mà không tạo
thành lỗ trống mới ở vùng hóa trị.
•Tạp chất loại n thường là antimony (Sb),
arsenic (As) hoặc phosphorous (P)

Loại P

Phân bố năng lượng trong
chất bán dẫn loại p

•Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị nhỏ
hơn số điện tử hóa trị (4) của chất bán dẫn
tinh khiết.
•Tạp chất loại này cho chất bán dẫn lỗ trống.
•Tạp chất dùng để tạo loại bán dẫn này thường
là brom, nhôm, gallium và indium (Br, Al, Ga,In)
63


Chương 3. Vật liệu bán dẫn
3. Tiếp giáp P-N

Một tiếp giáp P-N sau thời điểm ban đầu t0 gần bằng 0
giây, các electron tự do trong chất bán dẫn loại N đã di
chuyển, hoặc khuếch tán, sang chất bán dẫn loại P làm đầy
lỗ trống, điều này làm tăng điện tích dương trong vùng N
và tăng điện tích âm trong vùng P. Quá trình khuếch tán
này xảy ra rất nhanh và có thể được coi là tức thời.
Một tiếp giáp P-N ở trạng thái cân bằng

•Kết quả của sự khuếch tán electron từ vùng N đến vùng P tạo
ra vùng trống, đó là một vùng trống (khơng có) điện tích.
•Thế năng rào chắn được tạo ra tại giao diện của tiếp giáp P-N
•Nhưng nếu chúng ta áp dụng một điện áp cho nó, hai điều có
thể xảy ra:
• Dịng điện xuất hiện nếu chúng ta phân cực thuận
• Khơng có dòng điện nào nếu chúng ta phân cực
ngược cho tiếp giáp P-N.
64


Chương 3. Vật liệu bán dẫn
3. Tiếp giáp P-N

4. Ứng dụng

Phân cực thuận

Phân cực ngược

Đầu tiên chúng ta cần biết được ký hiệu của Transistor NPN :
Base ký hiệu là B hay còn gọi là cực Nền

Emitter ký hiệu là E hay còn gọi là cực Phát
Collector ký hiệu là C hay cịn gọi là cực Thu
Transistor NPN có 3 lớp N – P – N với cực B tương ứng với P nằm ở giữa còn E và C là hai
cực nằm hai bên tương ứng với N.
Nguyên lý hoạt động của Transistor PNP tương tự như NPN nhưng cực tính của PNP
ngược lại với NPN.
Sử dụng trong các mạch khuyếch đại
65


Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều
từ anode sang cathode. Theo ngun
lý dịng điện chảy từ nơi có điện thế
cao đến nơi có điện thế thấp, muốn
có dịng điện qua điốt theo chiều từ
nơi có điện thế cao đến nơi có điện
thế thấp, cần phải đặt ở anode một
điện thế cao hơn ở cathode.
Nếu Diode cịn tốt thì nó khơng dẫn điện theo chiều ngược cathode sang anode.
Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn.
Mọi điốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá
lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng
nhanh và đốt cháy điốt. Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:
•Dịng điện thuận qua điốt không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất
cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định).
•Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của điốt,
cũng do nhà sản xuất cung cấp).
66

- Dòng phân cực ngược rất nhỏ, nhưng khi điện
áp ngược đặt trên chuyển tiếp PN tăng vượt qua
một giá trị nhất định dịng ngược sẽ tăng đột
ngột – đó là hiện tượng đánh thủng.

67


Semiconductors in Solar Cells
•Để pin mặt trời hoạt động, loại n tiếp xúc với ánh sáng trong khi loại p thì khơng
•Tại điểm nối, các electron chảy từ n -> p, thiết lập một dải điện áp trên vùng trống, cuối
cùng sẽ ngăn cản dịng điện tử tiếp theo.
•Khi một photon tác động lên một e trong vùng trống, nó sẽ được giải phóng và đẩy về
phía lớp n bằng điện trường E.
•Điều này tạo ra sự khác biệt điện áp giữa các lớp loại n & p.
•Kết quả là, e-thừa trong loại n chảy vào các tiếp điểm điện được tạo bởi lưới kim loại mịn
và thông qua một mạch bên ngoài để đến lớp loại p để bổ sung cân bằng điện tử tổng thể

68