Vật liệu bán dẫn

1/38
Lession 2 : Semiconductor
Vật liệu bán dẫn
2/38
1.1 Những tính chất cơ bản
1.2 Nồng ñộ hạt dẫn
3/38
1.1 Những tính chất cơ bản
Si - Silic (Silicon), Ge - Gcmani (Germanium) : bán dẫn ñơn chất
GaAs - Gali Asenic (Gallium Arsenide) : bán dẫn hợp chất
4/38
5/38
Cấu trúc vùng năng lượng của vật
rắn
.
Hình 1: Cấu tạo của nguyên tử
6/38
• ðiện tử ở những quỹ ñạo lượng tử xác
ñịnh, nó quay quanh hạt nhân nhờ sự cân
bằng giữa 2 lực:
- Lực ñiện giữa ñiện tích (-) của ñiện tử và
ñiện tích (+) của hạt nhân .
- Lực hấp dẫn (lực hướng tâm) giữa 2 thực
thể có khối lượng là ñiện tử và hạt nhân.
7/38
8/38
Ký hiệu:
Wc là mức năng lợng đáy vùng dẫn
Wv là mức năng lợng đỉnh vùng hóa trị
Wg là độ lớn của vùng cấm
Cấu trúc năng lợng của vật rắn gồm ba vùng:

+ Vùng hóa trị với 0< W < Wv đợc cấu tạo bởi những
mức năng lợng sát ngoài cùng, đó là những mức đ bị
chiếm đầy tợng trng cho các điện tử nằm trong liên kết
đồng hoá trị bền vững, không có khả năng dẫn điện.
+ Vùng dẫn với W > Wc gồm những mức năng lợng của
lớp ngoài cùng trong đó còn nhiều mức trống, tại đây điện
tử có thể tự do dịch chuyển trong toàn bộ mạng tinh thể và
sẵn sàng tham gia dẫn điện khi có điện trờng.
+ Vùng cấm với Wv < Wg < Ec không có mức năng
lợng nào để điện tử có thể tồn tại đợc.
9/38
10/38
Các loại chất bán dẫn
Bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất
Ví dụ các nhóm dạng A
IV
B
IV
nh cácbit silic SiC
X
với tỉ lệ là
70,045%Si + 29,955%C, đợc dùng để chế tạo các điện trở có
trị số biến đổi theo điện áp (Varistor-VDR).
Hoặc nhóm hợp chất A
III
B
V
sự kết hợp một nguyên tử nhóm III
với một nguyên tử nhóm V nh AlP, GaP; GaAs; InAs; GaSb;
InSb, những bán dẫn này đợc dùng để chế tao ra các linh kiện

đặc biệt nh LED, LASER, Photodiot, phototransistor v.v
Nhóm hợp chất A
II
B
V
kết hợp nhóm II với nhóm V nh Sulfua
chì PbS; Sulfua Bismit Bi
2
S
3
; Sulfua Cadmi CdS có thể đợc
dùng sản xuất các dụng cụ cảm biến quang điện, ví dụ quang
trở R

11/38
Các dạng dẫn của bán dẫn
Dựa vào bản chất của các hạt tải điện (hay còn gọi là
hạt dẫn) mà ngời ta có thể chia ra thành 3 dạng dẫn
của bán dẫn:
- Nếu hạt tải điện gồm 2 loại hạt với số lợng bằng
nhau là điện tử và lỗ trống, đồng thời độ dẫn phụ
thuộc mạnh vào nhiệt độ thì đó là bán dẫn thuần (Bán
dẫn loại I viết tắt của từ Intrinsic).
- Nếu hạt tải điện chủ yếu là điện tử thì là bán dẫn dạng
N.
- Nếu hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống thì là bán dẫn
dạng P.
12/38
ChÊt b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn lo¹i
I)

• §é s¹ch cã thÓ ®¹t tíi 1 phÇn 10 tû trong 1cm
3
b¸n dÉn
(1/10.000.000.000)
• Si: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
• Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2
13/38
M¹ng tinh thÓ
14/38
Vïng n¨ng l−îng cña b¸n dÉn thuÇn
15/38
Với vật liệu bán dẫn loại Si, GaAs và Ge, độ lớn vùng
cấm nh sau:
Wg = 1,1eV (Si) ; Wg = 1,41eV (GaAs);
Wg = 0,67eV (Ge)
Đơn vị năng lợng tính bằng eV (electron Volt)
W = e x U (eV) ( 2-1)
Vì điện tích của điện tử e = 1,6 x 10
-19
C
nên 1eV = 1,6 x 10
-19
J ( 2-2)
Với nhiệt độ 25
0
C, trong 1cm
3
của Si thuần có khoảng
1,5 x 10
10

điện tử tự do, còn của Ge tơng ứng là 2,3
x 10
13
16/38
§iÖn tö vµ lç trèng trong b¸n dÉn
thuÇn
17/38
Nồng độ
Dựa vào hàm thống kê Fermi - Dirac ngời ta đ tính đợc
nồng độ điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị:
Trong đó:
- N
C
, N
V
là mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn và vùng
hoá trị.
- W
f
là mức Fermi
- K là hằng số Boltzman
=
1.3806504(24) ì 10
23
J/
o
K=18.617

343(15) ì105eV

/
o
K
- T là nhiệt độ tính bằng
0
K.
18/38
Bán dẫn loại N
Đa một lợng rất nhỏ một chất khác có hoá trị 5 (tức
là có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng) vào mạng tinh thể
của chất bán dẫn thuần nh chất Sb-(Antimoan), hoặc
As-(Asen), hoặc Ph-(Photpho)
điện tử tự do
Tạp chất loại này đợc gọi là tạp chất cho (Donor)
ở nhiệt độ trong phòng (25
0
C), số lợng điện tử tự do
của loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn 10
5
lần
bán dẫn thuần.
Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi là bán dẫn
loại N
19/38
B¸n dÉn lo¹i N
20/38
Bán dẫn loại P
Đa tạp chất có hoá trị 3 (tức là có 3 điện tử ở lớp
ngoài cùng) vào mạng tinh thể của bán dẫn, ví dụ chất
B-Bo (Boron), hoặc In-Indi (Indium), hoặc Al-Nhôm

(Aluminium), hoặc Ga- Gali (Gallium)
Mối liên kết cạnh mất một điện tử và mang điện tích
dơng, tức là hình thành một lỗ trống
Tạp chất để tạo nên hiệu ứng này có tên là tạp chất
nhận (Acceptor).
Loại bán dẫn có pha tạp chất Acceptor gọi là bán dẫn
loại P
21/38
B¸n dÉn lo¹i P
22/38
C¬ chÕ dÉn ®iÖn b»ng lç trèng
23/38
Hạt dẫn đa số và hạt dẫn thiểu số
Nếu ký hiệu n
i
và p
i
là nồng độ điện tử và lỗ
trống tơng ứng trong chất bán dẫn sạch thì
luôn luôn tồn tại sự cân bằng sau:
n
i
= p
i
Đối với hai loại bán dẫn N và P luôn thoả mn
bất đẳng thức: n
n
>> p
n
và p

p
>> n
p
.
consteNNpnpnpn
KT
Wg
vciippnn
=====


22
24/38
25/38
1.1 Những tính chất cơ bản
1.2 Nồng ñộ hạt dẫn