Bài Giảng Vật Lý Linh Kiện Và SenSor

BÀI GIẢNG VẬT LÝ LINH
KIỆN VÀ SENSOR

Tài liệu tham khảo
1) Giáo trình cảm biến – Phan Quốc Phương, Nguyễn
Đức Chiến.
2) Các bộ cảm biến trong Kỹ thuật đo lường – Lê Văn
Doanh, Phạm Thượng Hàn.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
A. Các khái niệm cơ bản về vật lý dụng cụ bán dẫn
 Dụng cụ bán dẫn được chế tạo từ vật liệu bán dẫn.
 Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ở những điều kiện
nhất định nó dẫn điện, ở những điều kiện khác lại
cách điện.
 Xét về đặc tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn có điện trở
suất nhỏ hơn vật liệu cách điện (điện môi) và lớn
hơn vật liệu dẫn điện (kim loại).
 Đặc điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn: điện trở suất
thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Có 2 loại:
• Bán dẫn có hệ số nhiệt α > 0: ρ khi nhiệt độ , và
ngược lại.
• Bán dẫn có hệ số nhiệt α > 0: ρ khi nhiệt độ , và
ngược lại.
 Mỗi loại vật liệu bán dẫn đều có một nhiệt độ giới
hạn. Ở những nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này, điện trở
suất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và
các sai hỏng của mạng tinh thể bán dẫn.
 Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hay hợp chất của
hai hay nhiều nguyên tố.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
I. Cấu trúc và mô hình năng lượng của bán dẫn

1. Cấu trúc
Trong chất rắn, các nguyên tử được bố trí rất khác nhau:
 Trong một số vật rắn, nguyên tử được bố trí lộn
xộn, không có qui luật: vật rắn không kết tinh.
 Trong một số vật rắn khác, các nguyên tử được bố
trí theo một qui luật nhất định tạo thành mạng tinh
thể: vật rắn kết tinh:
• Nếu các nguyên tử liên tục sắp xếp có qui luật
trong toàn bộ vật rắn: đơn tinh thể.
• Nếu sự sắp xếp các nguyên tử chỉ có qui luật
trong từng vùng của vật rắn: đa tinh thể.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Bán dẫn đơn chất thường được dùng để chế
tạo các dụng cụ bán dẫn hiện nay là Ge, Si
(nhóm IV).
 Bán dẫn hợp chất thường là A
III
B
V
, song hợp
chất được dùng phổ biến để chế tạo các dụng
cụ bán dẫn là GaAs, InP.
Nói chung, vật liệu bán dẫn là vật rắn kết tinh và
hầu hết có cấu trúc đơn tinh thể.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2. Mô hình năng lượng
 Theo cơ học lượng tử, vị trí của điện tử trong nguyên
tử được xác định bởi 4 số lượng tử:
• Số lượng tử chính: n = 1,2,3,…, n hay dùng
chữ tương ứng là K, L, M,…

• Số lượng tử quỹ đạo: ℓ = 0,1,2,3,…, (n-1) hay
dùng chữ s, p, d, g,…
• Số lượng tử từ: m = 0,

1,

2,…,

ℓ
• Số lượng tử spin: s =

½.
 Theo nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một
mức năng lượng khác nhau nghĩa là trong một nguyên
tử không thể tồn tại hai điện tử có cùng bốn số lượng
tử kể trên (nguyên lý loại trừ Pauli).
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Với khái niệm số lượng tử và nguyên lý Pauli, CHLT đã
giải thích được sự tồn tại của các mức năng lượng và sự
phân bố điện tử trong nguyên tử.
• Khi xét một nguyên tử độc lập thì điện tử trong nguyên
tử chuyển động như trong một hố thế năng.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
• Trong mạng tinh thể vật rắn, các nguyên tử nằm gần nhau
nên các điện tử lớp ngoài cùng của chúng phủ lên nhau,
làm các mức năng lượng tương ứng của các nguyên tử cô
lập tản rộng ra tạo thành các vùng năng lượng.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Có ba vùng năng lượng: vùng dẫn (1), vùng cấm (2) và
vùng hóa trị (3).

 Trong từng vùng năng lượng, các mức năng lượng có
thể bị chiếm đầy hoàn toàn, chiếm một phần hoặc bỏ
trống hoàn toàn.
 Độ rộng và vị trí của từng vùng năng lượng phụ thuộc
vào các loại vật rắn khác nhau.
 Độ rộng của vùng cấm xác định:
• Năng lượng cần thiết để điện tử bức khỏi liên kết
hóa học, tham gia vào quá trình tải điện,
• Độ dẫn tương đối của các loại vật liệu khác nhau
Nghĩa là vùng cấm là tiêu chuẩn phân biệt vật rắn là
vật liệu dẫn điện , bán dẫn hay cách điện.
Độ rộng của vùng cấm càng lớn thì độ dẫn càng kém.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nếu chỉ xét đến tính dẫn điện, ta có thể đơn giản cấu trúc
các vùng năng lượng như sau:
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Với kim loại: giữa vùng hóa trị và vùng dẫn không có
vùng cấm ngăn cách, mà tại đó là vùng bị chiếm đầy một
phần.
⇒ Khi dẫn điện, toàn bộ điện tử hóa trị có thể tham gia vào
thành phần dẫn điện.
 Với điện môi và bán dẫn: Ở nhiệt độ 0
0
K, giản đồ vùng
năng lượng của bán dẫn và của điện môi có dạng giống
nhau:
• Vùng hóa trị của chúng bị chiếm đầy hoàn toàn,
vùng dẫn bỏ trống.
• Giữa hai vùng này tồn tại một vùng cấm.
Độ rộng vùng cấm của bán dẫn < độ rộng vùng cấm của

điện môi (bán dẫn có độ rộng vùng cấm < 2eV).
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
3. Phân loại bán dẫn
Chất bán dẫn có hai loại:
- Bán dẫn thuần
- Bán dẫn tạp (tạp loại n và loại p)
a. Chất bán dẫn thuần (bán dẫn loại I)
Xét cấu tạo của nguyên tử của Silic và Germani:
• Silic có 14 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử
này xếp trên ba lớp.
• Ge có 32 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử này
xếp trên bốn lớp.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
⇒ Đặc điểm chung của Si và Ge: số điện tử trên lớp ngoài
cùng bằng nhau là 4 điện tử (hóa trị 4: thuộc nhóm IV
trong bảng tuần hoàn Mendeleep).
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Si
Ge
Bốn điện tử của mỗi nguyên tử
sẽ nối với bốn điện tử của bốn
nguyên tử xung quanh tạo thành
bốn mối nối làm cho các điện tử
liên kết chặt chẽ với nhau.
Sự liên kết này sẽ làm cho
các điện tử khó tách rời khỏi
nguyên tử để trở thành điện tử
tự do.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
 Trong khối bán dẫn thuần (tinh khiết), các nguyên tử

gần nhau sẽ liên kết nhau theo kiểu cộng hóa trị.
Do đó, chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn.
⇒ Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn không có khả năng dẫn
điện vì không có điện tử tự do.
Si
Mạng tinh thể của bán dẫn thuần
 Khi nhiệt độ tăng lên, một số rất ít điện tử ở vòng ngoài
có thể rời bỏ nguyên tử của mình và trở thành điện tử tự
do, sinh ra cặp điện tử lỗ trống.
⇒ Ở nhiệt độ bình thường, trong chất bán dẫn tinh khiết
chỉ có rất ít điện tử tự do; do đó, độ dẫn điện của nó rất
nhỏ.
 Ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt trong tinh thể bán
dẫn mạnh hơn và giải thoát một số lớn điện tử nên độ
dẫn điện của nó cũng lớn hơn nhiều.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nghĩa là ở nhiệt độ > 0
0
K, do thu được năng lượng
nhiệt, một số điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn
trở thành điện tử tự do, tham gia vào thành phần dẫn
điện.
⇒ Ở vùng hóa trị sẽ xuất hiện các lỗ trống tham gia vào
thành phần dòng điện.
Trong bán dẫn, điện tử và lỗ trống đều tham gia vào
thành phần dòng điện và chúng được gọi chung là hạt
dẫn.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Kết quả:

Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán
dẫn tinh khiết cần có năng lượng kích thích
đủ lớn E
kt
≥ E
g
.


Dòng điện trong chất bán dẫn tinh
khiết gồm hai thành phần tương đương
nhau do quá trình phát sinh từng cặp hạt
dẫn tạo ra (n
i
= p
i
).

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
b. Chất bán dẫn tạp
 Chất bán dẫn tạp loại n:
Pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân
loại tuần hoàn (có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng) như
Acsenic hay Phospho vào mạng tinh thể chất bán dẫn
thuần (10
10
đến 10
18
nguyên tử/cm

3
). Người ta gọi các
nguyên tử này là các nguyên tử tạp chất.
Vì vậy, các nguyên tử tạp chất thừa một điện tử vành
ngoài kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một
nguồn năng lượng yếu tạo nên một cặp ion dương tạp
chất – điện tử tự do.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Mạng tinh thể của Giản đồ vùng năng lượng
bán dẫn loại n của bán dẫn n
Ở điều kiện bình thường (25
0
C):
• Toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa.
• Ngoài ra, hiện tượng phát sinh hạt tải giống
như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra.
Chất bán dẫn pha tạp loại này gọi là bán dẫn
loại n.
Tạp chất gọi là tạp chất cho: donor.
Trên đồ thị vùng năng lượng, các mức năng
lượng ion tạp chất loại này phân bố bên trong
vùng cấm, nằm sát đáy vùng dẫn (khoảng cách cở
vài % eV), được gọi là mức donor.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Kết quả:
Trong mạng tinh thể:
- Tồn tại nhiều ion dương bất động,
- Dòng điện trong chất bán dẫn loại n gồm hai
thành phần không bằng nhau tạo ra:

Điện tử được gọi là loại hạt dẫn đa số
có nồng độ là n
n
,


Lỗ trống là loại hạt thiểu số có nồng
độ p
n
(n
n
>> p
n
).
 Chất bán dẫn tạp loại p
Pha tạp chất thuộc nhóm III ở bảng phân loại tuần hoàn
Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần, ta được
chất bán dẫn tạp loại p.
Nguyên tử tạp có ba điện tử hóa trị nên khi liên kết sẽ
có một liên kết bị khuyết, gọi đó là lỗ trống liên kết, có
khả năng nhận điện tử.
Khi nguyên tử tạp chất bị ion hóa sẽ sinh ra đồng thời
một cặp: ion tạp chất – lỗ trống tự do.
Tạp chất này nhận điện tử nên gọi là tạp chất nhận:
acceptor.
Mức năng lượng ion tạp chất loại p nằm trong vùng cấm
sát đỉnh vùng hóa trị, được goi là mức acceptor.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Mạng tinh thể của bán dẫn Giản đồ vùng năng lượng
loại p. của bán dẫn p.

Kết quả:
Trong mạng tinh thể chất bán dẫn tạp loại p:
- Tồn tại nhiều ion âm có tính chất định xứ từng
vùng.
- Dòng điện trong chất bán dẫn p gồm hai thành
phần không tương đương nhau:
 Lỗ trống được gọi là các hạt dẫn đa số có
nồng độ là p
p
,
 Điện tử là các hạt thiểu số có nồng độ là p
p
và
n
p
(p
p
>> n
p
).
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
II. Các chuyển tiếp
1. Chuyển tiếp P-N
Bán dẫn p và bán dẫn n tiếp xúc với nhau thì ở miền tiếp
xúc hình thành lớp chuyển tiếp p-n.
Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN