Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

Vật liệu bán dẫn

GVHD: Chu Việt Hà
SVTH: Quách Thị May
Lớp: Lý BK45


Những nội dung chính về vật liệu bán
dẫn:






Khái niệm vật liệu bán dẫn
Cấu trúc vùng năng lượng
Các loại bán dẫn
Lớp chuyển tiếp P-N
Ứng dụng của vật liệu bán dẫn


I. Khái niệm vật liệu bán dẫn
Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn
điện và cách điện. Chất bán dẫn hoạt động
như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có
tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng
10 20
1015
1010

Điện môi

105
100

10−5

10−10

Bán dẫn
Kim loại

Điện trở suất của
bán dẫn có giá trị
trung gian giữa
điện môi và kim
loại


II. Cấu trúc vùng năng lượng
Tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể lý giải nhờ
lý thuyết vùng năng lượng:
 Vùng
hóa trị:
năng
thấpcó
nhất
thang
Các chất
báncódẫn

có lượng
vùng cấm
mộttheo
độ rộng
năng
lượng,
này điện
liên
kết mạnh
với
xác định.
Ở vùng
0 ⁰K, chất
bán tử
dẫn
không
dẫn điện.
nguyên
tửnhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng
Khi tăng
lượng nhiệt, khi năng lượng mà các điện tử nhận
đượcdẫn:
thắng
được
năng lượng
lượng cao
vùngnhất,
cấmchất
thì điện
 Vùng

có
mức
năng
sẽ
tửkhả
sẽ nhảy
lên
vùng
dẫn
và điện
bán dẫn
trởtại
thành
chất
có
năng
dẫn
điện
khi
có
tử
tồn
trên
dẫn
điện.
Khi
nhiệt
độ
tăng,
mật

độ
điện
tử
trên
vùng
vùngnày
dẫn sẽ tăng theo. Sự phụ thuộc của điện
trở chất bán dẫn vào nhiệt độ:
 Vùng cấm: vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng
∆E g tồn tại
dẫn, vùng nàyRđiện
tử
không
= R0 exp(
)
2 k BT
⇒

với: R0 là hằng số, Eg là độ rộng vùng cấm.


II. Cấu trúc vùng năng lượng

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn


III. Các loại bán dẫn
1, Bán dẫn thuần (VD: Silic và Germanium)


Ở nhiệt độ thấp,
các electron hóa
trị gắn bó chặt
chẽ với các
nguyên tử ở nút
mạng nên không
có các eletron tự
do => Chúng là
chất cách điện


III. Các loại bán dẫn
Ở nhiệt độ cao, nhiệt
năng làm gãy một số
nối hóa trị. Các điện tử
ở các nối bị gãy rời xa
nhau và di chuyển
trong mạng tinh thể
dưới tác dụng của điện
trường. Khi năng
lượng này lớn hơn
năng lượng của dải
cấm, điện tử có thể
vượt dải cấm vào dải
dẫn điện và chừa lại
những lỗ trống=>
Chúng là chất dẫn điện


III. Các loại bán dẫn

Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn các
điện tử chuyển động ngược chiều điện
trường, các lỗ trống chuyển động cùng
chiều điện trường => gây nên dòng điện
trong chất bán dẫn
Hình 3: Sơ đồ mức năng lượng của bán dẫn ở nhiệt
độ thấp và nhiệt độ cao


III. Các loại bán dẫn
Nhận xét







Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch
chuyển có hướng của các eletron và lỗ trống.
Bán dẫn thuần có số electron bằng số lỗ trống.
Độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ
tăng và ngược lại
Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi có ánh
sáng thích hợp chiếu vào


III. Các loại bán dẫn
2, Bán dẫn tạp chất

a, Bán dẫn loại N
Khi pha thêm vào Si 1 chất có hóa trị V như P
Electron dư trong
nguyên tử P liên
kết yếu với nguyên
tử P dễ dàng tách
ra khỏi nguyên tử.
P
Si
Chất bán dẫn lúc
này thừa điện tử
và được gọi là bán
dẫn loại N


III. Các loại bán dẫn
2. Bán dẫn tạp chất
b, Bán dẫn loại P
Khi pha thêm vào Si 1 chất có hóa trị III như As

Si

As

Lỗ trống tạo nên do
nguyên tử As thiếu
một e liên kết với
một nguyên tử Si
lân cận. Bán dẫn
lúc này thiếu 1 điện

tử và được gọi là
bán dẫn loại P


III. Các loại bán dẫn
Nếu pha hai loại tạp
chất,xét
chẳng hạn như cả
Nhận
P và As vào bán dẫn Si thì bán dẫn này có
* Đối
bándẫn
dẫn loại
loại PNhoặc bán dẫn loại N,
thểvới
là bán
tùy
theo
tỉ lệ
giữavào
hai bán
loại dẫn
tạp chất.
- Tạp
chất
P pha
Si đã tạo thêm e
tự do mà không làm tăng số lỗ trống
 Như
cách

chọnlỗtạp
chấtlàvà
nồng
- E làvậy,
hạt bằng
tải điện
cơ bản,
trống
hạt
tải điện
độ tạp cơ
chất
pha vào bán dẫn, người ta có
không
bản
thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mình mong
* Đối với bán dẫn loại P
muốn. Đây chính là tính chất rất đặc biệt
-của
Tạpbán
chấtdẫn,
As pha
vào
bán
Si đã tạo
khiến
cho
nódẫn
có nhiều
ứngthêm lỗ

trống,
dụng. làm cho số lỗ trống nhiều hơn số e dẫn.
- Lỗ trống là hạt tải điện cơ bản e là hạt tải điện
không cơ bản



IV, Lớp chuyển tiếp P-N
1, Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N

N

+
+
+
+
+

r
Etx

-

P

Chỗ tiếp xúc 2
loại bán dẫn đã
hình thành lớp
chuyển tiếp P-N
Lớp này còn

được gọi là vùng
nghèo hạt tải
điện, gọi tắt là
vùng nghèo


IV, Lớp chuyển tiếp P-N
2, Dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N
Trường hợp phân cực thuậnUPN> 0:

r
E

-

N

P

r
Etx

I

+

Điện tử ở miền N cđ dễ
dàng hơn về phía P, lỗ
trống ở miền P cđ dễ
hơn về phía N. Ngăn

cản các hạt dẫn thiểu
số là điện tử ở P, lỗ
trống ở N khó dịch
chuyển hơn. Dòng điện
trong trường hợp này là
dòng điện thuận


IV, Lớp chuyển tiếp P-N
2, Dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N
a, Trường hợp
r phân cực ngược (UPN<0):

E

Ngăn cản chuyển động
củaPcác
mang
điện đa
Như vậy, Lớp chuyển tiếp
– Nhạt
dẫn
điện
số thúc
đẩy
chuyển động
tốt theo một
chiều
từ
P

sang
N.
Lớp
+ N P
của các hạt thiểu số gây
chuyển tiếp P –N có tính chỉnh lưu.
ra dòng điện rất nhỏ từ N
sang P gọi là dòng điện
r
ngược. Tăng E lên mức
Etx
nào đó quá lớn miền
chuyển tiếp bị phá vỡ =>
đánh thủng lớp tiếp giáp

-

I


IV, Lớp chuyển tiếp P-N
3. Đặc tuyến Vôn-ampe của lớp chuyển tiếp P-N:
mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp


IV, Lớp chuyển tiếp P-N
4, Hiện tượng đánh thủng
-

-

Hiện tượng đánh thủng là hiện tượng khi điện áp
ngược lớn, dòng lớn làm các e va chạm vào các
e cố định khác nên dòng điện tăng vọt, nghĩa là
tiếp xúc P-N dẫn điện được theo cả 2 chiều, phá
vỡ đặc tính chỉnh lưu của nó
Nguyên nhân đánh thủng có thể do điện hoặc do
nhiệt, do đó có 3 loại đánh thủng: đánh thủng về
điện, đánh thủng về nhiệt, đánh thủng về điệnnhiệt.


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
1, Làm các dụng cụ bán dẫn, chúng có ưu
điểm: Kích thước nhỏ, tiết kiệm được năng
lượng, chỉ cần nguồn hiệu điện thế thấp,
bền vững về mặt cơ học, thời gian sử dụng
được dài, …
_ Điốt bán dẫn
_ Trandito hay còn gọi là triot bán dẫn.
_ Nhiệt điện trở bán dẫn (rêdisto)
_ Quang điện trở bán dẫn (phôtôrêdistô)
_ Vi mạch điện tử


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
a, Điốt bán dẫn
 Là dụng cụ bán dẫn có lớp tiếp xúc p-n nên có
tính chất dẫn điện chủ yếu theo một chiều.
 Dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành
dòng điện một chiều, dùng trong mạch tách sóng

V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
2, Trandito bán dẫn
• Là dụng cụ bán dẫn cấu tạo từ ba phần có tính dẫn
điện khác nhau nên có hai lớp tiếp xúc p-n.
• Có hai loại Trandito
• Loại p-n-p: phần giữa là bán dẫn loại n, hai bên
là bán dẫn loại p.
• Loại n-p-n: phần giữa là bán dẫn loại p, hai bên
là bán dẫn loại n.
E

C
p

n

E

C

p

n

B
E

Trandito loaïi p-n-p

n

B
C

B

p

E

C

B
Trandito loaïi n-p-n


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

Một số loại trandito thường dùng hiện nay


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
c, Nhiệt điện trở bán dẫn
 Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc
mạnh của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ.
 Được chế tạo từ các chất bán dẫn khác nhau
như Ge, Si, Se, một số oxit kim loại,…
 Dùng trong các thiết bị đo nhiệt độ, khống chế

nhiệt độ từ xa, thiết bị báo cháy.


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

Một số hệ thống báo cháy có sử dụng nhiệt điện trở


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
d , Quang điện trở bán dẫn
 Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc của
điện trở bán dẫn vào cường độ ánh sáng chiếu
vào nó (hiện tượng quang điện bên trong).
 Được chế tạo từ Ge, Si, Se và một số bán dẫn
hợp chất như CdS, PbS,…
 Dùng trong các thiết bị kiểm tra và điều khiển tự
động.


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
e, Vi mạch điện tử
Là những vi mạch có kích thước rất nhỏ nhưng
chứa hàng trăm, hàng nghìn chi tiết khác nhau
( điốt, tradito, điện trở,…) thay thế cho các mạch
điện tử cồng kềnh.