bài giảng điện tử đại cương về vật liệu bán dẫn

Chủ đề: Vật liệu
bán dẫn
Họ và tên: Trần Thị Thu Hoài
Lớp: Lý k51


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


I. Khái niệm
Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất
dẫn điện và chất cách điện.
Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách
điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt
độ phịng10
20

1015
1010

10

Điện
mơi

5

100

10 5

10 10

Kim
loại

Bán
dẫn

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


II. Cấu trúc vùng năng lượng

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





Tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể lý giải nhờ lý
thuyết vùng năng lượng:

Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác
định. Ở 0 ⁰K, chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng
nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt,
khi năng lượng mà các điện tử nhận được thắng được
năng lượng vùng cấm thì điện tử sẽ nhảy lên vùng dẫn
và bán dẫn trở thành chất dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng,
mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ tăng theo. Sự phụ
thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ:
E g
R R0 exp(
)
2 k BT
với: R0 là hằng số, Eg là độ rộng vùng cấm.


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 ngun tử ở nút
mạng nên khơng có
các eletron tự do
=> Chúng là chất
cách điện


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


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


2, Bán dẫn tạp chất
a, Bán dẫn loại N
- Khi pha các nguyên tố có 5 điện tử hóa trị ( As,P…) vào
mạng tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết thuộc nhóm 4 (Si,
Ge,…), thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn
điện chủ yếu bằng điện tử ( hạt đa số) gọi là chất bán dẫn
tạp chất loại N.
Electron dư trong

Si

P

nguyên tử P liên kết

yếu với nguyên tử P
dễ dàng tách ra khỏi
nguyên tử. Chất bán
dẫn lúc này thừa điện
tử và được gọi là
bán dẫn loại N


b, Bán dẫn loại P
Nếu pha các nguyên tố thuộc nhóm 3 điện tử hóa trị (Al,
Ga, B…) vào mạng tinh thể Si sẽ xuất hiện các liên kết
ghép đôi bị khuyết ( lỗ trống). Chỉ cần kích thích một
năng lượng đủ nhỏ, các nguyên tử tạp chất sẽ bị ion hóa
tạo nên các ion âm ( nhận điện tử) và các lỗ trống.

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


Nhận xét
Đối với bán dẫn loại N

 Tạp chất P pha vào bán dẫn Si đã tạo thêm e tự do mà
không làm tăng số lỗ trống
 e là hạt tải điện cơ bản, lỗ trống là hạt tải điện không
cơ bản
Đối với bán dẫn loại P
 Tạp chất As pha vào bán dẫn Si đã tạo thêm lỗ trống,
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


 Nếu

pha hai loại tạp chất, chẳng hạn như cả P và As
vào bán dẫn Si thì bán dẫn này có thể là bán dẫn
loại P hoặc bán dẫn loại N, tùy theo tỉ lệ giữa hai
loại tạp chất.
 Như vậy, bằng cách chọn tạp chất và nồng độ tạp
chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn
thuộc loại mình mong muốn. Đây chính là tính chất
rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng
dụng.


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


2, Dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N
a. Trường hợp phân cực thuận( UPN> 0):

Chuyển tiếp P-N phân cực thuận và đồ thị năng lượng của nó.


b. Trường hợp phân cực ngược (UPN<0):

Chuyển tiếp P-N phân cực ngược và đồ thi năng lượng của nó


Như vậy, dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N mắc
theo chiều thuận có cường độ lớn, dịng điện qua
lớp chuyển tiếp P-N mắc theo chiều ngược có
cường độ rất nhỏ. Lớp chuyển tiếp P-N dẫn điện
tốt theo một chiều, từ P sang N. Lớp chuyển tiếp
P- N có tính chất chỉnh lưu.


V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
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, …

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


b, Transistor bán dẫn
• Là dụng cụ bán dẫn cấu tạo từ ba lớp bán dẫn ghép với
nhau hình thành hai lớp tiếp giáp p-n.
• Có hai loại Transistor
• 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


Một số loại trandito thường dùng hiện nay


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.


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


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.


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.