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

Bài giảng "Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 3 - Phạm Thành Chung" được biên soạn bao gồm các nội dung kiến thức về: Giới thiệu chung về vật liệu bán dẫn; Bán dẫn tinh khiết; Bán dẫn tạp chất; Tiếp giáp P-N;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 3 - Phạm Thành Chung Chương 3. Vật liệu bán dẫn Giới thiệu chungVật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng nằm giữa hai loại vật liệu cáchđiện và dẫn điện:- Vùng hóa trị của bán dẫn hoàn toàn được lấp đầy điện tử- Độ rộng của vùng trống tương đối hẹp ( 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 khiếtKhi đặt dưới điện áp trong bán dẫn tinh khiết xuất hiệnmột dòng điện chạy qua nó. Quá trình dẫn điện do cảhai loại điện tích điện tử và lỗ trống tạo nên. Dòngđiện tổng cộng chạy trong chất bán dẫn được viết dướidạng: 59Chương 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 trênmột 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 1,06 0,67 Độ linh động của điện tử (μe), m2/Vs 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 2,4.1019 Điện trở suất (ρ), Ω.m 2300 0,46 Mật độ vật chất, g/cm3 2,33 5,32 60Vật liệu bán dẫn – Silicon (Si)Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãitrong các thiết bị điện, điện tử hàngngày như máy tính cá nhân, TV, điệnthoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số,thẻ IC, vv…Vật liệu bán dẫn được sử rộngdãi nhất trong ngành công nghiệp bándẫn là Silic (ký hiệu hóa học = Si). Silic lànguyên tố phổ biến thứ hai trên trái đấtsau oxy. Hầu hết Silic được tìm thấytrong đất và đá, nhưng nó cũng đượcchứa trong nước tự nhiên, cây cối vàthực vật.Cấu trúc đơn tinh thể là một cấu trúc trong đó các nguyên tử được sắp xếp một cách trậttự trong không gian ba chiều, các đơn vị cơ bản trong cách sắp xếp này được gọi là mạngtinh 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 mộtnguyên tố rất phổ biến, và thường được sử dụng làm nguyên liệu chất bán dẫn vì cấutrúc ổn định của nó 61Chương 3. Vật liệu bán dẫn2. Bán dẫn tạp chất Do mật độ điện tích trong bán dẫn tinh khiết nhỏ, dòng điện chạy trongnó cũng nhỏ nên ứng dụng của chúng rất hạn chế, vì thế bán dẫn tạp chấtđã ra đời. Bán dẫn tạp chất có thành phần là chất bán dẫn tinh khiết có trộn thêmmột loại tạp chất còn gọi là chất kích thích (doping) để tăng đặc tính điệncủa nó. Có hai loại bán dẫn tạp chất là bán dẫn tạp chất loại n và bán dẫn tạpchất loại p 62 Loại N Loại P Phân bố năng lượng trong chất bán dẫn loại n Phân bố năng lượng trong•Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị lớn chất bán dẫn loại phơn số điện tử hóa trị (4) của chất bán dẫn •Tạp chất trộn vào có số điện tử hóa trị nhỏtinh khiết (Germani (Ge) hoặc Silic (Si)). hơn số điện tử hóa trị (4) của chất bán dẫn•Tạp chất loại này gọi là chất cho (donor) vì nó tinh khiết.cho chất bán dẫn điện tử dẫn mà không tạo •Tạp chất loại này cho chất bán dẫn lỗ trống.thành lỗ trống mới ở vùng hóa trị. •Tạp chất dùng để tạo loại bán dẫn này thường•Tạp chất loại n thường là antimony (Sb), là brom, nhôm, gallium và indium (Br, Al, Ga,In)arsenic (As) hoặc phosphorous (P) 63 Chương 3. Vật liệu bán dẫn 3. Tiếp giáp P-NMột tiếp giáp P-N sau thời điểm ban đầu t0 gần bằng 0giây, các electron tự do trong chất ...