Bài giảng vật liệu kỹ thuật Điện-Điện tử: Chương 2

Các khái niệm cơ bản về bán dẫn Vùng năng lượng trong chất rắn Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử. Trong vật rắn tinh thể các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giống nhau. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập: không tương tác với nhau. Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng vật liệu kỹ thuật Điện-Điện tử: Chương 2BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 33 VẬT LIỆU BÁN DẪN (VLBD)CHƯƠNG 2:2.1 Các quá trình vật lý trong VLBD và các tính chất của chúng2.1.1 Các khái niệm cơ bản về bán dẫnVùng năng lượng trong chất rắnChất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử. Trong vật rắn tinh thểcác nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sátvấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giốngnhau. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập:không tương tác với nhau. Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho phép,giống như trong trường hợp chỉ có một nguyên tử đơn độc. Trong số các mức nănglượng đó có một số mức bị chiếm bởi electron. Ở trạng thái cơ bản electron chỉchiếm những mức năng lượng thấp nhất. Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗigiá trị lượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo . Khi khoảng cáchgiữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác vớinhau thì sự chuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhânnguyên tử của nó mà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinhthể. Khi có 2 nguyên tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron củahai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoảmãn nguyên lý Pauli hai electron phải ở hai trạng thái khác nhau, do đó mỗi mứcnăng lượng cũ bây giờ bị tách thành 2 mức năng lượng. Nếu hệ chứa N nguyên tửthì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức. Các mức nàyrất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép. Trong 1 cm3 có khoảng 1022nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ tách thành 1 số rất lớn, mà độ rộng của mộtvùng năng lượng khoảng một vài eV, do đó khoảng cách giữa các mức nhỏ trongvùng năng lượng khoảng 10-22eV, có thể nói sự biến thiên năng lượng trong mộtvùng năng lượng gần như liên tục. Giữa các vùng năng lượng là các vùng trống (gọilà vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ trạng thái nào của electron.Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1 mứctăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép. Những electron ở vòng quĩ đạongoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất, do đó có vùng năng lượng rộngnhất. Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng nănglượng hẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử côlập. (Hình 2.1)Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử tức làphụ thuộc vào cấu trúc tinh thể.Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụ thuộcvào độ lớn nguyên tử.Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùngnăng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm.Chương 2: VẬT LIỆU BÁN DẪNBÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang 34 Vùng năng lượng phủ lên nhau Vùng năng lượng cách xa nhau Electron trong cùng Hình 2.1 Sự hình thành vùng năng lượng trong chất rắnCấu trúc vùng năng lượng trong VLBDCác vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏtrống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơnquyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầyvà vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn khôngđược điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượngcao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện.Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV,do vậy các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện. Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điệnnhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1 eV. Ở 00K chúng là chất cách điện. Ởnhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn đểchuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sựdẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồngthời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống (Hình 2.2). Hình 2.2 Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD. : Electron tự do trong vùng dẫn : Lỗ trống trong vùng hóa trịDo đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấpđầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trống mang điện tíchdương.Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng của electron đứng yên hay chínhlà thế ...