Chương 1: Vật liệu bán dẫn

Chất bán dẫn là những nguyên tố có 4 điện tử ở lớp hoá trị. Bởi vì số lượng các điện tử ởlớp hóa trị của các chất bán dẫn nằm giữa 1 (đối với chất dẫn điện hoàn toàn) và 8 (đối vớichất cách điện), nên nguyên tố bán dẫn là chất dẫn điện không tốt và cũng là chất cách điệnkhông tốt.Có 3 vật liệu bán dẫn thường được sử dụng nhất là Silicon (Si), Germanium (Ge) vàCarbon (C), các nguyên tố này được trình bày ở hình 1.2. Các chất bán dẫn như Silicon vàGermanium thường được...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 1: Vật liệu bán dẫnChương 1: Vật liệu bán dẫn Taâmnhct10 CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU BÁN DẪNI. Chất bán dẫn.1. Chất bán dẫn thuần Theo lý tính vật liệu chia làm ba dạng: kim loại, bán dẫn và điện môi. Hình 1.1: Mức năng lượng của vùng dẫn và vùng hóa trị của chất điện môi, bán dẫn vàkim loại. Chất bán dẫn là những nguyên tố có 4 điện tử ở lớp hoá trị. Bởi vì số lượng các điện tử ởlớp hóa trị của các chất bán dẫn nằm giữa 1 (đối với chất dẫn điện hoàn toàn) và 8 (đối vớichất cách điện), nên nguyên tố bán dẫn là chất dẫn điện không tốt và cũng là chất cách điệnkhông tốt. Có 3 vật liệu bán dẫn thường được sử dụng nhất là Silicon (Si), Germanium (Ge) vàCarbon (C), các nguyên tố này được trình bày ở hình 1.2. Các chất bán dẫn như Silicon vàGermanium thường được dùng trong công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn, còn Carbonđược dùng chủ yếu để chế tạo các điện trở chuẩn. Hình 1.2: Cấu trúc nguyên tử của a. germanium; b.silicon. 1Chương 1: Vật liệu bán dẫn • Đặc điểm của chất bán dẫn thuần: Chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể lí tưởng không có sự tham gia củanguyên tố khác (ngoại lai). Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn luôn luôn có 4 nguyên tử kếcận liên kết với nguyên tử đó, tạo thành liên kết cộng hóa trị, vì vậy nguyên tử luôn đạt trạngthái bảo hòa. Sự liên kết giữa các nguyên tử với nhau này làm cho điện tử khó tách rời khỏinhân của chúng. Với cấu trúc như vậy nên tại nhiệt độ 00K (-2730C) chất bán dẫn thuần hoàntoàn cách điện. (a) (b) Hình 1.3: a.Cấu trúc tinh thể đơn của Ge và Si; b. cấu trúc mạng tinh thể của Si Hạt dẫn điện tự do chỉ xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ xác định cho từng chất bán dẫn( hay nói cách khác mỗi chất bán dẫn chỉ có khả năng dẫn điện ở điều kiện thích hợp riêngcủa nó). Khi chất bán dẫn được cung cấp năng lượng điện tử trong nguyên tử dao động đủphá vỡ mối liên kết hoá học trở thành điện tử tự do (electron) chuyển động khắp tính thể bándẫn để lại lỗ trống cho nguyên tử. Theo nguyên tắc liên kết hóa học, điện tử của nguyên tửbên cạnh có xu hướng thay thế lỗ trống vừa xuất hiện và cũng để lại cho nguyên tử mình lỗtrống. Như vậy lỗ trống liên tục được đổi vị trí khắp chất bán dẫn nên cũng được gọi là lỗtrống tự do (hole). Đối với chất bán dẫn thuần khiết lượng hạt dẫn điện tử và lỗ trống tự dobằng nhau. Nếu nồng độ hạt dẫn điện tử là n và lỗ trống là p, ta có n = p.2. Chất bán dẫn tạp chất: Nguyên tố silicon và germanium nguyên chất là các nguyên tố dẫn điện kém. Điều nàyphụ thuộc vào số lượng các electron của lớp hóa trị, liên kết hóa trị, và các vùng năng lượnggián đoạn tương đối lớn. Chính vì sự dẫn điện kém nên các nguyên tố silicon và germaniumnguyên chất ít được sử dụng. Chất bán dẫn tạp chất là chất bán dẫn thuần có pha thêm các nguyên tố tạp chất, cácnguyên tố tạp chất này được pha vào các nguyên tố silicon hoặc germanium nguyên chất đểcải tiến tính dẫn điện của chất bán dẫn. Hai tạp chất dùng để pha trộn có hóa trị 3 và hóa trị 5. Nguyên tố hóa trị 3 nguyên tố hóa trị 5 Aluminum (Al) Phosphorus (P) Gallium (Ga) Arsenic (As) Boron (B) Antimony (Sb) Indium (In) Bismuth (Bi)a. Chất bán dẫn loại n: 2Chương 1: Vật liệu bán dẫn Khi các tạp chất hóa trị 5 được trộn vào nguyên tố silicon hoặc germanium, kết quả dư 1điện tử trong các mối liên kết cộng hóa trị thấy rõ qua hình 1.4. Nguyên tố Sb hóa trị 5 đượcbao bọc xung quanh bởi 4 nguyên tố silicon. Các nguyên tố silicon sẽ liên kết hóa trị với cácnguyên tố của Sb. Tuy nhiên điện tử thứ 5 của nguyên tố Sb không thể liên kết với bất kỳnguyên tố silicon xung quanh. Chính vì thế điện tử thứ 5 của nguyên tố Sb chỉ cần được cungcấp 1 năng lượng rất nhỏ sẽ trở thành điện tử tự do đi vào vùng dẫn điện. Nếu hàng triệunguyên tố Sb được trộn với silicon hoặc germanium thì sẽ có hàng triệu điện tử không có liênkết hóa trị. Hình 1.4: Chất bán dẫn loại n với tạp chấtpha vào là nguyên tử Sb. Do có nhiều eletron nằm trong băng dẫn điện hơn các lỗ trống nằm trong vùng hóa trị củachất bán dẫn loại n. Các điện tử được gọi là các hạt tải đa số và các lỗ trống nằm ở lớp hóatrị được gọi là hạt tải tiểu số ( nn>> pn). Hình 1.5: Giản đồ năng lượng của chất bán dẫn loại n.b. Chất bán dẫn loại p: Khi các tạp chất hóa trị 3 được trộn vào nguyên tố silicon hoặc germanium, kết quả thiếu1 điện tử trong các mối liên kết cộng hóa tr ...