Giáo trình Vật liệu điện, điện tử: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 2 của giáo trình "Vật liệu điện, điện tử" tiếp tục cung cấp cho học viên những nội dung về: vật liệu bán dẫn và tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn; vật liệu từ, vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng, vật liệu từ có công dụng đặc biệt;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Vật liệu điện, điện tử: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh Chương 4 VẬT LIỆU BÁN DẪN4.1. Khái niệm chung về bán dẫn4.1.1. Các khái niệm cơ bản về bán dẫn4.1.1.1. Vùng năng lượng trong chất rắn Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử. Trong vật rắntinh thể các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảosát vấn 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 chỉ chiếmnhững mức năng lượng thấp nhất. Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗi giá trịlượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo. Khi khoảng cách giữa cácnguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác với nhau thì sựchuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử của nómà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Khi có 2 nguyêntử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đó chịuảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli haielectron phải ở hai trạng thái khác nhau. Do đó, mỗi mức năng lượng cũ bây giờ bịtách thành 2 mức năng lượng. Nếu hệ chứa N nguyên tử thì mỗi mức năng lượng trongnguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức. Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng nănglượng cho phép. Trong 1cm3 có khoảng 1022 nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ táchthành 1 số rất lớn, mà độ rộng của một vùng năng lượng khoảng một vài eV. Do vậy,khoảng cách giữa các mức nhỏ trong vùng năng lượng khoảng 10-22eV, có thể nói sựbiến thiên năng lượng trong một vùng năng lượng gần như liên tục. Giữa các vùngnăng lượng là các vùng trống (gọi là vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳtrạng thái nào của electron. Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1mức tăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép. Những electron ở vòng quĩđạo ngoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất. Vì vậy, có vùng năng lượng rộngnhất. Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng lượnghẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cô lập. Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tửtức là phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể. Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụthuộc vào độ lớn nguyên tử. Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì cácvùng năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm.4.1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần haybỏ trống. 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 đầy vàvùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được 92điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơntrở 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 vàieV. 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 cáchđiện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1eV. Ở 00K chúng là chất cách điện. Ởnhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyểnlên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sự dẫn điện củakim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ởvùng hóa trị các lỗ trống.  - Electron tự do trong vùng dẫn  - Lỗ trống trong vùng hóa trị Hình 4-1. Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống đểlấp đầy 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 haychính là thế năng của electron. Do đó, đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng củaelectron, tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống. Nếu electronở mức năng lượng cao hơn WC hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thìcác electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng củachúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị. Hình 4-2. Đáy ...