Kỹ thuật điện tử - Chương số 2

KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ2.1. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N2.1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chấta - Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này bị suy biến thành những dải gốm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kỹ thuật điện tử - Chương số 2 Chương 2 KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ2.1. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N2.1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chấta - Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là cácmức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này bị suybiến thành những dải gốm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng. Đâylà dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh thể. Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗhay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau:- Vùng hóa trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều đãbị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do.- Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bịchiếm chỗ một phần.- Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếmchỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0. Tùy theo vị trí tương đổi giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điệncủa mình, các. chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 00K) thể hiệntrên hình 2.1. Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng dẫn 0 < Eg £ 2eV Vùng cấm Eg Vùng Vùng hóa trị Vùng hóa trị Vùng hóa trị b) c) a) Hình 2.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng al Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện 0 < Eg £ 2eV; c) Chất dẫn điện Chúng ta đẫ biết, muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng thời:quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyểnđộng có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của trường. Dưới đây ta xéttới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạpchất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh (tạo) các hạt dẫn tự dotrong mạng tinh thể. 16b- Chất bán dẫn thuần Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có cấu trúcvùng năng lượng dạng hình 2.1b với Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV, thuộc nhóm bốnbảng tuần hoàn Mendeleep. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) của chúng códạng hình 2.2a với bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử hóa trị vành ngoài. Ở 0Kchúng là các chất cách điện. Khi được một nguồn năng lượng ngoài kích thích, xảy rahiện tượng ion hóa các nguyên tử nút mạng và sinh từng cặp hạt dẫn tự do: điện tửbứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại 1 liên kết bị khuyết (lỗ trống).Trên đố thị vùng năng lượng hình 2.2b, điều này tương ứng với sự chuyển điện tử từ1 mức năng lượng trong vùng hóa trị lên 1 mức trong vùng dẫn để lại 1 mức tự do(trống) trong vùng hóa trị. Các cặp hạt dẫn tự do này, dưới tác dụng của 1 trườngngoài hay một Gradien nồng độ có khả năng dịch chuyển có hướng trong lòng tinh thểtạo nên dòng điện trong chất bán dẫn thuần. Vïng dÉn Si Si Si ni + 1,12eV Si Si Si pi Si Si Si Vïng ho¸ trÞ b) a) Hình 2.2: a) Mạng tinh thể một chiều của Si. b) Cấu trúc vùng năng lượng Kết quả là: 1) Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lượng kích thíchđủ lớn Ekt ³ Eg 2) Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần tương đương nhau doqúa trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra (ni = Pi).c - Chất bán dẫn tạp chất loại n Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 5 bảng Mendeleep vàomạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng độkhoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3. Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một điện tửvành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dạng bị ion hóa nhờ một nguồn năng lượngyếu tạo nên một cặp ion dương tạp chất – điện tử tự do. Ngoài ra, hiện tượng phátsinh hạt dẫn giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xẩy ra nhưng với mức độyếu hơn. Trên đồ thị vùng năng lượng, các mức năng lượng tạp chất loại này (gọi làtạp chất loại n hay loại cho điện tử - Donor) phân bố bên trong vùng cấm, nằm sát đáyvùng dẫn ( khoảng cách vài % eV). ...