Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 5

Hiện tượng vận chuyển hạt mang điện TỔNG QUAN Trong chương trước, chúng ta đã xét bán dẫn ở trạng thái cân bằng và xác định mật độ electron và lỗ trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Hiểu biết về mật độ những hạt mang điện này giúp chúng ta hiểu biết về tính chất điện của vật liệu bán dẫn. Dòng chảy tổng cộng của electron và lỗ trống trong bán dẫn sẽ tạo ra dòng điện. Quá trình làm những hạt mang điện này di chuyển được gọi là sự vận chuyển. Trong chương này,...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 5 CHƯƠNG V Hiện tượng vận chuyển hạt mang đi ện TỔNG QUANTrong chương trư ớc, chúng ta đ ã xét bán dẫn ở trạng thái cân b ằng và xác đ ịnh mậtđộ electron và l ỗ trống trong vùng d ẫn và vùng hóa tr ị. Hiểu biết về mật độ nhữnghạt mang đi ện này giúp chúng ta hi ểu biết về tính chất điện của vật liệu bán dẫn.Dòng ch ảy tổng cộng của electron và l ỗ trống trong bán d ẫn sẽ tạo ra dòng điện.Quá trình làm nh ững hạt mang đi ện này di chuy ển được gọi là sự vận chuyển.Trong chương này, chúng ta s ẽ xem xét 2 cơ ch ế vận chuyển cơ bản trong tinh th ểbán dẫn: sự trội dạt–sự di chuyển của những hạt mang đi ện bởi trường điện, và sựkhuếch tán–sự di chuyển của hạt mang đi ện bởi gradient m ật độ. Nhân tiện, chúngta sẽ đề cập đến vấn đề gradient nhi ệt độ trong bán d ẫn cũng có th ể dẫn đến sự dichuyển của những hạt tải điện. Tuy nhiên khi kích thư ớt thiết bị bán dẫn ngày càngtrở nên nhỏ hơn, hiệu ứng này thư ờng được bỏ qua. Hiện tượng vận chuyển hạt tảiđiện là cơ sở cho việc xác đ ịnh đặc tuyến Vôn–Ampe của thiết bị bán dẫn. Trongtoàn chương này, chúng ta s ẽ giả sử rằng mặc dù sẽ có dòng electron và l ỗ trốngchuyển động do quá trình v ận chuyển, nhưng v ề thực chất, sự cân bằng nhiệt sẽkhông bị ảnh hưởng. Quá trình không cân b ằng sẽ được xem xét trong chương ti ếptheo.5.1| SỰ TRÔI DẠT CỦA HẠT TẢI ĐIỆNKhi điện trường đặt vào bán d ẫn sẽ tạo ra lực tác đ ộng lên electron và lỗ trống làmcho chúng chuy ển động có gia t ốc, miễn là có sẵn những trạng thái năng lư ợngtrong vùng d ẫn và vùng hóa tr ị. Sự di chuyển của điện tích bởi một trường điệnđược gọi là sự trôi dạt. Sự trôi dạt của những điện tích làm phát sinh dòng trôi dạt.5.1.1 Mật độ dòng trôi dạtNếu chúng ta có các điện tích dương mật độ ρ di chuyển với vận tốc trôi dạt trungbình là υd thì mật độ dòng trôi d ạt là: (5.1) J troi _ dat dở đây đơn v ị của Jtroi_dat là C/cm2-s hoặc amps/cm2. Nếu mật độ điện tích kh ối gâyra bởi các lỗ trống mang đi ện dương, th ì (5.2) J p |troi _ dat ( ep ) dpở đây Jp|troi_dat là mật độ dòng điện trôi dạt gây ra b ởi các lỗ trống và υdp là vận tốctrôi dạt trung bình c ủa lỗ trống. Phương trình chuyển động của lỗ trống mang đi ện dương dư ới tác dụng củađiện trường là m* a eE (5.3) F pở đây e là độ lớn của điện tích đơn v ị, a là gia tốc, E là cường độ điện trường, vàmp* là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống. Nếu cường độ điện trường là hằng số thìchúng ta suy ra v ận tốc sẽ tăng tuyến tính với thời gian. Tuy nhiên, nh ững hạtmang đi ện trong bán d ẫn còn va ch ạm với những nguyên t ử tạp chất bị ion hóa vànhững nguyên t ử mạng dao động nhiệt. Những sự dao động và tán xạ này làm thayđổi vận tốc của hạt. Khi một lỗ trống được gia tốc trong tinh th ể bởi trường điện, vận tốc tăng.Khi hạt mang đi ện va ch ạm với một nguyên t ử trong mạng tinh th ể, hạt sẽ mất mộtphần hay toàn b ộ năng lượng của nó. Hạt sẽ bắt đầu gia tốc và thu lại năng lư ợnglần nữa cho đến khi nó tham gia vào quá trình tán x ạ tiếp theo. Điều này được lặpđi lặp lại. Trong su ốt quá trình này, h ạt sẽ thu được vận tốc trôi d ạt trung bình t ỉ lệthuận với cường độ trường điện (trong trư ờng hợp điện trường yếu). Do đó, chúngta có thể viết (5.4) E dp pở đây µ p là hệ số tỉ lệ và được gọi là độ linh động của lỗ trống. Độ linh động là mộtthông số quan trọng của bán d ẫn bởi vì nó mô t ả mức độ chuyển động của hạt dướitác dụng của điện trường. Đơn vị của độ linh động thường được biễu diễn là cm2/V-s. Bằng cách k ết hợp (5.2) và (5.4), chúng ta có th ể viết mật độ dòng trôi d ạtbởi các lỗ trống là (5.5) J p |troi _ dat ( ep ) e pE dp pDòng trôi d ạt do các lỗ trống gây ra chuy ển động cùng hướng với điện trường. Tương t ự, đối với electron, chúng ta có th ể viết (5.6) J n |troi _ dat ( en ) dn dnở đây Jn|troi_dat là mật độ dòng trôi d ạt của electron và υdn là vận tốc trôi dạt trungbình của electron. Vận tốc trôi dạt trung bình c ủa electron c ũng tỉ lệ thuận với cường độ trườngđiện đối với trường điện yếu. Tuy n ...