Vật lý - Bài 7: Các chất bán dẫn điện

Baøi 7 NuoNuoââii ññônôn ttiinhnh thetheåå GeGe I.I. CaCaùùcc cchahaáátt babaùùnn ddaaãnãn ññieieäänn Ñònh nghóa § Chaát baùn daãn laøcaùc chaát coùñoäñoädaãn ñieän σ naèm trong khoaûng töø 10-10 Ω-1 cm-1 ( ñieän moâi) ñeán 104 ÷ 106 Ω-1 cm-1 ( kim loaïi) §σ cuûa chaát baùn daãn phuïthuoäc nhieàu vaøo caùc yeáu toábeân ngoaøi nhönhieät ñoä,aùp suaát,ñieän tröôøng,töøtröôøng,taïp chaát... Taïp chaát laøm thay ñoåi raát nhieàu ñoädaãn ñieän cuûa caùc chaát baùn daãn Pha taïp chaátBovaøo tinh theåSi theo tyûleä1 : 105 laøm taêng ñoädaãn ñieän cuûa Si leân1000laàn ôûnhieät ñoäphoøng. Söïphuïthuoäc cuûa ñieän trôûsuaát ρ (Ωcm)cuûa Si vaøGaAs vaøo noàng ñoätaïp chaát ôû300K Noàng ñoä Si GaAs taïp chaát N P N P ( cm-3) 5 7 ni 2.10 7.10 1014 40 180 12 160 1015 4,5 12 0,9 22 1016 0,6 1,8 0,2 2,3 1017 0,1 0,3 9.10-3 0,3 1018 2,5.10-2 6,2.10-2 2,1.10-3 3,5.10-2 -3 -2 2,9.10-4 8,0.10-3 1019 6.10 1,2.10 Söïphuïthuoäc cuûa ñieän trôûsuaát vaøo noàng ñoätaïp chaát Söïphuïthuoäccuûañieäntrôûvaøonhieätñoä • Kim loaïi :Ñieän trôûsuaát phuïthuoäcnhieätñoägaànnhötuyeántính ρT = ρo[1+αT (T −To )] o vôùi ρT = ñieän trôûsuaát ôûnhieät ñoäT ( C) ρo = ñieän trôûsuaát ôûmoät nhieät ñoätham chieáu naøo ñoù o To ( thöôønglaø0 hoaëc20 C) vaø αT = heäsoánhieätcuûañieäntrôûsuaát. • Söïbieán thieân cuûa ñieän trôûtheo nhieät ñoä RT = Ro [1 + α T (T − To )] Ñtrôûsuaát ρ Heäsoánhieät Ñoädaãnñieän σ Vaätlieäu (ohm m) treânñoäC x 107 /Ωm Baïc 1,59 x10-8 .0061 6,29 Ñoàng 1,68 x10-8 .0068 5,95 Nhoâm 2,65 x10-8 .00429 3,77 Tungsten 5,6 x10-8 .0045 1,79 Saét 9,71 x10-8 .00651 1,03 Baïchkim 10,6 x10-8 .003927 0,943 Manganin 48,2 x10-8 .000002 0,207 Chì 22 x10-8 ... 0,45 Thuûyngaân 98 x10-8 .0009 0,10 Söïphuïthuoäccuûañieäntrôûvaøonhieätñoä Chaát baùn daãn : Ñieän trôûsuaát phuïthuoäc nhieät ñoätheo haøm muõ : giaûm khi nhieät ñoätaêng. A ρ = ρ exp( ) T o kT A σ = σ exp(− ) T o kT Caùcchaátbaùndaãnnguyeântoá Ñôn tinh theåSi nuoâi baèng kyõ thuaät Czochralski cuûa Haõng Wacker Silitronix Hikari Nhaät baûn. Ñöôøng kính 300 mm, chieàu daøi hôn 1,2 m. Ñôn tinh theåSi ñöôøng kính 30 cm ñoäsaïch 99,999999999% Caùcchaátbaùndaãnhôïpchaát Chaát baùn daãn hôïp chaát( AxB8-x ) : Chaát baùn daãn nhieàu thaønh phaàn : AlGaAs, InGaAsN , ... II.II. TaTaïïpp cchahaáátt ttrroongng cacaùùcc cchahaáátt babaùùnn ddaaãnãn v Taïp chaát thay theá v Taïp chaát ñieàn khích Taïp chaát trong caùc chaát baùn daãn : Taïp chaát ñoâ no vaøac-xep-to Chu kyø Nhoùm Ac-xep-to Ñoâ-no 1) Taïp chaát thuoäc nhoùmV trong chaát baùn daãn nhoùmIV MMoâoâ hhììnnhh ngunguyeâyeânn ttöûöû HyHyddroro cucuûûaa BBohrohr -e Ion+ Ñoälôùn cuûa baùn kính Bohr Nguyeân töûtöông töïHydrogen: Haømsoùngcuûatraïngthaùi côbaûn laø 3 1  1  2 y (r) =   exp[−r / a0 ] π a0 û 2 2 Baùn kínhBohr : a0 = 4πεrεoη /mee xaùcñònhñoämôûroäng veàkhoânggiancuûahaømsoùng. Nguyeân töûHydrogen : (εr = 1 ) ao = 0,53 A. MMoâoâ hhììnnhh ngunguyeâyeânn ttöûöû HyHyddroro cucuûûaa BBohrohr Naêng löôïng lieân keát m e4 1 13,6 E = − o = − (eV ) H 2 2 2 2(4πεoη) n n mo -khoái löôïng cuûa electron töïdo e -ñieän tích cuûa electron εo -haèng soáñieän moâi cuûa chaân khoâng h -haèng soáPlanck n -soálöôïng töûchính Trong traïng thaùi cô baûn n = 1 , EH = -13,6 eV Naêng löôïng ion hoùa taïp chaát ñoâ-no m e4 E = − n i 2 2(4πεoεrη) Naêng löôïng ion hoùa taïp chaát ñoâ-no m e4 13,6 m 1 E = − n = − n i 2 2 2 2(4πεoεrη) n mo εr Chaát Eg (eV) m*/mo Haèng soá baùn daãn ôû 273 K Electron Ltroáng ñieän moâi Ge 0,67 0,2 0,3 16 Si 1,14 0,33 0,5 12 InSb 0,16 0,013 0,6 18 InAs 0,33 0,02 0,4 14,5 InP 1,29 0,07 0,4 14 GaSb 0,67 0,047 0,5 15 GaAs 1,39 0,072 0,5 13 Ge : mn = 0,22 mo εr = 16 Ei = 0,01 eV Si : mn = 0,33 mo εr = 12 Ei = 0,031 eV Vôùi pheùp gaàn ñuùng ñaõ duøng, naêng löôïngionhoùa nhönhau cho moïi nguyeân töûtaïp chaát thuoäc nhoùmV. Treân thöïc teá,naêng löôïng ñoùcoùkhaùc nhau vôùi caùc taïp chaát khaùc nhau,nhöng söïsai khaùc ñoùkhoâng lôùn laém. Söïxuaát hieän caùc möùc naêng löôïng taïp chaát trong vuøng caám Khi ñöa caùc nguyeân töûtaïp chaát thuoäc nhoùmVvaøo GehaySi, trong vuøng caám xuaát hieän caùc möùc naêng löôïng naèm khoâng xa ñaùy cuûa vuøng daãn. Taïp chaát coùtheåcung caáp ñieän töûdaãn ñieän : taïp chaát ñoâ-no vaø möùc taïp chaát ñöôïc goïi laø möùc ñoâ-no. Ec Möùc ñoâ-no Eg Ev Möùc naêng löôïng taïp chaát ñoâ-no Ec Ev Chaát baùn daãn loaïiN: chaát baùn daãn coùchöùa taïp chaát ñoâno. n >> p Haït taûi ñieän cô baûn: electron Haït taûi ñieän khoâng cô baûn:loã troáng Söïphuïthuoäc cuûa noàng ñoäelectron daãn vaøo nhieät ñoä Silicon chöùa 1,15 x 1016 nguyeân töûAs / cm3 Germanium chöùa 7,5 x 1015 nguyeân töûAs / cm3 Söïphuïthuoäc cuûa noàng ñoäelectron daãn vaøo nhieät ñoä ∆E mieàn daãn ñieän taïp chaát n ~ exp− d 2kT Eg mieàn daãn ñieän rieâng n ~ exp− 2kT T T= 0 K Ln n ND3 ND2 ND1 0 1/2kT daãn ñieän rieâng daãn ñieän taïp chaát 2) Taïp chaát thuoäc nhoùmIIItrong chaát baùn daãn nhoùm IV Söïxuaát hieän caùc möùc naêng löôïng taïp chaát trong vuøng caám Khi ñöa caùc nguyeân töûtaïp chaát thuoäc nhoùmIIIvaøo GehaySi, trong vuøng caám xuaát hieän caùc möùc naêng löôïng naèm khoâng xa ñænh vuøng hoùa trò. Taïp chaát coùtheåcung caáp loã troáng daãn ñieän : taïp chaát ac-xep-to vaømöùc taïp chaát ñöôïc goïi laø möùc ac-xep-to . Ec Eg Möùc ac-xep-to Ev Ec Ev Chaát baùn daãn loaïiP: chaát baùn daãn coùchöùa taïp chaát ac-xep-to. p >> n Haït taûi ñieän cô baûn: loã troáng Haït taûi ñieän khoâng cô baûn: electron Baùn daãn loaïi P Caùc möùc naêng löôïng taïp chaát III. Noàng ñoäcaùc haït taûi ñieän trong chaát baùn daãn Noàng ñoähaït taûi ñieän( no vaøpo)trong ñieàu kieän caân baèng. Vôùi chaát baùn daãn ñieän baát kyø(rieâng hoaëc taïp chaát) trong ñieàu kieän caân baèng ôûnhieät ñoäT -3 q Noàngñoäelectron : Ñônvòcuûa no vaø po [ cm ] Ec’ Vuøng daãn Ec q Noàngñoäloãtroáng: Ev Vuøng hoùa trò Ev’ 1) Noàng ñoäelectron trong vuøng daãn Ec' no = ∫ g(E) f (E)dE Ec g(E)laømaät ñoätraïng thaùi 2mn 3 / 2 1 / 2 g(E) = 4π ( ) (E − Ec ) h2 mn laøkhoái löôïng hieäu duïng cuûa electron trong vuøng daãn,Eclaø naêng löôïng ôûñaùy cuûa vuøng daãn. vaøhaøm phaân boá 1 f (E) = E − E exp F + 1 kT Noàng ñoäelectron trong vuøng daãn : E ' 2m c 1 n = 4π ( n )3 / 2 (E − E )1 / 2 dE o 2 ∫ c E − E h E exp F + 1 c kT 1.môûroäng giôùi haïn laáy tích phaân ra ñeán voâ cuøng ( khiElôùn, f(E)tieán ñeán0 ). Choïn goác tính naêng löôïng ôûñaùy vuøng daãn :Ec= 0 2. Vôùi chaát baùn daãn khoâng suy bieán : Ec –EF>>kT Coùtheåduøng gaàn ñuùng sau : E − E f (E) ≈ exp F kT 3 1 2m E ∞ E n = 4π ( n ) 2 exp F E 2 exp− dE o 2 kT ∫ kT h 0 3 1 2m E ∞ E n = 4π ( n ) 2 exp F E 2 exp− dE = o 2 kT ∫ kT h 0 3 1 2m kT E ∞ = 4π ( n ) 2 exp F x 2e−xdx 2 kT ∫ h 0 E vôùi x = kT Theoñònh nghóa vaøtính chaát cuûa haøm Gamma : ∞ Γ (n) = ∫ xn−1e−xdx 0 Γ (n) = (n − 1)Γ (n − 1) 1 Γ ( ) = π 2 3 1 2m kT E ∞ n = 4π ( n ) 2 exp F x 2e−xdx = o 2 kT ∫ h 0 3 2m kT E 3 4π ( n ) 2 exp F ×Γ ( ) h2 kT 2 3 2πmnkT 2 EF EF − Ec no = 2( ) exp = Nc exp( ) h2 kT kT 3 2πmnkT 2 Nc = 2( ) maät ñoätraïng thaùi ruùt goïn cuûa vuøng daãn h2 3 / 2 3 / 2  2πm kT   m  N = 2 n = 4,831.1015  n  T 3 / 2 (cm−3 ) c  2     h   mo  2) Noàng ñoäloã troáng trong vuøng hoùa trò: chaát baùn daãn khoâng suy bieán 2πm kT 3 p 2 Ev − EF Ev − EF po = 2( ) exp = Nv exp h2 kT kT 2πm kT 3 p 2 Nv = 2( ) maät ñoätraïng thaùi ruùt goïn cuûa vuøng hoùa trò h2 3) Noàng ñoähaït taûi ñieän rieâng 3 3 E 2πkT 3 2 Ev − Ec 2πkT 3 2 g no po = 4( ) (mnmp ) exp = 4( ) (mnmp ) exp− h2 kT h2 kT Vôùi moät chaát baùn daãn cho tröôùc vaøôûnhieät ñoäTcoáñònh, tích nopo laømoät haèng soá: n0 p0 = const Vôùi chaát baùn daãn rieâng : n0 = p0 =ni 3 3 E 2πkT 2 4 g ni = 2( ) (mnmp ) exp− h2 2kT IV. Ñieàu kieän trung hoøa ñieän trong chaát baùn daãn Möùc Fermi Vôùi moät chaát baùn daãn baát kyø,ñieàu kieän trung hoøa ñieän − + no + N A = po + ND - + NA , ND töông öùng laønoàng ñoäionacxepto vaønoàng ñoäionñoâno. Chaát baùn daãn rieâng : no = po E − E E − E N exp( F c ) = N exp( v F ) c kT v kT 2E N E + E exp F = v exp c v kT Nc kT kT Nv Ec + Ev 3kT mp Ec + Ev EF = ln + = ln + 2 Nc 2 4 mn 2 Möùc Fermi trong caùc chaát baùn daãn Chaát baùn daãn rieâng 3kT mp Ec + Ev EFi = ln + 4 mn 2 Vuøng daãn Vuøng daãn Vuøng daãn Ec Ec Ec EF EFi EFi Ev Ev Ev Vuøng hoùa trò Vuøng hoùa trò Vuøng hoùa trò Chaát baùn daãn rieâng loaïi N loaïi P V. Caùc haït taûi ñieän khoâng caân baèng Caùc haït taûi ñieän caân baèng go = ro = γr no po Söïtaïo thaønh caùc haït taûi ñieän khoâng caân baèng trong chaát baùn daãn. § Trong kim loaïi, treân thöïc teáta khoâng theålaøm thay ñoåi noàng ñoä haït taûi ñieän trong theåtích. § Trong caùc chaát baùn daãn coùtheålaøm thay ñoåi ñaùng keånoàng ñoä haït taûi trong theåtích ( do ñoàng thôøi coùtheåtoàn taïi hai loaïi haït taûi ñieän: electron vaøloã troáng mang ñieän tích ngöôïc daáu nhau) nhôø caùc taùc nhaân beân ngoaøi nhöchieáu saùng chaát baùn daãn vôùi aùnh saùng coùnaêng löôïngphoton baèng hoaëc lôùn hôn ñoäroäng vuøng caám Eg… Söïtaïo thaønh caùc haït taûi ñieän dö( haït taûi ñieän khoâng caân baèng ) laøm thay ñoåi nhieàu ñoädaãn ñieän ôûtrong theåtích. Khi môùi ñöôïc taïo thaønh, ñoäng naêng cuûa caùc haït taûi ñieän khoâng caân baèng coùtheåvöôït xa naêng löôïng nhieät trung bình cuûa caùc haït taûi ñieän caân baèng. Nhöngdo taùn xaïvôùi maïng tinh theåchuùng nhanh choùng nhöôøng naêng löôïng vöôït troäi ñoùvaøkhoâng coøn phaân bieät ñöôïc vôùi caùc haït taûi ñieän caân baèng. Noàng ñoähaït taûi ñieän baèng n = n0 + ∆n p = p + ∆p 0 3 2 2(2πmnkT ) EF n0 = g(E) f0 (E)dE = exp ∫ h3 kT 3 2 2(2πmnkT ) EFn n = g(E) fe (E)dE = exp ∫ h3 kT fe (E) laøhaøm phaân boákhoâng caân baèng cuûa ñieän töû. E − E n = n exp Fn F o kT E − E p = p exp F Fp o kT EFn vaøEFp töông öùng ñöôïc goïi laø chuaån möùc Fermi cuûa electron vaøloã troáng E − E np = n p exp Fn Fp o o kT Hieäu naêng löôïng EFn -EFp ñaëc tröng cho ñoäleäch khoûi traïng thaùi caân baèng VI. Thôøi gian soáng Vôùi chaát baùn daãn ñieän rieâng ∆n = ∆p dn dp = = g −γ np = −γ (n ∆p + p ∆n + ∆n∆p) dt dt o r r o o * Tröôøng hôïp kích thích yeáu ∆n << n0 + p0 dn ∆n = − dt τ 1 τ = γ r (no + po ) t ∆n = ∆n(0)exp− τ τ laøthôøi gian maøsau ñoùnoàng ñoähaït taûi ñieän khoâng caân baèng giaûm ñie laàn-thôøi gian soáng cuûa electron( loã troáng). * Tröôøng hôïp kích thích maïnh ∆n >> n0 + p0 dn ∆n = −γ (∆n)2 = − dt r τ 1 τ = γ r∆n Trong caùc chaát baùn daãn taïp chaát, noùi chung τn ¹τp Caùc quaùtrình taùi hôïp trong caùc chaát baùn daãn Thôøi gian soáng τ cuûa caùc haït taûi ñieän do caùc quaùtrình taùi hôïp xaåy ra beân trong chaát baùn daãn quy ñònh . Coùtheåphaân loaïi caùc quaùtrình taùi hôïp thaønh 1.Taùi hôïp vuøng –vuøng 2.Taùi hôïp thoâng qua baãy 3.Taùi hôïp maët ngoaøi 4.Taùi hôïp Auger (1) (2) (4) Neáu trong chaát baùn daãn ñoàng thôøi xaåy ra caû3 quaùtrình taùi hôïp noùi treân thìthôøi gian soáng τ cuûa caùc haït taûi ñieän ñöôïc tính theo coâng thöùc : 1 1 1 1 1 = å = + + τ i τi τvuøng−vuøng τbaãy τmaët VII.VII. TTieieáápp xuxuùùcc kkiimm lloaoaïïii -- cchahaáátt babaùnùn ddaaãnãn 1)Doøng phaùt xaïnhieät ñieän töû. Coâng thoaùt nhieät ñieän töû § Electron naèm trong tinh theåchòu söïtöông taùcCoulomb töø phía caùcion döông cuûa maïng. Moät electron muoán thoaùt khoûi chaát raén caàn toán moät naêng löôïng xaùc ñònh naøo ñoù. § Maät ñoädoøng phaùt xaïnhieät ñieän töû( doøng ñieän tích cuûa caùc electron ñi ra chaân khoâng trong moät ñôn vò thôøi gianqua 1 ñôn vò dieän tích cuûa vaät lieäu ôûmoät nhieät ñoäT ) : Φ j = AT 2 exp− s kT ñöôïc goïi laø doøng phaùt xaïnhieät ñieän töû . A laømoät haèng soákhoâng phuïthuoäc vaøo vaät lieäu 4πm ek 2 A = o h3 Φ = E0 -EF laø coâng röùt ñieän töû . Eo ΦBDN ΦKL ΦBDP Ec EF EF EF Ev VVIIII.. TTieieápáp xuxuùcùc kikimm lloaoaïïii -- cchahaáátt babaùùnn ddaaãnãn 22)) GGiaiaûnûn ññooàà vuvuøngøng nnaaêêngng llööôôïïngng cucuûûaa lôlôùùpp cchhuuyeyeånån ttieieápáp kkiimm lloaoaïïii -- babaùnùn dadaãnãn Giaûthöûchaát baùn daãn laøloaïiN vaøcoùcoâng thoaùt ñieän töû φBd < φKL. Soáelectron thoaùt khoûi chaát baùn daãn ñeåsang kim loaïi seõ lôùn hôn soá electron chuyeån ñoäng theo chieàu ngöôïc laïi à phía kim loaïi coùtích ñieän aâm coøn phía chaát baùn daãn maát ñi moät soáelectron ñeålaïi caùc ion ñoâno döông khoâng ñöôïc trung hoøa: xuaát hieän ñieän tröôøng ôû ranh giôùi höôùng töøchaát baùn daãnsang kim loaïi. Ñieän tröôøng naøy ngaên caûn söïchuyeån ñoäng cuûa electron töøchaát baùn daãnsang kim loaïi nhöng khoâng aûnh höôûng ñeán caùc electron chuyeån ñoäng töøkim loaïisang chaát baùn daãn. Do taùc duïng naøy maøñeán moät luùc naøo ñoùseõ ñaït traïng thaùi caân baèng : ôûranh giôùi cuûa hai vaät lieäu xuaát hieän moät ñieän tröôøng oån ñònh E0,ñöôïc goïi laø ñieän tröôøng tieáp xuùc. ÔÛ traïng thaùi döøng, doøngelectron ñi töøchaát baùn daãnsang kim loaïi jBD baèng doøng electron ñi töøkim loaïisang chaát baùn daãn jKL φ 2 φBD + eU0 2 KL j = AT exp− = jKL = AT exp− BD kT kT Töønhöõng ñaùnh giaùsô boäveàcaùc lôùp ñieän tích khoâng gian vaøtính ñeán hieäu öùng ñöôøng haàm khi khed heïp ta coùtheåveõ giaûn ñoànaêng löôïng cho lôùp chuyeån tieáp kim loaïi-baùndaãn trong ñieàu kieän caân baèng nhöôûhìnhôûslide sau. Mieàn ñieän tích theåtíchw treân Trong tröôøng hôïp φKL < φBD-N , maët chaát baùn daãn coùñieän trôûraát mieàn ñieän tích theåtích coùñieän lôùnso vôùi ñieän trôûcuûa kim loaïi trôûnhoûneân ñöôïc goïi laø lôùp ñoái vaøcuûa mieàn baùn daãn trung hoøa. ngaên. Lôùp ñoùthöôøng ñöôïc goïi laø lôùp ngaên. Möùc chaân khoâng Möùc chaân khoâng Kim loaïi -BDÑloaïi N Kim loaïi -BDÑloaïi P Phaân cöïc thuaän Phaân cöïc ngöôïc VVIIII.. TTieieápáp xuxuùcùc kikimm lloaoaïïii -- cchahaáátt babaùùnn ddaaãnãn 33)) ÑÑaaëcëc trtrööngng VVoonn -- AmAmpepe cucuûûaa cchuhuyeyeåånn ttieieáápp kkiimm lloaoaïiïi -- babaùùnn dadaãnãn Khi chöa ñaët ñieän aùp ngoaøi leân heäkim loaïi-baùn daãn, doøng electron töøkim loaïisang chaát baùn daãn baèng doøng electron töøchaát baùn daãnsang kim loaïi: jKL = jBD = js Doøng toång coängqua lôùp chuyeån tieáp j = jBD -jKL = 0 Ñaët ñieän aùp ngoaøiV leân heäcoùhình thaønh lôùp ngaên. Do ñieän trôû cuûa lôùp ngaên raát lôùn neân gaàn ñuùng, coùtheåxem toaøn boäñieän aùp ngoaøi suït treân lôùp ngaên ñoù. Khi lôùp ngaên ñuûmoûng coùtheåboûqua söïsinh vaøtaùi hôïp caùc haït taûi ñieän trong lôùp ñoù. 1. Phaân cöïc thuaän lôùp chuyeån tieáp : Ñieän aùpV taïo neân ñieän tröôøng ngöôïc chieàu vôùi ñieän tröôøng tieáp xuùc E0 . Ñieän tröôøng ngoaøi laøm giaûm haøng raøo theánaêng ñoái vôùi caùc electron chuyeån ñoäng töøchaát baùn daãnsang kim loaïi vaødo ñoù laøm thay ñoåi jBD maøø khoâng aûnh höôûng gìñeán doøng jKL : jKL = js φ + eU − eV eV j = AT 2 exp− BD o = j exp BD kT s kT Doøng toång coängqua lôùp chuyeån tieáp eV j = j − j = j (exp −1) BD KL s kT j KL BD V 2. Phaân cöïc ngöôïc lôùp chuyeån tieáp : Ñieän aùpV taïo neân ñieän tröôøng cuøng chieàu vôùi ñieän tröôøng tieáp xuùc E0 . Ñieän tröôøng ngoaøi laøm taêng haøng raøo theánaêng ñoái vôùi caùc electron chuyeån ñoäng töøchaát baùn daãnsang kim loaïi vaødo ñoùlaøm thay ñoåi jBD maøø khoâng aûnh höôûng gìñeán doøng jKL : jKL = js φ + eU + eV eV j = AT 2 exp− BD o = j exp− BD kT s kT eV Doøng toång coängqua lôùp chuyeån tieáp j = j − j = j (exp− −1) BD KL s kT j KL BD V VIII.VIII. CChhuuyeyeåånn ttieieáápp PP –– NN Caùc caùch cheátaïo + Phöông phaùp noùng chaûy + Pha taïp trong quaùtrình keùo ñôn tinh theåbaùn daãn + Phöông phaùp khueách taùn taïp chaát vaøo chaát baùn daãn ôû nhieät ñoäcao. Phöông phaùp plana. Trong caùc caùch cheátaïo treân lôùp chuyeån tieápP-N ñöôïc hình thaønh treân cuøng moät ñôn tinh theå . 11)) CChhuuyeyeåånn tietieáápp PP –– NN :: ññieieààuu kkieieäänn ccaaânân babaèngèng Giaûn ñoàvuøng naêng löôïng cuûa lôùp chuyeån tieápP -N. Theáhieäu tieáp xuùc Khi môùi ñöôïc hình thaønh lôùp chuyeån tieáp, do coùcheânh leäch veà noàng ñoäcuûa caùc haït taûi ñieän( electron vaøloã troáng) trong hai mieàn, xaåy ra caùc quaùtrình khueách taùn sau: electron khueách taùn töømieànN sang mieànP loã troáng khueách taùn töømieànP sang mieànN. Keát quaûcuûa caùc quaùtrình khueách taùn : mieànN xuaát hieän caùc ion ñoâno döông khoâng ñöôïc trung hoøa vaøbeân mieànP coøn laïi caùc ion acxepto aâm khoâng ñöôïc trung hoøa bôûi loã troáng. ÔÛranh giôùi cuûa 2 mieàn hình thaønh ñieän tröôøng höôùng töø mieànN sang mieànP. Ñieän tröôøng naøy coùtaùc duïng haïn cheáquaù trình khueách taùn cuûa caùc haït taûi ñieän neân ñeán moät luùc naøo ñoùseõ ñaït tôùi traïng thaùi caân baèng. Chuyeån tieáp P –N : ñieàu kieän caân baèng Doøng ktaùn cuûa loã troáng Doøng ktaùn cuûa electron BDÑ-P BDÑ-N Ñieän tröôøng txuùc Trong mieàn ñieän tích theåtíchWôûranh giôùi cuûa hai mieànNvaøP coùñieän tröôøng tieáp xuùc E0 vaø doøng electron töøN sang P : jn =jns : doøng electron töøP sang N doøng loã troáng töøP sang N : jp =jps : doøng loã troáng töøN sang P doøng toång coängqualôùp chuyeån tieáp j = (jn+jp) -(jps +jns ) = 0 Chuyeån tieáp P –N : ñieàu kieän caân baèng EcP E EvP EF cN EvN Vuøng daãn Lôùp EcP ngaên eUo E EcN EvP F Vuøng hoùa trò EvN Chuyeån tieáp P –N : ñieàu kieän caân baèng EcP cuoán P Khueách taùn eUo EiP N E vP N Khueách taùn N cuoán N 22)) TheTheáá hhieieääuu tietieáápp xuxuùùcc + Mieàn ñieän tích theåtích chæcoùcaùc ñieän tích coáñònh(caùcion ND - vaøcaùcion NA )neân ñieän trôûcuûa mieàn naøy raát hôn ñieän trôûcuûa caùc mieànPvaøNtrung hoøa. E − E Trong mieàn N : n = N exp F cN oN c kT 2 n0N p0N = ni KhiEF=EiN thìn0N =nineân coùtheåvieát E − E n = n exp F iN oN i kT TTheheáá hiehieäuäu ttieieáápp xuxuùùcc 2 Trong mieànP : n0P p0P = ni E EF − EvP iP poP = Nv exp− EF kT E E − E iN p = n exp− F iP oP i kT E − E n p eU 2 iP iN oN oP = exp o noN poP = ni exp 2 kT ni kT Theáhieäu tieáp xuùc : kT noN kT poP Uo = Ln = Ln e noP e poN Theáhieäu tieáp xuùc phuïthuoäc vaøo noàng ñoätaïp chaát trong caùc chuyeån tieáp P+ N hoaëc N+ P V ) V ( o U -3 Na hoaëc Nd ( cm ) 33)) CChhuuyeyeåånn tietieáápp PP –– NN :: ññaaëëcc trtröönngg VVonon--AAmmpepe Xeùt lôùp chuyeån tieápP-N . Coùcaùc doøng sau chaïyqualôùp chuyeån tieáp ñoù: +doøng loã troáng töømieànP sangmieànN : jp ( doøng haït taûi ñieän cô baûn) +doøng loã troáng töømieànN sangmieànP : jps ( doøng haït taûi ñieän khoâng cô baûn) +doøng electron töømieànN sangmieànP : jn ( doøng haït taûi ñieän cô baûn) +doøng electron töømieànP sangmieànN : jns ( doøng haït taûi ñieän khoâng cô baûn) Khi khoâng ñaët ñieän aùp ngoaøi vaøo,doøng toång coängqualôùp chuyeån tieáp j = (jn+jp) -(jps +jns ) = 0 trong ñoù L j = en n ns oP τ n EiP E Lp F p j = ep oN ps oN v EiN τ p p Ñaët ñieän aùpVleân heäP-N. § Do ñieän trôûcuûa lôùp ñieän tích theåtiùch raát lôùn neân gaàn ñuùng coù theåxem toaøn boäVsuït heát treân mieàn naøy. § Xeùt tröôøng hôïp lôùp ngaên moûng ñeåcoùtheåboûquacaùc quaùtrình sinh vaøtaùi hôïp caùc haït taûi ñieän trong mieàn naøy. a. Chuyeån tieáp P –N : phaân cöïc thuaän P N Doøng loã troáng Doøng electron Ñieän aùpVtaïo ñieän trö