Tranzito trường Field Effect Transistor - FET - Lession 2: Semiconductor

1/38 Lession 2 : Semiconductor Vật liệu bán dẫn 2/38 1.1 Những tính chất cơ bản 1.2 Nồng ñộ hạt dẫn 3/38 1.1 Những tính chất cơ bản Si - Silic (Silicon), Ge - Gcmani (Germanium) : bán dẫn ñơn chất GaAs - Gali Asenic (Gallium Arsenide) : bán dẫn hợp chất 4/38 5/38 Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn . Hình 1: Cấu tạo của nguyên tử 6/38 • ðiện tử ở những quỹ ñạo lượng tử xác ñịnh, nó quay quanh hạt nhân nhờ sự cân bằng giữa 2 lực: - Lực ñiện giữa ñiện tích (-) của ñiện tử và ñiện tích (+) của hạt nhân . - Lực hấp dẫn (lực hướng tâm) giữa 2 thực thể có khối lượng là ñiện tử và hạt nhân. 7/38 8/38 • Ký hiÖu: Wc lµ møc n¨ng l−îng ®¸y vïng dÉn Wv lµ møc n¨ng l−îng ®Ønh vïng hãa trÞ ∆Wg lµ ®é lín cña vïng cÊm • CÊu tróc n¨ng l−îng cña vËt r¾n gåm ba vïng: + Vïng hãa trÞ víi 0< W < Wv ®−îc cÊu t¹o bëi nh÷ng møc n¨ng l−îng s¸t ngoµi cïng, ®ã lµ nh÷ng møc ®5 bÞ chiÕm ®Çy t−îng tr−ng cho c¸c ®iÖn tö n»m trong liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ bÒn v÷ng, kh«ng cã kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn. + Vïng dÉn víi W > Wc gåm nh÷ng møc n¨ng l−îng cña líp ngoµi cïng trong ®ã cßn nhiÒu møc trèng, t¹i ®©y ®iÖn tö cã thÓ tù do dÞch chuyÓn trong toµn bé m¹ng tinh thÓ vµ s½n sµng tham gia dÉn ®iÖn khi cã ®iÖn tr−êng. + Vïng cÊm víi Wv < ∆Wg < Ec kh«ng cã møc n¨ng l−îng nµo ®Ó ®iÖn tö cã thÓ tån t¹i ®−îc. 9/38 10/38 C¸c lo¹i chÊt b¸n dÉn • B¸n dÉn ®¬n chÊt vµ b¸n dÉn hîp chÊt • VÝ dô c¸c nhãm d¹ng AIVBIV nh− c¸cbit silic SiCX víi tØ lÖ lµ 70,045%Si + 29,955%C, ®−îc dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c ®iÖn trë cã trÞ sè biÕn ®æi theo ®iÖn ¸p (Varistor-VDR). • HoÆc nhãm hîp chÊt AIIIBV sù kÕt hîp mét nguyªn tö nhãm III víi mét nguyªn tö nhãm V nh− AlP, GaP; GaAs; InAs; GaSb; InSb, nh÷ng b¸n dÉn nµy ®−îc dïng ®Ó chÕ tao ra c¸c linh kiÖn ®Æc biÖt nh− LED, LASER, Photodiot, phototransistor v.v... • Nhãm hîp chÊt AIIBV kÕt hîp nhãm II víi nhãm V nh− Sulfua ch× PbS; Sulfua Bismit Bi2S3; Sulfua Cadmi CdS cã thÓ ®−îc dïng s¶n xuÊt c¸c dông cô c¶m biÕn quang ®iÖn, vÝ dô quang trë Rφ 11/38 C¸c d¹ng dÉn cña b¸n dÉn • Dùa vµo b¶n chÊt cña c¸c h¹t t¶i ®iÖn (hay cßn gäi lµ h¹t dÉn) mµ ng−êi ta cã thÓ chia ra thµnh 3 d¹ng dÉn cña b¸n dÉn: - NÕu h¹t t¶i ®iÖn gåm 2 lo¹i h¹t víi sè l−îng b»ng nhau lµ ®iÖn tö vµ lç trèng, ®ång thêi ®é dÉn phô thuéc m¹nh vµo nhiÖt ®é th× ®ã lµ b¸n dÉn thuÇn (B¸n dÉn lo¹i I – viÕt t¾t cña tõ Intrinsic). - NÕu h¹t t¶i ®iÖn chñ yÕu lµ ®iÖn tö th× lµ b¸n dÉn d¹ng N. - NÕu h¹t t¶i ®iÖn chñ yÕu lµ lç trèng th× lµ b¸n dÉn d¹ng P. 12/38 ChÊt b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn lo¹i I) • §é s¹ch cã thÓ ®¹t tíi 1 phÇn 10 tû trong 1cm3 b¸n dÉn (1/10.000.000.000) • Si: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 • Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 13/38 M¹ng tinh thÓ 14/38 Vïng n¨ng l−îng cña b¸n dÉn thuÇn 15/38 • Víi vËt liÖu b¸n dÉn lo¹i Si, GaAs vµ Ge, ®é lín vïng cÊm nh− sau: ∆Wg = 1,1eV (Si) ; ∆Wg = 1,41eV (GaAs); ∆Wg = 0,67eV (Ge) • §¬n vÞ n¨ng l−îng tÝnh b»ng eV (electron Volt) W = e x U (eV) ( 2-1) • V× ®iÖn tÝch cña ®iÖn tö e = 1,6 x 10-19 C nªn 1eV = 1,6 x 10-19J ( 2-2) • Víi nhiÖt ®é 250C, trong 1cm3 cña Si thuÇn cã kho¶ng 1,5 x 1010 ®iÖn tö tù do, cßn cña Ge t−¬ng øng lµ 2,3 x 1013 16/38 §iÖn tö vµ lç trèng trong b¸n dÉn thuÇn 17/38 Nång ®é • Dùa vµo hµm thèng kª Fermi - Dirac ng−êi ta ®5 tÝnh ®−îc nång ®é ®iÖn tö trong vïng dÉn vµ lç trèng trong vïng ho¸ trÞ: Trong ®ã: - NC, NV lµ mËt ®é tr¹ng th¸i hiÖu dông trong vïng dÉn vµ vïng ho¸ trÞ. - Wf lµ møc Fermi - K lµ h»ng sè Boltzman =1.3806504(24) × 10−23J/oK=18.617 343(15) ×10−5eV /oK - T lµ nhiÖt ®é tÝnh b»ng 0K. 18/38 B¸n dÉn lo¹i N • §−a mét l−îng rÊt nhá mét chÊt kh¸c cã ho¸ trÞ 5 (tøc lµ cã 5 ®iÖn tö ë líp ngoµi cïng) vµo m¹ng tinh thÓ cña chÊt b¸n dÉn thuÇn nh− chÊt Sb-(Antimoan), hoÆc As-(Asen), hoÆc Ph-(Photpho) • ®iÖn tö tù do • T¹p chÊt lo¹i nµy ®−îc gäi lµ t¹p chÊt cho (Donor) • ë nhiÖt ®é trong phßng (250C), sè l−îng ®iÖn tö tù do cña lo¹i b¸n dÉn cã t¹p chÊt Donor lín h¬n 105 lÇn b¸n dÉn thuÇn. • Lo¹i b¸n dÉn cã pha t¹p chÊt Donor gäi lµ b¸n dÉn lo¹i N 19/38 B¸n dÉn lo¹i N 20/38 B¸n dÉn lo¹i P • §−a t¹p chÊt cã ho¸ trÞ 3 (tøc lµ cã 3 ®iÖn tö ë líp ngoµi cïng) vµo m¹ng tinh thÓ cña b¸n dÉn, vÝ dô chÊt B-Bo (Boron), hoÆc In-Indi (Indium), hoÆc Al-Nh«m (Aluminium), hoÆc Ga- Gali (Gallium) • Mèi liªn kÕt c¹nh mÊt mét ®iÖn tö vµ mang ®iÖn tÝch d−¬ng, tøc lµ h×nh thµnh mét lç trèng • T¹p chÊt ®Ó t¹o nªn hiÖu øng nµy cã tªn lµ t¹p chÊt nhËn (Acceptor). • Lo¹i b¸n dÉn cã pha t¹p chÊt Acceptor gäi lµ b¸n dÉn lo¹i P 21/38 B¸n dÉn lo¹i P 22/38 C¬ chÕ dÉn ®iÖn b»ng lç trèng 23/38 H¹t dÉn ®a sè vµ h¹t dÉn thiÓu sè • NÕu ký hiÖu ni vµ pi lµ nång ®é ®iÖn tö vµ lç trèng t−¬ng øng trong chÊt b¸n dÉn s¹ch th× lu«n lu«n tån t¹i sù c©n b»ng sau: ni = pi • §èi víi hai lo¹i b¸n dÉn N vµ P lu«n tho¶ m5n bÊt ®¼ng thøc: nn >> pn vµ pp >> np. consteNNpnpnpn KT Wg vciippnn ===== ∆ −22 24/38 25/38 1.1 Những tính chất cơ bản 1.2 Nồng ñộ hạt dẫn 26/38 Nång ®é h¹t dÉn trong chÊt b¸n dÉn • ®iÖn tö chØ chiÕm nh÷ng møc n¨ng l−îng nhÊt ®Þnh • ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng, tøc nhiÖt ®é kh«ng ®æi th× x¸c suÊt ph©n bè theo n¨ng l−îng cña ®iÖn tö cã thÓ ®−îc xÐt b»ng biÓu thøc thèng kª Fecmi-Dirac • Trong ®ã: F(W) lµ hµm phô thuéc n¨ng l−îng, nã biÓu diÔn kh¶ n¨ng chiÕm gi÷ c¸c møc n¨ng l−îng cña ®iÖn tö ë mét nhiÖt ®é T nµo ®ã. - W lµ møc n¨ng l−îng bÊt kú mµ ng−êi ta cÇn xÐt. - Wf lµ møc n¨ng l−îng Fecmi (cßn gäi lµ thÕ ho¸). - K : lµ h»ng sè khÝ lý t−ëng - h»ng sè Boisman       − + == KT WfW e dZ dNWF 1 1)( 27/38 Møc n¨ng l−îng Fecmi 28/38 Møc n¨ng l−îng Fecmi • Møc Fecmi lµ møc n¨ng l−îng lín nhÊt mµ ®iÖn tö cã thÓ tån t¹i ë To = 0 oK • Møc n¨ng l−îng fecmi lµ møc cã x¸c suÊt ®iÖn tö chiÕm gi÷ lu«n b»ng 1/2 ë tÊt c¶ nhiÖt ®é nµo lín h¬n kh«ng 29/38 Nång ®é h¹t dÉn trong b¸n dÉn • Nc(W), Nv(W) lµ c¸c hµm ph©n bè tr¹ng th¸i • h lµ h»ng sè plank, mn* , mp* lµ khèi l−îng hiÖu dông cña ®iÖn tö vµ lç trèng 30/38 TÝch sè nång ®é h¹t dÉn trong b¸n dÉn       ∆ −ΑΤ==      ∆ −= kT W n kT W NNpn gi g vc expexp 32 00 ( ) 23**6 3332 pnmmh kA pi= constnpn i == 2 00 31/38 Sù ph¸t x¹ vµ t¸i hîp h¹t dÉn • Sù ph¸t x¹ - Sù ph¸t x¹ ®ã lµ qu¸ tr×nh lµm xuÊt hiÖn c¸c h¹t dÉn trong chÊt b¸n dÉn, nÕu qu¸ tr×nh nµy t¹o ra sè ®iÖn tö vµ sè lç trèng b»ng nhau th× ®−îc gäi lµ ph¸t x¹ cÆp ®iÖn tö lç trèng. 32/38 Sù ph¸t x¹ (tt) • Sù ph¸t x¹ chØ t¹o ra mét lo¹i h¹t dÉn hoÆc ®iÖn tö, hoÆc lç trèng th× ®ã lµ qu¸ tr×nh ion ho¸ t¹p chÊt • T¹p chÊt cho (donor) t¹o ra ®iÖn tö trªn vïng dÉn cßn t¹p chÊt nhËn (acceptor) t¹o ra lç trèng trong vïng ho¸ trÞ. 33/38 34/38 Sù t¸i hîp - T¸i hîp trùc tiÕp: ®iÖn tö chuyÓn trùc tiÕp tõ vïng dÉn xuèng vïng ho¸ trÞ ®Ó trung hoµ víi lç trèng Qu¸ tr×nh nµy th−êng gi¶i phãng ra n¨ng l−îng d−íi d¹ng ¸nh s¸ng, tÇn sè ¸nh s¸ng phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch gi÷a hai møc n¨ng l−îng mµ nã chuyÓn dêi. HiÖn t−îng nµy ®−îc øng dông ®Ó chÕ t¹o ra c¸c dông cô ph¸t s¸ng. - T¸i hîp gi¸n tiÕp: Khi trong tinh thÓ cã nh÷ng khuyÕt tËt vÒ cÊu tróc m¹ng, chóng sÏ t¹o ra nh÷ng møc n¨ng l−îng n»m trong vïng cÊm cã kh¶ n¨ng b¾t gi÷ c¸c ®iÖn tö ®−îc gäi lµ t©m t¸i hîp. 35/38 • §é lín cña n¨ng l−îng vïng cÊm lµ: ∆Wg = |WC – WV| • ChÊt c¸ch ®iÖn: ∆Wg > 5eV • ChÊt dÉn ®iÖn : ∆Wg = 0eV, hai vïng dÉn vµ vïng hãa trÞ trïng mét phÇn lªn nhau • ChÊt b¸n dÉn 0eV < ∆Wg < 5eV • ∆Wg (Si) = 1,1eV ; ∆Wg (Ge) = 0,67eV 36/38 • ChÊt b¸n dÉn thuÇn (b¸n dÉn I) lµ b¸n dÉn cã ®é s¹ch rÊt cao (tû lÖ t¹p chÊt kho¶ng 1/10 tû trªn thÓ tÝch 1cm3) • Nång ®é h¹t dÉn trong chÊt b¸n dÉn thuÇn ni = pi • ChÊt b¸n dÉn N lµ b¸n dÉn cã t¹p chÊt cho (Donor). H¹t dÉn ®a sè lµ ®iÖn tö nn, h¹t dÉn thiÓu sè lµ lç trèng pn víi nn >> pn • ChÊt b¸n dÉn lo¹i P lµ b¸n dÉn cã t¹p chÊt nhËn (Acceptor). H¹t dÉn ®a sè lµ lç trèng pp, h¹t dÉn thiÓu sè lµ ®iÖn tö np víi pP >> nP • nnpn = ppnp = ni 2 = pi 2 =const 37/38 38/38 Next lession : Diode