›
›

Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Chương VI: Các chất bán dẫn điện

pdf 89 trang hapham 1470
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Chương VI: Các chất bán dẫn điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_co_so_vat_ly_chat_ran_chuong_vi_cac_chat_ban_dan_d.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Chương VI: Các chất bán dẫn điện

  1. Chương VII
  2. I. CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA CHẤT BÁN DẪN Từ đường tán sắc E(k) có thể xác định được nhiều tính chất của vật liệu. Thực tế các tính chất liên quan tới điện tử (tính chất quang, dẫn điện ) của các chất bán dẫn hoàn toàn được xác định bởi số electron nằm ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị chỉ quan tâm đến các nhánh E(k) liên quan tới vùng dẫn và vùng hóa trị trong phạm vi của vùng Brillouin.
  3. Vùng dẫn: Vị trí (cực tiểu) thấp nhất của một nhánh E(k) của vùng dẫn xác định đáy vùng dẫn. Ta có: 2 2 2 2 2  (k x k ox ) (k y k oy )   (k k ) E(k) = E(ko) + z oz 2m1 2m3 Với m1 = m2 = mT : khối lượng hiệu dụng ngang m3 = mL : khối lượng hiệu dụng dọc Xác định bằng phương pháp cộng hưởng Cyclotron m Tỉ số L : xác định tính dị hướng của mặt đẳng m năng. T
  4. Vùng hóa trị: Cực đại của cả ba nhánh E(k) của vùng hóa trị đều ở vị trí k = 0 đỉnh vùng hóa trị ở tâm của vùng Brillouin tại k = 0 có suy biến năng lượng; tương tác spin – quĩ đạo làm giảm suy biến một phần. * Trong hai nhánh đầu: + Trong vùng hóa trị khối lượng hiệu dụng được tính bởi: m mp C2 A B2 5 với A, B, C là các hằng số không thứ nguyên phụ thuộc vào các chất bán dẫn.
  5. Có hai loại lỗ trống: + Lỗ trống nặng: m mp naëng C2 A B2 + Lỗ trống nhẹ: 5 m mp nheï C2 A B2 5 * Nhánh thứ ba: Khối lượng của lỗ trống: m m p3ï A
  6. Khoảng cách ngắn nhất giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị bằng độ rộng vùng cấm Eg. Các chất có đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm cùng một điểm trong vùng B (cùng k) chất có vùng cấm thẳng hay trực tiếp. VD: GaAs. Ngược lại: chất có đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm cùng một điểm trong vùng B (khác k) chất có vùng cấm nghiêng hay gián tiếp. VD: GaP.
  7. II. BÁN DẪN TINH KHIẾT BÁN DẪN TẠP CHẤT Định nghĩa Chất bán dẫn là các chất có độ độ dẫn điện  nằm trong khoảng: Từ 10-10 -1 cm-1 (điện môi) đến 104  106 -1 cm-1 (kim loại )
  8.  của chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, điện trường, từ trường, tạp chất Bán dẫn sạch hay bán dẫn tinh khiết không pha tạp chất còn gọi là chất bán dẫn điện riêng. Pha tạp vào chất bán dẫn làm độ dẫn điện của nó thay đổi mạnh Bán dẫn tạp chất.
  9. VÍ DỤ Pha B và Si theo nồng độ 1:105 độ dẫn điện tăng thêm 103 lần. Pha tạp với nồng độ thích hợp có thể đạt được: + Chất bán dẫn có độ dẫn điện mong muốn. + Chất bán dẫn loại n hay p. Khi đưa tạp chất vào tinh thể bán dẫn: tạp có thể thế chỗ các nguyên tử gốc ở nút mạng tạp chất thay thế. hay nằm xen kẽ vào giữa các nút mạng tạp chất điền khích.
  10. Các chất bán dẫn nguyên tố Chu kỳ
  11. Các chất bán dẫn hợp chất Chất bán dẫn hợp chất ( AxB8-x ) : IV-VI Chất bán dẫn nhiều thành phần
  12. Tạp chất làm thay đổi rất nhiều độ dẫn điện của các chất bán dẫn . Pha tạp chất Bo vào tinh thể Si theo tỷ lệ 1 : 105 làm tăng độ dẫn điện của Si lên 1000 lần ở nhiệt độ phòng. Sự phụ thuộc của điện trở suất (cm) của Si và GaAs vào nồng độ tạp chất ở 300K Noàng ñoä taïp Si GaAs -3 chaát ( cm ) N P N P 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 17 -3 10 0,1 0,3 9.10 0,3 18 -3 -2 10 2,5.10-2 6,2.10-2 2,1.10 3,5.10 -3 -2 -4 -3 1019 6.10 1,2.10 2,9.10 8,0.10
  13. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ tạp chất
  14. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ • Kim loại : Điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ gần như tuyến tính t o 1 t ( t t o )  o với t = điện trở suất ở nhiệt độ t ( C) o = điện trở suất ở một nhiệt độ tham chiếu nào đó o to ( thường là 0 hoặc 20 C) và at = hệ số nhiệt của điện trở suất. Sự biến thiên của điện trở theo nhiệt độ R t R o 1 t ( t t o ) 
  15. Đ trở suất r Hệ số nhiệt Độ dẫn điện s Vật liệu (m) trên độ C x 107 /Wm Bạc 1.59 x10-8 .0061 6.29 Đồng 1.68 x10-8 .0068 5.95 Nhôm 2.65 x10-8 .00429 3.77 Tungsten 5.6 x10-8 .0045 1.79 Sắt 9.71 x10-8 .00651 1.03 Bạch kim 10.6 x10-8 .003927 0.943 Manganin 48.2 x10-8 .000002 0.207 Chì 22 x10-8 0.45 Thủy ngân 98 x10-8 .0009 0.10
  16. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ Chất bán dẫn : Điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ theo hàm mũ : giảm khi nhiệt độ tăng. A exp( ) T o kT
  17. Sự dẫn điện trong Si sạch ở nhiệt độ T = 0 K Vùng dẫn Vùng hoá trị Si4+ (Ge4+) : 4 electron ngoài ( liên kết lai sp3) Không có electron trong vùng dẫn
  18. Sự dẫn điện trong Si sạch ở nhiệt độ T > 0 K Vùng dẫn T > 0 : electron trong vùng dẫn lỗ trống trong vùng hóa trị
  19. Tạp chất trong các chất bán dẫn  Tạp chất thay thế Tạp chất điền khích
  20. Tạp chất trong các chất bán dẫn Tạp chất đô- no và ac-xep-to Chu kỳ Nhóm Ac-xep-to Đô-no
  21. Tạp chất thuộc nhóm V trong chất bán dẫn nhóm IV
  22. Nguyên tử As thế chỗ một nguyên tử Ge ở nút: bốn hóa trị của As liên kết với bốn nguyên tử Ge lân cận electron hóa trị thứ năm của nó liên kết lỏng lẻo với nguyên tử As có thể chuyển động tương đối tự do trong phạm vi rộng xung quanh nguyên tử As gốc của nó hạt tải điện chính là electron As được gọi là tạp chất cho (Donor) bán dẫn này là bán dẫn loại n. Mức năng lượng của electron của tạp chất ED này nằm trong vùng cấm và gần đáy vùng dẫn.
  23. Chú ý: Các electron nằm ở các mức tạp chất không hoàn toàn tự do như các electron trên vùng dẫn mà phân bố gần các tâm tạp chất mức tạp là mức định xứ. Để tách electron thứ 5 khỏi nguyên tử As ta dùng công thức của năng lượng liên kết trong nguyên tử Hydro: me4 Ei 2 13,6(eV) 2(4 o) Nhưng thay m m*; o or Năng lượng ion của nguyên tử tạp chất As: m* Ei 13,6 2 mr
  24. Năng lượng liên kết m e4 1 13,6 E o (eV) H 2 2 2 2(4 o) n n mo - khối lượng của electron tự do e - điện tích của electron eo - hằng số điện môi của chân không h - hằng số Planck n - số lượng tử chính Trong trạng thái cơ bản n = 1, EH = - 13,6 eV
  25. Năng lượng ion hóa tạp chất đô-no m* e4 E i 2 2(4 or) Ge : m* = 0,22 mo er = 16 Ei = 0,01 eV Si : m* = 0,33 mo er = 12 Ei = 0,031 eV Với phép gần đúng đã dùng, năng lượng ion hóa như nhau cho mọi nguyên tử tạp chất thuộc nhóm V. Trên thực tế, năng lượng đó có khác nhau với các tạp chất khác nhau, nhưng sự sai khác đó không lớn lắm.
  26. Khối lượng Eg (eV) hiệu dụng m*/m Hằng số Chất bdẫn 273 K o ôû Electron Ltrống điện môi 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
  27. Sự xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm Khi đưa các nguyên tử tạp chất thuộc nhóm V vào Ge hay Si, trong vùng cấm xuất hiện các mức năng lượng nằm không xa đáy của vùng dẫn . Tạp chất có thể cung cấp điện tử dẫn điện : tạp chất đô-no và mức tạp chất được gọi là mức đô-no Ec Mức đô-no Eg Ev
  28. Mức năng lượng tạp chất Tạp chất như As và B có mức năng lượng nằm gần các cực trị của vùng năng lượng.
  29. Chất bán dẫn loại N : chất bán dẫn có chứa tạp chất đôno. n >> p Hạt tải điện cơ bản : electron Hạt tải điện không cơ bản : lỗ trống
  30. SỰ PHỤ THUỘC CỦA NỒNG ĐỘ ĐIỆN TỬ DẪN VÀO NHIỆT ĐỘ Nồng độ electron từ mức Donor nhảy lên vùng dẫn: ED nD A D exp 2kT AD : hệ số tỉ lệ ED : năng lượng ion hóa của nguyên tử tạp chất (lấy gốc năng lượng là đáy vùng dẫn); ED << Eg E Lnn LnA D D D 2kT
  31. Ở nhiệt độ T không cao: một số electron ở mức ED có thể nhảy lên vùng dẫn Các electron trong vùng dẫn chủ yếu là các electron từ mức ED nhảy lên Mật độ ne của electron trong vùng dẫn lớn hơn rất nhiều so với mật độ lỗ trống np trong vùng hóa trị Hạt tải điện chủ yếu (cơ bản) là electron Bán dẫn loại N. Đường biểu diễn của lnnD theo là đường thẳng có độ dốc là ED.
  32. Ở nhiệt độ T đủ cao sao cho toàn bộ electron ở mức ED nhảy hết được lên vùng dẫn, khi đó nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì nồng độ electron ở trong vùng dẫn vẫn không tăng nữa đường ngang. Ln nD Ở nhiệt độ T rất cao sao D cho các electron ở vùng 3 hóa trị có thể nhảy lên D2 vùng dẫn số electron D trong vùng dẫn tăng vọt. 1 1 2kT
  33. Sự phụ thuộc của nồng độ điện tử dẫn vào nhiệt độ E miền dẫn điện tạp chất n~ exp d 2kT E miền dẫn điện riêng n~ exp g 2kT
  34. Ln n ND3 ND2 ND1 0 1/2kT dẫn điện dẫn điện tạp chất riêng
  35. Khi tăng nồng độ tạp chất ND (ND ND ) phần nằm 2 1 1 ngang của đường biểu diễn LnnD theo giảm ( 2kT) và khi đạt tới một nồng độ thích hợp ND3 thì đoạn nằm ngang biến mất chứng tỏ các electron từ vùng hóa trị đã nhảy lên vùng dẫn trước khi hết electron ở mức ED và năng lượng ion hóa của nguyên tử tạp chất giảm.
  36. •GIẢI THÍCH •Khi có quá nhiều tạp chất khoảng cách giữa các nguyên tử tạp giảm chúng tương tác nhau • các mức năng lượng ED mở rộng ra thành vùng. Tới mức vùng này mở rộng và chạm vào đáy vùng dẫn • năng lượng ion hóa bằng 0 Nồng độ electron tự do không đổi từ nhiệt độ rất thấp Nhiệt độ bắt đầu quá trình dẫn điện riêng (đến khi các electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn) Chất bán dẫn kim loại. Ở nhiệt độ thấp chúng có tính chất của kim loại n = const. Ở nhiệt độ đủ cao nồng độ tạp đủ để biến chất bán dẫn thành bán kim loại.
  37. Tạp chất thuộc nhóm III trong chất bán dẫn nhóm IV
  38. Sự xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm Khi đưa các nguyên tử tạp chất thuộc nhóm III vào Ge hay Si, trong vùng cấm xuất hiện các mức năng lượng nằm không xa đỉnh vùng hóa trị . Tạp chất có thể cung cấp lỗ trống dẫn điện : tạp chất ac-xep-to và mức tạp chất được gọi là mức ac-xep-to . Ec Eg Mức ac-xep-to Ev
  39. Chất bán dẫn loại P : chất bán dẫn có chứa tạp chất ac-xep- to. p >> n Hạt tải điện cơ bản : lỗ trống Hạt tải điện không cơ bản : electron
  40. Một nguyên tử B thay thế một nguyên tử Si ở nút mạng; dùng ba electron hóa trị liên kết với các nguyên tử Si lân cận nhưng vì thiếu một electron hóa trị nên nguyên tử B có xu hướng lấy thêm một electron ở các nguyên tử Si lân cận. Năng lượng cần thiết để thực hiện điều đó nhỏ hơn nhiều so với Eg tạo thành mức năng lượng tạp EA vùng cấm gần đỉnh vùng hóa trị. nguyên tử Si bị chiếm một electron thiếu một electron tạo thành lỗ trống electron của các nguyên tử Si dễ dàng nhảy vào lỗ trống đó và tạo thành một lỗ trống mới cứ như thế lỗ trống có thể di chuyển dễ dàng trong vùng hóa trị.
  41. SỰ PHỤ THUỘC NỒNG ĐỘ CỦA LỖ TRỐNG VÀO NHIỆT ĐỘ  Ở nhiệt độ thường các electron ở vùng hóa trị lấp đầy mức tạp EA và bị giữ ở đó; các lỗ trống có thể di chuyển tự do trong vùng hóa trị hạt tải tự do chủ yếu Tạp chất nhóm ba này được gọi là tạp chất nhận (acceptor) – mức tạp xuất hiện trong vùng cấm EA gọi là mức Acceptor Bán dẫn loại P. Trong bán dẫn loại P: np >> nn , với np là nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị, nn là nồng độ electron trong vùng dẫn. Lỗ trống là hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại P Sự phụ thuộc của nA (nồng độ lỗ trống) ở vùng hóa trị theo nhiệt độ trong bán dẫn loại P tương tự như sự phụ thuộc của nD ở vùng dẫn trong bán dẫn loại n.
  42. BÁN DẪN LOẠI P
  43. Nồng độ các hạt tải điện trong chất bán dẫn Nồng độ hạt tải điện (nO và po) trong điều kiện cân bằng. Với chất bán dẫn điện bất kỳ ( riêng hoặc tạp chất ) trong điều kiện cân bằng ở nhiệt độ T -3 Đơn vị của no và po [ cm ]  Noàng ñoä electron : Ec’ Vùng dẫn Ec  Noàng ñoä loã troáng : Ev Vùng hóa trị Ev’
  44. Nồng độ electron trong vùng dẫn Ec1 no g(E) f (E)dE Ec g(E) là mật độ trạng thái 2mn 3 / 2 1 / 2 g(E) 4 ( ) (E Ec) h2 mn là khối lượng hiệu dụng của electron trong vùng dẫn Ec là năng lượng ở đáy của vùng dẫn. Eci: năng lượng mức i trên vùng dẫn. 1 f (E) và hàm phân bố Fermi- Dirắc: E E exp F 1 kT
  45. NỒNG ĐỘ ELECTRON TRONG VÙNG DẪN CỦA CHẤT BÁN DẪN KHÔNG SUY BIẾN Với chất bán dẫn không suy biến : Ec – EF >> kT Có thể dùng các gần đúng sau : E E 1. f (E) exp F kT 2. mở rộng giới hạn lấy tích phân ra đến vô cùng ( khi E lớn , f(E) tiến đến 0 ).
  46. Chọn EC = 0 ; ECi , ta có: E 1 E 3/ 2 F 2mn kT 2 kT no 4 e E e dE h2 0 E Ñaët: x kT Nồng độ electron trong vùng dẫn ở điều kiện cân bằng theo T: 3/ 2 EF 1 2mnkT kT 2 x no 4 e x e dx h2 0
  47. Theo định nghĩa và tính chất của hàm Gamma : n 1 x (n) x e dx 0 (n) (n 1)(n 1) 1 ( ) 2 3 3 3 1 1  1  1  2 2 2 2 2 2 3 2 mnkT 2 Nc 2( ) mật độ trạng thái rút gọn của vùng dẫn h2 3 / 2 3 / 2 2 m kT m N 2 n 4,831.1015 n T 3 / 2 (cm 3 ) c 2 h mo 3 2 mnkT 2 EF EF Ec no 2( ) exp Nc exp( ) h2 kT kT
  48. NỒNG ĐỘ LỖ TRỐNG TRONG VÙNG HÓA TRỊ CỦA CHẤT BÁN DẪN KHÔNG SUY BIẾN Tương tự: nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị ở điều kiện cân bằng: EV EF kT Po N V .e 2 m kT 3 p 2 Ev EF Ev EF p0 2( ) exp Nv exp h2 kT kT EV : năng lượng đỉnh vùng hóa trị 2 m kT 3 p 2 Nv 2( ) mật độ trạng thái rút gọn của vùng hóa trị 2 3 E E h C V 2 kT 3/ 2 n p 4 (m m ) e kT o o h2 n p 3 Eg 2 kT 3/ 2 kT no po 4 (mnmp ) e const h2 Eg = EC – Ev : độ rộng vùng cấm
  49. Nồng độ hạt tải điện riêng 3 E g 2 kT 3/ 2 kT nopo 4 (mnmp ) e const h2 Với một chất bán dẫn cho trước và ở nhiệt độ T cố định, tích n0p0 là một hằng số : n0p0 = const Với chất bán dẫn riêng (sạch = tinh khiết): n0 = p0 = ni 2 kT 3 3 E n 2( ) 2 (m m ) 4 exp g i h2 n p 2kT
  50. Điều kiện trung hòa điện trong chất bán dẫn Mức Fermi Nếu biết được EF thì tính được no và po. Ngược lại: để tính được EF ta dựa vào điều kiện trung hòa về điện. Với một chất bán dẫn bất kỳ, điều kiện trung hòa điện n0 N A p0 ND - + NA , ND tương ứng là nồng độ ion acxepto và nồng độ ion đôno. Chất bán dẫn riêng : 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
  51. EC EV Ở T = 0K : EF đối với bán dẫn riêng ở 0K mức Fermi nằm giữa vùng2 cấm. Khi T 0 : Vì mp mn mức EF hơi lệch khỏi tâm vùng cấm. Bán dẫn loại N : mức EF lệch về nửa trên vùng cấm, nồng độ acceptor càng nhiều, mức EF càng gần đáy EC của vùng dẫn. Bán dẫn loại P : mức EF lệch về nửa dưới vùng cấm, nồng độ donor càng nhiều, mức EF càng lệch về đỉnh vùng hóa trị.
  52. Mức Fermi trong các chất bán dẫn Chất bán dẫn riêng 3kT mp Ec Ev EFi ln 4 mn 2 Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng dẫn Ec Ec Ec EF EFi EFi Ev E Ev Vùng hóa trị Vùng hóa trị v Vùng hóa trị Chất bd riêng loại N loại P
  53. Các hạt tải điện không cân bằng Ở điều kiện cân bằng nhiệt động: Quá trình sinh = Quá trình tái hợp go = ro = nopo Với go là số cặp điện tử – lỗ trống sinh ra do nhiệt trong một đơn vị thể tích. ro là số cặp điện tử – lỗ trống bị mất đi do tái hợp trong một đơn vị thời gian. .Trong kim loại, trên thực tế ta không thể làm thay đổi nồng độ hạt tải điện trong thể tích. Trong bán dẫn, sự tạo thành các cặp electron – lỗ trống tạo nên một sự thay đổi lớn độ dẫn điện trong thể tích gọi là các hạt tải điện dư  các hạt tải điện không cân bằng.
  54. Cách tạo các hạt tải điện không cân bằng: + Chiếu sáng chất bán dẫn bằng ánh sáng có năng lượng photon:  = hf Eg + Dùng chùm các hạt có năng lượng cao như chùm electron, proton, hạt , tia X, tia , chiếu vào. + Phân cực thích hợp các lớp chuyển tiếp: kim loại – bán dẫn, hay lớp chuyển tiếp P – N.
  55. Khi mới được tạo thành, động năng của các hạt tải điện không cân bằng có thể vượt xa năng lượng nhiệt trung bình của các hạt tải điện cân bằng. Nhưng do tán xạ với mạng tinh thể chúng nhanh chóng nhường năng lượng vượt trội đó và không còn phân biệt được với các hạt tải điện cân bằng.
  56. Nồng độ hạt tải điện bằng n = n0 + n ; p = p0 + p 3 2 2(2 mnkT) EF n0 g(E) f0 (E)dE exp h3 kT 3 2 2(2 mnkT) EFn n g(E) fe(E)dE exp h3 kT fe (E) là hàm phân bố không cân bằng của điện tử .
  57. E E n n exp Fn F o kT E E p p exp F Fp o kT EFn và EFp tương ứng được gọi là chuẩn mức Fermi của điện tử và lỗ trống E E np n p exp Fn Fp o o kT Hiệu năng lượng EFn - EFp đặc trưng cho độ lệch khỏi trạng thái cân bằng
  58. Thời gian sống Với chất bán dẫn điện riêng n = p dn dp g  np  (n p p n n p)  n(n p ) dt dt o r r o o r o o  Trường hợp kích thích yếu n << n0 + p0 dn n dt  1   r (no po) t n n(0)exp   là thời gian mà sau đó nồng độ hạt tải điện không cân bằng giảm đi e lần - thời gian sống của điện tử (lỗ trống).
  59. Trường hợp kích thích mạnh n >> n0 + p0 dn n  ( n)2 dt r  1   r n Trong các chất bán dẫn tạp chất, nói chung n p
  60. Các quá trình tái hợp trong các chất bán dẫn Thời gian sống  của các hạt tải điện do các quá trình tái hợp xẩy ra bên trong chất bán dẫn quy định. Có thể phân loại các quá trình tái hợp thành + Tái hợp vùng - vùng + Tái hợp thông qua các tâm trong vùng cấm + Tái hợp mặt ngoài Nếu trong chất bán dẫn đồng thời xẩy ra cả 3 quá trình tái hợp nói trên thì thời gian sống  của các hạt tải điện được tính theo công thức : 1 1 1 1 1   i i vuøng vuøng baãy maët
  61. Tiếp xúc kim loại - chất bán dẫn Dòng phát xạ nhiệt điện tử . Công thoát nhiệt điện tử Điện tử nằm trong tinh thể chịu sự tương tác Coulomb từ phía các ion dương của mạng. Một điện tử muốn thoát khỏi chất rắn cần tốn một năng lượng xác định nào đó. Mật độ dòng phát xạ nhiệt điện tử ( dòng điện tích của các điện tử đi ra chân không trong một đơn vị thời gian qua 1 đơn vị diện tích của vật liệu ở một nhiệt độ T ) :  j AT 2 exp s kT được gọi là dòng phát xạ nhiệt điện tử . A là một hằng số không phụ thuộc vào vật liệu 4 m ek2 A o h3
  62.  = E0 - EF là công bứt điện tử Eo BDN KL BDP Ec EF EF EF Ev
  63. Giản đồ vùng năng lượng của lớp chuyển tiếp kim loại - chất bán dẫn Giả sử chất bán dẫn là loại N và có công thoát điện tử BdN < KL Số electron thoát khỏi chất bán dẫn để sang kim loại sẽ lớn hơn số electron chuyển động theo chiều ngược lại
  64. phía kim loại có tích điện âm còn phía chất bán dẫn mất đi một số điện tử để lại các ion đôno dương không được trung hòa xuất hiện điện trường ở ranh giới E0 hướng từ chất bán dẫn sang kim loại. Điện trường này ngăn cản sự chuyển động của electron từ chất bán dẫn sang kim loại nhưng không ảnh hưởng đến các electron chuyển động từ kim loại sang chất bán dẫn . Khi cân bằng : ở ranh giới của hai vật liệu xuất hiện một điện trường ổn định E0, được gọi là điện trường tiếp xúc.
  65. Ở trạng thái dừng, dòng electron đi từ chất bán dẫn sang kim loại jBD bằng dòng electron đi từ kim loại sang chất bán dẫn jKL  2 BD eU 0 2 KL j AT exp = jKL AT exp BD kT kT Từ những đánh giá sơ bộ về các lớp điện tích không gian và tính đến hiệu ứng đường hầm khi khe d hẹp ta có thể vẽ giản đồ năng lượng cho lớp chuyển tiếp kim loại - bán dẫn trong điều kiện cân bằng
  66. Miền điện tích thể tích w trên mặt chất bán dẫn có điện trở rất lớn so Trong trường hợp KL < BD-N , với điện trở của kim loại và của miền điện tích thể tích có điện trở miền bán dẫn trung hòa. Lớp đó nhỏ nên được gọi là lớp đối ngăn. thường được gọi là lớp ngăn.
  67. Mức chân không Mức chân không Kim loại - BD loại N Kim loại - BD loại P
  68. Đặc trưng Volt – Ampere của chuyển tiếp Kim loại – Bán dẫn Khi chưa đặt điện áp ngoài lên hệ kim loại – bán dẫn: jKl = jBd = js Dòng điện tổng cộng qua lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn: j = jKl - jBd = 0 Khi đặt điện áp lên hệ hình thành lớp ngăn (Kl > Bd) vì điện trở lớp ngăn lớn nên toàn bộ điện áp ngoài coi như sụt tại lớp ngăn đó, bỏ qua sự sinh và tái hợp các hạt tải tại lớp ngăn.
  69. Phân cực thuận Vngoài = V = Bd - Kl > 0 Điện áp V tạo nên điện trường ngoài ngược chiều với điện trường tiếp xúc làm giảm hàng rào thế năng đối với các electron chuyển từ bán dẫn sang kim loại jBd tăng, jKl = const. jKl = js eV 2 Bd eUo eV kT jbd AT exp jse kT
  70. Dòng điện tổng cộng qua lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn: eV j j j j e kT 1 bd kl s j KL BD V
  71. Phân cực nghịch Vngoài = V = Bd - Kl < 0 Điện trường ngoài cùng chiều với điện trường tiếp xúc, làm nâng hàng rào thế năng đối với các electron chuyển động từ bán dẫn sang kim loại. jKl = js eV 2 Bd eUo eV kT jbd AT exp jse kT
  72. Dòng điện tổng cộng qua lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn: eV j j j j e kT 1 bd kl s j KL BD V
  73. Tổng quát của hai trường hợp phân cực thuận và nghịch: eV j js exp 1 kT j 0 V
  74. Tiếp xúc có Kl > Bd Lớp ngăn tiếp xúc chỉnh lưu diod kim loại – bán dẫn hay diod Schottky. Trường hợp chọn lớp tiếp xúc có Kl < BdN hay Kl < BdP lớp đối ngăn Dòng điện chạy theo cả hai chiều kim loại sang bán dẫn hay bán dẫn sang kim loại đều có điện trở nhỏ tiếp xúc j Omic. j 0 V 0 V
  75. Chuyển tiếp P – N Các cách chế tạo + Phương pháp nóng chảy + Pha tạp trong quá trình kéo đơn tinh thể bán dẫn + Phương pháp khuếch tán tạp chất vào chất bán dẫn ở nhiệt độ cao. + Phương pháp cấy ion. Trong các cách chế tạo trên lớp chuyển tiếp P-N được hình thành trên cùng một đơn tinh thể .
  76. Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân bằng Giản đồ vùng năng lượng của lớp chuyển tiếp P - N. Thế hiệu tiếp xúc Khi mới được hình thành lớp chuyển tiếp, do có chênh lệch về nồng độ của các hạt tải điện (điện tử và lỗ trống) trong hai miền , xẩy ra các quá trình khuếch tán sau : điện tử khuếch tán từ miền N sang miền P lỗ trống khuếch tán từ miền P sang miền N. bên miền N xuất hiện các ion đôno dương không được trung hòa và bên miền P còn lại các ion acxepto âm không được trung hòa bởi lỗ trống. Ở ranh giới của 2 miền hình thành điện trường hướng từ miền N sang miền P. Điện trường này hạn chế quá trình khuếch tán của các hạt tải điện cho nên đến một lúc nào đó sẽ đạt tới trạng thái cân bằng.
  77. Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân bằng Dòng ktán của lỗ trống Dòng ktán của electron BD-P BD-N Điện trường txúc Trong miền điện tích thể tích W ở ranh giới của hai miền N và P có điện trường tiếp xúc E0 và dòng điện tử từ N sang P : jn = jns : dòng điện tử từ P sang N dòng lỗ trống từ P sang N : jp = jps : dòng lỗ trống từ N sang P dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + jp ) - ( jps + jns ) = 0
  78. EcP E EvP EF cN EvN Vùng dẫn Lớp EcP ngăn eUo E EcN EvP F Vùng hóa trị EvN
  79. Chuyển tiếp P – N : điều kiện cân bằng EcP cuốn P Khuếch tán eUo EiP N E vP N Khuếch tán N cuốn N
  80. Thế hiệu tiếp xúc Miền điện tích thể tích chỉ có các điện tích cố định (các + - ion ND và các ion NA ) nên điện trở của miền này rất hơn điện trở của các miền P và N trung hòa. E E Trong miền N : n N exp F cN oN c kT 2 n0N p0N = ni Khi EF = EiN thì n0N = ni nên: E E n n exp F iN oN i kT
  81. Thế hiệu tiếp xúc Trong miền P : n p = n 2 0P 0P i EiP EF EvP E poP Nv exp F kT EiN E E p n exp F iP oP i kT E E n p eU n p n2 exp iP iN oN oP exp o oN oP i kT 2 ni kT Thế hiệu tiếp xúc : kT noN kT poP Uo Ln Ln e noP e poN
  82. Chuyển tiếp P – N : đặc trưng Von-Ampe Xét lớp chuyển tiếp P-N . Có các dòng sau chạy qua lớp chuyển tiếp đó : + dòng lỗ trống từ miền P sang miền N : jp ( dòng hạt tải điện cơ bản ) + dòng lỗ trống từ miền N sang miền P : jps ( dòng hạt tải điện không cơ bản ) + dòng điện tử từ miền N sang miền P : jn ( dòng hạt tải điện cơ bản ) + dòng điện tử từ miền P sang miền N : jns ( dòng hạt tải điện không cơ bản )
  83. Khi không đặt điện áp ngoài vào, dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j = ( jn + jp ) - ( jps + jns ) = 0 trong đó L j en n ns oP  n EiP Lp EF j ep poN ps oN v EiN  p p Đặt điện áp V lên hệ P-N. . Do điện trở của lớp điện tích thể tiùch rất lớn nên gần đúng có thể xem toàn bộ V sụt hết trên miền này. . Xét trường hợp lớp ngăn mỏng để có thể bỏ qua các quá trình sinh và tái hợp các hạt tải điện trong miền này.
  84. Chuyển tiếp P – N : phân cực thuận P N Dòng lỗ trống Dòng electron Điện áp V tạo điện trường ngoài ngược chiều với điện trường tiếp xúc. Do hai điện trường ngược chiều nhau nên điện trường tổng cộng trong lớp chuyển tiếp giảm xuống. Thế hiệu tiếp xúc bây giờ bằng e ( U0 - V ) e(Uo-V)
  85. Sự giảm này không ảnh hưởng gì đến các dòng hạt tải điện không cơ bản nhưng làm tăng các dòng hạt tải điện cơ bản : eV Ln eV jn jnsexp enoP exp kT n kT eV Lp eV j p j psexp epoN exp kT  p kT Dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j ( jn j p ) ( jns j ps) eV Ln Lp eV ( jns j ps)(exp 1) e(noP poN )(exp 1) kT n  p kT
  86. Chuyển tiếp P – N : phân cực ngược Miền nghèo e(Uo+V ) V Điện áp V tạo điện trường ngoài cùng chiều với điện trường tiếp xúc. Do hai điện trường cùng chiều nhau nên điện trường tổng cộng trong lớp chuyển tiếp tăng lên. Thế hiệu tiếp xúc bây giờ bằng e ( U0 + V ) .
  87. Sự tăng thế này không ảnh hưởng gì đến các dòng hạt tải điện không cơ bản nhưng làm giảm các dòng hạt tải điện cơ bản : eV Ln eV jn jnsexp enoP exp kT n kT eV Lp eV j p j psexp epoN exp kT  p kT Dòng tổng cộng qua lớp chuyển tiếp j ( jn j p ) ( jns j ps) eV Ln Lp eV ( jns j ps)(exp 1) e(noP poN )(exp 1) kT n  p kT
  88. Kết hợp các kết quả trên, có thể viết biểu thức của đường đặc trưng Von - Ampe dưới dạng j eV j j (exp 1) s kT trong đó lấy dấu + nếu phân cực thuận và dấu - khi phân cực ngược. js V Ln Lp với js ( jns j pn) e(noP poN ) n  p Ln Lp 2 Ln Lp js e(noP poN ) eni ( ) n  p N An ND p phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ .