Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

Vật liệu bán dẫn
GVHD: Chu Việt Hà
SVTH: Quách Thị May
Lớp: Lý BK45
Những nội dung chính về vật liệu bán dẫn:
Khái niệm vật liệu bán dẫn
Cấu trúc vùng năng lượng
Các loại bán dẫn
Lớp chuyển tiếp P-N
Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
I. Khái niệm vật liệu bán dẫn
Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng
II. Cấu trúc vùng năng lượng

Vùng hóa trị: có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, vùng này điện tử liên kết mạnh với nguyên tử

Vùng dẫn: có mức năng lượng cao nhất, chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng này

Vùng cấm: vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, vùng này điện tử không tồn tại
Tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể lý giải nhờ lý thuyết vùng năng lượng:
Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở 0 ⁰K, chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt, khi năng lượng mà các điện tử nhận được thắng được năng lượng vùng cấm thì điện tử sẽ nhảy lên vùng dẫn và bán dẫn trở thành chất dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ tăng theo. Sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ:



với: R0 là hằng số, Eg là độ rộng vùng cấm.
II. Cấu trúc vùng năng lượng
Hình 1: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn
III. Các loại bán dẫn
Ở nhiệt độ thấp, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng nên không có các eletron tự do => Chúng là chất cách điện
1, Bán dẫn thuần (VD: Silic và Germanium)
III. Các loại bán dẫn
Ở nhiệt độ cao, nhiệt năng làm gãy một số nối hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và di chuyển trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm, điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống=> Chúng là chất dẫn điện
III. Các loại bán dẫn
Hình 3: Sơ đồ mức năng lượng của bán dẫn ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao


Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn các điện tử chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường => gây nên dòng điện trong chất bán dẫn
III. Các loại bán dẫn
Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các eletron và lỗ trống.
Bán dẫn thuần có số electron bằng số lỗ trống.
Độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại
Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào
Nhận xét
III. Các loại bán dẫn
P
Si
Khi pha thêm vào Si 1 chất có hóa trị V như P
Electron dư trong nguyên tử P liên kết yếu với nguyên tử P dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử. Chất bán dẫn lúc này thừa điện tử và được gọi là bán dẫn loại N
2, Bán dẫn tạp chất
a, Bán dẫn loại N
III. Các loại bán dẫn
Si
As


2. Bán dẫn tạp chất
b, Bán dẫn loại P
Lỗ trống tạo nên do nguyên tử As thiếu một e liên kết với một nguyên tử Si lân cận. Bán dẫn lúc này thiếu 1 điện tử và được gọi là bán dẫn loại P
Khi pha thêm vào Si 1 chất có hóa trị III như As
III. Các loại bán dẫn
* Đối với bán dẫn loại N
- Tạp chất P pha vào bán dẫn Si đã tạo thêm e tự do mà không làm tăng số lỗ trống
- E là hạt tải điện cơ bản, lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản
* Đối với bán dẫn loại P
- Tạp chất As pha vào bán dẫn Si đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số e dẫn.
- Lỗ trống là hạt tải điện cơ bản e là hạt tải điện không cơ bản
Nhận xét
Nếu pha hai loại tạp chất, chẳng hạn như cả P và As vào bán dẫn Si thì bán dẫn này có thể là bán dẫn loại P hoặc bán dẫn loại N, tùy theo tỉ lệ giữa hai loại tạp chất.

Như vậy, bằng cách chọn tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mình mong muốn. Đây chính là tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng.
IV, Lớp chuyển tiếp P-N
1, Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N
N
P
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
Chỗ tiếp xúc 2 loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp P-N
Lớp này còn được gọi là vùng nghèo hạt tải điện, gọi tắt là vùng nghèo
IV, Lớp chuyển tiếp P-N
Trường hợp phân cực thuậnUPN> 0:
2, Dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N
N
P
Điện tử ở miền N cđ dễ dàng hơn về phía P, lỗ trống ở miền P cđ dễ hơn về phía N. Ngăn cản các hạt dẫn thiểu số là điện tử ở P, lỗ trống ở N khó dịch chuyển hơn. Dòng điện trong trường hợp này là dòng điện thuận
IV, Lớp chuyển tiếp P-N
a, Trường hợp phân cực ngược (UPN<0):
2, Dòng điện qua lớp chuyển tiếp P-N
N
P
Ngăn cản chuyển động của các hạt mang điện đa số thúc đẩy chuyển động của các hạt thiểu số gây ra dòng điện rất nhỏ từ N sang P gọi là dòng điện ngược. Tăng E lên mức nào đó quá lớn miền chuyển tiếp bị phá vỡ => đánh thủng lớp tiếp giáp
Như vậy, Lớp chuyển tiếp P – N dẫn điện tốt theo một chiều từ P sang N. Lớp chuyển tiếp P –N có tính chỉnh lưu.
IV, Lớp chuyển tiếp P-N
3. Đặc tuyến Vôn-ampe của lớp chuyển tiếp P-N: mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp
IV, Lớp chuyển tiếp P-N
Hiện tượng đánh thủng là hiện tượng khi điện áp ngược lớn, dòng lớn làm các e va chạm vào các e cố định khác nên dòng điện tăng vọt, nghĩa là tiếp xúc P-N dẫn điện được theo cả 2 chiều, phá vỡ đặc tính chỉnh lưu của nó
Nguyên nhân đánh thủng có thể do điện hoặc do nhiệt, do đó có 3 loại đánh thủng: đánh thủng về điện, đánh thủng về nhiệt, đánh thủng về điện- nhiệt.
4, Hiện tượng đánh thủng
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
_ Điốt bán dẫn
_ Trandito hay còn gọi là triot bán dẫn.
_ Nhiệt điện trở bán dẫn (rêdisto)
_ Quang điện trở bán dẫn (phôtôrêdistô)
_ Vi mạch điện tử
1, Làm các dụng cụ bán dẫn, chúng có ưu điểm: Kích thước nhỏ, tiết kiệm được năng lượng, chỉ cần nguồn hiệu điện thế thấp, bền vững về mặt cơ học, thời gian sử dụng được dài, …
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
a, Điốt bán dẫn
Là dụng cụ bán dẫn có lớp tiếp xúc p-n nên có tính chất dẫn điện chủ yếu theo một chiều.
Dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, dùng trong mạch tách sóng
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
2, Trandito bán dẫn
Là dụng cụ bán dẫn cấu tạo từ ba phần có tính dẫn điện khác nhau nên có hai lớp tiếp xúc p-n.
Có hai loại Trandito
Loại p-n-p: phần giữa là bán dẫn loại n, hai bên là bán dẫn loại p.
Loại n-p-n: phần giữa là bán dẫn loại p, hai bên là bán dẫn loại n.
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
Một số loại trandito thường dùng hiện nay
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
c, Nhiệt điện trở bán dẫn
Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc mạnh của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ.
Được chế tạo từ các chất bán dẫn khác nhau như Ge, Si, Se, một số oxit kim loại,…
Dùng trong các thiết bị đo nhiệt độ, khống chế nhiệt độ từ xa, thiết bị báo cháy.
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
Một số hệ thống báo cháy có sử dụng nhiệt điện trở
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
d , Quang điện trở bán dẫn
Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc của điện trở bán dẫn vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó (hiện tượng quang điện bên trong).
Được chế tạo từ Ge, Si, Se và một số bán dẫn hợp chất như CdS, PbS,…
Dùng trong các thiết bị kiểm tra và điều khiển tự động.
V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
e, Vi mạch điện tử
Là những vi mạch có kích thước rất nhỏ nhưng chứa hàng trăm, hàng nghìn chi tiết khác nhau ( điốt, tradito, điện trở,…) thay thế cho các mạch điện tử cồng kềnh.

V, Ứng dụng của vật liệu bán dẫn
Tổng kết
Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Ta có thể tạo ra bán dẫn mình mong muốn bằng cách chọn tạp chất và nồng độ tạp chất tùy ý. Vật liệu bán dẫn có ứng dụng rất lớn trong việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn và các linh kiện điện tử
Thực hiện:
Quách Thị May
Lớp LýBK45
Học phần: Khoa học vật liệu
Năm học 2013-2014
Chân thành cảm ơn cô và các bạn đã chú ý lắng nghe