Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

Bài 17 :
Dòng điện trong chất bán dẫn
Người thực hiện : Nguyễn Tùng Lâm
I. CHẤT BÁN DẪN VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN:
1. Chất bán dẫn là gì ?
Bán dẫn là những chất có tính dẫn điện không thể xem là kim loại hay điện môi.
Tiêu biểu là Silic (14Si) và Gecmani (32Ge)
2. Vài tính chất cơ bản của chất bán dẫn:
a. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của bán dẫn tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, nghĩa là hệ số nhiệt điện trở của bán dẫn có giá trị âm.
b. Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất. Chỉ cần có một lượng tạp chất nhỏ cũng làm điện trở suất của chất bán dẫn thay đổi đáng kể.
c. Điện trở suất của một số chất bán dẫn cũng giảm đáng kể khi nó bị chiếu sáng hoặc khi bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác.
Bán dẫn
Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ thế nào ? Hệ số nhiệt điện trở có giá trị dương hay âm ?
Chất bán dẫn
II. HẠT TẢI ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN – BÁN DẪN LOẠI n VÀ BÁN DẪN LOẠI p:
1. Electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết:
Mỗi nguyên tử Silic 14Si ( hay 32Ge ) có 4 electron hóa trị.
Khi tạo thành mạng tinh thể, mỗi nguyên tử Silic liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Silic lân cận. Các e- hóa trị đều bị liên kết, trong mạng không có hạt tải điện. Vì vậy, ở nhiệt độ thấp Silic là chất cách điện
Mỗi nguyên tử Silic 14Si có mấy electron và trong đó có mấy electron ở lớp ngoài cùng ?
Trong mạng tinh thể, các nguyên tử Silic liên kết với nhau thế nào ?
1. Electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết:
Khi một electron bị rứt khỏi mối liên kết, trở thành một electron tự do (electron dẫn) thì nó để lại một lỗ trống thiếu e- liên kết và được xem là hạt mang điện dương.
Electron và lỗ trống là 2 hạt tải điện trong BD tinh khiết.
Dòng điện trong chất BD tinh khiết là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động đồng thời cùng chiều điện trường.
Trong BD tinh khiết hay BD loại i, electron dẫn và lỗ trống có mật độ bằng nhau nhưng nhỏ, chúng được gọi là những hạt tải điện thiều số.
II. HẠT TẢI ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN – BÁN DẪN LOẠI n VÀ BÁN DẪN LOẠI p:
II. HẠT TẢI ĐiỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN – BÁN DẪN LOẠI n VÀ BÁN DẪN LOẠI p:
2. Bán dẫn loại n và tạp chất cho (đôno):
Bán dẫn n là bán dẫn tạp chất có hạt tải điện mang điện âm.
Khi pha tạp chất phôtpho (P), asen (As) hoặc antimon (Sb) là các nguyên tố có 5 e- hóa trị vào mẫu Silic thì e- thứ 5 của nguyên tử tạp trở thành e- tự do trong tinh thể BD, giúp nó dẫn điện ngay ở nhiệt độ thấp.
Mỗi nguyên tử tạp “cho” tinh thể bán dẫn một electron dẫn nên được gọi là tạp chất cho hay đôno.
Tạp chất cho (đôno) làm tăng đáng kể mật độ electron dẫn nhưng không tăng mật độ lỗ trống nên hạt tải điện chủ yếu trong BD loại n là electron dẫn
II. HẠT TẢI ĐiỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN – BÁN DẪN LOẠI n VÀ BÁN DẪN LOẠI p:
2. Bán dẫn loại n và tạp chất cho (đôno):
II. HẠT TẢI ĐiỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN – BÁN DẪN LOẠI n VÀ BÁN DẪN LOẠI p:
3. Bán dẫn loại p và tạp chất nhận (axepto):
Bán dẫn p là BD tạp chất có hạt tải điện mang điện dương.
Khi pha tạp Bo (B), nhôm (Al) hoặc Gali (Ga) là các nguyên tố có 3 e- hóa trị vào mẫu Silic thì mỗi nguyên tử tạp sẽ lấy một e- liên kết của nguyên tử Silic lân cận và sinh ra một lỗ trống mang điện dương, giúp BD dẫn điện ngay ở nhiệt độ thấp.
Lỗ trống (+)
3. Bán dẫn loại p và tạp chất nhận (axepto):
II. HẠT TẢI ĐiỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN – BÁN DẪN LOẠI n VÀ BÁN DẪN LOẠI p:
Mỗi nguyên tử tạp “nhận” từ tinh thể một e- liên kết nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto.
Tạp chất nhận (axepto) làm tăng đáng kể mật độ lỗ trống nhưng không tăng mật độ electron dẫn nên hạt tải điện chủ yếu trong BD loại p là lỗ trống.
So sánh điện trở suất của bán dẫn gecmani tinh khiết, gecmani pha tạp gali 10-6% và gecmani pha tạp gali 10-3% ở nhiệt độ 300 K với nhau và với điện trở suất của các kim loại (khoảng 10-8 )
III. LỚP CHUYỂN TIẾP p-n:
1. Vị trí lớp chuyển tiếp p-n:
Lớp chuyển tiếp p-n là chỗ tiếp xúc của miền BD loại p và miền BD loại n được tạo ra trên một tinh thể BD.
2. Lớp nghèo:
Tại lớp chuyển tiếp p-n có sự trà trộn vào nhau của hai hạt tải điện là e- dẫn và lỗ trống của hai BD; chúng nối lại liên kết và cùng biến mất. Kquả, ở đây hình thành một lớp không có hạt tải điện, có điện trở rất lớn, gọi là lớp nghèo.
Ở lớp nghèo, về phía BD n có các ion đôno tích điện dương và về phía BD p có các ion axepto tích điện âm.
Bán dẫn n
Bán dẫn p
Lỗ trống
Electron dẫn
Lớp chuyển tiếp
+
+
+
+
-
-
-
-
Chiều chuyển động của lỗ trống
Chiều chuyển động của electron