Chất bán dẫn (Semiconductor)

I.Các khái niệm cơ bản về bán dẫn

Trong quá trình phân loại vật chấn đối với quá trình dẫn điện, người ta chia các vật liệu ra thành ba loại. Đó chính là các vật liệu dẫn điện (như kim loại) và các vật liệu không dẫn điện/cách điện và loại thứ ba là các vật liệu bán dẫn. Các vật liệu dẫn điện là các vật liệu cho phép các dòng điện truyền qua còn các vật liệu cách điện hay không dẫn điện là các vật liệu không cho dòng điện truyền qua.

Chất bán dẫn  là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở điều kiện thường  và hoạt động như một chất dẫn điện ở điều kiện đặc biệt (như chiếu sáng, nhiệt độ cao,…).

Chất bán dẫn chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tử có 4 electron lớp ngoài trong cấu trúc nguyên tử của chúng. Như vậy, về bản chất, các chất bán dẫn có 4 electron lớp ngoài cùng mà đặc trưng là 2 chất bán dẫn Ge và Si.
Ở dạng rắn, các nguyên tử cấu tạo nên chất bán dẫn được sắp xếp theo một cấu trúc có thứ tự mà chúng ta gọi là dạng tinh thể. Mỗi nguyên tử chia sẻ các electron của chúng với các nguyên tử ngay cạnh để tạo nên một cấu trúc bên vững có 8 electron lớp ngoài cho nguyên tử nằm tại vị trí trung tâm. Như vậy, mỗi nguyên tử xung quanh nguyên tử trung tâm sẽ chia sẻ 1 electron với nguyên tử trung tâm để tạo thành một cấu trúc bền vững có 8 electron lớp ngoài (đối với nguyên tử trung tâm). Như vậy có thể nói, liên kết giữa nguyên tử trung tâm với 4 nguyên tử xung quanh sẽ dựa trên chủ yếu 4 liên kết hóa trị. Dưới tác dụng của nhiệt, các nguyên tử sẽ tạo ra các dao động xung quanh vị trí cân bằng và tại một giá trị xác định nào đó, nhiệt độ có thể phá vỡ các liên kết hóa trị và tạo ra các electron tự do. Tại vị trí của các electron tự do vừa bứt ra sẽ thiếu 1 electron và trở thành các lỗ trống. Lỗ trống này có xu hướng nhận thêm 1 electron nhằm tạo lại sự cân bằng.

II. Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính.

Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng.
Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.
Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:
Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.
Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt ( với là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

với: là hằng số, là độ rộng vùng cấm. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn).

1. Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn

Như đã nói ở trên, trong cấu trúc vật liệu của bản thân chất bán dẫn, dưới tác dụng của nhiệt độ môi trường cũng luôn tồn tại hai dạng điện tích. Một là điện tích âm do electron và hai là điện tích dương do lỗ trống tạo ra. Dưới tác dụng của điện trường, các electron có xu hướng di chuyển về phía phía có năng lượng điện tích cao hơn. Do đó, lúc này, trong bản chất chất bán dẫn sẽ có 2 thành phần cân bằng. Một là electron tự do bứt ra khỏi liên kết hóa trị và hai là lỗ trống sinh ra do electron bứt ra. Electron bứt ra khỏi cấu trúc tinh thể sẽ di chuyển về phía điện trường có điện thế lớn. Đồng thời, lỗ trỗng cũng có xu hướng hút các electron ở xung quanh để điền đầy và đi về phía điện trường có điện thế nhỏ hơn. Như vậy, bản chất dòng điện trong chất bán dẫn được sinh ra bởi 2 dòng chuyển dời: dòng chuyển dời của các electron tự do và dòng chuyển dời của các lỗ trống. Các electron và các lỗ trống thường được gọi chung với một cái tên là hạt mang điện bởi chúng mang năng lượng điện tích dịch chuyển từ điểm này đến điểm khác.

2. Cơ chế:

Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử và lỗ trống di chuyển với vận tốc trung bình vn=n.E và vp=p.E.

Số điện tử và lỗ trống di chuyển thay đổi theo mỗi thời điểm, vì tại mỗi thời điểm có một số điện tử và lỗ trống được sinh ra dưới tác dụng của nhiệt năng. Số điện tử sinh ra trong mỗi đơn vị thời gian gọi là tốc độ sinh tạo g. Những điện tử này có đời sống trung bình n vì trong khi di chuyển điện tử có thể gặp một lỗ trống có cùng năng lượng và tái hợp với lỗ trống này. Nếu gọi n là mật độ điện tử, trong một đơn vị thời gian số điện tử bị mất đi vì sự tái hợp là n/n. Ngoài ra, trong chất bán dẫn, sự phân bố của mật độ điện tử và lỗ trống có thể không đều, do đó có sự khuếch tán của điện tử từ vùng có nhiều điện tử sang vùng có ít điện tử.

Xét một mẫu bán dẫn không đều có mật độ điện tử được phân bố như hình vẽ. Tại một điểm M trên tiết diện A, số điện tử đi ngang qua tiết diện này (do sự khuếch tán) tỉ lệ với dn/dx, với diện tích của điện tử và với tiết diện A.

Hình 12
Hình 12 (graphics12.png)

Dòng điện khuếch tán của điện tử đi qua A là: Inkt=Dn.e.dndxA<0

Dn được gọi là hằng số khuếch tán của điện tử.

Suy ra mật độ dòng điện khuếch tán của điện tử là:

Jnkt=e.Dn.dndx

Tương tự, trong một giây có pτp lỗ trống bị mất đi, với p là mật độ lỗ trống và p là là đời sống trung bình của lỗ trống.

Dòng điện khuếch tán của lỗ trống trong mẫu bán dẫn trên là:

Ipkt=−Dp.e.dpdx.A>0

Và mật độ dòng điện khuếch tán của lỗ trống là:

Jpkt=e.Dp.dpdx

Người ta chứng minh được rằng:

Dpμp=Dnμn=KTe=VT=T11.600

Với: K là hằng số Boltzman = 1,382.10-23J/0K

T là nhiệt độ tuyệt đối.

Hệ thức này được gọi là hệ thức Einstein.

Ở nhiệt độ bình thường (3000K): VT=0,026V=26mV

3. Phương trình liên tục

Xét một hình hộp có tiết diện A, chiều dài dx đặt trong một mẩu bán dẫn có dòng điện lỗ trống Ip đi qua. Tại một điểm có hoành độ x, cường độ dòng điện là Ip. Tại mặt có hoành độ là x+dx, cường độ dòng điện là Ip+dIp. Gọi P là mật độ lỗ trống trong hình hộp, p là đời sống trung bình của lỗ trống. Trong mỗi giây có pτp lỗ trống bị mất đi do sự tái hợp. Vậy mỗi giây, điện tích bên trong hộp giảm đi một lượng là:

G1=e.A.dx.pτp (do tái hợp)

Đồng thời điện tích trong hộp cũng mất đi một lượng:

G2=dIp (do khuếch tán).

Hình 13
Hình 13 (graphics13.png)

Gọi g là mật độ lỗ trống được sinh ra do tác dụng nhiệt, trong mỗi giây, điện tích trong hộp tăng lên một lượng là:

T1=e.A.dx.g

Vậy điện tích trong hộp đã biến thiên một lượng là:

T1−(G1+G2)=e.A.dx.g−e.A.dx.pτp−dIp

Độ biến thiên đó bằng: e.A.dx.dpdt

Vậy ta có phương trình:

dpdt=g−pτp−dIpdx.1e.A(1)

Nếu mẩu bán dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt và không có dòng điện đi qua, ta có:

dpdt=0; dIp=0; P=P0=hằng số

Phương trình (1) cho ta:

0=g−pτp⇒g=P0τp

Với P0 là mật độ lỗ trống ở trạng thái cân bằng nhiệt. Thay trị số của g vào phương trình (1) và để ý rằng p và IP vẫn tùy thuộc vào thời gian và khoảng cách x, phương trình (1) trở thành:

∂p∂t=−p−p0τp−∂Ip∂x.1eA(2)

Gọi là phương trình liên tục.

Tương tự với dòng điện tử I­n, ta có:

∂n∂t=−n−n0τn−∂In∂x.1eA(3)

TD: ta giải phương trình liên tục trong trường hợp p không phụ thuộc vào thời gian và dòng điện Ip là dòng điện khuếch tán của lỗ trống.

Hình 14
Hình 14 (graphics14.png)

Ta có: dpdt=0 và Ip=−Dp.eA.dpdx

Do đó, dIpdx=−Dp.eA.d2pdx2

Phương trình (2) trở thành:

d2pdx2=P−P0Dp.τp=P−P0L2p

Trong đó, ta đặt Lp=Dp.τp−−−−√

Nghiệm số của phương trình (4) là:

P−P0=A1.exLp+A2.e−xLp

Vì mật độ lỗ trống không thể tăng khi x tăng nên A1 = 0

Do đó: P−P0=A2.e−xLp tại x = x0.

Mật độ lỗ trống là p(x0),

Do đó: P(x0)−P0=A2.e−xLp

Suy ra, nghiệm của phương trình (4) là:

P(x)−P0=[P(x0)−P0].e−x−x0Lp

Hình 15
Hình 15 (graphics15.png)
  3. Dẫn suất của chất bán dẫn

Dưới tác dụng của điện truờng, những điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện di chuyển tạo nên dòng điện In, nhưng cũng có những điện tử di chuyển từ một nối hóa trị bị gãy đến chiếm chỗ trống của một nối hóa trị đã bị gãy. Những điện tử này cũng tạo ra một dòng điện tương đương với dòng điện do lỗ trống mang điện tích dương di chuyển ngược chiều, ta gọi dòng điện này là Ip. Hình sau đây mô tả sự di chuyển của điện tử (hay lỗ trống) trong dải hóa trị ở nhiệt độ cao.

Hình 9
Hình 9 (graphics9.png)
Hình 10
Hình 10 (graphics10.png)

Vậy ta có thể coi như dòng điện trong chất bán dẫn là sự hợp thành của dòng điện do những điện tử trong dải dẫn điện (đa số đối với chất bán dẫn loại N và thiểu số đối với chất bán dẫn loại P) và những lỗ trống trong dải hóa trị (đa số đối với chất bán dẫn loại P và thiểu số đối với chất bán dẫn loại N).

Hình 11
Hình 11 (graphics11.png)

Tương ứng với những dòng điện này, ta có những mật độ dòng điện J, Jn, Jp sao cho: J = Jn+Jp

Ta đã chứng minh được trong kim loại:

J = n.e.v = n.e..E

Tương tự, trong chất bán dẫn, ta cũng có:

Jn=n.e.vn=n.e. n.E (Mật độ dòng điện trôi của điện tử, n là độ linh động của điện tử, n là mật độ điện tử trong dải dẫn điện)

Jp=p.e.vp=p.e.p.E (Mật độ dòng điện trôi của lỗ trống, p là độ linh động của lỗ trống, p là mật độ lỗ trống trong dải hóa trị)

Như vậy: J=e.(n.n+p.p).E

Theo định luật Ohm, ta có:

J = .E

=>  = e.(n.n+p.p) được gọi là dẫn suất của chất bán dẫn.

Trong chất bán dẫn loại N, ta có n>>p nên   n = n.n.e

Trong chất bán dẫn loại P, ta có p>>n nên   p = n.p.e

III. Các loại chất bán dẫn

1. Chất bán dẫn tinh khiết

Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể. Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hóa trị. Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện.

Hình 1
Hình 1 (graphics1.png)

Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và làm gãy một số nối hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các nối hóa trị bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị.

Hình 2
Hình 2 (graphics2.png)

Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị). Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hóa trị.

Nếu ta gọi n là mật độ điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống có năng lượng trong dải hóa trị. Ta có:n=p=ni

Người ta chứng minh được rằng:

ni2 = A0.T3. exp(-EG/KT)

Trong đó: A0 : Số Avogadro=6,203.1023

T : Nhiệt độ tuyệt đối (Độ Kelvin)

K : Hằng số Bolzman=8,62.10-5 eV/0K

EG : Chiều cao của dải cấm.

Hình 3
Hình 3 (graphics3.png)

Ta gọi chất bán dẫn có tính chất n=p là chất bán dẫn nội bẩm hay chất bán dẫn thuần. Thông thường người ta gặp nhiều khó khăn để chế tạo chất bán dẫn loại này.

2. Chất bán dẫn tạp chất

a. Bán dẫn tạp chất và bản chất dòng điện

Như đã biết, bán dẫn tạp chất được tạo ra bởi việc cung cấp các chất tạp chất thuộc nhóm 3 và nhóm 5 bảng tuần hoàn Mendelep đưa vào trong cấu trúc tinh thể chất bán dẫn thuần.
Để tăng số lượng các electron tự do, thông thường, người ta thêm các tạp chất thuộc nhóm 5 trong bảng tuần hoàn Medelep vào. Khi đó, các thành phần tạp chất này sẽ tham gia xây dựng cấu trúc tinh thể của vật chất. Tương tự như giải thích về phần cấu tạo nguyên tử, khi 1 nguyên tử tạp chất đứng cạnh các nguyên tử bán dẫn thuần thì chúng cũng sẽ chia sẻ 1 electron với nguyên tử bán dẫn thuần, do đó sẽ còn 4 electron tại lớp ngoài cùng phân tử. Trong số 4 electron này chỉ có 3 electron tiếp tục tham gia tạo mạng tinh thể và 1 electron sẽ có xu hướng tách ra và trở thành các electron tự do. Do đó, khi so sánh với cấu trúc mạng tinh thể bán dẫn thuần, cấu trúc bán dẫn tạp chất loại này có nhiều các electron tự do hơn. Loại bán dẫn tạp chất này được gọi là bán dẫn loại n (n bản chất tiếng Anh là negative chỉ đặc trưng bản chất của việc thừa electron). Như vậy trong bán dẫn loại n sẽ tồn tại 2 loại hạt mang điện. Hạt đa số chính là các electron tự do tích điện âm và hạt thiểu số là các lỗ trống (mang điện tích dương).
Tương tự nhưng với hướng ngược lại, người ta thêm tạp chất thuộc nhóm 3 trong bảng tuần hoàn Mendeleep vào trong cấu trúc tinh thể chất bán dẫn thuần. Các thành phần tạp chất này cũng tham gia xây dựng cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn, nhưng do chỉ có 3 electron lớp ngoài nên trong cấu trúc nguyên tử sẽ có một vị trí không có electron tham gia xây dựng các liên kết. Các vị trí thiếu này vô hình chung đã tạo nên các lỗ trống. Do đó, trong cấu trúc tinh thể của loại bán dẫn tạp chất này sẽ có nhiều vị trí khuyết electron hơn hay còn gọi là các lỗ trống hơn. Loại bán dẫn này được gọi là bán dẫn loại p (p đặc trưng cho từ positive). Hạt đa số chính là các lỗ trống và hạt thiểu số sẽ là các electron. Tóm lại, bán dẫn loại n có nhiều electron tự do hơn và bán dẫn loại p có nhiều lỗ trống hơn. Do đó, n có khả năng cho electron và p có khả năng nhận electron.

b. Chất bán dẫn loại N: (N – type semiconductor)

Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân loại tuần hoàn như As (Arsenic), Photpho (p), Antimony (Sb). Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, Còn dư lại một điện tử của As. Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hóa trị đều có năng lượng trong dải hóa trị, trừ những điện tử thừa của As không tạo nối hóa trị có năng lượng ED nằm trong dải cấm và cách dẫy dẫn điện một khỏang năng lượng nhỏ chừng 0,05eV.

Hình 4
Hình 4 (graphics4.png)

Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hóa trị bị gãy, ta có những lỗ trống trong dải hóa trị và những điện tử trong dải dẫn điện giống như trong trường hợp của các chất bán dẫn thuần. Ngoài ra, các điện tử của As có năng lượng ED cũng nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện. Vì thế ta có thể coi như hầu hết các nguyên tử As đều bị Ion hóa (vì khỏang năng lượng giữa ED và dải dẫn điện rất nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lượng ED đều được tăng năng lượng để trở thành điện tử tự do.

Hình 5
Hình 5 (graphics5.png)

Nếu ta gọi ND là mật độ những nguyên tử As pha vào (còn gọi là những nguyên tử cho donor atom).

Ta có: n = p + ND

Vớin: mật độ điện tử trong dải dẫn điện.

P: mật độ lỗ trống trong dải hóa trị.

Người ta cũng chứng minh được: n.p = ni2 (n<p)

ni: mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha.

Chất bán dẫn như trên có số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trống trong dải hóa trị gọi là chất bán dẫn loại N.

c. Chất bán dẫn loại P:

Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, ta pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), nhôm (Al),… Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si kế cận tạo thành 3 nối hóa trị, còn một điện tử của Si có năng lượng trong dải hóa trị không tạo một nối với Indium. Giữa In và Si này ta có một trang thái năng lượng trống có năng lượng EA nằm trong dải cấm và cách dải hóa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,08eV.

Hình 6
Hình 6 (graphics6.png)

Ở nhiệt độ thấp (T=00K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong dải hóa trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng lượng và vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vượt dải cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng EA.

Hình 7
Hình 7 (graphics7.png)

Nếu ta gọi NA là mật độ những nguyên tử In pha vào (còn được gọi là nguyên tử nhận), ta cũng có:

p = n + NA

p: mật độ lỗ trống trong dải hóa trị.

n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện.

Người ta cũng chứng minh được:

n.p = ni2 (p>n)

ni là mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha.

Chất bán dẫn như trên có số lỗ trống trong dải hóa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện được gọi là chất bán dẫn loại P.

Như vậy, trong chất bán dẫn loại p, hạt tải điện đa số là lỗ trống và hạt tải điện thiểu số là điện tử.

d. Chất bán dẫn hỗn hợp:

Ta cũng có thể pha vào Si thuần những nguyên tử cho và những nguyên tử nhận để có chất bán dẫn hỗn hợp. Hình sau là sơ đồ năng lượng của chất bán dẫn hỗn hợp.

Hình 8
Hình 8 (graphics8.png)

Trong trường hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta có:

n+NA = p+ND

n.p = ni2

Nếu ND > NA => n>p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại N.

Nếu ND < NA => n<p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại P.

IV. Ứng dụng của chất bán dẫn

1. Điốt bán dẫn- Phần tử một mặt ghép p-n

Trong công nghệ chế tạo phần tử 1 mặt ghép p-n, người ta thực hiện pha trộn hai loại bán dẫn tạp chất lên trên một phiến đế tinh thể bán dẫn thuần với một bên là bán dẫn loại p và 1 bên là bán dẫn loại n. Do lực hút lẫn nhau, các electron tự do bên phía bán dẫn loại n có xu hướng khuếch tán theo mọi hướng. Một vài electron tự do khuếch tán vượt qua bề mặt ghép p-n. Khi một electron tự do của bán dẫn loại n đi vào vùng của bán dẫn loại p, nó trở thành hạt thiểu số. Do có một lượng lớn các lỗ trống nên các electron này sẽ nhanh chóng liên kết với lỗ trống để tinh thể trở về trạng thái cân bằng và đồng thời làm lỗ trống biến mất.
Mỗi lần một electron khuếch tán vượt qua vùng tiếp giáp thì nó tạo ra một cặp các ion. Khi một electron rời khỏi miền n thì nó để lại cho cấu trúc nguyên tử tạp chất một (thuộc nhóm 5 bảng tuần hoàn Mendeleep) sang trạng thái mới, trạng thái thiếu một electron. Nguyên tử tạp chất lúc này lại trở thành 1 ion dương. Nhưng đồng thời, khi đi sang miền p và kết hợp với một lỗ trống thì nó vô hình đã làm nguyên tử tạp chất (thuộc nhóm 3 bảng tuần hoàn Medeleep) trở thành ion âm.
Quá trình này diễn ra liên tục và làm cho vùng tiếp xúc của chất bán dẫn lần lượt có ngày càng nhiều cặp ion dương và âm tương ứng ở miền n và miền p. Các cặp ion này sau khi hình thành sẽ tạo nên một vùng tại miền tiếp xúc bán dẫn mà ta gọi là miền tiếp xúc, có điện trường ngược lại với chiều khuếch tán tự nhiên của các electron tự do và các lỗ trống. Quá trình khuếch tán sẽ dừng khi số lượng các cặp ion sinh ra đủ lớn để cản trở sự khuếch tán tự do của các electron từ n sang p.
Như vậy, ký hiệu âm và dương tại miền tiếp xúc p-n chính là ký hiệu của các cặp ion sinh ra trong quá trình khuếch tán.

2. Transistor

Tín hiệu radio hay vô tuyến thu được từ ăng-ten yếu đến mức nó không đủ để chạy một cái loa hay một đèn điện tử ở tivi. Đây là lý do chúng ta phải khuếch đại tín hiệu yếu để nó có đủ năng lượng để trở nên hữu dụng. Trước năm 1951, ống chân không là thiết bị chính dùng trong việc khuếch đại các tín hiệu yếu. Mặc dù khuếch đại khá tốt, nhưng ống chân không lại có một số nhược điểm. Thứ nhất, nó có có một sợi nung bên trong, nó đòi hỏi năng lượng 1 W hoặc hơn. Thứ hai, nó chỉ sống được vài nghìn giờ, trước khi sợi nung hỏng. Thứ ba, nó tốn nhiều không gian. Thứ tư, nó tỏa nhiệt, làm tăng nhiệt độ của các thiết bị điện tử.

Năm 1951, Shockley đã phát minh ra tranzitor có mặt tiếp giáp đầu tiên, một dụng cụ bán dẫn có khả năng khuếch đại các tín hiệu radio và vô tuyến. Các ưu điểm của tranzito khắc phục được các khuyết điểm của ống chân không. Thứ nhất, nó không có sợi nung hay vật làm nóng nào, do đó nó cần ít năng lượng hơn. Thứ hai, do nó là dụng cụ bán dẫn nên có thể sống vô hạn định. Thứ ba, do nó rất nhỏ nên cần ít không gian. Thứ tư, do nó sinh ra ít nhiệt hơn, vì vậy nhiệt độ của các thiết bị điện tử sẽ thấp hơn.

Tranzito đã dẫn tới nhiều phát minh khác, bao gồm: mạch tích hợp (IC), một thiết bị nhỏ chứa hàng ngàn tranzito. Nhờ IC mà máy vi tính và các thiết bị điện tử kỳ diệu khác có thể thực hiện được.

Posted on 17/09/2012, in Đề tài vật lý and tagged , , . Bookmark the permalink. Để lại bình luận.

Bình luận

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: