chương I, hình ảnh của dải năng lượng trong kim loại đã được trình bày. Theo sự khảo sát trên, dải năng lượng do điện tử chiếm có thể chưa đầy và không có dải cấm cho những năng lượng cao. Nghĩa là điện tử có thể di chuyển tự do trong kim loại dưới tác dụng của điện trường. + + + + → E + + + + Na + + + + + + + + Hình 1 Hình trên vẽ phân bố điện tích trong tinh thể Na.
Những chỗ gạch chéo tiêu biểu cho những điện tử ở dải hóa trị có năng lượng thấp nhất, những chỗ trắng chứa những điện tử có năng lượng cao nằm trong dải dẫn điện. Chính những điện tử này là những điện tử không thể nói thuộc hẳn vào một nguyên tử nhất định nào và có thể di chuyển tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Vậy kim loại được coi là nơi các ion kết hợp chặt chẽ với nhau và xếp đều đặn trong 3 chiều trong một đám mây điện tử mà trong đó điện tử có thể di chuyển tự do. Hình ảnh này là sự mô tả kim loại trong chất khí điện tử.
Theo thuyết chất khí điện tử kim loại, điện tử chuyển động liên tục với chiều chuyển động biến đổi mỗi lần va chạm với ion dương nặng, được xem như đứng yên. Khoảng cách trung bình giữa hai lần va chạm được gọi là đoạn đường tự do trung bình. Vì đây là chuyển động tán loạn, nên ở một thời điểm nào đó, số điện tử trung bình qua một đơn vị diện tích theo bất cứ chiều nào sẽ bằng số điện tử qua đơn vị diện tích ấy theo chiều ngược lại. Như vậy , dòng điện trung bình triệt tiêu.
Trang 12 Biên soạn: Trương Văn Tám CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Giả sử, một điện trường E được thiết lập trong mạng tinh thể kim loại, ta thử khảo sát chuyển động của một điện tử trong từ trường nầy. en e1 e2 x Hình 2 Hình trên mô tả chuyển động của điện tử dưới tácdụng của điện trường E. Quỹ đạo của điện tử là một đường gấp khúc vì điện tử chạm vào các ion dương và đổi hướng chuyển động. Trong thời gian t=n lần thời gian tự do trung bình, điện tử di chuyển được x một đoạn đường là x.
Vận tốc v = gọi là vận tốc trung bình. Vận tốc này tỉ lệ với điện t trường E. v = µE Hằng số tỉ lệ µ gọi là độ linh động của điện tử, tính bằng m2/Vsec. Điện tích đi qua mỗi đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian được gọi là mật độ dòng điện J.v Trong đó, n: mật độ điện tử, e: điện tích của một electron Bây giờ, ta xét một điện tích vi cấp S đặt thẳng góc với chiều di chuyển của điện tử.
Những điện tử tới mặt S ở thời điểm t=0 (t=0 được chọn làm thời điểm gốc) là những điện tử ở trên mặt S’ cách S một khoảng v (vận tốc trung bình của điện tủ) ở thời điểm t=-1. Ở thời điểm t=+1, những điện tử đi qua mặt S chính là những điện tử chứa trong hình trụ giới hạn bởi mặt S và S’. Điện tích của số điện tử này là q=n.s, với n là mật độ điện tử di chuyển. Vậy điện tích đi ngang qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị t = -1 t=0 thời gian là: J=n.v S’ S Nhưng v = µE nên J = n.E Người ta đặt σ = n.µ (đọc là Sigma) v Hình 3 Nên J = σE σ gọi là dẫn xuất của kim loại 1 Và ρ = gọi là điện trở suất của kim loại σ Điện trở suất tính bằng Ωm và dẫn suất tính bằng mho/m Trang 13 Biên soạn: Trương Văn Tám CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giáo trình Linh Kiện Điện Tử II.
PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG: K A 5cm v0 M(x) 0 EC = 2eV - 10V + Hình 4 Phương pháp khảo sát này căn cứ trên định luật bảo toàn lượng. Để dễ hiểu, ta xét thí dụ sau đây: Một diode lý tưởng gồm hai mặt phẳng song song bằng kim loại cách nhau 5 Cm. Anod A có hiệu điện thế là –10V so với Catod K. Một điện tử rời Catod K với năng lượng ban đầu Ec=2eV.
Tính khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời Catod. Giả sử, điện tử di chuyển tới điểm M có hoành độ là x. Điện thế tại điểm M sẽ tỉ lệ với hoành độ x vì điện trường giữa Anod và Catod đều. Điện thế tại một điểm có hoành độ x là: V = αx + β Khi x=0, (tại Catod) ⇒ V = 0 ⇒ β = 0 Nên V = αx Tại x=5 Cm (tại Anod A) thì V=-10volt ⇒ α = −2 Vậy V=-2x (volt) với x tính bằng Cm Suy ra thế năng tại điểm M là: U = QV = +2.x (Joule) với e là điện tích của điện tử.
Ta có thể viết U = 2.x (eV) Năng lượng toàn phần tại điểm M là: 1 T= mv 2 + U 2 Trang 14 Biên soạn: Trương Văn Tám CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Năng lượng này không thay đổi. Trên đồ thị, T được biểu diễn bằng đường thẳng song song với trục x. 1 Hiệu T − U = mv 2 là động năng của điện tử. Động năng này tối đa tại điểm O 2 (Catod) rồi giảm dần và triệt tiêu tại điểm P có hoành độ x0.
Nghĩa là tại điểm x0, điện tử dừng lại và di chuyển trở về catod K. Vậy x0 là khoảng cách tối đa mà điện tử có thể rời xa Catod.x0=0 => x0=1Cm Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng với năng lượng toàn phần có sẵn T, điện tử không thể vượt qua rào thế năng U để vào phần có gạch chéo. Ta thấy rằng nếu biết năng lượng toàn phần của hạt điện và sự phân bố thế năng trong môi trường hạt điện, ta có thể xác định được đường di chuyển của hạt điện. Phần sau đây, ta áp dụng phương pháp trên để khảo sát sự chuyển động của điện tử trong kim loại.
THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI: Nếu ta có một nguyên tử duy nhất α thì điện thế tại một điểm cách α một khoảng r là: Trang 15 Biên soạn: Trương Văn Tám CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giáo trình Linh Kiện Điện Tử k V= +C r Nếu chọn điện thế tại một điểm rất xa làm điện thế Zero thì C=0. Vậy một điện tử có điện tích –e ở cách nhân α một đoạn r sẽ có thế năng là: ke U = −eV = − r -e U -e α r 0 r Hình 6 Hình trên là đồ thị của thế năng U theo khoảng cách r. Phần đồ thị không liên tục ứng với một điện tử ở bên trái nhân α. Nếu ta có hai nhân α và β thì trong vùng giữa hai nhân này thế năng của điện tử là tổng các thế năng do α và β tạo ra.
Trong kim loại, các nhân được sắp xếp đều đặn theo 3 chiều. Vậy, ta có thể khảo sát sự phân bố của thế năng bằng cách xét sự phân bố dọc theo dải α, β và γ. Trang 16 Biên soạn: Trương Văn Tám CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giáo trình Linh Kiện Điện Tử U Điện tử tự do 0 α β γ ε EB U0 Điện tử buộc V0 = 0 EB Hình 7 + Hình trên biểu diễn sự phân bố đó. Ta thấy rằng có những vùng đẳng thế rộng nằm xen kẻ với những vùng điện thế thay đổi rất nhanh.
Mặt ngoài của mỗi kim loại không được xác định hoàn toàn và cách nhân cuối cùng một khoảng cách nhỏ. Vì bên phải của nhân ε không còn nhân nên thế năng tiến tới Zero chứ không giữ tính tuần hoàn như bên trong kim loại. Do đó, ta có một rào thế năng tại mặt ngoài của kim loại. Ta xét một điện tử của nhân β và có năng lượng nhỏ hơn U0, điện tử này chỉ có thể di chuyển trong một vùng nhỏ cạnh nhân giữa hai rào thế năng tương ứng.
Đó là điện tử buộc và không tham gia vào sự dẫn điện của kim loại. Trái lại, một điện tử có năng lượng lớn hơn U0 có thể di chuyển từ nguyên tử này qua nguyên tử khác trong khối kim loại nhưng không thể vượt ra ngoài khối kim loại được vì khi đến mặt phân cách, điện tử đụng vào rào thế năng. Các điện tử có năng lượng lớn hơn U0 được gọi là các điện tử tự do. Trong các chương sau, ta đặt biệt chú ý đến các điện tử này.
Vì hầu hết khối kim loại đều có cùng điện thế V0 tương ứng với thế năng U0=-eV0 nên ta có thể giả sử khối kim loại là một khối đẳng thế V0. Nhưng điện thế tùy thuộc vào một hằng số cộng nên ta có thể chọn V0 làm điện thế gốc (V0=0V). Gọi EB là chiều cao của rào thế năng giữa bên trong và bên ngoài kim loại. Một điện tử bên trong khối kim loại muốn vượt ra ngoài phải có ít nhất một năng lượng U=EB, vì vậy ta cần phải biết sự phân bố của điện tử theo năng lượng.
Trang 17 Biên soạn: Trương Văn Tám CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giáo trình Linh Kiện Điện Tử III. SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: Gọi ∆nE= là số điện tử trong một đơn vị thể tích có năng lượng từ E đến E+∆E. ∆n E Theo định nghĩa, mật độ điện tử trung bình có năng lượng từ E đến E+∆E là tỉ số. ∆E Giới hạn của tỉ số này khi ∆E → 0 gọi là mật độ điện tử có năng lượng E.
Ta thấy rằng ρ(E) chính là số trạng thái năng lượng E đã bị điện tử chiếm. Nếu gọi n(E) là số trạng thái năng lượng có năng ρ(E) lượng E mà điện tử có thể chiếm được. Người ta chứng minh được rằng: tỉ số bằng n (E) một hàm số f(E), có dạng: ρ( E ) 1 f (E) = = E −E F n (E) 1+ e KT Trong đó, K=1,381.10 −5 (V/ 0 K) e EF năng lượng Fermi, tùy thuộc vào bản chất kim loại. Mức năng lượng này nằm trong dải cấm.
Ở nhiệt độ rất thấp (T≈00K) Nếu E<EF, ta có f(E)=1 Nếu E>EF, ta có f(E)=0 Vậy f(E) chính là xác suất để tìm thấy điện tử có năng lượng E ở nhiệt độ T. Hình sau đây là đồ thị của f(E) theo E khi T≈00K và khi T=2. f(E) 1 T=00K ρ(E) T=00K ½ T=25000K T=25000K EF E EF E Trang 18 Biên soạn: Trương Văn Tám Hình 8 + CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta chấp nhận rằng: 1 N(E) = γ.E 2 γ là hằng số tỉ lệ. Lúc đó, mật độ điện tử có năng lượng E là: 1 ρ(E ) = f (E ).