Chương 4 VẬT LIỆU BÁN DẪN 4. Khái niệm chung về bán dẫn 4. Các khái niệm cơ bản về bán dẫn 4. Vùng năng lượng trong chất rắn Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử.
Trong vật rắn tinh thể các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giống nhau. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập, không tương tác với nhau. Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho phép, giống như trong trường hợp chỉ có một nguyên tử đơn độc. Trong số các mức năng lượng đó có một số mức bị chiếm bởi electron.
Ở trạng thái cơ bản electron chỉ chiếm những mức năng lượng thấp nhất. Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗi giá trị lượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác với nhau thì sự chuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử của nó mà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Khi có 2 nguyên tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli hai electron phải ở hai trạng thái khác nhau.
Do đó, mỗi mức năng lượng cũ bây giờ bị tách thành 2 mức năng lượng. Nếu hệ chứa N nguyên tử thì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức. Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép. Trong 1cm3 có khoảng 1022 nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ tách thành 1 số rất lớn, mà độ rộng của một vùng năng lượng khoảng một vài eV.
Do vậy, khoảng cách giữa các mức nhỏ trong vùng năng lượng khoảng 10-22eV, có thể nói sự biến thiên năng lượng trong một vùng năng lượng gần như liên tục. Giữa các vùng năng lượng là các vùng trống (gọi là vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ trạng thái nào của electron. Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1 mức tăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép. Những electron ở vòng quĩ đạo ngoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất.
Vì vậy, có vùng năng lượng rộng nhất. Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng lượng hẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cô lập. Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử tức là phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể. Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụ thuộc vào độ lớn nguyên tử.
Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm. Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏ trống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn.
Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được 92 điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện. Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV. Do vậy, các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện.
Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1eV. Ở 00K chúng là chất cách điện. Ở nhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống.
- Electron tự do trong vùng dẫn - Lỗ trống trong vùng hóa trị Hình 4-1. Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trống mang điện tích dương. Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng của electron đứng yên hay chính là thế năng của electron. Do đó, đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron, tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống.
Nếu electron ở mức năng lượng cao hơn WC hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thì các electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị. Đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron 93 4. Phân loại VLBD Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia ra bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hóa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ trường và bán dẫn lỏng.
Tất cả có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản gồm Bo (B), Silic (Si), Germani (Ge), Photpho (P), Asen (As), Lưu huỳnh (S), Selen (Se), Telua (Te), Iốt (I). Các chất Germani, Silic và Selen có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật hiện đại. Bán dẫn hợp chất hóa học là hợp chất của các nguyên tố thuộc các nhóm khác nhau trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep tương ứng với dạng tổng quát AIVBIV (SiC), AIIIBV (InSb,GaAs) và một số chất có thành phần phức tạp. Điện dẫn của bán dẫn Theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất, bề rộng vùng cấm của các chất bán dẫn có trị số khoảng 1-3eV.
Bảng 4-1 đưa ra số liệu bề rộng vùng cấm của một số chất bán dẫn. Số liệu bề rộng vùng cấm của một số chất bán dẫn Nguyên tố Bề rộng vùng cấm eV Nguyên tố Bề rộng vùng cấm eV Bo 1,1 Lưu huỳnh 2,5 Silic 1,12 Selen 1,7 Germani 0,72 Telua 0,36 Photpho 1,5 Iot 1,25 Asen 1,2 Theo sơ đồ năng lượng của bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T nào đó ở vùng dẫn đã có một vài điện tử chuyển qua và tạo nên vùng hóa trị một số lỗ trống , vì với mỗi một sự chuyển dời điện tử trong bán dẫn đồng thời tạo ra hai hạt mang điện trái dấu, nên tổng số các hạt mang điện sẽ bằng hai lần số điện tử tự do ở vùng dẫn. Cấu trúc tinh thể của VLBD Khảo sát 2 VLBD chính là Silic và germani: Hạt tải điện trong chất bán dẫn là các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị. Xét cấu trúc của tinh thể Gecmani hoặc Silic biểu diễn trong không gian hai chiều như trong hình 4-3: Gecmani (Ge) và Silic (Si) đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng.
Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử Ge (hoặc Si) sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình vào liên kết cộng hóa trị với 4 điện tử hóa trị của 4 nguyên tử kế cận để sao cho mỗi nguyên tử đều có hóa trị 4. Hạt nhân bên trong của nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4. Như vậy các điện tử hóa trị ở trong liên kết cộng hóa trị sẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân. Do vậy, mặc dù có sẵn 4 điện tử hóa trị nhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp.
Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng như ở hình 4-3 là gần đúng và tinh thể bán dẫn như là một chất cách điện. Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều 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. 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. Tinh thể Ge với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ Cấu trúc tinh thể của Silic, Germani trong mạng không gian ba chiều là cấu trúc kim cương.
Gồm 2 lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách nhau ¼ đường chéo trong không gian. Cấu trúc tinh thể của Si, Ge, cấu trúc kim cương 4. VLBD tinh khiết Ở nhiệt độ T = 00K không có electron nào ở vùng hóa trị có đủ năng lượng bằng năng lượng vùng cấm Wg để nhảy lên vùng dẫn, để VLBD có thể dẫn điện. Ở nhiệt độ này VLBD không có tính dẫn điện giống như điện môi lý tưởng.
Khi T > 0 tồn tại một xác suất có một số electron do nhận được năng lượng nhiệt sẽ vượt qua vùng cấm để có mặt ở vùng dẫn, trở thành electron tự do. Như vậy sẽ tạo thành một số lỗ trống ở vùng hóa trị, do các lỗ trống này mà electron ở vùng hóa trị sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện. Bản chất của sự chuyển động của các lỗ trống này có thể hình dung như sự chuyển động của các điện tích dương với một giá trị khối lượng hiệu dụng nào đó. Sự chuyển động của electron tự do trong miền dẫn dễ dàng hơn sự chuyển động của lỗ trống trong vùng hóa trị.
Nói cách khác, tính linh động của electron (μn) trong vùng dẫn lớn hơn tính linh động của lỗ trống (μp) trong vùng hóa trị. Điện dẫn suất của VLBD xác định như sau: σ = n μn + p μp (4-1) Trong đó: n, p - Là mật độ electron và lỗ trống (cm-3) trong VLBD. VLBD tinh khiết là VLBD có thể bỏ qua ảnh hưởng của tạp chất trong nó.