Bài giảng Vật lý hiện đại - Chương 4: Điện tử trong vật rắn - Trần Thị Tâm

1Chương IV-VLLT1 CH−ơNG iV: điện tử trong vật rắn Phần 1. Kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện 4.1.1 Tính chất của vật rắn, tính dẫn điện. Nú cú những tớnh chất gỡ? • Cỏc tớnh chất cừ học? • Cỏc tớnh chất quang học? • Cỏc tớnh chất từ? • Tớnh dẫn điện? • Tớnh dẫn nhiệt? • và .. C & Si Cu Chương IV-VLLT2 Tính dẫn điện. •Phép đo điện cơ bản mà chúng ta có thể làm với một mẫu là điện trở suất ρ của nó ở nhiệt độ phòng. •Bằng cách đo ρ ở các nhiệt độ khác nhau, chúng ta cũng nhận đ−ợc giá trị của hệ số nhiệt điện trở α. •Cuối cùng bằng cách thực hiện các phép đo hiệu ứng Hall, chúng ta có thể tỡm đ−ợc giá trị của n, là số các hạt tải điện trong một đơn vị thể tích của vật liệu đang xét. dT dρ ρα 1= Chương IV-VLLT3 -70.10-3+4.10-3K-1Hệ số nhiệt điện trở α 3.1032.10-8ΩmĐiện trở suất ρ 1.10169.1028m-3Mật độ các hạt tải điện b),n Chất bán dẫnKim loạiLoại vật dẫn SilicĐồng Bảng1. Một số tính chất điện của hai loại vật liệu tiêu biểua) a) Tất cả các giá trị đều đo ở nhiệt độ phòng b) Giá trị đối với chất bán dẫn bao gồm cả điện tử và lỗ trống 2Chương IV-VLLT4 4.1.2 Các mức năng l−ợng trong vật rắn. QM về chất rắn – lý thuyết vựng năng lượng một cỏch định tớnh Chương IV-VLLT5 VB CB Eg vựng hoỏ trị vựng dẫn vựng cấm Chương IV-VLLT6 VB rỗng Chất cỏch điện Eg - rất rộng, rất khú cho chuyển dời do nhiệt Chất bỏn dẫn Eg - nhỏ CB - rỗng VB - đầy Eg – vựng cấm giản đồ năng lượng Kim cương Eg = 5,4 eV Silic Eg = 1,1 eV 3Chương IV-VLLT7 giản đồ năng lượng của kim loại VB/CB lấp đầy một phần hoặc VB&CB chồng lờn nhau hoặc Eg rất rất nhỏ Kim loại: Chương IV-VLLT8 Nă ng lượ ng 3p 3s (a) 3p 3s (b) 3p 3s (c) Hỡnh. Giản đồ vựng năng lượng của một vài chất dẫn điện kim loại. (a) Natri 3s1: vựng 3s chỉ đầy cú một nửa, do chỉ cú một điện tử . (b) Magiờ, 3s2 : vựng 3s được lấp đầy và chồng một phần lờn vựng 3p rỗng. (c) Nhụm, 3s23p1: vựng 3s lấp đầy và chồng lờn vựng 3p đầy một phần. Chương IV-VLLT9 4Chương IV-VLLT10 (b) Cỏc điện tử hoỏ trị trong dạng điện tớch õm cỏ biệt Cỏc lừi ion dương (a) Cỏc điện tử hoỏ trị trong dạng đỏm mõy điện tử Mụ hỡnh cổ điển Chương IV-VLLT11 4.1.3 Chất cách điện. (chất điện mụi) • trong chất cỏch điện, Eg rất lớn - lớn đến mức tại nhiệt độ đủ cao, điện tử VB khụng thể nhẩy sang CB với số lượng tương đối – vựng VB đầy & vựng CB rỗng (hỡnh). • do vậy, khụng cú dũng chạy trong chất cỏch điện, bởi khụng tồn tại hạt tải tự do (ρkim cương ∼ 1016) • Vớ dụ: đối với kim c−ơng Eg = 5,4 eV lớn gần gấp 140 lần so với năng l−ợng chuyển động nhiệt trung bỡnh của các hạt tự do ở nhiệt độ phòng. Chương IV-VLLT12 •Khi nhiệt độ T tăng, Khi nhiệt độ tăng, động năng của e- (KE ∼ kT) tăng là cho e- chuyển động nhanh hơn, NHƯNG lại va chạm nhiều hơn với cỏc ion trong mạng tinh thể, vị vậy tốc độ trung bỡnh lại giảm đi. • Tốc độ trung bỡnh giảm đi, cú nghĩa là độ linh động của e- cũng giảm đi, dẫn đến sự tăng điện trở nhẹ khi T tăng: ( )[ ]00 1 TTRR −+= α 4.1.4 Kim loại, sự dẫn điện trong kim loại. 5Chương IV-VLLT13 Chương IV-VLLT14 •Mức bị chiếm cao nhất trong vùng này (ở không độ tuyệt đối) đ−ợc gọi là năng l−ợng Fermi EF ; • thớ dụ đối với đồng EF = 7,0 eV & động năng trung bỡnh là 4,2 eV. •Vận tốc của điện tử t−ơng ứng với năng l−ợng Fermi đ−ợc gọi là vận tốc Fermi ; đối với đồng = 1,6 m/s. Fυ Fυ T = 0°K 1.5 Mức năng l−ợng Fermi trong kim loại. E =0 EF Chương IV-VLLT15 Các điều kiện đối với T > 0 •Chỉ có những điện tử ở gần năng l−ợng Fermi là tỡm thấy các mức trống phía trên nó và cũng chỉ có các điện tử đó mới đ−ợc tự do nhảy lên các mức năng l−ợng cao hơn bởi chuyển động nhiệt. •ở T = 1000°K. kT = 0,086 eV, không có một điện tử nào hy vọng có đ−ợc sự thay đổi năng l−ợng lớn hơn ít lần con số t−ơng đối nhỏ bé đó nếu chỉ dựa vào chuyển động nhiệt. Mọi "hành động" đều chỉ xảy ra đối với các điện tử có năng l−ợng gần năng l−ợng Fermi. 6Chương IV-VLLT16 Kim loại xét định l−ợng Các trạng thái l−ợng tử "Có bao nhiêu trạng thái (trong một đơn vị thể tích) có năng l−ợng nằm trong khoảng từ E đến E + dE?" Số này có thể viết d−ới dạng với đ−ợc gọi là mật độ trạng thái. Nếu chúng ta giả thiết rằng các điện tử dẫn chuyển động trong vùng có thế năng là hằng số, thỡ ng−ời ta chứng minh đ−ợc: ( )dEEn ( )En ( ) 2/13 2/328 E h mEn π= Chương IV-VLLT17 Sự choán đầy các trạng thái ở T = 0 - hàm xác suất( )Ep ( ) ( ) ( )EpEnEn .0 = ( )En0 - là mật độ các trạng thái bị chiếm. Chương IV-VLLT18 ( )dEEnn FE∫= 0        == ∫ 322828 2 3 3 2 3 0 2 1 3 2 3 F E E h mdEE h mn F ππ 3 22 3 22 32 12,0 216 3 n m hn m hEF =  = π 7Chương IV-VLLT19 T > 0 ( ) ( ) 1 1 / += − kTEE FeEP Chương IV-VLLT20 4.1.6 Chất bán dẫn, chất bán dẫn thuần. • Chất bán dẫn là các vật liệu có độ dẫn điện nằm giữa kim loại có độ dẫn cao và chất cách điện hầu nh− không dẫn. •Chất bán dẫn thuần (intrinsic semiconductor) là chất bán dẫn sạch mà độ dẫn điện của nó đ−ợc xác định bởi các tính chất dẫn điện vốn có của nó. Chương IV-VLLT21 Lưu ý rằng cả hai đều cú 4 điện tử hoỏ trị Hai loại bỏn dẫn tiờu biểu 8Chương IV-VLLT22 Chương IV-VLLT23 Chương IV-VLLT24 Độ rộng vựng cấm của một số bỏn dẫn tiờu biểu tại một vài giỏ trị của nhiệt độ Germanium Silicon Galium Arsenide T = 300 K T = 400 K T = 500 K T = 600 K 0.66 eV 0.62 eV 0.58 eV 0.54 eV 1.12 eV 1.09 eV 1.06 eV 1.03 eV 1.42 eV 1.38 eV 1.33 eV 1.28 eV 9Chương IV-VLLT25 • ta cú thể thay đổi mật độ hạt tải điện rất nhiều bậc – thớ dụ như mật độ hạt tải điện của silic thuần là ∼10 10 cm-3, nhưng dễ dàng tăng lờn 7 bậc khi chiếu ỏnh sỏng với cụng suất trung bỡnh (∼10 17 cm-3) và như vậy điện trở của mẫu giảm đi 7 bậc. • Trờn thực tế mật độ hạt tải điện thay đổi theo hàm mũ n ∼ const. exp( - Eg /2kT) (hỡnh). • Tớnh chất này rất hữu ớch khi ta muốn chế tạo ra cỏc sensor nhiệt độ hay cỏc điện trở phụ thuộc vào chiếu sỏng (LDR) Chương IV-VLLT26 • điện trở suất, ρ • Hệ số nhiệt điện trở, α . • điện trở suất của silic (và các chất bán dẫn khác) giảm khi nhiệt độ tăng τρ 2ne m= dT dρ ρα 1= 0< dT dρ Chương IV-VLLT27 4.1.7 Sự pha tạp - doping, các chất bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. • cỏi đỏng kể nhất của bỏn dẫn là ta cú thể chủ tõm pha thờm cỏc nguyờn tử tạp chất vào mạng – mà những nguyờn tử đú cú số điện tử hoỏ trị khỏc với hoỏ trị của nguyờn tử chủ. • quỏ trỡnh này – ta gọi là pha tạp – cú thể dựng để kiểm tra một cỏch chớnh xỏc cỏc tớnh chất điện của thiết bị được chế tạo từ cỏc vật liệu pha tạp đú. • Chất bỏn dẫn được pha tạp – extrinsic semiconductor 10 Chương IV-VLLT28 Cỏi gỡ xẩy ra nếu như ta thờm chẳng hạn như nguyờn tử P cú hoỏ trị 5 vào mạng silic? “mức cho” tại T=0 K T≠0 K Chương IV-VLLT29 • Đối với loại bán dẫn n các hạt tải điện mạng điện tích âm lớn hơn rất nhiều so với các hạt tải điện mạng điện tích d−ơng. Các hạt tải điện mạng điện tích âm đó - đ−ợc gọi là các hạt tải điện chủ yếu - chính là các điện tử ở vùng dẫn. •Còn các hạt tải điện d−ơng - trong tr−ờng hợp này đ−ợc gọi là hạt tải điện thứ yếu – chính là các lỗ trống ở vùng hoá trị. Chương IV-VLLT30 Và cỏi gỡ xẩy ra nếu như ta thờm cỏc loại nguyờn tử như: B, Al, Ga hoặc In cú hoỏ trị 3 vào mạng silic? “mức nhận” tại T=0 K “ ức nhận” tại T=0 K T≠0 K 11 Chương IV-VLLT31 • mức năng lượng này được gọi là mức nhận, cũn nguyờn tử là nguyờn tử nhận, bởi nú “nhận” hoặc chuyển đi một điện tử từ chất rắn và chất bỏn dẫn này được gọi là loại p (positive) bởi cú thờm một điện tớch dương trong mạng. • Số hạt tải điện tích điện d−ơng lớn hơn rất nhiều so với số hạt tải điện âm. Trong chất bán dẫn loại p phần tử tải điện chủ yếu là các lỗ trống trong vùng hoá trị và các phần tử tải điện thứ yếu là các điện tử ở vùng dẫn. Chương IV-VLLT32 Bảng sau tổng kết các tính chất của chất bán dẫn loại n và loại p điển hỡnh. Silic Nhôm Chất nhận Loại p 3 (= 4-1) 57 meV lỗ trống điện tử - e Silic Photpho Chất cho Loại n 5 (= 4+1) 45 meV điện tử lỗ trống + e Vật liệu mạng Chất pha tạp Loại chất tạp Loại chất bán dẫn Hoá trị của chất tạp Khe năng l−ợng chất tạp Phần tử tải điện chủ yếu Phần tử tải điện thứ yếu Điện tích của lõi ion chất tạp Chương IV-VLLT33 Cỏc năng lượng của một số mức cho và mức nhận tiờu biểu trong bỏn dẫn pha tạp 12 Chương IV-VLLT34 4.1.8 Lớp chuyển tiếp p-n. Chương IV-VLLT35 Chương IV-VLLT36 13 Chương IV-VLLT37 Mức Fermi trong cấu trỳc vựng năng lượng của bỏn dẫn loại n & p VB CB VB CB loại n loại p ED EA EF EF Eg Chương IV-VLLT38 Cấu trỳc vựng năng lượng của chuyển tiếp p - n Chương IV-VLLT39 Chuyển động của các phần tử tải điện chủ yếu •Các điện tử ở gần mặt phẳng chuyển tiếp khuếch tán qua nó. Cũn các lỗ trống có xu h−ớng khuếch tán qua mặt phẳng chuyển tiếp từ trái qua phải tạo dòng khuếch tán, idiff , h−ớng từ trái qua phải. •Khi các điện tử khuếch tán qua mặt phẳng chuyển tiếp, sẽ “để lộ” ra một trong số các ion chất cho và nh− vậy là đ−a một điện tích d−ơng cố định vào vật liệu loại n. Khi các điện tử khuếch tán tới đ−ợc phía bên kia bờ thế, nó sẽ nhanh chóng tỡm thấy một lỗ trống và kết hợp với nó, tạo ra các ion õm trong vật liệu loại p. 14 Chương IV-VLLT40 • Nh− vậy, vùng điện tích d−ơng cố định sẽ đ−ợc tạo lập ở một phía của bờ thế và các điện tích âm cố định ở phía khác và tạo ra cái đ−ợc gọi là vùng nghèo. • Các điện tích cố định này gây ra một hiệu điện thế tiếp xúc dựng ngang qua lớp chuyển tiếp có tác dụng nh− một bờ thế hạn chế sự tiếp tục khuếch tán của cả điện tử lẫn lỗ trống ngang qua mặt phẳng chuyển tiếp . Chương IV-VLLT41 Chuyển động của các phần tử tải điện thứ yếu • Hiệu điện thế tiếp xỳc tạo điều kiện cho các phần tử tải điện thứ yếu đi qua. •Nh− vậy vùng nghốo điện tích không gian núi trờn bị quá trỡnh đó quét hết các phần tử tải điện thứ yếu và vỡ thế vùng đó - vùng nghèo. • Dòng đ−ợc biểu diễn bởi chuyển động của các phần tử tải điện thứ yếu đ−ợc gọi là "dòng trôi” idrift, có h−ớng ng−ợc với dòng khuếch tán và bù trừ nó ở cân bằng. Chương IV-VLLT42 Nh− vậy, ở cân bằng, khi đã an bài, lớp chuyến tiếp p - n có một hiệu điện thế tiếp xúc V0 giữa hai đầu của nó. Dòng khuếch tán idiff chuyển động qua mặt phẳng chuyển tiếp từ p tới n sẽ bị cân bằng hoàn toàn bởi dòng trôi idrift chuyển động theo chiều ng−ợc lai. 15 Chương IV-VLLT43 4.1.9 Chỉnh l−u bằng diod. • Lớp chuyển tiếp p - n về cơ bản là một bộ chỉnh l−u hai cực. • Một bộ chỉnh l−u điốt lí t−ởng chỉ có hai kiểu hoạt động: bật (điện trở zêrô) hoặc là tắt (điện trở vô cùng lớn) • Hỡnh trờn cho thấy kí hiệu quy −ớc đối với bộ chỉnh l−u điốt. Đầu mũi tên t−ơng ứng với cực loại p của điốt và chỉ h−ớng thuận đối với dòng điện. Tức là điốt mở khi cực có đầu mũi tên là (đủ) d−ơng đối với cực kia. P N Chương IV-VLLT44 Cỏch mắc thuận (a) và nghịch (b) (a) (b) Chương IV-VLLT45 Thiờn ỏp ngược loại n V0 +- np Bờ thế cao lờn, vựng nghốo rộng ra 16 Chương IV-VLLT46 V0 -+ np Bờ thế thấp xuống, vựng nghốo co lại Thiờn ỏp thuận Chương IV-VLLT47 Chương IV-VLLT48 Khi thiờn ỏp ngược, dũng dũ phỏt sinh do hạt tải thứ yếu Khi thiờn ỏp thuận, dũng chuyển động của hạt tải chủ yếu lớn Đường đặc trưng Volt – Amper của một chuyển tiếp p - n 17 Chương IV-VLLT49 Đặc trưng volt – amper (IV) của diode ứng dụng trong nắn dũng từ AC ⇒ DC Chương IV-VLLT50 Đường đặc trưng Volt – Amper của một số loại chuyển tiếp p – n và đầu quang điện Chương IV-VLLT51 +- gg E ch hE c v c === / λhv Trong chất bỏn dẫn thường, photon bị tỏi hấp thụ Tại chuyển tiếp p-n, khi thiờn ỏp thuận, dễ dàng tạo ra phõn bố đảo 4.1.10 Diod phát quang (LED). 18 Chương IV-VLLT52 Chuyển tiếp đồng nhất dưới thiờn ỏp thuận: -+ Chương IV-VLLT53 Chuyển tiếp hỗn tạp dưới thiờn ỏp thuận: Chương IV-VLLT54 19 Chương IV-VLLT55 4.1.11 Transitor. a. Transitor lưỡng cực Chương IV-VLLT56 Chương IV-VLLT57 20 Chương IV-VLLT58 MOSFET- Transitor trường MOSFET – Metal Oxyt Semiconductor Field Effect Transitor – là một loại linh kiện cho phộp chỳng ta dựng một tớn hiệu kiểm tra một tớn hiệu khỏc. Chương IV-VLLT59 Chương IV-VLLT60 MOSFET trong mạch khuếch đại thế