Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 7: Các chất bán dẫn điện

Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 7: Các chất bán dẫn điện. Bài này cung cấp cho học viên những kiến thức về: các chất bán dẫn điện; các chất bán dẫn nguyên tố; các chất bán dẫn hợp chất; tạp chất trong các chất bán dẫn; nồng độ các hạt tải điện trong chất bán dẫn; điều kiện trung hòa điện trong chất bán dẫn mức Fermi; các hạt tải điện không cân bằng;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 7: Các chất bán dẫn điện Baøi 7 Nuoâi ñôn tinh theå Ge I. Caùc chaát baùn daãn ñieän Ñònh nghóa § Chaát baùn daãn laø caùc chaát coù ñoä ñoä daãn ñieän s naèm trong khoaûng töø 10-10 W-1 cm-1 ( ñieän moâi ) ñeán 104 ¸ 106 W-1 cm-1 ( kim loaïi ) § s cuûa chaát baùn daãn phuï thuoäc nhieàu vaøo caùc yeáu toá beân ngoaøi nhö nhieät ñoä, aùp suaát, ñieän tröôøng, töø tröôøng, taïp chaát ... Taïp chaát laøm thay ñoåi raát nhieàu ñoä daãn ñieän cuûa caùc chaát baùn daãn Pha taïp chaát Bo vaøo tinh theå Si theo tyû leä 1 : 105 laøm taêng ñoä daãn ñieän cuûa Si leân 1000 laàn ôû nhieät ñoä phoøng. Söï phuï thuoäc cuûa ñieän trôû suaát r (Wcm) cuûa Si vaø GaAs vaøo noàng ñoä taïp chaát ôû 300K Noàng ñoä Si GaAs taïp chaát N P N P ( cm-3) ni 2.105 7.107 1014 40 180 12 160 1015 4,5 12 0,9 22 1016 0,6 1,8 0,2 2,3 1017 0,1 0,3 9.10-3 0,3 1018 2,5.10-2 6,2.10-2 2,1.10-3 3,5.10-2 6.10-3 1,2.10-2 2,9.10-4 8,0.10-3 1019 Söï phuï thuoäc cuûa ñieän trôû suaát vaøo noàng ñoä taïp chaát Söï phuï thuoäc cuûa ñieän trôû vaøo nhieät ñoä • Kim loaïi : Ñieän trôû suaát phuï thuoäc nhieät ñoä gaàn nhö tuyeán tính rT = ro [1 + aT (T - To )] vôùi rT = ñieän trôû suaát ôû nhieät ñoä T (oC) ro = ñieän trôû suaát ôû moät nhieät ñoä tham chieáu naøo ñoù To ( thöôøng laø 0 hoaëc 20oC) vaø aT = heä soá nhieät cuûa ñieän trôû suaát. • Söï bieán thieân cuûa ñieän trôû theo nhieät ñoä RT = Ro [1 + a T (T - To ) ] Ñ trôû suaát r Heä soá nhieät Ñoä daãn ñieän s Vaät lieäu (ohm m) treân ñoä C x 107 /Wm Baïc 1,59 x10-8 .0061 6,29 Ñoàng 1,68 x10-8 .0068 5,95 Nhoâm 2,65 x10-8 .00429 3,77 Tungsten 5,6 x10-8 .0045 1,79 Saét 9,71 x10-8 .00651 1,03 Baïch kim 10,6 x10-8 .003927 0,943 Manganin 48,2 x10-8 .000002 0,207 Chì 22 x10-8 ... 0,45 Thuûy ngaân 98 x10-8 .0009 0,10 Söï phuï thuoäc cuûa ñieän trôû vaøo nhieät ñoä Chaát baùn daãn : Ñieän trôû suaát phuï thuoäc nhieät ñoä theo haøm muõ : giaûm khi nhieät ñoä taêng. A rT = r o exp( ) kT A s T = s o exp(- ) kT Caùc chaát baùn daãn nguyeân toá Ñôn tinh theå Si nuoâi baèng kyõ thuaät Czochralski cuûa Haõng Wacker Silitronix Hikari Nhaät baûn. Ñöôøng kính 300 mm, chieàu daøi hôn 1,2 m. Ñôn tinh theå Si ñöôøng kính 30 cm ñoä saïch 99,999999999% Caùc chaát baùn daãn hôïp chaát Chaát baùn daãn hôïp chaát ( AxB8-x ) : Chaát baùn daãn nhieàu thaønh phaàn : AlGaAs, InGaAsN , ... II. Taïp chaát trong caùc chaát baùn daãn v Taïp chaát thay theá v Taïp chaát ñieàn khích Taïp chaát trong caùc chaát baùn daãn : Taïp chaát ñoâ no vaø ac-xep-to Chu kyø Nhoùm Ac-xep-to Ñoâ-no 1) Taïp chaát thuoäc nhoùm V trong chaát baùn daãn nhoùm IV Moâ hình nguyeân töû Hydro cuûa Bohr -e Ion+ Ñoä lôùn cuûa baùn kính Bohr Nguyeân töû töông töï Hydrogen : Haøm soùng cuûa traïng thaùi cô baûn laø 3 1 é1ù 2 y (r ) = ê ú exp[-r / a0 ] p ë a0 û Baùn kính Bohr : a0 = 4pereoh2/mee2 xaùc ñònh ñoä môû roäng veà khoâng gian cuûa haøm soùng . Nguyeân töû Hydrogen : (er = 1 ) ao = 0,53 A. Moâ hình nguyeân töû Hydro cuûa Bohr Naêng löôïng lieân keát mo e 4 1 13 ,6 EH = - =- ( eV ) 2( 4pe o h)2 n2 n2 mo - khoái löôïng cuûa electron töï do e - ñieän tích cuûa electron eo - haèng soá ñieän moâi cuûa chaân khoâng h - haèng soá Planck n - soá löôïng töû chính Trong traïng thaùi cô baûn n = 1 , EH = - 13,6 eV Naêng löôïng ion hoùa taïp chaát ñoâ-no mn e 4 Ei = - 2( 4pe oe r h) 2 Naêng löôïng ion hoùa taïp chaát ñoâ-no 4 mn e 13 ,6 mn 1 Ei = - = - 2( 4pe oe r h) 2 n 2 mo e r2 Chaát Eg (eV) m*/mo Haèng soá baùn daãn ôû 273 K Electron Ltroáng ñieän moâi Ge 0,67 0,2 0,3 16 Si 1,14 0,33 0,5 12 InSb 0,16 0,013 0,6 18 InAs 0,33 0,02 0,4 14,5 InP 1,29 0,07 0,4 14 GaSb 0,67 0,047 0,5 15 GaAs 1,39 0,072 0,5 13 Ge : mn = 0,22 mo er = 16 Ei = 0,01 eV Si : mn = 0,33 mo er = 12 Ei = 0,031 eV Vôùi pheùp gaàn ñuùng ñaõ duøng, naêng löôïng ion hoùa nhö nhau cho moïi nguyeân töû taïp chaát thuoäc nhoùm V. Treân thöïc teá, naêng löôïng ñoù coù khaùc nhau vôùi caùc taïp chaát khaùc nhau, nhöng söï sai khaùc ñoù khoâng lôùn laém. Söï xuaát hieän caùc m ...