Chuong 7 vat lieu ban dan

Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 7
Chương 7
VẬT LIỆU BÁN DẪN

7.1 Khái niệm.
Theo lý thuyết về giải năng lượng thì vật liệu bán dẫn là loại vật liệu có giải cấm hẹp hơn
so với trong chất điện môi.
Về điện trở suất thì vật liệu dẫn điện có ρ trong phạm vi từ 10-6 - 10-3 Ω.cm (ở t=20oC)
điện môi có ρ =109-1019Ω.cm còn vật liệu bán dẫn có ρ =10-4-1010Ω.cm và có điện dẫn điện tử.
Điện dẫn của vật liệu bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng tác động bên ngoài và
cả các tạp chất khác nhau dù rằng hàm lượng của nó trong chất bán dẫn nguyên chất rất ít.
Trong chất bán dẫn có hai loại điện tử: “điện tử “ (n) và “điện tử lỗ “(p), do đó cho phép
chế tạo được các chi tiết có mặt ghép p-n. Khi trong chất bán dẫn có mặt ghép p-n thì sẽ có điện
kép có tác dụng chỉnh lưu đối với dòng điện xoay chiều. Dựa trên mặt ghép p-n nên các chất bán
dẫn được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật điện và kỹ thuật vô tuyến điện. (tạo các chỉnh lưu
công suất bé, các khuếch đại và máy phát). Các hệ thống bán dẫn cũng được dùng để biến đổi
các dạng năng lượng thành điện năng. Ngoài ra dùng bán dẫn còn giải quyết được nhiều vấn đề:
dùng làm các phần tử nung nóng, kích thích chấm tia điện tử trong các chỉnh lưu, trong đèn
chỉnh lưu, hấp thụ ít nhiều năng lượng trong ống dẫn sóng... đo cường độ điện trường, chỉ mức
phóng xạ...
Vật liệu bán dẫn dùng trong thực tế được chia ra thành các loại băng nguyên tố bán dẫn,
các liên kết hoá học và hợp kim bán dẫn, vật liệu bán dẫn phức hợp (gốm bán dẫn) và cả vật liệu
bán lỏng và vật liệu bán dẫn dạng thuỷ tinh.
Có 10 nguyên tố bán dẫn cho ở bảng dưới đây:
Nguyên tố Nhóm trong Bề rộng giải Nguyên tố Nhóm trong Bề rộng giải
bán dẫn. bảng cấm eV bán dẫn. bảng cấm eV
Mendeleep Mendeleep
Bo III 1,1 Lưu huỳnh VI 2,5
Cacbon IV 5,2 Selen VI 1,7
Silic IV 1,12 Tenlua VI 0,36
Giecmani IV 0,72
Photpho V 1,5 Iôt VII 1,25
Cxenic V 1,2
Chú ý là thiếc, antimoan đôi khi cũng thuộc về loại vật liệu bán dẫn (trong vài loại biến
thế nào đó) và cacbon (ở dạng kim cương) và lưu huỳnh thì đa số trường hợp là điện môi.
 Dụng cụ chế tạo bằng vật liệu bán dẫn có nhiều ưu điểm:
 Thời gian phục vụ lâu dài (khi có điện dẫn điện tử không bị già cỗi).
 Kích thước và trọng lượng bé.
 Kết cấu đơn giản, an toàn, sức bền cơ giới tốt.
 Dùng bán dẫn thay cho đèn điện tử thì không cần mạch, tiêu thụ ít năng lượng, quán
tính ít.
7.2 Điện dẫn của vật liệu bán dẫn.
Đặc trưng cho vật vật liệu bán dẫn là sự có mặt của giải cấm trong giản đồ năng lượng.
Bề rộng của giải cấm của vật liệu bán dẫn khác nhau. Đối với các chất bán dẫn thường
dùng bề rộng khoảng 1-2 eV.
Khi trong chất bán dẫn không có điện tử tự do nếu có hiệu điện thế tác dụng cũng không
gây nên dòng điện nhưng nếu có năng lượng đủ lớn tác dụng để có thể làm cho điện tử vượt qua
giải cấm trở thành tự do và dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển dịch, gây nên điện dẫn điện
tử của chất bán dẫn. Khi đó trong giải đầy, hình thành các “lỗ điện tử “ và trong chất bán dẫn sẽ
có sự chuyển dịch khác của điện tử nhằm lắp các lỗ ấy lại. Như vậy dưới tác dụng của điện
trường các lỗ chuyển dịch theo chiều của điện trường như một điện tích dương và cũng tạo nên
điện dẫn của chất bán dẫn.
1. Tạp chất có ảnh hưởng nhiều đến điện dẫn của chất bán dẫn và tuỳ theo loại tạp chất
mà ảnh hưởng ấy cũng khác nhau. Tạp chất ở đây không chỉ là các nguyên tử cùng loại thừa ra
trong liên kết hoá học của chất bán dẫn và tất cả các vết trong mạng tinh thể của nó.
88

Ảnh hưởng của tạp chất đối với giản đồ năng lượng của chất bán dẫn cho ở hình 7.1. theo
đó thì tạp chất chia làm hai loại: loại “nhận “ và loại “cho “.
Tạp chất nhận là các tạp chất tạo nên thêm trong chất bán dẫn các mức năng lượng tự do
phụ mức năng lượng của tạp chất thu gần với mức năng lượng của các điện tử trong phần trên
của giải đầy. Khi ấy tạp chất có thể bắt các điện tử trong giải đầy ngay trong sự vận động nhiệt
của nó. Do đó, trong giải đầy hình thành các lỗ và các lỗ ấy sẽ được lặp lại bởi các điện tử khác
của nguyên tử ở cạnh, hay nói cách khác là ở đây các điện tử khác, từ nguyên tử này sang
nguyên tử khác. Loại bán dẫn này là loại bán dẫn lỗ hay loại P.
Tạp chất cho sẽ cung cấp điện tử cho giải tự do của chất bán dẫn mức năng lượng của các
điện tử của tạp chất cung cấp thường sao cho ngay trong trạng thái vận động nhiệt thì phần lớn
điện tử của tạp chất chuyển sang giải tự do của chất bán dẫn gốc, nghĩa là khi đó điện tử của tạp
chất trở thành tự do. Tất nhiên là ở điều kiện bình thường mỗi nguyên tử của tạp chất chỉ cho
một điện tử. Loại bán dẫn này là bán dẫn loại n.

0,01-0,1 eV
Năng lượng

0,01-0,1 eV
Tạp chất
cung cấp

Tạp chất
thu

H.7.1- Ảnh hưởng của tạp chất đối với giản đồ năng lượng của chất bán dẫn.
a b lnγ c
_ điện tử; o lỗ trống.
Bản thân

a. Chất bán dẫn gốc.
b. Bán dẫn có tạp chất thu loại p; điện dẫn lỗ.
c. Bán dẫn có tạp chất cung cấp loại Dođiệnchấn n n tử.
n; tạp dẫ t điệ
1
Như vậy điện dẫn do tạp chất gây nên sẽ xuất hiện với một năng lượng tác dụng bé hơn
so với điện dẫn bản thân của bán dẫn gốc.
Do tạp chất n2
2. Điện dẫn của chất bán dẫn cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Sự tăng của điện dẫn của vật liệu bán dẫn thực tế là do sự tăng của mật độ các hạt mang
điện theo nhiệt độ. Điều này còn tuỳ thuộc vào loại tạp chất. (H.7.2).
1/T
H.7.2

3. Điện dẫn của vật liệu bán dẫn còn phụ thuộc vào cường độ điện trường.
H.7.3 cho quan hệ lnγ =f(E) của cùng một chất bán dẫn ở các nhiệt độ của môi trường
xung quanh khác nhau.

89

Khi cường độ điện trường bé (E < EK) thì quan hệ ấy theo đúng định luật ohm và γ không
phụ thuộc vào cường độ điện trường. Nhưng ở cường độ điện trường lớn thì γ tăng lên rất nhanh
theo hàm mũ đưa đến sự phá huỷ kết cấu của chất bán dẫn. Khi cường độ điện trường rất lớn thì
quan hệ của điện dẫn của nhiều chất bán dẫn với điện trường được biểu thị bởi quan hệ:

γ = γ 0 eβ E
(7.1)
γ0- suất điện dẫn của chất bán dẫn khi E < EK.
β- hệ số đặc trưng cho chất bán dẫn.
lnγ T1

T2

T3

EK
E
H.7.3
4. Điện dẫn của chất bán dẫn còn phụ thuộc vào sự chiếu sáng.
H.7.4 cho thấy quan hệ γ =f(L). quan hệ ấy được biểu thị bằng biểu thức:
γ = BL x (7.2)

γ

L
lnx
H.7.4
B- hằng số đặc trưng của chất bán dẫn. L- cường độ chiếu sáng.
x- chỉ số γ > x > 0.
Năng lượng của lượng tử của ánh sáng trông thấy được vào khoảng 1,5 - 3 eV cho nên có
thể làm cho điện tử nhảy từ giải này lên giải trống. Điện dẫn quang cũng còn phụ thuộc vào tần
số của tia và phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh.

7.3 Tính chất của mặt ghép điện tử - lỗ.
Khi ghép hai chất bán dẫn có điện dẫn lỗ và điện dẫn điện tử, thì ở mặt ghép p-n có lớp
chắn x có điện dẫn theo một chiều nhất định. Ơí hình H.7.5a là hệ thống bán dẫn có ghép hai nửa
bán dẫn lỗ p và điện tử n. ở vùng tiếp giáp giữa hai vùng p và n có mặt ghép p-n. mật độ điện tử
tự do ở n lớn hơn ở p và mật độ của lỗ thì ngược lại. Do có khuếch tán nhiệt nên một số điện tử
sẽ đi sang p và cũng có một số lỗ sẽ đi sang n. Như vậy ở mặt ghép và giáp p có điện tích âm về
bên phía n có điện tích dương. Và ở mặt ghép hình thành 1 trường khuếch tán E có tác dụng ngăn
cản sự dịch chuyển tiếp tục của các điện tích, nghĩa là khi chưa có điện trường ngoài tác dụng thì
trong chất bán dẫn hình thành lớp chắn da2y khoảng 10-5 cm.
Nếu cho điện trường tác dụng (H.7.5b), có chiều cùng với trường khuếch tán E thì mặt
ghép sẽ không dẫn điện nữa.

90

Nếu đổi chiều của trường ngoài E thì lúc bấy giờ có sự dịch chuyển của điện tích và điện
trở của lớp chắn giảm nhanh hình H.7.5c.

p n p n

Eγ E∂
E

p n p n

E∂
E∂
E
E

H.7.5- Sơ đồ nguyên tắc của chỉnh lưu bằng mặt ghép p-n.
a) Mặt ghép p-n lý tưởng và không có trường ngoài.
b) Mặt ghép lý tưởng p-n bị khoá.
c) Có dòng điện qua mặt ghép p-n.
d) Mặt ghép thực tế p-n, có dòng điện nghịch đi qua do các điện tích phụ.
Nhưng trong thực tế thì vùng p có ít điện tử tự do và vùng n thì có một ít lỗ. Đó là các hạt
mang điện phụ.
Do đó khi có E thì lớp chắn bị khoá nhưng vẫn có dòng điện nhỏ, ngược chiều so với
trên, do sự chuyển dịch của các điện tích phụ ấy.
Đó là tính chất của mặt ghép p-n và dựa vào đó người ta chế tạo chỉnh lưu bán dẫn công
suất lớn, đèn hai cực, phần tử quang điện đèn ba cực bán dẫn.
- Chỉnh lưu bán dẫn là một hệ thống trong đó có chất bán dẫn có điện trở thay đổi
rất nhiều khi cực t1inh của điện thế tác dụng thay đổi.
- Bộ phận tách sóng là loại chỉnh lưu cao tần có điện dung bản thân bé.
- Đèn ba cực bán dẫn là một tấm bán dẫn trong đó hai phần có điện dẫn cùng loại
và một phần có điện dẫn khác loại. Ba phần ấy có ba đầu ra lần lượt có tên là
cực phát, đầu ra và gốc (cực chung). Sự làm việc của đèn ba cực bán dẫn dựa
vào tính chất của mặt ghép p-n.

91

Chuong 7 vat lieu ban dan

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Mehr von Đinh Công Thiện Taydo University

Mehr von Đinh Công Thiện Taydo University (20)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (20)

Chuong 7 vat lieu ban dan