Chương 1: Vật liệu bán dẫn
Taâmnhct10
CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU BÁN DẪN
I.Chất bán dẫn.
1. Chất bán dẫn thuần
Theo lý tính vật liệu chia làm ba dạng: kim loại, bán dẫn và điện môi.
Hình 1.1: Mức năng lượng của vùng dẫn và vùng hóa trị của chất điện môi, bán dẫn và kim
loại.
Chất bán dẫn là những nguyên tố có 4 điện tử ở lớp hoá trị. Bởi vì số lượng các điện tử ở lớp
hóa trị của các chất bán dẫn nằm giữa 1 (đối với chất dẫn điện hoàn toàn) và 8 (đối với chất cách
điện), nên nguyên tố bán dẫn là chất dẫn điện không tốt và cũng là chất cách điện không tốt.
Có 3 vật liệu bán dẫn thường được sử dụng nhất là Silicon (Si), Germanium (Ge) và Carbon
(C), các nguyên tố này được trình bày ở hình 1.2. Các chất bán dẫn như Silicon và Germanium
thường được dùng trong công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn, còn Carbon được dùng chủ
yếu để chế tạo các điện trở chuẩn.
Hình 1.2: Cấu trúc nguyên tử của a. germanium; b.silicon.
1
Chương 1: Vật liệu bán dẫn
Đặc điểm của chất bán dẫn thuần:
Chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể lí tưởng không có sự tham gia của
nguyên tố khác (ngoại lai). Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn luôn luôn có 4 nguyên tử kế cận
liên kết với nguyên tử đó, tạo thành liên kết cộng hóa trị, vì vậy nguyên tử luôn đạt trạng thái bảo
hòa. Sự liên kết giữa các nguyên tử với nhau này làm cho điện tử khó tách rời khỏi nhân của
chúng. Với cấu trúc như vậy nên tại nhiệt độ 0
0
K (-273
0
C) chất bán dẫn thuần hoàn toàn cách
điện.

(a) (b)

của Sb. Tuy nhiên điện tử thứ 5 của nguyên tố Sb không thể liên kết với bất kỳ nguyên tố silicon
xung quanh. Chính vì thế điện tử thứ 5 của nguyên tố Sb chỉ cần được cung cấp 1 năng lượng rất
nhỏ sẽ trở thành điện tử tự do đi vào vùng dẫn điện. Nếu hàng triệu nguyên tố Sb được trộn với
silicon hoặc germanium thì sẽ có hàng triệu điện tử không có liên kết hóa trị.
Hình 1.4: Chất bán dẫn loại n với tạp chấtpha vào là nguyên tử Sb.
Do có nhiều eletron nằm trong băng dẫn điện hơn các lỗ trống nằm trong vùng hóa trị của
chất bán dẫn loại n. Các điện tử được gọi là các hạt tải đa số và các lỗ trống nằm ở lớp hóa trị
được gọi là hạt tải tiểu số ( n
n
>> p
n
).
Hình 1.5: Giản đồ năng lượng của chất bán dẫn loại n.
b. Chất bán dẫn loại p:
Khi các tạp chất hóa trị 3 được trộn vào nguyên tố silicon hoặc germanium, kết quả thiếu 1
điện tử trong các mối liên kết cộng hóa trị thấy rõ qua hình 1.6. Nguyên tố Boron hóa trị 3 được
bao bọc xung quanh bởi 4 nguyên tố silicon. Nên sẽ có 1 mối liên kết không thành vì thiếu điện
tử tạo thành 1 lỗ trống. Chất bán dẫn loại p có nhiều lỗ trống ở vùng hóa trị – còn được gọi là
hạt tải đa số và rất ít điện tử ở vùng dẫn – còn được gọi là hạt tải tiểu số. (p
p
>> n
p
).
3
Chương 1: Vật liệu bán dẫn
Hình 1.6: Chất bán dẫn loại p có tạp chất là nguyên tử B.
c.Chất bán dẫn suy biến:
Các chất bán dẫn trên có nồng độ hạt dẫn không cao, được gọi là bán dẫn không suy biến.
Chất bán dẫn có nồng độ hạt dẫn lớn hơn 10
18

Chương 1: Vật liệu bán dẫn
Trong chất rắn, ngoài hình thức chuyển động trôi dưới tác động của điện trường, các hạt dẫn
còn chuyển động khuếch tán. Dạng chuyển động này xảy ra cho mọi phần tử vật chất khi có sự
phân bố không đồng đều trong thể tích.
Đối với chất bán dẫn, khi nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều, chúng sẽ khuếch
tán từ nơi nồng độ cao về nơi nồng độ thấp. Dòng điện do chuyển động có hướng này gây ra gọi
là dòng điện khuếch tán.
c.Nhiệt độ liên quan đến độ dẫn điện:
Ở nhiệt độ trong phòng hay nhiệt độ môi trường, năng lượng nhiệt tạo nên một vài cặp điện
tử và lỗ trống và sự tái hợp xảy ra sau đó. Do đó chất bán dẫn sẽ có 1 vài điện tử tự do ngay cả
trường hợp không cung cấp năng lượng điện áp. Khi nhiệt độ phòng tăng sẽ có nhiều electron
hấp thụ đủ năng lượng phá vỡ mối liên kết hóa trị để trở thành điện tử tự do dẫn đến số lượng
điện tử tự do tăng.
Ngược lại khi nhiệt độ giảm, năng lượng nhiệt giảm không đủ để phá vỡ mối liên kết hóa trị
dẫn đến số lượng các điện tử tự do giảm.
Mối liên hệ quan trọng là độ dẫn điện trong chất bán dẫn tỉ lệ thuận với nhiệt độ.
II. Chuyển tiếp p - n
Chuyển tiếp pn gồm một khối chất bán dẫn n và một khối chất bán dẫn p được ghép lại với
nhau như hình 1-11.
Hình 1.8: Chuyển tiếp pn.
1. Tiếp giáp pn khi chưa có điện trường ngoài đặt vào:
Hình 1.9 trình bày các chất bán dẫn chưa kết nối. Ta có thể thấy rằng chất bán dẫn n với hạt
tải đa số là điện tử và chất bán dẫn loại p với hạt tải đa số là lỗ trống.
Hình 1.9: Chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p.
Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn nằm ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích âm bằng với
tổng điện tích dương trong thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ
tạp chất (acceptor, donor) phân bố đều. Giản đồ năng lượng minh họa mối liên hệ giữa các mức
năng lượng của 2 chất bán dẫn hình 1.10.
n p
5

driftdiffustion
III
Ta nói chuyển tiếp pn đạt tới trạng thái cân bằng động. Ứng với trạng thái đó, hiệu thế tiếp
xúc (hoặc điện trường tiếp xúc) giữa bán dẫn n và bán dẫn p có 1 giá trị nhất định.
Thông thường, hiệu điện thế tiếp xúc vào cỡ 0,2V-0,3V (đối vớ germanium) hoặc 0,6V-0,7V
(đối với silicon). Hiệu thế này ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh
giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên được gọi là “điện thế hàng rào”.
2. Tiếp giáp pn khi có điện trường ngoài đặt vào:
a. Phân cực nghịch (V
D
< 0 ):
Giả sử nguồn điện áp V
D
được kết nối như hình vẽ 1.14: p nối cực âm và n nối cực dương.
Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể. Lúc đó gần như toàn
bộ điện áp V
D
sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc Vtx làm cho tình
trạng cân bằng trước đây không còn nữa. Số lượng các ion dương trong vùng nghèo của chất bán
dẫn loại n sẽ tăng lên phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích dương tự do lấy từ điện thế
dương của nguồn điện áp cung cấp. Tương tự số lượng các ion âm sẽ tăng trong chất bán dẫn
loại p. Kết quả làm cho vùng nghèo nới rộng ra. Sự nới rộng của vùng nghèo sẽ thiết lập một rào
cản lớn đến nổi các hạt tải đa số không thể nào băng qua được nên dòng khuếch tán là zero như
được trình bày trong hình 1.14.
Hình 1.14: Phân cực nghịch mối nối pn.
Do vùng nghèo bị mở rộng, điện trở của nó tăng. Điện thế hàng rào trở thành:
Dtx
VVV +=

Điện thế hàng rào tăng thêm giá trị V

7
Chương 1: Vật liệu bán dẫn
Khi đó dòng tổng hợp qua chuyển tiếp pn sẽ là:
( )
1−=−=
TD
VV
Sdriftdiffustion
eIIII
η
Trong đó:
Is = dòng điện bảo hòa .
η: hằng số phụ thuộc vào vật liệu. 1≤η≤2
V
T
: là hiệu điện thế nhiệt
q
kT
V
k
T
=
T
k
: nhiệt độ kelvin T
k
= T
c
+273
q: điện tích. q = 1,6 x 10

) có thể dịch chuyển tới gần trục tung bằng cách tăng các mức độ kích thích
trong chất bán dẫn loại n và p. Tuy nhiên khi V
Z
giảm đến mức rất thấp chẳng hạn như 5V, một
cơ cấu khác – được gọi là đánh thủng zener – sẽ tham gia vào sự thay đổi đặc tính đột ngột.
Điều này xảy ra do có một điện trường mạnh trong vùng mối nối mà nó có thể phá vỡ các mối
liên kết của nguyên tử và tạo ra các hạt tải. Sự thay đổi đột ngột của đặc tính tại bất kỳ mức điện
áp nào được gọi là vùng zener.
Điện áp phân cực nghịch lớn nhất mà có thể áp đặc tới vùng diode zener được gọi là điện áp
ngược đỉnh (peak inverse voltage: PIV).
Hình 1.17. Vùng zener.
 Đánh thủng xuyên hầm:
Xảy ra khi cấu trúc của chuyển tiếp là những bán dẫn có nồng độ tạp chất rất lớn, khi đó điện
trường trong vùng tiếp xúc rất lớn, có khả năng gây ra hiệu ứng “xuyên hầm”, tức là điện tử
trong vùng hóa trị của bán dẫn p có khả năng chui qua hàng rào thế để chạy sang vùng bán dẫn n,
làm cho dòng điện tăng vọt.
b. Đánh thủng về nhiệt:
9
Chương 1: Vật liệu bán dẫn
Xảy ra do sự tích luỹ nhiệt trong vùng tiếp xúc. Khi có điện áp ngược lớn, dòng điện ngược
tăng làm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng và do đó lại làm dòng điện
ngược tăng nhanh. Quá trình cứ như thế tiến triển khiến cho nhiệt độ vùng tiếp xúc và dòng điện
ngược liên tục tăng nhanh, dẫn đến đánh thủng. Hiện tượng đánh thủng này có trị số điện áp đánh
thủng phụ thuộc vào dòng điện ngược ban đầu, nhiệt độ môi trường và điều kiện tỏa nhiệt của
chuyển tiếp pn. Đánh thủng về nhiệt thường phá hỏng vĩnh viễn đặc tính chỉnh lưu của chuyển
tiếp pn.
4. Tiếp xúc Schottky:
Là tiếp xúc gồm một khối kim loại (như là platinum) và một khối chất bán dẫn n được ghép
lại với nhau. Những linh kiện bán dẫn được chế tạo dưới dạng này thường được sử dụng cho
những ứng dụng mà yêu cầu tốc độ chuyển mạch cao.