CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
1

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN
CHƯƠNG 1.
VẬT LÝ BÁN DẪN

1.1 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ :
Các vật liệu điện tử thường được phân chia thành ba loại: Các vật liệu cách điện, dẫn điện và vật
liệu bán dẫn.
Chất cách điện là loại vật liệu thường có độ dẫn điện rất kém dưới tác dụng của một nguồn
điện áp đặt vào nó.
Chất dẫn điện là lo
ại vật liệu có thể tạo ra dòng điện tích khi có nguồn điện áp đặt ngang qua
hai đầu vật liệu.
Chất bán dẫn là một loại vật liệu có độ dẫn điện ở khoảng giữa của chất dẫn điện và chất cách
điện
Thông số chính được dùng để phân biệt 3 loại vật liệu là điện trở suất
ρ
, có đơn vị là Ω.cm.
Như chỉ rỏ ở bảng 1.1, các chất cách điện có điện trở suất lớn hơn
cm.10
5
Ω
. ví dụ: kim cương
[diamond] là một trong những chất cách điện tuyệt vời, nó có điện trở suất rất lớn:
.cm10
16
Ω .
Ngược lại, đồng đỏ nguyên chất [pure copper] là một chất dẫn điện tốt, có điện trở suất chỉ là
.cm103

ρ

ρ
<.cm10
5
Ω
Giá trị điện trở suất của các chất điển hình

cm.103
6
Ω
−
= x
ρ
cm.50 Ω=
ρ
(germanium) cm.10
12
Ω=
ρ
(mica)
(đồng đỏ ng. chất) .cm1050
3
Ω
x
=
ρ
(silicon) cm.10
16
Ω=


CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
2

BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN

Bảng 1.3 Giới thiệu một số chất bán dẫn thường được sử dụng nhiều nhất để chế tạo các linh
kiện bán dẫn.
BẢNG 1.3
Các vật liệu bán dẫn
Chất bán dẫn
G
E
(eV)
Chất bán dẫn
G
E
(e
V)
Kim cương (diamond) 5,47 Gallium arsenide 1,42
Silicon 1,12 Indium phosphide 1,45
Germanium 0,66 Boron nitride 7,50
Thiếc (tin) 0,082 Silicon carbide 3,00
Cadimium selenide 1,70
Kim cương và Boron Nitride là những chất cách điện tuyệt vời ở nhiệt độ phòng, nhưng chúng
cũng như Silicon Carbide có thể được dùng như những chất bán dẫn ở nhiệt độ rất cao (
C
o
600
).

n của các điện tử là rất nhạy cảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay
sự chênh lệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dưới dạng các
photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh. Ở nhiệt độ phòng, trong một cm
3
vật liệu
bán dẫn Si nguyên chất có khoảng
10
10 hạt tải điện tự do [free carrier]. Các điện tử tự do trong vật
liệu bán dẫn do bản chất tương tự như các hạt tải điện cơ bản. Cững tại nhiệt độ phòng, trong
một cm
3
vật liệu Ge nguyên chất có khoảng
13
105,2
x
hạt tải điện tự do. Tỷ lệ về số lượng các
hạt tải điện tự do của Ge đối với Si lớn hơn
3
10
lần, điều này sẽ nói lên rằng Ge có độ dẫn điện
tốt hơn ở nhiệt độ phòng, mặc dù vậy cả hai loại Ge và Si đều có độ dẫn điện rất kém ở trạng
thái cơ bản. Lưu ý ở bảng 1.1, điện trở suất của Si và Ge cũng chênh lệch một tỷ lệ 1000:1, trong
đó Si có điện trở suất lớn hơn, đi
ều này là tất nhiên, vì điện trở suất tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện.
Khi tăng nhiệt độ ở một chất bán dẫn lên trên độ không tuyệt đối (
0
K) thì số lượng các điện tử
hóa trị do hấp thụ năng lượng nhiệt đáng kể để bẻ gãy các liên kết đồng hóa trị tăng lên, làm
tăng độ dẫn điện và chất bán dẫn có điện trở thấp. Do vậy, các vật liệu bán dẫn như Ge và Si sẽ
có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng tức là có hệ số nhiệt độ âm. Đ

⎞
⎜
⎝
⎛
−=
kT
E
BTn
G
32
i
exp
cm
-6
(1.1)
trong đó:
G
E
là mức năng lượng độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, đơn vị đo là eV;

k

là hằng
số Boltzmann,
5
10x628
−
,
(eV/ K);
T

( số electron / cm
3
), và đối với vật liệu
nguyên chất
i
nn =
. Mặc dù
i
n
là một đặc tính cơ bản của mỗi chất bán dẫn nhưng nó phụ thuộc
rất nhiều vào nhiệt độ đối với tất cả các vật liệu. Hình 1.4 chỉ rõ sự thay đổi mạnh của mật độ hạt
tải điện cơ bản theo nhiệt độ của Gemanium, Silicon, và Gallium Arsenide, tính từ biểu thức
(1.2) với
6330
cm.K1031,2
−−
=
xB
cho Ge và
6329
cm.K1027,1
−−
=
xB
cho GaAr.
Ví dụ 1.1:
Hãy xác đinh giá trị của
i
n
của Si ở nhiệt độ phòng (300K) ?

i
cm/1073,6 xn =

Để đơn giản trong tính toán, ta lấy giá trị
310
cm/10≈
i
n
ở nhiệt độ phòng đối với Si.
Mật độ các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng
322
/105 cmx , so sánh với kết quả
ở ví dụ 1.1, trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ
13
10 nguyên tử Si, thì chỉ có một
mối liên kết bị bẻ gãy.
Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kết đồng hóa trị bị bẻ gãy như ở hình
1.3. Khi một điện tử mang điện tích âm
C10602,1
19
−
−= xq
, di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa
trị, thì nó sẽ để lại một khoảng trống [vacancy] trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicon
gốc. Khoảng trống phải có điện tích hiệu dụng dương: +q . Một điện tử từ liên kết lân cận có thể
điền vào khoảng trống này và sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác. Quá trình này làm
cho khoảng trống di chuyể
n qua khắp các mối liên kết trong mạng tinh thể bán dẫn. Khoảng
trống di chuyển giống như hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lổ trống [hole]. Mật độ
lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống / cm

[conductivity]:
σ
là
đặc trưng của dòng điện chảy trong vật liệu khi có điện trường đặt vào. Dưới tác dụng của điện
trường, các hạt tích điện sẽ di chuyển hoặc trôi [drift] và tạo thành dòng điện được gọi là dòng
trôi [drift current].
Mật độ dòng trôi
j
được định nghĩa như sau:

Qvj =
(C/cm
3
)(cm/s) = A/cm
2
(1.4)
trong đó:
Q
là mật độ điện tích;
v
là vận tốc của các điện tích trong điện trường.
Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể silicon bằng cách sử dụng cả hai
mô hình liên kết đồng hóa trị và mô hình vùng năng lượng trong các chất bán dẫn.
Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường ta phải xét độ linh động của
các hạt t
ải điện.
b) Độ linh động.
[mobility]
Như trên đã xét, các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụng của điện trường