CHƯƠNG 2:               VẬT LIỆU BÁN DẪN (VLBD)

2.1  Các quá trình vật lý trong VLBD và các tính chất của chúng

2.1.1  Các khái niệm cơ bản về bán dẫn Vùng năng lượng trong chất rắn

Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử. Trong vật rắn tinh thể các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giống nhau. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập: không tương tác với nhau. Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho phép, giống như trong trường hợp chỉ có một nguyên tử đơn độc. Trong số các mức năng lượng đó có một số mức bị chiếm bởi electron. Ở trạng thái cơ bản electron chỉ chiếm những mức năng lượng thấp nhất. Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗi giá trị lượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo . Khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác với nhau thì sự chuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử của nó mà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Khi có 2 nguyên tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli hai electron phải ở hai trạng thái khác nhau, do đó mỗi mức năng lượng cũ bây giờ bị tách thành 2 mức năng lượng. Nếu hệ chứa N nguyên tử thì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức. Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép. Trong 1 cm³ có khoảng 10²² nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ tách thành 1 số rất lớn, mà độ rộng của một  vùng năng lượng khoảng một vài eV, do đó khoảng cách giữa các mức nhỏ trong vùng năng lượng khoảng 10^-22eV, có thể nói sự biến thiên năng lượng trong một vùng năng lượng gần như liên tục. Giữa các vùng năng lượng là các vùng trống (gọi là vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ trạng thái nào của electron.

Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1 mức tăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép. Những electron ở vòng quĩ đạo ngoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất, do đó có vùng năng lượng rộng nhất. Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng lượng hẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cô lập. (Hình 2.1)

Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử tức là phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể.

Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụ thuộc vào độ lớn nguyên tử.

Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm.

Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD

Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏ trống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV, do vậy các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện.

Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1 eV. Ở 0⁰K chúng là chất cách điện. Ở nhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống (Hình 2.2).

tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống. Nếu electron ở mức năng lượng cao hơn W_C hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn W_V thì các electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị. (Hình 2.3)

Hình 2.3 Đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron

*Phân loại VLBD

Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia ra bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hóa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ trường và bán dẫn lỏng.

Tất cả có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản

Các chất giecmani, silic và sêlen có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật hiện đại.

Bán dẫn hợp chất hóa học là hợp chất của các nguyên tố thuộc các nhóm khác nhau trong  bảng  hệ  thống  tuần  hoàn  Menđêlêev  tương  ứng  với  dạng  tổng  quát     A IV B IV (SiC) A III B V (InSb,GaAs) và một số chất có thành phần phức tạp.(Các VLBD liên kết như GaAs, ký hiệu chung A^IIIB^V, chỉ sự liên kết của nguyên tố có hoá trị III là Ga với nguyên tố có hóa trị V là As )

*Cấu trúc tinh thể của VLBD

Khảo sát 2 VLBD chính là Silic và germani: Tính chất chung trong cấu tạo nguyên tử của chúng là có 4 electron hóa trị ở trên phân lớp ngoài. Giữa các nguyên tử Silic (germani) có sự liên kết đồng hóa trị, mỗi nguyên tử liên kết với 4 nguyên tử xung quanh bằng cách trao đổi electron chung với nhau. (Hình 3.4)
...