Bài giảng Điện tử căn bản - Vật liệu bán dẫn

Taâmnhct10 CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU BÁN DẪN 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. 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 00K (-2730C) chất bán dẫn thuần hoàn toàn cách điện. (a) (b) Hình 1.3: a.Cấu trúc tinh thể đơn của Ge và Si; b. cấu trúc mạng tinh thể của Si Hạt dẫn điện tự do chỉ xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ xác định cho từng chất bán dẫn ( hay nói cách khác mỗi chất bán dẫn chỉ có khả năng dẫn điện ở điều kiện thích hợp riêng của nó). Khi chất bán dẫn được cung cấp năng lượng điện tử trong nguyên tử dao động đủ phá vỡ mối liên kết hoá học trở thành điện tử tự do (electron) chuyển động khắp tính thể bán dẫn để lại lỗ trống cho nguyên tử. Theo nguyên tắc liên kết hóa học, điện tử của nguyên tử bên cạnh có xu hướng thay thế lỗ trống vừa xuất hiện và cũng để lại cho nguyên tử mình lỗ trống. Như vậy lỗ trống liên tục được đổi vị trí khắp chất bán dẫn nên cũng được gọi là lỗ trống tự do (hole). Đối với chất bán dẫn thuần khiết lượng hạt dẫn điện tử và lỗ trống tự do bằng nhau. Nếu nồng độ hạt dẫn điện tử là n và lỗ trống là p, ta có n = p. 2. Chất bán dẫn tạp chất: Nguyên tố silicon và germanium nguyên chất là các nguyên tố dẫn điện kém. Điều này phụ thuộc vào số lượng các electron của lớp hóa trị, liên kết hóa trị, và các vùng năng lượng gián đoạn tương đối lớn. Chính vì sự dẫn điện kém nên các nguyên tố silicon và germanium nguyên chất ít được sử dụng. Chất bán dẫn tạp chất là chất bán dẫn thuần có pha thêm các nguyên tố tạp chất, các nguyên tố tạp chất này được pha vào các nguyên tố silicon hoặc germanium nguyên chất để cải tiến tính dẫn điện của chất bán dẫn. Hai tạp chất dùng để pha trộn có hóa trị 3 và hóa trị 5. Nguyên tố hóa trị 3 nguyên tố hóa trị 5 Aluminum (Al) Phosphorus (P) Gallium (Ga) Arsenic (As) Boron (B) Antimony (Sb) Indium (In) Bismuth (Bi) a. Chất bán dẫn loại n: Khi các tạp chất hóa trị 5 được trộn vào nguyên tố silicon hoặc germanium, kết quả dư 1 điện tử trong các mối liên kết cộng hóa trị thấy rõ qua hình 1.4. Nguyên tố Sb hóa trị 5 được bao bọc xung quanh bởi 4 nguyên tố silicon. Các nguyên tố silicon sẽ liên kết hóa trị với các nguyên tố 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 ( nn>> pn). Hình 1.5: Giản đồ năng lượng của chất bán dẫn loại n. 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. (pp >> np). Hình 1.6: Chất bán dẫn loại p có tạp chất là nguyên tử B. 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 1018/cm3, được gọi là bán dẫn suy biến. Năng lượng của hạt dẫn tự do trong bán dẫn suy biến không phụ thuộc vào nhiệt độ. 3. Quá trình động trong chất bán dẫn. a. Thời gian sống của hạt mang điện Băng dẫn (lớp dẫn) Băng hoá trị Khi một năng lượng vừa đủ tác động đến 1 electron lớp hóa trị, elelctron sẽ nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn. Kết qủa để lại một chỗ trống trong liên kết hóa trị. Chỗ trống này xem như lỗ trống (hole). Xem hình 1-5. Hình 1.7 Một cặp điện tử và lỗ trống tượng trưng. Sau khoảng vài ms ở trạng thái điện tử tự do, electron (còn gọi là điện tử) mất hết năng lượng và rơi vào 1 trong các lỗ trống nằm trong liên kết hóa trị. Quá trình này gọi là tái kết hợp. Thời gian từ khi electron trở thành điện tử tự do cho đến khi xảy ra việc tái hợp lại được gọi là thời gian sống của cặp điện tử – lỗ trống. Chuyển động trôi và khuếch tán của hạt dẫn: Chuyển động trôi: Như đã biết, nếu đặt điện tử hoặc lỗ trống vào môi trường chân không và khi có điện trường tác động, các hạt dẫn sẽ chuyển động có gia tốc (nhanh dần đều hoặc chậm dần đều). Ở trong mạng tinh thể của chất rắn, cách thức xảy ra không hoàn giống như vậy. Mạng tinh thể chứa rất nhiều nguyên tử (kể cả tạp chất), chúng luôn luôn dao động vì nhiệt. Vì vậy khi chịu tác động của điện trường, các hạt dẫn trên đường chuyển động có gia tốc sẽ va chạm với các nguyên tố của mạng tinh thể. Mỗi lần va chạm sẽ làm thay đổi trị số và chiều của vận tốc nghĩa là làm tán xạ chúng. Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác động của điện trường như vậy được gọi là chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn). Chuyển động khuếch tán: 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. 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. 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. p n Hình 1.8: Chuyển tiếp pn. 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 Hình 1.10: Các mức năng lượng ban đầu của 2 chất bán dẫn n và p khi chưa tiếp xúc. Khi tiếp xúc nhau như hình 1.11, các dây dẫn và dãy hóa trị trùng lắp nhau. Do chênh lệch nồng độ sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ p sang n, còn điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại từ n sang p. Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán (chiều từ p sang n). Hình 1.11.Mức năng lượng của bán dẫn p và n khi tiếp xúc nhau. Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau, hình thành 1 vùng hẹp ở 2 bên mặt ranh giới có nồng độ hạt tải giảm xuống rất thấp. Tại vùng hẹp, bên bán dẫn p hầu như chỉ còn lại các ion âm (acceptor), còn bên bán dẫn n hầu như chỉ còn lại các ion dương (donor), nghĩa là hình thành 2 lớp điện tích không gian khác dấu đối diện nhau như hình 1-12. Giữa hai lớp điện tích này sẽ có một sự chênh lệch điện thế (bên n dương hơn bên p) gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Vtx. Nói cách khác: trong vùng lân cận mặt ranh giới đã xuất hiện một điện trường (hướng từ n sang p) gọi là điện trường tiếp xúc Etx. Hình 1-13. Mối nối pn khi chưa có điện trường ngoài. Vùng hẹp nói trên gọi là vùng nghèo hoặc chuyển tiếp pn. Nồng độ hạt dẫn trong vùng này còn rất thấp nên điện trở xuất của nó rất lớn so với các vùng còn lại. Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt tải tiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn n chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn p chạy về phía cực dương của điện trường. Chúng tạo nên dòng điện trôi ngược chiều với dòng khuếch tán của hạt tải đa số. Nồng độ hạt tải đa số trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mạnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều, dẫn đến điện trường tiếp xúc càng tăng và dòng điện trôi của hạt dẫn tiểu số cũng tăng. Vì vậy, chỉ sau một khoảng thời gian rất ngắn, dòng trôi và dòng khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dòng tổng hợp qua mặt ranh giới bằng 0. 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”. Tiếp giáp pn khi có điện trường ngoài đặt vào: Phân cực nghịch (VD < 0 ): Giả sử nguồn điện áp VD 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 VD 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: Điện thế hàng rào tăng thêm giá trị VD, làm cho dòng trôi của hạt dẫn tiểu số thì tăng theo VD. Nhưng do nồng độ hạt tải tiểu số vốn rất ít, nên trị số dòng này rất nhỏ. Nó nhanh chóng đạt tới giá trị bảo hòa Is ngay khi điện áp VD còn rất thấp. Vậy Phân cực thuận (VD > 0 ): Khi nguồn điện áp VD được mắc như hình 1.15: p nối cực dương và n nối cực âm thì tình hình sẽ xảy ra ngược lại. Điện thế hàng rào giảm chỉ còn Vtx-VD. Số lượng các ion dương trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại n sẽ giảm xuống phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích âm tự do lấy từ điện thế âm của nguồn điện áp cung cấp. Tương tự số lượng các ion âm sẽ giảm trong chất bán dẫn loại p. Kết quả làm cho vùng nghèo thu hẹp lại. Sự thu hẹp của vùng nghèo sẽ làm cho hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện. Dòng do hạt dẫn đa số tăng nhanh theo điện áp VD, còn dòng trôi của hạt dẫn tiểu số thì giảm theo VD. Tuy nhiên do dòng hạt tải tiểu số vốn rất bé nên có thể coi như không đổi. (1-1) Khi đó dòng tổng hợp qua chuyển tiếp pn sẽ là: Trong đó: Is = dòng điện bảo hòa . h: hằng số phụ thuộc vào vật liệu. 1≤h≤2 VT: là hiệu điện thế nhiệt Tk : nhiệt độ kelvin Tk = Tc +273 q: điện tích. q = 1,6 x 10-19 C k: hằng số Boltzman. k = 1,38 x 10-23 J/0K Hình 1.15. Phân cực thuận mối nối pn. Vẽ đồ thị của phương trình (1.1) ta được hình vẽ 1-16. Hình 1.16: Đặc tuyến vôn-ampe của chuyển tiếp pn. Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp pn Khi chuyển tiếp pn bị phân cực ngược, nếu điện áp ngược tăng đến một giá trị khá lớn nào đó thì dòng điện ngược trở nên tăng vọt, nghĩa là chuyển tiếp pn dẫn điện mạnh cả theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van của nó. Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng . Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng có thể do điện hoặc nhiệt, vì vậy người ta thương phân biệt hai dạng đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt. Đánh thủng về điện được chia làm 2 loại: Đánh thủng thác lũ: Khi điện áp phân cực nghịch của chuyển tiếp pn tăng, vận tốc của các hạt tải tiểu số tương ứng với dòng điện bảo hòa ngược IS cũng sẽ tăng. Ngay cả khi vận tốc của nó và động năng kết hợp vừa đủ để giải phóng các hạt tải khác làm tăng số lượng hạt tải (gọi là các hạt tải mở rộng) thông qua sự va chạm với các cấu trúc ổn định của nguyên tử khác. Đó là một quá trình ion hóa sẽ dẫn đến các điện tử cân bằng hấp thụ đủ năng lượng để rời khỏi nguyên tử. Sau đó các hạt tải mở rộng có thể trợ giúp cho quá trình ion hóa đạt đến điểm mà dòng điện thác lũ cao được thiết lập và vùng đánh thủng thác lũ được xác định. Vùng thác lũ (VZ) 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 VZ 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. Đánh thủng về nhiệt: 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. 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.