Lý thuyết bán dẫn

[vietgate]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Lý thuyết bán dẫn

1-1 Cấu trúc nguyên tửTrước khi bắt đầu tìm hiểu các linh kiện điện tử ta phải hiểu vật liệu chế tạo nên chúng. Kiến thức về vật liệu ở mức độ cấu trúc sẽ giúp ta dự đoán và điều khiển các dòng điện tích có trong vật liệu. Ta sẽ bắt đầu bằng việc xem xét cấu trúc nguyên tử để xem cấu trúc này ảnh hưởng như thế nào lên tính chất điện của vật liệu.
Như đã biết mọi vật liệu đều được tạo nên từ các nguyên tử và các nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có cấu trúc như nhau. Mỗi nguyên tử bao gồm một hạt nhân ở trung tâm chứa các điện tích dương mà ta gọi là proton. Hạt nhân được bao xung quanh bởi các electron mang điện tích âm. Số lượng electron bằng với số lượng proton trong hạt nhân và vì điện tích của proton và electron là bằng nhau nên nguyên tử trung hòa về điện. Tùy theo loại nguyên tố, các hạt nhân của nguyên tử có thể chứa các neutron không mang điện tích.
Hình 1-1(a) biểu diễn sơ đồ cấu trúc một nguyên tử của nguyên tố silicon, vật liệu thường được sử dụng để chế tạo các linh kiện bán dẫn. Hình này cho thấy hạt nhân chứa 14 proton (mang điện tích dương) và 14 neutron, và vì nguyên tử có 14 electron (mang điện tích âm) quay xung quanh nên nguyên tử trung hòa về điện. Các electron được sắp xếp vào ba quĩ đạo xung quanh hạt nhân. Ta nói các electron này chiếm một lớp vỏ nguyên tử. Mỗi lớp vỏ nguyên tử không thể chứa nhiều hơn một số tối đa các electron. Nếu đánh số thứ tự của bốn lớp vỏ đầu tiên bắt đầu từ lớp trong cùng (lớp gần hạt nhân nhất có số thứ tự là 1) thì số electron tối đa [SUB][/SUB] mà lớp vỏ [SUB][/SUB] có thể chứa là
[SUB][/SUB] (1-1)
Trong hình 1-1(a), lớp vỏ số 1 (lớp K) đã được lấp đầy vì nó đã chứa 2 electron. Lớp 2 (lớp L) cũng đã được lấp đầy vì nó chứa 8 electron. Tuy nhiên, lớp 3 (lớp M) chưa được lấp đầy vì nó chỉ mới chứa 4 electron trong khi khả năng chứa tối đa của nó là 18 electron.

Mỗi lớp vỏ nguyên tử lại được chia thành các lớp con. Lớp vỏ thứ [SUB][/SUB] chứa [SUB][/SUB] lớp con. Lớp con đầu tiên trong một lớp vỏ chứa 2 electron, các lớp con tiếp theo chứa nhiều hơn lớp con trước đó 4 electron. Các lớp con được ký hiệu là [SUB][/SUB].
Ví dụ 1-1
Hạt nhân của nguyên tử germanium có 32 proton. Xác định số electron trong mỗi lớp và lớp con của nó.
Hướng dẫn
Vì hạt nhân chứa 32 proton nên nguyên tử có 32 electron. Bảng sau cho thấy sự sắp xếp của các electron trong nguyên tử Ge.


[TABLE]
[TR]
[TD]Lớp vỏ
[/TD]
[TD]Lớp con
[/TD]
[TD]Dung lượng
[/TD]
[TD]Chứa thật sự
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]K
[/TD]
[TD]s
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]L
[/TD]
[TD]s
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]p
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]M
[/TD]
[TD]s
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]p
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]d
[/TD]
[TD]10
[/TD]
[TD]10
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]N
[/TD]
[TD]s
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]p
[/TD]
[TD]6
[/TD]
[TD]2
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]d
[/TD]
[TD]10
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]f
[/TD]
[TD]14
[/TD]
[TD]0
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]
[/TD]
[TD]
[/TD]
[TD]Tổng cộng
[/TD]
[TD]32
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Không phải mọi electron đều bị ràng buộc mãi mãi vào một lớp hoặc lớp con của nó. Mặc dù các electron có khuynh hướng giữ nguyên lớp của chúng do lực hút giữa chúng và hạt nhân mang điện tích dương, nhưng nếu chúng hấp thu đủ năng lượng (ví dụ từ nhiệt), các electron sẽ thoát ra khỏi nguyên tử và trở thành các electron tự do. Chất dẫn điện có nhiều electron tự do trong khi chất cách điện có rất ít electron tự do.
Lớp vỏ ngoài cùng chứa các electron có liên kết yếu nhất với hạt nhân và thường chưa được lấp đầy do đó chúng dễ trở thành các electron tự do hơn các electron nằm trong các lớp vỏ gần hạt nhân. Chính vì vậy, số electron trong lớp vỏ ngoài cùng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất điện của vật liệu. Vật liệu dẫn điện có rất ít electron trong lớp vỏ ngoài cùng, và trong các vật liệu này, năng lượng nhiệt có sẵn ở nhiệt độ phòng là đủ để giải phóng các electron trong lớp vỏ ngoài cùng thành các electron tự do. Khi có một điện trường ngoài đặt lên vật liệu, các electron tự do này di chuyển có hướng tạo ra dòng điện. Đối với vật liệu cách điện, lớp vỏ ngoài cùng thường liên kết chặt với hạt nhân, do đó chúng có rất ít electron tự do.
Vì ta chỉ quan tâm đến lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử nên ta thường sử dụng hình 1-1(b) để biểu diễn cấu trúc của nguyên tử.
1-2 Vật liệu bán dẫn
Xét trên khả năng dẫn điện, vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách điện mà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt. Hơn nữa, cách thức tạo ra dòng điện trong bán dẫn cũng không thể giải thích hoàn toàn bằng kiến thức đã biết trong các vật liệu khác.
Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ít các electron, nó có khuynh hướng giải phóng các electron này để tạo thành electron tự do và đạt đến trạng thái bền vững. Trong khi đó, vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại các electron lớp ngoài cùng của nó để có trạng thái bền vững. Đối với vật liệu bán dẫn, nó có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững tạm thời bằng cách lấp đầy lớp con của lớp vỏ ngoài cùng. Ví dụ đối với nguyên tử bán dẫn Si, lớp con [SUB][/SUB] của lớp vỏ ngoài cùng chỉ chứa 2 electron, do đó để lấp đầy lớp con này nguyên tử cần nhận thêm bốn electron. Nguyên tử bán dẫn thực hiện điều này bằng cách chia sẻ bốn electron lớp vỏ ngoài cùng của nó với bốn electron của bốn nguyên tử lân cận. Tất cả các nguyên tử đều thực hiện liên kết này và tạo nên một cấu trúc ổn định, bền vững, được gọi là tinh thể bán dẫn.

Liên kết do hai electron lớp ngoài cùng của hai nguyên tử lân cận tạo thành được gọi là liên kết hóa trị (covalent bond). Hình 1-2 cho thấy cấu trúc hai chiều của tinh thể bán dẫn. Trong hình này ta sử dụng mô hình nguyên tử đơn giản, bao gồm hạt nhân và các electron lớp vỏ ngoài cùng. Mặc dù chỉ một số nguyên tử được vẽ trong hình nhưng ta cần hiểu là cấu trúc này được lặp lại cho tất cả các nguyên tử, và do đó, các nguyên tử trong bán dẫn đều có tám electron lớp ngoài cùng, tức là chúng đạt đến trạng thái ổn định tạm thời.
Ge là một loại vật liệu bán dẫn khác. Trong ví dụ 1-1, ta đã thấy rằng nguyên tử Ge chứa bốn electron lớp ngoài cùng, trong đó lớp [SUB][/SUB] chứa hai electron. Do đó, nó cũng có khuynh hướng tạo liên kết hóa trị để đạt đến trạng thái bền vững tạm thời.