Tài liệu vật liệu bán dẫn

     
*
pdf

Luận văn Thạc sĩ trang bị lý: Chế tạo, nghiên cứu và phân tích tính hóa học quang của nano tinh thể loại I-loại II lõi/vỏ/vỏ CdTe/CdSe/CdS


Bạn đang xem: Tài liệu vật liệu bán dẫn

*
docx

Điốt buôn bán dẫn và vận dụng


*
pdf

Đề thi HK 1 đồ lí 11 ( 2012 - 2013) Trường thpt Đoàn Kết - Mã đề VL01


Xem thêm: Cách Viết Đơn Xin Cấp Lại Giấy Chứng Sinh Và Hướng Dẫn Thủ Tục

*
3
*
0
*
2

Nội dung

Chương 1: vật tư bán dẫnTaâmnhct10CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU BÁN DẪNI. Chất bán dẫn.1. Chất phân phối dẫn thuầnTheo lý tính vật liệu chia làm bố dạng: kim loại, chào bán dẫn cùng điện môi.Hình 1.1: Mức năng lượng của vùng dẫn cùng vùng hóa trị của chất điện môi, buôn bán dẫn với kimloại.Chất chào bán dẫn là hầu hết nguyên tố tất cả 4 năng lượng điện tử sinh sống lớp hoá trị. Cũng chính vì số lượng các điện tử ở lớphóa trị của các chất chào bán dẫn nằm trong lòng 1 (đối với chất dẫn điện hoàn toàn) cùng 8 (đối với hóa học cáchđiện), yêu cầu nguyên tố buôn bán dẫn là chất dẫn năng lượng điện không giỏi và cũng chính là chất giải pháp điện ko tốt.Có 3 vật tư bán dẫn thường được thực hiện nhất là Silicon (Si), Germanium (Ge) cùng Carbon(C), các nguyên tố này được trình bày ở hình 1.2. Những chất bán dẫn như Silicon cùng Germaniumthường được sử dụng trong công nghệ sản xuất các linh kiện bán dẫn, còn Carbon được sử dụng chủyếu để chế tạo các điện trở chuẩn.Hình 1.2: cấu tạo nguyên tử của a. Germanium; b.silicon.1 Chương 1: vật liệu bán dẫnĐặc điểm của chất phân phối dẫn thuần:Chất cung cấp dẫn thuần là chất phân phối dẫn có cấu trúc tinh thể lí tưởng không có sự gia nhập củanguyên tố khác (ngoại lai). Xung quanh mỗi nguyên tử buôn bán dẫn luôn luôn luôn tất cả 4 nguyên tử kế cậnliên kết cùng với nguyên tử đó, tạo nên thành liên kết cộng hóa trị, vì vậy nguyên tử luôn luôn đạt trạng thái bảohòa. Sự liên kết giữa những nguyên tử với nhau này tạo nên điện tử khó bóc tách rời khỏi nhân củachúng. Với kết cấu như vậy yêu cầu tại ánh nắng mặt trời 00K (-2730C) chất cung cấp dẫn thuần trọn vẹn cáchđiện.(a)(b)Hình 1.3: a.Cấu trúc tinh thể đối chọi của Ge cùng Si; b. Kết cấu mạng tinh thể của SiHạt dẫn điện tự do chỉ xuất hiện ở đk nhiệt độ xác minh cho từng chất buôn bán dẫn ( giỏi nóicách khác mỗi chất buôn bán dẫn chỉ có chức năng dẫn điện ở điều kiện thích hợp riêng của nó). Khichất buôn bán dẫn được cung cấp năng lượng năng lượng điện tử vào nguyên tử dao động đủ phá tan vỡ mối liên kếthoá học phát triển thành điện tử thoải mái (electron) vận động khắp tính thể cung cấp dẫn để lại lỗ trống chonguyên tử. Theo nguyên tắc liên kết hóa học, điện tử của nguyên tử bên cạnh có xu hướng thaythế lỗ trống vừa mở ra và cũng để lại mang lại nguyên tử mình lỗ trống. Bởi thế lỗ trống liên tụcđược đổi địa chỉ khắp chất buôn bán dẫn nên cũng rất được gọi là lỗ trống thoải mái (hole). Đối với hóa học bándẫn thanh khiết lượng hạt dẫn điện tử và lỗ trống thoải mái bằng nhau. Nếu như nồng độ hạt dẫn điện tửlà n và lỗ trống là p, ta gồm n = p.2. Chất cung cấp dẫn tạp chất:Nguyên tố silicon cùng germanium nguyên chất là các nguyên tố dẫn năng lượng điện kém. Điều này phụthuộc vào con số các electron của lớp hóa trị, liên kết hóa trị, và các vùng tích điện giánđoạn tương đối lớn. Bởi vì sự dẫn điện kém nên các nguyên tố silicon với germanium nguyênchất không nhiều được sử dụng.Chất buôn bán dẫn tạp chất là chất buôn bán dẫn thuần bao gồm pha thêm những nguyên tố tạp chất, những nguyêntố tạp hóa học này được trộn vào những nguyên tố silicon hoặc germanium nguyên hóa học để cải tiến tínhdẫn năng lượng điện của chất chào bán dẫn.Hai tạp chất dùng để pha trộn có hóa trị 3 cùng hóa trị 5.Nguyên tố hóa trị 3nguyên tố hóa trị 5Aluminum (Al)Phosphorus (P)Gallium (Ga)Arsenic (As)Boron (B)Antimony (Sb)Indium (In)Bismuth (Bi)a. Chất bán dẫn một số loại n:Khi những tạp chất hóa trị 5 được trộn vào nhân tố silicon hoặc germanium, kết quả dư 1 điệntử trong số mối link cộng hóa trị thấy rõ qua hình 1.4. Yếu tắc Sb hóa trị 5 được bao bọc2 Chương 1: vật tư bán dẫnxung quanh bởi vì 4 yếu tố silicon. Những nguyên tố silicon sẽ link hóa trị với những nguyên tốcủa Sb. Tuy vậy điện tử thứ 5 của nhân tố Sb ko thể liên kết với ngẫu nhiên nguyên tố siliconxung quanh. Cũng chính vì thế năng lượng điện tử lắp thêm 5 của yếu tắc Sb chỉ việc được cung ứng 1 năng lượng rấtnhỏ sẽ trở nên điện tử từ do đi vào vùng dẫn điện. Nếu như hàng triệu yếu tố Sb được trộn vớisilicon hoặc germanium thì sẽ có được hàng triệu điện tử không có liên kết hóa trị.Hình 1.4: Chất chào bán dẫn nhiều loại n cùng với tạp chấtpha vào là nguyên tử Sb.Do có rất nhiều eletron bên trong băng dẫn điện hơn những lỗ trống bên trong vùng hóa trị củachất phân phối dẫn nhiều loại n. Những điện tử được điện thoại tư vấn là các hạt tải nhiều phần và những lỗ trống nằm ở lớp hóa trịđược gọi là hạt thiết lập tiểu số ( nn>> pn).Hình 1.5: Giản đồ tích điện của chất cung cấp dẫn các loại n.b.Chất bán dẫn loại p:Khi các tạp chất hóa trị 3 được trộn vào yếu tố silicon hoặc germanium, tác dụng thiếu 1điện tử trong số mối link cộng hóa trị thấy rõ qua hình 1.6. Yếu tắc Boron hóa trị 3 đượcbao bọc bao quanh bởi 4 thành phần silicon. đề xuất sẽ có một mối link không thành bởi thiếu điệntử sản xuất thành 1 lỗ trống. Chất buôn bán dẫn nhiều loại p có rất nhiều lỗ trống sống vùng hóa trị – có cách gọi khác làhạt tải đa phần và siêu ít điện tử sống vùng dẫn – nói một cách khác là hạt thiết lập tiểu số. (pp >> np).3 Chương 1: vật tư bán dẫnHình 1.6: Chất phân phối dẫn loại p. Có tạp chất là nguyên tử B.c.Chất buôn bán dẫn suy biến:Các chất bán dẫn trên có nồng độ phân tử dẫn không cao, được gọi là buôn bán dẫn ko suy biến.Chất cung cấp dẫn gồm nồng độ hạt dẫn to hơn 10 18/cm3, được điện thoại tư vấn là chào bán dẫn suy biến. Năng lượngcủa hạt dẫn thoải mái trong buôn bán dẫn suy thay đổi không phụ thuộc vào vào nhiệt độ.3. Quy trình động trong chất cung cấp dẫn.a. Thời gian sống của hạt sở hữu điệnKhi một năng số lượng vừa đủ tác động cho 1 electron lớp hóa trị, elelctron vẫn nhảy từ lớp hóatrị đi học dẫn. Kết qủa vướng lại một khu vực trống trong link hóa trị. Chỗ trống này coi như lỗtrống (hole). Coi hình 1-5.Băng dẫn (lớp dẫn)Hình 1.7Một cặp năng lượng điện tử với lỗ trốngtượng trưng.Băng hoá trịSau khoảng vài s sinh sống trạng thái năng lượng điện tử từ do, electron (còn call là điện tử) mất không còn năng lượngvà rơi vào hoàn cảnh 1 trong các lỗ trống nằm trong link hóa trị. Quy trình này điện thoại tư vấn là tái kết hợp. Thờigian từ khi electron đổi thay điện tử trường đoản cú do cho đến khi xảy ra việc tái đúng theo lại được call là thờigian sinh sống của cặp điện tử – lỗ trống.b.Chuyển hễ trôi cùng khuếch tán của phân tử dẫn: hoạt động trôi:Như đang biết, nếu để điện tử hoặc lỗ trống vào môi trường chân không và khi tất cả điện trườngtác động, những hạt dẫn sẽ chuyển động có vận tốc (nhanh dần những hoặc chững dần đều). Ở trongmạng tinh thể của chất rắn, phương thức xảy ra ko hoàn giống hệt như vậy. Mạng tinh thể cất rấtnhiều nguyên tử (kể cả tạp chất), chúng luôn luôn luôn giao động vì nhiệt. Do vậy khi chịu đựng tác độngcủa năng lượng điện trường, những hạt dẫn bên trên đường hoạt động có vận tốc sẽ va đụng với các nguyên tốcủa mạng tinh thể. Mỗi lần va va sẽ làm chuyển đổi trị số với chiều của vận tốc nghĩa là làm tánxạ chúng. Chuyển động của phân tử dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới ảnh hưởng của điện trườngnhư vậy được gọi là hoạt động trôi (hoặc vận động cuốn). chuyển động khuếch tán:4 Chương 1: vật liệu bán dẫnTrong hóa học rắn, ngoài bề ngoài chuyển đụng trôi dưới tác động của năng lượng điện trường, các hạt dẫncòn chuyển động khuếch tán. Dạng chuyển động này xảy ra cho mọi phần tử vật hóa học khi có sựphân cha không đồng đầy đủ trong thể tích.Đối cùng với chất cung cấp dẫn, khi nồng độ năng lượng điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều, bọn chúng sẽ khuếchtán từ khu vực nồng chiều cao về chỗ nồng độ thấp. Dòng điện do hoạt động có phía này tạo ra gọilà dòng điện khuếch tán.c.Nhiệt độ tương quan đến độ dẫn điện:Ở ánh nắng mặt trời trong chống hay nhiệt độ môi trường, năng lượng nhiệt làm cho một vài cặp điệntử cùng lỗ trống và sự tái hợp xẩy ra sau đó. Cho nên vì thế chất buôn bán dẫn sẽ có 1 vài năng lượng điện tử tự do ngay cảtrường đúng theo không hỗ trợ năng lượng điện áp. Khi nhiệt độ phòng tăng sẽ có không ít electronhấp thụ đủ năng lượng phá vỡ lẽ mối links hóa trị để phát triển thành điện tử tự do thoải mái dẫn mang lại số lượngđiện tử tự do thoải mái tăng.Ngược lại khi ánh sáng giảm, tích điện nhiệt giảm không đủ nhằm phá đổ vỡ mối link hóa trịdẫn đến số lượng các điện tử thoải mái giảm.Mối contact quan trọng là độ dẫn năng lượng điện trong chất bán dẫn tỉ lệ thuận với nhiệt độ độ.II.Chuyển tiếp p - nChuyển tiếp pn tất cả một khối chất chào bán dẫn n và một khối chất cung cấp dẫn p được ghép lại vớinhau như hình 1-11.pnHình 1.8: nối tiếp pn.1.Tiếp ngay cạnh pn khi chưa xuất hiện điện trường không tính đặt vào:Hình 1.9 trình diễn các chất phân phối dẫn chưa kết nối. Ta hoàn toàn có thể thấy rằng chất bán dẫn n cùng với hạttải phần lớn là năng lượng điện tử và chất bán dẫn loại p với phân tử tải đa số là lỗ trống.Hình 1.9: Chất phân phối dẫn các loại n cùng chất buôn bán dẫn loại p.Trước lúc tiếp xúc, mỗi khối phân phối dẫn nằm tại vị trí trạng thái thăng bằng (tổng năng lượng điện âm bằng vớitổng điện tích dương vào thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ phân tử dẫn cũng giống như nồng độtạp hóa học (acceptor, donor) phân bổ đều. Giản đồ tích điện minh họa mối contact giữa các mứcnăng lượng của 2 chất bán dẫn hình 1.10.np5 Chương 1: vật tư bán dẫnHình 1.10: những mức năng lượng thuở đầu của 2 chất phân phối dẫn n và p. Khi chưa tiếp xúc.Khi tiếp xúc nhau như hình 1.11, những dây dẫn cùng dãy hóa trị trùng đính thêm nhau. Bởi chênh lệchnồng độ sẽ xẩy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ phường sang n,còn năng lượng điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại từ n sang p. Chúng tạo cho dòng năng lượng điện khuếch tán(chiều từ p. Sang n).Hình 1.11.Mức năng lượng của bán dẫn phường và n lúc tiếp xúc nhau.Trên đường khuếch tán, những điện tích trái dấu sẽ tái phù hợp với nhau, xuất hiện 1 vùng nhỏ ở 2bên mặt ranh giới có nồng độ hạt tải giảm sút rất thấp. Trên vùng hẹp, bên cung cấp dẫn phường hầu nhưchỉ còn lại các ion âm (acceptor), còn bên buôn bán dẫn n hầu như chỉ từ lại những ion dương (donor),nghĩa là ra đời 2 lớp năng lượng điện tích không gian khác dấu đối diện nhau như hình 1-12. Thân hailớp điện tích này sẽ sở hữu một sự chênh lệch điện thay (bên n dương hơn mặt p) gọi là hiệu điện thếtiếp xúc Vtx. Nói giải pháp khác: trong vùng kề bên mặt nhãi con giới đã xuất hiện thêm một điện trường(hướng từ n lịch sự p) call là điện trường tiếp xúc Etx.Hình 1-13. Côn trùng nối pn khi chưa tồn tại điện ngôi trường ngoài.Vùng nhỏ bé nói trên điện thoại tư vấn là vùng nghèo hoặc chuyến qua pn. Nồng độ phân tử dẫn vào vùng nàycòn hết sức thấp bắt buộc điện trở xuất của nó không nhỏ so với những vùng còn lại.Do tồn tại năng lượng điện trường tiếp xúc, những hạt cài đặt tiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía đối diện: lỗtrống của phân phối dẫn n chạy về phía rất âm của năng lượng điện trường, điện tử của chào bán dẫn p. Chạy về phía cựcdương của điện trường. Chúng làm cho dòng điện trôi trái hướng với chiếc khuếch tán của hạttải nhiều số.Nồng độ hạt tải đa số trong 2 khối buôn bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng lạ khuếch tán càngmạnh liệt và quy trình tái hòa hợp càng nhiều, dẫn mang đến điện trường xúc tiếp càng tăng và cái điệntrôi của phân tử dẫn đái số cũng tăng. Vày vậy, chỉ với sau một khoảng thời gian rất ngắn, loại trôi và6 Chương 1: vật liệu bán dẫndòng khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và loại tổng hợp qua phương diện ranh giới bằng0.I  I diffustion  I drift 0Ta nói chuyển tiếp pn đạt tới trạng thái cân đối động. Ứng với tinh thần đó, hiệu vắt tiếpxúc (hoặc năng lượng điện trường tiếp xúc) giữa buôn bán dẫn n và cung cấp dẫn p có 1 giá trị tuyệt nhất định.Thông thường, hiệu điện cố gắng tiếp xúc vào cỡ 0,2V-0,3V (đối vớ germanium) hoặc 0,6V-0,7V(đối cùng với silicon). Hiệu nuốm này ngăn cản quán triệt hạt dẫn tiếp tục hoạt động qua mặt ranhgiới, gia hạn trạng thái cân bằng, nên gọi là “điện cụ hàng rào”.2.Tiếp gần kề pn khi bao gồm điện trường quanh đó đặt vào:a.Phân rất nghịch (VD 0 ):Khi nguồn tích điện áp VD được mắc như hình 1.15: p nối rất dương và n nối rất âm thì tìnhhình sẽ xảy ra ngược lại. Điện thế hàng rào giảm chỉ với Vtx-V D. Số lượng các ion dương trongvùng nghèo của chất chào bán dẫn loại n sẽ giảm xuống dựa vào vào số lượng không nhỏ các điện tíchâm tự do thoải mái lấy từ bỏ điện nuốm âm của điện áp nguồn áp cung cấp. Tương tự số lượng những ion âm đã giảmtrong chất bán dẫn loại p. Kết quả làm cho vùng nghèo thu không lớn lại. Sự thu hạn hẹp của vùng nghèo sẽlàm mang lại hạt dẫn đa số của hai buôn bán dẫn sẽ tràn qua sản phẩm rào lịch sự miền đối diện. Dòng vì chưng hạt dẫnđa số tăng nhanh theo năng lượng điện áp V D, còn chiếc trôi của phân tử dẫn tiểu số thì sút theo V D. Mặc dù nhiêndo loại hạt cài đặt tiểu khoản đầu tư rất nhỏ bé nên có thể coi như không đổi.7 Chương 1: vật liệu bán dẫnKhi đó dòng tổng thích hợp qua sự chuyển tiếp giữa pn đã là:I  I diffustion  I drift  I S eVD VT  1(1-1)Trong đó:Is = dòng điện bảo hòa .: hằng số phụ thuộc vào vào trang bị liệu. 1≤≤2VT: là hiệu điện ráng nhiệtVT kTkqTk : nhiệt độ kelvin Tk = Tc +273q: năng lượng điện tích. Q = 1,6 x 10-19 Ck: hằng số Boltzman. K = 1,38 x 10-23 J/0KHình 1.15. Phân cực thuận mối nối pn.Vẽ đồ thị của phương trình (1.1) ta được mẫu vẽ 1-16.Hình 1.16: Đặc con đường vôn-ampe của sự chuyển tiếp giữa pn.8 Chương 1: vật liệu bán dẫn3. Hiện tượng lạ đánh thủng chuyến qua pnKhi sự chuyển tiếp giữa pn bị phân cực ngược, nếu điện áp ngược tăng mang đến một giá trị khá bự nào đóthì mẫu điện ngược trở buộc phải tăng vọt, nghĩa là sự chuyển tiếp giữa pn dẫn điện bạo dạn cả theo chiềunghịch, phá hỏng công dụng van của nó. Hiện tượng này điện thoại tư vấn là hiện tượng đánh thủng .Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng hoàn toàn có thể do năng lượng điện hoặc nhiệt, bởi vì vậy bạn ta thương sáng tỏ haidạng tấn công thủng về điện với đánh thủng về nhiệt.a.Đánh thủng về điện được chia thành 2 loại: Đánh thủng thác lũ:Khi điện áp phân cực nghịch của sự chuyển tiếp giữa pn tăng, gia tốc của các hạt cài đặt tiểu số tươngứng với cái điện bảo hòa ngược IS cũng trở thành tăng. Ngay cả khi gia tốc của nó và hễ năng kếthợp toàn vẹn để giải phóng các hạt download khác có tác dụng tăng số lượng hạt download (gọi là những hạt cài mở rộng)thông qua sự va tiếp xúc với các cấu trúc ổn định của nguyên tử khác. Đó là một quá trình ion hóasẽ dẫn đến các điện tử thăng bằng hấp thụ đủ tích điện để rời khỏi nguyên tử. Kế tiếp các phân tử tảimở rộng hoàn toàn có thể trợ giúp cho quy trình ion hóa đạt đến điểm mà dòng điện thác bầy đàn cao được thiếtlập với vùng đánh thủng thác bè lũ được xác định.Vùng thác đồng chí (VZ) rất có thể dịch đưa tới sát trục tung bằng phương pháp tăng các mức độ kích thíchtrong chất bán dẫn nhiều loại n cùng p. Tuy vậy khi V Z giảm đến mức rất thấp chẳng hạn như 5V, mộtcơ cấu khác – được hotline là tấn công thủng zener – đang tham gia vào sự biến hóa đặc tính đột ngột.Điều này xảy ra do gồm một điện trường khỏe mạnh trong vùng mối nối mà lại nó rất có thể phá vỡ những mốiliên kết của nguyên tử và tạo thành các phân tử tải. Sự đổi khác đột ngột của công dụng tại ngẫu nhiên mức điệnáp như thế nào được điện thoại tư vấn là vùng zener.Điện áp phân rất nghịch lớn số 1 mà rất có thể áp đặc tới vùng diode zener được điện thoại tư vấn là điện ápngược đỉnh (peak inverse voltage: PIV).Hình 1.17. Vùng zener.Đánh thủng xuyên hầm:Xảy ra khi cấu trúc của nối tiếp là những buôn bán dẫn có nồng độ tạp hóa học rất lớn, khi đó điệntrường vào vùng tiếp xúc cực kỳ lớn, có công dụng gây ra hiệu ứng “xuyên hầm”, có nghĩa là điện tửtrong vùng hóa trị của bán dẫn p có khả năng chui qua mặt hàng rào ráng để chạy thanh lịch vùng cung cấp dẫn n,làm cho cái điện tăng vọt.b.Đánh thủng về nhiệt:Xảy ra do sự tích luỹ nhiệt độ trong vùng tiếp xúc. Khi có điện áp ngược lớn, mẫu điện ngượctăng có tác dụng nóng chất cung cấp dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng với do này lại làm chiếc điện9 Chương 1: vật liệu bán dẫnngược tăng nhanh. Quy trình cứ như vậy tiến triển làm cho nhiệt độ vùng xúc tiếp và mẫu điệnngược thường xuyên tăng nhanh, dẫn cho đánh thủng. Hiện tượng đánh thủng này có trị số năng lượng điện áp đánhthủng phụ thuộc vào chiếc điện ngược ban đầu, nhiệt độ môi trường thiên nhiên và đk tỏa nhiệt củachuyển tiếp pn. Đánh thủng về nhiệt thường phá lỗi vĩnh viễn tính năng chỉnh giữ của chuyểntiếp pn.4. Xúc tiếp Schottky:Là tiếp xúc có một khối sắt kẽm kim loại (như là platinum) và một khối chất phân phối dẫn n được ghéplại cùng với nhau. Những linh kiện bán dẫn được sản xuất dưới dạng này thường được áp dụng chonhững áp dụng mà yêu cầu tốc độ chuyển mạch cao.10