Chất bán dẫn là gì và nó được ăn với cái gì?
Chất bán dẫn- một loại vật liệu mà thế giới công nghệ và điện tử hiện đại không thể tưởng tượng được. Chất bán dẫn thể hiện các tính chất của kim loại và phi kim loại trong những điều kiện nhất định. Xét về điện trở suất, chất bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện tốt và chất điện môi. Chất bán dẫn khác với các dây dẫn ở sự phụ thuộc mạnh mẽ của độ dẫn điện cụ thể vào sự hiện diện của các nguyên tố tạp chất (các nguyên tố tạp chất) trong mạng tinh thể và nồng độ của các nguyên tố này, cũng như nhiệt độ và sự tiếp xúc với các loại bức xạ khác nhau.
Tính chất cơ bản của chất bán dẫn- Độ dẫn điện tăng khi nhiệt độ tăng.
Chất bán dẫn là những chất có vùng cấm cỡ vài electron volt (eV). Ví dụ, kim cương có thể được phân loại là chất bán dẫn có khe hở rộng và indium arsenide có thể được phân loại là chất bán dẫn có khe hở hẹp. Khoảng cách dải là độ rộng của khoảng cách năng lượng giữa đáy dải dẫn và đỉnh dải hóa trị, trong đó không có trạng thái nào được phép đối với electron.
Độ lớn của vùng cấm rất quan trọng khi tạo ra ánh sáng trong đèn LED và laser bán dẫn và xác định năng lượng của các photon phát ra.
Chất bán dẫn bao gồm nhiều nguyên tố hóa học: Si silicon, Ge germanium, As asen, Se selen, Te Tellurium và các nguyên tố khác, cũng như tất cả các loại hợp kim và hợp chất hóa học, ví dụ: silicon iodide, gali arsenide, thủy ngân telurit, v.v.). Nhìn chung, hầu hết các chất vô cơ trên thế giới xung quanh chúng ta đều là chất bán dẫn. Chất bán dẫn phổ biến nhất trong tự nhiên là silicon, theo ước tính sơ bộ, chất này chiếm gần 30% vỏ trái đất.
Tùy thuộc vào việc nguyên tử của nguyên tố tạp chất nhường hay bắt electron mà nguyên tử tạp chất được gọi là nguyên tử cho hay nguyên tử nhận. Các đặc tính cho và nhận của một nguyên tử của một nguyên tố tạp chất cũng phụ thuộc vào nguyên tử nào của mạng tinh thể mà nó thay thế và nó được nhúng vào mặt phẳng tinh thể nào.
Như đã đề cập ở trên, tính chất dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và khi nhiệt độ đạt đến độ không tuyệt đối (-273 ° C) chất bán dẫn có tính chất của chất điện môi.
Dựa vào tính dẫn điện người ta chia chất bán dẫn thành loại n và loại p
chất bán dẫn loại n
Dựa vào loại độ dẫn điện, chất bán dẫn được chia thành loại n và loại p.
Chất bán dẫn loại n có tính chất tạp chất và dẫn điện như kim loại. Các nguyên tố tạp chất được thêm vào chất bán dẫn để tạo ra chất bán dẫn loại n được gọi là các nguyên tố cho. Thuật ngữ "loại n" xuất phát từ từ "âm", dùng để chỉ điện tích âm được mang bởi một electron tự do.
Lý thuyết về quá trình chuyển điện tích được mô tả như sau:
Một nguyên tố tạp chất, asen hóa trị 5, được thêm vào silicon hóa trị 4. Trong quá trình tương tác, mỗi nguyên tử asen hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử silicon. Nhưng nguyên tử arsen tự do thứ năm vẫn còn lại, không có chỗ trong liên kết hóa trị bão hòa và nó di chuyển đến quỹ đạo electron ở xa, nơi cần ít năng lượng hơn để loại bỏ electron khỏi nguyên tử. Electron thoát ra và trở nên tự do, có khả năng mang điện tích. Như vậy, quá trình truyền điện tích được thực hiện bởi electron chứ không phải lỗ trống, nghĩa là loại chất bán dẫn này dẫn dòng điện giống như kim loại.
Antimon Sb còn cải thiện tính chất của một trong những chất bán dẫn quan trọng nhất - Germanium Ge.
chất bán dẫn loại p
Chất bán dẫn loại p, ngoài chất nền tạp chất, còn được đặc trưng bởi tính chất lỗ trống dẫn điện. Các tạp chất được thêm vào trong trường hợp này được gọi là tạp chất nhận.
“Loại p” xuất phát từ từ “dương”, dùng để chỉ điện tích dương của các chất mang đa số.
Ví dụ, một lượng nhỏ nguyên tử indium hóa trị ba được thêm vào chất bán dẫn silicon hóa trị bốn. Trong trường hợp của chúng tôi, indium sẽ là một nguyên tố tạp chất, các nguyên tử của nó thiết lập liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử silicon lân cận. Nhưng silicon có một liên kết tự do trong khi nguyên tử indi không có electron hóa trị, do đó nó bắt giữ một electron hóa trị từ liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử silicon lân cận và trở thành ion tích điện âm, tạo thành cái gọi là lỗ trống và theo đó là lỗ trống. chuyển tiếp.
Theo sơ đồ tương tự, In ndium truyền lỗ trống cho Ge germanium.
Nghiên cứu tính chất của các phần tử và vật liệu bán dẫn, nghiên cứu tính chất tiếp xúc giữa chất dẫn và chất bán dẫn, thực nghiệm chế tạo vật liệu bán dẫn, O.V. Losev đã tạo ra nguyên mẫu của đèn LED hiện đại vào những năm 1920.
Không có gì đặc biệt quan trọng hay thú vị trong bài viết này, chỉ là câu trả lời cho một câu hỏi đơn giản dành cho những “người ngu”: đặc tính chính giúp phân biệt chất bán dẫn với kim loại và chất điện môi là gì?
Chất bán dẫn là vật liệu (tinh thể, vật liệu đa tinh thể và vô định hình, các nguyên tố hoặc hợp chất) có tồn tại một vùng cấm (giữa vùng dẫn và vùng hóa trị).
Chất bán dẫn điện tử là tinh thể và chất vô định hình, xét về độ dẫn điện, chiếm vị trí trung gian giữa kim loại (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) và chất điện môi (σ = 10 -10 10 -20 Ohm - 1 cm -1). Tuy nhiên, các giá trị biên nhất định của độ dẫn điện rất tùy ý.
Lý thuyết dải cho phép xây dựng một tiêu chí giúp phân chia chất rắn thành hai loại - kim loại và chất bán dẫn (chất cách điện). Kim loại được đặc trưng bởi sự hiện diện của các mức tự do trong dải hóa trị, trong đó các electron có thể di chuyển đến đó, nhận thêm năng lượng, ví dụ, do gia tốc trong điện trường. Một đặc điểm khác biệt của kim loại là ở trạng thái cơ bản, không bị kích thích (ở 0 K), chúng có các electron dẫn, tức là các electron tham gia chuyển động có trật tự dưới tác dụng của điện trường ngoài.
Trong chất bán dẫn và chất cách điện ở 0 K, dải hóa trị được điền đầy đủ và dải dẫn được ngăn cách với nó bằng một khoảng trống và không chứa sóng mang. Do đó, điện trường không quá mạnh không thể tăng cường các electron nằm trong vùng hóa trị và chuyển chúng sang vùng dẫn. Nói cách khác, những tinh thể như vậy ở 0 K sẽ là chất cách điện lý tưởng. Khi nhiệt độ tăng lên hoặc tinh thể như vậy bị chiếu xạ, các electron có thể hấp thụ lượng tử nhiệt hoặc năng lượng bức xạ đủ để di chuyển vào vùng dẫn. Trong quá trình chuyển đổi này, các lỗ trống xuất hiện trong vùng hóa trị, vùng này cũng có thể tham gia vào quá trình truyền điện. Xác suất để một electron chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn tỷ lệ với ( -Eg/ kt), Ở đâu Eg - chiều rộng của vùng cấm. Với giá trị lớn Eg (2-3 eV) xác suất này hóa ra là rất nhỏ.
Như vậy, việc phân chia các chất thành kim loại và phi kim có cơ sở rất rõ ràng. Ngược lại, việc phân chia phi kim thành chất bán dẫn và chất điện môi không có cơ sở như vậy và hoàn toàn có điều kiện.
Trước đây, người ta tin rằng các chất có vùng cấm có thể được phân loại là chất điện môi Eg≈ 2 3 eV, nhưng sau này hóa ra nhiều trong số chúng là chất bán dẫn điển hình. Hơn nữa, người ta đã chứng minh rằng, tùy thuộc vào nồng độ tạp chất hoặc nguyên tử dư thừa (trên thành phần cân bằng hóa học) của một trong các thành phần, cùng một tinh thể có thể vừa là chất bán dẫn vừa là chất cách điện. Điều này áp dụng, ví dụ, đối với các tinh thể kim cương, oxit kẽm, gali nitrua, v.v. Ngay cả các chất điện môi điển hình như bari và strontium titanat, cũng như rutil, khi khử một phần, cũng thu được các tính chất của chất bán dẫn, liên quan đến sự xuất hiện của các nguyên tử kim loại dư thừa trong chúng.
Việc phân chia phi kim thành chất bán dẫn và chất điện môi cũng có một ý nghĩa nhất định, vì một số tinh thể đã được biết có độ dẫn điện tử không thể tăng lên đáng kể bằng cách đưa tạp chất vào hoặc bằng cách chiếu sáng hoặc đun nóng. Điều này là do thời gian sống của các quang điện tử rất ngắn hoặc do sự tồn tại của các bẫy sâu trong tinh thể hoặc do độ linh động rất thấp của các electron, tức là. với tốc độ trôi dạt cực thấp trong điện trường.
Độ dẫn điện tỷ lệ thuận với nồng độ n, điện tích e và độ linh động của các hạt mang điện. Do đó, sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn điện của các vật liệu khác nhau được xác định bởi sự phụ thuộc nhiệt độ của các thông số đã chỉ định. Đối với tất cả các dây dẫn điện tử e không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong hầu hết các vật liệu, độ linh động thường giảm nhẹ khi nhiệt độ tăng do cường độ va chạm giữa các electron chuyển động và phonon tăng lên, tức là. do sự tán xạ electron do dao động của mạng tinh thể. Do đó, hoạt động khác nhau của kim loại, chất bán dẫn và chất điện môi chủ yếu liên quan đến nồng độ chất mang điện và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó:
1) trong kim loại, nồng độ hạt mang điện n cao và thay đổi nhẹ khi thay đổi nhiệt độ. Biến có trong phương trình độ dẫn điện là độ linh động. Và vì độ linh động giảm nhẹ theo nhiệt độ nên độ dẫn điện cũng giảm;
2) trong chất bán dẫn và chất điện môi N thường tăng theo cấp số nhân theo nhiệt độ. Sự tăng trưởng nhanh chóng này Nđóng góp đáng kể nhất vào những thay đổi về độ dẫn điện hơn là làm giảm độ linh động. Do đó, độ dẫn điện tăng nhanh khi nhiệt độ tăng. Theo nghĩa này, chất điện môi có thể được coi là một trường hợp giới hạn nhất định, vì ở nhiệt độ thường giá trị N trong các chất này là vô cùng nhỏ. Ở nhiệt độ cao, độ dẫn điện của từng chất điện môi đạt đến mức bán dẫn do sự gia tăng N. Điều ngược lại cũng được quan sát thấy - ở nhiệt độ thấp, một số chất bán dẫn trở thành chất cách điện.
Thư mục
- Tây A. Hóa học chất rắn. Phần 2 Per. từ tiếng Anh - M.: Mir, 1988. - 336 tr.
- Tinh thể học hiện đại. T.4. Tính chất vật lý của tinh thể. - M.: Nauka, 1981.
Sinh viên nhóm 501 Khoa Hóa: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.
Các thiết bị bán dẫn, có một số đặc tính khiến chúng được sử dụng tốt hơn các thiết bị chân không, ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghệ điện tử. Trong những năm gần đây, được đặc trưng bởi sự tiến bộ trong lĩnh vực điện tử bán dẫn, các thiết bị dựa trên nguyên lý vật lý mới đã được phát triển.
Chất bán dẫn bao gồm nhiều nguyên tố hóa học, chẳng hạn như silicon, germanium, indium, photpho, v.v., hầu hết các oxit, sunfua, selenua và Telluride, một số hợp kim và một số khoáng chất. Theo học giả A.F. Ioffe, “chất bán dẫn gần như là toàn bộ thế giới vô cơ xung quanh chúng ta”.
Chất bán dẫn là tinh thể, vô định hình và chất lỏng. Trong công nghệ bán dẫn, người ta thường chỉ sử dụng chất bán dẫn tinh thể (đơn tinh thể có tạp chất không quá một nguyên tử tạp chất trên 1010 nguyên tử của chất chính). Thông thường, chất bán dẫn bao gồm các chất, xét về độ dẫn điện, chiếm vị trí trung gian giữa kim loại và chất điện môi (do đó nguồn gốc tên của chúng). Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn điện riêng của chúng dao động từ 10-8-105 S/m (đối với kim loại - 106-108 S/m, đối với chất điện môi - 10-8-10-13 S/m). Đặc điểm chính của chất bán dẫn là độ dẫn điện tăng khi nhiệt độ tăng (đối với kim loại thì độ dẫn điện giảm). Độ dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc đáng kể vào các tác động bên ngoài: nhiệt, chiếu xạ, điện trường và từ trường, áp suất, gia tốc, cũng như hàm lượng tạp chất thậm chí rất nhỏ. Các tính chất của chất bán dẫn được giải thích rõ ràng bằng lý thuyết vùng của chất rắn.
Nguyên tử của mọi chất đều gồm có hạt nhân và các electron chuyển động theo quỹ đạo kín xung quanh hạt nhân. Các electron trong nguyên tử được nhóm lại thành các lớp vỏ. Các chất bán dẫn chính được sử dụng để tạo ra các thiết bị bán dẫn - silicon và germanium - có mạng tinh thể tứ diện (có hình kim tự tháp tam giác đều) (Hình 16.1). Hình chiếu của cấu trúc Ge lên mặt phẳng được thể hiện trong hình 2. 16.2. Mỗi electron hóa trị, tức là một electron nằm ở lớp vỏ bên ngoài, không được lấp đầy của một nguyên tử, trong tinh thể không chỉ thuộc về chính nó mà còn thuộc về hạt nhân của nguyên tử lân cận. Tất cả các nguyên tử trong mạng tinh thể đều nằm cách nhau một khoảng cách như nhau và được kết nối bằng liên kết cộng hóa trị (liên kết giữa một cặp electron hóa trị của hai nguyên tử được gọi là cộng hóa trị; nó được thể hiện trong hình 16.2 bằng hai đường thẳng). Những kết nối này rất mạnh mẽ; Để phá vỡ chúng, bạn cần áp dụng năng lượng từ bên ngoài.
Năng lượng của electron W là rời rạc hay bị lượng tử hóa nên electron chỉ có thể chuyển động theo quỹ đạo tương ứng với năng lượng của nó. Các giá trị có thể có của năng lượng điện tử có thể được biểu diễn trên sơ đồ theo các mức năng lượng (Hình 16.3). Quỹ đạo càng xa hạt nhân thì năng lượng của electron càng lớn và mức năng lượng của nó càng cao. Các mức năng lượng được phân tách theo vùng II, tương ứng với năng lượng cấm đối với electron (vùng cấm). Vì các nguyên tử lân cận trong chất rắn rất gần nhau nên điều này gây ra sự dịch chuyển và phân chia mức năng lượng, dẫn đến sự hình thành các vùng năng lượng gọi là vùng cho phép (I, III, IV trong Hình 16.3). Độ rộng của dải cho phép thường là vài electron volt. Trong vùng năng lượng, số mức cho phép bằng số nguyên tử trong tinh thể. Mỗi vùng được phép chiếm một vùng năng lượng nhất định và được đặc trưng bởi mức năng lượng tối thiểu và tối đa, tương ứng được gọi là đáy và trần của vùng.
Vùng cho phép trong đó không có electron được gọi là vùng tự do (I). Vùng tự do, trong đó không có electron ở nhiệt độ 0 K, nhưng chúng có thể hiện diện ở nhiệt độ cao hơn, được gọi là vùng dẫn.
Nó nằm phía trên dải hóa trị (III) - phía trên của dải chứa đầy trong đó tất cả các mức năng lượng bị chiếm giữ bởi các electron ở nhiệt độ 0 K.
Trong lý thuyết vùng, việc phân chia chất rắn thành kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện dựa trên khoảng cách vùng cấm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn cũng như mức độ lấp đầy của các vùng năng lượng cho phép (Hình 16.4). Khoảng cách dải ΔWa được gọi là năng lượng kích hoạt của tính dẫn điện nội tại. Đối với kim loại ΔWa = 0 (Hình 16.4, a); thông thường, ở ΔWa 2 eV tinh thể là chất bán dẫn (Hình 16.4,6), ở ΔWa ≥ 2 eV nó là chất điện môi (Hình 16.4, c). Vì giá trị ΔWa trong chất bán dẫn tương đối nhỏ nên nó đủ để truyền một năng lượng tương đương với năng lượng của chuyển động nhiệt tới electron để nó chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Điều này giải thích tính đặc thù của chất bán dẫn - độ dẫn điện tăng khi nhiệt độ tăng.
Độ dẫn điện của chất bán dẫn. Độ dẫn điện nội tại. Để một chất có tính dẫn điện, nó phải chứa các hạt mang điện tự do. Các hạt mang điện như vậy trong kim loại là các electron. Chất bán dẫn chứa các electron và lỗ trống.
Chúng ta hãy xem xét độ dẫn điện của chất bán dẫn nội tại (loại i), tức là các chất không chứa tạp chất và không có khiếm khuyết về cấu trúc trong mạng tinh thể (vị trí trống, độ dịch chuyển mạng, v.v.) Ở nhiệt độ 0 K, có không có hạt mang điện tự do trong chất bán dẫn như vậy. Tuy nhiên, với nhiệt độ ngày càng tăng (hoặc các ảnh hưởng năng lượng khác, chẳng hạn như ánh sáng), một số liên kết cộng hóa trị có thể bị phá vỡ và các electron hóa trị trở nên tự do có thể di chuyển ra khỏi nguyên tử của chúng (Hình 16.5). Sự mất đi một electron biến nguyên tử thành ion dương. Trong các liên kết, ở nơi từng có electron, một không gian tự do ("trống") xuất hiện - một lỗ trống. Điện tích của lỗ trống có giá trị dương và có giá trị tuyệt đối bằng điện tích của electron.
Không gian tự do - một lỗ trống - có thể được lấp đầy bởi một electron hóa trị của một nguyên tử lân cận, ở vị trí của nó, một lỗ mới được hình thành bằng liên kết cộng hóa trị, v.v. Do đó, đồng thời với sự chuyển động của các electron hóa trị, các lỗ trống cũng sẽ chuyển động. Cần lưu ý rằng trong mạng tinh thể, các nguyên tử được cố định “cứng nhắc” tại các nút. Sự thoát ra của một electron khỏi nguyên tử dẫn đến sự ion hóa, và sự chuyển động tiếp theo của lỗ trống có nghĩa là sự ion hóa xen kẽ của các nguyên tử “đứng yên”. Nếu không có điện trường thì các electron dẫn sẽ chuyển động nhiệt hỗn loạn. Nếu đặt chất bán dẫn trong điện trường ngoài thì các electron và lỗ trống tiếp tục tham gia chuyển động nhiệt hỗn loạn sẽ bắt đầu chuyển động (trôi dạt) dưới tác dụng của điện trường, tạo ra dòng điện. Trong trường hợp này, các electron chuyển động ngược hướng của điện trường, và các lỗ trống, giống như điện tích dương, chuyển động theo hướng của điện trường. Độ dẫn điện của chất bán dẫn do sự phá vỡ liên kết cộng hóa trị được gọi là độ dẫn điện nội tại.
Độ dẫn điện của chất bán dẫn cũng có thể được giải thích bằng lý thuyết vùng. Theo đó, tất cả các mức năng lượng của vùng hóa trị ở nhiệt độ 0 K đều bị các electron chiếm giữ. Nếu các electron được cung cấp năng lượng từ bên ngoài vượt quá năng lượng kích hoạt ΔWa, thì một số electron hóa trị sẽ di chuyển đến vùng dẫn, nơi chúng sẽ trở nên tự do hoặc các electron dẫn. Do sự thoát ra khỏi vùng hóa trị của các electron, các lỗ trống được hình thành trong đó, số lượng lỗ trống đương nhiên bằng số lượng electron còn sót lại. Các lỗ trống có thể bị chiếm giữ bởi các electron có năng lượng tương ứng với năng lượng của các mức vùng hóa trị. Do đó, trong vùng hóa trị, sự chuyển động của các electron làm cho các lỗ trống chuyển động theo hướng ngược lại. Mặc dù các electron chuyển động trong vùng hóa trị nhưng việc xem xét chuyển động của lỗ trống thường thuận tiện hơn.
Quá trình hình thành cặp lỗ dẫn electron-lỗ dẫn được gọi là quá trình tạo ra cặp hạt mang điện (1 trong Hình 16.6). Chúng ta có thể nói rằng độ dẫn điện nội tại của chất bán dẫn là độ dẫn điện gây ra bởi sự hình thành các cặp lỗ dẫn điện tử dẫn. Các cặp electron-lỗ trống thu được có thể biến mất nếu lỗ trống được lấp đầy bằng một electron: electron sẽ trở nên không tự do và mất khả năng chuyển động, đồng thời điện tích dương dư thừa của ion nguyên tử sẽ bị trung hòa. Trong trường hợp này, cả lỗ trống và electron đều biến mất cùng một lúc. Quá trình tái hợp một electron và một lỗ trống được gọi là sự tái hợp (2 trong Hình 16.6). Sự tái hợp, theo lý thuyết vùng, có thể được coi là sự chuyển tiếp của các electron từ vùng dẫn sang các vị trí tự do trong vùng hóa trị. Lưu ý rằng sự chuyển đổi của các electron từ mức năng lượng cao hơn sang mức năng lượng thấp hơn đi kèm với sự giải phóng năng lượng, năng lượng này được phát ra dưới dạng lượng tử ánh sáng (photon) hoặc truyền vào mạng tinh thể dưới dạng dao động nhiệt (phonon). ). Tuổi thọ trung bình của một cặp hạt mang điện được gọi là tuổi thọ hạt mang điện. Khoảng cách trung bình mà hạt mang điện di chuyển trong suốt vòng đời của nó được gọi là độ dài khuếch tán của hạt mang điện (Lр, - đối với lỗ trống, Ln - đối với electron).
Ở nhiệt độ không đổi (và không có các ảnh hưởng bên ngoài khác), tinh thể ở trạng thái cân bằng: số lượng cặp hạt mang điện được tạo ra bằng số lượng cặp tái tổ hợp. Số lượng hạt mang điện trên một đơn vị thể tích, tức là nồng độ của chúng, xác định giá trị độ dẫn điện cụ thể. Đối với chất bán dẫn nội tại, nồng độ electron ni bằng nồng độ lỗ trống pi (ni = pi).
Độ dẫn điện tạp chất. Nếu một tạp chất được đưa vào chất bán dẫn, nó cũng sẽ có tạp chất ngoài tính dẫn điện của chính nó. Độ dẫn điện của tạp chất có thể là điện tử hoặc lỗ trống. Ví dụ, hãy xem xét trường hợp khi tạp chất của nguyên tố hóa trị 5, ví dụ như asen, được đưa vào gecmani nguyên chất (nguyên tố hóa trị 4) (Hình 16.7, a). Nguyên tử asen được liên kết trong mạng tinh thể germani bằng liên kết cộng hóa trị. Nhưng chỉ có bốn electron hóa trị của asen có thể tham gia vào liên kết, và electron thứ năm hóa ra là “phụ”, liên kết ít mạnh hơn với nguyên tử asen. Để tách electron này ra khỏi nguyên tử, cần ít năng lượng hơn nhiều, do đó, ở nhiệt độ phòng, nó có thể trở thành electron dẫn mà không để lại lỗ trống trong liên kết cộng hóa trị. Do đó, một ion tạp chất tích điện dương xuất hiện ở vị trí của mạng tinh thể và một electron tự do xuất hiện trong tinh thể. Các tạp chất mà nguyên tử của chúng nhường các electron tự do được gọi là chất cho.
Trong bộ lễ phục. Hình 16.7b biểu diễn giản đồ vùng năng lượng của chất bán dẫn có tạp chất donor. Trong vùng cấm gần đáy vùng dẫn, một mức năng lượng cho phép (tạp chất, chất cho) được tạo ra, trên đó các electron “phụ” nằm ở nhiệt độ gần 0 K. Để chuyển một electron từ mức tạp chất sang vùng dẫn cần ít năng lượng hơn so với chuyển một electron từ vùng hóa trị. Khoảng cách từ mức donor đến đáy của dải dẫn được gọi là năng lượng ion hóa (kích hoạt) của donor ΔWand.
Việc đưa tạp chất donor vào chất bán dẫn làm tăng đáng kể nồng độ của các electron tự do, trong khi nồng độ lỗ trống vẫn giữ nguyên như trong chất bán dẫn tự nhiên. Trong chất bán dẫn tạp chất như vậy, độ dẫn điện chủ yếu là do các electron, gọi là điện tử, còn chất bán dẫn gọi là chất bán dẫn loại n. Các electron trong chất bán dẫn loại n là hạt mang điện đa số (nồng độ của chúng cao) và lỗ trống là hạt mang điện thiểu số.
Nếu tạp chất của nguyên tố hoá trị ba (ví dụ indi) được đưa vào germani thì một electron không đủ để indi hình thành liên kết cộng hóa trị tám electron với germani. Một kết nối sẽ vẫn trống. Khi nhiệt độ tăng lên một chút, một electron từ nguyên tử germanium lân cận có thể di chuyển vào một liên kết hóa trị không được lấp đầy, để lại một lỗ trống ở vị trí của nó (Hình 16.8, a), lỗ trống này cũng có thể được lấp đầy bằng một electron, v.v. lỗ trống dường như chuyển động trong chất bán dẫn. Nguyên tử tạp chất biến thành ion âm. Các tạp chất mà các nguyên tử của chúng khi bị kích thích có khả năng nhận các electron hóa trị từ các nguyên tử lân cận, tạo ra một lỗ trống trên chúng, được gọi là chất nhận hoặc chất nhận.
Trong bộ lễ phục. Hình 16.8b biểu diễn sơ đồ các vùng năng lượng của chất bán dẫn có tạp chất chấp nhận. Mức năng lượng tạp chất (chất nhận) được tạo ra trong vùng cấm gần đỉnh của vùng hóa trị. Ở nhiệt độ gần 0 K, mức này là tự do; khi nhiệt độ tăng lên, nó có thể bị chiếm giữ bởi một electron trong vùng hóa trị, trong đó một lỗ trống được hình thành sau khi electron rời khỏi. Khoảng cách từ đỉnh dải hóa trị đến mức chấp nhận được gọi là năng lượng ion hóa (kích hoạt) của chấp nhận ΔWа. Việc đưa tạp chất chấp nhận vào chất bán dẫn làm tăng đáng kể nồng độ lỗ trống, trong khi nồng độ electron vẫn giữ nguyên như trong chất bán dẫn tự nhiên. Trong chất bán dẫn tạp chất này, độ dẫn điện chủ yếu là do lỗ trống, gọi là độ dẫn lỗ trống, còn chất bán dẫn gọi là chất bán dẫn loại p. Đối với chất bán dẫn loại p, lỗ trống là hạt mang điện đa số và electron là hạt mang điện thiểu số.
Trong chất bán dẫn tạp chất, cùng với tính dẫn điện của tạp chất, còn có tính dẫn điện nội tại, do sự có mặt của các hạt tải điện thiểu số. Nồng độ hạt tải điện thiểu số trong chất bán dẫn tạp chất giảm đi nhiều lần khi nồng độ hạt tải điện đa số tăng lên, do đó đối với chất bán dẫn loại n mối quan hệ nnpn = nipi = ni2 = pi2 là hợp lệ, và đối với chất bán dẫn loại p mối quan hệ là ppnp = ni2 = pi2, trong đó nn và pn là nồng độ của các hạt mang điện đa số, và pp và np lần lượt là nồng độ của các hạt mang điện thiểu số trong chất bán dẫn loại n và p.
Độ dẫn điện riêng của chất bán dẫn tạp chất được xác định bởi nồng độ của các chất mang đa số và nồng độ của chúng càng cao. Trong thực tế, thường có trường hợp chất bán dẫn chứa cả tạp chất cho và nhận. Khi đó loại độ dẫn điện sẽ được xác định bởi tạp chất có nồng độ cao hơn. Một chất bán dẫn trong đó nồng độ của chất cho Nd và chất nhận Na bằng nhau (Nd = Na)) được gọi là chất bù.
Cùng với chất dẫn điện, trong tự nhiên có nhiều chất có độ dẫn điện thấp hơn đáng kể so với chất dẫn điện bằng kim loại. Các chất thuộc loại này được gọi là chất bán dẫn.
Chất bán dẫn bao gồm: một số nguyên tố hóa học, chẳng hạn như selen, silicon và germani, các hợp chất lưu huỳnh, chẳng hạn như thallium sulfide, cadmium sulfide, bạc sulfide, cacbua, chẳng hạn như carborundum,cacbon (kim cương),boron, thiếc xám, phốt pho, antimon, asen, Tellurium, iốt và một số hợp chất bao gồm ít nhất một trong các nguyên tố thuộc nhóm thứ 4 - thứ 7 của hệ thống tuần hoàn. Ngoài ra còn có chất bán dẫn hữu cơ.
Bản chất của độ dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào loại tạp chất có trong vật liệu cơ bản của chất bán dẫn và công nghệ sản xuất các thành phần của nó.
Chất bán dẫn là một chất có 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, theo các tính chất này, chất này nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Sự khác biệt giữa chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện theo lý thuyết vùng như sau: trong chất bán dẫn thuần túy và chất cách điện điện tử, có một khoảng cách năng lượng giữa vùng đầy (hóa trị) và vùng dẫn.
Tại sao chất bán dẫn dẫn được dòng điện?
Một chất bán dẫn có tính dẫn điện nếu các electron bên ngoài trong các nguyên tử tạp chất của nó liên kết tương đối yếu với hạt nhân của các nguyên tử này. Nếu một điện trường được tạo ra trong chất bán dẫn loại này thì dưới tác dụng của lực của trường này, các electron bên ngoài của các nguyên tử tạp chất của chất bán dẫn sẽ rời khỏi giới hạn nguyên tử của chúng và biến thành các electron tự do.
Các electron tự do sẽ tạo ra dòng điện dẫn trong chất bán dẫn dưới tác dụng của lực điện trường. Do đó, bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn có độ dẫn điện giống như trong dây dẫn kim loại. Nhưng vì số electron tự do trong một đơn vị thể tích của chất bán dẫn ít hơn nhiều lần so với trong một đơn vị thể tích của vật dẫn kim loại, nên điều tự nhiên là, trong mọi điều kiện giống nhau khác, dòng điện trong chất bán dẫn sẽ nhỏ hơn nhiều lần so với trong một vật dẫn điện. dây dẫn kim loại.
Một chất bán dẫn có độ dẫn “lỗ” nếu các nguyên tử tạp chất của nó không những không nhường các electron bên ngoài mà ngược lại, có xu hướng bắt các electron từ các nguyên tử của chất chính của chất bán dẫn. Nếu một nguyên tử tạp chất lấy một electron từ nguyên tử của chất chính, thì ở nguyên tử sau, một thứ giống như không gian tự do dành cho electron sẽ được hình thành - một “lỗ trống”.
Một nguyên tử bán dẫn bị mất electron được gọi là “lỗ electron” hay đơn giản là “lỗ trống”. Nếu “lỗ trống” chứa đầy một electron được chuyển từ một nguyên tử lân cận thì nó sẽ bị loại bỏ và nguyên tử trở nên trung hòa về điện, và “lỗ trống” bị dịch chuyển sang nguyên tử lân cận đã mất electron. Do đó, nếu một chất bán dẫn có độ dẫn “lỗ” tiếp xúc với điện trường thì “lỗ điện tử” sẽ dịch chuyển theo hướng của trường này.
Thiên kiến "Lỗ điện tử" theo hướng của điện trường tương tự như chuyển động của các điện tích dương trong điện trường và do đó tượng trưng cho hiện tượng dòng điện trong chất bán dẫn.
Chất bán dẫn không thể được phân biệt một cách chặt chẽ bằng cơ chế dẫn điện của chúng, vì cùng vớiVới độ dẫn “lỗ”, một chất bán dẫn nhất định có thể, ở mức độ này hay mức độ khác, cũng có độ dẫn điện.
Chất bán dẫn được đặc trưng bởi:
loại độ dẫn điện (điện tử - loại n, lỗ - loại p);
điện trở suất;
tuổi thọ của hạt mang điện (thiểu số) hoặc độ dài khuếch tán, tốc độ tái hợp bề mặt;
mật độ trật khớp.
Silicon là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất
Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính của chất bán dẫn. Sự gia tăng của nó chủ yếu dẫn đến giảm điện trở suất và ngược lại, tức là chất bán dẫn được đặc trưng bởi sự hiện diện của cực âm . Gần độ không tuyệt đối, chất bán dẫn trở thành chất cách điện.
Chất bán dẫn là cơ sở của nhiều thiết bị. Trong hầu hết các trường hợp, chúng phải thu được ở dạng đơn tinh thể. Để truyền đạt các đặc tính cụ thể, chất bán dẫn được pha tạp nhiều tạp chất khác nhau. Nhu cầu ngày càng tăng được đặt vào độ tinh khiết của vật liệu bán dẫn nguồn.
Chất bán dẫn đã được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghệ hiện đại; chúng có ảnh hưởng rất mạnh mẽ đến tiến bộ kỹ thuật. Nhờ chúng, có thể giảm đáng kể trọng lượng và kích thước của các thiết bị điện tử. Sự phát triển của tất cả các lĩnh vực điện tử dẫn đến việc tạo ra và cải tiến một số lượng lớn các thiết bị khác nhau dựa trên các thiết bị bán dẫn. Các thiết bị bán dẫn đóng vai trò là cơ sở cho microcell, micromodule, mạch trạng thái rắn, v.v.
Các thiết bị điện tử dựa trên thiết bị bán dẫn thực tế không có quán tính. Một thiết bị bán dẫn được chế tạo cẩn thận và được bọc kín tốt có thể tồn tại hàng chục nghìn giờ. Tuy nhiên, một số vật liệu bán dẫn có giới hạn nhiệt độ thấp (ví dụ như germani), nhưng việc bù nhiệt độ không quá phức tạp hoặc thay thế vật liệu chính của thiết bị bằng vật liệu khác (ví dụ như silicon, silicon cacbua) sẽ loại bỏ phần lớn nhược điểm này. Cải tiến công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn dẫn đến giảm sự phân tán và mất ổn định hiện có của các thông số.
Tiếp xúc bán dẫn-kim loại và tiếp giáp lỗ điện tử (tiếp giáp n-p) được tạo ra trong chất bán dẫn được sử dụng trong sản xuất điốt bán dẫn. Mối nối đôi (p-n-p hoặc n-p-n) - bóng bán dẫn và thyristor. Các thiết bị này chủ yếu được sử dụng để chỉnh lưu, tạo và khuếch đại tín hiệu điện.
Dựa trên đặc tính quang điện của chất bán dẫn, người ta chế tạo ra điện trở quang, điốt quang và bóng bán dẫn quang. Chất bán dẫn đóng vai trò là bộ phận hoạt động của bộ tạo dao động (bộ khuếch đại). Khi dòng điện đi qua điểm nối pn theo hướng thuận, các hạt mang điện - electron và lỗ trống - kết hợp lại với sự phát xạ của photon, hạt này được sử dụng để tạo ra đèn LED.
Các đặc tính nhiệt điện của chất bán dẫn giúp tạo ra các điện trở nhiệt bán dẫn, các nguyên tố nhiệt bán dẫn, nhiệt điện và máy phát nhiệt điện, và làm mát nhiệt điện của chất bán dẫn, dựa trên hiệu ứng Peltier, - tủ lạnh nhiệt điện và bộ ổn nhiệt.
Chất bán dẫn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi không cần máy năng lượng nhiệt và năng lượng mặt trời thành điện năng - máy phát nhiệt điện và bộ chuyển đổi quang điện (pin năng lượng mặt trời).
Ứng suất cơ học tác dụng lên chất bán dẫn làm thay đổi điện trở của nó (hiệu ứng mạnh hơn trong kim loại), đây là cơ sở của máy đo biến dạng bán dẫn.
Các thiết bị bán dẫn đã trở nên phổ biến trong thực tiễn thế giới, cách mạng hóa ngành điện tử; chúng làm cơ sở cho sự phát triển và sản xuất:
thiết bị đo lường, máy tính,
thiết bị cho mọi loại hình thông tin liên lạc và vận tải,
cho quá trình tự động hóa trong công nghiệp,
thiết bị nghiên cứu khoa học,
công nghệ tên lửa,
Thiết bị y tế
các thiết bị và dụng cụ điện tử khác.
Việc sử dụng các thiết bị bán dẫn giúp tạo ra thiết bị mới và cải tiến thiết bị cũ, đồng nghĩa với việc giảm kích thước, trọng lượng, mức tiêu thụ điện năng và do đó giảm sinh nhiệt trong mạch, tăng cường độ, sẵn sàng hành động ngay lập tức , và có thể tăng tuổi thọ và độ tin cậy của các thiết bị điện tử.
Tính chất của chất bán dẫn - tính chất của hổ phách, sau khi cọ xát với len, có khả năng hút các vật nhỏ về phía mình, đã được chú ý từ rất lâu. Nhưng các hiện tượng điện, không ổn định và nhất thời, từ lâu đã nằm trong bóng tối của hiện tượng từ tính, ổn định hơn theo thời gian.
Vào thế kỷ 17 và 18, các thí nghiệm điện trở nên phổ biến rộng rãi và một số khám phá mới đã được thực hiện. Năm 1729, người Anh Stephen Gray phát hiện ra rằng tất cả các chất được chia thành 2 loại: chất cách điện không thể mang điện tích (được gọi là “vật thể điện” vì chúng có thể bị nhiễm điện do ma sát) và chất dẫn điện có khả năng mang điện tích (được gọi là “không -vật thể điện”).
Những ý tưởng hiện đại về tính chất điện của các chất
Với sự phát triển của những ý tưởng sâu hơn, tính chất dẫn dòng điện của các chất bắt đầu được mô tả một cách định lượng - bằng giá trị độ dẫn điện cụ thể, được đo bằng siemens trên mét (S/m). Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn điện của dây dẫn nằm trong khoảng từ 10 6 đến 10 8 S/m, còn đối với chất điện môi (chất cách điện) thì nhỏ hơn 10 -8 S/m.
Các chất chiếm vị trí trung gian về độ dẫn điện được gọi một cách hợp lý là chất bán dẫn hoặc chất bán cách điện. Tên đầu tiên đã được cố định trong lịch sử. Độ dẫn điện của chất bán dẫn nằm trong khoảng từ 10 -8 đến 10 6 S/m. Không có ranh giới rõ ràng giữa 3 loại chất này; sự khác biệt về chất được xác định bởi sự khác biệt về tính chất định lượng.
Vật lý học đã biết rằng một electron trong chất rắn không thể có năng lượng tùy ý; năng lượng này chỉ có thể nhận một số giá trị nhất định, gọi là mức năng lượng. Electron trong nguyên tử càng gần hạt nhân thì năng lượng của nó càng thấp. Electron ở xa có năng lượng cao nhất. Chỉ các electron ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử (electron thuộc vùng hóa trị) mới tham gia vào các quá trình điện và hóa học.
Các electron có năng lượng cao hơn các electron của dải hóa trị được phân loại là các electron của dải dẫn. Những electron này không liên kết với từng nguyên tử riêng lẻ và chúng di chuyển ngẫu nhiên trong cơ thể để tạo điều kiện dẫn truyền.
Các nguyên tử của một chất đã nhường một electron cho vùng dẫn được coi là các ion tích điện dương; chúng bất động và tạo thành mạng tinh thể của chất trong đó các electron dẫn chuyển động. Trong các chất dẫn điện (kim loại), dải dẫn nằm liền kề với dải hóa trị và mỗi nguyên tử kim loại không bị nhiễu sẽ nhường một hoặc nhiều electron vào dải dẫn, cung cấp cho kim loại tính chất dẫn điện.
Tính chất của chất bán dẫn được xác định bởi độ rộng vùng cấm
Trong chất bán dẫn và chất điện môi, có cái gọi là giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. khu vực cấm. Các electron không thể có năng lượng tương ứng với năng lượng của các mức của vùng này. Việc phân chia các chất thành chất điện môi và chất bán dẫn được thực hiện tùy thuộc vào độ rộng của vùng cấm. Với khoảng cách dải vài electron volt (eV), các electron dải hóa trị có rất ít cơ hội đi vào dải dẫn, điều này làm cho các chất này không dẫn điện. Như vậy, kim cương có vùng cấm là 5,6 eV. Tuy nhiên, khi nhiệt độ ngày càng tăng, các electron trong vùng hóa trị sẽ tăng năng lượng và một số trong số chúng đi vào vùng dẫn, làm giảm tính chất cách điện của chất điện môi.
Nếu vùng cấm ở mức một electron volt, thì chất đó đã thu được độ dẫn điện đáng chú ý ở nhiệt độ phòng, thậm chí còn trở nên dẫn điện nhiều hơn khi nhiệt độ tăng. Chúng tôi phân loại các chất như chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn được xác định bởi khoảng cách dải.
Ở nhiệt độ phòng, độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn nhỏ hơn 2,5-3 eV. Ví dụ, vùng cấm của germanium là 0,72 eV và silicon là 1,12 eV. Chất bán dẫn có dải rộng bao gồm các chất bán dẫn có dải rộng lớn hơn 2 eV. Thông thường, dải cấm của chất bán dẫn càng cao thì điểm nóng chảy của nó càng cao. Do đó, germanium có nhiệt độ nóng chảy là 936 °C và silicon có nhiệt độ nóng chảy là 1414 °C.
Hai loại chất bán dẫn - điện tử và lỗ trống
Ở nhiệt độ không tuyệt đối (-273°C), trong chất bán dẫn tinh khiết (chất bán dẫn nội tại, hay chất bán dẫn Tôi-type) tất cả các electron đều được tìm thấy trong nguyên tử và chất bán dẫn là chất cách điện. Khi nhiệt độ tăng lên, một số electron trong vùng hóa trị đi vào vùng dẫn và xảy ra hiện tượng dẫn điện. Nhưng khi một nguyên tử mất đi một electron, nó sẽ tích điện dương.
Một nguyên tử chiếm một vị trí trong mạng tinh thể không thể chuyển động dưới tác dụng của điện trường, nhưng nó có khả năng thu hút một electron từ nguyên tử lân cận, lấp đầy “lỗ trống” trong dải hóa trị của nó. Đến lượt nguyên tử bị mất electron cũng sẽ tìm cơ hội để lấp đầy “lỗ trống” hình thành ở lớp vỏ bên ngoài. Lỗ trống có tất cả các đặc tính của điện tích dương và chúng ta có thể giả sử rằng trong chất bán dẫn có 2 loại hạt tải điện - electron tích điện âm và lỗ trống tích điện dương.
Các electron dẫn có thể chiếm những vị trí tự do trong dải hóa trị, tức là hợp nhất với các lỗ. Quá trình này được gọi là tái hợp, và do quá trình tạo và tái hợp các chất mang xảy ra đồng thời, nên ở một nhiệt độ nhất định, số cặp chất mang ở trạng thái cân bằng động - số cặp thu được được so sánh với số lượng các cặp tái tổ hợp.
Độ dẫn điện nội tại của chất bán dẫn Tôi-loại bao gồm độ dẫn điện và lỗ trống, trong đó độ dẫn điện chiếm ưu thế, vì các electron di động hơn lỗ trống. Độ dẫn điện cụ thể của kim loại hoặc chất bán dẫn phụ thuộc vào số lượng hạt mang điện trên một mét khối. cm, hoặc vào nồng độ của electron và lỗ trống.
Nếu số nguyên tử trong 1 khối cm của một chất có bậc 10 · 22, thì ở nhiệt độ phòng trong kim loại, số electron dẫn không nhỏ hơn số nguyên tử, tức là. cũng ở mức 10,22, trong khi ở germanium nguyên chất nồng độ hạt mang điện là khoảng 10,13 cm -3, và ở silicon 10,10 cm -3, thấp hơn đáng kể so với kim loại, đó là lý do tại sao độ dẫn điện của chất bán dẫn tệ hơn hàng triệu, hàng tỷ lần so với kim loại.
Đó là tất cả về tạp chất
Khi đặt một điện áp vào chất bán dẫn, điện trường phát sinh trong nó sẽ làm tăng tốc các electron và lỗ trống, chuyển động của chúng trở nên có trật tự và xuất hiện một dòng điện - dòng điện dẫn. Ngoài độ dẫn điện nội tại, trong chất bán dẫn còn có độ dẫn tạp chất, như bạn có thể đoán từ cái tên, là do sự hiện diện của tạp chất trong chất bán dẫn.
Nếu một lượng không đáng kể antimon hóa trị 5, asen hoặc phốt pho được thêm vào gecmani hóa trị 4, các nguyên tử tạp chất sẽ sử dụng 4 electron để liên kết với các nguyên tử germani và electron thứ năm sẽ nằm trong dải dẫn, giúp cải thiện đáng kể độ dẫn điện của chất bán dẫn. Những tạp chất như vậy, trong đó các nguyên tử nhường electron, được gọi là chất cho. Vì độ dẫn điện chiếm ưu thế trong các chất bán dẫn như vậy nên chúng được gọi là chất bán dẫn N-type (từ từ tiếng Anh tiêu cực- tiêu cực). Để tất cả các nguyên tử cho có thể nhường một electron cho vùng dẫn, vùng năng lượng của các nguyên tử cho phải được đặt càng gần vùng dẫn của chất bán dẫn, ở phía dưới nó một chút.
Khi tạp chất boron, indi hoặc nhôm hóa trị 3 được thêm vào gecmani hóa trị 4, các nguyên tử tạp chất sẽ lấy đi các electron khỏi nguyên tử gecmani và gecmani thu được độ dẫn điện và trở thành chất bán dẫn. P-type (từ từ tiếng Anh tích cực- tích cực). Các tạp chất tạo ra độ dẫn điện của lỗ được gọi là chất nhận.
Để chất nhận dễ dàng bắt electron, các mức năng lượng của nguyên tử chất nhận phải liền kề với các mức của dải hóa trị của chất bán dẫn, nằm ngay phía trên nó.
Độ dẫn tạp chất thường vượt quá đáng kể độ dẫn nội tại, vì nồng độ của các nguyên tử cho hoặc nhận vượt quá đáng kể nồng độ của chất mang nội tại. Rất khó để thu được một chất bán dẫn có lượng tạp chất được định lượng nghiêm ngặt và chất bán dẫn ban đầu cũng phải rất tinh khiết. Do đó, đối với germanium, không được phép có nhiều hơn một nguyên tử tạp chất lạ (tức là không phải chất cho hay chất nhận) trên 10 tỷ nguyên tử germanium, và đối với silicon, yêu cầu về độ tinh khiết thậm chí còn cao hơn 1000 lần.
Chuyển tiếp kim loại-bán dẫn
Trong các thiết bị bán dẫn cần sử dụng các tiếp điểm bán dẫn-kim loại. Một chất (kim loại hoặc chất bán dẫn) được đặc trưng bởi năng lượng cần thiết để một electron rời khỏi chất đó - hàm công. Chúng ta hãy biểu thị công của kim loại là A m và của chất bán dẫn là A p.
Địa chỉ liên lạc Ohmic
Nếu cần tạo ra một tiếp điểm ohmic (tức là không chỉnh lưu, khi điện trở tiếp điểm thấp ở bất kỳ cực nào của điện áp đặt vào), thì chỉ cần đảm bảo sự tiếp xúc của kim loại với chất bán dẫn trong các điều kiện sau:
- Tiếp xúc với chất bán dẫn n: A m< A п;
- Tiếp xúc với chất bán dẫn p: A m > A p .
Những đặc tính như vậy của chất bán dẫn được giải thích là do phần lớn các hạt tải điện tích tụ trong lớp biên của chất bán dẫn, điều này đảm bảo điện trở thấp của nó. Sự tích tụ các chất mang đa số được đảm bảo bởi thực tế là các electron luôn di chuyển từ chất có chức năng hoạt động thấp hơn sang chất có chức năng hoạt động cao hơn.
Địa chỉ liên lạc chỉnh lưu
Nhưng nếu với chất bán dẫn N- Loại có kim loại tiếp xúc với A m > A p thì các electron sẽ chuyển từ chất bán dẫn sang kim loại và hình thành một vùng không còn hạt tải điện đa số và có độ dẫn điện thấp ở lớp biên. Để vượt qua rào cản được tạo ra, phải đặt một điện áp có cực tính nhất định và cường độ đủ lớn vào tiếp điểm. Khi sử dụng phân cực ngược, độ dẫn điện của tiếp điểm sẽ còn kém hơn nữa - tiếp điểm như vậy có đặc tính chỉnh lưu. Dễ dàng nhận thấy tiếp xúc bán dẫn kim loại có tính chất tương tự như chất bán dẫn. P-gõ vào A m< A п.
Lịch sử của máy dò bán dẫn
Các tính chất tương tự của chất bán dẫn kim loại được nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện vào năm 1874. Các điốt bán dẫn kim loại sớm nhất xuất hiện vào khoảng năm 1900, khi các máy thu vô tuyến bắt đầu sử dụng các máy dò bao gồm một dây vonfram ép vào bề mặt tinh thể galena (chì sunfua). Những người vô tuyến nghiệp dư đã tự chế tạo máy dò bằng cách nung chảy chì với lưu huỳnh.
Năm 1906, nhà khoa học người Pháp G. Picard đã thiết kế một máy dò từ tinh thể silicon và một lò xo tiếp xúc xoắn ốc có đầu và nhận được bằng sáng chế cho nó. Các thiết bị điện tử dựa trên tiếp điểm bán dẫn kim loại được gọi là điốt Schottky theo tên nhà vật lý người Đức Walter Schottky, người đã nghiên cứu các tiếp điểm như vậy.
Năm 1926, các bộ phận chỉnh lưu cuprox mạnh mẽ xuất hiện, bao gồm một tấm đồng được phủ một lớp oxit dạng cốc, được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn.
Sự chuyển tiếp lỗ điện tử
Sự chuyển tiếp lỗ điện tử, hoặc n-p-điểm nối là khu vực ở ranh giới của hai chất bán dẫn có loại độ dẫn khác nhau và hoạt động của các thiết bị bán dẫn dựa trên việc sử dụng các tính chất của các chuyển tiếp đó. Khi không có điện áp đặt vào điểm nối, các hạt mang điện sẽ di chuyển từ vùng có nồng độ cao hơn đến vùng có nồng độ thấp hơn - ra khỏi chất bán dẫn. N-loại chất bán dẫn P- Các electron loại chuyển động và lỗ trống chuyển động theo chiều ngược lại.
Kết quả của những chuyển động này là các vùng có điện tích không gian xuất hiện ở cả hai phía của bề mặt và xuất hiện sự khác biệt về điện thế tiếp xúc giữa các vùng này. Sự khác biệt tiềm năng này tạo thành một rào cản tiềm năng, ngăn cản các chất mang tiếp theo đi qua hàng rào. Chiều cao rào cản (chênh lệch điện thế tiếp xúc) phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và đối với germanium, nó thường là 0,3-0,4 V, đạt 0,7 V. Ở trạng thái ổn định, không có dòng điện qua điểm nối, vì p-n- điểm nối có điện trở cao so với các khu vực bán dẫn khác và lớp tạo thành được gọi là lớp chặn.
Nếu để n-p-đặt một điện áp bên ngoài vào điểm nối, sau đó tùy thuộc vào cực tính của nó, điểm nối sẽ hoạt động khác nhau.
Dòng điện một chiều chạy qua điểm nối
Nếu đến một chất bán dẫn P-loại, tác dụng “cộng” của nguồn điện áp, khi đó trường do nguồn tạo ra tác dụng ngược lại với trường của hiệu điện thế tiếp xúc, tổng trường giảm, độ cao của hàng rào thế giảm, số lượng hạt tải điện lớn hơn vượt qua nó. Một dòng điện gọi là dòng điện một chiều bắt đầu chạy qua điểm nối. Đồng thời, độ dày của lớp bảo vệ và điện trở của nó giảm.
Để tạo ra một dòng điện thuận đáng kể, chỉ cần đặt một điện áp vào điểm nối tương đương với chiều cao của rào chắn trong trường hợp không có điện áp đặt vào là đủ, tức là. phần mười volt, và ở điện áp cao hơn nữa, điện trở của lớp rào cản sẽ gần bằng 0.
Dòng điện ngược chạy qua điểm nối
Nếu điện áp bên ngoài bị “đảo ngược”, tức là. đính kèm vào P- Nguồn điện áp “trừ” bán dẫn, trường điện áp bên ngoài sẽ cộng vào trường của hiệu điện thế tiếp xúc. Chiều cao của hàng rào điện thế tăng lên, điều này sẽ cản trở sự khuếch tán của đa số hạt tải điện qua điểm nối và dòng điện qua điểm nối, được gọi là "ngược", sẽ nhỏ. Lớp rào cản trở nên dày hơn và điện trở của nó tăng lên.
Đặc tính chỉnh lưu của các điểm nối lỗ điện tử được sử dụng trong các điốt có công suất và mục đích khác nhau - để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều trong nguồn điện và tín hiệu yếu trong các thiết bị cho nhiều mục đích khác nhau.
Các ứng dụng khác của tính chất bán dẫn
Một điểm nối lỗ electron dưới điện áp ngược hoạt động tương tự như một tụ điện tích điện có công suất từ vài đến hàng trăm picofarad. Điện dung này phụ thuộc vào điện áp đặt vào điểm nối, điều này cho phép một số loại thiết bị bán dẫn được sử dụng làm tụ điện thay đổi được điều khiển bởi điện áp đặt vào.
Của cải n-p-sự chuyển tiếp cũng phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ của môi trường, điều này cho phép sử dụng một số loại thiết bị bán dẫn làm cảm biến nhiệt độ. Các thiết bị có ba vùng có độ dẫn điện khác nhau, chẳng hạn như n-p-n, cho phép bạn tạo ra các thiết bị có đặc tính khuếch đại tín hiệu điện cũng như tạo ra chúng.