Chất bán dẫn bên trong và chất bán dẫn bên ngoài - Dải năng lượng & doping là gì?

Chất bán dẫn, như tên gọi cho thấy là một loại vật liệu thể hiện tính chất của cả chất dẫn điện và chất cách điện. Vật liệu bán dẫn yêu cầu một mức điện áp hoặc nhiệt nhất định để giải phóng hạt tải điện của nó để dẫn điện. Các chất bán dẫn này được phân loại là 'bên trong' và 'bên ngoài' dựa trên số lượng hạt tải điện. Hạt tải điện nội tại là dạng bán dẫn tinh khiết nhất và có số lượng bằng nhau của các electron (hạt mang điện tích âm) và lỗ trống (hạt mang điện tích dương). Các vật liệu bán dẫn được sử dụng nhiều nhất là Silicon (Si), Germanium (Ge), và Gallium Arsenide (GaAs). Chúng ta hãy nghiên cứu các đặc điểm và hoạt động của các loại chất bán dẫn này. Chất bán dẫn bên trong là gì? Chất bán dẫn bên trong có thể được định nghĩa là vật liệu tinh khiết về mặt hóa học mà không có bất kỳ sự pha tạp hoặc tạp chất nào được thêm vào nó. Các chất bán dẫn nội tại hoặc tinh khiết được biết đến nhiều nhất hiện có là Silicon (Si) và Germanium (Ge). Hoạt động của chất bán dẫn khi áp dụng một hiệu điện thế nhất định phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử của nó. Vỏ ngoài cùng của cả Silicon và Germanium đều có 1 electron. Để ổn định lẫn nhau các nguyên tử lân cận hình thành liên kết cộng hóa trị dựa trên sự chia sẻ của các điện tử hóa trị. Liên kết này trong cấu trúc mạng tinh thể của Silicon được minh họa trong hình XNUMX. Ở đây có thể thấy rằng các electron hóa trị của hai nguyên tử Si ghép đôi với nhau để tạo thành Liên kết cộng hóa trị. Hình 1. Liên kết cộng hóa trị của nguyên tử Silicon Tất cả các liên kết cộng hóa trị đều bền và không có hạt tải điện nào để dẫn điện. Ở đây chất bán dẫn nội tại hoạt động như một chất cách điện hoặc không dẫn điện. Bây giờ nếu nhiệt độ môi trường gần với nhiệt độ phòng của các liên kết cộng hóa trị bắt đầu đứt. Do đó các điện tử từ vỏ hóa trị được giải phóng để tham gia vào quá trình dẫn điện. Khi số lượng hạt tải điện nhiều hơn được giải phóng để dẫn điện, chất bán dẫn bắt đầu hoạt động như một vật liệu dẫn điện. Biểu đồ vùng năng lượng dưới đây giải thích sự chuyển đổi này của các hạt tải điện từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Khoảng trống giữa hai dải được gọi là khe cấm Hình 2 (a). Biểu đồ dải năng lượng Hình Hình 2 (b). Các điện tử vùng dẫn và vùng hóa trị trong chất bán dẫn Khi vật liệu bán dẫn chịu nhiệt hoặc điện áp đặt vào, một số liên kết cộng hóa trị bị đứt, tạo ra các điện tử tự do như trong hình 2 (b). Các electron tự do này bị kích thích và thu được năng lượng để vượt qua khe cấm và đi vào vùng dẫn từ vùng hóa trị. Khi electron rời khỏi vùng hóa trị, nó sẽ để lại một lỗ trống trong vùng hóa trị. Trong một chất bán dẫn nội tại luôn luôn có một số lượng bằng nhau của các điện tử và lỗ trống sẽ được tạo ra và do đó nó thể hiện tính trung hòa về điện. Cả electron và lỗ trống đều chịu trách nhiệm dẫn dòng điện trong chất bán dẫn bên trong. Chất bán dẫn bên ngoài là gì? Chất bán dẫn bên ngoài được định nghĩa là vật liệu có thêm tạp chất hoặc chất bán dẫn pha tạp chất. Doping là quá trình cố tình thêm tạp chất để tăng số lượng chất mang. Các phần tử tạp chất được sử dụng được gọi là chất pha tạp. Khi số lượng electron và lỗ trống nhiều hơn trong chất dẫn bên ngoài, nó thể hiện độ dẫn điện lớn hơn chất bán dẫn bên trong. Dựa trên các chất pha tạp được sử dụng, chất bán dẫn bên ngoài được phân loại thêm thành 'chất bán dẫn loại N' và 'chất bán dẫn loại P'. Chất bán dẫn loại N.: Chất bán dẫn loại N được pha tạp chất ngũ giác. Các nguyên tố ngũ bội được gọi như vậy khi chúng có 5 electron trong lớp vỏ hóa trị của chúng. Các ví dụ về tạp chất ngũ vị là Phốt pho (P), Asen (As), Antimon (Sb). Như được mô tả trong hình 3, nguyên tử dopant thiết lập liên kết cộng hóa trị bằng cách chia sẻ bốn electron hóa trị của nó với bốn nguyên tử silicon lân cận. Electron thứ năm vẫn liên kết lỏng lẻo với hạt nhân của nguyên tử dopant. Cần rất ít năng lượng ion hóa để giải phóng điện tử thứ năm để nó rời khỏi vùng hóa trị và đi vào vùng dẫn. Tạp chất ngũ bội truyền thêm một điện tử vào cấu trúc mạng và do đó nó được gọi là tạp chất Donor.Hình 3. Chất bán dẫn loại N có tạp chất do nhà tài trợ Bán dẫn loại P: Chất bán dẫn loại P được pha tạp chất với chất bán dẫn hóa trị ba. Các tạp chất hóa trị ba có 3 electron ở lớp vỏ hóa trị của chúng. Các ví dụ về tạp chất hóa trị ba bao gồm Boron (B), Gali (G), Indi (In), Nhôm (Al). Như được mô tả trong hình 4, nguyên tử dopant thiết lập liên kết cộng hóa trị với chỉ ba nguyên tử silicon lân cận và một lỗ trống hoặc chỗ trống được tạo ra trong liên kết với nguyên tử silicon thứ tư. Lỗ trống hoạt động như một hạt tải điện dương hoặc không gian cho electron. Do đó tạp chất hóa trị ba đã tạo ra một chỗ trống hoặc lỗ trống dương có thể dễ dàng nhận các điện tử và do đó nó được gọi là tạp chất Chấp nhận.  Hình 4. Chất bán dẫn loại P có tạp chất nhận Nồng độ hạt tải điện trong chất bán dẫn nội tại Nồng độ hạt tải điện nội tại được định nghĩa là số electron trên một đơn vị thể tích trong vùng dẫn hoặc số lỗ trống trên một đơn vị thể tích trong vùng hóa trị. Do điện áp đặt vào, electron rời khỏi vùng hóa trị và tạo ra một lỗ trống dương ở vị trí của nó. Điện tử này tiếp tục đi vào vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn dòng điện. Trong chất bán dẫn nội tại, các điện tử được tạo ra trong vùng dẫn bằng số lỗ trống trong vùng hóa trị. Do đó nồng độ điện tử (n) bằng với nồng độ lỗ trống (p) trong chất bán dẫn nội tại. - Nồng độ chất mang điện Chất bán dẫn nội tại Khi chất bán dẫn nội tại chịu nhiệt hoặc điện áp đặt vào, các điện tử sẽ di chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn và để lại một lỗ trống hoặc khoảng trống dương trong vùng hóa trị. Một lần nữa những lỗ trống này lại được lấp đầy bởi các điện tử khác khi nhiều liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ. Do đó, các điện tử và lỗ trống chuyển động theo hướng ngược lại và chất bán dẫn nội tại bắt đầu dẫn điện. Độ dẫn điện tăng lên khi một số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ do đó có nhiều điện tử là lỗ trống được giải phóng để dẫn điện. Độ dẫn điện của chất bán dẫn nội tại được biểu thị bằng độ linh động và nồng độ của các hạt tải điện. Biểu thức cho độ dẫn điện của chất bán dẫn nội tại được biểu thị như sau: bán dẫn n_i: nồng độ hạt tải điện nội tại μ_e: độ linh động của electron μ_h: độ linh động của lỗ trống Vui lòng tham khảo liên kết này để biết thêm về Lý thuyết bán dẫn MCQs

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn