Đang tải... (xem toàn văn)
Bài Giảng Vật Lý Linh Kiện Và SenSor
BÀI GIẢNG VẬT LÝ LINH KIỆN VÀ SENSOR Tài liệu tham khảo 1) Giáo trình cảm biến – Phan Quốc Phương, Nguyễn Đức Chiến. 2) Các bộ cảm biến trong Kỹ thuật đo lường – Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN A. Các khái niệm cơ bản về vật lý dụng cụ bán dẫn Dụng cụ bán dẫn được chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ở những điều kiện nhất định nó dẫn điện, ở những điều kiện khác lại cách điện. Xét về đặc tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn có điện trở suất nhỏ hơn vật liệu cách điện (điện môi) và lớn hơn vật liệu dẫn điện (kim loại). Đặc điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn: điện trở suất thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Có 2 loại: • Bán dẫn có hệ số nhiệt α > 0: ρ khi nhiệt độ , và ngược lại. • Bán dẫn có hệ số nhiệt α > 0: ρ khi nhiệt độ , và ngược lại. Mỗi loại vật liệu bán dẫn đều có một nhiệt độ giới hạn. Ở những nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này, điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các sai hỏng của mạng tinh thể bán dẫn. Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hay hợp chất của hai hay nhiều nguyên tố. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I. Cấu trúc và mô hình năng lượng của bán dẫn 1. Cấu trúc Trong chất rắn, các nguyên tử được bố trí rất khác nhau: Trong một số vật rắn, nguyên tử được bố trí lộn xộn, không có qui luật: vật rắn không kết tinh. Trong một số vật rắn khác, các nguyên tử được bố trí theo một qui luật nhất định tạo thành mạng tinh thể: vật rắn kết tinh: • Nếu các nguyên tử liên tục sắp xếp có qui luật trong toàn bộ vật rắn: đơn tinh thể. • Nếu sự sắp xếp các nguyên tử chỉ có qui luật trong từng vùng của vật rắn: đa tinh thể. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Bán dẫn đơn chất thường được dùng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn hiện nay là Ge, Si (nhóm IV). Bán dẫn hợp chất thường là A III B V , song hợp chất được dùng phổ biến để chế tạo các dụng cụ bán dẫn là GaAs, InP. Nói chung, vật liệu bán dẫn là vật rắn kết tinh và hầu hết có cấu trúc đơn tinh thể. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2. Mô hình năng lượng Theo cơ học lượng tử, vị trí của điện tử trong nguyên tử được xác định bởi 4 số lượng tử: • Số lượng tử chính: n = 1,2,3,…, n hay dùng chữ tương ứng là K, L, M,… • Số lượng tử quỹ đạo: ℓ = 0,1,2,3,…, (n-1) hay dùng chữ s, p, d, g,… • Số lượng tử từ: m = 0, 1, 2,…, ℓ • Số lượng tử spin: s = ½. Theo nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng lượng khác nhau nghĩa là trong một nguyên tử không thể tồn tại hai điện tử có cùng bốn số lượng tử kể trên (nguyên lý loại trừ Pauli). Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Với khái niệm số lượng tử và nguyên lý Pauli, CHLT đã giải thích được sự tồn tại của các mức năng lượng và sự phân bố điện tử trong nguyên tử. • Khi xét một nguyên tử độc lập thì điện tử trong nguyên tử chuyển động như trong một hố thế năng. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN • Trong mạng tinh thể vật rắn, các nguyên tử nằm gần nhau nên các điện tử lớp ngoài cùng của chúng phủ lên nhau, làm các mức năng lượng tương ứng của các nguyên tử cô lập tản rộng ra tạo thành các vùng năng lượng. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Có ba vùng năng lượng: vùng dẫn (1), vùng cấm (2) và vùng hóa trị (3). Trong từng vùng năng lượng, các mức năng lượng có thể bị chiếm đầy hoàn toàn, chiếm một phần hoặc bỏ trống hoàn toàn. Độ rộng và vị trí của từng vùng năng lượng phụ thuộc vào các loại vật rắn khác nhau. Độ rộng của vùng cấm xác định: • Năng lượng cần thiết để điện tử bức khỏi liên kết hóa học, tham gia vào quá trình tải điện, • Độ dẫn tương đối của các loại vật liệu khác nhau Nghĩa là vùng cấm là tiêu chuẩn phân biệt vật rắn là vật liệu dẫn điện , bán dẫn hay cách điện. Độ rộng của vùng cấm càng lớn thì độ dẫn càng kém. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Nếu chỉ xét đến tính dẫn điện, ta có thể đơn giản cấu trúc các vùng năng lượng như sau: Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN [...]... điện áp bên ngoài đặt vào Khi đặt điện áp bên ngoài vào chuyển tiếp p-n có hai trường hợp xảy ra: Chuyển tiếp p-n phân cực thuận: điện cực dương của điện áp đặt vào bán dẫn p và điện cực âm của điện áp đặt vào bán dẫn n Khi đó: • En ↑↓Etx có chiều ngược nhau, các hạt đa số bị đẩy về phía MĐTKG Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các điện tử trong miền n và các lỗ trống trong... do thu được năng lượng nhiệt, một số điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn trở thành điện tử tự do, tham gia vào thành phần dẫn điện ⇒ Ở vùng hóa trị sẽ xuất hiện các lỗ trống tham gia vào thành phần dòng điện Trong bán dẫn, điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dòng điện và chúng được gọi chung là hạt dẫn Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Kết quả: Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn... loại: - Bán dẫn thuần - Bán dẫn tạp (tạp loại n và loại p) a Chất bán dẫn thuần (bán dẫn loại I) Xét cấu tạo của nguyên tử của Silic và Germani: • Silic có 14 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử này xếp trên ba lớp • Ge có 32 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử này xếp trên bốn lớp Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Si Ge ⇒ Đặc điểm chung của Si và Ge: số điện tử trên lớp ngoài cùng bằng nhau...Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Với kim loại: giữa vùng hóa trị và vùng dẫn không có vùng cấm ngăn cách, mà tại đó là vùng bị chiếm đầy một phần ⇒ Khi dẫn điện, toàn bộ điện tử hóa trị có thể tham gia vào thành phần dẫn điện Với điện môi và bán dẫn: Ở nhiệt độ 00K, giản đồ vùng năng lượng của bán dẫn và của điện môi có dạng giống nhau: • Vùng hóa trị của chúng bị chiếm đầy hoàn toàn,... dương của điện áp đặt vào bán dẫn n và điện cực âm của điện áp đặt vào bán dẫn p n p Ungc Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Khi chuyển tiếp p-n phân cực ngược: tải đa số bị đẩy xa MĐTKG ⇒: → các hạt • Độ rộng miền điện tích không gian tăng • Dòng cuốn các hạt thiểu số tăng, • Dòng khuếch tán các hạt đa số giảm Kết quả trạng thái cân bằng bị phá vỡ, lúc này tồn tại dòng ngược Ingc rất nhỏ và hầu như không đổi... ngược Ingc nhỏ và không đổi • Ungc tăng đến một giá trị nào đó thì Ingc tăng vọt: chuyển tiếp p-n bị đánh thủng Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2 Tiếp xúc PIN • Cấu trúc PIN gồm ba lớp bán dẫn P, I, N • Lớp p và n pha tạp mạnh, ở giữa là lớp bán dẫn thuần I, có độ dày lớn hơn để làm tăng độ rộng MĐTKG Với cấu trúc này, khi phân cực ngược đủ lớn, MĐTKG chính là miền I và MĐTKG không lan vào các lớp bán... là các hạt thiểu số có nồng độ là pp và np (pp>> np) Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN II Các chuyển tiếp 1 Chuyển tiếp P-N Bán dẫn p và bán dẫn n tiếp xúc với nhau thì ở miền tiếp xúc hình thành lớp chuyển tiếp p-n Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN a Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng là chuyển tiếp p-n chưa có điện áp đặt vào: V = 0 Do sự chênh lệch về nồng... thêm các nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân loại tuần hoàn (có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng) như Acsenic hay Phospho vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần (1010 đến 1018 nguyên tử/cm3) Người ta gọi các nguyên tử này là các nguyên tử tạp chất Vì vậy, các nguyên tử tạp chất thừa một điện tử vành ngoài kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một nguồn năng lượng yếu tạo nên một cặp ion dương tạp chất... Ở điều kiện bình thường (250C): • Toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa • Ngoài ra, hiện tượng phát sinh hạt tải giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra Chất bán dẫn pha tạp loại này gọi là bán dẫn loại n Tạp chất gọi là tạp chất cho: donor Trên đồ thị vùng năng lượng, các mức năng lượng ion tạp chất loại này phân bố bên trong vùng cấm, nằm sát đáy vùng dẫn (khoảng cách cở vài % eV),... tăng lên, một số rất ít điện tử ở vòng ngoài có thể rời bỏ nguyên tử của mình và trở thành điện tử tự do, sinh ra cặp điện tử lỗ trống ⇒ Ở nhiệt độ bình thường, trong chất bán dẫn tinh khiết chỉ có rất ít điện tử tự do; do đó, độ dẫn điện của nó rất nhỏ Ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt trong tinh thể bán dẫn mạnh hơn và giải thoát một số lớn điện tử nên độ dẫn điện của nó cũng lớn hơn nhiều Chương . BÀI GIẢNG VẬT LÝ LINH KIỆN VÀ SENSOR Tài liệu tham khảo 1) Giáo trình cảm biến –. niệm cơ bản về vật lý dụng cụ bán dẫn Dụng cụ bán dẫn được chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ở những điều kiện nhất
