1. Chất bán dẫn
Khi nghiên cứu các vật liệu, người ta thấy nhiều chất không thể xem là kim loại hoặc điện môi. Trong số này có một nhóm vật liệu mà tiêu biểu là gemani và silic, được gọi là chất bán dẫn hoặc gọi tắt là bán dẫn.
Những biểu hiện quan trọng của chất bán dẫn:
+ Điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị nằm trong khoảng trung gian giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất của điện môi. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hẹ số nhiệt điện trở có điện trở có giá trị âm. Ta gọi lặ dẫn điện riêng của chất bán dẫn. Điều này ngược với sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ.
+ Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất. Chỉ cần một lượng tạp chất nhỏ ( khoảng ${{10}^{-6}}\%$ đến ${{10}^{-3}}\%$ ) cũng đủ làm điện trở suất của nó ở lân cận nhiệt độ phòng giảm rất nhiều lần. Lúc này ta nói sự dẫn điện của chất bán dẫn là dẫn điện tạp chất.
+ Điện trở suất của chất bán dẫn cũng giảm đáng kể khi nó bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác.
2. Hạt tải điện trong chất bán dẫn
Chất bán dẫn có hạt tải điện mang điện âm ta gọi là bán dẫn loại n. Chất bán dẫn có các hạt tải điện mang điện dương ta gọi là bán dẫn loại p.
Trong cả 2 loại bán dẫn p và n, thực ra dòng điện đều do dòng chuyển động cuẩ electron sinh ra.
Khi một electron bị bứt ra khỏi liên kết, nó trở nên tự do và thành hạt tải điện gọi là electron dẫn, hay gọi tắt là electron. Chỗ liên kết đứt sẽ thiếu một electron nên mang điện dương và được gọi là lỗi trống.
Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng các eletron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển độngc ùng chiều điện trường.
3. Lớp chuyển tiếp p-n
Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.
Lớp chuyển tiếp p-n là chỗ tiếp xúc của miền mang tính dẫn p và miền mang tính dẫn n được tạo ra trên một tinh thể bán dẫn. Lớp chuyển tiếp p-n là lớp nghèo hạt tải điện.
Dòng điện chỉ chạy qua được lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từ p sang n, nên lớp chuyển tiếp p-n được dùng làm điôt bán dẫn để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều.
Các tính chất điện của bán dẫn
- Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi
- Điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Nó dẫn điện kém (điện trở suất lớn) khi nhiệt độ thấp và dẫn điện tốt (điện trở suất nhỏ) khi nhiệt độ cao
- Điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào các tạp chất có trong tinh thể
Các ion dương và âm có mặt ở lớp nghèo là do kết quả của sự ra đi của electron và lỗ trống từ các mặt bên đó vào trong lớp nghèo và tái hợp với nhau.
Bán dẫn chứa tạp chất nhận là bán dẫn có mật độ lỗ trống rất lớn so với mật độ electron.
Ta không thể làm thay đổi mật độ hạt tải trong chất bán dẫn bằng cách tăng áp lực lên khối bán dẫn.
αT1 >> αT2 với αT1 là hệ số nhiệt điện trở bán dẫn và αT2 là hệ số nhiệt điện trở kim loại.
Trong bán dẫn tinh khiết, số êlectron và số lỗ trống bằng nhau
Bán dẫn loại p là bán dẫn trong đó mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ êlectron. Để thu được bán dẫn này, người ta pha thêm vào tinh thể Si tạp chất hóa trị III
Tốc độ chuyển động của êlectron và lỗ trống bằng nhau
Dòng điện chủ yếu trong bán dẫn loại n là dòng các electron.
Bán dẫn tinh khiết thì mật độ của electrôn và lỗ trống bằng nhau, với bán dẫn tạp chất thì khác nhau
Bán dẫn tạp chất chia thành 2 loại
- Bán dẫn loại n: Hạt electrôn chiếm đa số.
- Bán dẫn loại p: Hạt lỗ trống chiếm đa số.
Có hai loại bán dẫn pha tạp là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
Bán dẫn loại n là bán dẫn có hạt tải điện đa số là êlectron
Bán dẫn loại p là bán dẫn có hạt tải điện đa số là lỗ trống
Do đó, khi nói bán dẫn pha tạp nói chung thì số êlectron dẫn khác số lỗ trống
Với các chất bán dẫn thì điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, do đó điện trở suất giảm khi tăng nhiệt độ và hệ số nhiệt điện trở mang giá trị âm.
Hạt tải điện trong các môi trường là
+ Kim loại: êlectron tự do
+ Chất điện phân : ion dương và ion âm
+ Chất khí: êlectron, ion dương và ion âm
+ Chất bán dẫn: êlectron dẫn và lỗ trống
Như vậy, kim loại là môi trường có số loại hạt tải điện ít nhất
Quá trình phát sinh êlectron – lỗ trống trong chất bán dẫn xảy ra khi bán dẫn chịu tác động của tác nhân ion hóa như nhiệt độ, ánh sáng, các tia bức xạ, …
Trong tinh thể bán dẫn, khi êlectron thoát ra khỏi liên kết để trở thành êlectron dẫn sẽ để lại một vị trí trống. Vị trí này được gọi là lỗ trống.
Vì ban đầu bán dẫn trung hòa về điện nên lỗ trống mang điện tích dương và có độ lớn bằng điện tích của êlectron.
Trong quá trình chuyển động của eelectron, khi nó lấp đầy vào một vị trí trống sẽ bỏ lại một vị trí trống khác. Khi đó có thể coi rằng lỗ trống cũng đang chuyển động từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
Trong bán dẫn loại n, electron là hạt mang điện cơ bản và lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản.
Lỗ trống được tạo ra khi êlectron hóa trị giải phóng khỏi liên kết để lại một vị trí trống, hoặc nguyên tử tạp chất hóa trị III (B, Al) nhận thêm một êlectron từ mối liên kết giữa các nguyên tử bán dẫn.
Trong mọi loại bán dẫn, hạt tải điện đều bao gồm êlectron và lỗ trồng
Bán dẫn tinh khiết là bán dẫn có mật độ êlectron bằng mật độ lỗ trống
Bán dẫn loại n là bán dẫn có mật độ êlectron lớn hơn mật độ lỗ trống
Bán dẫn loại p là bán dẫn có mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ êlectron
Êlectron mang điện tích âm, lỗ trống mang điện tích dương. Dưới tác dụng của điện trường, êlectron chuyển động ngược chiều điện trường còn lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.
Axepto là tập chất nhận, đôno là tập chất cho êlectron, trong bán dẫn loại n hạt êlectron giảm khi có tạp axepto và ngược lại.
Đối với các chất bán dẫn nói chung, điện trở suất có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi.
Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi. Cụ thể, điện trở suất của bán dẫn lớn hơn kim loại và nhỏ hơn điện môi
Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh. Nghĩa là bán dẫn là chất dẫn điện ở miền nhiệt độ cao
Các bán dẫn khác nhau có điện trở suất khác nhau
Các êlectron dẫn trong bán dẫn tinh khiết là các êlectron được giải phóng khỏi liên kết ở nhiệt độ cao.
Các tính chất điện của bán dẫn
- Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi
- Điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng
- Điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào các tạp chất có trong tinh thể
Vì điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng nên điện dẫn suất của nó tăng mạnh khi nhiệt độ tăng
Trong bán dẫn tinh khiết, cả lỗ trống và êlectron tham gia vào quá trình dẫn điện.
Trong tinh thể bán dẫn, khi êlectron thoát ra khỏi liên kết để trở thành êlectron dẫn sẽ để lại một vị trí trống. Vị trí này được gọi là lỗ trống.
Vì ban đầu bán dẫn trung hòa về điện nên lỗ trống mang điện tích dương và có độ lớn bằng điện tích của êlectron.
Như vậy, lỗ trống mang điện tích nguyên tố dương vì nó là một nguyên tử mất êlectron
Trong tinh thể bán dẫn, khi êlectron thoát ra khỏi liên kết để trở thành êlectron dẫn sẽ để lại một vị trí trống. Vị trí này được gọi là lỗ trống.
Vì ban đầu bán dẫn trung hòa về điện nên lỗ trống mang điện tích dương.
Như vậy, lỗ trống thực chất là một liên kết bị thiếu êlectron
Hạt tải điện trong các môi trường là
+ Kim loại: êlectron tự do
+ Chất điện phân : ion dương và ion âm
+ Chất khí: êlectron, ion dương và ion âm
+ Chất bán dẫn: êlectron dẫn và lỗ trống
Chất khí, chất bán dẫn là hai môi trường cần tác nhân ion hóa để hình thành hạt tải điện, ví dụ như nhiệt độ
Về định luật Ôm
+ Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm khi nhiệt độ của nó được giữ không đổi
+ Dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ôm khi có xảy ra hiện tượng dương cực tan
+ Dòng điện trong chất bán dẫn và chất khí không tuân theo định luật Ôm
Do đó, không phải tất cả các môi trường đều thỏa mãn rằng khi cường độ dòng điện trong các môi trường đều tăng khi hiệu điện thế đặt vào môi trường đó tăng lên
Khi tăng nhiệt độ, sự phát sinh cặp êlectron – lỗ trống và sự tái hợp giữa chúng đều tăng.
Nhưng tốc độ phát sinh tăng nhanh hơn.
Đó là pin vôn-ta.
Hạt tải điện chính là electron.
Với các chất bán dẫn khi nhiệt độ càng cao thì độ linh động của các e càng lớn, điện trở càng nhỏ do đó độ dẫn điện càng lớn.
Silic tinh khiết có liên kết đồng hóa trị giữa hai nguyên tử.
Ở mọi nhiệt độ, mật độ lỗ trống và êlectron dẫn trong bán dẫn tinh khiết đều bằng nhau.
Xem thêm các bài tiếp theo bên dưới