Tài liệu Giáo trình cấu kiện điện tử

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 1. VẬT LÝ BÁN DẪN

1.1 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ :

Các vật liệu điện tử thường được phân chia thành ba loại: Các vật liệu cách điện, dẫn điện và vật

liệu bán dẫn.

Chất cách điện là loại vật liệu thường có độ dẫn điện rất kém dưới tác dụng của một nguồn

điện áp đặt vào nó.

Chất dẫn điện là loại vật liệu có thể tạo ra dòng điện tích khi có nguồn điện áp đặt ngang qua

hai đầu vật liệu.

Chất bán dẫn là một loại vật liệu có độ dẫn điện ở khoảng giữa của chất dẫn điện và chất cách

điện

Thông số chính được dùng để phân biệt 3 loại vật liệu là điện trở suất ρ , có đơn vị là Ω.cm.

Như chỉ rỏ ở bảng 1.1, các chất cách điện có điện trở suất lớn hơn 105Ω.cm . ví dụ: kim cương

[diamond] là một trong những chất cách điện tuyệt vời, nó có điện trở suất rất lớn: 1016Ω.cm .

Ngược lại, đồng đỏ nguyên chất [pure copper] là một chất dẫn điện tốt, có điện trở suất chỉ là

3x10ư6Ω.cm.

Các vật liệu bán dẫn chiếm toàn bộ khoảng điện trở suất giữa chất cách điện và chất dẫn điện;

ngoài ra, điện trở suất của vật liệu bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách bổ sung thêm các

nguyên tử tạp chất khác vào tinh thể bán dẫn.

Bảng 1.1, cũng cho biết các giá trị điện trở suất điển hình của 3 loại vật liệu cơ bản. Mặc dù

trong thực tế chúng ta đã làm quen với tính dẫn điện của đồng đỏ (đồng nguyên chất) và tính

cách điện của mica, nhưng các đặc tính điện của các vật liệu bán dẫn như Gemanium (Ge) và

Silicon (Si) có thể còn mới lạ, dĩ nhiên, vật liệu bán dẫn không chỉ có hai loại vật liệu này,

nhưng đây là 2 loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong sự phát triển của dụng cụ bán dẫn.

BẢNG 1.1 Phân loại đặc tính dẫn điện của các vật liệu bằng chất rắn

Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện

ρ < 10ư3Ω.cm 10ư3 < ρ < 105Ω.cm 105Ω.cm < ρ

Giá trị điện trở suất của các chất điển hình

ρ = 3x10ư6Ω.cm ρ = 50 Ω.cm (germanium) ρ = 1012Ω.cm(mica)

(đồng đỏ ng. chất) ρ = 50x103Ω.cm (silicon) ρ = 1016Ω.cm(kim cương)

Các chất bán dẫn được tạo thành từ hai loại: Các chất bán dẫn đơn chất là các nguyên tố thuộc

nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, (bảng 1.2). Mặt khác, các chất bán dẫn hợp

chất có thể được hình thành từ các nguyên tố nhóm III và nhóm IV (thường gọi là hợp chất 3-5),

hay nhóm II và nhóm VI (gọi là hợp chất 2-6). Chất bán dẫn hợp chất cũng bao gồm 3 nguyên

tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [galliumaluminum-

arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indiumphosphide].

Theo lịch sử chế tạo các linh kiện bán dẫn thì Ge là một trong những chất bán dẫn

đầu tiên được sử dụng. Tuy nhiên, Ge đã được thay thế một cách nhanh chóng bới Si dùng để

chế tạo các dụng cụ bán dẫn quan trọng nhất hiện nay.

Silicon có mức năng lượng độ rộng vùng cấm (Eg) lớn hơn so với Ge (xem bảng 1.3) nên cho

phép sử dụng các linh kiện bán dẫn được chế tạo từ Si ở nhiệt độ cao hơn và sự dễ ôxi hóa để

hình thành nên một lớp ôxit cách điện ổn định trên bán dẫn Silicon làm cho việc gia công, xử lý

trên Si khi chế tạo các vi mạch (ICs) dể dàng hơn nhiều so với Ge. Tuy vậy, Ge vẫn có trong

các cấu kiện bán dẫn hiện đại nhưng hạn chế hơn nhiều so với Si và một số chất bán dẫn khác.

Ngoài chất bán dẫn bằng Silicon được dùng nhiều, còn có các chất bán dẫn như: GaAr [galliumarsenic]

và InP [Indium-phosphide] là những chất bán dẫn thông dụng hiện nay, đó là những vật

liệu quan trọng nhất trong việc chế tạo các cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED),

công nghệ Laser và các bộ tách sóng quang . v. v .