Điều gì là bán dẫn nội tại?

Điều gì là bán dẫn nội tại?

Định nghĩa Bán dẫn Nội tại

Bán dẫn là vật liệu có độ dẫn điện nằm giữa các chất dẫn điện và chất cách điện. Bán dẫn hóa học tinh khiết, tức là không chứa tạp chất, được gọi là Bán dẫn Nội tại hoặc Bán dẫn Không pha tạp hoặc bán dẫn loại i. Các bán dẫn nội tại phổ biến nhất là Silicon (Si) và Germanium (Ge), thuộc Nhóm IV của bảng tuần hoàn. Số nguyên tử của Si và Ge lần lượt là 14 và 32, cho cấu hình electron tương ứng là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 và 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Cả Si và Ge đều có bốn electron ở lớp vỏ ngoài cùng, hay lớp vỏ valence. Những electron valence này chịu trách nhiệm cho tính chất dẫn điện của bán dẫn.

Hệ thống mạng tinh thể của Silicon (giống như Germanium) trong hai chiều được thể hiện trong Hình 1. Tại đây, ta thấy rằng mỗi electron valence của một nguyên tử Si kết hợp với electron valence của nguyên tử Si lân cận để tạo thành liên kết cộng hóa trị.

Sau khi kết hợp, bán dẫn nội tại thiếu các hạt mang điện tự do, đó là các electron valence. Tại 0K, dải valence đầy và dải dẫn trống. Không có electron valence nào có đủ năng lượng để vượt qua khoảng cấm năng lượng, khiến bán dẫn nội tại hoạt động như chất cách điện tại 0K.

Tuy nhiên, ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt có thể làm đứt một số liên kết cộng hóa trị, tạo ra các electron tự do như được thể hiện trong Hình 3a. Các electron được tạo ra sẽ bị kích thích và di chuyển từ dải valence sang dải dẫn, vượt qua rào cản năng lượng (Hình 2b). Trong quá trình này, mỗi electron để lại một hố trong dải valence. Các electron và hố được tạo ra theo cách này được gọi là hạt mang điện nội tại và chịu trách nhiệm cho tính chất dẫn điện của vật liệu bán dẫn nội tại.

Mặc dù bán dẫn nội tại có thể dẫn điện ở nhiệt độ phòng, nhưng độ dẫn của chúng thấp do số lượng hạt mang điện ít. Khi nhiệt độ tăng, nhiều liên kết cộng hóa trị bị đứt, tạo ra nhiều electron tự do hơn. Các electron này di chuyển từ dải valence sang dải dẫn, tăng độ dẫn. Số lượng electron (ni) luôn bằng số lượng hố (pi) trong bán dẫn nội tại.

Khi áp dụng một trường điện lên bán dẫn nội tại, các cặp electron-hố có thể được làm dịch chuyển dưới tác động của nó. Trong trường hợp này, các electron di chuyển theo hướng ngược lại so với trường điện áp dụng, trong khi các hố di chuyển theo hướng của trường điện như được thể hiện trong Hình 3b. Điều này có nghĩa là hướng di chuyển của electron và hố là đối lập nhau. Điều này là do, khi một electron của một nguyên tử cụ thể di chuyển về phía trái, để lại một hố ở vị trí của nó, electron từ nguyên tử lân cận sẽ chiếm chỗ của nó bằng cách tái hợp với hố đó. Tuy nhiên, trong quá trình này, nó sẽ để lại một hố khác ở vị trí của nó. Điều này có thể được xem như là sự di chuyển của hố (ở phía phải trong trường hợp này) trong vật liệu bán dẫn. Hai chuyển động này, mặc dù đối lập nhau, dẫn đến dòng điện tổng cộng qua bán dẫn.

Toán học, mật độ hạt mang điện trong bán dẫn nội tại được biểu diễn bởi

Ở đây,

Nc là mật độ trạng thái hiệu dụng trong dải dẫn.

Nv là mật độ trạng thái hiệu dụng trong dải valence.

là hằng số Boltzmann.

T là nhiệt độ.

EF là năng lượng Fermi.

Ev chỉ mức độ của dải valence.

Ec chỉ mức độ của dải dẫn.

là hằng số Planck.

mh là khối lượng hiệu dụng của hố.

me là khối lượng hiệu dụng của electron.