Chương 2. Vật liệu bán dẫn1. Định nghĩa và phân loại vật liệu bán dẫn2. Vật liệu bán dẫn thuần3. Vật liệu bán dẫn tạp4. Dòng điện trong vật liệu bán dẫn27012021 Chương 2. Vật liệu bán dẫn 11. Định nghĩa Vật liệu bán dẫn là vật liệu có điện trở suất nằm ở giữa trịsố điện trở suất của vật liệu dẫn điện và vật liệu điện môikhi ở nhiệt độ phòng, ρ = 104÷107 Ω.m; Vật liệu bán dẫn là vật liệu mà trong cấu trúc dải nănglượng có độ rộng vùng cấm là 0 < EG < 2eV.270120212Chương 2. Vật liệu bán dẫn Trong kỹ thuật điện tử hiện nay sử dụng một số chất bándẫn có cấu trúc đơn tinh thể. Quan trọng nhất là hai nguyêntố Gecmani (Ge) và Silic (Si). Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể này là độ dẫn điệncủa nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và sẽ tăng theo lũy thừavới sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm íttạp chất. Do đó đặc điểm cơ bản của chất bán dẫn là độ dẫnđiện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường và nồng độtạp chất, ngoài ra còn phụ thuộc vào ánh sáng, bức xạ ionhóa, ...270120213Chương 2. Vật liệu bán dẫnPhân loạiPhân loại theo thành phần hóa học Nguyên tố bán dẫn: Bo (B), Indi (In),Gali (Ga) ở nhóm 3, Silic (Si),Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Asen(As), P, Sb (Antimony) thuộc nhóm 5,Selen (Se), lưu huỳnh (S) ở nhóm 6,...270120214 Hợp chất bán dẫn: Một số hợp chất bán dẫn hay gặp được tạora bởi sự kết hợp của nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhómIII và nhóm V (gọi là hợp chất III V) hoặc nhóm II và nhómVI (gọi là hợp chất II VI). Một số loại hợp chất bao gồm 3nguyên tố hoặc nhiều hơn (HgCdTe, GaAlAs, GaInAr,GaInP,…), thậm chí là có nguồn gốc hữu cơ.Chương 2. Vật liệu bán dẫn Theo nguồn gốc phát sinh: Thực ra đây không phải là tiêu chí cơ bản nhưng hiện nay vẫn được sử dụng trong nhiều trường hợp cần so sánh. Theo tiêu chí này có bán dẫn vô cơ và bán dẫn hữu cơ. Các loại chất bán dẫn có nguồn gốc hữu cơ thường được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt(ví dụ chế tạo các loại Diode phát quang hữu cơ OLED, chế tạo cảm biến,…).270120215Chương 2. Vật liệu bán dẫnTheo đặc tính kỹ thuật công nghệ: Đây là phương pháp phânloại bán dẫn cơ bản nhất. Bán dẫn thuần: là các loại vật liệu bán dẫn sau khi đã trảiqua một quy trình làm sạch nhằm loại bỏ tạp chất để đạt đếnmột độ tinh khiết nhất định. Bán dẫn tạp: là bán dẫn được tạo ra từ bán dẫn thuần bằngcách thêm vào một lượng tạp chất nhất định. Lưu ý rằng“tạp chất” trong trường hợp này được pha tạp vào bằng mộtquy trình công nghệ rất khắt khe để tạo nên những tính chấtđặc thù. Có hai loại bán dẫn tạp: Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên điện tử (loại N) Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên lỗ trống (loại P).270120216Chương 2. Vật liệu bán dẫnVật liệu bán dẫn thuầnCấu trúc mạng tinh thể của Si: Silic thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học,có bốn điện tử ở lớp ngoài cùng, gọi là 4 điện tử hóa trị. Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng liên kết đồng hóa trịcủa mỗi nguyên tử Si với 4 nguyên tử Si lân cận gần nhất dướidạng khối không gian ba chiều rất đều đặn như ở hình vẽ.270120217Chương 2. Vật liệu bán dẫnMô hình liên kết đồng hóa trị Sự liên kết bền vững giữa các nguyêntử bằng các điện tử hóa trị góp chungđược gọi là liên kết đồng hóa trị. Mặc dù liên kết đồng hóa trị là lọailiên kết mạnh giữa các điện tử hóa trịvà nguyên tử gốc của chúng nhưng cácđiện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ nănglượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảycác liên kết đồng hóa trị và tạo ra cácđiện tử ở trạng thái tự do.270120218 Thuật ngữ “tự do” nói lên rằng sự di chuyển của các điện tử là rất nhạycảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay sự chênhlệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dướidạng các photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh.Chương 2. Vật liệu bán dẫnỞ nhiệt độ gần độ0 tuyệt đối, toàn bộcác điện tử định vị trong các mối liênkết đồng hóa trị góp chung giữa cácnguyên tử và không có điện tử tự dođể tham gia vào quá trình dẫn điện.Lớp ngoài cùng của nguyên tử là đầyđủ và vật liệu giống như một chấtcách điện. Khi tăng nhiệt độ, thì năng lượngnhiệt sẽ được bổ sung vào tinh thể,lúc này một vài liên kết sẽ bị bẻ gãy,giải phóng một lượng nhỏ điện tửcung cấp cho việc dẫn điện.270120219Chương 2. Vật liệu bán dẫn Mật độ các điện tử tự do này được gọi là: mật độ các hạt tải điện cơ bảnni (cm−3) và được xác định tùy theo đặc tính của vật liệu và nhiệt độ nhưsau: EG là mức năng lượng độ rộng vùng cấm, (eV); k là hằng số Boltzmann, 8,62x10−5, (eV K); T là nhiệt độ tuyệt đối, (K); B là thông số tùy thuộc vật liệu, (K−3 x cm−6); Ví dụ, đối với Si thì B = 1,08x1031 (K−3 x cm−6) Mức năng lượng vùng cấm EG bandgap energy là mức năng lượng tốithiểu cần thiết để bẻ gãy một mối liên kết trong tinh thể bán dẫn để giảiphóng một điện tử cho quá trình dẫn điện.2701202110 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Mật độ các điện tử tự do được biểudiển bằng ký hiệu n (sốelectroncm3), và đối với vật liệunguyên chất n = ni . Mặc dù ni làmột đặc tính cơ bản của mỗi chấtbán dẫn nhưng nó phụ thuộc rấtnhiều vào nhiệt độ đối với tất cảcác vật liệu. Để đơn giản trong tính toán, ta lấygiá trị ni ≈ 1010 cm3 ở nhiệt độphòng đối với Si.2701202111Chú ý: Mật độ các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng 5x1022 cm3,so sánh với kết quả ở trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ 1013nguyên tử Si, thì chỉ có một mối liên kết bị bẻ gãy.Chương 2. Vật liệu bán dẫn Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kếtđồng hóa trị bị bẻ gãy. Khi một điện tử mang điện tích âm q ,di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa trị, thì nó sẽ để lại mộtkhoảng trống trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicongốc. Khoảng trống có điện tích hiệu dụng dương +q . Một điện tử từ liên kết lân cận có thể điền vào khoảng trống nàyvà sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác. Quá trình nàylàm cho khoảng trống di chuyển qua khắp các mối liên kếttrong mạng tinh thể bán dẫn. Khoảng trống di chuyển giốngnhư hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lỗ trống hole.Mật độ lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống cm3).2701202112 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗiliên kết bị bẽ gảy: một điện tử và một lỗ trống, do đó đối với bándẫn silicon nguyên chất ta có:2701202113Chú ý: Tích pn cho ở trên chỉ đúng với điều kiện một chất bán dẫnở điều kiện cân bằng nhiệt, mà trong đó, các đặc tính của vật liệubán dẫn chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, mà không có các dạng kíchthích khác. Phương trình sẽ không đúng đối với các chất bán dẫnkhi có các kích thích ngoài như: điện áp, dòng điện hay kích thíchbằng ánh sáng.Chương 2. Vật liệu bán dẫn Ở điều kiện nhiệt độ ổn định (cân bằng nhiệt), người ta nhận thấytrong cả bán dẫn thuần và bán dẫn tạp tồn tại trạng thái cân bằngđộng, ở đó nồng độ động tử sinh ra bằng với nồng độ động tử tựdo mất đi. Sở dĩ xảy ra hiện tượng này là do trong quá trình chuyển độngtrong lòng vật liệu, các electron tự do gặp các lỗ trống. Vị trí củalỗ trống lúc này giống như một “bẫy” năng lượng, có khả nănghấp thụ lại electron để chuyển nó từ trạng thái tự do về mối liênkết đồng hóa trị. Hiện tượng đó được gọi bằng một thuật ngữ rấthợp lý là “hiện tượng tái hợp động tử”. Thời gian trung bình từ khi tạo ra cho đến khi tái hợp động tửđược gọi là “thời gian sống trung bình” của động tử.2701202114 Chương 2. Vật liệu bán dẫnĐiện trở suất của bán dẫn Si nguyên chấtDòng trôi trong các chất bán dẫn Điện trở suất ρ và đại lượng nghịch đảo của điện trở suất là điện dẫnsuất conductivity: σ là đặc trưng của dòng điện chảy trong vật liệu khicó điện trường đặt vào. Dưới tác dụng của điện trường, các hạt tích điệnsẽ di chuyển hoặc trôi drift và tạo thành dòng điện được gọi là dòngtrôi. Mật độ dòng trôi j được định nghĩa như sau: Q là mật độ điện tích; v là vận tốc của các điện tích trong điệntrường. Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể siliconbằng cách sử dụng cả hai mô hình liên kết đồng hóa trị và mô hình vùngnăng lượng trong các chất bán dẫn. Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường taphải xét độ linh động của các hạt tải điện.2701202115 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Độ linh động mobility Các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụngcủa điện trường đặt vào. Sự chuyển động này được gọi là sự trôivà tạo thành dòng điện chảy trong chất bán hay là dòng trôi. Cácđiện tích dương trôi cùng chiều của điện trường, ngược lại các hạtmang điện tích âm trôi theo hướng ngược chiều của điện trường. Vận tốc trôi của các hạt tải điện v (cms) tỷ lệ với điện trường E(Vcm); hằng số tỷ lệ được gọi là độ linh động µ Độ linh động của điện tử và lỗ trống có giá trị lần lượt bằng 1350và 500 cm2V∙s đối với bán dẫn Si thuần.2701202116 Chương 2. Vật liệu bán dẫnĐiện trở suất của bán dẫn Si thuần Để đơn giản cho việc xác định mật độ dòng trôi của điện tử và lổ trống, ta giả sử dòng chảy theo một chiều để tránh ký hiệu véc tơ ở phương trình Tổng mật độ dòng trôi sẽ là: Từ phương trình này sẽ xác định độ dẫn điện σ :2701202117 Chương 2. Vật liệu bán dẫnVật liệu bán dẫn tạp Trong thực tế, các ưu điểm của các chất bán dẫn thể hiện rõ khicác tạp chất được bổ sung vào vật liệu bán dẫn nguyên chất, mặcdù với một tỷ lệ rất thấp tạp chất nhưng chất bán dẫn mới được tạothành có ý nghĩa điều chỉnh đặc tính dẫn điện của vật liệu rất tốt.Quá trình như vậy được gọi là sự pha tạp, và vật liệu tạo thành gọilà bán dẫn tạp. Sự pha tạp sẽ cho phép làm thay đổi điện trở suất của vật liệutrong một khoảng rất rộng và định rõ hoặc nồng độ điện tử hoặcnồng độ lỗ trống sẽ điều chỉnh điện trở suất của vật liệu. Ở đây ta xét sự pha tạp vào bán dẫn Si nguyên chất. Các tạp chấtthường được sử dụng nhiều là các nguyên tố thuộc nhóm III vànhóm V của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.2701202118 Chương 2. Vật liệu bán dẫnBán dẫn tạp loạin Các tạp chất dùng để pha tạp vàobán dẫn Si được lấy từ cácnguyên tố thuộc nhómV, có5điện tử hóa trịở lớp ngoài cùng.Các nguyên tố thường được sửdụng nhất là Phosphorus, Arsenic. Khi một nguyên tửP thay thế mộtnguyên tử Si trong mạng tinh thể,thì4 trong số5 điện tử sẽ điềnđầy vào cấu trúc liên kết đồnghóa trị với mạng tinh thể Si, điệntử thứ5 liên kết yếu với nguyêntửP nên chỉ cần một năng lượngnhiệt rất bé nó dể trở thành điệntử tự do. 2701202119 Chương 2. Vật liệu bán dẫn Như vậy, ở nhiệt độ phòng, chủ yếu một nguyên tử P đóng gópmột điện tử tự do cho quá trình dẫn điện, do đó mỗi nguyên tử Psẽ trở nên bị ion hóa vì đã mất một điện tử và sẽ mang điện tích+q, tương đương như một điện tích cố định, không dịch chuyểntrong mạng tinh thể. Các electron tự do phát sinh do tạp chất sẽ bổ sung vào số cácelectron tự do của bán dẫn thuần (được phát sinh do nhiệt độ); vìvậy, tính dẫn điện của bán dẫn lúc này trở thành tính dẫn điện ưutiên electron. Các chất bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn dạngdư điện tử hay bán dẫn dạng n. Tạp chất tạo ra tính dẫn điện ưutiên electron được gọi là tạp chất cho (Donor).
Chương Vật liệu bán dẫn Định nghĩa phân loại vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn tạp Dòng điện vật liệu bán dẫn 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn 1 Định nghĩa Vật liệu bán dẫn vật liệu có điện trở suất nằm trị số điện trở suất vật liệu dẫn điện vật liệu điện môi nhiệt độ phịng, ρ = 10-4÷107 Ω.m; Vật liệu bán dẫn vật liệu mà cấu trúc dải lượng có độ rộng vùng cấm < EG < 2eV 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Trong kỹ thuật điện tử sử dụng số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể Quan trọng hai nguyên tố Gecmani (Ge) Silic (Si) Đặc điểm cấu trúc mạng tinh thể độ dẫn điện nhỏ nhiệt độ thấp tăng theo lũy thừa với tăng nhiệt độ tăng gấp bội có trộn thêm tạp chất Do đặc điểm chất bán dẫn độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường nồng độ tạp chất, ngồi cịn phụ thuộc vào ánh sáng, xạ ion hóa, 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Phân loại Phân loại theo thành phần hóa học Nguyên tố bán dẫn: Bo (B), Indi (In), Gali (Ga) nhóm 3, Silic (Si), Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Asen (As), P, Sb (Antimony) thuộc nhóm 5, Selen (Se), lưu huỳnh (S) nhóm 6, Hợp chất bán dẫn: Một số hợp chất bán dẫn hay gặp tạo kết hợp nguyên tố thuộc phân nhóm nhóm III nhóm V (gọi hợp chất III - V) nhóm II nhóm VI (gọi hợp chất II - VI) Một số loại hợp chất bao gồm nguyên tố nhiều (HgCdTe, GaAlAs, GaInAr, GaInP,…), chí có nguồn gốc hữu 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Theo nguồn gốc phát sinh: Thực tiêu chí sử dụng nhiều trường hợp cần so sánh Theo tiêu chí có bán dẫn vơ bán dẫn hữu Các loại chất bán dẫn có nguồn gốc hữu thường sử dụng trường hợp đặc biệt (ví dụ chế tạo loại Diode phát quang hữu - OLED, chế tạo cảm biến,…) 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Theo đặc tính kỹ thuật - cơng nghệ: Đây phương pháp phân loại bán dẫn Bán dẫn thuần: loại vật liệu bán dẫn sau trải qua quy trình làm nhằm loại bỏ tạp chất để đạt đến độ tinh khiết định Bán dẫn tạp: bán dẫn tạo từ bán dẫn cách thêm vào lượng tạp chất định Lưu ý “tạp chất” trường hợp pha tạp vào quy trình cơng nghệ khắt khe để tạo nên tính chất đặc thù Có hai loại bán dẫn tạp: Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên điện tử (loại N) Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên lỗ trống (loại P) 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn Cấu trúc mạng tinh thể Si: Silic thuộc nhóm IV bảng tuần hồn ngun tố hóa học, có bốn điện tử lớp ngồi cùng, gọi điện tử hóa trị Vật liệu đơn tinh thể hình thành liên kết đồng hóa trị nguyên tử Si với nguyên tử Si lân cận gần dạng khối không gian ba chiều đặn hình vẽ 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Mơ hình liên kết đồng hóa trị Sự liên kết bền vững nguyên tử điện tử hóa trị góp chung gọi liên kết đồng hóa trị Mặc dù liên kết đồng hóa trị lọai liên kết mạnh điện tử hóa trị nguyên tử gốc chúng điện tử hóa trị hấp thụ lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy liên kết đồng hóa trị tạo điện tử trạng thái tự Thuật ngữ “tự do” nói lên di chuyển điện tử nhạy cảm tác dụng điện trường nguồn điện áp hay chênh lệch hiệu; ảnh hưởng lượng ánh sáng dạng photon; lượng nhiệt từ môi trường xung quanh 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Ở nhiệt độ gần độ tuyệt đối, toàn điện tử định vị mối liên kết đồng hóa trị góp chung nguyên tử khơng có điện tử tự để tham gia vào q trình dẫn điện Lớp ngồi nguyên tử đầy đủ vật liệu giống chất cách điện Khi tăng nhiệt độ, lượng nhiệt bổ sung vào tinh thể, lúc vài liên kết bị bẻ gãy, giải phóng lượng nhỏ điện tử cung cấp cho việc dẫn điện 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn Mật độ điện tử tự gọi là: mật độ hạt tải điện ni (cm−3) xác định tùy theo đặc tính vật liệu nhiệt độ sau: EG mức lượng độ rộng vùng cấm, (eV); k số Boltzmann, 8,62x10−5, (eV/ K); T nhiệt độ tuyệt đối, (K); B thông số tùy thuộc vật liệu, (K−3 x cm−6); Ví dụ, Si B = 1,08x1031 (K−3 x cm−6) Mức lượng vùng cấm EG [bandgap energy] mức lượng tối thiểu cần thiết để bẻ gãy mối liên kết tinh thể bán dẫn để giải phóng điện tử cho q trình dẫn điện 27/01/2021 Chương Vật liệu bán dẫn 10 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 94 Diode ổn áp Zener 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 95 Việc sử dụng diode Zener mạch ổn áp phổ biến việc phân tích tham số mạch Từ thiết kế mạch điện ổn áp điều kiện hoạt động khác Việc phân tích đại lượng (Vi, R) cố định, điện áp nguồn Vi cố định tải R thay đổi, cuối tải R cố định nguồn cung cấp Vi thay đổi 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 96 Vi RL cố định Bước 1: Xác định trạng thái diode Zener cách loại bỏ khỏi mạch tính tốn điện áp mạch hở tạo Nếu V ≥ VZ diode mở Nếu V < VZ diode ngắt Bước 2: Thay mạch tương đương thích hợp giải ẩn số mong muốn 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 97 Nếu diode mở 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 98 Ví dụ Tính tốn tham số mạch VL, VR, IZ, PZ Tính toán lại tham số với RL = kΩ 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 99 Giả sử diode Zener ngắt V = 8,73 (V) < VZ = 10 (V) – diode Zener ngắt 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 100 RL = kΩ V = 12 (V) > VZ = 10 (V) – diode Zener mở 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 101 Vi cố định RL thay đổi Tính tải nhỏ để diode Zener mở 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 102 Ví dụ Tính RL IL VRL = 10V Tính cơng suất tiêu thụ tối đa diode Zener 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 103 Điện trở RL nhỏ để bật diode Zener 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 104 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 105 RL cố định, Vi thay đổi Để diode Zener mở điện áp tối thiểu Điện áp tối đa Vi bị giới hạn dòng điện cực đại diode 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 106 Ví dụ Xác định khoảng giá trị Vi để diode Zener mở 27/01/2021 Chương Diode bán dẫn 107 27/01/2021 Bộ môn Kỹ thuật vi xử lý – Khoa 108 ... Định nghĩa Vật liệu bán dẫn vật liệu có điện trở suất nằm trị số điện trở suất vật liệu dẫn điện vật liệu điện mơi nhiệt độ phịng, ρ = 10-4÷107 Ω.m; Vật liệu bán dẫn vật liệu mà cấu trúc dải... loại bán dẫn tạp: Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên điện tử (loại N) Bán dẫn tạp loại dẫn điện ưu tiên lỗ trống (loại P) 27 /01 /20 21 Chương Vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn Cấu trúc mạng tinh... Đối với vật liệu bán dẫn tạp dạng n (ND >NA) Đối với vật liệu bán dẫn tạp dạng p (NA > ND) 27 /01 /20 21 Chương Vật liệu bán dẫn 25 Mơ hình vùng lượng Mơ hình vùng lượng chất bán Bán dẫn 0K có