92 Chương 4 VẬT LIỆU BÁN DẪN 4 1 Khái niệm chung về bán dẫn 4 1 1 Các khái niệm cơ bản về bán dẫn 4 1 1 1 Vùng năng lượng trong chất rắn Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử Tro[.]
Chương VẬT LIỆU BÁN DẪN 4.1 Khái niệm chung bán dẫn 4.1.1 Các khái niệm bán dẫn 4.1.1.1 Vùng lượng chất rắn Chất rắn coi cấu tạo tập hợp nguyên tử Trong vật rắn tinh thể nguyên tử xếp cách tuần hoàn mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề cách khái quát ta xét mạng tinh thể gồm nguyên tử giống Khi khoảng cách nguyên tử lớn, nguyên tử coi độc lập, không tương tác với Mỗi nguyên tử có mức lượng gián đoạn cho phép, giống trường hợp có nguyên tử đơn độc Trong số mức lượng có số mức bị chiếm electron Ở trạng thái electron chiếm mức lượng thấp Khi có nguyên tử cô lập ứng với giá trị lượng tử n có mức lượng, quĩ đạo Khi khoảng cách nguyên tử giảm đến giá trị đó, nguyên tử có tương tác với chuyển động electron chịu ảnh hưởng hạt nhân nguyên tử mà cịn chịu ảnh hưởng nguyên tử khác mạng tinh thể Khi có nguyên tử tương tác với chuyển động hai electron hai nguyên tử chịu ảnh hưởng hai hạt nhân hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli hai electron phải hai trạng thái khác Do đó, mức lượng cũ bị tách thành mức lượng Nếu hệ chứa N nguyên tử mức lượng nguyên tử cô lập tách thành N mức Các mức sát tạo thành vùng lượng cho phép Trong 1cm3 có khoảng 1022 nguyên tử, mức lượng tách thành số lớn, mà độ rộng vùng lượng khoảng vài eV Do vậy, khoảng cách mức nhỏ vùng lượng khoảng 10-22eV, nói biến thiên lượng vùng lượng gần liên tục Giữa vùng lượng vùng trống (gọi vùng cấm) mà khơng thể tồn trạng thái electron Khi số lượng electron số nguyên tử tăng lên số mức tách từ mức tăng lên theo, tạo thành vùng lượng cho phép Những electron vịng quĩ đạo ngồi chịu ảnh hưởng tương tác nhiều Vì vậy, có vùng lượng rộng Đối với electron cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nên vùng lượng hẹp nhất, chí khơng thể phân biệt với mức lượng nguyên tử cô lập Bề rộng vùng lượng phụ thuộc vào khoảng cách nguyên tử tức phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể Số trạng thái vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức phụ thuộc vào độ lớn nguyên tử Những vùng gần phủ lên nhau, khoảng cách lớn vùng lượng cách xa ngăn cách vùng cấm 4.1.1.2 Cấu trúc vùng lượng VLBD Các vùng lượng chất rắn bị chiếm đầy, chiếm phần hay bỏ trống Vùng lượng cao bị chiếm electron hóa trị vùng cao định tính dẫn điện chất rắn Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy vùng phía tiếp sau vùng dẫn Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không 92 điền đầy Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức lượng cao trở thành electron tự tham gia vào trình dẫn điện Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV Do vậy, electron khó có khả vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng lượng tương tự vật liệu cách điện vùng cấm hẹp cỡ 0,1eV đến 1eV Ở 00K chúng chất cách điện Ở nhiệt độ phịng electron thu lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn tham gia vào trình dẫn điện Điều khác dẫn điện kim loại bán dẫn electron chuyển lên vùng dẫn đồng thời tạo vùng hóa trị lỗ trống - Electron tự vùng dẫn - Lỗ trống vùng hóa trị Hình 4-1 Cấu trúc vùng lượng VLBD Do đó, electron vùng hóa trị chuyển động đến lỗ trống để lấp đầy tạo chuyển động lỗ trống dịng lỗ trống mang điện tích dương Mức thấp vùng dẫn ứng với lượng electron đứng yên electron Do đó, đáy vùng dẫn tương ứng với electron, tương tự đỉnh vùng hoá trị ứng với lỗ trống Nếu electron mức lượng cao WC lỗ trống mức lượng thấp WV electron lỗ trống có động hiệu mức lượng chúng lượng ứng với đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị Hình 4-2 Đáy vùng dẫn tương ứng với electron 93 4.1.1.3 Phân loại VLBD Vật liệu bán dẫn sử dụng thực tế chia bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hóa học bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm) Hiện nghiên cứu bán dẫn từ trường bán dẫn lỏng Tất có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản gồm Bo (B), Silic (Si), Germani (Ge), Photpho (P), Asen (As), Lưu huỳnh (S), Selen (Se), Telua (Te), Iốt (I) Các chất Germani, Silic Selen có ý nghĩa quan trọng kỹ thuật đại Bán dẫn hợp chất hóa học hợp chất nguyên tố thuộc nhóm khác bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep tương ứng với dạng tổng quát AIVBIV (SiC), AIIIBV (InSb,GaAs) số chất có thành phần phức tạp.(Các VLBD liên kết GaAs, ký hiệu chung AIIIBV, liên kết nguyên tố có hố trị III Ga với ngun tố có hóa trị V As) 4.2 Điện dẫn bán dẫn Theo lý thuyết phân vùng lượng vật chất, bề rộng vùng cấm chất bán dẫn có trị số khoảng 1-3eV Bảng 4-1 đưa số liệu bề rộng vùng cấm số chất bán dẫn Bảng 4-1 Số liệu bề rộng vùng cấm số chất bán dẫn Nguyên tố Bề rộng vùng cấm eV Nguyên tố Bề rộng vùng cấm eV Bo 1,1 Lưu huỳnh 2,5 Silic 1,12 Selen 1,7 Germani 0,72 Telua 0,36 Photpho 1,5 Iot 1,25 Asen 1,2 Theo sơ đồ lượng bán dẫn, tương ứng với nhiệt độ T vùng dẫn có vài điện tử chuyển qua tạo nên vùng hóa trị số lỗ trống , với chuyển dời điện tử bán dẫn đồng thời tạo hai hạt mang điện trái dấu, nên tổng số hạt mang điện hai lần số điện tử tự vùng dẫn 4.2.1 Cấu trúc tinh thể VLBD Khảo sát VLBD Silic germani: Hạt tải điện chất bán dẫn điện tử tự vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị Xét cấu trúc tinh thể Gecmani Silic biểu diễn không gian hai chiều hình 4-3: Gecmani (Ge) Silic (Si) có điện tử hóa trị lớp Trong mạng tinh thể nguyên tử Ge (hoặc Si) góp điện tử hóa trị vào liên kết cộng hóa trị với điện tử hóa trị nguyên tử kế cận để cho nguyên tử có hóa trị Hạt nhân bên nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4 Như điện tử hóa trị liên kết cộng hóa trị có liên kết chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, có sẵn điện tử hóa trị tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng hình 4-3 gần tinh thể bán dẫn chất cách điện 94 Hình 4-3 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn không gian chiều Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt làm tăng lượng số điện tử làm gãy số nối hóa trị Các điện tử nối bị gãy rời xa di chuyển dễ dàng mạng tinh thể tác dụng điện trường Tại nối hóa trị bị gãy ta có lỗ trống (hole) Về phương diện lượng, ta nói nhiệt làm tăng lượng điện tử dải hóa trị Khi lượng lớn lượng dải cấm (0,7eV Ge 1,12eV Si), điện tử vượt dải cấm vào dải dẫn điện chừa lại lỗ trống (trạng thái lượng trống) dải hóa trị) Ta nhận thấy số điện tử dải dẫn điện số lỗ trống dải hóa trị Hình 4-4 Tinh thể Ge với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ Cấu trúc tinh thể Silic, Germani mạng không gian ba chiều cấu trúc kim cương Gồm lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách ¼ đường chéo khơng gian 95 Hình 4-5 Cấu trúc tinh thể Si, Ge, cấu trúc kim cương 4.2.2 VLBD tinh khiết Ở nhiệt độ T = 00K khơng có electron vùng hóa trị có đủ lượng lượng vùng cấm Wg để nhảy lên vùng dẫn, để VLBD dẫn điện Ở nhiệt độ VLBD khơng có tính dẫn điện giống điện mơi lý tưởng Khi T > tồn xác suất có số electron nhận lượng nhiệt vượt qua vùng cấm để có mặt vùng dẫn, trở thành electron tự Như tạo thành số lỗ trống vùng hóa trị, lỗ trống mà electron vùng hóa trị tham gia vào trình dẫn điện Bản chất chuyển động lỗ trống hình dung chuyển động điện tích dương với giá trị khối lượng hiệu dụng Sự chuyển động electron tự miền dẫn dễ dàng chuyển động lỗ trống vùng hóa trị Nói cách khác, tính linh động electron (μn) vùng dẫn lớn tính linh động lỗ trống (μp) vùng hóa trị (Đối với Germani μn = 0,38 m2/Vs, μp = 0,18 m2/Vs) Điện dẫn suất VLBD xác định sau: σ = n μn + p μp (4-1) Trong đó: n, p - Là mật độ electron lỗ trống (cm-3) VLBD VLBD tinh khiết VLBD bỏ qua ảnh hưởng tạp chất Trong VLBD tinh khiết có electron tự có nhiêu lỗ trống Do vậy: n = p = ni 4.2.3 VLBD có tạp chất Để tăng điện dẫn suất Silic, Germani người ta cho vào nguyên tố khác có hóa trị III V Nguyên tố gọi tạp chất, coi chất kích thích với số lượng nhỏ Tùy theo loại điện tích (âm hay dương) mà VLBD có tạp chất phân loại loại n hay p 4.2.3.1 VLBD loại n Nếu cho vào Silic (hoặc Germani) số lượng ngun tố có hóa trị V, ví dụ Antimon (Sb) Nguyên tử Sb có electron hóa trị, thay nguyên tử Silic, liên kết với nguyên tử Silic gần cách trao electron Còn electron dư, gần tự chuyển động xung quanh lõi mang điện tích dương nguyên tử Silic với bán kính quĩ đạo lớn Đối với Germani chẳng hạn lượng electron dư gần (-0,03 eV), cịn bán kính quĩ đạo lớn gấp 27 lần bán kính quĩ đạo electron hydro Do lượng liên kết nhỏ nhiệt độ phòng electron dư tạp chất 96 gần tự do, nhảy vào vùng dẫn góp phần vào việc tạo dịng điện kích thích lượng nhỏ (như ánh sáng, nhiệt độ ) Rõ ràng, electron không tạo lỗ trống Số hạt mang điện âm nhiều tạp chất gọi tạp chất cho hay tạp chất donor Mức lượng cho “Wd” sát mức Wc Như tạp chất cho tạo mức lượng cho phép vùng cấm (ở nửa phía trên) Hình 4-6 Mức lượng cho “Wd” sát mức Wc Ở nhiệt độ phòng nguyên tử tạp chất “cho” cho thêm hạt mang điện, có nồng độ thấp làm tăng mật độ hạt mang điện, từ làm tăng điện dẫn suất với mức độ tăng lớn (4-2) n i e.N d n e.N d i Trong đó: Nd - Mật độ tạp chất cho Vì e.N d i Ví dụ: So sánh điện dẫn suất Germani tinh khiết với Germani loại n có tạp chất cho phốtpho, số nguyên tử tạp chất phần triệu số nguyên tử Germani Giải: Số nguyên tử Germani 1m3 N = 1028 (m-3), số nguyên tử phốtpho 1/106 số nguyên tử Germani tức 1022 (m-3) Ở nhiệt độ phòng: niGe = 1019 (m-3) nên điện dẫn suất : i ni e(n p 1019.1,6.1019 (0,38 0,18) i 0,89( ) m Đối với Germani loại n: n e.Nd n 1,6.10 19.10 22.0,38 0,61.103 ( ) m Ta thấy điện dẫn suất tăng lên 1000 lần số nguyên tử tạp chất phần triệu số nguyên tử VLBD tinh khiết 4.2.3.2 VLBD loại p VLBD tinh khiết pha tạp chất nhóm III B, Al, In… có liên kết hoàn chỉnh, liên kết bỏ hở nên cần kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng) có electron liên kết hồn chỉnh bên cạnh vào Tạp chất bị ion hóa thành âm, 97 mối liên kết mà electron khỏi xuất điện tích dương tức lỗ hổng Vậy tạp chất làm tăng mật độ lỗ trống mà không làm tăng mật độ điện tử Tạp chất nhóm III làm tăng mật độ lỗ trống gọi tạp chất nhận bán dẫn gọi bán dẫn loại p, tạo mức nhận Wa nằm sát bờ vùng hóa trị 4.3 Tiếp giáp điện tử lỗ trống (tiếp giáp p-n) Trong công nghệ chế tạo phần tử mặt ghép p-n, người ta thực pha trộn hai loại bán dẫn tạp chất lên phiến đế tinh thể bán dẫn với bên bán dẫn loại p bên bán dẫn loại n Do lực hút lẫn nhau, electron tự bên phía bán dẫn loại n có xu hướng khuếch tán theo hướng Một vài electron tự khuếch tán vượt qua bề mặt ghép p-n Khi electron tự bán dẫn loại n vào vùng bán dẫn loại p, trở thành hạt thiểu số Do có lượng lớn lỗ trống nên electron nhanh chóng liên kết với lỗ trống để tinh thể trở trạng thái cân đồng thời làm lỗ trống biến Mỗi lần electron khuếch tán vượt qua vùng tiếp giáp tạo cặp ion Khi electron rời khỏi miền n để lại cho cấu trúc ngun tử tạp chất (thuộc nhóm bảng tuần hồn Mendeleep) sang trạng thái mới, trạng thái thiếu electron Nguyên tử tạp chất lúc lại trở thành ion dương Nhưng đồng thời, sang miền p kết hợp với lỗ trống vơ hình làm nguyên tử tạp chất (thuộc nhóm bảng tuần hồn Medeleep) trở thành ion âm Q trình diễn liên tục làm cho vùng tiếp xúc chất bán dẫn có ngày nhiều cặp ion dương âm tương ứng miền n miền p Các cặp ion sau hình thành tạo nên vùng miền tiếp xúc bán dẫn mà ta gọi miền tiếp xúc, có điện trường ngược lại với chiều khuếch tán tự nhiên electron tự lỗ trống Quá trình khuếch tán dừng số lượng cặp ion sinh đủ lớn để cản trở khuếch tán tự electron từ n sang p Như vậy, ký hiệu âm dương miền tiếp xúc p-n ký hiệu cặp ion sinh trình khuếch tán Tiếp giáp pn hay diode tiếp giáp tạo thành đơn giản cách ghép nối hai loại vật liệu bán dẫn tạp dạng n p với (cấu trúc dựa loại bán dẫn Si Ge), mô tả hình 4-7a Trong thực tế, diode chế tạo cách: Trước tiên, người ta lấy mẫu bán dẫn tạp dạng n có nồng độ pha tạp ND tiến hành biến đổi chọn lọc phần mẫu n thành vật liệu bán dẫn p nhờ bổ sung tạp chất acceptor có nồng độ N A > ND Vùng bán dẫn tạp dạng p gọi anode vùng n gọi cathode diode có ký hiệu mạch hình 4-7c Tiếp giáp p-n phận tất cấu kiện bán dẫn vi mạch điện tử (IC) Để đơn giản, với giả thiết khơng hiệu ngồi đặt vào mẫu tinh thể gọi tiếp giáp p-n trạng thái cân Mật độ hạt tải điện xét phụ thuộc vào phương x, xem diode tiếp giáp pn hình 4-7 Ở vùng vật liệu bán dẫn tạp dạng -p có NA = 1017 (nguyên tử /cm3) ND = 1016 (nguyên tử/cm3) vùng vật liệu dạng -n Như vậy, nồng độ điện tử lỗ trống hai phía tiếp giáp là: Vùng bán dẫn tạp -p có pp = 1017 (lỗ trống/cm3) np 103 (điện tử/cm3) Vùng bán dẫn tạp -n có pn 104 (lỗ trống/cm3) nn = 1016 (điện tử/cm3) 98 Hình 4-7 (a)(b)Cấu tạo Diode tiếp giáp p-n (c): Ký hiệu diode Ở phía bán dẫn p tiếp giáp có nồng độ lỗ trống lớn, ngược lại phía bán dẫn n có nồng độ lỗ trống nhỏ nhiều Cũng vậy, nồng độ điện tử lớn phía bán dẫn n nồng độ điện tử nhỏ phía bán dẫn p Do có chênh lệch nồng độ hai phía tiếp giáp nên có khuyếch tán xảy qua tiếp giáp pn Các lỗ trống khuyếch tán từ vùng có nồng độ cao phía bán dẫn p sang vùng có nồng độ thấp phía bán dẫn n, điện tử khuyếch tán từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫn p 4.3.1 Tiếp giáp p-n khơng có điện áp ngồi Điều kiện cân động lớp tiếp xúc p-n Khi dòng điện hạt dẫn chuyển động khuếch tán hạt dẫn chuyển động trôi qua tiếp xúc p-n có giá trị ta nói tiếp xúc p-n trạng thái cân động Do dòng điện ngược chiều nên chúng triệt tiêu lẫn dòng điện tổng qua lớp tiếp xúc p-n khơng Lúc lớp tiếp xúc có bề dày ký hiệu d, điện trở lớp tiếp xúc ký hiệu RP/N, cường độ điện trường tiếp xúc ký hiệu E0 (hay gọi hàng rào năng) tương ứng với có hiệu điện tiếp xúc ký hiệu V0 Các đại lượng ta tính qua cơng thức Do lớp tiếp xúc p-n vùng nghèo hạt dẫn nên điện trở lớn nhiều điện trở hai vùng bán dẫn p n (RP/N >>RN RP) Điều kiện cân giúp ta tính độ cao hàng rào V phụ thuộc vào nồng độ tạp chất cho tạp chất nhận Giá trị V0 khoảng từ vài phần mười vơn Theo hình 4-8 ta thấy mức lượng Fecmi hai phần bán dẫn p n nằm đường thẳng Mức lượng E0 - điện tử hay hàng rào điện tử tiếp xúc p-n trạng thái cân là: E0 = ECP – ECn = EVp - EVn 99 Hình 4-8 Đồ thị vùng lượng tiếp xúc p-n hở mạch (trạng thái cân bằng) E0= KTlnNDNA/n2i (4-3) Trong đó: E0 - Đo [eV], V0 đo [V] Ngoài ra, hiệu điện tiếp xúc E cịn tính theo công thức sau: E0 = KTlnPP0/Pn0 = KTln(nn0/nP0) (4-4) Trong đó: K - Là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ T Chỉ số công thức để biểu thị nồng độ hạt dẫn tính điều kiện cân nhiệt động 4.3.2 Tiếp giáp p-n phân cực thuận Tiếp xúc p-n phân cực thuận ta đặt nguồn điện áp bên ngồi lên lớp tiếp xúc p-n có chiều cực dương nối vào bán dẫn loại p cực âm nối vào bán dẫn n Hình 4-9 Tiếp xúc p-n phân cực thuận đồ thị dải lượng Điện trường lớp tiếp xúc giảm xuống, hàng rào giảm xuống lượng điện trường ngồi: ET.X = E0 - Engồi (4-5) Do phần lớn hạt dẫn đa số dễ dàng khuếch tán qua tiếp xúc p-n, kết dòng điện qua tiếp xúc p-n tăng lên Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc p-n phân cực thuận gọi dòng điện thuận Ith 100 Khi tăng điện áp thuận lên, tiếp xúc p-n phân cực thuận mạnh, hiệu điện tiếp xúc giảm, hàng rào thấp xuống, đồng thời điện trở lớp tiếp xúc giảm, bề dày lớp tiếp xúc giảm, hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n nhiều nên dòng điện thuận tăng tăng theo qui luật hàm số mũ với điện áp ngồi Khi điện áp thuận có giá trị xấp xỉ với V0, dòng điện chạy qua tiếp xúc p-n thực khống chế điện trở thuận tiếp xúc kim loại điện trở khối tinh thể Do đặc tuyến Vôn-Ampe gần giống đường thẳng 4.3.3 Tiếp giáp P-N phân cực ngược Lớp tiếp xúc p-n phân cực ngược ta đặt nguồn điện áp cho cực dương nối với phần bán dẫn n, cịn cực âm nối với phần bán dẫn p Khi điện áp tạo điện trường chiều với điện trường tiếp xúc E0, làm cho điện trường lớp tiếp xúc tăng lên: ET.X.=E0+Engoài (4-6) Tức hàng rào cao Các hạt dẫn đa số khó khuếch tán qua vùng điện tích khơng gian, làm cho dòng điện khuếch tán qua tiếp xúc p-n giảm xuống so với trạng thái cân Đồng thời, điện trường lớp tiếp xúc tăng lên thúc đẩy q trình chuyển động trơi hạt dẫn thiểu số tạo nên dịng điện trơi có chiều từ bán dẫn N sang bán dẫn P gọi dòng điện ngược Ingược Nếu ta tăng điện áp ngược lên, hiệu điện tiếp xúc tăng lên làm cho dòng điện ngược tăng lên Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số có nên dịng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bão hòa gọi dòng điện ngược bão hịa I0 có giá trị nhỏ khoảng từ vài nA đến vài chục µA Hình 4-10 Tiếp xúc p-n phân cực ngược đồ thị dải lượng 4.3.4 Dịng điện qua tiếp xúc p-n 4.3.4.1 Dịng điện thuận Khi tiếp xúc p-n phân cực thuận, qua có dịng điện thuận Đó dịng điện hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n Ta có: 101 Hình 4-11 Nồng độ lỗ trống bán dẫn n tiếp xúc p-n phân cực thuận + Dòng điện lỗ trống I(0) qua tiếp xúc p-n phía bán dẫn n (khi x = 0) IPn(0) = S.q.DpPn0(eV/VT-1) (4-7) Trong đó: IPn(0) - Là dòng điện lỗ trống khuếch tán qua tiếp xúc p-n; S - Diện tích mặt tiếp xúc; q - Điện tích điện tử; DP - Hệ số khuếch tán lỗ trống; LP - Độ dài khuếch tán lỗ trống; Pno - Nồng độ hạt dẫn lỗ trống bên bán dẫn n; V - Điện áp phân cực thuận; VT - Điện nhiệt: (VT = KT/q = T/11600); e - Số tự nhiên (= 2,73) Pn0(eV/VT-1) = Pn0 - Gọi mật độ lỗ trống "phun" vào phía bán dẫn n + Dịng điện điện tử Inp(0) khuếch tán qua tiếp xúc p-n vào phía bán dẫn p là: Inp(0) = S.q.DpPn0(eV/VT-1)/Ln (4-8) Dịng điện qua tiếp xúc p-n tổng thành phần dịng điện IPn(0) Inp(0), ta có: I=IPn(0) + Inp(0) = I0(eV/VT-1)/Ln (4-9) Trong đó: I0 - Gọi dịng điện ngược bão hịa có biểu thức: I0 = S.q.DpPn0/LP + S.q.DpPP0/Ln (4-10) Dòng điện tổng tính gần là: I=I0(eV/VT-1) (4-11) 4.4 Một số vật liệu bán dẫn thơng dụng Bán dẫn nhóm vật liệu đa dạng Nó có hàng trăm ngun tố vật chất khác Bán dẫn vật liệu hữu vô cơ, tinh thể, vật chất khơng định hình, chất rắn, lỏng, có từ tính, khơng từ tính Mặc dù có khác biệt cấu tạo thành phần hóa học loại vật liệu có tính chất đặc biệt khả thay đổi tính chất tác động lượng bên 102 4.4.1 Germani Germani có màu bạc, khơng tác dụng với khơng khí, nước, HCl, H 2SO4 lỗng Nó đất Có mặt hợp chất GeO2, GeS2, GeCl4 Trong q trình sản xuất kim loại màu, ta thu Germani sản phẩm phụ GeCl4 + 2H2O = GeO2 + 4HCl GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O Các phương pháp tinh chế Germani tương tự tinh chế Silic Kết điều chế hóa học nguyên liệu ban đầu cho ta Tetraclorua germani, tiếp tục điều chế thành đioxyt Germani (GeO2) dạng bột trắng Đioxyt germani khử lò hydro nhiệt độ 6500C -7000C thành Germani có dạng bột xám Trong nhiều trường hợp Germani điều chế trực tiếp từ GeCl4 cách phân tích hợp chất nhiệt độ cao kẽm Bột Germani rửa dung dịch axit đúc thành thỏi Germani thỏi dùng làm nguyên liệu để điều chế Germani đặc biệt tinh khiết phương pháp nóng chảy phân vùng hay điều chế trực tiếp đơn tinh thể phương pháp kéo nóng chảy Để sản xuất dụng cụ bán dẫn, thỏi Germani cắt thành phiến mỏng, bề mặt phiến tẩy rửa để loại trừ khuyết tật lúc gia công Điện trở suất Germani tùy thuộc vào nhiệt độ Người ta nhận thấy rằng: khoảng nhiệt độ định, hệ số biến đổi điện trở Germani theo nhiệt độ âm Điện dẫn suất Germani thay đổi giới hạn rộng từ 10 3 đến 10 2 1 cm 1 Điều giải thích thơng qua tập trung tạp chất đặc cm tính riêng Germani hịa tan chậm chất kiềm Ở nhiệt độ lớn 2000C - 2500C, Germani phản ứng mạnh với halogen Germani dùng để sản xuất chỉnh lưu dòng điện xoay chiều với công suất khác nhau, loại transistor, Germani dùng để chế cảm biến sức điện động Hall hiệu ứng từ điện để đo cường độ từ trường, dịng điện, cơng suất, để nhân đôi đại lượng dụng cụ tính tốn kỹ thuật… Các tính chất quang Germani cho phép dùng làm transistor quang, điện trở quang, thấu kính quang mạnh (đối với tia hồng ngoại), lọc quang học, điều biến ánh sáng sóng vơ tuyến ngắn Germani có hiệu ứng quang điện trường hợp hấp thụ điện tử trung bình nhanh hãm hạt nguyên tố khối lượng lớn Ví dụ, hấp thụ hạt có xung dịng điện kéo dài gồm 0,5μs, tương ứng với 106 điện tử Vì Germani dùng để sản xuất đếm hạt nhân Khoảng nhiệt độ làm việc dụng cụ Germani từ -600C đến +700C, nhiệt độ tăng gần giới hạn dịng điện thuận chiều diode tăng lên lần, cịn dịng điện ngược chiều tăng lần Khi làm lạnh đến -500C, -600C dòng điện thuận chiều giảm 70% -75% Dụng cụ Germani cần bảo vệ chống ẩm khơng khí 4.4.2 Silic Silic chứa 29,5% khối lượng vỏ trái đất, tìm thấy dạng SiO2 mỏ (dạng Silicát) 103 Silic thường điều chế cách khử têtraclorua silic kẽm nhiệt độ 10000C mơi trường kín Q trình gia cơng Silic giống Germani, gặp nhiều khó khăn nhiệt độ nóng chảy Silic cao nhiều so với Germani gần với nhiệt độ hóa mềm thủy tinh thạch anh Tính chất hóa lý Silic: Silic tinh thể có ánh thép, tan kim loại nóng chảy, hợp phần nhiều hợp kim Về mặt hóa học Silic tinh thể hoạt động, nhiệt độ phịng Silic hóa hợp với flo, axít flohydric axít nitric Nó cịn tác dụng mạnh với kiềm đun nóng Điện dẫn Silic Germani phụ thuộc nhiều vào tạp chất chứa Silic dùng để sản xuất dụng cụ bán dẫn tương tự Germani: Diode, triốt, tế bào quang có lớp chắn hiệu ứng Hall… Silic hợp kim với sắt dùng dạng thép làm máy biến áp (4% Si) với mục đích giảm tổn thất lõi thép Nó cịn sử dụng chế tạo hợp kim khác sắt (thép gang có sức bền nhiệt độ, thép công cụ, thép xây dựng, vật liệu chịu lửa…) Tương tự, người ta sử dụng để chế tạo hợp kim đồng thau, đồng với Silic, Silic sử dụng chất khử oxy luyện kim Silic tinh thể dùng làm chất bán dẫn dẫn điện để sản xuất loại máy tách sóng, sử dụng điện trở lĩnh vực tần số rộng, máy khuếch đại Bảng 4-2 Tính chất Ge Si Tính chất Đơn vị đo Germani Silic Trọng lượng nguyên tử 72,6 28,06 Thể tích nguyên tử 13,5 11,7 Thông số mạng A 5,66 5.42 Khối lượng riêng g/cm 5.3 2.3 Nhiệt độ nóng chảy C 936 1414 Điện trở suất riêng Ω cm 68 200.000 Nồng độ riêng hạt dẫn cm-3 2.5.1013 1010 Bề rộng vùng cấm eV 0.72 1.12 Độ linh động điện tử Cm2/V.s 3900 1400 Độ linh động lỗ trống Cm /V.s 1900 500 Hệ số điện môi tương đối 16 12.5 4.4.3 Carbide Silic Đây hợp chất nguyên tố nhóm IV bảng tuần hoàn Mendeleep Silic cacbon (AIVBIV) Trong thiên nhiên vật liệu bán dẫn gặp có số lượng hạn chế Cacbit Silic kỹ thuật sản xuất lò điện khử đioxit Silic cacbon Màu sắc điện dẫn tinh thể Silic phụ thuộc vào tạp chất số nguyên tử thừa Silic hay Cacbon so với thành phần hợp thức (thừa Silic SiC có điện dẫn loại n, cịn thừa Cacbon có loại p) Các ngun tố tạp chất nhóm V (N, P, As, Sb, Bi) sắt SiC làm cho có màu xanh điện dẫn loại n, tạp chất nhóm II (Ca, Be, Mg) nhóm III (B, Al, Ga, In) làm cho có màu da trời điện dẫn loại p Điện dẫn tinh thể SiC 104 nhiệt độ bình thường dao động phạm vi rộng, điện dẫn tinh thể SiC dạng bột phụ thuộc vào điện dẫn hạt nhỏ ban đầu, kích thước hạt, mức độ nén hạt đó, điện trường nhiệt độ Tính chất tinh thể SiC Điện dẫn SiC không tuân theo định luật Ôm, nguyên nhân chủ yếu tăng điện áp xảy q trình tự giải điện tử từ mũi nhọn cạnh sắc hạt bột Hiện tượng làm cho khe hở bịt kín lại diện tích tiết diện điện trở tăng lên Trong kỹ thuật điện SiC dùng để chế tạo điện trở phi tuyến chống sét van để bảo vệ đường dây tải điện thiết bị điện; sản xuất varistor điện áp thấp dùng thiết bị tự động, kỹ thuật máy tính dụng cụ điện xây dựng, dùng lò điện nhiệt độ cao, để sản xuất phận đốt đèn inhitron Varistor làm hạt SiC rời rạc không ổn định, dễ thay đổi đặc tính nên hạt SiC cần gắn chặt chất kết dính: varistor làm SiC có chất kết dính đất sét gọi tirit; varistor làm SiC có chất kết dính thủy tinh lỏng gọi vilit Thơng thường đặc tính V-A varistor gần với phương trình: U=A.Iα (4-12) Trong đó: A, α - Là số Các điện trở phi tuyến varistor sản xuất với điện áp từ 3V - 1500V, dòng điện làm việc từ 0,1mA -1000 mA Trong kỹ thuật varistor sử dụng rộng rãi Nó dùng để ổn áp, làm dập tia lửa điện, nhân tần số, điều chỉnh số vòng hay đổi chiều quay động cơ, điều khiển mạch xoay chiều điện áp chiều, giải mã xung theo biên độ, điều chỉnh độ nghe rõ thiết bị điện thoại… varistor dùng rộng rãi máy tính Cacbit Silic (SiC) tốt nhiều so với Silic việc mang dòng điện mạch điện tử Do vậy, giảm lãng phí lượng thiết bị điện tử dân dụng văn phòng Cacbit Silic vật liệu tuyệt vời dành cho thiết bị điện tử cơng suất cao Nó hoạt động nhiệt độ cao so với Silic Điều đồng nghĩa với việc cảm biến làm cacbit làm việc nhiệt độ cao nhiều Các Silic chế tạo từ Carbide Silic, Silic tinh thể cacbon Chúng có điện trở suất cao chịu nhiệt tốt, dùng làm phần tử đốt nóng lị điện nhiệt độ cao Thiết bị đốt nóng Silic dùng lị điện với công suất khác nhau, nhiệt độ lớn đến 15000C 4.4.4 Vật liệu bán dẫn có liên kết dạng AIIIBV Tinh thể bán dẫn tạo thành nguyên tử nguyên tố hóa trị III ngun tố hóa trị V; kí hiệu AIIIBV Hợp chất AIIIBV loại vật liệu có triển vọng, cho phép lựa chọn rộng rãi tham số vật liệu ban đầu (bề rộng vùng cấm, độ linh hoạt hạt dẫn, …) để tạo dụng cụ bán dẫn Chúng có cấu trúc sfalerit tương tự với cấu trúc kim cương, khác chất kích thước phần tử cấu trúc khác Phương pháp chủ yếu để có hợp chất AIIIBV cho thành phần tác dụng trực tiếp chân khơng hay khí trơ Vật liệu bán dẫn dạng thông dụng GaAs GaAs có cấu trúc tinh thể sfalerit (hay blenzo kẽm) 105 Ga nguyên tố hiếm, điều chế từ tinh quặng kẽm Là kim loại mềm màu trắng Các electron xếp lớp, vỏ ngồi có electron hóa trị, bán kính ngun tử 1,81A0 As điều chế từ FeAsS Các electron lớp, vỏ ngồi có điện tử hóa trị, bán kính nguyên tử 1,33A0 - Độ linh động electron GaAs lớn độ linh động electron Silic với tỉ lệ gần 10 lần Nếu điện trường electron GaAs di chuyển nhanh hơn, thời gian chuyển mạch ngắn Ứng dụng để làm transistor làm việc với tần số cao - Vì lượng vùng cấm lớn so với Silic, Germani nên làm việc đến 3000C (Silic÷2000C, Germani÷1000C) Ứng dụng làm vi mạch chất lượng cao - Electron chuyển động từ vùng dẫn trở vùng hóa trị tinh thể GaAs phát ánh sáng Trái lại Silic, Germani phát nhiệt, GaAs dùng để chế tạo linh kiện hiển thị điện áp thấp GaAs dùng để chế tạo laze bán dẫn, diot quang kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản Để nhận GaAs (nói chung cho VLBD A IIIBV ) cần tổng hợp AIII BV nấu chảy trực tiếp Sau bước tương tự với Silic: rửa tinh thể- pha tạp chất-trồng đơn tinh thể… Vật liệu bán dẫn AIIIBV có tạp chất - Đưa vào nguyên tố hóa trị II (ví dụ: Zn) GaAs trở thành VLBD loại p - Đưa vào ngun tố hóa trị VI (ví dụ: Selen) GaAs thành VLBD loại n - Đưa vào ngun tố hóa trị IV (ví dụ: Silic ) tùy vào vị trí Silic tinh thể GaAs mà ta có VLBD loại p hay loại n + Nếu Silic thay As GaAs VLBD loại p + Nếu Silic thay Ga GaAs VLBD loại n Công nghệ cấy ion đưa chùm tia Silic cấy vào tinh thể GaAs Sau ủ 8000C, nguyên tử Silic thay Ga để GaAs thành loại n Tính dẫn điện GaAs khơng phụ thuộc vào hóa trị tạp chất đưa vào mà cịn phụ thuộc vào vị trí ngun tử tạp chất tinh thể Ga Các chất InIII, PV, SbV, AlIII, đưa vào GaAs tạo thành VLBD ghép có tạp chất: GaxIn1-xAs, GaPxAs1-x, Ga1-xAlxAs… với phương trình tính lượng vùng cấm khác Đối với chất Ga1-xAlxAs phương trình tính lượng vùng cấm là: Wg=1,43+1,25x Còn GapxAs1-x: Wg= 1,424+ 1,15.x+0,176.x2 4.4.5 Dung dịch rắn sở liên kết dạng AIIIBV Như biết, kỹ thuật người ta thường sử dụng vật liệu có cấu trúc dung dịch rắn, hình thành dung dịch rắn mạng tinh thể bảo toàn chu kỳ mạng lại thay đổi Dung dịch rắn cho phép mở rộng đáng kể lựa chọn vật liệu với thông số vật lý xác định, điều làm tăng khả ứng dụng vật liệu dụng cụ bán dẫn cụ thể Điều đặc biệt dung dịch rắn khả thay đổi độ rộng vùng cấm cách thay đổi thành phần chúng, với thay đổi hệ số điện môi, chiết suất vật liệu thay đổi xảy tượng dịch chuyển mức lượng tạp chất 106 Ví dụ: Dung dịch rắn GaAs1-yPy, AlxGa1-xAs …(với x y cỡ 0,3 – 0,4) có độ rộng vùng cấm cỡ 1,7eV dùng chế tạo diot laser phát ánh sáng đỏ; dung dịch rắn GaxIn1-xP (x=0.5 - 0,7) dùng phổ màu vàng – xanh Dung dịch rắn ứng dụng rộng rãi việc tạo tiếp xúc hai bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác dụng cụ bán dẫn sở tiếp xúc Các cặp dung dịch rắn hay dùng là: cặp GaAs–AlxGa1-xAs cặp GaSb– AlxGa1-xSb 4.4.6 Vật liệu bán dẫn (VLBD) có liên kết dạng AIVBIV VLBD dạng AIVBIV nghiên cứu nhiều PbS Nó thường sử dụng tách sóng giống bán dẫn có vùng cấm hẹp khác; tính chất bán dẫn loại cho bảng 4-3: Bảng 4-3 Tính chất bán dẫn dạng AIVBIV Khối Bề rộng Độ linh Độ linh Hằng số Nhiệt độ lượng vùng cấm động điện động lỗ Bán dẫn mạng nóng riêng tử trống (A0) chảy (0C) (mg/m ) 300K(eV) (m /Vs) (m2/Vs) PbS 5,94 7,61 1114 0,39 0,06 0,07 PbSe 6,12 8,15 1076 0,27 0,12 0,1 PbTe 6,46 8,16 917 0,32 0,18 0,09 Cả bán dẫn có dạng tinh thể lập phương giống muối ăn NaCl Lượng thừa nguyên tử Pb gây tính dẫn điện tử, cịn lượng thừa S gây tính dẫn lỗ trống Dạng dẫn điện thay đổi cách đưa thêm tạp chất vào Các nguyên tử nhóm I Na, Cu, Ag thay chì trở thành acceptor; nguyên tử thay Pb kim loại Bi Bi đóng vai trị donor Tính chất donor cịn thể tạp chất thuộc nhóm Chúng có độ nhạy cảm quang cao, nên thường dùng để sản xuất photoresist Ở nhiệt độ thấp vật liệu xuất hiện tượng tái hợp, điều cho phép sử dụng chúng để sản xuất laser, ngồi ra, cịn sử dụng chúng để chế tạo phần tử nhiệt máy phát nhiệt điện bán dẫn … 4.4.7 Vật liệu bán dẫn (VLBD) có liên kết dạng AIIBVI VLBD loại bao gồm ZnS, CdS, HgS, ZnSe, CdSe, HgSe…Tính chất chúng cho bảng 4-4 Tạp chất có hố trị nhỏ II đóng vai tạp chất nhận (axeptor) Ví dụ: Tạp chất nhóm I Ag, Au… sau thay Zn hay Cd mạng tinh thể trở thành axeptor Tính chất quan trọng VLBD loại nhiều từ chúng thể tính dẫn điện dạng (n p) khơng phụ thuộc vào đặc tính hợp kim, tạp chất pha vào Ví dụ: ZnS, ZnSe, CdSe, HgSe ln ln có tính dẫn loại n Chỉ có ZnTe có tính dẫn lỗ trống, cịn CdTe, HgTe có tính dẫn vừa n, vừa p tùy thuộc điều kiện ngồi tạp chất Chính điều làm hạn chế khả ứng dụng thực tế họ bán dẫn 107 Bán dẫn ZnS Bảng 4-4 Tính chất bán dẫn dạng AIIBVI Khối Bề rộng Độ linh Hằng số Nhiệt độ lượng vùng cấm động điện mạng nóng riêng tử (A0) chảy (0C) (mg/m ) 300K(eV) (m2/Vs) 3,82 4,10 1780 3,74 0,014 CdS 4,13 4,82 1750 2,53 0,034 HgS 5,84 7,73 1480 1,78 0,07 ZnSe 5,66 5,42 1520 2,73 0,026 HgSe 6,08 8,25 790 0,12 CdSe 4,3 5,81 1246 1,85 0,072 Độ linh động lỗ trống (m2/Vs) 0,0005 0,011 0,0015 0,0075 Trong họ bán dẫn ứng dụng nhiều ZnS CdS CdS thường dùng làm photoresist, ZnS thường dùng làm chất phát quang Tạp chất đóng vai trò quan trọng độ quang dẫn riêng họ bán dẫn này: pha tạp đồng (Cu) nhiều đóng vai trị chủ đạo độ quang dẫn tạp chất Màng mỏng làm từ HgSe, HgTe có độ linh động cao thường sử dụng để chế tạo cảm biến có độ nhạy cao Ứng dụng bán dẫn loại AIIBVI Ứng dụng liên kết AIIBVI theo tỉ lệ sử dụng phân chia ZnS CdS Loại sử dụng kỹ thuật ánh sáng, loại thứ hai công nghiệp chế tạo biến trở quang có độ nhạy cao với vùng phổ nhìn thấy Màng mỏng làm từ liên kết Se, Te, Hg sử dụng làm cảm biến Hall 4.4.8 Các loại khác 4.4.8.1 Các sunfua Chì sunfua (PbS), Bismut Sunfua (Bi2S3), Cadmi Sunfua (CdS) dùng để sản xuất điện trở quang PbS gặp thiên nhiên dạng vật liệu galenit điều chế số phương pháp nhân tạo, có biến thể vơ định hình tinh thể Bismut Sunfua (Bi2S3) điều chế cách nấu chảy Bi với S khơng có oxy Tinh thể thuộc hệ thống hình thoi có màu xám đen Cadmi sunfua thu phương pháp khác vơ định hình tinh thể Màu tùy thuộc vào biến thể tạp chất Các điện trở quang dùng để đếm sản phẩm sản xuất dây chuyền, để kiểm tra độ cao vật lỏng bột rời bình chứa, máy chép hình để gia công chi tiết theo vẽ, để báo tín hiệu ánh sáng, báo hiệu có khói kiểm tra mức đốt cháy nhiên liệu, dùng máy điều khiển theo chương trình, thiết bị bảo vệ tự động ép khuôn lạnh máy khác Điện trở quang mắc trực tiếp vào mạng chiếu sáng điện áp xoay chiều chiều, tuổi thọ chúng không nhỏ 10.000 Các sunfua dùng làm chất phát quang Kẽm sunfua kích hoạt đồng loại sunfua phát điện Bề rộng vùng cấm ZnS gần 3,6eV, gần điện mơi 108 4.3.8.2 Các oxit Đồng oxit có màu đỏ thẩm bán dẫn loại p Điện dẫn đồng oxit phụ thuộc nhiều vào loại tạp chất, nhiệt luyện nhiệt độ Những dụng cụ bán dẫn chỉnh lưu bán dẫn tế bào quang điện điều chế từ đồng oxy hoá với bề mặt bị phủ lớp ôxit đồng Khi chế tạo chỉnh lưu ơxit đồng lấy phiến đồng đồng đỏ tinh khiết đem đặt vào lị có mơi trường oxy hóa với nhiệt độ 10200C -10400C khoảng Sau đưa vào lị thứ hai nhiệt độ 6000C giữ khoảng 10 4.4.8.3 Selen (Se) Se có nhiều dạng: dạng vơ định hình, dạng tan được, dạng tinh thể màu đỏ, dạng suốt Se thu từ cặn việc tinh chế đồng Nếu chiếu sáng Se thời gian 0,001s tính dẫn tăng lên đến 15 lần, nên Se ứng dụng để chế tạo tế bào quang điện Diot làm từ Se dùng để tách dịng điện có tần số cao 4.5 Cơng nghệ chế tạo VLBD Trong phần trình bày số phương pháp chế tạo VLBD: Phương pháp kéo chảy, phương pháp Czochralski, công nghệ epitaxi, số phương pháp chế tạo tiếp xúc p-n : khái niệm quang khắc, phương pháp cấy ion, … phương pháp làm công nghệ điện tử 4.5.1 Phương pháp kéo chảy Trong công nghiệp Silic chế tạo cách dùng than cốc khử oxy SiO2: SiO2 + 2C = Si + 2CO Hoặc SiHCl + H2 = Si + 3HCl Silic nhận chứa 2% đến 5% tạp chất Để nhận Silic với độ cao ta phải rửa phương pháp rửa tinh thể (còn gọi phương pháp kéo chảy) Tạp chất Silic hòa tan pha lỏng (vùng nóng chảy) với chúng di chuyển phía Silic, cắt bỏ đầu ta có Silic tinh khiết 4.5.2 Phương pháp Czochralski Để nhận đơn tinh thể Silic ta dùng phương pháp trồng đơn tinh thể (còn gọi phương pháp Czochralski) Giữ mầm Silic hỗn hợp nóng chảy, mầm bắt đầu tan bề mặt kéo chậm lại Một cột hỗn hợp lỏng kéo theo mầm bị giữ với mầm sức căng bề mặt Giảm nhiệt độ, hỗn hợp cứng dần tạo thành khối với mầm Silic Tạp chất đưa trực tiếp vào hỗn hợp để tạo VLBD loại p hay n Mầm vừa kéo vừa quay khoảng 200 vòng/phút để tạp chất phân bố tinh thể Khi đơn tinh thể phát triển từ mầm (có đường kính 2mm) đạt đường kính 2cm giữ vận tốc kéo khơng đổi, khoảng 10÷15 m/s để đường kính khơng tăng 109 Hình 4-12 Phương pháp Czochralski - Thỏi Si mọc lên từ phương pháp Czochralski Hình 4-13 Một IC tạo từ phiến Si 4.5.3 Công nghệ epitaxi Epitaxi lớp đơn tinh thể hình thành từ lớp vật liệu đơn tinh thể khác Có hai loại epitaxi cơng nghệ xử lý Silic: Loại epitaxi đơn thể: Là loại Silic đơn tinh thể vật liệu Silic đơn tinh thể Loại epitaxi lưỡng thể: Hình thành vật liệu đơn tinh thể khác (ví dụ Silic Al2O3, Silic sapphire…) Có phương pháp cơng nghệ để nhận lớp epitaxi: Epitaxi chân khơng, epitaxi từ pha khí, epitaxi từ pha lỏng Phương pháp quan trọng để sản xuất epitaxi Silic phương pháp kết tủa khí hố CVD (Chemical Vapour Deposition): Silan SiH4 (hay diclosilan SiH2Cl2 ) dẫn qua bề mặt đĩa silic nóng (10000C ) Phản ứng kết tủa xảy theo phương trình sau: SiH4 = Si + 2H2 Ngồi phương pháp kết tủa khí hố CVD cịn có phương pháp khác để tạo lớp Silic đơn tinh thể: Phương pháp epitaxi tia phân tử dùng Silic làm nguồn bốc bay phương pháp tái tinh thể hoá Silic đa tinh thể dùng tác dụng nhiệt độ để nối vùng đa tinh thể thành lớp đơn tinh thể Hai phương pháp dùng Hầu hết vật liệu bán dẫn quang điện tử chế tạo công nghệ epitaxi Một màng mỏng (vài micron) vật liệu bán dẫn tạo (dày cỡ 200μm) Chất lượng vật liệu vô quan trọng công nghệ epitaxi Vật liệu phải có mạng tinh thể phù hợp với màng vật liệu chính, khơng màng vật liệu có sai lệch mạng, dạng sai lệch đường loại sai lệch khác Những sai lệch mạng có tác hại nghiêm trọng đến chất lượng vật liệu Vật liệu quan trọng GaAs InP 110 Những ứng dụng quan trọng lớp Silic epitaxi vật liệu Silic đơn tinh thể: Epitaxi với nồng độ tạp chất vừa (1016 cm-3) có nồng độ cao (1019cm-3) loại thường dùng cho mạch CMOS Epitaxi với nồng độ tạp chất vừa (1016 cm-3) có nồng độ cao (1019 cm-3) lớp ngầm có nồng độ cao (1020 cm-3): Loại dùng cho vi mạch lưỡng cực (bipolar), lớp epitaxi dày khoảng từ 0,5μm đến 20 μm 4.5.4 Một số phương pháp chế tạo tiếp xúc p-n - Khái niệm quang khắc: quang khắc trình tạo hình, rửa ăn mịn lớp phim khn che (photoresist) tạo hình cấu trúc mong muốn bề mặt vật liệu Phim khn che lớp cảm quang, cịn khuôn che (mask) lưu trữ thông tin cấu trúc cần truyền lên phim, thủy tinh phủ chất Cr phản quang - Pha tạp phương pháp cấy ion Đĩa silic đơn tinh thể sở công nghệ vi điện tử So với ngày đầu cơng nghệ silic, đường kính đĩa ngày tăng (từ 76mm năm 1970 đến 300mm năm gần đây) Mỗi lần tăng đường kính đĩa silic mang lại nhiều vấn đề phức tạp, khơng cho q trình sản xuất đĩa mà cịn cho qui trình cơng nghê chế tạo vi mạch Vấn đề lớn trọng lượng đĩa tăng khiến máy móc dụng cụ xử lý đĩa cần hiệu chỉnh cho thích hợp Hình 4-14 Sơ đồ trình quang khắc Đĩa silic cưa từ thỏi đơn tinh thể Bề mặt đĩa có hướng tinh thể định (100) hay (111) Sai lệch vài độ hướng tinh thể điều kiện tốt cho trình hình thành epitaxi Để đánh dấu hướng tinh thể đĩa, hãng sản xuất đĩa thường mài phẳng cạnh đĩa, ta gọi cạnh phẳng flat Cạnh hình chữ nhật vi mạch thường chạy song song hay vng góc với flat Góc flat nhỏ flat lớn cho biết thông tin hướng tinh thể đĩa tính dẫn tạp chất (do lỗ trống hay điện tử định) 111 ... pháp làm công nghệ điện tử 4.5.1 Phương pháp kéo chảy Trong công nghiệp Silic chế tạo cách dùng than cốc khử oxy SiO2: SiO2 + 2C = Si + 2CO Hoặc SiHCl + H2 = Si + 3HCl Silic nhận chứa 2% đến 5%... liệu bán dẫn quang điện tử chế tạo công nghệ epitaxi Một màng mỏng (vài micron) vật liệu bán dẫn tạo (dày cỡ 20 0μm) Chất lượng vật liệu vô quan trọng công nghệ epitaxi Vật liệu phải có mạng tinh... ngược ta đặt nguồn điện áp cho cực dương nối với phần bán dẫn n, cực âm nối với phần bán dẫn p Khi điện áp ngồi tạo điện trường chiều với điện trường tiếp xúc E0, làm cho điện trường lớp tiếp xúc