đề tài 11 tìm hiểu về vật liệu bán dẫn với công nghệ nano ngày nay

Giai đoạn từ những năm 1960 đến nay đến nay là giai đoạn phát triển của công nghệ thông tin còn hiện nay chúng ta đang bước sang giai đoạn phát triển của công nghệ nano và thực tại Ảo đa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ -∆ -

BÁO CÁO MÔN HỌC

BỘ MÔN: VẬT LIỆU ĐIỆN ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI 11 : TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VỚI CÔNG

NGHỆ NANO NGÀY NAY

GVHD: Ths Phạm Xuân Hổ SVTH: NHÓM 11

Tp Hồ Chí Minh tháng 3 năm 2023

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

NỘI DUNG 7

I Giới thiệu chung 7

1.1 Vật liệu bán dẫn 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.1.2 Nguyên lý 7

1.1.3 Phân loại 8

1.1.4 Các tính chất của chất bán dẫn 9

1.1.5 Ứng dụng của vật liệu bán dẫn 10

1.1.6 Lịch sử phát triển 11

1.2 Công nghệ nano 12

1.2.1 Khái niệm 12

1.2.2 Tính chất 12

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ nano 13

1.2.4 Lịch sử phát triển 14

II Các linh kiện điện tử sử dụng công nghệ nano 15

III Phương pháp chế tạo vật liệu nano 16

2.1 Phương pháp ướt 16

2.2 Phương pháp cơ khí 16

2.3 Phương pháp bay hơi nhiệt 16

2.4 Phương pháp pha khí 16

2.5 Phương pháp hóa học 17

IV Quy trình thiết kế và thi công vi mạch 18

4.1 Quy trình thiết kế 18

4.2 Quy trình sản suất – thi công mạch sử dụng công nghệ nano 20

IV Các ưng dụng trong thực tế của vật liệu nano trong sản phẩm vi mạch, vi xử lý 25

TỔNG KẾT 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Vùng năng lượng 8

Hình 2: Vật liệu nano 12

Hình 3:quy trình thiết kế tấm wafer 18

Hình 4:quá trình nung chảy silic 21

Hình 5:Các tấm wafer 22

Hình 6:Câu trúc linh kiện trên tấm wafer 23

Hình 7:Bề mặt tấm wafer sau khi gia công 24

Hình 8: Tấm Wafer 26

Hình 9: Vi điều khiển 26

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ tạo nên sự phát triển của xã hội đã trải qua quá trình tiến hóa từkhi hình thành xã hội loài người Hàng triệu năm trước công nguyên, cuộcsống của con người chủ yếu dựa trên công nghệ thô sơ là hái lượm được sănbắn Từ khoảng 10.000 năm trước công nguyên đến thế kỷ 18 loài người sống

và làm việc dựa trên nền kinh tế nông nghiệp, từ năm đầu thế kỷ 19 đến giữathế kỷ XX là sự phát triển của nền công nghiệp thế giới Giai đoạn từ nhữngnăm 1960 đến nay đến nay là giai đoạn phát triển của công nghệ thông tin cònhiện nay chúng ta đang bước sang giai đoạn phát triển của công nghệ nano vàthực tại Ảo đang mang lại sự thay đổi rất cơ bản trong xã hội loài người.Theo sự phát triển của thời đại con người cần đến những vật liệu mới phù hợp với những mục tiêu khác, và dân đầu là vật lieu bán dẫn với công nghệ nano

có sự khác biệt cơ bản về cấu tạo và thành phần hóa học nhưng loại vật liệunày có tính chất rất đặc biệt là khả năng thay đổi tính chất dưới tác động củanăng lượng bên ngoài.

Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia ra bán dẫn đơn giản, bándẫn hợp chất hóa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm) Hiện tại đã nghiêncứu bán dẫn từ trường và bán dẫn lỏng Tất cả có khoảng 10 loại bán dẫn đơngiản

1.1.2 Nguyên lý

Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phầnhay bỏ trống Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùngcao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn Vùng hóa trị chứa nhiều điện

tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn Ở vật liệu dẫnđiện vùng dẫn không được điền đầy Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùnghoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vàoquá 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 các electron khó có khả năng vượt qua vùngcấm để tham gia dẫn điện Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượngtương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1 eV

Ở 00K chúng là chất cách điện Ở nhiệt độ trong phòng các electron có thể

thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vàoquá trình dẫn điện Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn

là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các

lỗ trống

Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống

để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trốngmang điện tích dương Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng củaelectron đứng yên hay chính là thế năng của electron, do đó đáy vùng dẫntương ứng với thế năng của electron, tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứngvới thế năng của lỗ trống Nếu electron ở mức năng lượng cao hơn WC hoặcnếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thì các electron và lỗ trống này

có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượngứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị

Hình 1: Vùng năng lượng

1.1.3 Phân loại

Như chúng ta đã biết thì tinh thể silic là vật liệu bán dẫn rất phổ biến hiệnnay được sử dụng trong vi điện tử và quang điện Tuy nhiên thì vẫn tồn tạimột số chất khác có các tính chất giống như tính chất mà một chất bán dẫncần có như:

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV (C, Si, Ge, Sn).

Chất bán dẫn hợp chất nhóm IV

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm VI (S, Ce, Te)

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm III, V: kết tinh với mức độ cân bằnghóa học cao và hầu hết có thể thu được với 2 dạng P và N Chúngthường được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm II, VI: thường là loại P nhưng trừZnTe và ZnO là loại N

Dị thể: Các dị thể xảy ra khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau đượcnối với nhau Ví dụ, một cấu hình có thể bao gồm p-pha tạp và n-phatạp germanium Điều này dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vậtliệu bán dẫn pha tạp khác nhau Germanium pha tạp n sẽ có thừa electron vàGermanium pha tạp p sẽ có quá nhiều lỗ trống Sự chuyển đổi xảy ra cho đếnkhi đạt được trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi là tái hợp, khiến cácelectron di chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p Một sảnphẩm của quá trình này là các ion tích điện, dẫn đến hiệu ứng điện trường.Electron kích thích: Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến

nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình trạng không cân bằng.Điều này giới thiệu các electron và lỗ trống cho hệ thống, tương tác thông quamột quá trình gọi là khuếch tán xung quanh Bất cứ khi nào cân bằng nhiệt bịxáo trộn trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử sẽ thay đổi Sựgián đoạn như vậy có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, có thểxâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống Quá trình tạo ra và

tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp

Độ dẫn điện biến đổi: Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chấtdẫn điện kém vì dòng điện yêu cầu dòng điện tử và chất bán dẫn có dải hóatrị của chúng được lấp đầy, ngăn chặn dòng vào của electron mới Có một số

kỹ thuật được phát triển cho phép các vật liệu bán dẫn hoạt động giống nhưvật liệu dẫn điện Những sửa đổi này có hai kết quả: loại n và loại p Chúnglần lượt đề cập đến sự thừa hoặc thiếu điện tử Một số lượng điện tử khôngcân bằng sẽ khiến một dòng điện chạy qua vật liệu

Độ dẫn nhiệt cao: Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao có thể được sử dụng

để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt của thiết bị điện tử

Phát xạ nhẹ: Trong một số chất bán dẫn nhất định, các electron bị kíchthích có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt Nhữngchất bán dẫn này được sử dụng trong việc chế tạo các diode phát sáng và cácchấm lượng tử huỳnh quang

Chuyển đổi năng lượng nhiệt: Chất bán dẫn có các yếu tố năng lượng nhiệtđiện lớn làm cho chúng hữu ích trong các máy phát nhiệt điện, cũng như các

số liệu nhiệt điện cao làm cho chúng hữu ích trong các bộ làm mát nhiệt điện

1.1.5 Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

Là thành phần cấu tạo lên các linh kiện điện tử như diode, transistor, thẻnhớ, SSD, HDD,…Một số ứng dụng nổi bật có thể dễ dàng hình dung như:Cảm biến nhiệt độ trong điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn

Hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác của nồi cơm điện có sử dụng chấtbán dẫn

Bộ vi xử lý của máy tính CPU, ổ cứng (SSD,HDD) cũng được làm từ cácnguyên liệu chất bán dẫn

Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số như điện thoại, máy ảnh, TV, máygiặt, tủ lạnh và bóng đèn led cũng sử dụng chất bán dẫn ( chip led có chứachất bán dẫn)

Ngoài ra chất bán dẫn cũng đóng một vai trò quan trọng trong các máyATM, xe lửa, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội

1.1.6 Lịch sử phát triển

Sự ra đời của các chất bán dẫn đem chúng ta quay ngược trở trở lại năm

1874 khi bộ chỉnh lưu (AC-DC converter) được phát minh Nhiều thập kỷ sau

đó, Bardeen và Brattain tại Bell Laboratories - Mỹ đã phát minh ra transistortiếp điểm vào năm 1947, và Shockley đã phát minh ra transistor lớp chuyểntiếp vào năm 1948 Điều này báo trước sự xuất hiện của thời đại transistor.Năm 1946, Đại học Pennsylvania - Mỹ đã xây dựng một hệ thống máy tínhđầu tiên sử dụng các đèn chân không Hệ thống máy tính này có kích thướcrất lớn, nó chiếm toàn bộ tòa nhà, và nó tiêu thụ một số lượng lớn điện năngđồng thời tỏa ra rất nhiều nhiệt Sau đó, transistor tính toán được phát triển, và

kể từ đó công nghệ máy tính có bước phát triển nhảy vọt Năm 1956, giảiNobel Vật lý được trao đồng thời cho 3 nhà khoa học Shockley, Bardeen vàBrattain cho những đóng góp của họ cho sự nghiên cứu và phát triển của bóngbán dẫn

1.2.2 Tính chất

Tính chất cơ: CNT là vật liệu siêu nhẹ, siêu bền, siêu cứng, nhẹ hơn thép 6lần và bền hơn thép 100 lần Khối lượng riêng khoảng 1,4 g/cm3

Tính chất nhiệt: Độ bền nhiệt của CNT rất lớn, trong chân khơng CNT vẫnbền ở 2800oC, trong khơng khí vẫn bền tới 750oC.

Tính chất điện: Điện trở suất của ống nano carbon vào cỡ 10-4Ω/cm ở270C, mật độ dòng điện trong ống lớn hơn 107A/cm2, lý thuyết dự kiến lớnhơn 1013A/cm2

Các vật liệu nano cĩ thể được chế tạo bằng bốn phương pháp phổ biến,mỗi phương pháp đều cĩ những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp

cĩ thể được áp dụng với một số vật liệu tùy thuộc vào yêu cầu vật liệu, điềukiện trang bị phịng thí nghiệm

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của cơng nghệ nano.

Để Liệt kê các ưu và nhược điểm của cơng nghệ nano chúng ta đầu tiênchạy qua những điều tốt đẹp của cơng nghệ này mang lại

Cơng nghệ nano cĩ thể thực sự cách mạng hĩa rất nhiều sản phẩm điện tửthủ tục và các ứng dụng các khu vực được hưởng lợi từ việc phát triển củacơng nghệ nano Khi nĩi đến sản phẩm điện tử bao gồm Nano bĩng Bắn chuẩniốt Nano màn hình oled màn hình plasma máy tính điện tử và nhiều hơn nữa.Cơng nghệ Nano cũng cĩ thể cĩ lợi cho ngành năng lượng sự phát triểncủa năng lượng hơn sản xuất Năng lượng hấp thụ và các sản phẩm lưu trữnăng lượng hiệu quả trong các thiết bị nhỏ hơn và hiệu quả hơn và cĩ thể đốivới cơng nghệ này các hạng mục như pin pin nhiên liệu và các tế bào nănglượng mặt trời cĩ thể được xây dựng nhỏ hơn nhưng cĩ thể được thực hiện cĩhiệu quả hơn với cơng nghệ này

1.000 cơng nghiệp cĩ thể được hưởng lợi từ Cơng nghệ Nano là lĩnh vựcsản xuất các vật liệu như ống Nano sau khí hạt Nano và các mặt hàng tương

tự khác để sản xuất sản phẩm của mình những vật liệu này thường mạnh hơn

bền hơn và nhẹ hơn so với những người không được sản xuất với sự trợ giúpcủa công nghệ nano.

Bên cạnh ưu điểm thì công nghệ máy Nano cũng mang rất nhiều nhượcđiểm

Bạn cũng có thể thấy sự phát triển của công nghệ nano cũng có thể manglại sự sụp đổ của thị trường nhất định cho sự hạ thấp giá trị của dầu và kimcương do khả năng phát triển của các nguồn năng lượng thay thế có hiệu quảhơn và sẽ không yêu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch điều này cũng có thể cónghĩa là cả từ khi mọi người có thể phát triển sản phẩm ở mức độ phân tử kimcương cũng sẽ mất đi giá trị của nó và vì nó có thể được sản xuất hàng loạt

Vũ khí hạt nhân có thể được tiếp cận dễ dàng để thực hiện sự phá hoạimạnh mẽ của nó đây cũng dễ dàng tiếp cận hơn với công nghệ nano

Hiện nay công nghệ nano rất tốn kém và phát triển của nó thể mất rấtnhiều tiền nó cũng là khá khó để sản xuất mà có lẽ là lý do tại sao các sảnphẩm được thực hiện bởi công nghệ nano lại đắt tiền hơn mối quan tâm chungvới công nghệ nano

Công nghệ Nano là một trong những khám phá khoa học nóng nhất củathời đại hiện nay điều này là do công nghệ Tuy nhiên còn có lo ngại rằng môitrường có thể đặt trong tình trạng nguy hiểm mà các sản phẩm công nghệnano có thể làm tăng mức độ ô nhiễm trong nhiều lĩnh vực tại một thời điểm

1.2.4 Lịch sử phát triển

Năm 1959, khái niệm về công nghệ nano được nhà vật lý người MỹRichard Feynman nhắc đến khi ông đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ởkích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử Nhữngnăm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kínhhiển vi đầu dò quét (SEM hay TEM) có khả năng quan sát đến kích thước vài

nguyên tử hay phân tử, con người cĩ thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vựcnano.

II Các linh kiện điện tử sử dụng cơng nghệ nano

Điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano cĩ tốc độ xử lý cựcnhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm cácthiết bị ghi thơng tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vậtliệu nano siêu nhẹ - siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũtrụ…

CNTFET cổng sau được giới thiệu vào năm 1998, CNT chỉ đơn giản đặttrên các điện cực nên các đường đặc trưng của nĩ tương đối xấu, điện trở tiếpxúc lớn Việc chọn kiểu dáng hình học của linh kiện tốt hơn giúp cho sựhoạt động tốt hơn CNTFET cổng trước tăng điện trường vào làm giảm điệntrở tiếp xúc

CNTFET thẳng đứng : Cấu trúc này cĩ cực cổng bao xung quanh đượcgiới thiệu bởi Choi và cộng sự vào năm 2004 Kích thước của transistor cĩ thểnhỏ bằng đường kính của CNT

Các bước chế tạo: Sự hình thành lỗ nanơ bằng cách xử lý anốt, tiếp theo làtổng hợp CNT, hình thành điện cực kim loại, sự lấy mẫu và lắng đọng lớp ơxít

và cuối cùng là hình thành điện cực cổng Mỗi giao điểm của cực nguồn vàmáng với một CNT đơn thẳng đứng tương ứng với mỗi transistor.Nguyên lý hoạt động cơ bản của CNTFET giống như của MOSFET, các điện

tử được cung cấp bởi cực nguồn và cực máng sẽ thu điện tử Cực cổng sẽ điềukhiển mật độ dịng điện chảy trong kênh dẫn Cĩ thể chia ra làm 2 dạng SB-

CNTFET và MOS-CNTFET

III Phương pháp chế tạo vật liệu nano

2.1 Phương pháp ướt

Phương pháp này còn được theo những cái tên khác nhau như: phươngpháp thủy, đồng kết tủa hay sol-gel Với phương pháp ướt, những dung dịchion khác nhau sẽ được hòa trộn theo một tỷ lệ nhất định Hỗn hợp này sẽ chịutác động bởi một số thành phần ngoại lực như: độ pH, áp suất, nhiệt độ,…Sau một khoảng thời gian, dung dịch sẽ thu được một lượng vật liệu nano đãđược kết tủa Cuối cùng, các vật liệu này sẽ trải qua quá trình sàng lọc, sấykhô, tạo nên thành phẩm có kích thước nano

2.2 Phương pháp cơ khí

Đây là phương pháp được thực hiện theo dạng nghiền, tán hợp kim cơ học.Phương pháp cơ khí vận dụng các vật liệu dạng bột Chúng sẽ được nghiềnhoặc tán thành các vật liệu có kích thước nhỏ hơn Hiện nay, các thiết bị thựchiện hoạt động này là máy nghiền quay hoặc máy nghiền bi

2.3 Phương pháp bay hơi nhiệt

Đây còn là phương pháp lithography (quang khắc), vacuum deposition(lắng đọng trong chân không), vật lý, hóa học Phương pháp này chỉ hoạtđộng tốt khi chế tạo màng mỏng hoặc tạo lớp bao phủ bề mặt Bên cạnh đó,thông qua các tấm chắn, người ta cạo vật liệu nano để tạo nên các hạt nano cókích thước nhỏ

2.4 Phương pháp pha khí

Phương pháp này bao gồm các hoạt động như: electron-explosion (nổđiện), nhiệt phân, bốc hơi ở nhiệt độ cao, plasma và đốt laser Thông qua quátrình pha khí, các vật liệu nano được hình thành