Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Ứng dụng phần mềm Comsol Multiphysics vào mô phỏng đặc tuyến I-V của Diode

LỜI MỞ ĐÀUDưới sự phát triển cực kỳ lớn mạnh của ngành Vi mạch Bán dẫn như ngày nay, cùng với các nhu cầu về hiệu suất, kích thước nhỏ gọn với số lượng transistor lớn trong cùng một phạm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

BÙI NGỌC PHAT - 19521989

LẠC QUOC HUY - 19521611

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

UNG DỤNG PHAN MEM COMSOL MULTIPHYSICS VÀO NGHIÊN CỨU VÀ

MÔ PHỎNG DIODE

COMSOL MULTIPHYSICS SOFTWARE APPLICATION IN DIODE

RESEARCH AND SIMULATION

KỸ SƯ KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

ThS TRAN QUANG NGUYEN

TS PHAM QUOC HUNG

TP HO CHÍ MINH, 2023

LỜI CẢM ƠN

Đề tài Khóa luận này được hoàn thành không đơn thuần chỉ dựa vào nỗ lực của bản thân chúng em mà chính yếu là nhờ vào công sức dạy dỗ và sự giúp đỡ cũng

như hướng dẫn của thầy Trần Quang Nguyên và thầy Phạm Quốc Hùng nói

riêng, thầy cô trường Đại học Công Nghệ Thông Tin nói chung.

Đầu tiên, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Quang Nguyên, kiến thức thầy truyền đạt cho chúng con không chỉ qua từng bài giảng mà còn xuyên

suốt quá trình làm đề tài khóa luận này và thầy Phạm Quốc Hùng đã hỗ trợ và giúp đỡ nhóm chúng em rất nhiều về công cụ, ứng dụng và những hiểu biết của

giúp chúng con trong quá trình học tập.

Nhóm chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyên và thầy Hùng

đã bồi dưỡng kiến thức, chỉ dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để cho nhóm chúng

em có thể hoàn thành khóa luận này một cách tốt đẹp.

Cuối cùng, chúng em xin gửi đến mọi người lời chúc thành công!

TP.Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 08 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Bùi Ngọc Phát

Lạc Quốc Huy

MỤC LỤC

Contents

Chương 1 TƠNG QUAN scecseesssessseesseesneesneesneesnsenneesneennecsneenneenneenneenneenneesneenes 3

1.1 Tổng quan để tài -¿:522ccc2ccvsrertrrtrrerrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrerre.3 1⁄2 Mục tiêu để tài ¿-22222+t222212222211122211112221111221111 2.1111 E111 cce 4 1.2.1 — Đối tượng 2222ccc22EEEEEEEEErrrrrrrrrrrrreerrii 4

1.2.2 PRAM vi Sàn HH ngư 5

1.2.3 Các cơng việc chính - ‹ «+ 6 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT -2 22+2++2EEE++t2EEEEE+tEEEEEzrrtrrrrcree 7

2.1 Vật liệu bán dẫn va Diode Chuyển tiếp PN c¿2cc5ccccvccsez 7

2.1.1 _ Vật liệu bán dẫn -22cc+c+xtcerktrerkrrrrtrrrrrrrrrrrrrre 7

212 Diode AGE LIM 4$ / 15

2.13 Một số phương pháp chế tao diode -2cccccccc+zscrr 18

2.2 Vật liệu SHĨ) xum đ 2 cà, coi 21

2.2.1 Vật liệu SnO — Loại p SH ướt 21

2.2.2 Cấu trúc SnO cccvcvrorttnhntn2222112211111111 re 21 2.2.3 Tinh chat 019000209 22

2.2.4 Ứng dụng của SnO ++22222++tS2EEEErrtEEEtrrrrrrkrrrrrrrrvee 23 2.3 Phần mềm COMSOL Multiphysics -¿222cz+222vvveecvvszrecrr 23

2.3.1 — Giới thiệu à 222 re 23

2.3.2 Multiphysics SẶ c5 che 23

2.3.3 Qui trình cơ bản để thực hiện một project đơn giản 25 Chuong3 MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 2-:52222cccccrvscee 31 3.1 Mục đích mơ phỏng.

3.2 Quá trình thực hiện mô phỏng - - ¿+ + 5 +++E+xe£exerzkzksrerre 31 3.2.1 Phương pháp mô phỏng

3.2.2 COmpOnen(s - c1 th HH Hư 33 3.2.3 Study.

3.3 Mục đích thực nghiệm - +5 SxtEt r2 Eg rxrrrưy 45

3.4 Quá trình thực nghiệm

3.4.1 Chuẩnbị 22222222crrEEEEEEvrrrrrrrrrrrrrrrrrerrreg 45

3.4.2 Quá trình phún xạ tạo màng SnO loại p.

Chương 4 KÉT QUA VA TONG KÉẾT -2c¿22252c+22cvvvcrscrsscee 51 4.1 Kết quả thực iGM eccccsscccssssessssssssecessssseccsssesccssssescsssusescsssseceessseeccsssieeesens 51 4.1.1 Kết quả mô phong ceseeccccsssssesssccccssssseeseescecsssneneesscecesnsnneeeseceesnnneeeeeeee 51 4.1.2 Kết quả thực nghiệm 2222cvvccrsrrrrrrrrrrrrrrrrrer 59

4.1.3 So sánh và đánh giá tàng 62 ' L5 5 ốẽ nn3 64 4.3 Hướng phát triển đề tài ©2222222+z+t22EEEEEEvrrrrrtrrrrkrrrrrrrrrrrrrveg 65

DANH MỤC HÌNH Hình 2 1 Thang đo điện trở suất của các loại vật liệu - -c:+ccc+scce¿ 7 Hình 2 2 Mạng tỉnh thể của DOnOr .-¿:-2+£©+++222ES++t22ESEvettEESvrrerrrvrrrrrrs 8

Hình 2 3 Mang tinh thé của ACCeptor sscccsssssesssssseesssssseessssssecesssseessssssecsesssieseessseess 9

Hình 2 4 Sự hình thành vùng điện tích không gian xung quanh tiếp giáp 0 Hình 2 5 Chuyển tiếp PN (trái) và giản đồ năng lượng Fermi của chuyền tiếp PN ở

trạng thái cân bằng (phải) -22-2E+++22EE12+E2221121222111122721122271112 2211 xe 1

Hình 2 6 Đồ thị các trang thái hoạt động của Chuyén tiếp PN 4 Hình 2 7 Mô tả Lý thuyết Dải năng lượng

Hình 2 8 Sự ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên Fermi Level 5

Hình 2 9 Ký hiệu và hình dạng của Diode l6 Hình 2 10 Cau tạo của Diode -c tri 6 Hình 2 11 Nguyên lý hoạt động của Diode - -¿-¿- 5 25+ S++x+x+eexerererkerer 7 Hình 2 12 Mạch Diode ở trạng thái phân cực thuận - - s+©+55+<++ 8

Hình 2 13 Mach Diode phân cực nghich - 6 6S ££xexzevrerererevexex 8 Hình 2 14 Schematic của một hệ máy phún xa Magnetron DC 9

Hình 2 15 Mô tả quá trình phÚn Xạ - ¿+ + 25+ S£+EE£££E‡EvrkekeEexerrkrkexee 9 Hình 2 16 Quá trình bốc bay - -:¿ 2222222222+2222E2EE+vrrrttEEEEExvrrrrrrrrrrrrrrrree 20 Hình 2 17 Cau trúc SnO -:ctcccccctttrrrrrrrrrrrrrrrriririi 21

Hình 2 18 So đỗ minh họa sự lai hóa của VBM trong SnO [14] - 22

Hình 2 19 Các Dimension mà phần mềm hỗ trợ - z2 25 Hình 2 20 Các Vật lý mà phần mềm hỗ trợ ¿¿++z++22+zz+czxscez 26

Hình 2 21 Các hình thức tính toán mà phần mềm hỗ trợ

Hình 2 22 Một số hỗ trợ của phần mềm trong việc tạo khối hình thể 27

Hình 2 23 Một số vật liệu có sẵn trong thư viện của phần mềm 28

Hình 3 | Cấu trúc chuyển tiếp PN của diode

Hình 3 2 Vùng P và điện cực Anode nhìn từ trên xuông - +-+-+ 34

Hình 3 3 Điện cực Cathode bao phủ hết vùng N (trái) và bề mặt vùng N sau khi đã

an đi điện cực Cathode (phải)

Hình 3 4 Các lớp vật liệu cần thiết được thêm vào ở mục Materials 34 Hình 3 5 Các setup cho vật liệu Đồng -¿¿¿©222++222vvvreecrvvrrerrrrrrrrrr 35

Hình 3 6 Các setup cho vật liệu a-Si:H - + csssceseeererersrreereexrerc TÔ) Hình 3 7 Các setup cho vật liệu SnO) ¿+ ¿+ tk it 36 Hình 3 8 Các Tương tác Vật lý được sử dụng c-ccccccccccrcercee 37 Hình 3 9 Các setup của V AnOde - - 5c 1t ST 912 22121210 1111212 re 38 Hình 3 10 Các setup của V Cathode + tt ngư it 39

Hình 3 11 Setup cho Interface Current ConserVatiOn ¿5+ 5+<c+c+x+x++ 39

Hình 3 12 Tập selection cho vùng PP ¿-¿- + ctSkSk+kEkEEH ưu 40

Hình 3 13 Tập selection cho vùng NN -5- 55+ 5+2 trererrkerrrrrrrrrer 41 Hình 3 14 Các setup dùng dé build Mesh „4l

Hình 3 15 Kích thước của Mesh 2

Hình 3 16 Các thành phần của Study 3

Hình 3 17 Các setup cho phan Study 3

Hình 3 18 Setup cho Auxiliary Sweep 44

Hình 3 19 Setup cho việc mô phỏng sự thay đôi độ dày của lớp P 44

Hình 3 20 Bia Sn (trái) và bia Cu (phải) c5: 5 Scst+t+xetererrkrkereree 46

Hình 3 21 Máy đánh siêu âm (trai) và lò sấy chân không (phải) tại phòng thí

nghiệm bộ môn Vật lý Chat rắn Trường DH KHTN - -:- ¿22s 46

Hình 3 22 Bộ giữ nhiệt (trái) và 3 hệ magnetron (phải) -«- - 47 Hình 3 23 Các bình khí (trái) và lưu lượng kế (phải) -cc-cccccecee 47 Hình 3 24 Bộ nâng nhiệt (trái) và bộ điều khiển dòng — thế (phải) 48

Hình 3 25 Hệ thống làm mát (trái) và hệ phún xa magnetron DC - 48

Hình 3 26 Cấu trúc của Diode p — SnO / n — a-Si:H 22ccvcccccecccccrvsee 50

Hình 4 1 Đồ thị đường đặc tuyến I-V của Diode ở trạng thái phân cực thuận 5 Ï

Hình 4 2 Đỗ thị đường đặc tuyến I-V của Diode ở trạng thái phân cực nghich 51

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

Hình 4.

3 Đường cong InlJI so với điện áp cấp vào

4 Sự thay đổi của đặc tuyến I-V dựa trên sự thay đổi bề dày của lớp P 53

5 Dé thị dòng điện trong lớp vật liệu N và P ccccccccrcrrrcee 54 6 Sự phân bó Mật độ Dòng điện ở lớp P - - + cccc+tsrrerrrkekeree 55 7 Sự phân bố Điện trường ở lớp P ¿¿+22+++++22+z+tztrxxeerrrrke 55 8 Sự phân bố Mật độ Dòng điện ở lớp N 7-2ccccccccrrrrrvree 56 9 Sự phân bố Điện trường ở lớp N ¿¿222+++2222v+rrecvsvererrree 56 10 Sự phân bố của Mật độ Dòng điện ở mặt tiếp giáp giữa lớp P và N 57

11 Sự phân bố Điện trường ở mặt tiếp giáp giữa lớp P và N 57

12 Sự phân bố Mật độ dòng điện và hướng phân bố -.- 58

13 Sự phân bố Điện trường và hướng phân bồ - -: -+ 58

14 Sự phân bố Điện áp từ góc Anode (trái) và từ góc Cathode (phải) 59

15 Đặc tuyến I-V của diode p - SnO/n - a-Si:H với Vth = 0,92V 60

16 Đường cong thực nghiệm của InlJI so với thé áp vào V 61 17 Dé thị sự ảnh hưởng của nhiệt độ dé lên tính chất điện của màng SnO.61 18 So sánh giữa kết quả mô phỏng bằng COMSOL (trên) 63

DANH MỤC TU VIET TAT

API - Application Programming Interface: Giao diện lập trình ứng dụng

AC/DC - Alternating Current/ Direct Current: Dòng điện xoay chiều và dòngđiện một chiều

FEM - Finite Element Method: Phương pháp phần tử hữu hạn

GUI - Graphical User Interface: Giao diện người dùng

IC — Integrated Circuit: Mạch tích hợp

IDE — Integrated Development Environment: Môi trường phát trién tich hop

PVD - physical vapor deposition: Quá trình lang đọng hơi vật lý

PDE - Partial Differential Equation: Phương trình vi phân từng phần

PECVD - Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: Hệ lắng dong hơi

hóa hoc tăng cường

SCCM - Standard Cubic Centimeters per Minute

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Trong đề tài khóa luận tốt nghiệp này, chúng em sẽ tiến hành khảo sát loại

vật liệu mới là SnO (một bán dẫn loại P) và a-Si:H (một bán dẫn loại N) dựa trên

đặc tuyến I-V theo cấu trúc chuyên tiếp PN của linh kiện bán dẫn diode Chúng em

sẽ ứng dụng phần mềm COMSOL Multiphysics vào việc xây dựng một model 3Dcủa Diode và tiến hành khảo sát bằng mô phỏng dựa theo các phương trình lýthuyết Đồng thời, khảo sát đường đặc tuyến I-V dưới các sự tác động đến từ môitrường xung quanh bằng thực nghiệm Model của diode được sử dụng của dé tài sẽ

có diện tích bề mặt là 4,0cm x 2,5cm cho cả lớp P và N với bề dày lần lượt là

150nm đối với lớp P và 200nm đối với lớp N

Đối với phần mô phỏng, nhóm chúng em sẽ sử dụng phần mềm COMSOL

dé xây dựng một model 3D cho linh kiện Diode mà nhóm đang nghiên cứu và khảosát Đối với phần thực nghiệm, nhờ sự hỗ trợ của thầy GVHD, nhóm chúng em đãđược kết hợp với nhóm nghiên cứu tại Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Vật Lý ChấtRắn (PTN BMVLCR) của Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, TP HCM để cóthé tiến hành công việc chế tao diode

Về các kết quả mà nhóm đã đạt được, nhóm chúng em về cơ bản đã hoàn

thành công việc mô phỏng, hoàn thành việc thực nghiệm Kết quả thu được khá tốt

với đặc trưng I-V giữa thực nghiệm va mô phỏng đã có sự tương đồng với nhau.Nhưng đã có một sự chênh lệch khá lớn về điện áp ngưỡng giữa mô phỏng (khoảng1,52V) và thực tế (khoảng 0,92V) Nguyên do dẫn đến việc này là vì chưa giảiquyết được bài toán về điện trở tại lớp các lớp tiếp giáp vật liệu (tiếp giáp PN, tiếpgiáp P/kim loại, tiếp giáp N/kim loại) Bên cạnh đó, nhóm van còn nhiều bat cập về

phần mềm Comsol dé có thể hiểu sâu các đại lượng đặc trưng từ các công thức vật

lý liên quan đến thông số vật liệu

LỜI MỞ ĐÀU

Dưới sự phát triển cực kỳ lớn mạnh của ngành Vi mạch Bán dẫn như ngày

nay, cùng với các nhu cầu về hiệu suất, kích thước nhỏ gọn với số lượng transistor lớn trong cùng một phạm vi nhỏ cũng như khả năng tích hợp được nhiều chức năng

của các linh kiện bán dẫn đã mở ra các công trình nghiên cứu mới nhằm thử nghiệm

các loại vật liệu mới để tạo thành các linh kiện điện tử thay vì các loại vật liệu thông thường [1], [2] Hiện nay, các loại vật liệu thường thấy như Silicon (Si), Gallium

(Ga), Germanium (Ge), dang dan cạn kiệt hoặc trở nên khan hiếm hon, đồng thời, khả năng đáp ứng các nhu cầu về hiệu suất của các loại vật liệu trên hiện đã

không còn đủ cao nên đã và đang dần bị các loại vật liệu mới có hiệu suất tốt hơn thay thế Tuy nhiên, đề hiệu suất hoạt động của linh kiện điện tử tăng lên thì việc

cải thiện các đặc tinh của các vật liệu tinh khiết như Si, Ge, bang cach pha tap

thêm một số vật liệu khác, thi hiệu suất hoạt động của linh kiện điện tử cũng chi cải thiện đôi chút Do đó, các hướng nghiên cứu mới của các phòng thí nghiệm trên thế

giới chính là sử dụng các chất bán dẫn cấu trúc 2 chiều (2D dimension) mới vào chế tạo các linh kiện bán dẫn nhằm tăng cường hiệu suất hoạt động của linh kiện và dần

dan thay thế các vật liệu cũ Dé đáp ứng yêu cau trên thì SnO là bán dẫn loại P khá

được chú ý bởi chúng sở hữu độ linh động hạt tải up khoảng 5,27 cm2/Vs [3] và độ

rong vùng cấm E, khoảng 3,6eV [3] Việc chế tạo linh kiện điện tử từ loại vật liệu

này sẽ cần sử dụng hai tính chất trên [3].

Và vì những lý do trên, đề tài của nhóm chúng em hướng đến việc nghiên

cứu và khảo sát SnO (loại P) va a-Si:H (loại N) Hai loại vật liệu trên sẽ được khảo

sát theo đặc tuyến I-V dưới dang cấu trúc của một diode dựa trên chuyển tiếp PN

nhằm làm rõ các đặc tính của chúng Công việc khảo sát sẽ được thực hiện trên cả

thực nghiệm lẫn mô phỏng.

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Tong quan dé tai

Hiện nay, định hướng nghiên cứu của ngành vi mach bán dẫn chính là tận

dụng các loại vật liệu mới (SnO, graphene, ) trong việc chế tạo các loại linh kiện

bán dẫn như transistor, diode, MOSFET, cảm biến, nhằm cải thiện hiệu năng của

linh kiện [4][5] Đối với việc chế tạo và nghiên cứu các linh kiện bán dẫn tại phòng Lab dựa trên các vật liệu mới thì hạn chế lớn nhất chính là giá thành vật liệu tiền

chất rất cao, hoặc các thông số của vật liệu, vd: độ rộng vùng cấm, độ linh động hạt tải, nồng độ pha tạp, điện trở suất, thường không được công bố rộng rãi dẫn đến

việc khảo sát và nghiên cứu các linh kiện sử dụng các loại vật liệu mới hiện nay

thường sẽ được thực hiện dựa trên các phần mềm hỗ trợ mô phỏng như COMSOL

Multiphysics, MATLAB, AnSys, v.v trước khi được đưa ra chế tạo nhằm khắc phục các hạn chế, nguy hiểm, rủi ro có thé xảy ra Trong đó, phan mềm COMSOL

khá là thông dụng ở các nước có ngành vi mạch bán dẫn phát triển vì phần mềm này

có khả năng hỗ trợ thực hiện các ứng dụng đa vật lý, có thể hỗ trợ việc mô phỏng các cầu trúc bán dẫn với các loại vật liệu, các kiểu kiến trúc khác nhau dưới các sự

tác động khác nhau của môi trường [6] Định hướng nghiên cứu này sẽ dựa trên

khảo sát các loại vật liệu mới dưới dạng cấu trúc của một điode hoặc xa hơn chính

là cấu trúc MOSFET Ngoài ra, sau quá trình thực tập thì nhóm chúng em cũng nhận ra rằng các doanh nghiệp hiện tại họ rất cần những kỹ sư hiểu sâu về mảng

Back-end mà các mảng Back-end như Analog, Physical Design, Layout Design, đều là những mảng cần hiéu sâu về tang vat lý bán dẫn.

Do đó, đề tài này hướng đến việc khảo sát và nghiên cứu SnO (loại P) và

a-Si:H (loại N) dựa trên kiến trúc của một diode thông qua chuyển tiếp PN Sử dụng phương pháp mô phỏng số để dựng lên một model 3D nhằm mô phỏng đường đặc

tuyến I-V và những đặc tính điện của Diode thông qua phần mềm COMSOL và đồng thời tiến hành quá trình thực nghiệm song song để tìm hiểu và tạo dựng một

quy trình cơ bản dé có thể chế tạo một linh kiện diode đơn giản Thông qua biểu đồ

đặc tuyến I-V của diode thu được từ quá trình thực nghiệm và mô phỏng có thê hiéu thêm về các đặc tính điện của hai loại vật liệu trên nhằm đo đạc, đối chiếu, so sánh

và sau đó đưa ra kết luận dựa trên vốn kiến thức hiện có cũng như mở rộng thêm các kiến thức mới về ngành thiết kế vi mạch.

1.2 Muc tiéu dé tai

1.2.1 Đối tượng

Lý do lựa chọn vật liệu mới SnO: Trong mảng chế tạo linh kiện bán dẫn, vật liệu có vai trò cực kỳ mật thiết trong việc cải thiện khả năng hoạt động cũng như

thu nhỏ diện tích cần thiết cho linh kiện Đối với những vật liệu cũ (Silicon,

Germanium), các nhà nghiên cứu đã pha tạp thêm các chất hỗ trợ với mong muốn

tăng cường tính chất của vật liệu nền nhưng điều này chỉ cải thiện một phần bởi vì

sự giới hạn về mặt cấu trúc của từng loại vật liệu Và từ đó, các phòng thí nghiệm

đã có một hướng đi mới , chính là sử dụng những vật liệu mới có dạng 2D (two

dimension) như SnO, graphene, phosphorene, thậm chí vật liệu polymer dẫn

(Pedos:PSS, P3HT, ) hoặc kết hợp chúng cùng với những vật liệu 0D, ID để có

thể tạo ra các tổ hợp vật liệu lai mới với mục đích thúc day su tăng cường hiệu năng làm việc của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị cảm biến [4][5] Bảng 1.1 thé hiện

ba tính chất quan trọng đối với mảng chế tạo linh kiện tử là: độ dẫn (kí hiệu là ø),

độ rộng vùng cấm (kí hiệu là Eg) và độ linh động của hat tải (kí hiệu là ).

Bảng 1 1 Thông số đặc trưng của một số loại vật liệu được ứng dụng vào bán dẫn

Vật liệu Độ dẫn điện o Độ rộng vùng cấm Ey | Độ linh động hạt tải

Silicon 1,67x102 em!Q"! 1,1eV 500 cm”/Vs

Germanium 2,13x102 cm !@† 0,67 eV 1,800 cmỶ/Vs

SnO 0,1 em!Q" [5] 3,6 eV [5] 1,851 cm7/Vs [5]

Graphene 0,96x10° cm" [25] 0eV [25] 2x10” cm*/Vs [25]

Dựa vào bảng 1.1, vật liệu mới SnO cho thây rõ ràng sự vượt trội so với hai

vật liệu cũ (Silicon, Germanium) Đối với thông số độ linh động hạt tải của vật liệu

SnO có thấp hơn so với Graphene nhưng thông số độ rộng vùng cắm (Band gap) của SnO lại hoàn toàn vượt trội hơn Graphene Điều này giúp vật liệu SnO có thé duoc ding trong nhiều mảng khác nhau trong khi vật liệu Graphene lại bị hạn chế

trong mảng quang điện.

Do đó, SnO được nhóm lựa chọn nghiên cứu dựa trên mô hình linh kiện diode Trong đó, vật liệu mới SnO sẽ được thay thế lớp p trong chuyền tiếp pn và khảo sát dòng hạt tai của chúng thông qua đặc trưng I-V của cấu trúc diode Một số

công việc mà nhóm chúng em sẽ thực hiện trong khóa luận được cụ thể như sau:

© Tim hiểu về Diode thông qua chuyền tiếp PN: cấu tạo, nguyên lý hoạt động.

¢ Tim hiểu về phần mềm Comsol Multiphysics.

© Tim hiểu về phương pháp phan tử hữu han (Finite Element Method — FEM)

o Xây dựng model 3D của Diode dựa trên chuyền tiếp PN

o Khảo sát đặc tuyến I-V ở trạng thái phân cực thuận.

o Kiểm tra sự ảnh hưởng của độ dày lớp P + 50nm lên đường đặc tuyến I-V

e _ Thực nghiệm:

o Chế tạo diode dựa trên vật liệu SnO (lớp P) và vật liệu a-Si:H (lớp N)

o Khảo sat đặc tuyến I-V của diode

© So sánh đặc tuyến I-V của linh kiện diode giữa mô phỏng và thực nghiệm

1.2.3 Các công việc chính

Hệ thống hóa mô hình 3D của Diode và thực hiện mô phỏng đường đặc tính

I-V với điện áp cấp vào là 2V, bước nhảy 0,05V.

Tiến hành thực nghiệm và khảo sát đặc tuyến I-V của một diode thực tế.

Đánh giá dữ liệu đo đạc thu được từ đặc tuyến I — V của Diode Chuyén tiếp

PN giữa thực tế và lý thuyết.

Từ các vấn dé phát sinh khi thực hiện dé tài, tìm ra những hướng đi và đưa ra các giải pháp dé cải tiến model để có thé áp dung trong tương lai.

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Vật liệu bán dẫn va Diode Chuyển tiếp PN

2.1.1 Vật liệu bán dẫn

Các linh kiện bán dẫn có một lịch sử phát triển dài và phức tạp, nhưng sự bùng né của kỹ thuật vi mạch tích hợp chỉ vừa mới xuất hiện cỡ chừng vài thập ky trở lại đây Chất bán dẫn, một chất nằm ở giữa chất cách điện và chất dẫn điện, là

thành phần tối quan trọng để có thể tao ra các thiết bị bán dẫn như Diode, Transistor

và IC tồn tại ở trong các thiết bị điện tử Chất bán dẫn vừa có thé cách điện ở nhiệt

độ thấp, cũng như có thé dẫn điện ở nhiệt độ cao, ví dụ như Ge và Si là những chất

bán dẫn điền hình Về mặt hóa học, các chất này đều thuộc nhóm IVa tức là sẽ có bốn electron ở vòng ngoài cùng của lớp vỏ nguyên tử Ngoài ra, cũng ton tại các

hợp chất bán dẫn khác ví dụ như là nhóm II-VI (ZnO, ZnS, ZnSe ) và các bán dẫn

nhóm III-V (GaAs, AIN, AlAs ) được mô tả như hình 2.1.

Hình 2 1 Thang do điện trở suất của các loại vật liệu

Từ các chất bán dẫn thuần khiết (intrinsic semiconductors), các nhà khoa học

đã tạo ra bán dẫn loại P và loại N bằng các nguyên tử thuộc các nhóm nguyên tố

(thường là nhóm IHA và nhóm Va) khác nhau, sau đó ghép các khối loại P và loại N

với nhau dé tạo nên các kiến trúc bán dẫn như Diode, Transistor, Vị trí tiếp giáp

giữa loại N và loại P được gọi là chuyển tiếp PN [1] Trong tất cả các linh kiện bán dẫn thì sự di chuyển của các hạt tải đa số (majority carriers) và các hạt tải thiểu số (minority carriers) trong một linh kiện là cực kì quan trọng vì sự chuyển vận hạt tải

đó góp phần tạo nên đặc tính và chức năng hoạt động khác nhau của từng loại linh

kiện Trong đó phải kế đến sự vận chuyên hạt tải của hai chuyên tiếp cơ bản nhất

trong linh kiện bán dẫn, đó chính là chuyền tiếp PN (PN Junction) và chuyên tiếp

kim loại — bán dẫn (Metal-Semiconductor Junction) [2]

Các loại bán dẫn

Bán dẫn gồm 2 loại đó là bán dẫn thuần (intrinsic) và bán dẫn không thuần

(extrinsic) Mỗi loại bán dẫn sẽ có tính chất điện khác nhau Bán dẫn thuần khiết là các loại bán dẫn nguyên chat và không bị pha tap (vd: Silicon - Si) Bán dẫn không

thuần là những bán dẫn bị pha tạp để tạo ra các đặc tính điện khác nhau Phụ thuộc

vào việc pha tạp mà bán dẫn không thuần được chia ra hai loại: loại N (n-type

semiconductor) và loại P (p-type semiconductor).

e Ban dẫn loại N (Donor):

o Được pha tạp một nguyên tố thuộc nhóm VA (thông thường là

Phosphorus) vào mạng tỉnh thé Silicon để tao ra các electron tự do.

o Dong dan chinh trong loại N là dong các electron tự do (free electron).

o Loại N sẽ có nồng độ hạt tải loại N (electron tự đo) nhiều hơn nồng độ

hat tải loại P (16 trồng) [7]

additional electron

Hình 2 2 Mạng tinh thé của Donor

e Ban dẫn loại P (Acceptor):

o Được pha tạp một nguyên tố thuộc nhóm IIIA (thông thường là Boron)

vào mang tinh thé Silicon dé tao nên các lỗ tréng tu do (free hole).

o Dòng dẫn chính trong vật liệu loại P là dòng các lỗ trống tự do.

o Loại P sẽ có nồng độ hạt tải loại N (electron tự do) ít hơn nông độ hạt tải

loại P (lỗ trống) [7]

Hình 2 3 Mang tinh thé của Acceptor

Tính chất đặc trưng của vật liệu bán dẫn

Ở môi trường nhiệt độ bình thường, các bán dẫn sẽ giống như một chất cách

điện Khi bị các tia phóng xạ chiếu vào hoặc gặp phải nhiệt độ cao, các lỗ trống bị

phá vỡ sé dẫn đến việc tính chất của bán dẫn xuất hiện nhiêu sự thay đồi [7]

Chuyển tiếp PN — Diode bán dẫn

Chuyến tiếp PN là thành phần chính trong các linh kiện bán dẫn Ngày nay, chuyển tiếp PN vẫn còn là một trong các thành phần không thê thiếu của hầu hết các

loại linh kiện bán dẫn khác nhau Linh kiện đơn giản nhất sử dụng chuyển tiếp PN

là Diode Diode là loại linh kiện được tạo ra bằng các kết hợp hai vật liệu khác loại

sao cho các hạt tải chỉ đi chuyền theo một chiều còn chiều ngược lai thì không.

Cấu trúc cơ bản của chuyển tiếp PN

Vi dụ xét tinh thể Silicon, vùng được pha tạp các tap chất Boron (B), được gọi là acceptor tạo thành vùng P của bán dẫn và vùng lân cận được pha các tạp chất

Phosphorus (P), được gọi là donor dé hình thành vùng N Phan tiếp giáp giữa vùng

N và vùng P gọi là chuyển tiếp P-N.

Chiều khuyếch tán củo lỗ hồng.

Tiếp giáp Chiều khuyếch tén của điện tử

6©o|@

Điện tường E(x)

Chiều hôi của lỗ tống

Chiều tôi cde điện tử

+ | 1

Vùng tung hoa | 'Vùng điện tích không gian Ving trung hod

về điện tích > hay vùng nghèo *n về điện tích.

Hình 2 4 Sự hình thành vùng điện tích không gian xung quanh tiếp giáp

và chiều chuyên động của hạt tải trong chuyền tiếp PN

Tại vùng chuyển tiếp này có sự chênh lệch nồng độ electron và lỗ trống rất lớn nên các electron (hạt tải đa số) của loại N sẽ khuếch tán qua vùng loại P và các

lỗ trồng (hạt tải đa số) của vùng P cũng sẽ di chuyền sang vùng N Khi các electron khuếch tán từ N sang P sẽ tạo ra các ion donor tích điện dương Tương tự với vùng

P, các lỗ trồng sau khi khuếch tán từ vùng P sang vùng N sẽ tạo ra các ion acceptor

tích điện âm Các ion âm trong loại N và ion dương trong loại P hình thành nên

vùng điện tích không gian (Space-charged Region) và tạo nên một điện trường nội

ướng từ từ vùng N sang vùng P Điện trường này sẽ quét tất cả các hạt dẫn tự do ra hỏi vùng điện tích không gian, làm cho số lượng hạt tải giảm đáng kể, biến vùng

này thành vùng nghèo (vùng nghéo điện tích) Mặt khác, điện trường trong vùng

nghèo sẽ tác động lên các hạt tải ngược chiều với dòng khuếch tán Dòng trôi sẽ

bằng với dòng khuếch tán khi ở điều kiện cân bằng nhiệt [7]

Chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng

Trạng thái cân bằng (hay điều kiện cân bằng nhiệt) là trạng thái khi mà

không có dong hay bat cứ yếu tố bên ngoài nào tác động vào chuyển tiếp Xét khối

án dẫn gồm loại P và loại N tiếp xúc nhau như hình

10

Bản dẫnloạiP BándẫnloạiN

pais

lỗ trồng ‘Ving nghệo

—

Hình 2 5 Chuyên tiếp PN (trái) và biểu đồ năng lượng Fermi của chuyền tiếp PN ở

trạng thái cân băng (phải)

Khi chưa tiếp xúc nhau, ở điều kiện cân bằng nhiệt, mức Fermi (Er) của loại

N gần với mức vùng dan (Ec) còn mức Er trong loại P gần với mức vùng hóa trị

(Ev) Đồng thời, nồng độ tạp chất và nồng độ hạt dẫn phân bố đều và chúng cân bằng về điện tích.

Khi tiếp xúc nhau, vì có hiện tượng khuếch tán nên mức Er trong loại N và

loại P cân bằng dẫn đến mức Ec và Ev bị uốn cong tại vùng nghèo Khi đó, mật độ dòng khuếch tán tông được cho bởi biểu thức:

Jct = jp + in = q(D„dn/dx — D,dp/dx) (2.1)

Với:

jit : mật độ dòng khuếch tán tổng

jp : mật động dòng khuếch tán tại loại P.

Jn: mật động dòng khuếch tán tại loại N.

D, : hằng số khuếch tán tại loại N.

Dp : hằng số khuếch tán tại loại P.

Khi khuếch tán, các điện tích trái dau nhau sẽ tái kết hợp với nhau, làm cho

nồng độ hạt dẫn ở hai bên mặt ranh giới giảm xuống thấp Ở vùng P sẽ chỉ còn lại

các acceptor mang điện tích âm, còn ở vùng N chỉ còn các donor mang điện tích

dương, hình thành nên hai lớp điện tích không gian trái dấu và nằm đối diện nhau.

Ở giữa hai lớp điện tích này xuất hiện một sự chênh lệch về điện thế và nó còn được

gọi là điện thế tiếp xúc (Vix) và một điện trường nội xuất hiện được gọi là điện

trường tiếp xúc (Ex) Hai lớp điện tích không gian này có nồng độ hạt dẫn rất thấp

nên vùng này gọi là vùng nghèo Do có điện trường tiếp xúc, các hạt tải thiểu số của

loại P (electron) sẽ bị trôi dat qua loại N và các hạt tải thiểu số của loại N (lỗ trống)

sẽ bị trôi đạt về phía loại P Chính sự trôi dạt đó tạo nên một dòng gọi là dòng trôi

(drift current) ngược chiều với dòng khuếch tán Biểu thức của mật độ dòng trôi là:

Với:

jr: mật độ dòng trôi.

+ : mật độ điện tích.

E, : điện trường tiếp xúc tại vùng nghèo.

Pn: mật độ điện tích tại loại N.

np : mật độ điện tích tại loại P.

Hp : độ linh động của hat tải tại loại P.

pn: độ linh động của hạt tai tại loại N.

Sự gia tăng của hiện tượng khuếch tán được gây ra bởi sự chênh lệch lớn về

nồng độ hạt tải đa số trong cá hai khối bán dẫn và theo đó là sự tái hợp của hạt tải cũng sẽ càng tăng, dẫn đến điện trường tiếp giáp và lượng hạt tải thiểu số trôi theo

điện trường tiếp giáp cũng sẽ tăng theo Vì vậy, quá trình đó sẽ tiếp diễn và sau một khoảng thời gian ngắn, lượng dòng trôi và dòng khuếch tán sẽ cân bằng và tự triệt

tiêu lẫn nhau Do đó, dòng tông hợp sẽ bằng không.

J=jut—jc= 0 (2.3)

Độ rộng vùng nghèo tai trạng thái cân bằng được mô tả bởi biểu thức:

(2.4)

12

e: hằng số điện môi tương đối của chat rắn.

go: hang số điện môi của chân không.

W„ và W„: bề day của lớp điện tích không gian trong loại N và loại P.

W: độ rộng vùng nghèo tại chuyền tiếp P-N.

V: điện thé tiếp xúc tại vùng nghèo.

Na: nồng độ tap chất acceptor trong loại P.

Na: nồng độ tạp chat donor trong loại N.

Khi N;>> Na thì phương trình (2.4) sẽ là:

2 Vị

W = ha (2.5)

Các trạng thái hoạt động của Chuyén tiếp PN

Chuyển tiếp P-N có 3 trạng thái hoạt động tùy theo cách phân cực:

Trang thái cân bằng ton tại khi điện áp ở hai đầu của vùng P và N không có

sự chênh lệch.

Trạng thái phân cực thuận là khi một nguồn dương được cấp vào Anode (vùng P) và nguồn âm cấp vào Cathode (vùng N) sẽ đưa chuyển tiếp P-N vào

trạng thái phần cực thuận, ở trạng thái này, dòng điện đi qua sẽ tăng nhanh,

trở kháng sẽ rất nhỏ do vùng nghèo bị hẹp lại cho tới khi biến mắt hoàn toàn Trạng thái phân cực nghịch là khi cấp nguồn âm vào Anode (vùng P) và nguồn dương vào Cathode (vùng N) sẽ đưa chuyền tiếp P-N vào trạng thái phân cực nghịch, ở trạng thái này, vùng nghèo sẽ bị mở rộng dẫn tới dòng điện đi qua sẽ rất nhỏ, trở kháng cao.

Volage V)

Forward Voltage (V)

Hình 2 6 Đồ thi các trang thái hoạt động của Chuyén tiếp PN

© Ngoài ra, khi ở trạng thái phân cực nghịch, nếu điện áp cấp vào quá lớn sẽ

dẫn tới trạng thái đánh thủng.

Lý thuyết dai năng lượng (Band Theory)

Lý thuyết dải năng lượng là lý thuyết về năng lượng được mô tả dưới dạng

mô hình chuyên dùng để mô tả các trạng thái của electron trong chất rắn có nhiều

giá trị về năng lượng trong một phạm vi nhất định [7]

Trong lý thuyết dải năng lượng, có ba loại dải năng lượng quan trọng nhất:

Dai hóa trị (valence band — vùng hóa trị), Dai dẫn điện (conduction band — vùng dẫn điện) và dai cắm (band gap — vùng cắm).

Các dải năng lượng sẽ khác nhau đối với mỗi loại vật liệu khác nhau.

Valency Band &

¢ Vùng hóa trị (Valence band): nằm ở mức năng lượng thấp hơn dai dan.

Các electron ở dải này sẽ bị liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử, gọi là các electron hóa tri.

e Vùng dẫn (Conduction band): Dai dẫn điện bao gồm các electron tự do.

Các electron ở dai này cần một nguồn năng lượng đủ lớn dé có thé ra khỏi đải hóa trị và tiến vào đải dẫn và trở thành electron tự do.

¢ Ving cấm (Bandgap): nằm ở giữa dải dẫn và dải hóa trị, ở nơi này, không

một electron nào tồn tại mức năng lượng nằm ở trong dai này Dai cam sẽ

quyết định đặc tính điện của vật liệu là dẫn điện, cách điện hay bán dẫn.

e _ Mức Fermi (Fermi level):

o Mức Fermi là mức năng lượng tối đa mà một electron có thé nắm giữ ở 0

độ tuyệt đối.

o_ Mức Fermi thường nằm ở 50% giữa Dải dẫn điện và Dải hóa trị, bởi vì,

các electron sẽ ở trong trạng thai năng lượng thấp nhất ở 0 độ tuyệt đối.

o Mức Fermi có thé bị thay đôi bởi sự pha tạp hoặc nhiệt độ của vật liệu.

conduction band

meïưư::::::

conduction band

SSSEE Fermi level donor level

dẫn [8]

Chieu đồng điện đi qua Dicde

Hình 2 10 Cấu tạo của Diode

Cực được nối vào lớp N được gọi là cực Cathode (kí hiệu là K) và cực còn

lại nối vào lớp P được gọi là cực Anode (kí hiệu là A) Diode có cơ chế cơ bản đó là chỉ cho phép dòng điện chạy theo một chiều nhất định, cụ thé là từ A > K.

16

khi đó, ở khối N xuất hiện các ion dương.

Điện trường sinh ra bởi từ sự tương tác tĩnh điện của các ion có hướng từ N

P sẽ can trở sự khuếch tán của các hạt tải đa số của cả 2 lớp bán dẫn và sau một thời

gian, quá trình khuếch tán sẽ ngưng lại do sự xuất hiện của vùng điện trường nội Lúc này, chuyên tiếp PN đang ở trạng thái cân bằng Điện áp ngưỡng tạo bởi vùng

điện trường nội ở trạng thái cân bằng sẽ là khoảng 0.6V cho các diode được tao ra

từ Si và khoảng 0.3V cho diode được tạo ra từ Ge.

Ở mặt tiếp giáp, các electron sẽ bi các lỗ trống thu hút và chúng sẽ có xu

hướng kết hợp gây ra hiện tượng Tái hợp electron-lỗ trống và tạo thành các hạt

mang điện tích Và lúc này, vùng điện tích không gian được gọi là vùng nghèo do

sự thiếu hụt các hạt tải điện tự do Đồng thời, vùng này sẽ có chức năng giống một

lớp điện trở, có chức năng ngăn chặn sự di chuyển của các hạt tải đa số trừ khi điện

áp được cấp vào hai cực lớn hơn điện áp ở mặt tiếp xúc.

Nếu điện thế được cấp vào ở hai cực ngược với chiều của điện thế ở mặt tiếp

xúc (phân cực thuận — forward-biased), sự di chuyển của các hạt tải đa số sẽ không

bị ngăn cản bởi vùng nghèo nữa và vùng nghèo bị thu hẹp, dẫn đến dòng điện đi qua diode tăng lên Nếu cấp điện thế vào hai cực cùng với chiều của điện thế ở mặt

tiếp xúc (phân cực nghịch - reverse-biased), vùng nghèo càng trở nên rộng hơn dẫn đến điện trở của vùng này tăng lên và sự khuếch tán của các các tải đa số càng giảm Khi điện áp phân cực nghịch được tăng lên đến một mức nhất định, sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng (breakdown), lúc này diode đã bị hư hỏng và không thể sử

dụng được nữa và mức điện áp này gọi là điện áp đánh thủng (breakdown voltage) Nói cách khác, dòng điện khi đi qua một diode sẽ chỉ có thể đi theo một hướng nhất định.

=> Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản nhất của một diode.

Phương pháp phún xa (Sputtering Method)

Có rất nhiều phương pháp để có thể chế tạo các loại màng mỏng oxide kim

loại như ZnO, AZO, SnO, SnO2 [3], trong đó, phún xạ (Sputter) là một kỹ thuật rất thông dụng và thường được ứng dụng để tạo màng Đây là quá trình lắng đọng hơi

vật lý (PVD) được dùng để lắng đọng vật liệu lên đế bằng cách bắn phá các nguyên

tử từ vật liệu nguồn (bia phún xạ) và ngưng tụ các nguyên tử bị bắn phá này lên dé

18

trong môi trường chân không trung bình (103 mTorr) Bia vật liệu có nhiều loại, từbia dẫn điện đối với hệ phún xạ DC cho đến bia không dẫn điện trong hệ phún xạ

RF và cũng có nhiều cách khác dé áp thé hoặc dòng vào bia [9]

Phương pháp bốc bay (Evaporation Method)

e Bay hơi trực tiếp trong chân không (Vacuum Evaporation): cung cấp năng

lượng cho vật liệu dé chuyén vat liệu sang pha hơi

e Bay hơi phản ứng (Reactive Evaporation): hơi vật liệu sẽ được cho phản ứng

với các loại khí được đưa thêm vào môi trường chân không dé tạo thành hợp

chất phủ lên dé

e Bay hơi phản ứng có kích hoạt (Activated Reactive Evaporation): hơi vật

liệu sẽ phản ứng với khí đưa vào ở trong môi trường plasma, khi đó tốc độ

phủ màng cao hơn trong bay hơi phản ứng thông thường.

e Mạ ion (lon plating): hat bay hơi được ion hóa trong plasma thông qua quá

trình va chạm Những ion sẽ được gia tốc đến dé bằng thé phân cực giữanguồn ion và dé hoặc bang cách áp một thế âm lên dé

e Mạ ion phản ứng (Reactive ion plating): các ion tạo thành ở trong môi trường

chân không sẽ được phan ứng với khí được đưa thêm vào dé tạo thành hợpchất phủ lên dé

giả Yichao Wang [24]

Năng lượng cung cấp để chuyển vật liệu sang pha hơi có thể dưới dạng:nhiệt, chùm điện tử, đốt nóng bang bức xa, hồ quang, laser

20

2.2 Vật liệu SnO

2.2.1 Vật liệu SnO — Loại p

Thiếc oxide (SnO) là một chất có tính dẫn tự nhiên là loại p với lượng hạtdan đa số là các lỗ trông tự do hình thành bởi các nút khuyết thiếc và oxy ngoàimạng Trong vai năm trở lại day, SnO bắt đầu được chú ý bởi giới nghiên cứu SnO

được khảo sát được ứng dụng rất nhiều trong: hình thành nên lớp vật liệu anode của

pin lithium-ion [10], vật liệu kênh dẫn của transistor màng mỏng lưỡng cực (hoặc

loại p) [11], vật liệu loại p trong chuyên tiếp PN [12],

2.2.2 Cau trúc SnO

Cấu trúc tỉnh thể của SnO được minh họa như hình 2.17 SnO có cấu trúc

khá giống với cấu trúc của chì oxide (PbO) vì là hệ tinh thể bốn phương Mạngkhông gian đối xứng của SnO là P4/nmm và hằng số mạng c=4.8382 A,a=b=3.8029 A [13]

Cứ một nguyên tử Thiếc sẽ tham gia liên kết với 4 nguyên tử oxy và có độ

dài liên kết là 2.23 A Cấu trúc SnO dang lớp theo định hướng tinh thé [001] với

chuỗi liên kết Sn1/2 — O — Sn1/2 và một lực van-der-Waals, khoảng cách giữa hai

mặt Sn liền kề nhau bang 2.52 A Các ion Sn2* tích điện dương được che phủ bởi

đám mây điện tích giữa các mặt tinh thé Sn sẽ tạo ra lực đây Coulomb giữa các mặt

Sn liền kề [14],[15] Các 6 đơn vị của SnO được cấu tạo bởi hình chop nhiều tầngđối diện và luân phiên nhau như hình 2.17

2.2.3 Tính chất điện của SnO

SnO là loại loại p tự nhiên vì có một số lượng đáng ké các mức acceptor tựnhiên và do các sai hỏng trong mạng tỉnh thể đã dẫn đến việc tồn tại các mức

acceptor trong vùng cam của SnO Có hai nguyên nhân gây ra sai hỏng để hình

thành mức acceptor là: khuyết Sn (VSn) hoặc O ngoài mang (Oi) Trang thái VSn

hình thành dé dàng hon so với Oi trong hầu hết các oxide kim loại đặc biệt là cautrúc lớp dày đặc Trong điều kiện giàu oxi, SnO là loại p vì khuyết thiéc, ở nhiệt độcao thì nồng độ oxi ở vị trí giữa hai lớp hay oxi ngoài mạng sẽ cân bằng với nồng

độ của vị trí khuyết Sn Tuy nhiên, oxy không bị ion hóa nên không tham gia vào sự

dẫn điện của SnO Nồng độ của sai hỏng donor được hình thành từ Sn ngoài mạng

và khuyết oxi (VO) thì không đủ dé bù vào lỗ trống phát ra do Sn khuyết Vậy tínhdẫn điện loại p của SnO do các nút khuyét thiếc trong mạng tinh thé quy định, tínhdẫn điện bang các lỗ trong của SnO ổn định, độ dẫn va độ linh động cao là do nănglượng hình thành các nút khuyết thiếc thấp và sự mở rộng vùng hóa trị bởi sự lai

hóa giữa vân đạo O 2p và vân đạo hình cầu Sn 5s [14], [16] như chi ra trong hình

1.1.2 (với VBM là vị trí cao nhất của vùng hóa tri) và chính sự lai hóa vân đạo này

làm cho độ rộng vùng cam quang học của SnO nhỏ hơn so với SnO2 [14].

5n cation

(Sp)

i?) (es) = Nang

2.2.4 Ứng dụng của SnO

Vật liệu SnO được ứng dụng đa phần vào các loại pin năng lượng mặt trời,

diode quang, do đặc tính quang nổi trội của nó Ngoài ra, SnO còn được ứngdụng vô một số loại linh kiện như cảm biến khí, diode chuyên tiếp PN, các thiết bị

quang điện tu, [6]

2.3 Phan mém COMSOL Multiphysics

2.3.1 Giới thiệu

COMSOL Multiphysics là một phan mềm ứng dụng phương pháp phân tíchcác phần tử hữu hạn vào việc mô phỏng đa vật lý, đa nền tảng, đồng thời, có khảnăng tính toán và xử lý các phương trình phức tạp dựa theo nhiều lĩnh vực khácnhau COMSOL cũng hỗ trợ người dùng sử dụng các Module vật lý dé mô phỏng

các hiện tượng lý hóa thông thường hoặc hỗ trợ người dùng thực hiện tính toán các

hệ phương trình vi phân từng phần (Partial Differential Equation - PDE) Ngoài ra,

COMSOL cũng cung cấp một IDE và một quy trình làm việc cơ bản cho các ứngdụng của nhiều lĩnh vực khác nhau như cơ điện, cơ khí, chất lỏng, hóa học [18]

Multiphysics sẽ hỗ trợ người dùng xử lý các mô hình liên quan đến nhiều

lĩnh vực vật lý khác nhau bằng cách sử dụng các phần tử hữu hạn (Finite Elements)

ví dụ như động lực học chất lỏng, sự kết hợp động lực học với hóa học,

Multiphysics thường sẽ ứng dụng Phương pháp Phần tử Hữu hạn (Finite Element

Method — FEM) vào việc giải các hệ phương trình vi phân.

2.3.2 Multiphysics

COMSOL sẽ hỗ trợ người dùng một số loại module và chúng sẽ được phân

loại dựa trên các lĩnh vực mà nó sẽ được ứng dụng ví dụ như Điện, Cơ khí, Chất

răn, Chất lỏng, Hóa chất, Quang học, Bán dan,

Dién (Electrical):

e AC/DC Module: Được ứng dung cho các mục đích mô phỏng tinh điện, các

trường điện từ, từ, điện hiện diện bên trong các lớp vật liệu với tân sô thâp.

Module Tần số Radio (Radio Frequency — RF): Được ứng dụng dé môphỏng các thiết bị RF, vi sóng (Microwave), bộ chuyên đôi DC, ống dẫn

sóng, bộ lọc, antenna,

Module Sóng Ánh Sáng (Wave Optics): Cung cấp các tương tác vật lý

chuyên dụng cho việc mô phỏng sự tuyến tính và phi tuyến của sóng điện từ

Ngoài ra, Module Wave Optics này còn được ứng dụng nhiều trong mảngsóng điện từ tần số cao (High Frequency) ở cả miễn thời gian và miền tần số

Module Bán Dẫn (Semiconductor): Hỗ trợ mô tả chỉ tiết các khối vật liệubán dẫn ở cấp độ cơ bản Module này hỗ trợ mô phỏng sự phân bố về nồng

độ hạt tải cũng như mật độ dòng khuếch tán và dòng trôi dựa trên cácphương trình về dòng trôi và dòng khuếch tán đã được đề cập ở phan 2.1.1

Chat lỏng và nhiệt (Fluid and Heat)

Module truyền nhiệt (Heat Transfer Module): Hỗ trợ người dùng hiệnthực mô hình nghiên cứu sự truyền nhiệt, dòng chảy và bức xạ Module này

thường được sử dụng kết hợp với các module vật lý khác nhằm nghiên cứuthêm về sự phân bố cũng như là sự ảnh hưởng từ nhiệt độ

Hóa học (Chemical)

Module phan ứng hóa học (Chemical Reaction Engineering Module): Hỗ

trợ mô phỏng quá trình vận chuyên vật chat, tỏa nhiệt cũng như sự tác độngcủa động học và hóa học đến từ các môi trường như trong dung môi, các loạimôi trường khí, môi trường xốp, trong pha rắn và tương tác bề mặt hoặc cóthé kết hợp nhiều loại môi trường khác nhau

Module Pin và Tế bào nhiên liệu (Batteries and Fuel Cells Module): Hỗ

trợ người dùng mô phỏng hiện tượng điện hóa xảy ra ở trong các cell pin va

điện cực của các loại pin.

Module Điện cực (Electrodeposition): Được ứng dụng trong vào nghiên cứu các cell điện cực.

24

Multipurpose (Đa mục đích)

se Module Tối ưu hóa: được sử dụng với mục đích đích tối ưu hóa các model

bang cách kết hợp với chúng các sản phẩm hiện có khác của COMSOL.Đồng thời, đây cũng là một thành phần chung được sử dụng nhằm mục đíchchỉ định các biến phục vụ cho việc thiết kế hay tạo các ràng buộc cho thiết kế

cũng như chỉ định các hàm mục tiêu.

e _ Thư viện vật liệu (Material Library): Với bộ dit liệu bao gồm các chất khí

— lỏng — ran, khoáng chat, chất bán dẫn và vật liệu tải điện, kim loại, phi kim,hợp kim, chất cách nhiệt, cách điện

2.3.3 Qui trình cơ bản để thực hiện một project đơn giản

Tạo moduleĐây là bước tạo môi trường dé có thể thực hiện việc mô phỏng Bước này

gồm ba công việc quan trọng là lựa chọn Chiều không gian (Dimension), lựa chọn

Module Vật lý (Physics) và lựa chọn hình thức tính toán (Study) Tùy thuộc vào

mục dich, ta sẽ chọn Dimension và Study tương ứng dé mô phỏng

Với mỗi Dimension, ta sẽ có số lượng biến số khác nhau dé quan tâm Ví dụ:

nếu ta chỉ cần mô phỏng sự ảnh hưởng của khoảng cách hoặc quãng đường lên đặc

tính của vật liệu thì ta có thé chon Dimension là 1D, hoặc sự phân bố của một tínhchất nào đó (điện, nhiệt) của vật liệu trên một diện tích thì ta có thể chọn Dimension

là 2D, hoặc nếu ta muốn theo dõi sự phan bố của mật độ dòng điện theo sự phụthuộc vào kích thước thé tích của vật liệu thì ta có thé chọn Dimension là 3D, v.v

Select Space Dimension

P || 9 |e | —| |

2D 1D

sử Axisymmetric + Axisymmetric we =

Hình 2 19 Các Dimension mà phần mềm hỗ trợSau khi chọn Dimension, ta sẽ chọn Module Vật lý cho lĩnh vực cần môphỏng Phần mềm COMSOL có thê hỗ trợ rất nhiều lĩnh vực như đã nêu ở trên Mỗi

lĩnh vực lại còn chia thành nhiều lĩnh vực chuyên sâu nhỏ lẻ Ví dụ: để có thể môphỏng dòng điện trong vật liệu, ta có thể sử dụng module Electric Currents thuộc

nhóm module AC/DC hoặc sử dụng module Heat Transfer in Solids thuộc nhóm

module Heat Transfer dé mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong chat rắn hoặc cũng cóthé là để nghiên cứu các đặc tính của bán dẫn bằng module semiconductor thuộc

Ví dụ: nếu bỏ qua sự phụ thuộc vào miền tần số và miền thời gian thì ta có thé chon

mô hình pha tinh (Stationary) hoặc nếu cần sự phụ thuộc vào thời gian thi chọn(Time Domann) hoặc sự phụ thuộc vào tần số (Frequency Domain) hoặc cũng có thể

là một sô miên tính toán khác mà chỉ có lĩnh vực đó mới cân dùng dén.

4 “do General Studies

(0) Frequency Domain

[= Stationary

IS Time Dependent

4 ocd Preset Studies for Selected Physics Interfaces

[=> 5rmall-5Iiqnial Analysis, Frequency Domain [ruc Stationary Source Sweep

Hình 2 21 Các hình thức tinh toán ma phần mềm hỗ trợ

26

Tạo khối hình thể

Sau khi đã tạo được môi trường cho Project, ta sẽ bắt đầu tạo hình dạng chokhối vật liệu Tùy thuộc vào Dimension đã chọn ở bước trước mà giao diện và cácthành phần có thể dùng để cấu tạo nên hình dạng của khối vật liệu ở bước này sẽkhông giống nhau

Đối với model 1D thì các thành phần có thể sử dụng được chỉ bao gồm cácthành phần một chiều có liên quan đến đường thăng

Đối với 2D thì các thành phần có thể dùng được sẽ bao gồm các thành phần1D và sẽ có thêm các thành phần 2D như góc, các hình 2D (hình tam giác, hình

tròn, hình vuông, ), hệ trục tọa độ (x, y),

Đối với 3D thi các thành phần có thé dùng được sẽ có cả các thành phan 1D,2D, và cả 3D như hệ trục tọa độ (x, y, z), các khối hình học 3D (hình khối, hìnhhộp, hình nón, hình cầu, ), xoay một mặt phăng 2D đề tạo một hình khối 3D (xoay

quanh một trục với một góc nghiêng cho trước),

Properties) hay thông số của vật liệu sẽ được phần mềm yêu cau dé có thé thực hiện

tính toán Ví dụ: dé có thé sử dụng module Electric Currents thì các thông số được

phần mềm yêu cầu như Độ dẫn điện (s) và Hang số điện môi ¿; hay các thông số

như Độ linh động hạt tải (1), Nong độ hạt tải (Na và Np) và Độ rộng Vùng Cam(Eg) sẽ được yêu cầu dé có thé thực hiện mô phỏng module Semiconductor,

Các Module Vật lý được chọn ở phía trên chỉ là môi trường mặc định Dé

thực hiện mô phỏng các đặc tính cua vật liệu sau khi đã chon Vật liệu ở bước trên,

ta cần phải chọn thêm một sỐ Tương tác Vật lý (Physics Interfaces)

Mỗi Module được chọn sẽ cung cấp một số Tương tác nhất định phụ thuộc

vô Dimension và tính chất thực tế của lĩnh vực Ví dụ: ta cần mô phỏng một dòngđiện ở trong một sợi dây đồng thì ta sẽ cần hai Tương tác là Ground (Điện áp tạivùng chỉ định sẽ bằng OV) va Electric Potential (Điện áp tại vùng chỉ định sẽ bằng

giá trị được cấu hình) để có thể mô tả được điện áp rơi ở hai đầu của ống dây đồng,

từ đó xuất hiện một dòng điện theo định luật Ohm:

28

I= <.VoiR= — (2.6)

Tao mesh

Cũng như một số phan mềm CAD khác, phan mềm COMSOL cũng sé yêu

cầu người dùng phải tao mesh dé có thé sử dụng Phương pháp Phan tử Hữu hạn

(FEM).

Bộ Mesh có thé được tạo ra bằng cách tạo bộ Mesh tự động do phần mềm tạo

tự động từ các Module Vật lý và các Tương tác Vật lý (Physics-controlled Mesh)

hoặc các Mesh do chính người dùng tự định nghĩa (User-defined Mesh).

Việc tao Mesh doi hỏi người dùng phải tính toán kỹ lưỡng trước khi tạo một

bộ Mesh cho mô hình Điều này là bởi vì nếu dùng các Mesh tạo tự động thì khithực hiện tính toán, kết quả đầu ra đôi khi sẽ xảy ra sai lệch và không như mong

muốn bởi vì hệ thống sẽ tự động chia Mesh sao cho cân bang hết trên cả mô hình,

dẫn tới việc là một số vị trí cần độ chính xác cao sẽ không cho ra kết quả sai lệch.

Ngược lại, việc sử dụng Mesh do người dùng tự định nghĩa sẽ dễ dàng cho ra kết

quả như mong muốn bằng cách tập trung Mesh dày đặc ở những vị trí cần độ chínhxác cao và những vị trí không cần thiết có thể làm cho Mesh thưa bớt, nhưng đòihỏi người dùng rất nhiều kiến thức về FEM Hơn nữa, việc build một bộ Mesh hoànchỉnh cũng cần phải xem xét dựa trên cấu hình phần cứng của máy, vì nếu buildMesh dày thì sẽ thu được kết quả tốt và có độ chính xác cao nhưng bù lại sẽ tốn tàinguyên máy, còn nếu Mesh được build quá mỏng thì máy sẽ thực hiện nhanh nhưng

bù lại sẽ cho ra kết quả không tốt và có độ chính xác thấp

Thực hiện tính toán

Sau khi các bước phía trên đã được hoàn thành, bước tiếp theo sẽ là thực

hiện việc tính toán băng phân mêm.

Như đã nêu phía trên, phần mềm sẽ hỗ trợ một số phương trình, công thức

tính toán cụ thể cho mỗi lĩnh vực, mỗi Tương tác Vật lý và mỗi miễn tính toán được

thêm vô.