BẢNBÁOCÁO Chủ đề:“vật liệubándẫnpha tạp” Nhóm số 30: FireGoats. Ngày 13 tháng 09 năm 2011. Thành viên: - Trần Văn Sáng. - Hoàng Minh Tân. - Phạm Hùng Cường Báo cáo: vậtliệubándẫnphatạp Nhóm số 30: FireGoats Chapter: Mở đầu 2 Contents Mở đầu 3 I. Giới thiệu chung 4 II. Các loại bándẫnpha tạp: 4 1. Loại n( n- type semiconductor) và loại p( p-type semiconductor) 4 2. Các loại bándẫn khác 4 III. Chế tạo vậtliệubándẫnpha tạp: 4 1. Chế tạo vậtliệubándẫnphatạp 4 2. Phatạp trong vậtdẫn hữu cơ 7 IV. Kết luận: 7 Báo cáo: vậtliệubándẫnphatạp Nhóm số 30: FireGoats Chapter: Mở đầu 3 Mở đầu Những vật liệubándẫn nguyên chất không có khả năng dẫn điện cao vì sự hạn chế trong một vài tính chất của chúng. Đó là sự giới hạn của các điện tử tự do tại vùng dẫn (conduction band) và lỗ trống tại vùng hóa trị( valence band). Silic (hoặc Germani) nguyên chất cần được điều chỉnh sao cho số lượng electron và lỗ trống tăng lên, và làm tăng khả năng dẫn điện của chúng. Chính vì vậy các nhà khoa học đã nghiên cứu ra công nghệ chế tạo vậtliệubándẫnpha tạp( doped semiconductor). Bằng cách pha thêm các nguyên tố hóa học khác vào bándẫn nguyên chất, họ đã tạo ra hai loại vật liệubándẫn pha tạp loại n và loại p, một phần không thể thiếu trong hầu hết những thiết bị điện tử hiện nay. Báo cáo: vật liệubándẫn pha tạp Nhóm số 30: FireGoats Chapter: Giới thiệu chung 4 I. Giới thiệu chung Công dụng của vật liệubándẫn pha tạp bắt đầu được biết đến trong một số thiết bị điện tử như máy thu vô tuyến tinh thể và bộ chỉnh lưu selen. Công nghệ bándẫnphatạp được định hình và phát triển đầu tiên bởi John Woodyard. Ông đã làm việc tại công ty Sperry Gyroscope trong suốt chiến tranh thế giới thứ hai. Ngày nay, chúng ta có thể bắt gặp các vậtliệubándẫnphatạp ở hầu hết các thiết bị điện tử trên thế giới, từ chiếc đài thu thanh cho đến những con chip xử lý tinh vi nhất. II. Các loại bándẫnpha tạp: 1. Loại n( n- type semiconductor) và loại p( p-type semiconductor) Chất bándẫn loại p (hay dùng nghĩa tiếng Việt là bándẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive', nghĩa là dương). Chất bándẫn loại n (bán dẫn âm - Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính 2. Các loại bándẫn khác Chất bándẫn không suy biến: là chất có nồng độ hạt dẫn không cao, có tính chất giống như kim loại Bándẫn từ: sử dụng các hợp kim sắt từ. III. Chế tạo vậtliệubándẫnpha tạp: 1. Chế tạo vậtliệubándẫnphatạp Với các chất bándẫn thuộc nhóm IV như silic, germani và silic carbide( SiC), cách phatạp phổ biến nhất là phatạp các nguyên tố thuộc nhóm III và nhóm V. Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân loại tuần hoàn như As (Arsenic), Photpho (p), Antimon (Sb). Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, Còn dư lại một điện tử của As. Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hóa trị đều có năng lượng trong vùng hóa trị, trừ những điện tử thừa của As không tạo nối hóa trị có năng lượng ED Báo cáo: vật liệubándẫn pha tạp Nhóm số 30: FireGoats Chapter: Chế tạo vậtliệubándẫnpha tạp: 5 nằm trong vùng cấm và cách dẫy dẫn điện một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,05eV. Vậtliệuphatạp Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hóa trị bị gãy, ta có những lỗ trống trong vùng hóa trị và những điện tử trong vùng dẫn điện giống như trong trường hợp của các chất bándẫn thuần. Ngoài ra, các điện tử của As có năng lượng ED cũng nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử có năng lượng trong vùng dẫn điện. Vì thế ta có thể coi như hầu hết các nguyên tử As đều bị Ion hóa (vì khoảng năng lượng giữa ED và vùng dẫn điện rất nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lượng ED đều được tăng năng lượng để trở thành điện tử tự do. Dải dẫn điện và dải hóa trị Chất bándẫn loại N như trên có số điện tử trong vùng dẫn điện nhiều hơn số lỗ trống trong vùng hóa trị. Chất bándẫn loại P:Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, ta pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), nhôm Báo cáo: vậtliệubándẫnphatạp Nhóm số 30: FireGoats Chapter: Chế tạo vậtliệubándẫnpha tạp: 6 (Al), Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si kế cận tạo thành 3 nối hóa trị, còn một điện tử của Si có năng lượng trong vùng hóa trị không tạo một nối với Indium. Giữa In và Si này ta có một trang thái năng lượng trống có năng lượng EA nằm trong vùng cấm và cách vùng hóa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,08eV. Ở nhiệt độ thấp (T=00K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong vùng hóa trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong vùng hóa trị nhận năng lượng và vượt vùng cấm vào vùng dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vượt vùng cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng EA. Năng lượng theo nhiệt độ Báo cáo: vậtliệubándẫnphatạp Nhóm số 30: FireGoats Chapter: Kết luận: 7 Chất bándẫn loại P có số lỗ trống trong vùng hóa trị nhiều hơn số điện tử trong vùng dẫn điện. 2. Phatạp trong vậtdẫn hữu cơ Polymer dẫn có thể được phatạp bằng cách thêm các chất hóa học để oxy hóa hoặc khử các hệ thống mà các electron được đẩy vào các orbital dẫn trong đó hệ thống đã có sẵn khả năng dẫn điện. Có hai phương pháp phatạp chính một polyme dẫn điện, cả hai đều sử dụng quá trình oxy hóa khử. Phatạp hóa học bao gồm việc giải một polymer như melanin, thường là một màng mỏng, một chất oxy hóa chẳng hạn như Iod hoặc brom. Ngoài ra, polymer có thể được đưa qua một phản ứng khử, phương pháp này ít phổ biến hơn, thường sử dụng đến các kim loại kiềm. Phatạp điện sử dụng công đoạn ngắt polymer tráng, bằng các điện cực điện phân, trong đó polymer không hòa tan cùng với các điện cực. Hiệu điện thế giữa các điện cực sinh ra điện tích và các ion bứt phá thích hợp từ điện phân để xâm nhập vào các polymer dưới các hình thức bổ sung điện tử (n-doping) hoặc gỡ bỏ (p-doping). “Pha tạp loại n” (n-doping) ít phổ biến hơn bởi vì bầu khí quyển của trái đất giàu oxy, do đó chúng tạo ra một môi trường oxy hóa. Với một polymer giàu electron, phatạp kiểu n sẽ phản ứng ngay lập tức với oxy nguyên tử để giải phatạp (tức oxy hóa lại trạng thái trung tính) polymer đó. Như vậy, phatạp hóa học phải được thực hiện trong một môi trường khí trơ (ví dụ, argon). Phatạp điện là phổ biến hơn trong nghiên cứu, bởi vì nó dễ dàng hơn để khử ôxy từ một dung môi trong một bình kín. Tuy nhiên, nó không có nghĩa là polyme dẫnphatạp phù hợp với mục đích thương mại. IV. Kết luận: Nhìn chung, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta dùng những nguyên tố khác nhau để phatạp vào bándẫn nguyên chất. Ví dụ như Bo là sự lựa chọn trong sản xuất mạch tích hợp silic,photpho thường được sử dụng khi phatạp số lượng lớn để chế tạo vi mạch, trong khi đó asendùng để chế tạo mạch khuếch tán… Những vậtliệubándẫnphatạp nhiều thường có độ dẫn điện tốt và làm giảm nhiệt năng hao phí, được ứng dụng trong sensistor (nhiệt điện trở có hệ số điện trở dương). Bándẫn với độ phatạp thấp hơn được sử dụng trong những thermistor (nhiệt điện trở có hệ số điện trở âm). . loại bán dẫn khác 4 III. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp: 4 1. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp 4 2. Pha tạp trong vật dẫn hữu cơ 7 IV. Kết luận: 7 Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp: 1. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp Với các chất bán dẫn thuộc nhóm IV như silic, germani và silic carbide( SiC), cách pha tạp phổ biến nhất là pha tạp các. (In), Galium (Ga), nhôm Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp Nhóm số 30: FireGoats Chapter: Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp: 6 (Al), Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên