báo cáo vật liệu bán dẫn pha tạp

Nhóm số 30: FireGoats 3 Mở đầu Những vật liệu bán dẫn nguyên chất không có khả năng dẫn điện cao vì sự hạn chế trong một vài tính chất của chúng.. Bằng cách pha thêm các nguyên tố hóa h

BẢN BÁO CÁO

Chủ đề:“vật liệu bán dẫn pha tạp”

Nhóm số 30: FireGoats

Ngày 13 tháng 09 năm 2011

Thành viên:

- Trần Văn Sáng

- Hoàng Minh Tân

- Phạm Hùng Cường

Nhóm số 30: FireGoats

2

Contents

Mở đầu 3

I Giới thiệu chung 4

II Các loại bán dẫn pha tạp: 4

1 Loại n( n- type semiconductor) và loại p( p-type semiconductor) 4

2 Các 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

Nhóm số 30: FireGoats

3

Mở đầu

Những vật liệu bán dẫn 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 vật liệu bán dẫn pha tạp( doped semiconductor) Bằng cách pha thêm các nguyên tố hóa học khác vào bán dẫn nguyên chất, họ đã tạo ra hai loại vật liệu bán dẫn pha tạp loại n và loại p, một phần không thể thiếu trong hầu hết những thiết bị điện tử hiện nay

Nhóm số 30: FireGoats

4

I Giới thiệu chung

Công dụng của vật liệu bán dẫn 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 bán dẫn pha tạp 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 vật liệu bán dẫn pha tạp 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 bán dẫn pha tạp:

1 Loại n( n- type semiconductor) và loại p( p-type semiconductor)

 Chất bán dẫn loại p (hay dùng nghĩa tiếng Việt là bán dẫn 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 bán dẫn 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 bán dẫn khác

 Chất bán dẫn không suy biến: là chất có nồng độ hạt dẫn không cao,

có tính chất giống như kim loại

 Bán dẫn từ: sử dụng các hợp kim sắt từ

III 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 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

Nhóm số 30: FireGoats

5

nằm trong vùng cấm và cách dẫy dẫn điện một khoảng năng lượng nhỏ

chừng 0,05eV

Vật liệu pha tạp

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 bán dẫn 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 bán dẫn loại N như trên có số điện tử trong vùng dẫn điện nhiều hơn số

lỗ trống trong vùng hóa trị

Chất bán dẫn 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

Nhóm số 30: FireGoats

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

Nhóm số 30: FireGoats

7

Chất bán dẫn loại P có số lỗ trống trong vùng hóa trị nhiều hơn số điện tử trong vùng dẫn điện

2 Pha tạp trong vật dẫn hữu cơ

Polymer dẫn có thể được pha tạp 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 pha tạp chính một polyme dẫn điện, cả hai đều sử dụng quá trình oxy hóa khử

 Pha tạp 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

 Pha tạp 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, pha tạp kiểu n sẽ phản ứng ngay lập tức với oxy nguyên tử để giải pha tạp (tức oxy hóa lại trạng thái trung tính) polymer đó Như vậy, pha tạp hóa học phải được thực hiện trong một môi trường khí trơ (ví dụ, argon) Pha tạp 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 dẫn pha tạp 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 pha tạp vào bán dẫn nguyên chất Ví dụ như Bo là sự lựa chọn trong sản xuất mạch tích hợp silic,photpho thường được sử dụng khi pha tạp

số lượng lớn để chế tạo vi mạch, trong khi đó asendùng để chế tạo mạch khuếch tán…

Những vật liệu bán dẫn pha tạp 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) Bán dẫn với độ pha tạp thấp hơn được sử dụng trong những thermistor (nhiệt điện trở có hệ số điện trở âm)