Giáo trình thiết bị điện tử bán dẫn

Giáo trình thiết bị điện tử bán dẫn, silicon, bjt, mạch tích hợp, mosfet, pnp, npn, hạt dẫn dư thừa, cấu hình electron, cấu trúc mạng tinh thể các hợp chất bán dẫn GaAs, . Giúp các bạn học tập tốt hơn

LOGO 1 THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ 2 Chƣơng 1: Đặc tính của tinh thể và sự nuôi cấy chất bán dẫn Chương 2: Nguyên tử và các electron Chương 3: Vùng năng lượng và phần tử mang điện trong chất bán dẫn Chương 4: Hạt dẫn dư thừa trong chất bán dẫn Chương 5: Lớp tiếp giáp (lớp chuyển tiếp – junction) Chương 6: Transistor trường Chương 7: Transistor tiếp giáp lưỡng cực Chương 8: Thiết bị quang Chương 9: Mạch tích hợp Chương 10: Linh kiện tần số và công suất cao 3 Chương 1: Đặc tính của tinh thể và sự nuôi cấy chất bán dẫn 1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN 1.2 MẠNG TINH THỂ 1.3 CẤY TINH THỂ KHỐI 1.4 PHƢƠNG PHÁP NUÔI CẤY EPITAXIA 4 1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN Chất bán dẫn là nhóm các chất có đặc tính dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Tính dẫn điện của những chất bán dẫn có thể thay đổi tùy thuộc vào sự thay đổi về: + Nhiệt độ + Ánh sáng kích thích + Nồng độ tạp chất Sự thay đổi tính chất điện này làm cho chất bán dẫn trở thành sự lựa chọn tự nhiên cho các nghiên cứu về thiết bị điện tử. 5 1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN Chất bán dẫn thuộc nhóm IV và những nhóm bên cạnh trong bảng tuần hoàn hóa học. a II III IV V VI Zn Cd B Al Ga In C Si Ge N P As Sb S Se Te b Cơ bản Hợp chất nhóm IV Hợp chất nhóm III-V Hợp chất nhóm II-VI Si Ge SiC SiGe AlP AlAs AlSb GaN GaP GaAs GaSb InP InAs InSb ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe Ge đƣợc sử dụng rộng rãi trong thời kỳ đầu phát triển chất bán dẫn cho transistor và diode Silic hiện nay đƣợc sử dụng chủ yếu để chế tạo các bộ chỉnh lƣu, transitor và các mạch tích hợp. hợp chất (binary) nhóm III-V như GaN, GaP, và GaAs được sử dụng phổ biến trong các diode phát quang (LED) . Ngoài ra, hợp chất ba nguyên tố (tenary) như GaAsP và hợp chất bốn nguyên tố (quaternary) như InGaAsP có thể nuôi cấy được nhằm cung cấp thêm sự linh hoạt khi lựa chọn nguyên liệu. Những nguyên liệu huỳnh quang như những nguyên liệu đươc sử dụng làm màn hình TV là những hợp chất bán dẫn của các nguyên tố nhóm II-IV ví dụ như ZnS 6 1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN  Một trong những đặc điểm quan trọng của chất bán dẫn để phân biệt nó với các chất dẫn điện và chất cách điện là độ rộng vùng cấm. Độ rộng vùng cấm quyết định độ dài sóng ánh sáng mà chất bán dẫn có thể phát hay hấp thụ được.  Ví dụ: Độ rộng vùng cấm của GaAs là 1,43 eV tương ứng với bước sóng ánh sáng cận hồng ngoại. GaP có độ rộng vùng cấm khoảng 2,3eV tương ứng với bước sóng ánh sáng xanh của quang phổ.  Nhờ sự phong phú về độ rộng vùng cấm của các chất bán dẫn, đi ốt phát quang và laser bán dẫn có thể được tạo ra với các bước sóng trong một dải rộng gồm vùng hồng ngoại và vùng quang phổ nhìn thấy. 7 1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN Đặc tính điện tử và quang học của chất bán dẫn bị ảnh hưởng rất lớn bởi những tạp chất được bổ sung với số lượng có thể điều khiển chính xác. Quá trình pha thêm (có kiểm soát) những tạp chất này được gọi là pha tạp (doping) Ví dụ: với tỷ lệ tạp chất 1/1 triệu có thể thay đổi một mẫu Si từ một chất dẫn điện kém thành chất dẫn điện mạnh. Để có thể nghiên cứu được những đặc tính của chất bán dẫn, chúng ta cần phải hiểu được sự sắp xếp nguyên tử của những nguyên tố bán dẫn. 8 1.2 Mạng tinh thể  Trong phần này trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu sự sắp xếp nguyên tử trong các chất rắn khác nhau.  Phân biệt dạng đơn tinh thể với các dạng tinh thể khác của nguyên tố và sau đó tìm hiểu về tính tuần hoàn của mạng tinh thể. Những thuật ngữ tinh thể học quan trọng sẽ được định nghĩa và minh hoạ liên hệ tới những tinh thể có cấu trúc lập phương cơ bản. Những khái niệm này sẽ cho phép chúng ta xem xét các mặt và hướng trong phạm vi mạng tinh thể.  Cuối cùng chúng ta sẽ tìm hiểu dạng tinh thể cấu trúc kim cương, cấu trúc này với một số dạng mở rộng là điển hình cho phần lớn các chất bán dẫn được sử dụng trong các linh kiện điện tử. 9 Vật liệu kết tinh: Các nguyên tử sắp xếp tuần hoàn trong không gian Vật liệu vô định hình: Các nguyên tử sắp xếp không tuần hoàn trong không gian Phân loại chất rắn 10  Pha rắn được hình thành khi lực hút giữa các nguyên tử hoặc các phân tử đủ mạnh để thắng được các lực phân ly (do nhiệt, do cơ học,…)  Trong chất rắn, các nguyên tử hoặc phân tử có khuynh hướng sắp xếp để đạt độ trật tự cao (đối xứng)  Tùy thuộc bản chất của lực liên kết giữa các nguyên tử, các chất rắn có thể chia thành : * tinh thể ion ( NaCl, CaF 2 ) * tinh thể cộng hóa trò ( kim cương) * tinh thể kim loại ( Fe, K) * tinh thể Van der Waals (nước đá, He rắn ) [...]... 33 1.3 CẤY TINH THỂ KHỐI Sự phát triển của cơng nghệ linh kiện bán dẫn kể từ khi phát minh ra transistor năm 1948 khơng chỉ phụ thuộc vào sự phát triển của nhu cầu thiết bị mà còn phụ thuộc vào sự phát triển của vật liệu bán dẫn Những u cầu đối với việc phát triển các tinh thể bán dẫn chặt chẽ hơn so với các ngun liệu khác Chất bán dẫn khơng chỉ phải tồn tại trong các đơn tinh thể lớn mà độ tinh... tính điện 15 1.2.2 Mạng tinh thể lập phƣơng SC BCC FCC 16  Các nguyên tử ở những vò trí khác nhau trong ô mạng được chia sẻ bởi những ô mạng liền kề + Nguyên tử ở góc thuộc về 8 ô mạng khác nhau (mỗi ô mạng chứa 1/8 nguyên tử) + Nguyên tử nằm trên mỗi cạnh thuộc về 4 ô mạng khác nhau (mỗi ô mạng chứa 1/4 nguyên tử) + Nguyên tử nằm trên mỗi mặt thuộc về 2 ô mạng khác nhau (mỗi ô mạng chứa 1/2 nguyên tử) ... nhiều chất bán dẫn quan trọng là mạng tinh thể lập phương tâm diện với cơ sở là hai ngun tử, từ đó tạo nên cấu trúc mạng kim cương và đặc thù kim cương ở Si, Ge và C ở dạng thù hình kim cương Trong nhiều hợp chất bán dẫn, các ngun tử được sắp xếp theo một cấu trúc kim cương cơ bản nhưng khác nhau ở các vị trí xen kẽ  Cấu trúc kim cương có thể được coi là mạng lập phương tâm diện với một ngun tử phụ tại... các ngun tử Ga và các mạng thứ cấp lồng trong nó được tạo bởi ngun tử As thì ta sẽ có cấu trúc kẽm pha GaAs Hầu hết hợp chất bán dẫn đều có cấu trúc dạng này, bên cạnh đó có một số hợp chất của nhóm II-VI được sắp xếp theo cấu trúc hơi khác gọi là mạng tinh thể lục giác wurtzite 31 Ví dụ  Tính mật độ thể tích của các ngun tử Si (ngun tử/ cm3), biết hằng số mạng của Si là 5,43 Tính mật độ ngun tử thực... các ngun tử gần nhau nhất với các ngun tử gần nhau nhất tiếp theo để tính tốn các lực liên kết mạng tinh thể, có thể xem xét tỉ lệ thể tích ơ đơn vị được lấp trống bởi các ngun tử và liên hệ khối lượng riêng của chất rắn với sự sắp xếp ngun tử Nhưng quan trọng cả đó là những đặc điểm của mạng tinh thể tuần hồn quyết định các mức năng lượng cho phép của các electron tham gia vào q trình dẫn điện Do đó... MGS này đủ sạch để dùng cho các ứng dụng luyện kim nhưng nó khơng đủ tinh khiết để dùng cho các ứng dụng điện tử và hơn nữa nó khơng phải là đơn tinh thể  MGS sẽ được làm sạch hơn để đạt đến mức độ bán dẫn hoặc Si mức độ điện tử (EGS) với tỉ lệ tạp chất giảm xuống chỉ còn tính trên một tỷ phân tử ppb (1ppb = 5x1013cm-3) nhưng vẫn ở dạng đa tinh thể 35 1.3.2 Phương pháp ni cấy khối đơn tỉnh thể ... điểm a/4 + b/4 + c/4 từ mỗi ngun tử của mạng (a) một ơ đơn vị của mạng kim cƣơng đƣợc hình thành bằng cách đặt các ngun tử tại toạ độ ¼, ¼, ¼ từ mỗi ngun tử trong khối lập phƣơng tâm mặt; (b) một mạng kim cƣơng mở rộng nhìn từ trên xuống (theo hƣớng ) 30 Mạng kim cương  Trong trường hợp các ngun tử giống hệt nhau, chúng ta gọi đó là mạng kim cương  Nếu các ngun tử khác nhau thì đó là cấu trúc... thể (polycrystal) : các nguyên tử sắp xếp trật tự gồm các đơn tinh thể kích trong toàn bộ không gian thước nhỏ đònh hướng (trật tự xa) ngẫu nhiên 12 Cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp của các nguyên tử hoặc phân tử trong tinh thể Mật độ sắp xếp của các hệ có trật tự 13 không gian là sự phát triển khung tinh thể trong không gian ba chiều, trong đó các nguyên tử (hoặc phân tử) được nối với nhau bằng các... hiện nay được sử dụng trong các chất bán dẫn được ni cấy với tỷ lệ tạp chất khơng vượt q 1/10 tỷ 34 1.3.1 Những vật liệu ban đầu  Hợp chất ban đầu để tạo Si là SiO2 Qua phản ứng: SiO2 + C  Si + 2CO  Phản ứng này tạo ra Si luyện kim cấp (MGS) chứa các tạp chất như Fe, Al và các kim loại nặng với tỉ lệ vài trăm tới vài nghìn ngun tử tạp chất trên 1 triệu phân tử (ppm) MGS này đủ sạch để dùng cho... của Si là 5,43 Tính mật độ ngun tử thực (ngun tử/ cm3) trên mặt (100)  Giải  Trên mặt (100) chúng ta có 4 ngun tử tại các đỉnh và 1 mặt tâm 1 4x  1  Mặt (100) : = 6,8 x 1014 cm-2 4 (5, 43x10-8 )(5, 43x108 )  Đối với Si, chúng ta có 8 điểm góc mạng, 6 điểm tâm mặt và 2 điểm cơ sở  Số ngun tử trên một khối = (8 x 1/8 + 1/2 x 6)x2 = 8 8  Một độ ngun tử = = 5,00 x 1022 cm-3 (5, 43x108 )3 32 Mạng