Vật liệu và linh kiện bán dẫn Các loại vật liệu bán dẫn

LOGO Môn: Vật liệu linh kiện bán dẫn GV: Th.S La Phan Phương Hạ CÁC LOẠI VẬT LIỆU BÁN DẪN Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow The important thing is not to stop questioning A.Einsteins Nhóm thực hiện:  Lê Thị Phương Thùy  Dương Thị Hà Trang  Nguyễn Thanh Hương  Nguyễn Thị Cẩm Nhã Mở đầu Sợ lược bán dẫn Bán dẫn hữu Bán dẫn oxit kim loại Bán dẫn từ Bán dẫn hợp chất vô I Sơ lược  Chất bán dẫn chất có độ dẫn điện nằm chất dẫn điện điện môi 10 10    10 10 ( m ) 1 1  Độ dẫn điện chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào yếu tố bên nhiệt độ, điện trường, tạp chất, quang…  Việc pha tạp chất vào chất bán dẫn tinh khiết làm thay đổi độ dẫn chất bán dẫn www.themegallery.com II Chất bán dẫn hữu II.1 Giới thiệu  1975, tiến sĩ Shirakawa tổng hợp PA dạng phim màu bạc  1976, giáo sư Alan MacDiarmid Alan Heeger cho khí Iot hấp thụ vào phim PA  tăng độ dẫn điện lên tỷ lần  2000, Shirakawa, MacDiarmid Heeger nhận giải Nobel hóa học cho khám phá phát triển polymer dẫn điện Hình: cấu trúc polymer dẫn điện (bán dẫn hữu cơ) quan trọng II.2 Doping Doping trình đưa thêm số tạp chất (dopant) hay tạo số sai hỏng Có tác dụng bù điện tích cho chuỗi polymer trì trang thái cân II.2 Doping Các phương pháp doping:  Phương pháp hóa học (chemical doping)  Phương pháp điện hóa (electrochemical doping)  Độ dẫn điện cố định  Phương pháp kích thích quang học (photo – doping by photo – excitation)  Chỉ kéo dài thời gian kích thích  Phương pháp phun điện tích qua cấu trúc kim loại – điện môi – bán dẫn (MIS) II.3 Đặc điểm Những nối carbon liên hợp – C = C – C = C – Sự có mặt dopant (iot, clo, hơp chất vô cơ,…) Polymer trở nên dẫn điện V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰𝑰 𝑽 𝑨 𝑩  Liên kết hóa học: bán dẫn nguyên tố nhóm IV liên kết đồng hóa trị  Liên kết thực đơi điện tử có spin ngược chiều nhau, phân bố khoảng nguyên tử, đóng vai trò “cầu điện tử” nối nguyên tử  Ngoài ra, cấu trúc Z W có chế liên kết khác liên kết dị thể (heteropolar), liên kết ion V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰𝑰 𝑽 𝑨 𝑩  Cấu trúc vùng lượng: giống với cấu trúc vùng lượng chất bán dẫn thuộc nhóm IV Si, Ge Vùng dẫn vùng hóa trị gồm vùng chồng lên  Cấu trúc Z có điểm đặc biệt: Mặt đẳng lân cận cực đại vùng hóa trị cự tiểu vùng dẫn mặt cầu Trong vùng hóa trị có nhánh ứng với lỗ trống nặng, lỗ trống nhẹ, lỗ trống trung bình Trong nhánh lỗ trống trung bình nằm tâm vùng Brillouin Các chất 𝐴𝐼𝐼𝐼 𝐵𝑉 có vùng cấm thẳng GaAs, InSb… vùng cấm xiên AlP, GaP, AlSb Khối lượng hiệu dụng thường nhỏ đại lượng vô hướng V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰𝑰 𝑽 𝑨 𝑩 V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰𝑰 𝑽 𝑨 𝑩 Dung dịch rắn hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼 𝐵𝑉 : để tạo thành dung dịch rắn thơng thường chất hòa tan chất bị hòa tan phải có tính chất sau: Kích thước ngun tử chất hòa tan chất bị hòa tan tương đối gần Sự khác bán kính nguyên tử khơng q ±15 Chất hòa tan chất bị hòa tan có loại cấu trúc tinh thể Về phương diện điện hóa, chất hòa tan chất bọ hòa tan phải có tương đồng Thơng thường kim loại thường có xu hướng hòa tan mạnh kim loại có hóa trị lớn so với kim loại có hóa trị nhỏ V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰𝑰 𝑽 𝑨 𝑩 Tính chất : Tính chất động: dặc trưng tính chất động độ linh động hạt dẫn Tính chất quang: bề rộng vùng cấm chất 𝐴𝐼𝐼𝐼 𝐵𝑉 từ 0,17eV đến 3,44 eV V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰𝑰 𝑽 𝑨 𝑩 Ứng dụng : • Chế tạo linh kiện quang điện tử: LED, diode laser, photo-ditector, linh kiện điện tử hoạt động nhanh… • Chế tạo linh kiện công suất cao hoạt động nhiệt độ cao • Cho phép thiết kế vật liệu bán dẫn vùng cấm thẳng kéo dài từ vùng khả kiến tới vùng tử ngoại V.2 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰 𝑽𝑰 𝑨 𝑩  Định nghĩa : hợp chất cấu tạo từ nguyên tố nhóm II nguyên tố nhóm VI  Tuy nhiên xét nguyên tố thuộc nhóm IIB (Zn, Cd, Hg) nhóm VIB (O, S, Se, Te) V.2 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰 𝑽𝑰 𝑨 𝑩  Cấu trúc tinh thể: lập phương giả kẽm Z lục giác W, có xếp đặc trưng tứ diện nhóm nguyên tố nhóm IV  Trong cấu trúc giả kẽm, có phân tử ZnS có toạ độ : V.2 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰 𝑽𝑰 𝑨 𝑩 Trong cấu trúc Z, có phân tử có tọa độ V.2 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰 𝑽𝑰 𝑨 𝑩  Liên kết hóa học: hợp chất có cấu trúc tứ diện nguyên tử cạnh có tổng số điện tử hóa trị 8, tức số điện tử trung bình giống Si hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼 𝐵𝑉 Do người ta giả thiết liên kết hóa học hợp chất 𝑨𝑰𝑰 𝑩𝑽𝑰 phần liên kết đồng hóa trị phần liên kết ion  Điện tích hiệu dụng e* đặc trưng cho liên kết hóa học, điện tích hiệu dụng lớn thành phần ion liên kết lớn Điện tích hiệu dụng Si V.2 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰 𝑽𝑰 𝑨 𝑩  Cấu trúc vùng lượng :Với tinh thể giả kẽm vùng Brillouin có dạng khối 14 mặt Với tinh thể loại lục giác vùng Brillouin có dạng khối lăng trụ mặt  Với cấu trúc giả kẽm : Vùng cấm có xu hướng rộng theo chiều hướng từ nguyên tố nhóm IV𝐴𝐼𝐼𝐼 𝐵𝑉 𝐴𝐼𝐼 𝐵𝑉𝐼 Trạng thái thấp vùng dẫn điểm đối xứng, có chiều hướng trạng thái s Đối với chất 𝐴𝐼𝐼 𝐵𝑉𝐼 có xu hướng có vùng cấm thẳng với cực trị K=0 V.2 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰 𝑽𝑰 𝑨 𝑩 Tính chất :  Các hợp chất kim loại Zn Cd với nguyên tố S, Se, Te có tính chất điện tử quang học quan trọng Chúng dễ dàng tạo thành dunh dịch rắn liên tục, “điều chỉnh” nhiều tính chất khác  Các hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼 𝐵𝑉 phổ biến có tính dẫn loại n, trừ ZnTe bán dẫn loại p  Bán dẫn hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼 𝐵𝑉 thường có hiệu suất phát xạ hay hấp thụ sóng điện từ cao Vì mà chúng có tính chất quang quan trọng, V.2 Bán dẫn hợp chất 𝑰𝑰 𝑽𝑰 𝑨 𝑩 Ứng dụng :  Sử dụng để chế tạo màu huỳnh quang thiết bị hiển thị  Chế tạo photodetector sở hệ 𝐻𝑔1−𝑥 𝐶𝑑𝑥 Te  Chế tạo cửa sổ bảo vệ tế bào quang điện, detector hạt nhân (CdTe)  Chế tạo pin mặt trời từ vật liệu CdS, CdTe  Chế tạo diode phát quang sóng ngắn, hệ quang-điện tử tích hợp với silic GaAs… LOGO Imagination is more important than knowledge A.Einstein ... tế bào quang điện, pin mặt trời III Chất bán dẫn oxit kim loại Giới thiệu  Các oxit bán dẫn vật liệu mà hạt kim loại chuyển đổi qua lại tương đối dễ dàng hai trạng thái hóa trị Điều hai trạng... kết tinh cấu trúc Rocksalt với điều kiện áp suất khoảng 10GPa ZnO Tính chất  ZnO xếp vào loại vật liệu mềm, độ cứng vào khoảng 4.5  ZnO có khả dẫn nhiệt chịu nhiệt tốt, bị giãn nở nhiệt, nhiệt... SnO2 Tính chất SnO2  SnO2 có màu trắng, khó nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy 11270C) SnO2 loại vật liệu bán dẫn pha từ lỗng thể tính sắt từ nhiệt độ phòng  SnO2 biết đến bán dẫn loại n  Màng