chủ đề vật liệu bán dẫn

LỜI NÓI ĐẦUCó lẽ các bạn đã quá quen với tên gọi chất bán dẫn, vật liệu bán dẫn nhưng vẫn chưa hiểu được đây là loại chất gì và nó có tác dụng ra sao với cuộc sống hiện nay, đặc biệt là

Chủ đề 2 : VẬT LIỆU BÁN DẪN

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Huỳnh Nga Lớp:

Phần I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1 Khái niệm 1

2 Tầm quan trọng của vật liệu bán dẫn 1

Phần II: NỘI DUNG 2

1 Cấu tạo của chất bán dẫn 2

2 Tính chất cơ bản của chất bán dẫn 3

2.1 Độ dẫn điện chất bán dẫn 3

2.2 Hiệu ứng trường 3

2.3 Vùng năng lượng trong chất bán dẫn 3

2.4 Dòng điện trong chất bán dẫn 4

3 Phân loại vật liệu bán dẫn 6

3.1 Bán dẫn hợp chất hóa học: 7

3.2 Vật liệu bán dẫn tinh khiết 7

3.3 Vật liệu bán dẫn có tạp chất 8

4 Công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn 9

4.1 Tổng quan về công nghệ chế tạo đơn tinh thể 9

4.2 Quy trình chế tạo phiến bán dẫn silic 10

4.3 Phương pháp kéo đơn tinh thể czochralski 12

4.4 Phương pháp kết tinh định hướng Bridgman 14

4.5 Phương pháp nóng chảy vùng 15

4.6 Phương pháp kết tinh từ dung dịch 16

4.7 Phương pháp nuôi đơn tinh thể từ pha hơi 17

4.8 Công nghệ Epitaxy 17

5 Ứng dụng 18

5.1 Diode 19

5.2 Transistor 20

5.3 Quang điện tử (LED) 21

5.4 IC (Vi mạch tổ hợp)[] 23

Phần III: KẾT LUẬN 23

LỜI NÓI ĐẦU

Có lẽ các bạn đã quá quen với tên gọi chất bán dẫn, vật liệu bán dẫn nhưng vẫn chưa hiểu được đây là loại chất gì và nó có tác dụng ra sao với cuộc sống hiện nay, đặc biệt là trong các thiết bị điện, cách người ta chế tạo nó như thế nào, bài seminar của nhóm 2 sẽ giúp các bạn hiểu được một phần về chất bán dẫn và vật liệu bán dẫn

Phần I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1 Khái niệm

Chất bán dẫn (Semiconductor) là một chất điện môi (Cách điện) mà ở trạng thái

cân bằng nhiệt, một phần các hạt tải điện có khả năng chuyển động tự do Tại nhiệt độ không tuyệt đối, các tinh thể tinh khiết và hoàn hảo của phần lớn các chất bán dẫn đều là cácchất cách điện Các tính chất bán dẫn đặc trưng được tạo nên thường do các nguyên nhân như sau:

- Kích thích nhiệt

- Các tạp chất lạ

- Các sai hỏng mạng hoặc không hợp thức (khác với thành phần hóa học quy định)

Thực tế các chất bán dẫn là các chất dẫn điện điện tử, mà điện trở của nó ở nhiệt độ phòng khoảng 10-2 -> 109 Ωcm, tức là nằm giữa giá trị điện trở của các kim loại (Chất dẫn điện tốt): 10-6 -> 10-2 Ωcm và các chất điện môi: 1010-1022 Ωcm Điện trở của các chất bán dẫn thường phụ thuộc vào nhiệt độ

Một số thiết bị hoạt động vào các tính chất bán dẫn như transistor, chỉnh lưu, các bộ biến điệu (modulator), bộ tách sóng (detector), điện trở nhiệt (termistor), tế bào quang điện,v.v [1]

2 Tầm quan trọng của vật liệu bán dẫn

Các thiết bị bán dẫn mang lại một loạt các tính chất hữu ích như có thể điều chỉnh chiều và đường đi của dòng điện theo một hướng khác, thay đổi điện trở nhờ ánh sáng hoặc nhiệt Vì các thiết bị bán dẫn có thể thay đổi tính chất thông qua tạp chất hay ánh sáng hoặc nhiệt, nênchúng thường được dùng để mở rộng, đóng ngắn mạch điện hay chuyển đổi năng lượng.Quan điểm hiện đại người ta dùng vật lý lượng tử để giải thích các tính chất bán dẫn thông qua sự chuyển động của các hạt mang điện tích trong cấu trúc tinh thể.[2] Tạp chất làm thayđổi đáng kể tính chất này của chất bán dẫn Nếu người ta pha tạp chất và tạo ra nhiều lỗ trống hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại p, ngược lại nếu tạo ra nhiều electron chuyển động tự do hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại n Việc pha tỷ lệ chính xác các tạp chất đồng thời kết hợp các loại chất bán dẫn p-n với nhau ta có thể tạo ra các linh kiện điện tử với tỷ lệ hoạt động chính xác cực cao

Nguyên tố silicon, germani và các hợp chất của gallium được sử dụng rộng rãi nhất làm chấtbán dẫn trong các linh kiện điện tử.[3]

Ứng dụng thực tế đầu tiên của chất bán dẫn là vào năm 1904 với máy Cat's-whisker detector(tạm dịch là "máy dò râu mèo") với một diode bán dẫn tinh khiết Sau đó nhờ việc phát triểncủa thuyết vật lý lượng tử người ta đã tạo ra bóng bán dẫn năm 1947 và mạch tích hợp đầu tiên năm 1958.[4]

Khoa học vật liệu hiện đại đã phát hiện ra chất bán dẫn hữu cơ và nó đang có được những ứng dụng bước đầu, đó là điốt phát quang hữu cơ (OLED), pin mặt trời hữu cơ (Organic solar cell) và transistor trường hữu cơ (OFET).

Phần II: NỘI DUNG

1 Cấu tạo của chất bán dẫn

Chất bán dẫn chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tử có 4 electron lớp ngoài trong cấu trúc nguyên tử của chúng Như vậy, về bản chất, các chất bán dẫn có 4 electron lớp ngoài cùng

mà đặc trưng là 2 chất bán dẫn Ge và Si

Ở dạng rắn, các nguyên tử cấu tạo nên chất bán dẫn được sắp xếp theo một cấu trúc có thứ

tự mà chúng ta gọi là dạng tinh thể Mỗi nguyên tử chia sẻ các electron của chúng với cácnguyên tử ngay cạnh để tạo nên một cấu trúc bên vững có 8 electron lớp ngoài cho nguyên

tử nằm tại vị trí trung tâm Như vậy, mỗi nguyên tử xung quanh nguyên tử trung tâm sẽ chia

sẻ 1 electron với nguyên tử trung tâm để tạo thành một cấu trúc bền vững có 8 electron lớpngoài (đối với nguyên tử trung tâm) Như vậy có thể nói, liên kết giữa nguyên tử trung tâmvới 4 nguyên tử xung quanh sẽ dựa trên chủ yếu 4 liên kết hóa trị Dưới tác dụng của nhiệt,các nguyên tử sẽ tạo ra các dao động xung quanh vị trí cân bằng và tại một giá trị xác địnhnào đó, nhiệt độ có thể phá vỡ các liên kết hóa trị và tạo ra các electron tự do Tại vị trí củacác electron tự do vừa bứt ra sẽ thiếu 1 electron và trở thành các lỗ trống Lỗ trống này có

xu hướng nhận thêm 1 electron [5]

2.2

Hiệu ứng trường

Khi kết hợp hai lớp p-n với nhau điều này dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếpxúc p-n Các điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và ngược lại các lỗ trống lớp p chuyển sanglớp n do quá trình trung hòa về điện Một sản phẩm của quá trình này là làm ion tích điện,tạo ra một điện trường

2.3

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng nănglượng Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn(các trạng thái dừng) Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhauthành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng nănglượng và sẽ có ba vùng chính, đó là:

Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn Vùng hóatrị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống nănglượng

Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được

lấp đầy, trong khi vùng dẫntrống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng.

 Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang nănglượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

 Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện

tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, cónghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tínhdẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng

 Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không

có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bándẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp).Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm,hay năng lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ

mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giảimột cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

 Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đóluôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.

 Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở không độ tuyệt đối (0

⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùnghóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽnhận được năng lượng nhiệt ({\displaystyle k_{B}.T}  với {\displaystylek_{B}}  là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tửvượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủcao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và

nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện Khi nhiệt độ càng tănglên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chấtbán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Mộtcách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độnhư sau:

R¿R0 exp ( ∆ E g

2k B T)

với: R0 là hằng số,  ∆ E glà độ rộng vùng cấm Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thayđổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng Khi chiếu sáng, các điện tử sẽhấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn Đâychính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụngcủa ánh sáng (quang-bán dẫn)

2.4 Dòng điện trong chất bán dẫn [7]

Bán dẫn tinh khiết Si (silic) Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết các

nguyên tử Si khác tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện nhiệt độ thấp

Mô hình liên kết của các nguyên tử Silic Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ngoài cùng tham

gia vào liên kết với các nguyên tử Si ở bên cạnh Ở điều kiện nhiệt độ thấp xung quanh mỗinguyên tử Si ở lớp ngoài cùng có 8 electron => Si không dẫn điện vì không có hạt tải điệnchuyển động cho dù được đặt trong điện trường

Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa các nguyên tử Si có thể bị phá vỡ vì chuyển động nhiệt,electron có thể tách khỏi liên kết để tạo thành electron tự do Electron thoát khỏi liên kết “rađi” để lại một khoảng trống trong liên kết giữa các phân tử Si (gọi tắt là lỗ trống)

Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa các nguyên tử Si kém bền vững e có thể thoát ra tạo thànhelectron tự do đồng thời tạo ra lỗ trống

Dòng điện trong chất bán dẫn

Nếu nhiều liên kết bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao sẽ có nhiều electron tự do và lỗ trống đượctạo ra Trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do có thể chuyển độngđến vị trí của lỗ trống lấp đầy nó tạo ra liên kết mới khiến các lỗ trống mới được tạo ra ở các

vị trí khác nhau trong liên kết của các nguyên tử Si, hay nói cách khác electron tự do chuyểnđộng cũng làm cho các lỗ trống này chuyển động theo

Khi một electron đến lấp đầy lỗ trống => liên kết mới được hình thành không tạo ra bất kỳđiện tích dư thừa nào giống như e + (-e) =0 => các nhà vật lí học coi lỗ trống có điện tích làq=-e=+1,6.10-19C có tính chất giống như một hạt mang điện dương.Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu chất bán dẫn các electron và lỗ trống sẽ chuyểnđộng thành dòng ngược chiều nhau tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn

3 Phân loại vật liệu bán dẫn

Bán dẫn là nhóm vật liệu cực kì đa dạng Nó có hàng trăm nguyên tố và vật chất khácnhau Bán dẫn có thể là vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ, tinh thể, vật chất không định hình, chấtrắn, lỏng, có từ tính, hoặc không từ tính Mặc dù có sự khác biệt cơ bản về cấu tạo và thànhphần hóa học nhưng loại vật liệu này có tính chất rất đặc biệt là khả năng thay đổi tính chấtdưới tác động của năng lượng bên ngoài

Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia ra bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hóa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm) Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ trường

và bán dẫn lỏng Tất cả có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản

3.1 Bán dẫn hợp chất hóa học:

Là hợp chất của các nguyên tố thuộc các nhóm khác nhau trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđêlêev tương ứng với dạng tổng quát A IV B IV (SiC) A III BV (InSb,GaAs) và một

số chất có thành phần phức tạp.(Các vật liệu bán dẫn liên kết như GaAs, ký hiệu chung

AIIIBV, chỉ sự liên kết của nguyên tố có hoá trị III là Ga với nguyên tố có hóa trị V là As )

Ví dụ : GaAs, AlAs, CdS …

GaAs có cấu trúc tinh thể sfalerit ô cơ bản có 2 nguyên tử Trong đó 1 là Ga, còn 1 là As Bốn nguyên tử As bao quanh 1 nguyên tử Gali, 4 nguyên tử Ga bao quanh 1 nguyên tử Asen

( Nếu 2 nguyên tử trong ô cơ bản khác nhau thì cấu trúc gọi là cấu trúc Sfalerit )

3.2 Vật liệu bán dẫn tinh khiết

là vật liệu bán dẫn có thể bỏ qua ảnh hưởng của tạp chất trong nó Trong vật liệu bán dẫn tinh khiết có bao nhiêu electron tự do thì có bấy nhiêu lỗ trống.Ví dụ : Silic , Ge…

3.3 Vật liệu bán dẫn có tạp chất

Để tăng điện dẫn suất của Silic, Germani người ta cho vào nguyên tố khác có hóa trị III hoặc V Nguyên tố này gọi là tạp chất, coi như là chất kích thích với số lượng rất nhỏ Tùy theo loại điện tích nào (âm hay dương) mà vật liệu bán dẫn có tạp chất được phân loại

là loại n hay p

+ Vật liệu bán dẫn loại n

Nếu cho vào Silic (hoặc Germani) một số lượng của nguyên tố có hóa trị V, ví dụ Antimony (Sb) Nguyên tử Sb có 5 electron hóa trị, sẽ thay thế nguyên tử Silic, nó liên kết với 4 nguyên tử Silic gần nhất bằng cách trao 4 electron Còn 1 electron dư, gần như được

tự do chuyển động xung quanh lõi mang điện tích dương của nguyên tử Silic với bán kính của quĩ đạo rất lớn

dẫn loại p

Vật liệu bándẫn tinh khiếtnếu pha tạpchất nhóm IIInhư B, Al, In…

electron của các liên kết hoàn chỉnh bên cạnh thế vào Tạp chất bị ion hóa thành âm, còn ở mối liên kết mà electron đi khỏi sẽ xuất hiện một điện tích dương tức một lỗ hổng Vậy tạp chất đã làm tăng mật độ lỗ trống mà không làm tăng mật độ điện tử Tạp chất nhóm III làm tăng mật độ lỗ trống được gọi là tạp chất nhận và bán dẫn gọi là bán dẫn loại p, nó tạo ra mức nhận Wa nằm sát bờ trên của vùng hóa trị.[8]

4 Công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn [9]

Vật liệu điện tử dưới dạng đơn tinh thể thường là vật liệu bán dẫn và một số điện môi, vìvậy trong bài này nhóm chủ yếu giới thiệu công nghệ chế tạo đơn tinh thể

4.1 Tổng quan về công nghệ chế tạo đơn tinh thể

Vật liệu bán dẫn dạng đơn tinh thể cần hiết phải hoàn hảo về mặt cấu trúc tinh thể vàtinh khiết về mặt thành phần hóa học, mặc dù người ta cần những đơn tinh thể có chứa một

số tạp chất nhất định Vì vậy, công nghệ chế tạo đơn tinh thể bao gồm:

- Công đoạn chế tạo, làm sạch nguyên liệu ban đầu

- Công đoạn nuôi đơn tinh thể

- Công đoạn làm sạch, pha tạp chất

4.2 Quy trình chế tạo phiến bán dẫn silic

Phiến bán dẫn

Cưa, cắt, mài, đánh bóngNuôi đơn tinh thểTinh thể cát khử tạp chất

Đơn tinh thể bán dẫn

Đa tinh thể bán dẫn

Vật liệu ban đầu

Một số nét cơ bản cần phải biết khi tiến hành điều chế đơn tinh thể (còn gọi là nuôiđơn tinh thể):

- Sự có mặt chất bẩn ảnh hưởng rất lớn đến độ hoàn chỉnh của tinh thể từ đó ảnh hưởng đếncác tính chất vật lí của sản phẩm Do đó nguyên liệu ban đầu cho việc nuôi đơn tinh thể phảithuộc loại rất tinh khiết (siêu sạch) Ví dụ độ tinh khiết của đơn tinh thể Si trong việc sảnxuất các vi mạch phải đạt chỉ tiêu lượng tạp chất dưới 1 ppm nghĩa là cứ 109 nguyên tử Sichỉ cho phép chứa tối đa 1 nguyên tử tạp chất Bởi vậy, không những chất ban đầu dùng đểnuôi đơn tinh thể phải siêu sạch mà các dụng cụ đựng, phòng làm việc, khí quyển trong thiết

bị nuôi đơn tinh cũng phải bảo đảm rất sạch

- Quá trình kết tinh là quá trình toả nhiệt, do đó để đảm bảo điều kiện cân bằng cho sự pháttriển tinh thể thật hoàn chỉnh phải có những bộ phận thu hồi lượng nhiệt toả ra khi kết tinh

- Nuôi đơn tinh thể là công việc làm liên quan đến nhiều chuyên môn khác nhau Để chọnđược phương pháp nuôi thích hợp nhà hoá học phải nắm được các thông tin quan trọng liênquan đến quá trình kết tinh như kiểu mạng lưới, các thông số tế bào mạng, các dung môi cóthể hoà tan được tinh thể đó, các giản đồ pha ở dưới các áp suất khác nhau của chất nghiêncứu và các chất có thể làm dung môi, các thông số hoá lí như nhiệt độ nóng chảy, hiệu ứngnhiệt nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt thăng hoa, các điểm chuyển pha, hệ số giãn nở nhiệt, độtan ở nhiệt độ khác nhau trong các dung môi khác nhau Khi đã chọn được phương phápnuôi thích hợp thì việc lắp ráp thiết bị nuôi đòi hỏi phải có chuyên môn của các nhà côngnghệ, chế tạo thiết bị điều chỉnh nhiệt độ chính xác, đun nóng và làm sạch một cách tự độngtheo một tốc độ có thể điều chỉnh được Lắp ráp các bộ phận cơ học cho phép nâng lên hoặc

hạ xuống và quay với tốc độ rất chậm

- Đối với từng loại vật liệu cụ thể, các công đoạn khác nhau rất nhiều và thứ tự tiến hành cáccông đoạn đó cũng có thể khác nhau, thậm chí các công đoạn có thể được tiến hành xen lẫnnhau suốt quá trình chế tạo đơn tinh thể Nguyên liệu để chế tạo các chất bán dẫn thường rấtkhác nhau, ví dụ đối với Silic nguyên liệu ban đầu là SiO2 (cát thạch anh) trong đó nguyênliệu ban đầu để chế tạo GaAs là Ga và As nguyên chất được tinh chế từ các loại quặng Đốivới công đoạn chế tạo và làm sạch nguyên liệu ban đầu chúng ta hầu như không có những