Giáo trình Vật liệu điện, điện tử: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 2 của giáo trình Vật liệu điện, điện tử tiếp tục cung cấp cho học viên những nội dung về: vật liệu bán dẫn và tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn; vật liệu từ, vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng, vật liệu từ có công dụng đặc biệt;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 4 VẬT LIỆU BÁN DẪN

4.1 Khái niệm chung về bán dẫn

4.1.1 Các khái niệm cơ bản về bán dẫn

4.1.1.1 Vùng năng lượng trong chất rắn

Chất rắn được coi như cấu tạo bởi một tập hợp các nguyên tử Trong vật rắn tinh thể các nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong mạng tinh thể, để khảo sát vấn đề một cách khái quát ta hãy xét mạng tinh thể gồm những nguyên tử giống nhau Khi khoảng cách giữa các nguyên tử lớn, các nguyên tử được coi là độc lập, không tương tác với nhau Mỗi nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn cho phép, giống như trong trường hợp chỉ có một nguyên tử đơn độc Trong số các mức năng lượng đó có một số mức bị chiếm bởi electron Ở trạng thái cơ bản electron chỉ chiếm những mức năng lượng thấp nhất Khi chỉ có 1 nguyên tử cô lập ứng với mỗi giá trị lượng tử n chỉ có duy nhất 1 mức năng lượng, 1 quĩ đạo Khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm đến một giá trị nào đó, các nguyên tử có tương tác với nhau thì sự chuyển động của electron không những chịu ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử của nó

mà còn chịu ảnh hưởng của các nguyên tử khác trong mạng tinh thể Khi có 2 nguyên

tử tương tác với nhau thì sự chuyển động của hai electron của hai nguyên tử đó chịu ảnh hưởng của cả hai hạt nhân của hai nguyên tử, để thoả mãn nguyên lý Pauli hai electron phải ở hai trạng thái khác nhau Do đó, mỗi mức năng lượng cũ bây giờ bị tách thành 2 mức năng lượng Nếu hệ chứa N nguyên tử thì mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập sẽ tách thành N mức Các mức này rất sát nhau tạo thành vùng năng lượng cho phép Trong 1cm3 có khoảng 1022 nguyên tử, mỗi mức năng lượng sẽ tách thành 1 số rất lớn, mà độ rộng của một vùng năng lượng khoảng một vài eV Do vậy, khoảng cách giữa các mức nhỏ trong vùng năng lượng khoảng 10-22eV, có thể nói sự biến thiên năng lượng trong một vùng năng lượng gần như liên tục Giữa các vùng năng lượng là các vùng trống (gọi là vùng cấm) mà trong đó không thể tồn tại bất kỳ trạng thái nào của electron

Khi số lượng electron và số nguyên tử tăng lên thì số mức được tách ra từ 1 mức tăng lên theo, tạo thành vùng năng lượng cho phép Những electron ở vòng quĩ đạo ngoài cùng chịu ảnh hưởng tương tác nhiều nhất Vì vậy, có vùng năng lượng rộng nhất Đối với electron trong cùng, ảnh hưởng tương tác nhỏ nhất nên vùng năng lượng hẹp nhất, thậm chí không thể phân biệt với mức năng lượng của nguyên tử cô lập

Bề rộng của vùng năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử tức là phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể

Số trạng thái trong mỗi vùng lại phụ thuộc vào số lượng nguyên tử tức là phụ thuộc vào độ lớn nguyên tử

Những vùng gần nhau có thể phủ lên nhau, nếu khoảng cách này lớn thì các vùng năng lượng sẽ cách xa nhau và có thể ngăn cách bằng vùng cấm

4.1.1.2 Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD

Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay

bỏ trống Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được

điền đầy Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện

Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài

eV Do vậy, các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện

Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1eV Ở 00K chúng là chất cách điện Ở nhiệt độ trong phòng các electron có thể thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống

 - Electron tự do trong vùng dẫn

 - Lỗ trống trong vùng hóa trị

Hình 4-1 Cấu trúc vùng năng lượng trong VLBD

Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dòng các lỗ trống mang điện tích dương

Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng của electron đứng yên hay chính là thế năng của electron Do đó, đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron, tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống Nếu electron

ở mức năng lượng cao hơn WC hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thì các electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị

Hình 4-2 Đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron

AIIIBV (InSb,GaAs) và một số chất có thành phần phức tạp.(Các VLBD 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)

4.2 Điện dẫn của bán dẫn

Theo lý thuyết phân vùng năng lượng của vật chất, bề rộng vùng cấm của các chất bán dẫn có trị số khoảng 1-3eV Bảng 4-1 đưa ra số liệu bề rộng vùng cấm của một số chất bán dẫn

4.2.1 Cấu trúc tinh thể của VLBD

Khảo sát 2 VLBD chính là Silic và germani: Hạt tải điện trong chất bán dẫn là các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị

Xét cấu trúc của tinh thể Gecmani hoặc Silic biểu diễn trong không gian hai chiều như trong hình 4-3: Gecmani (Ge) và Silic (Si) đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử Ge (hoặc Si) sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình vào liên kết cộng hóa trị với 4 điện tử hóa trị của 4 nguyên tử kế cận để sao cho mỗi nguyên tử đều có hóa trị 4

Hạt nhân bên trong của nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4 Như vậy các điện tử hóa trị ở trong liên kết cộng hóa trị sẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, mặc dù có sẵn 4 điện tử hóa trị nhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng như ở hình 4-3 là gần đúng và tinh thể bán dẫn như là một chất cách điện

Hình 4-3 Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều

Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử

và làm gãy một số nối hóa trị Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường Tại các nối hóa trị

bị gãy ta có các lỗ trống (hole) Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị

Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị) Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hóa trị

Hình 4-4 Tinh thể Ge với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ

Cấu trúc tinh thể của Silic, Germani trong mạng không gian ba chiều là cấu trúc kim cương Gồm 2 lập phương diện tâm lồng vào nhau, cách nhau ¼ đường chéo trong không gian

Hình 4-5 Cấu trúc tinh thể của Si, Ge, cấu trúc kim cương

4.2.2 VLBD tinh khiết

Ở nhiệt độ T = 00K không có electron nào ở vùng hóa trị có đủ năng lượng bằng năng lượng vùng cấm Wg để nhảy lên vùng dẫn, để VLBD có thể dẫn điện Ở nhiệt độ này VLBD không có tính dẫn điện giống như điện môi lý tưởng

Khi T > 0 tồn tại một xác suất có một số electron do nhận được năng lượng nhiệt sẽ vượt qua vùng cấm để có mặt ở vùng dẫn, trở thành electron tự do Như vậy sẽ tạo thành một số lỗ trống ở vùng hóa trị, do các lỗ trống này mà electron ở vùng hóa trị

sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện Bản chất của sự chuyển động của các lỗ trống này

có thể hình dung như sự chuyển động của các điện tích dương với một giá trị khối lượng hiệu dụng nào đó Sự chuyển động của electron tự do trong miền dẫn dễ dàng hơn sự chuyển động của lỗ trống trong vùng hóa trị Nói cách khác, tính linh động của electron (μn) trong vùng dẫn lớn hơn tính linh động của lỗ trống (μp) trong vùng hóa trị (Đối với Germani μn = 0,38 m2/Vs, μp = 0,18 m2/Vs)

Điện dẫn suất của VLBD xác định như sau: σ = n μn + p μp (4-1) Trong đó:

4.2.3.1 VLBD loại n

Nếu cho vào Silic (hoặc Germani) một số lượng của nguyên tố có hóa trị V, ví

dụ Antimon (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

Đối với Germani chẳng hạn năng lượng electron dư này gần bằng 0 (-0,03 eV), còn bán kính quĩ đạo lớn gấp 27 lần bán kính quĩ đạo của electron hydro Do năng lượng liên kết quá nhỏ cho nên ngay ở nhiệt độ phòng electron dư này của tạp chất

được gần như tự do, có thể nhảy vào vùng dẫn góp phần vào việc tạo ra dòng điện nếu được kích thích bằng một năng lượng rất nhỏ (như ánh sáng, nhiệt độ ) Rõ ràng, electron này không tạo ra lỗ trống Số hạt mang điện âm nhiều hơn do đó tạp chất gọi

là tạp chất cho hay tạp chất donor

Mức năng lượng cho “Wd” ở sát ngay mức Wc Như vậy tạp chất cho đã tạo ra mức năng lượng cho phép ở trong vùng cấm (ở nửa phía trên)

Hình 4-6 Mức năng lượng cho “Wd” ở sát ngay mức Wc

Ở nhiệt độ phòng mỗi nguyên tử tạp chất “cho” cho thêm 1 hạt mang điện, mặc

dù có nồng độ thấp nhưng làm tăng mật độ hạt mang điện, từ đó làm tăng điện dẫn suất với mức độ tăng lớn

n i e.N.d.n e.N.d.i (4-2)

Trong đó:

Nd - Mật độ tạp chất cho

Vì e.N.d.i

Ví dụ: So sánh điện dẫn suất của Germani tinh khiết với Germani loại n có tạp chất

cho là phốtpho, số nguyên tử tạp chất này chỉ bằng 1 phần triệu của số nguyên tử Germani

p n i

i n e  



)

1 ( 89 , 0

m

Đối với Germani loại n:

)

1 ( 10 61 , 0 38 , 0 10 10 6 , 1

m Nd

Ta thấy điện dẫn suất tăng lên 1000 lần trong khi số nguyên tử tạp chất chỉ bằng

1 phần triệu số nguyên tử VLBD tinh khiết

4.2.3.2 VLBD loại p

VLBD tinh khiết nếu pha tạp chất nhóm III như B, Al, In… do chỉ có 3 liên kết hoàn chỉnh, 1 liên kết bỏ hở nên chỉ cần 1 kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng) sẽ có 1 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

4.3 Tiếp giáp điện tử lỗ trống (tiếp giáp p-n)

Trong công nghệ chế tạo phần tử 1 mặt ghép p-n, người ta thực hiện pha trộn hai loại bán dẫn tạp chất lên trên một phiến đế tinh thể bán dẫn thuần với một bên là bán dẫn loại p và 1 bên là bán dẫn loại n Do lực hút lẫn nhau, các electron tự do bên phía bán dẫn loại n có xu hướng khuếch tán theo mọi hướng Một vài electron tự do khuếch tán vượt qua bề mặt ghép p-n Khi một electron tự do của bán dẫn loại n đi vào vùng của bán dẫn loại p, nó trở thành hạt thiểu số Do có một lượng lớn các lỗ trống nên các electron này sẽ nhanh chóng liên kết với lỗ trống để tinh thể trở về trạng thái cân bằng và đồng thời làm lỗ trống biến mất

Mỗi lần một electron khuếch tán vượt qua vùng tiếp giáp thì nó tạo ra một cặp các ion Khi một electron rời khỏi miền n thì nó để lại cho cấu trúc nguyên tử tạp chất một (thuộc nhóm 5 bảng tuần hoàn Mendeleep) sang trạng thái mới, trạng thái thiếu một electron Nguyên tử tạp chất lúc này lại trở thành 1 ion dương Nhưng đồng thời, khi đi sang miền p và kết hợp với một lỗ trống thì nó vô hình đã làm nguyên tử tạp chất (thuộc nhóm 3 bảng tuần hoàn Medeleep) trở thành ion âm

Quá trình này diễn ra liên tục và làm cho vùng tiếp xúc của chất bán dẫn lần lượt có ngày càng nhiều cặp ion dương và âm tương ứng ở miền n và miền p Các cặp ion này sau khi hình thành sẽ tạo nên một vùng tại miền tiếp xúc bán dẫn mà ta gọi là miền tiếp xúc, có điện trường ngược lại với chiều khuếch tán tự nhiên của các electron

tự do và các lỗ trống Quá trình khuếch tán sẽ dừng khi số lượng các cặp ion sinh ra đủ lớn để cản trở sự khuếch tán tự do của các electron từ n sang p

Như vậy, ký hiệu âm và dương tại miền tiếp xúc p-n chính là ký hiệu của các cặp ion sinh ra trong quá trình khuếch tán

Tiếp giáp pn hay diode tiếp giáp được tạo thành đơn giản bằng cách ghép nối hai loại vật liệu bán dẫn tạp dạng n và p với nhau (cấu trúc dựa trên cùng một loại bán dẫn thuần Si hoặc Ge), như mô tả ở hình 4-7a

Trong thực tế, diode có thể được chế tạo bằng cách: Trước tiên, người ta lấy một mẫu bán dẫn tạp dạng n có nồng độ pha tạp ND và tiến hành biến đổi chọn lọc một phần mẫu n thành vật liệu bán dẫn p nhờ bổ sung các tạp chất acceptor có nồng độ NA

> ND Vùng bán dẫn tạp dạng p được gọi là anode còn vùng n được gọi là cathode của diode và có ký hiệu mạch như ở hình 4-7c Tiếp giáp p-n là bộ phận cơ bản của tất cả các cấu kiện bán dẫn và các vi mạch điện tử (IC) Để đơn giản, với giả thiết không có các thế hiệu ngoài đặt vào mẫu tinh thể và gọi là tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng Mật độ hạt tải điện chỉ xét phụ thuộc vào phương x, có thể xem một diode tiếp giáp p-

Hình 4-7 (a)(b)Cấu tạo cơ bản của Diode tiếp giáp p-n (c): Ký hiệu của diode

Ở phía bán dẫn p của tiếp giáp có nồng độ lỗ trống rất lớn, ngược lại ở phía bán dẫn n có nồng độ lỗ trống nhỏ hơn rất nhiều Cũng vậy, nồng độ điện tử rất lớn ở phía bán dẫn n và nồng độ điện tử rất nhỏ ở phía bán dẫn p Do có sự chênh lệch về nồng

độ ở hai phía của tiếp giáp nên sẽ có sự khuyếch tán xảy ra qua tiếp giáp pn Các lỗ trống sẽ khuyếch tán từ vùng có nồng độ cao ở phía bán dẫn p sang vùng có nồng độ thấp ở phía bán dẫn n, còn các điện tử sẽ khuyếch tán từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫn p

4.3.1 Tiếp giáp p-n không có điện áp ngoài

Điều kiện cân bằng động của lớp tiếp xúc p-n

Khi dòng điện do các hạt dẫn chuyển động khuếch tán và các hạt dẫn chuyển động trôi qua tiếp xúc p-n có giá trị bằng nhau thì ta nói tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng động Do các dòng điện này ngược chiều nhau nên chúng triệt tiêu lẫn nhau và dòng điện tổng qua lớp tiếp xúc p-n bằng không Lúc này lớp tiếp xúc có bề dày ký hiệu là d, điện trở lớp tiếp xúc ký hiệu là RP/N, cường độ điện trường tiếp xúc ký hiệu

là E0 (hay còn gọi là hàng rào thế năng) và tương ứng với nó có hiệu điện thế tiếp xúc

ký hiệu là V0 Các đại lượng này ta sẽ tính được qua các công thức dưới đây Do lớp tiếp xúc p-n là vùng nghèo hạt dẫn nên điện trở của nó lớn hơn nhiều điện trở của hai vùng bán dẫn p và n (RP/N >>RN và RP)

Điều kiện cân bằng này giúp ta tính được độ cao của hàng rào thế năng V0 phụ thuộc vào nồng độ tạp chất cho và tạp chất nhận Giá trị của V0 khoảng từ vài phần mười vôn

Theo hình 4-8 ta thấy mức năng lượng Fecmi của cả hai phần bán dẫn p và n nằm trên một đường thẳng Mức năng lượng E0 - thế năng của điện tử hay hàng rào thế năng của điện tử ở tiếp xúc p-n khi nó ở trạng thái cân bằng là:

E = E – E = E - E

Hình 4-8 Đồ thị vùng năng lượng của tiếp xúc p-n khi hở mạch (trạng thái cân bằng)

Trong đó:

E0 - Đo bằng [eV], và V0 đo bằng [V]

Ngoài ra, hiệu điện thế tiếp xúc E còn được tính theo công thức sau:

E0 = KTlnPP0/Pn0 = KTln(nn0/nP0) (4-4) Trong đó:

K - Là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ T

Chỉ số 0 trong công thức trên để biểu thị rằng các nồng độ hạt dẫn này được tính ở điều kiện cân bằng nhiệt động

4.3.2 Tiếp giáp p-n phân cực thuận

Tiếp xúc p-n được phân cực thuận khi ta đặt một nguồn điện áp bên ngoài lên lớp tiếp xúc p-n có chiều cực dương được nối vào bán dẫn loại p và cực âm nối vào bán dẫn n

Hình 4-9 Tiếp xúc p-n phân cực thuận và đồ thị dải năng lượng của nó

Điện trường trong lớp tiếp xúc giảm xuống, hàng rào thế năng giảm xuống một lượng bằng điện trường ngoài:

Do đó phần lớn các hạt dẫn đa số dễ dàng khuếch tán qua tiếp xúc p-n, kết quả

là dòng điện qua tiếp xúc p-n tăng lên Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc p-n khi

nó phân cực thuận gọi là dòng điện thuận Ith

Khi tăng điện áp thuận lên, tiếp xúc p-n được phân cực thuận càng mạnh, hiệu điện thế tiếp xúc càng giảm, hàng rào thế năng càng thấp xuống, đồng thời điện trở lớp tiếp xúc giảm, bề dày của lớp tiếp xúc cũng giảm, các hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n càng nhiều nên dòng điện thuận càng tăng và nó tăng theo qui luật hàm số

mũ với điện áp ngoài

Khi điện áp thuận có giá trị xấp xỉ với V0, dòng điện chạy qua tiếp xúc p-n thực

sẽ được khống chế bởi điện trở thuận của tiếp xúc kim loại và điện trở khối tinh thể

Do vậy đặc tuyến Vôn-Ampe gần giống một đường thẳng

4.3.3 Tiếp giáp P-N phân cực ngược

Lớp tiếp xúc p-n được phân cực ngược khi ta đặt một nguồn điện áp ngoài sao cho cực dương của nó nối với phần bán dẫn n, còn cực âm nối với phần bán dẫn p Khi

đó điện áp ngoài sẽ tạo ra một điện trường cùng chiều với điện trường tiếp xúc E0, làm cho điện trường trong lớp tiếp xúc tăng lên:

Tức là hàng rào thế năng càng cao hơn Các hạt dẫn đa số khó khuếch tán qua vùng điện tích không gian, làm cho dòng điện khuếch tán qua tiếp xúc p-n giảm xuống

so với trạng thái cân bằng

Đồng thời, do điện trường của lớp tiếp xúc tăng lên sẽ thúc đẩy quá trình chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số và tạo nên dòng điện trôi có chiều từ bán dẫn

N sang bán dẫn P và được gọi là dòng điện ngược Ingược

Nếu ta tăng điện áp ngược lên, hiệu điện thế tiếp xúc càng tăng lên làm cho dòng điện ngược tăng lên Nhưng do nồng độ các hạt dẫn thiểu số có rất ít nên dòng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bão hòa và được gọi là dòng điện ngược bão hòa I0

có giá trị rất nhỏ khoảng từ vài nA đến vài chục µA

Hình 4-10 Tiếp xúc p-n phân cực ngược và đồ thị dải năng lượng của nó

4.3.4 Dòng điện qua tiếp xúc p-n

4.3.4.1 Dòng điện thuận

Khi tiếp xúc p-n phân cực thuận, qua nó có dòng điện thuận Đó là dòng điện do các hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc p-n Ta có:

Hình 4-11 Nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n khi tiếp xúc p-n phân cực thuận

+ Dòng điện lỗ trống I(0) đi qua tiếp xúc p-n về phía bán dẫn n là (khi x = 0)

I Pn (0) = S.q.D p P n0 (e V/VT -1) (4-7) Trong đó:

IPn(0) - Là dòng điện do các lỗ trống khuếch tán qua tiếp xúc p-n;

Pn0(eV/VT-1) = Pn0 - Gọi là mật độ lỗ trống "phun" vào phía bán dẫn n

+ Dòng điện điện tử Inp(0) khuếch tán qua tiếp xúc p-n vào phía bán dẫn p là:

I np (0) = S.q.D p P n0 (e V/VT -1)/L n (4-8) Dòng điện qua tiếp xúc p-n là tổng của 2 thành phần dòng điện IPn(0) và Inp(0),

vậy ta có: I=I Pn (0) + I np (0) = I 0 (e V/VT -1)/L n (4-9)

Trong đó:

I0 - Gọi là dòng điện ngược bão hòa và có biểu thức:

I 0 = S.q.D p P n0 /L P + S.q.D p P P0 /L n (4-10) Dòng điện tổng được tính gần đúng là: I=I0(eV/VT-1) (4-11)

4.4 Một số vật liệu bán dẫn thông dụng

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

4.4.1 Germani

Germani có màu bạc, không tác dụng với không khí, nước, HCl, H2SO4 loãng

Nó rất hiếm trên quả đất Có mặt trong những hợp chất GeO2, GeS2, GeCl4 Trong quá trình sản xuất kim loại màu, ta có thể thu được Germani như một sản phẩm phụ

GeCl4 + 2H2O = GeO2 + 4HCl

GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O

Các phương pháp tinh chế Germani cũng tương tự như tinh chế Silic

Kết quả điều chế hóa học nguyên liệu ban đầu cho ta Tetraclorua germani, tiếp tục điều chế thành đioxyt Germani (GeO2) dưới dạng bột trắng Đioxyt germani được khử trong lò hydro ở nhiệt độ 6500C -7000C thành Germani có dạng bột xám

Trong nhiều trường hợp Germani được điều chế trực tiếp từ GeCl4 bằng cách phân tích hợp chất này ở nhiệt độ cao trong hơi kẽm Bột Germani được rửa trong dung dịch axit và đúc thành thỏi Germani thỏi dùng làm nguyên liệu để điều chế Germani đặc biệt tinh khiết bằng phương pháp nóng chảy phân vùng hay điều chế trực tiếp đơn tinh thể bằng phương pháp kéo nóng chảy

Để sản xuất dụng cụ bán dẫn, thỏi Germani được cắt thành phiến mỏng, bề mặt của các phiến được tẩy rửa để loại trừ các khuyết tật lúc gia công

Điện trở suất của Germani tùy thuộc vào nhiệt độ Người ta nhận thấy rằng: trong một khoảng nhiệt độ nhất định, hệ số biến đổi của điện trở của Germani theo nhiệt độ là âm

Điện dẫn suất của Germani thay đổi trong những giới hạn rộng từ

cm

1

Các tính chất quang của Germani cho phép dùng nó làm transistor quang, điện trở quang, thấu kính quang mạnh (đối với tia hồng ngoại), các bộ lọc quang học, điều biến ánh sáng và sóng vô tuyến ngắn Germani có hiệu ứng quang điện cả trong trường hợp hấp thụ các điện tử trung bình và nhanh cũng như khi hãm các hạt nguyên tố khối lượng lớn Ví dụ, khi hấp thụ hạt sẽ có xung dòng điện kéo dài gồm 0,5μs, tương ứng với 106 điện tử Vì vậy Germani có thể dùng để sản xuất các bộ đếm hạt nhân

Khoảng nhiệt độ làm việc của các dụng cụ Germani từ -600C đến +700C, khi nhiệt độ tăng gần giới hạn trên thì dòng điện thuận chiều trong diode tăng lên 2 lần, còn dòng điện ngược chiều thì tăng 3 lần Khi làm lạnh đến -500C, -600C dòng điện thuận chiều giảm 70% -75% Dụng cụ Germani cần được bảo vệ chống ẩm của không khí

4.4.2 Silic

Silic chứa 29,5% trong khối lượng vỏ trái đất, được tìm thấy dưới dạng SiO2

trong các mỏ (dạng Silicát)

Silic thường được điều chế bằng cách khử têtraclorua silic bằng hơi kẽm ở nhiệt

độ 10000C trong môi trường kín Quá trình gia công tiếp theo của Silic giống như Germani, nhưng gặp nhiều khó khăn vì nhiệt độ nóng chảy của Silic cao hơn nhiều so với Germani và gần với nhiệt độ hóa mềm của thủy tinh thạch anh

Tính chất hóa lý của Silic: Silic tinh thể có ánh thép, tan trong kim loại nóng chảy, là hợp phần của nhiều hợp kim Về mặt hóa học Silic tinh thể ít hoạt động, ở nhiệt độ phòng Silic chỉ hóa hợp với flo, axít flohydric và axít nitric Nó còn tác dụng mạnh với kiềm khi đun nóng

Điện dẫn của Silic cũng như Germani phụ thuộc rất nhiều vào tạp chất chứa trong nó Silic được dùng để sản xuất dụng cụ bán dẫn tương tự như Germani: Diode, triốt, tế bào quang có lớp chắn của hiệu ứng Hall…

Silic trong hợp kim với sắt được dùng dưới dạng các thép tấm làm máy biến áp (4% Si) với mục đích giảm tổn thất trong lõi thép Nó còn được sử dụng trong chế tạo các hợp kim khác của sắt (thép và gang có sức bền đối với nhiệt độ, thép công cụ, thép trong xây dựng, vật liệu chịu lửa…)

Tương tự, người ta còn sử dụng để chế tạo các hợp kim như đồng thau, đồng thanh với Silic, Silic còn được sử dụng như chất khử oxy trong luyện kim

Silic tinh thể được dùng làm chất bán dẫn dẫn điện để sản xuất các loại máy tách sóng, được sử dụng như điện trở trong lĩnh vực tần số rộng, hoặc trong những máy khuếch đại

Cacbit Silic kỹ thuật được sản xuất trong các lò điện khi khử đioxit Silic bằng cacbon Màu sắc và điện dẫn của tinh thể Silic phụ thuộc vào các tạp chất và số nguyên tử thừa của Silic hay Cacbon so với thành phần hợp thức (thừa Silic thì SiC có điện dẫn loại n, còn thừa Cacbon có loại p)

Các nguyên tố tạp chất ở nhóm V (N, P, As, Sb, Bi) và sắt trong SiC làm cho nó

có màu xanh và điện dẫn loại n, các tạp chất trong nhóm II (Ca, Be, Mg) và nhóm III (B, Al, Ga, In) làm cho nó có màu da trời và điện dẫn loại p Điện dẫn của tinh thể SiC

ở nhiệt độ bình thường dao động trong phạm vi rộng, điện dẫn của tinh thể SiC dạng bột phụ thuộc vào điện dẫn của các hạt nhỏ ban đầu, kích thước của các hạt, mức độ nén các hạt đó, điện trường và nhiệt độ

Tính chất của tinh thể SiC

Điện dẫn của SiC không tuân theo định luật Ôm, nguyên nhân chủ yếu là khi tăng điện áp thì xảy ra quá trình tự giải thoát điện tử từ các mũi nhọn và cạnh sắc của các hạt bột Hiện tượng này làm cho các khe hở được bịt kín lại và diện tích tiết diện điện trở tăng lên

Trong kỹ thuật điện SiC được dùng để chế tạo các tấm điện trở phi tuyến của chống sét van để bảo vệ đường dây tải điện và các thiết bị điện; sản xuất các varistor điện áp thấp dùng trong các thiết bị tự động, kỹ thuật máy tính và dụng cụ điện trong xây dựng, dùng trong các lò điện nhiệt độ cao, để sản xuất các bộ phận đốt trong đèn inhitron Varistor làm bằng các hạt SiC rời rạc không ổn định, dễ thay đổi đặc tính nên các hạt SiC cần gắn chặt bằng chất kết dính: varistor làm bằng SiC có chất kết dính là đất sét gọi là tirit; varistor làm bằng SiC có chất kết dính là thủy tinh lỏng gọi là vilit

Thông thường đặc tính V-A của varistor gần đúng với phương trình:

mã xung theo biên độ, điều chỉnh độ nghe rõ của thiết bị điện thoại… varistor cũng được dùng rộng rãi trong máy tính

Cacbit Silic (SiC) tốt hơn nhiều so với Silic trong việc mang dòng điện trong mạch điện tử Do vậy, nó có thể giảm lãng phí năng lượng trong mọi thiết bị điện tử dân dụng hoặc văn phòng Cacbit Silic là một trong những vật liệu tuyệt vời nhất dành cho các thiết bị điện tử công suất cao

Nó cũng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với Silic Điều này đồng nghĩa với việc cảm biến làm bằng cacbit có thể làm việc được ở nhiệt độ cao hơn nhiều

Các thanh Silic được chế tạo từ Carbide Silic, Silic tinh thể và cacbon Chúng

có điện trở suất cao và chịu nhiệt tốt, được dùng làm phần tử đốt nóng trong lò điện nhiệt độ cao Thiết bị đốt nóng bằng thanh Silic có thể dùng trong các lò điện với công suất khác nhau, nhiệt độ lớn nhất đến 15000C

4.4.4 Vật liệu bán dẫn có liên kết dạng A III B V

Tinh thể bán dẫn có thể được tạo thành bằng những nguyên tử của nguyên tố hóa trị III và của nguyên tố hóa trị V; kí hiệu là AIIIBV

Hợp chất AIIIBV là loại vật liệu có triển vọng, bởi vì nó cho phép lựa chọn rộng rãi các tham số của vật liệu ban đầu (bề rộng vùng cấm, độ linh hoạt hạt dẫn, …) để tạo ra các dụng cụ bán dẫn Chúng có cấu trúc sfalerit tương tự với cấu trúc của kim cương, chỉ khác là bản chất và kích thước các phần tử trong cấu trúc khác nhau

Phương pháp chủ yếu để có hợp chất AIIIBV là cho các thành phần tác dụng trực tiếp trong chân không hay trong khí trơ Vật liệu bán dẫn dạng này thông dụng nhất là GaAs GaAs có cấu trúc tinh thể sfalerit (hay blenzo kẽm)

Ga là nguyên tố hiếm, được điều chế từ tinh quặng kẽm Là kim loại mềm màu trắng Các electron xếp trên 4 lớp, vỏ ngoài cùng có 3 electron hóa trị, bán kính nguyên tử 1,81A0

As được điều chế từ FeAsS Các electron sắp trên 4 lớp, vỏ ngoài cùng có 5 điện tử hóa trị, bán kính nguyên tử là 1,33A0

- Độ linh động của electron của GaAs lớn hơn độ linh động của electron của Silic với tỉ lệ gần 10 lần Nếu điện trường bằng nhau thì electron trong GaAs sẽ di chuyển nhanh hơn, thời gian chuyển mạch ngắn hơn Ứng dụng để làm transistor làm việc với tần số cao

- Vì năng lượng vùng cấm lớn hơn so với Silic, Germani nên có thể làm việc đến 3000C (Silic÷2000C, Germani÷1000C) Ứng dụng làm vi mạch chất lượng cao

- Electron chuyển động từ vùng dẫn trở về vùng hóa trị trong tinh thể GaAs có thể phát ra ánh sáng Trái lại ở Silic, Germani thì phát ra nhiệt, do đó GaAs được dùng

để chế tạo linh kiện hiển thị điện áp thấp

GaAs dùng để chế tạo laze bán dẫn, diot quang kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản Để nhận được GaAs (nói chung cho VLBD AIIIBV ) cần tổng hợp AIII và BV bằng

sự nấu chảy trực tiếp Sau đó là các bước tương tự như với Silic: rửa sạch tinh thể- pha tạp chất-trồng đơn tinh thể…

Vật liệu bán dẫn AIIIBV có tạp chất

- Đưa vào nguyên tố hóa trị II (ví dụ: Zn) thì GaAs trở thành VLBD loại p

- Đưa vào nguyên tố hóa trị VI (ví dụ: Selen) thì GaAs thành VLBD loại n

- Đưa vào nguyên tố hóa trị IV (ví dụ: Silic ) thì tùy vào vị trí của Silic trong tinh thể GaAs mà ta có VLBD loại p hay loại n

+ Nếu Silic thay thế As thì GaAs là VLBD loại p

+ Nếu Silic thay thế Ga thì GaAs là VLBD loại n

Công nghệ cấy ion đưa chùm tia Silic cấy vào tinh thể GaAs Sau khi được ủ ở

8000C, các nguyên tử Silic thay thế Ga để GaAs thành loại n

Tính dẫn điện của GaAs không những phụ thuộc vào hóa trị của tạp chất đưa vào mà còn phụ thuộc vào vị trí nguyên tử tạp chất trong tinh thể Ga

Các chất InIII, PV, SbV, AlIII, khi đưa vào GaAs sẽ tạo thành VLBD ghép có tạp chất: GaxIn1-xAs, GaPxAs1-x, Ga1-xAlxAs… với các phương trình tính năng lượng vùng cấm khác nhau

Đối với chất Ga1-xAlxAs phương trình tính năng lượng vùng cấm là:

Wg=1,43+1,25x

Còn đối với GapxAs1-x: Wg= 1,424+ 1,15.x+0,176.x2

4.4.5 Dung dịch rắn trên cơ sở liên kết dạng A III B V

Như đã biết, trong kỹ thuật người ta thường sử dụng những vật liệu có cấu trúc dung dịch rắn, khi hình thành dung dịch rắn thì mạng tinh thể được bảo toàn nhưng chu kỳ của mạng lại thay đổi Dung dịch rắn cho phép mở rộng đáng kể sự lựa chọn vật liệu với các thông số vật lý xác định, điều này làm tăng khả năng ứng dụng của vật liệu trong những dụng cụ bán dẫn cụ thể Điều đặc biệt nhất của dung dịch rắn là khả năng có thể thay đổi độ rộng vùng cấm của nó bằng cách thay đổi thành phần của chúng, với sự thay đổi này thì hệ số điện môi, chiết suất của vật liệu sẽ thay đổi và xảy

ra hiện tượng dịch chuyển các mức năng lượng tạp chất

Ví dụ: Dung dịch rắn GaAs1-yPy, AlxGa1-xAs …(với x và y cỡ 0,3 – 0,4) có độ rộng vùng cấm cỡ 1,7eV được dùng chế tạo các diot và laser phát ánh sáng đỏ; còn dung dịch rắn GaxIn1-xP (x=0.5 - 0,7) được dùng trong phổ màu vàng – xanh lá cây

Dung dịch rắn còn được ứng dụng rộng rãi trong việc tạo ra các tiếp xúc giữa hai bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau và các dụng cụ bán dẫn trên cơ sở các tiếp xúc này Các cặp dung dịch rắn hay dùng là: cặp GaAs–AlxGa1-xAs và cặp GaSb–AlxGa1-xSb

4.4.6 Vật liệu bán dẫn (VLBD) có liên kết dạng A IV B IV

VLBD dạng AIVBIV được nghiên cứu nhiều nhất là PbS Nó thường được sử dụng trong các bộ tách sóng giống như các bán dẫn có vùng cấm hẹp khác; những tính chất cơ bản của các bán dẫn loại này được cho trong bảng 4-3:

Bảng 4-3 Tính chất cơ bản của bán dẫn dạng A IV B IV

Bán dẫn Hằng số mạng

(A 0 )

Khối lượng riêng (mg/m 3 )

Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C)

Bề rộng vùng cấm

ở 300K(eV)

Độ linh động điện

tử (m 2 /Vs)

Độ linh động lỗ trống (m 2 /Vs)

Chúng có độ nhạy cảm quang cao, nên thường được dùng để sản xuất photoresist Ở nhiệt độ thấp trong những vật liệu này có thể xuất hiện hiện tượng tái hợp, điều này cho phép sử dụng chúng để sản xuất laser, ngoài ra, còn có thể sử dụng chúng để chế tạo các phần tử nhiệt trong các máy phát nhiệt điện bán dẫn …

4.4.7 Vật liệu bán dẫn (VLBD) có liên kết dạng A II B VI

VLBD loại này bao gồm ZnS, CdS, HgS, ZnSe, CdSe, HgSe…Tính chất của chúng được cho trong bảng 4-4

Tạp chất có hoá trị nhỏ hơn II đóng vai tạp chất nhận (axeptor)

Ví dụ: Tạp chất nhóm I như Ag, Au… sau khi thay Zn hay Cd trong mạng tinh thể sẽ trở thành axeptor

Tính chất quan trọng của VLBD loại này là rất nhiều từ chúng thể hiện tính dẫn điện chỉ ở một dạng (n hoặc p) không phụ thuộc vào đặc tính của hợp kim, tạp chất pha vào Ví dụ: ZnS, ZnSe, CdSe, HgSe luôn luôn có tính dẫn loại n Chỉ có ZnTe có tính dẫn lỗ trống, còn CdTe, HgTe có thể có tính dẫn vừa n, vừa p tùy thuộc điều kiện ngoài và tạp chất Chính điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng thực tế của họ bán dẫn này

Bảng 4-4 Tính chất của bán dẫn dạng A II B VI

Bán dẫn Hằng số mạng

(A 0 )

Khối lượng riêng (mg/m 3 )

Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C)

Bề rộng vùng cấm

ở 300K(eV)

Độ linh động điện

tử (m 2 /Vs)

Độ linh động lỗ trống (m 2 /Vs)

Se, Te, Hg sử dụng làm các bộ cảm biến Hall

4.4.8 Các loại khác

4.4.8.1 Các sunfua

Chì sunfua (PbS), Bismut Sunfua (Bi2S3), và Cadmi Sunfua (CdS) được dùng

để sản xuất điện trở quang PbS gặp trong thiên nhiên ở dạng vật liệu galenit và có thể điều chế được bằng một số phương pháp nhân tạo, nó có biến thể vô định hình và tinh thể

Bismut Sunfua (Bi2S3) được điều chế bằng cách nấu chảy Bi với S không có oxy Tinh thể của nó thuộc hệ thống hình thoi và có màu xám đen

Cadmi sunfua thu được bằng các phương pháp khác nhau và có thể là vô định hình và tinh thể Màu của nó tùy thuộc vào biến thể và các tạp chất trong nó

Các điện trở quang được dùng để đếm sản phẩm trong sản xuất dây chuyền, để kiểm tra độ cao của các vật lỏng và bột rời trong bình chứa, trong các máy sao chép hình để gia công các chi tiết theo bản vẽ, để báo tín hiệu ánh sáng, báo hiệu khi có khói và kiểm tra mức đốt cháy nhiên liệu, dùng trong máy điều khiển theo chương trình, trong các thiết bị bảo vệ tự động ép bằng khuôn lạnh và các máy khác

Điện trở quang có thể mắc trực tiếp vào mạng chiếu sáng điện áp xoay chiều và một chiều, tuổi thọ của chúng không nhỏ hơn 10.000 giờ

Các sunfua còn được dùng làm chất phát quang Kẽm sunfua được kích hoạt bằng đồng cũng là một loại sunfua phát điện Bề rộng vùng cấm của ZnS gần 3,6eV,

vì thế nó gần như điện môi

4.4.8.3 Selen (Se)

Se có nhiều dạng: dạng vô định hình, dạng tan được, dạng tinh thể màu đỏ, dạng trong suốt Se thu được từ cặn của việc tinh chế đồng Nếu chiếu sáng Se trong thời gian 0,001s thì tính dẫn của nó tăng lên đến 15 lần, nên Se được ứng dụng để chế tạo tế bào quang điện Diot làm từ Se dùng để tách dòng điện có tần số cao

4.5 Công nghệ chế tạo VLBD

Trong phần này sẽ trình bày một số phương pháp chế tạo VLBD: Phương pháp kéo chảy, phương pháp Czochralski, công nghệ epitaxi, một số phương pháp chế tạo tiếp xúc p-n : các khái niệm cơ bản về quang khắc, phương pháp cấy ion, … và các phương pháp làm sạch trong công nghệ điện tử

4.5.1 Phương pháp kéo chảy

Trong công nghiệp Silic được chế tạo bằng cách dùng than cốc khử oxy trong SiO2:

SiO2 + 2C = Si + 2CO Hoặc SiHCl + H2 = Si + 3HCl

Silic nhận được chứa 2% đến 5% tạp chất Để nhận được Silic với độ sạch cao

ta phải rửa sạch nó bằng phương pháp rửa tinh thể (còn gọi là phương pháp kéo chảy)

Tạp chất trong thanh Silic sẽ hòa tan trong pha lỏng (vùng nóng chảy) và cùng với chúng di chuyển về phía đuôi của thanh Silic, cắt bỏ đầu này ta sẽ có thanh Silic tinh khiết

Hình 4-12 Phương pháp Czochralski - Thỏi Si mọc lên từ phương pháp Czochralski

Hình 4-13 Một IC được tạo ra từ phiến Si

4.5.3 Công nghệ epitaxi

Epitaxi là lớp đơn tinh thể hình thành từ một lớp vật liệu nền đơn tinh thể khác

Có hai loại epitaxi trong công nghệ xử lý Silic:

Loại epitaxi đơn thể: Là loại Silic đơn tinh thể trên vật liệu nền cũng là Silic đơn tinh thể

Loại epitaxi lưỡng thể: Hình thành trên một vật liệu nền đơn tinh thể khác (ví

dụ Silic trên Al2O3, Silic trên sapphire…)

Có 3 phương pháp công nghệ chính để nhận lớp epitaxi: Epitaxi trong chân không, epitaxi từ pha khí, epitaxi từ pha lỏng

Phương pháp quan trọng nhất để sản xuất epitaxi Silic là phương pháp kết tủa khí hoá CVD (Chemical Vapour Deposition): Silan SiH4 (hay diclosilan SiH2Cl2 ) được dẫn qua bề mặt đĩa silic nóng (10000C ) Phản ứng kết tủa xảy ra theo phương trình sau:

SiH4 = Si + 2H2

Ngoài phương pháp kết tủa khí hoá CVD còn có 2 phương pháp khác để tạo lớp Silic đơn tinh thể: Phương pháp epitaxi tia phân tử dùng Silic làm nguồn bốc bay và phương pháp tái tinh thể hoá Silic đa tinh thể dùng tác dụng nhiệt độ để nối các vùng

đa tinh thể thành một lớp đơn tinh thể Hai phương pháp này hiện ít được dùng

Hầu hết các vật liệu bán dẫn quang điện tử được chế tạo bằng công nghệ epitaxi Một màng mỏng (vài micron) bằng vật liệu bán dẫn được tạo ra trên một nền (dày cỡ 200μm) Chất lượng vật liệu nền vô cùng quan trọng trong công nghệ epitaxi

Vật liệu nền phải có mạng tinh thể phù hợp với màng vật liệu chính, nếu không thì trong màng vật liệu chính sẽ có sai lệch mạng, dưới dạng sai lệch đường hoặc những loại sai lệch khác Những sai lệch mạng có tác hại nghiêm trọng đến chất lượng của vật liệu Vật liệu nền quan trọng là GaAs và InP

Những ứng dụng quan trọng nhất của lớp Silic epitaxi trên vật liệu nền Silic đơn tinh thể: Epitaxi với nồng độ tạp chất vừa (1016 cm-3) trên nền có nồng độ cao (1019cm-3) loại này thường được dùng cho mạch CMOS

Epitaxi với nồng độ tạp chất vừa (1016 cm-3) trên nền có nồng độ cao (1019 cm-3)

và lớp ngầm có nồng độ cao (1020 cm-3): Loại này được dùng cho vi mạch lưỡng cực (bipolar), lớp epitaxi dày khoảng từ 0,5μm đến 20 μm

4.5.4 Một số phương pháp chế tạo tiếp xúc p-n

- Khái niệm quang khắc: quang khắc quá trình tạo hình, rửa ăn mòn lớp phim khuôn che (photoresist) tạo hình cấu trúc mong muốn trên bề mặt vật liệu Phim khuôn che là lớp cảm quang, còn khuôn che (mask) lưu trữ thông tin về cấu trúc cần truyền lên phim, là một tấm thủy tinh được phủ chất Cr phản quang

- Pha tạp bằng phương pháp cấy ion

Đĩa silic đơn tinh thể là cơ sở của công nghệ vi điện tử So với những ngày đầu của công nghệ silic, đường kính của đĩa ngày càng tăng (từ 76mm trong những năm

1970 đến 300mm trong những năm gần đây) Mỗi lần tăng đường kính của đĩa silic đều mang lại nhiều vấn đề phức tạp, không những cho quá trình sản xuất đĩa mà còn cho từng qui trình công nghê chế tạo vi mạch Vấn đề lớn nhất là trọng lượng đĩa càng tăng khiến máy móc dụng cụ xử lý đĩa cần được hiệu chỉnh cho thích hợp

Hình 4-14 Sơ đồ một quá trình quang khắc

Đĩa silic được cưa ra từ một thỏi đơn tinh thể Bề mặt đĩa có một hướng tinh thể nhất định (100) hay (111) Sai lệch vài độ của hướng tinh thể là điều kiện tốt cho quá trình hình thành epitaxi Để đánh dấu hướng tinh thể chính của đĩa, hãng sản xuất đĩa thường mài phẳng một cạnh đĩa, ta gọi cạnh phẳng này là flat Cạnh hình chữ nhật của

vi mạch thường chạy song song hay vuông góc với flat Góc giữa một flat nhỏ và một flat lớn cho biết thông tin về hướng tinh thể của đĩa và tính dẫn của tạp chất (do lỗ trống hay điện tử quyết định)

Phần lớn các thỏi silic được chế tạo bởi phương pháp Czochralski: Một mầm tinh thể được nhúng vào một nồi chứa silic tinh khiết nóng chảy Tinh thể silic định hướng theo mầm này và mọc dài thành một thỏi silic đơn tinh thể

Cũng như phương pháp khuếch tán, phương pháp cấy ion là một qui trình công nghệ quan trọng để đưa tạp chất vào đế bán dẫn nhằm tạo các vùng có dạng hạt dẫn lựa chọn (loại p hoặc loại n) Trước đây, các vùng pha tạp thường được tạo bởi những phương pháp khuếch tán, nồng độ tạp sẽ giảm dần từ bề mặt và profile nồng độ sẽ được xác định chủ yếu bởi nhiệt độ và thời gian khuếch tán Hiện nay, ở rất nhiều công đoạn pha tạp đều sử dụng phương pháp cấy ion, trong đó các ion tạp chất được cấy vào bán dẫn bằng một chùm ion có năng luợng cao Profile nồng độ sẽ có giá trị lớn nhất không phải ở tại bề mặt mà ở trong khối bán dẫn, ngoài ra sự phân bố profile nồng độ được xác định chủ yếu bằng khối lượng ion và năng lượng của chùm ion

Thông thường, khuyếch tán thường được sử dụng để chế tạo các chuyển tiếp

p-n sâu, còp-n cấy iop-n thườp-ng sử dụp-ng tạo các chuyểp-n tiếp p-p-n p-nôp-ng p-như p-nguồp-n và máp-ng của MOSFET Các nguyên tử tạp được ion hóa, gia tốc và đưa đến bề mặt phiến, sau

đó các ion có năng lượng cao đi vào mạng tinh thể, va chạm với nguyên tử Si và dừng lại Năng lượng cần thiết để cấy tạp B, P, As vào Si là 50keV –100 keV, tạo độ sâu khuếch tán 10nm - 1000nm

- Phương pháp lớp chuyển tiếp khuếch tán

Để tạo ra lớp chuyển tiếp khuếch tán p-n, người ta dùng tạp chất ở thể khí, thể lỏng hoặc rắn, khuếch tán vào chất bán dẫn Lớp p-n nhận được từ kết quả của sự khuếch tán tạp chất xuyên qua các lỗ trên lớp bảo vệ mặt của chất bán dẫn còn được gọi là lớp chuyển tiếp planar Thường người ta sử dụng SiO2 để làm lớp bảo vệ (màn chắn) để ngăn chặn khuếch tán của các tạp chất vào Silic Chúng chỉ khuếch tán vào những vùng chọn trước mà ở đó lớp ôxit SiO2 đã bị bóc đi nhờ kỹ thuật quang khắc Vậy ta có thể điều khiển được hình thể của dụng cụ và độ sâu của sự thâm nhập tạp chất vào tinh thể bán dẫn bằng công nghệ planar Công nghệ này dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các mạch tổ hợp: Trên cùng một phiến Silic ta có thể chế tạo được rất nhiều “chip” Một công cụ cơ sở và hết sức quan trọng trong công nghiệp sản xuất vi mạch là bộ masks Khi thay đổi mask ta có thể thay đổi các linh kiện của chip và từ đó thay đổi tính năng hoạt động của IC Tất cả các mạch tổ hợp có thể làm từ một vài dạng transistor và các đường dẫn (đều có kích thước cỡ μm ) Kích thước nhỏ làm tăng tốc độ làm việc, giảm công suất tiêu thụ điện: Các tín hiệu được chuyển từ logic 0 sang

1 ở trong một chip rõ ràng là nhanh hơn là chuyển từ chip này sang các chip khác Sự truyền nhận tín hiệu nhanh hơn sẽ làm giảm các dạng điện dung không có ích (điện dung ký sinh), công suất tiêu thụ thấp, dẫn đến giá thành sản phẩm giảm, thiết bị làm việc hiệu quả hơn

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4

Câu 1 Nhận định nào sau đây không đúng về điện trở của chất bán dẫn?

a Thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

b Thay đổi khi có ánh sáng chiếu vào

c Phụ thuộc vào bản chất

d Không phụ thuộc vào kích thước

Câu 2 Silic pha tạp asen thì nó là bán dẫn:

a Hạt tải cơ bản là eletron và là bán dẫn loại n

b Hạt tải cơ bản là eletron và là bán dẫn loại p

c Hạt tải cơ bản là lỗ trống và là bán dẫn loại n

d Hạt tải cơ bản là lỗ trống và là bán dẫn loại p

Câu 3 Silic pha pha tạp với chất nào sau đây không cho bán dẫn loại p?

a Bo; b Nhôm; c Gali; d Phốt pho

Câu 4 Lỗ trống là:

a Một hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện +e

b Một ion dương có thể di chuyển tụ do trong bán dẫn

c Một vị trí liên kết bị thiếu electron nên mang điện dương

d Một vị trí lỗ nhỏ trên bề mặt khối chất bán dẫn

Câu 5 Nhận xét nào sau đây không đúng về lớp tiếp xúc p - n?

a Là chỗ tiếp xúc bán dẫn loại p và bán dẫn loại n

b Lớp tiếp xúc này có điện trở lớn hơn so với lân cận

c Lớp tiếp xúc cho dòng điện dễ dàng đi qua theo chiều từ bán dẫn n sang bán dẫn p

d Lớp tiếp xúc cho dòng điện đi qua dễ dàng theo chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n

Câu 6 Nhận xét nào sau đây không đúng về lớp chuyển tiếp p - n?

a Là chỗ giao nhau giữa miền mang tính dẫn p và miền mang tính dẫn n

b Dòng điện chỉ đi được qua nó theo chiều từ p sang n

c Nó được ứng dụng để chế tạo diod bán dẫn

d Điện trở của lớp này luôn không đổi

Câu 7 Người ta không thể thay đổi nồng độ hạt tải điện trong chất bán dẫn bằng cách:

a Thay đổi kích thước của bán dẫn

b Thay đổi nhiệt độ của bán dẫn

c Pha thêm tạp chất vào bán dẫn

d Chiếu sáng vào bán dẫn

Chương 5 VẬT LIỆU TỪ

5.1 Khái niệm chung về tính chất từ của vật liệu từ tính

5.1.1 Khái niệm về từ học

Từ học là một trong những môn khoa học lâu đời nhất trong vật lý Lịch sử của

nó được bắt đầu từ khoảng hơn 3000 năm trước Người Trung Quốc cho rằng từ đời Hoàng Đế (trị vì Trung Hoa từ những năm 2698 TCN đến 2599 TCN), đã chế tạo ra các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng Đó là các đá nam châm có khả năng hút sắt và định hướng Bắc-Nam Chính sử đầu tiên ghi chép việc chế tạo các la bàn này là đầu đời Nhà Chu (1046-771 TCN) và la bàn thực sự xuất hiện nhiều là thế

kỷ thứ 7 trước công nguyên (đồng thời ở Trung Quốc và Hy Lạp) Các kim chỉ nam trong la bàn là một dạng của vật liệu từ cứng, là các ôxit sắt

Từ học (tiếng Anh: Magnetism) là một ngành khoa học thuộc Vật lý học nghiên cứu về hiện tượng hút và đẩy của các chất và hợp chất gây ra bởi từ tính của chúng Mặc dù tất cả các chất và hợp chất đều bị ảnh hưởng của từ trường tạo ra bởi một nam châm với một mức độ nào đó nhưng một số trong chúng có phản ứng rất dễ nhận thấy

là sắt, thép, ô-xít sắt Những chất và hợp chất có từ tính đặc biệt là đối tượng của từ học dùng để chế tạo những sản phẩm phục vụ con người được gọi là vật liệu từ

Từ tính gây ra bởi lực từ, lực từ là một dạng lực điện từ, một trong những lực

cơ bản của tự nhiên, nó được sinh ra do chuyển động của các hạt có điện tích Phương trình Maxwell cho biết nguồn gốc và mối liên hệ của các từ trường và điện trường gây

ra lực từ Mối quan hệ giữa lực từ và lực điện rất mật thiết, môn khoa học nghiên cứu

về vấn đề này được gọi là điện từ học

Các nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các hiện tượng từ bắt đầu

ở Châu Âu từ thế kỷ 17, mà mở đầu là công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu của Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell mở đầu cho việc đem các ứng dụng từ học vào cuộc sống Cho đến ngày nay, từ học vẫn là một chủ đề lớn của vật lý học với nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong khoa học, công nghệ, y - sinh học, cũng như trong cuộc sống

Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích, đó là cách hiểu đơn giản nhất về nguồn gốc từ trường Có thể hiểu đơn giản là các điện tích chuyển động trong nguyên tử tạo ra các dòng điện tròn, các dòng điện này tạo ra từ trường, nói cụ thể hơn là do sự quay của các điện tích tích xung quanh trục của mình (spin điện tử) và

sự quay theo quĩ đạo của các điện tử trong nguyên tử; momen từ của proton và nơtron nhỏ hơn hàng ngàn lần so với momen từ của điện tử

5.1.2 Hiện tượng từ hóa

Các vật liệu khi được đặt trong từ trường ngoài H

(do một dòng điện hoặc một nam châm vĩnh cửu sinh ra) thì bị nhiễm từ Tức là chúng có thể hút các mạt sắt hoặc

bị hút vào các nam châm vĩnh cửu Khi đó ta nói vật bị từ hóa hay vật đã bị phân cực

từ

Xét về mặt hiện tượng, từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật chất theo từ trường ngoài Xét về mặt bản chất, đây là sự thay đổi các momen từ nguyên tử Khi đặt vào từ trường ngoài, các momen từ nguyên tử có xu hướng bị quay đi theo từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ Tùy theo sự hưởng ứng này mà có thể phân

ra nhiều loại vật liệu từ khác nhau:

- Nghịch từ

Nghịch từ là bản chất cố hữu của mọi loại vật chất, ở đó, chất không có momen

từ nguyên tử, và tạo ra một từ trường phụ ngược với chiều của từ trường ngoài theo xu hướng của cảm ứng điện từ (quy tắc Lenz) Vì thế, chất nghịch từ có momen từ âm và ngược với chiều từ trường ngoài

- Sắt từ và các vật liệu có trật tự từ khác (phản sắt từ, feri từ)

Trong các vật liệu này, momen từ nguyên tử lớn và có liên kết với nhau thông qua tương tác trao đổi nên quá trình từ hóa trở nên rất phức tạp Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc từ, cấu trúc tinh thể cũng như sự đồng nhất của vật liệu Các quá trình từ hóa lúc này là sự thay đổi cấu trúc domen của chất, và dẫn đến nhiều loại chất khác nhau, ví dụ như vật liệu sắt từ mềm, vật liệu sắt từ cứng

Có thể hình dung một thỏi vật liệu đã được từ hóa như hình ảnh một thanh nam châm hút các mạt sắt mô tả ở hình 5-1 Hai đầu thanh bị phân thành hai cực mà

ta quen gọi là cực bắc và cực nam Sự sắp xếp của mạt sắt ở hai đầu và xung quanh thanh tương tự hình ảnh các đường sức từ đi vào và đi ra ở hai lưỡng cực điện

Hình 5-1 Thanh nam châm là một lưỡng cực từ

Các mạt sắt cho thấy hình dạng của các đường sức từ

Tuy nhiên ở các lưỡng cực từ thì không thể tách rời hai cực từ riêng biệt ra như từng điện tích một được Nếu bẻ gẫy một thanh nam châm thì ta lại được những thanh nam châm mới, nhỏ hơn, mỗi thanh đều có cực bắc và cực nam, ngay cả khi thỏi nam châm chỉ còn bằng một nguyên tử thì ta cũng không thể tìm được đơn cực từ hay là cực

từ cô lập Như vậy, phần tử nhỏ bé nhất có từ tính trong thiên nhiên là lưỡng cực từ

Hình 5-2 Khi bẻ gẫy thanh nam châm thành nhiều mảnh thì mỗi mảnh lại trở thành

một nam châm riêng biệt với các cực nam (S) và bắc (N)

5.1.3 Quá trình khử từ

Ngược với quá trình từ hóa là quá trình khử từ Khử từ là quá trình làm triệt tiêu

từ tính của vật từ, bằng cách đặt vào một từ trường ngược đủ lớn, hoặc làm tăng nhiệt

độ đến trên nhiệt độ định hướng của chất

- Các cách khác

Có nhiều các khác để khử từ, ví dụ đốt nóng vật từ đến trên nhiệt độ trật tự từ của chất (nhiệt độ Curie với các chất sắt từ, hay nhiệt độ Neél với các chất phản sắt từ ), lúc này các chất từ trạng thái có từ độ lớn sẽ bị mất từ tính và trở thành chất thuận từ Ngoài ra, sự va đập cơ học và ăn mòn hóa học cũng là những cách khử đi từ tính của chất

5.1.4 Phân loại các vật liệu từ

Vật liệu từ được phân loại theo phương diện nhiễm từ trên cơ sở những giá trị của μ và kM Theo phản ứng với từ trường ngoài và đặc tính sắp xếp từ bên trong, mọi vật chất trong thiên nhiên có thể chia thành năm nhóm: Nghịch từ, thuận từ, sắt từ, kháng sắt từ và ferit từ

Trên thị trường được phân ra làm 2 nhóm chính: Nhóm vật liệu từ mềm và nhóm vật liệu từ cứng

+ Vật liệu từ mềm: Có hệ số từ thẩm lớn Được sử dụng làm lõi thép trong mạch từ của các thiết bị điện từ

+ Vật liệu từ cứng: Có tích số năng lượng từ (B.H)max lớn, được sử dụng làm nam châm vĩnh cửu Vật liệu từ cứng là vật liệu có lực kháng từ Hc cao, nó chỉ bị từ hóa ở cường độ từ trường rất cao

Vật liệu từ mềm được qui ước có Hc < 800A/m, còn vật liệu từ cứng Hc

>4kA/m

Hình 5-3 Bảng tuần hoàn trình bày một số nguyên tố từ tính ở nhiệt độ phòng

5.1.4.1 Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic materials)

Chất nghịch từ là chất không có momen từ nguyên từ (tức là momen từ sinh ra

do các điện tử bù trừ lẫn nhau) Vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các momen từ ngược với từ trường ngoài (quy tắc nghịch từ nói ở trên) Theo nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ trường Nhưng thông thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bởi tính nghịch từ là rất yếu

Vật chất nghịch từ là những vật chất có độ từ cảm âm và không phụ thuộc vào hướng của từ trường ngoài Chúng có μr có giá trị không đổi cho đến cường độ từ trường rất lớn Trong vật liệu không có từ trường riêng khi không có từ trường ngoài:

μr <1; kM = (- 0,1.10- 6 ) đến (- 10- 5) Độ từ cảm của vật chất nghịch từ thay đổi rất ít theo nhiệt độ Điều này được giải thích rằng hiệu ứng nghịch từ là quá trình bên trong nguyên tử, mà sự chuyển động nhiệt của các hạt không bị ảnh hưởng lên nó Sự thể hiện bên ngoài của vật chất nghịch từ là chất nghịch từ bị đẩy ra khỏi từ trường không đồng nhất Vật chất nghịch từ là các khí trơ, H2 và nhiều chất lỏng (nước, dầu mỏ và các sản phẩm của nó), hàng loạt kim loại như đồng vàng, bạc, thủy ngân … và phần lớn bán dẫn như: Silic, Ge, liên kết AIIIBV, AIIBVI và các liên kết hữu cơ, tinh thể kiềm

- halogen, thủy tinh vô cơ và các vật chất khác Vật chất nghịch từ là tất

cả các vật chất có liên kết đồng hóa trị và các vật chất có trạng thái siêu dẫn

5.1.4.2 Chất thuận từ (Paramagnetic substance)

Chất thuận từ là chất có momen từ nguyên từ, nhưng momen từ này cũng rất nhỏ, có thể xem một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ (xem hình 5-4), nhưng không liên kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng

xa và momen từ yếu)

Hình 5-4 Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ

Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (momen từ nguyên tử) sẽ có xu hướng bị quay theo từ trường, vì thế momen từ của chất thuận từ là dương Tuy nhiên, do mỗi "nam châm" này có momen từ rất bé, nên momen từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ Hơn nữa, do các nam châm này không hề có tương tác với nhau nên chúng không giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài

Vật chất thuận từ là các vật chất có độ từ cảm kM dương, không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Ở nhiệt độ bình thường độ từ cảm kM của vật chất thuận từ khoảng 10-3 ÷ 10-6 Vì vậy hệ số từ thẩm tương đối μr không khác nhiều 1 Nhờ độ nhiễm từ dương của vật chất thuận từ, nếu đưa chúng vào từ trường không đồng nhất

sẽ bị kéo vào Trong từ trường rất mạnh và ở nhiệt độ thấp trong vật chất thuận từ có

thể xảy ra trạng thái bão hòa từ, trong đó tất cả momen từ cơ bản định hướng song song với cường độ Hiệu ứng thuận từ theo bản chất vật lý rất giống phân cực lưỡng cực của điện môi

Hầu hết các kim loại, các chất oxy, nitơ ở dạng lỏng, các muối kim loại, sắt từ ở nhiệt độ cao, các chất mangan, crom, vanadi, clorua coban (CoCl2) clorua sắt (FeCl2) clorua canxi (CaCl2) là vật chất thuận từ

Các vật chất thuận từ rắn có độ từ cảm thay đổi theo nhiệt độ tuân theo định luật Quyri - Veiss:

5.1.4.3 Siêu thuận từ (Superparamagnetic materials)

Nếu như trước đây, người ta coi thuận từ là các chất có từ tính yếu và ít có khả năng ứng dụng thì gần đây, siêu thuận từ lại trở thành một "hot topic" trong từ học Ta hãy xem xét lại một chút về sắt từ Một khái niệm cần biết trong sắt từ là "dị hướng từ tinh thể" K, đó là năng lượng định hướng liên quan đến sự định hướng của các momen

từ so với từ trường Mỗi chất sắt từ có 1 trục dễ từ hóa và khó từ hóa Năng lượng để quay các momen từ từ trục khó đến trục dễ gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể, liên quan đến sự bất đối xứng về tinh thể (hiểu một cách đơn giản nhất là năng lượng định hướng)

Một vật sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác và liên kết với nhau Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng định hướng và vật sẽ mang hành vi của một chất thuận từ Đó là siêu thuận từ

Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có hành vi như chất thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học

Hạt nano từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: Tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất