Những vật liệu này thường có tính chất điện và quanghọc vượt trội hơn so với vật liệu bán dẫn đơn chất, cho phép chúng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao như laser, LE
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BÁO CÁO MÔN HỌC NHẬP MÔN NGÀNH
Đ Ề TÀI
So sánh vật liệu bán dẫn đơn chất và vật liệu bán dẫn hợp chất Ứng dụng.
GVHD: TS HUỲNH THANH TÙNG LỚP : 24VDT
SVTH : 1 PHẠM ĐÔNG TRÀ
2 HOÀNG VŨ QUANG
3 NGUYỄN LÊ ANH TÀI
Đà Nẵng, 1/2025
Trang 2Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Điện Tử - Viễn Thông
PHIẾU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN MÔN HỌC
NHẬP MÔN NGÀNH
Tên đề tài: So sánh vật liệu bán dẫn đơn chất và vật liệu bán dẫn hợp chất Ứng dụng
Ngày báo cáo tại lớp: 19/12/2024
Phần báo cáo tại lớp
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Vật liệu bán dẫn đóng vai trò vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử và công nghệ hiện đại Chúng không chỉ là nền tảng cho các thiết bị điện tử mà còn là yếu tố then chốt trong sự phát triển của các công nghệ tiên tiến như vi mạch, cảm biến, và năng lượng mặt trời Vật liệu bán dẫn được chia thành hai loại chính: vật liệu bán dẫn đơn chất và vật liệu bán dẫn hợp chất Mỗi loại đều có những đặc điểm riêng biệt và ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
Vật liệu bán dẫn đơn chất chủ yếu bao gồm silicon (Si) và germanium (Ge) Silicon là vật liệu phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất vi mạch và các thiết bị điện tử nhờ vào tính chất dẫn điện tốt và khả năng chịu nhiệt cao Germanium, mặc dù ít phổ biến hơn, nhưng cũng có những ứng dụng quan trọng trong các thiết bị điện tử và quang điện
Vật liệu bán dẫn hợp chất bao gồm các hợp chất như gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), và silicon carbide (SiC) Những vật liệu này thường có tính chất điện và quanghọc vượt trội hơn so với vật liệu bán dẫn đơn chất, cho phép chúng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao như laser, LED, và các thiết bị tần số cao
Báo cáo này sẽ đi sâu vào so sánh chi tiết giữa hai loại vật liệu bán dẫn này, từ cấu trúc hóa học, tính chất vật lý, đến các ứng dụng cụ thể trong công nghiệp Qua đó, chúng ta sẽ thấy được tầm quan trọng và tiềm năng phát triển của từng loại vật liệu trong tương lai
Hy vọng rằng, thông qua báo cáo này, bạn đọc sẽ có cái nhìn toàn diện hơn về vật liệu bán dẫn và những đóng góp to lớn của chúng đối với sự phát triển của công nghệ hiện đại.4o mini
Trang 4MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 7
A SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN 7
B KHÁI NIỆM 8
C PHÂN LOẠI 9
CHƯƠNG 2: SO SÁNH GIỮA VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐƠN CHẤT VÀ VẬT LIỆU BÁN DẪN HỢP CHẤT 12
A ĐỊNH NGHĨA 12
B CẤU TRÚC TINH THỂ 12
C TÍNH CHẤT ĐIỆN 14
D ĐỘ BỀN VÀ HIỆU SUẤT 15
E KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT 17
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN 19
A ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐƠN CHẤT 19
B ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÁN DẪN HỢP CHẤT 20
Trang 5DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU,
HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ
Hình 1.1: John Bardeen (1908-1991) 7
Hình 1.2: Walter Brattain (1902-1987) 7
Hình 1.3: William Shockley (1910-1989) 7
Hình 1.4: Robert Noyce (1927-1990) 8
Hình 1.5: Jack Kilby (1923-2005) 8
Hình 1.6: Silicon 9
Hình 1.7: Germanium 9
Hình 1.8: Gallium Arsenide 10
Hình 1.9: Silicon Carbide 10
Hình 1.10: Indium Phosphide 10
Hình 1.11: Hai loại bán dẫn p và n 10
Hình 2.1: Cấu trúc tinh thể kim cương của silicon, germanium 13
Hình 2.2: Gallium Arsenide 14
Hình 2.3: Gallium Nitride 14
Hình 3.1: Diode 19
Hình 3.2: Transistor 19
Hình 3.3: CPU Intel ( Mạch tích hợp IC) 19
Hình 3.4: Các loại cảm biến ánh sáng 19
Hình 3.5: Cảm biến nhiệt độ Germanium 20
Hình 3.6: Đèn LED 21
Hình 3.7: Laser Diode 21
Hình 3.8: Bộ khuếch đại công suất RF 21
Hình 3.9: Pin mặt trời 21
Hình 3.10: Bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng SiC MOSFETs 22
Hình 3.11: Cảm biến nhiệt độ cao SiC 22
Hình 3.12: Diode Schottky 1N5822 22
Bảng 3.1: Tỉ lệ phần trăm thống kê giữa vật liệu bán dẫn đơn chất và hợp chất 22
Trang 6CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
A SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN
1 Khám Phá Vật Liệu Bán Dẫn
Vật liệu bán dẫn được nghiên cứu và phát triển từ đầu thế kỷ 20 Mặc dù chúng không được chútrọng ngay từ đầu do tính chất dẫn điện yếu, nhưng các nhà khoa học dần nhận ra tiềm năng to lớn của chúng trong ngành công nghiệp điện tử
2 Những Người Phát Minh Quan Trọng
2.1 John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley
Năm phát minh: 1947
Phát minh: Transistor
Tầm quan trọng: Phát minh transistor đã cách mạng hóa ngành điện tử Các
transistor, được làm từ vật liệu bán dẫn như silicon, thay thế các bóng đèn chân không, giúp giảm kích thước và tăng hiệu quả của các mạch điện tử
Giải thưởng: Các nhà khoa học này được trao Giải Nobel Vật lý năm 1956 cho phát minh của họ
Hình 1.1: John Bardeen Hình 1.2: Walter Brattain Hình 1.3: William Shockley
2.2 Robert Noyce và Jack Kilby
Năm phát minh: 1960
Phát minh: Mạch tích hợp (IC)
Tầm quan trọng: Phát minh mạch tích hợp đã mở ra kỷ nguyên của các vi mạch, giúp
Trang 7thu nhỏ các thiết bị điện tử mà không làm giảm hiệu suất.
Đóng góp: Các vi mạch này là nền tảng của tất cả các thiết bị điện tử hiện đại như máy tính, điện thoại di động, và các hệ thống điều khiển
Hình 1.4: Robert Noyce Hình 1.5: Jack Kilby
3 Tầm Quan Trọng Của Vật Liệu Bán Dẫn
Vật liệu bán dẫn đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các linh kiện điện tử hiện đại, giúp thay đổi hoàn toàn cách thức thiết kế và chế tạo các thiết bị điện tử Từ transistor,mạch tích hợp đến các thiết bị điện tử nhỏ gọn và mạnh mẽ, vật liệu bán dẫn đã làm nên cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp điện tử
B KHÁI NIỆM
Vật liệu bán dẫn là các chất có khả năng dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện (như kim loại)
và chất cách điện (như gỗ, thủy tinh) Các vật liệu này có đặc tính đặc biệt là khả năng dẫn điện không cố định mà có thể thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố môi trường hoặc các tác động bên ngoài như nhiệt độ, điện trường, ánh sáng và sự pha tạp với các nguyên tố khác Điều này cho phép vật liệu bán dẫn trở thành nền tảng quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử, đặc biệt trong các linh kiện như transistor, diode, và mạch tích hợp
Các vật liệu bán dẫn thường được chia thành hai loại chính là vật liệu bán dẫn đơn chất
và vật liệu bán dẫn hợp chất Vật liệu bán dẫn đơn chất thường được làm từ một nguyên tố duy nhất, ví dụ như silicon (Si) và germanium (Ge), trong khi vật liệu bán dẫn hợp chất là sự kết hợp của hai hoặc nhiều nguyên tố khác nhau, như gallium arsenide (GaAs) hay silicon carbide (SiC)
Đặc điểm quan trọng nhất của vật liệu bán dẫn là tính dẫn điện của chúng có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt Chúng có thể dẫn điện tốt hơn hoặc kém đi tùy thuộc vào điều kiện môi trường hoặc các tác động bên ngoài Ví dụ, khi vật liệu bán dẫn được pha tạp với các
Trang 8nguyên tố khác (quá trình gọi là doping), nó sẽ tạo ra các loại bán dẫn khác nhau như bán dẫn loại n (negative) và bán dẫn loại p (positive) Sự kết hợp giữa các vùng n và p tạo ra mối nối p-
n, là cơ sở cho các linh kiện điện tử quan trọng như diode và transistor
Các vật liệu bán dẫn đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghệ hiện đại, đặc biệt
là trong ngành điện tử Chúng là thành phần không thể thiếu trong mọi thiết bị điện tử từ các vi mạch, điện thoại di động, máy tính đến các hệ thống điện tử công suất cao Tính chất linh hoạt của vật liệu bán dẫn giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng hoạt động của các thiết bị điện tử, từ
đó thúc đẩy sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin
C PHÂN LOẠI
1 Phân loại theo thành phần hóa học
Vật liệu bán dẫn có thể được chia thành hai loại chính: vật liệu bán dẫn đơn chất và vật liệu bán dẫn hợp chất
Vật liệu bán dẫn đơn chất: Là những vật liệu được cấu tạo từ một nguyên tố duy nhất Vídụ:
o Silicon (Si): Silicon là vật liệu bán dẫn đơn chất phổ biến nhất, được sử dụng rộngrãi trong ngành công nghiệp điện tử Nó có cấu trúc tinh thể vuông và dễ dàng chếtạo thành các mạch điện tử phức tạp
o Germanium (Ge): Germanium cũng là một vật liệu bán dẫn đơn chất, mặc dù ít phổ biến hơn silicon, nhưng vẫn được sử dụng trong các ứng dụng như transistor
và mạch tích hợp Nó có khả năng dẫn điện tốt hơn silicon ở nhiệt độ thấp
Vật liệu bán dẫn hợp chất: Là những vật liệu được tạo thành từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều nguyên tố khác nhau Các vật liệu này thường có tính chất vượt trội so với vật liệu bán dẫn đơn chất và được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu đặc tính điện từ vượt trội Một số ví dụ:
o Gallium Arsenide (GaAs): Là một trong những vật liệu bán dẫn hợp chất phổ biến
Trang 9nhất, GaAs được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông, quang học, và các linh kiện hoạt động ở tần số cao GaAs có tính dẫn điện và khả năng chịu nhiệt tốt hơn
so với silicon, đặc biệt là trong các ứng dụng quang học và điện tử công suất cao
o Silicon Carbide (SiC): Là vật liệu bán dẫn hợp chất giữa silicon và carbon, SiC cókhả năng chịu nhiệt và điện áp rất cao, do đó nó được sử dụng trong các ứng dụngcông suất cao và các hệ thống năng lượng tái tạo
o Indium Phosphide (InP): Được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông và các hệ thống quang học, InP có tốc độ chuyển mạch cao và hiệu suất tốt trong các tần số cao
Hình 1.8: Gallium Arsenide Hình 1.9: Silicon Carbide Hình 1.10: Indium Phosphide
2 Phân loại theo tính chất điện tử
Vật liệu bán dẫn có thể được phân loại dựa trên khả năng dẫn điện của chúng, chia thành hai loại chính: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
Bán dẫn loại n (Negative): Là vật liệu bán dẫn chứa các electron dư thừa, tức là các nguyên tử trong vật liệu có một electron tự do không được gắn với hạt nhân Electron dư thừa này giúp vật liệu dễ dàng dẫn điện hơn Để tạo ra bán dẫn loại n, người ta thường pha tạp với các nguyên tố như phốt pho (P), arsen (As) hoặc antimon (Sb), vì các nguyên
tố này có 5 electron ở lớp vỏ ngoài, tạo thêm electron tự do
Bán dẫn loại p (Positive): Là vật liệu bán dẫn chứa các "lỗ trống" (holes), tức là những vịtrí thiếu electron Những "lỗ trống" này có thể di chuyển trong vật liệu và hoạt động như các hạt mang điện dương Để tạo ra bán dẫn loại p, người ta pha tạp với các nguyên tố như bo (B), nhôm (Al), hoặc gallium (Ga), vì các nguyên tố này có chỉ 3 electron ở lớp
vỏ ngoài, tạo ra những vị trí trống trong mạng tinh thể
Khi bán dẫn loại n và p kết hợp với nhau, chúng tạo ra một mối nối p-n, là cơ sở hoạt động của nhiều linh kiện điện tử như diode và transistor
Trang 10Hình 1.11: Hai loại bán dẫn p và n
3 Phân loại theo tính chất vật lý
Vật liệu bán dẫn có thể được phân loại theo các đặc tính vật lý khác nhau, bao gồm:
Bán dẫn tiêu chuẩn: Là các vật liệu bán dẫn thông thường, như silicon, germanium, dùngphổ biến trong các linh kiện điện tử
Bán dẫn rộng: Là các vật liệu bán dẫn có "vùng cấm" (band gap) rộng, giúp chúng hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt, chịu nhiệt độ và điện áp cao Ví dụ như silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao
và điện tử công suất
4 Phân loại theo tính chất quang học
Một cách phân loại vật liệu bán dẫn khác là dựa trên tính chất quang học của chúng Một số vật liệu bán dẫn có khả năng phát quang hoặc hấp thụ ánh sáng rất mạnh, và chúng được sử dụng trong các ứng dụng quang học, như đèn LED và tế bào quang điện Ví dụ:
Gallium Arsenide (GaAs) và Indium Phosphide (InP) thường được sử dụng trong các ứng dụng quang học và phát quang
Cadmium Telluride (CdTe) là một ví dụ của vật liệu bán dẫn dùng trong các tế bào quang điện để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng trong các hệ thống năng lượng mặt trời
Trang 11CHƯƠNG II: SO SÁNH GIỮA VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐƠN
2 Vật liệu bán dẫn hợp chất:
Vật liệu bán dẫn hợp chất được tạo thành từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều nguyên tố khác nhau.Những vật liệu này thường có đặc tính vượt trội so với vật liệu bán dẫn đơn chất và được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu tính chất điện tử và quang học đặc biệt Một số ví dụ tiêu biểu của vật liệu bán dẫn hợp chất bao gồm gallium arsenide (GaAs) và silicon carbide (SiC)
Gallium arsenide là một vật liệu bán dẫn hợp chất được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng viễn thông, quang học và các linh kiện điện tử hoạt động ở tần số cao, bởi vì nó có khả năng dẫn điện tốt và khả năng chịu nhiệt cao hơn silicon Silicon carbide, một hợp chất giữa silicon
và carbon, có khả năng chịu nhiệt và điện áp cực kỳ cao, được ứng dụng trong các hệ thống
Trang 12năng lượng công suất lớn và các thiết bị điện tử chịu tải cao.
B CẤU TRÚC TINH THỂ
Cấu trúc tinh thể là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý và điện tử của vật liệu bán dẫn Dựa trên thành phần của vật liệu, cấu trúc tinh thể có thể được chia thành hai loại chính: cấu trúc tinh thể của vật liệu bán dẫn đơn chất và vật liệu bán dẫn hợp chất
1 Vật liệu bán dẫn đơn chất
Vật liệu bán dẫn đơn chất có cấu trúc tinh thể tương đối đơn giản và đồng nhất, do chúngđược tạo thành từ một loại nguyên tử duy nhất Các nguyên tử trong vật liệu đơn chất sắpxếp theo một mô hình trật tự trong không gian ba chiều, gọi là mạng tinh thể
Ví dụ về cấu trúc tinh thể: Silicon (Si) và Germanium (Ge) là hai vật liệu bán dẫn đơn chất phổ biến nhất, cả hai đều có cấu trúc tinh thể kiểu kim cương Trong cấu trúc này, mỗi nguyên tử được liên kết với bốn nguyên tử lân cận bằng liên kết cộng hóa trị, tạo thành một mạng lưới bền vững và ổn định
Đặc điểm của cấu trúc tinh thể đơn chất: Sự đồng nhất trong thành phần nguyên tử và cấu trúc tinh thể giúp các vật liệu bán dẫn đơn chất có các tính chất điện tử ổn định và dễ
dự đoán Silicon, nhờ vào cấu trúc tinh thể đều đặn, có thể được chế tạo thành các tấm wafer lớn, một ưu điểm quan trọng trong sản xuất linh kiện điện tử
Hình 2.1: Cấu trúc tinh thể kim cương của silicon, germanium
2 Vật liệu bán dẫn hợp chất
Vật liệu bán dẫn hợp chất có cấu trúc tinh thể phức tạp hơn so với vật liệu đơn chất, do chúng được tạo thành từ hai hoặc nhiều nguyên tố khác nhau Trong cấu trúc này, các nguyên tử thuộc các nguyên tố khác nhau sắp xếp theo một trật tự nhất định, tạo thành một mạng lưới tinh thể độc đáo
Ví dụ về cấu trúc tinh thể: Gallium arsenide (GaAs) là một trong những vật liệu bán dẫn
Trang 13hợp chất phổ biến nhất, có cấu trúc tinh thể kiểu sphalerite Cấu trúc này tương tự cấu trúc kim cương nhưng chứa hai loại nguyên tử khác nhau là gallium (Ga) và arsenic (As) Một ví dụ khác là silicon carbide (SiC), có cấu trúc tinh thể lục giác hoặc khối tùy thuộc vào cách sắp xếp các nguyên tử silicon và carbon.
Đặc điểm của cấu trúc tinh thể hợp chất: Cấu trúc tinh thể phức tạp của vật liệu bán dẫn hợp chất cho phép điều chỉnh các tính chất vật lý và điện tử, như độ rộng vùng cấm (band gap), độ dẫn điện, và khả năng tương tác với ánh sáng Ví dụ, vật liệu GaAs có độ rộng vùng cấm lớn hơn silicon, giúp nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng quang học và viễn thông
Hình 2.2: Gallium Arsenide Hình 2.3: Gallium nitride
C TÍNH CHẤT ĐIỆN
Tính chất điện là một trong những đặc điểm quan trọng nhất của vật liệu bán dẫn, quyết định khả năng ứng dụng của chúng trong các thiết bị điện tử và công nghệ hiện đại Tùy thuộc vào loại vật liệu, tính chất điện có thể thay đổi theo nhiệt độ, tạp chất, hoặc thành phần hợp chất Dưới đây là các đặc điểm chi tiết về tính chất điện của vật liệu bán dẫn đơn chất và hợp chất:
1 Tính chất điện của vật liệu bán dẫn đơn chất
Vật liệu bán dẫn đơn chất, như silicon (Si) và germanium (Ge), có tính chất điện độc đáo, phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ và sự pha tạp
Độ dẫn điện và nhiệt độ:
o Trong điều kiện nhiệt độ thấp, các electron trong vật liệu bán dẫn đơn chất bị giữ chặt trong các liên kết cộng hóa trị, khiến vật liệu có tính chất giống như chất cách điện
o Khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt cung cấp đủ để giải phóng một số electron khỏi các liên kết cộng hóa trị, cho phép chúng tham gia vào dòng điện Đồng thời,các lỗ trống (hole) được tạo ra trong quá trình này cũng góp phần vào sự dẫn điện.Kết quả là điện trở suất của vật liệu bán dẫn đơn chất giảm khi nhiệt độ tăng, một tính chất ngược lại so với các vật liệu dẫn điện như kim loại
