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

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

Chương 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

1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN

1.2 MẠNG TINH THỂ

1.3 CẤY TINH THỂ KHỐI

1.4 PHƯƠNG PHÁP NUÔI CẤY EPITAXIA

1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN

nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện

tùy thuộc vào sự thay đổi về:

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 được sử dụng rộng rãi trong thời kỳ đầu phát triển chất bán dẫn cho transistor

và diode

Silic hiện nay được sử dụng chủ yếu để chế tạo các bộ chỉnh lưu, transitor

và các mạch tích hợp

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.

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

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.

1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN

với số lượng có thể điều khiển chính xác Quá trìnhpha thêm (có kiểm soát) những tạp chất này được gọi

là pha tạp (doping)

mẫu Si từ một chất dẫn điện kém thành chất dẫn điệnmạnh

bán dẫn, chúng ta cần phải hiểu được sự sắp xếpnguyên tử của những nguyên tố bán dẫn

 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.

Phân loại chất rắn

 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 cộng hóa trị ( kim cương)

* tinh thể kim loại ( Fe, K)

* tinh thể Van der Waals (nước đá, He rắn )

Đơn tinh thể (single crystal):

các nguyên tử sắp xếp trật tự

trong toàn bộ không gian

(trật tự xa)

Đa tinh thể (polycrystal) :

gồm các đơn tinh thể kích thước nhỏ định hướng

ngẫu nhiên

Mật độ sắp xếp của các hệ có trật tự

Cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp của các nguyên tử hoặc phân tử trong tinh thể

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 đường thẳng.

Giao điểm của các đường thẳng được gọi là Mỗi

nút mạng đều được bao quanh giống nhau.

là thể hiện của cấu trúc tinh thể vì sự lặp đi lặp lại của nĩ sẽ tạo nên tinh thể

Ơ cơ bản

ODEF

Ở đây a, b (và c nếu

mạng tinh thể là ba chiều ) được gọi là vector cơ bản của mạng.

Các nút trong mạng tinh thể là đồng nhất nếu vectơ giữa các nút này là :

r=pa+qb+sc

Ơ đơn vị PQRS

Ô đơn vị (unit cell)

 Tầm quan trọng của ô đơn vị nằm ở thực tế đó là chúng ta có thể phân tích toàn bộ tinh thể bằng cách nghiên cứu một thể tích đại diện.

 Ví dụ, từ ô đơn vị chúng ta có thể tìm ra khoảng cách giữa các nguyên tử gần nhau nhất với các nguyên tử gần nhau nhất tiếp theo để tính toán các lực liên kết mạng tinh thể, có thể xem xét

tỉ lệ thể tích ô đơn vị được lấp trống bởi các nguyên tử và liên

hệ khối lượng riêng của chất rắn với sự sắp xếp nguyên tử Nhưng quan trọng cả đó là những đặc điểm của mạng tinh thể tuần hoàn quyết định các mức năng lượng cho phép của các electron tham gia vào quá trình dẫn điện Do đó mạng không chỉ quyết định đặc tính cơ học của tinh thể mà còn quyết định

cả đặc tính điện.

1.2.2 Mạng tinh thể lập phương

SC BCC FCC

 Các nguyên tử ở những vị 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)

NaCl

r 4 a

r

hệ lập phương tâm thể SC, BCC, FCC, HCP giả sử các nguyên tử được xem như những quả cầu cứng.

tích thể

mạng

ô trong

tử nguyên

các tích

(8

33/)(64r

)/3r

r 3

 Chúng ta sử dụng ba số nguyên để miêu tả vị trí mặt và hướng của vectơ trong mạng tinh thể.

đầu của bất kỳ điểm nút nào (việc lựa chọn điểm nút mạng không quan trọng vì tất cả các nút đều có giá trị như nhau), và các trục tọa

độ hướng theo các cạnh của ô đơn vị

1 Tìm ra giao điểm của mặt với các trục tọa độ và thể hiện những giao điểm

đó đó như là tổ hợp của những vectơ cơ bản (mặt có thể được di chuyển vào trong hoặc ra ngoài mặt ban đầu, giữ nguyên hướng của nó cho đến khi phát hiện ra các giao điểm như thế trên các trục tọa độ)

2 Nghịch đảo giá trị 3 trị số nguyên tìm được trong bước 1 và giảm chúng

xuống giá trị thấp nhất, ta được chỉ số h,k,l tương ứng tỉ lệ với 3 giá trị nghịch đảo kia.

3 Kí hiệu: mặt (hkl)

 Để ký hiệu các mặt mạng

trong tinh thể người ta dùng chỉ

số Miller

 Trong tinh thể, tất cả các mặt

song song với nhau đều tương

đương hay đồng nhất nên có

cùng chỉ số Miller như nhau.

a o, b o , c o là đơn vị độ dài trên các trục x, y, z.

 Ví dụ : mặt ABC cắt các trục x, y, z tại các điểm A, B,

C có độ dài tương ứng là 1a o , 2/3b o , 2/3c o.Có thể nói tọa

độ các giao điểm giữa mặt ABC với các trục x, y, z là 1,

2/3, 2/3

 Lập các giá trị nghịch đảo của các tọa độ này, ta có lần

lượt là 2/2; 3/2 và 3/2

 Nhân các phân số đó với bội số chung nhỏ nhất của các

mẫu số rồi bỏ mẫu số, ta được các số nguyên 2, 3, 3 tương

ứng h, l , k

 Nếu mặt phẳng song song với trục (không có giao điểm)

thì chỉ số tương ứng bằng 0.

 Nếu giao điểm nằm ở phần âm của trục ta có chỉ số âm

Chỉ số Miller mặt ABC:(2 3 3)

số của các vectơ cơ sở, và 3 chỉ số được giảm xuống giá trị thấp nhất trong khi vẫn giữ nguyên tỉ lệ giữa chúng.

Ví dụ, đường chéo khối trong

mạng tinh thể lập phương (Hình

1-7a) là tập hợp của các thành phần

1a, 1b và 1c; do đó đường chéo

này có hướng là [111].

l k

h

d

1.2.4 Mạng kim cương

ở dạng thù hình kim cương Trong nhiều hợp chất bán dẫn, các

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 nguyên tử phụ tại điểm a/4 + b/4 + c/4 từ mỗi nguyên tử của

mạng.

(a) một ô đơn vị của mạng

kim cương được hình thành

bằng cách đặt các nguyên tử

tại toạ độ ¼, ¼, ¼ từ mỗi

nguyên tử trong khối lập

phương tâm mặt; (b) một

mạng kim cương mở rộng

nhìn từ trên xuống (theo

hướng <100>).

Mạng kim cương

 Trong trường hợp các nguyên tử giống hệt nhau, chúng

ta gọi đó là mạng kim cương.

 Nếu các nguyên tử khác nhau thì đó là cấu trúc khoáng kẽm (zinc blende)

 Ví dụ, nếu một mạng tinh thể fcc thứ cấp được cấu

thành từ các nguyên tử Ga và các mạng thứ cấp lồng trong nó được tạo bởi nguyên 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.

Ví dụ

 Tính mật độ thể tích của các nguyên tử Si (nguyên tử/cm 3 ), biết hằng số mạng của Si là 5,43 Tính mật độ nguyên tử thực (nguyên tử/ cm3) trên mặt (100).



8 3

8 (5, 43x10 )

Mạng kim cương

đó là khả năng thay đổi hỗn hợp thành phần trong của hai mạng thứ cấp lồng của tinh thể khoáng kẽm (zinc blende ZnS).

kim bằng cách bằng cách lựa chọn số lượng của nguyên tử Al hay

Ga trong mạng con của nguyên tố nhóm III Quy ước là dùng các chữ viết dưới tên các nguyên tố để thể hiện các thành phần khác nhau Ví dụ, thể hiện một hợp kim trong đó cấu trúc mạng tinh thể tam hợp của nguyên tố nhóm III trong cấu trúc mạng tinh

thể khoáng kẽm (zinc blende ZnS) chứa x nguyên tử Al và 1-x

nguyên tử As

cấy tinh thể hợp chất của 4 nguyên tố (tứ hợp) ví dụ như thì dải

thay đổi của các đặc tính rất rộng.

As Ga

Al x 1x

1.3 CẤY TINH THỂ KHỐI

khi phát minh ra transistor năm 1948 không chỉ phụthuộc vào sự phát triển của nhu cầu thiết bị mà cònphụ thuộc vào sự phát triển của vật liệu bán dẫn

bán dẫn chặt chẽ hơn so với các nguyên liệu khác.Chất bán dẫn không chỉ phải tồn tại trong các đơntinh thể lớn mà độ tinh khiết cũng phải được kiểmsoát trong giới hạn cực kỳ chặt chẽ

Ví dụ, các tinh thể Si hiện nay được sử dụng trong

các chất bán dẫn được nuôi cấy với tỷ lệ tạp chấtkhông vượt quá 1/10 tỷ

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 nguyên tử tạp chất trên 1 triệu phân tử (ppm) MGS này đủ

sạch để dùng cho các ứng dụng luyện kim nhưng nó không đủ tinh khiết để dùng cho các ứng dụng điện tử và hơn nữa nó

không 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

1.3.2 Phương pháp nuôi cấy khối đơn tỉnh thể

vẫn ở dạng đa tinh thể sang khối Si đơn tinh thể Quá trình được

thực hiện bằng một phương pháp phổ biến gọi là Crochzalski.

Hình: Kéo một tinh thể Si khỏi

dung dịch nóng chảy (phương

Một tinh thể Silic được nuôi cấy bởi phương pháp Czochralski Đây là tinh thể lớn có thể

được cắt thành nhiều tấm mỏng có đường kính 300mm (12-in.) Thỏi tinh thể này dài khoảng 1m (bao gồm cả phần đầu nhọn), nặng khoảng 140kg.

1.3.3 Các tấm mỏng

cơ khí để tạo ra các tấm mỏng.

gần trụ với đường kính chính xác Điều này rất quan trọng vì trong điều kiện chế tạo mạch tổ hợp nhiều thiết bị và robot xử lý lát bán dẫn yêu cầu tỷ lệ dung sai rất chặt chẽ về kích thước của các lát

được các mặt trong thỏi tinh thể.

để mặt trước của tấm mỏng bóng như gương Các tấm mỏng giờ đây đã sẵn sàng cho việc sản xuất mạch tích hợp (Hình 1-12b) Giá trị kinh tế gia tăng của quá trình này thật ấn tượng Từ cát (SiO2) giá trị cực thấp, chúng ta có thể làm ra những tấm Si trị giá vài trăm đô

la Mỹ, từ đó chúng ta còn có thể sản xuất ra những bộ vi xử lý trị giá

Hình 1-12 Các bước trong quá trình sản xuất tấm Silic

(a) Một thỏi Silic 300mm hình trụ,

có khe khuyết trên một bề mặt đang được chuyển đến máy cắt để tạo ra các tấm Silic.

(b) một kỹ sư đang giữ một hộp các lát 300mm

1.3.4 Phương pháp khắc hoá

định sẽ được cho vào Một đại lượng quan trọng xác định tỷ lệ tạp

k d=

L

S C C

1.4 PHƯƠNG PHÁP NUÔI CẤY EPITAXIA

 Một trong những phương pháp quan trọng và đa năng nhất để nuôi cấy tinh thể cho các linh kiện trong ứng dụng là cấy một lớp tinh thể trên màng mỏng của một tinh thể thích hợp Tinh thể nền có thể là lát mỏng của vật liệu cùng loại với tinh thể được nuôi cấy hoặc là vật liệu khác có cấu trúc tinh thể tương tự Trong quá trình này tinh thể nền đóng vai trò như là tinh thể mẫu để tinh thể mới có thể mọc trên nó Lớp tinh thể mọc dần lên vẫn duy trì cấu trúc tinh thể và hướng của tinh thể nền.

Kỹ thuật nuôi cấy một lớp tinh thể định hướng nhờ một lát tinh thể nền gọi là phương pháp epitixia.

 Như chúng ta sẽ thấy trong phần này, phương pháp nuôi cấy tinh thể epitixia có thể thực hiện tại nhiệt độ thấp hơn điểm tan chảy của tinh thể nền Người ta sử dụng nhiều phương pháp để cung cấp một lượng nguyên tử thích hợp lên bề mặt của lớp tinh thể đang nuôi cấy Có thể kể đến các phương pháp như Ngưng tụ hóa học từ pha hơi (Chemical Vapor Depositon – CVD) 2 , nuôi cấy từ trạng thái lỏng (epitaxy pha lỏng, LPD),

và bay hơi trong chân không (molecular beam expitaxy chùm phân tử- MBE) Với nhiều kỹ thuật nuôi cấy tinh thể này, chúng ta có thể nuôi cấy nhiều loại tinh thể cho các linh kiện trong ứng dụng, với những đặc tính xác định cho điện tử và quang điện tử.

Chương 2: Nguyên tử và các electron

2.1GIỚI THIỆU MÔ HÌNH VẬT LÝ

2.1GIỚI THIỆU MÔ HÌNH VẬT LÝ

 Những nỗ lực chính của khoa học là để mô tả những gì xảy ra trong tự nhiên, dưới một hình thức hoàn chỉnh và ngắn gọn nhất có thể Trong vật lý nỗ lực này hướng đến việc quan sát các hiện tượng tự nhiên, những quan sát này được xác lập trước lý thuyết, và cuối cùng là thiết lập một mô hình vật lý cho các quan sát.

 Khi hiện tượng vật lý mới được quan sát, cần thiết tìm ra nó phù hợp với các mô hình vật lý và các đinh luật vật lý như thế nào.

 Một hiện tượng mới có thể dự đoán xảy ra trước khi nó được thực sự quan sát, đơn giản chỉ bằng một nghiên cứu cẩn thận

và mở rộng các mô hình hiện có và các đinh luật.

2.1GIỚI THIỆU MÔ HÌNH VẬT LÝ

tập hợp các quan sát không thể giải thích bởi các lýthuyết hiện có Trong trường hợp như vậy cần thiếtphải phát triển các mô hình dựa theo càng nhiều cácthuyết đã có, nhưng có chứa các khía cạnh mới phátsinh từ các hiện tượng mới

nghiên cứu các quan sát thực nghiệm quan trọng dẫnđến lý thuyết lượng tử, và sau đó dùng thuyết này đểgiải thích cho những quan sát đó

2.2 CÁC QUAN SÁT THỰC NGHIỆM

lượng tử có liên quan đến sự tương tác của ánh sáng

và vật chất Một mặt, các hiện tượng như giao thoahoặc nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sang mang tínhchất sóng như theo đề xuất của Huygens, trái ngượcvới quan điểm hạt theo đề xuất của Newton Nhưngmặt khác, nhiều thí nghiệm ở đầu thế kỷ 20 rõ ràngcho thấy rằng cần có một thuyết mới về ánh sáng

2.2.1 Hiệu ứng quang điện

 Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện: (a) electron thoát khỏi bề

mặt tấm kim loại khi chiếu một ánh sáng có tần số v trong

chân không; (b) đồ thị biểu diễn động năng lớn nhất của electron thoát và tần số của sóng tới.

2.2.2 Phổ nguyên tử

 Một trong những thí nghiệm có giá trị nhất của vật lý hiện đại

là việc phân tích sự hấp thụ và phát xạ của ánh sáng bởi các nguyên tử.

 Ví dụ, có thể tạo ra phóng điện trong khí để cho các nguyên tử bắt đầu phát ra ánh sáng với bước sóng đặc trưng cho loại khí

đó Ta nhìn thấy hiệu ứng này trong bóng đèn neon, thường là một ống thủy tinh chứa đầy khí neon hoặc hỗn hợp khí, với các điện cực để phóng ra các điện tích Nếu cường độ của ánh sáng phát ra được đo dưới dạng một hàm của bước sóng thì ta được một loạt các vạch sắc nét chứ không phải một phân phối liên tục theo các bước sóng.

2.2.2 Phổ nguyên tử

Hình 2.2 Một số vạch quan trọng trong quang phổ phát xạ của nguyên tử hydro