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

Các phương pháp doping:  Phương pháp hóa học chemical doping  Phương pháp điện hóa electrochemical doping  Độ dẫn điện cố định  Phương pháp kích thích quang học photo – doping by

LOGO

CÁC LOẠI

VẬT LIỆU BÁN DẪN

Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow

The important thing is not to stop questioning

www.themegallery.com

I Sơ lược

điện và điện môi

yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, điện trường, tạp chất, quang…

đổi độ dẫn của chất bán dẫn

II Chất bán dẫn hữu cơ

 1975, tiến sĩ Shirakawa tổng hợp được PA ở dạng phim màu bạc

 1976, giáo sư Alan MacDiarmid và Alan Heeger cho khí Iot hấp thụ vào phim PA  tăng độ dẫn điện lên

1 tỷ lần

 2000, Shirakawa, MacDiarmid và Heeger được nhận

giải Nobel hóa học cho sự khám phá và phát triển polymer dẫn điện

II.1 Giới thiệu

Hình: cấu trúc của những polymer dẫn điện (bán dẫn hữu cơ) quan trọng

 Doping là quá trình đưa thêm một số tạp chất (dopant) hay tạo ra một số sai hỏng

 Có tác dụng bù điện tích cho chuỗi polymer và duy trì nó ở trang thái cân bằng

II.2 Doping

Các phương pháp doping:

 Phương pháp hóa học (chemical doping)

 Phương pháp điện hóa (electrochemical doping)

 Độ dẫn điện cố định

 Phương pháp kích thích quang học (photo – doping by

photo – excitation)

 Chỉ kéo dài trong thời gian kích thích

 Phương pháp phun điện tích qua cấu trúc kim loại –

điện môi – bán dẫn (MIS)

II.3 Đặc điểm

 Những nối carbon liên hợp – C = C – C = C –

 Sự có mặt dopant (iot, clo, hơp chất vô cơ,…)

Polymer trở nên dẫn điện

II.4 Tính chất

II.4.1 Tính chất điện

Cơ chế dẫn điện:

 Chuyển động của các sai hỏng

 Điện tích di chuyển bằng bước nhảy (hoping)

II.4.2 Tính chất quang

 Tính quang dẫn khá mạnh

 Hấp thụ: xảy ra trong vùng ánh sáng khả kiến

 Độ nhạy quang và phổ nhạy quang phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và gia công nhiệt

II.5 Vùng năng lượng

 Trong bán dẫn hữu cơ có 2 mức năng lượng:

 𝜋 chiếm đầy điện tử  vùng hóa trị (HOMO)

 𝜋∗ không chiếm đầy  vùng dẫn (LUMO)

Khoảng cách giữa LUMO và HOMO: năng lượng vùng cấm

Hầu hết bán dẫn hữu cơ có năng lượng vùng cấm 1,5

~ 3 eV

II.6 Ưu điểm

 Giá thành thấp

 Có thể chế tạo được diện tích lớn

 Đáp ứng tính chất quang và điện đặc biệt

 Dẻo, nhiều màu

II.7 Nhược điểm

 Độ ổn định chưa cao

 Khó kiểm soát độ dày màng

 Độ linh động thấp

II.8 Ứng dụng

Ứng dụng tính chất điện:

 Chế tạo các thiết bị điện – điện tử

 Chế tạo lớp chuyển tiếp p – n, các đi ốt

 Chế tạo nhiệt điện trở

 Chế tạo các cảm biến sinh học

 Sử dụng như một pin nhiệt điện, các bộ làm lạnh nhiệt điện

Ứng dụng tính chất quang và quang điện:

II.8 Ứng dụng

 Chế tạo detector hồng ngoại

 Chế tạo các quang dẫn, tế bào quang điện, pin mặt trời

III Chất bán dẫn oxit kim loại

Giới thiệu

 Các oxit bán dẫn là vật liệu mà trong đó các hạt kim loại được chuyển đổi qua lại tương đối dễ dàng giữa hai trạng thái hóa trị Điều này có thể là giữa hai trạng thái oxi hóa khác nhau, hoặc sự chuyển đổi giữa ion dương và kim loại trung tính

TiO 2

Đại đa số các oxit kim loại đều là chất bán dẫn

ZnO

2 Tính chất

 ZnO được xếp vào loại vật liệu mềm, độ cứng vào khoảng 4.5

 ZnO có khả năng dẫn nhiệt và chịu nhiệt tốt, ít bị giãn nở vì nhiệt,

nhiệt độ nóng chảy cao (1975 0 C)

 ZnO trong tự nhiên là bán dẫn loại n

 Độ linh động của điện tử cao (đạt cực đại ~2000cm2/V.s ở 80K)

 Độ rộng vùng cấm lớn (~3.4eV ở nhiệt độ phòng)

Cấu trúc tinh thể của ZnO a) Wurtzite b) Zinc Blende

ZnO

ZnO

3 Cấu trúc vùng năng lượng

Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của ZnO

ZnO

3 Cấu trúc vùng năng lượng

Giản đồ năng lượng của ZnO khối Các mức donor gồm

VO •, VO •• , VO x và Zni •, Zni ••, Zni x, mức aceptor là VZn ’’, VZn ’

ZnO

4 Ứng dụng

 ZnO được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo màn hình tinh thể lỏng (LCD), các loại kính chống nhiệt, pin, thiết bị áp điện, bia gốm, phẩm nhuộm…

Đối với ngành công nghiệp điện tử, ZnO là thành phần chủ yếu của hầu hết các loại linh kiện bán dẫn như diode, transistor , LED…

ZnO còn được sử dụng trong chế tạo cảm biến khí

1 Cấu trúc tinh thể

 SnO2 có cấu trúc tinh thể kiểu Rutile

Ô đơn vị chứa sáu nguyên tử: hai thiếc và bốn Oxi

Bao quanh mỗi nguyên tử thiếc có sáu nguyên tử Oxi Các nguyên tử Oxi tạo thành hình bát diện có tâm là nguyên tử thiếc

Tinh thể SnO2 thuộc hệ tứ phương có hằng số mạng a = b = 4,738 Ao , c = 3,187 Ao

SnO2

 SnO2 được biết đến như một bán dẫn loại n

 Màng SnO2 có độ truyền qua cao (trên 80%)

 Độ rộng vùng cấm vào khoảng từ 3.87eV đến 4.3eV

3 Cấu trúc vùng năng lượng

Cấu trúc vùng năng lượng SnO2 theo tính

toán bằng mô phỏng

3 Cấu trúc vùng năng lượng

Giản đồ năng lượng của khối SnO2

1 Cấu trúc tinh thể

 WO3 có cấu trúc perovskit

 WO3 hình thành trên cơ sở một ion W ở tâm kết

hợp với 6 ion oxy tại 6 đỉnh tạo thành khối bát diện

1 Cấu trúc tinh thể

 Trên thực tế, trong màng WO3 tồn tại những vị trí

khuyết Oxi thường mang cấu trúc bát diện chung cạnh như WO2

 Hình thành các kênh ngầm dãn rộng với thiết diện lục

giác hay ngũ giác

3 Cấu trúc vùng năng lượng

WO3

Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể

WO3, WO2

4 Ứng dụng

 Chế tạo màng điện sắc, cửa sổ thông minh

Linh kiện hiển thị

Kính chống lóa…

IV Chất bán dẫn từ

IV.1 Định nghĩa

 Chất bán dẫn từ là loại vật liệu thể hiện đồng thời tính bán dẫn

và tính sắt từ bằng cách điều khiển trạng thái spin của điện tử

 Chất bán dẫn từ pha loãng (dilute magnetic semiconductor) được nghiên cứu dựa trên việc pha tạp kim loại chuyển tiếp (Mn, Fe, Co,…) hoặc các nguyên tố đất hiếm vào chất bán dẫn bình thường để tạo nên tính chất từ cho nền

 Tính chất bán dẫn từ phụ thuộc vào độ hòa tan của kim loại pha tạp vào chất bán dẫn nền

IV.2 Phân loại

 Chất bán dẫn từ thể hiện tính sắt từ:

 In1-xMnxAs (Tc =50 - 100K), Ga1-xMnxAs (Tc =100 – 200K), In

1-x MnxSb (Tr) (III-V)

 Pha tạp Mn, Co, Fe vào oxit kim loại

• Co pha tạp vào TiO2 (Tc > 400K)

• Cr ph tạp vào TiO2 rutile (Tc > 400K)

• Fe pha tạp vào TiO2 (Tr)

• Mn pha tạp vào SbO2 (Tc > 340)

• Fe pha tạp vào SbO2 (Tc > 340)

• Mn, Co pha tạp vào ZnO

 Chất bán dẫn từ thể hiện tính phản sắt từ: Mn pha tạp vào ZnSe, CdTe, CdS (II-VI)

IV.3 Đăc điểm

 Khi thay thế nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Mn, Co…) vào chất bán dẫn chủ, một phần cation của chất chủ được thay thế bởi ion từ tính

 Các nguyên tố pha tạp với trạng thái d hoặc f chưa lấp đầy, sẽ tồn

tại các điện tử chưa tạo cặp, điều này ảnh hưởng tới tính chất từ của vật liệu

 Chất bán dẫn từ được ứng dụng rộng rãi trong các linh kiện

spintronic như thiết bị ghi nhớ thông tin

 Khả năng điều khiển tính chất từ dựa vào spin cho phép chế tạo

các linh kiện như diode phát quang spin, transistor trường spin,

qubit spin cho máy tính lượng tử

IV.4 Ứng dụng

V Bán dẫn hợp chất vô cơ

 Cấu trúc tinh thể: 3 cấu trúc kim cương (D), zinc-bland (Z), wurtzire (W) đều thuộc loại cấu trúc tứ diện

 Trong cấu trúc kim cương thì nguyên tử ở tâm và nguyên tử ở 4 đỉnh tứ diện là cùng loại

 Trong cấu trúc Z và W thì nguyên tử ở tâm là khác loại với 4 nguyên tử

ở đỉnh tứ diện

 Cấu trúc D và Z thuộc mạng lập phương tâm mặt, các tứ giác là đều và

2 tứ diện cạnh nhau quay tương đối với nhau 1 góc 60˚ Cấu trúc W thuộc dạng lục giác nhưng nguyên tử vẫn sắp xếp dạng tứ giác không đều

V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑨 𝑰𝑰𝑰 𝑩 𝑽

 Liên kết hóa học: trong bán dẫn nguyên tố nhóm IV là liên kết đồng hóa trị

 Liên kết được thực hiện bằng 1 đôi điện tử có spin ngược chiều nhau, phân bố ở khoảng giữa 2 nguyên tử, đóng vai trò như một cái “cầu điện tử” nối 2 nguyên tử

 Ngoài ra, trong cấu trúc Z và W còn có thể có cơ chế

liên kết khác như liên kết dị thể (heteropolar), liên kết ion

 Cấu trúc vùng năng lượng: về cơ bản giống với cấu trúc vùng năng lượng của các chất bán dẫn thuộc nhóm IV Si, Ge Vùng dẫn và vùng hóa trị đều gồm các vùng con chồng lên nhau

 Cấu trúc Z có những điểm đặc biệt:

Mặt đẳng năng ở lân cận cực đại vùng hóa trị và cự tiểu vùng dẫn đều là những

mặt cầu

Trong vùng hóa trị cũng có 3 nhánh ứng với lỗ trống nặng, lỗ trống nhẹ, và lỗ

trống trung bình Trong đó nhánh lỗ trống trung bình nằm ở tâm vùng Brillouin

Các chất 𝐴𝐼𝐼𝐼𝐵𝑉 có thể có vùng cấm thẳng như GaAs, InSb… hoặc vùng cấm xiên như AlP, GaP, AlSb

Khối lượng hiệu dụng thường nhỏ và là đại lượng vô hướng

V.1 Bán dẫn hợp chất 𝑨 𝑰𝑰𝑰 𝑩 𝑽

Dung dịch rắn của hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼𝐵𝑉: để tạo thành dung dịch rắn thông thường chất hòa tan và chất bị hòa tan phải có những tính chất sau:

1 Kích thước nguyên tử chất hòa tan và chất bị hòa tan tương đối gần

nhau Sự khác nhau về bán kính nguyên tử không quá ±15

2 Chất hòa tan và chất bị hòa tan có cùng loại cấu trúc tinh thể

3 Về phương diện điện hóa, chất hòa tan và chất bọ hòa tan phải có

sự tương đồng

4 Thông thường một kim loại thường có xu hướng hòa tan mạnh các

kim loại nào có hóa trị lớn hơn so với kim loại có hóa trị nhỏ hơn

Ứng dụng :

• Chế tạo các linh kiện quang điện tử: LED, diode laser, các photo-ditector, các linh kiện điện tử hoạt động nhanh…

• Chế tạo các linh kiện công suất cao hoạt động ở nhiệt

độ cao

• Cho phép thiết kế những vật liệu bán dẫn vùng cấm thẳng kéo dài từ vùng khả kiến tới vùng tử ngoại

 Cấu trúc tinh thể: lập phương giả kẽm Z và lục giác

W, trong đó có sự sắp xếp đặc trưng tứ diện như trong nhóm các nguyên tố nhóm IV

 Trong cấu trúc giả kẽm, một ô cơ bản có 4 phân tử ZnS có toạ độ :

Trong cấu trúc Z, một ô cơ bản có 2 phân tử có tọa độ

 Liên kết hóa học: các hợp chất này có cấu trúc tứ diện

và 2 nguyên tử cạnh nhau có tổng số điện tử hóa trị là

8, tức số điện tử trung bình là 4 giống Si và các hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼𝐵𝑉 Do đó người ta giả thiết rằng liên kết hóa học trong hợp chất 𝑨𝑰𝑰𝑩𝑽𝑰 một phần là liên kết đồng hóa trị và một phần là liên kết ion

 Điện tích hiệu dụng e* đặc trưng cho liên kết hóa học, điện tích hiệu dụng càng lớn thì thành phần ion trong liên kết càng lớn Điện tích hiệu dụng của Si bằng 0

 Cấu trúc vùng năng lượng :Với tinh thể giả kẽm vùng Brillouin có dạng một khối

14 mặt Với tinh thể loại lục giác vùng Brillouin có dạng khối lăng trụ 4 mặt

 Với cấu trúc giả kẽm :

Tính chất :

 Các hợp chất của 2 kim loại Zn và Cd với 3 nguyên tố S, Se,

Te có tính chất điện tử và quang học quan trọng Chúng dễ dàng tạo thành dunh dịch rắn liên tục, có thể “điều chỉnh” nhiều tính chất khác nhau

 Các hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼𝐵𝑉 phổ biến có tính dẫn loại n, trừ ZnTe là bán dẫn loại p

 Bán dẫn hợp chất 𝐴𝐼𝐼𝐼𝐵𝑉 thường có hiệu suất phát xạ hay hấp thụ sóng điện từ cao Vì thế mà chúng có tính chất quang quan trọng,

Ứng dụng :

 Sử dụng để chế tạo màu huỳnh quang trong các thiết bị hiển thị

 Chế tạo photodetector trên cơ sở hệ 𝐻𝑔1−𝑥𝐶𝑑𝑥Te

 Chế tạo các cửa sổ bảo vệ và các tế bào quang điện, detector hạt nhân (CdTe)

 Chế tạo pin mặt trời từ vật liệu CdS, CdTe

 Chế tạo các diode phát quang sóng ngắn, các hệ quang-điện tử tích hợp với silic và GaAs…

LOGO

Imagination is more important than knowledge

A.Einstein