Bán dẫn nguyên tố silic

Silde trình bày bán dẫn nguyên tố silic trong môn công nghệ vật liệu điện tử,vật liệ bán dẫn

SEMINAR

BÁN DẪN NGUYÊN TỐ Si

Giới thiệu về Bán dẫn nguyên tố Si

Cấu tạo và tính chất bán dẫn Si.

• Số hiệu nguyên tử : 14

• Khối lượng nguyên tử : 28

• Nguyên tố phổ biến thứ 2 sau Oxi.

• Chiếm ¼ khối lượng Trái Đất.

• Si tự do không có trong tự nhiên.

• Hợp chất phổ biến nhất của Si là SiO2 (nguyên chất thường gặp trong thạch anh (cát)).

GIỚI THIỆU VỀ SILICON

Hình Cấu trúc tinh thể của Si

Handbook of Electronic and Photonic

Materials, Safa Kasap

Hình Xây dựng ô cơ sở của Si

Miller indices of some important planes in a cubic crystal

• Silicon wafers are usually cut along a {100} plane with a flat or notch to orient the wafer during IC fabrication.

Hình Chỉ số Miller của các mặt trong mạng lập phương

(Physic of Semiconductor Device, S.M.Sze)

VÙNG NĂNG LƯỢNG

VÀ KHE NĂNG LƯỢNG

 Phương trình Shrodinger :

 Hàm Bloch mô tả trạng thái của các điện tử trong chất rắn :

 Phổ năng lượng tương ứng hàm sóng

 BZ của mạng lập

phương tâm mặt (f.c.c) là mạng lập phương tâm khối (b.c.c)

Hình Vùng Brillouin của mạng fcc

Handbook of Electronic and Photonic

Materials, Safa Kasap

 Khi điện tử di chuyển giữa hai vùng năng lượng thì động lượng sẽ được bảo toàn trong trường hợp bán dẫn vùng cấm thẳng

và sẽ bị thay đổi trong trường hợp bán dẫn vùng cấm xiên.

Hình Cấu trúc vùng năng lượng của Si

Handbook of Electronic and Photonic

Materials, Safa Kasap

 Độ lớn khe năng lượng của Si là 1,17 eV ở 4.2 K

 Khi pha tạp càng mạnh thì khe năng lượng càng nhỏ.

 Khe năng lượng của hầu hết các chất bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng.

Hình Energy bandgaps of Si and GaAs as a function of temperature.

(Physic of Semiconductor Device, S.M.Sze)

NỒNG ĐỘ HẠT TẢI

Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG NHIỆT

Hình Three basic bond pictures of a semiconductor (a) Intrinsic Si

with no impurity (b) n-type Si with donor (phosphorus) (c) p-type Si with acceptor (boron) (Physic of Semiconductor Device, S.M.Sze)

 Mật độ trạng thái trong vùng dẫn :

 Mật độ trạng thái hiệu dụng của CB

 Nồng độ điện tử trong vùng dẫn

 Xét trong vùng hóa trị

 Mật độ trạng thái hiệu dụng của VB :

 Nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị :

 Mức Fermi :

 Nồng độ bán dẫn riêng :

ln(ni)=f(1000/T)

Intrinsic carrier concentrations of Si and GaAs (Physic of Semiconductor Device, S.M.Sze)

âm nếu được điền đầy bởi điện tử.

 Khi đưa tạp chất vào chất bán dẫn, phụ thuộc vào mức năng lượng pha tạp và nhiệt độ mạng tinh thể, không phải tất cả tạp đều bị ion hóa.

 Nồng độ donor bị ion hóa :

 Nồng độ acceptor bị ion hóa :

 Phương trình trung hòa :

Schematic band diagram, density of states, Fermi-Dirac distribution, and carrier concentrationsfor (a) intrinsic, (b) n- type, and (c) p-type semiconductors at thermal equilibrium Note that (Physic of Semiconductor Device, S.M.Sze)

 Bán dẫn loại n :

 Bán dẫn loại p :

Tính toán Mức Fermi

Fermi level of Si as a function of temperature and impurity concentration (Physic of Semiconductor Device, S.M.Sze)

PROPERTIES OF NANO CRYSTAL

Màng Si

Khi chiếu nguồn sáng 100W

Khi chiếu tia UV

Sơ đồ mẫu thực nghiệm

Effect of Native Oxide on the Electric Field-induced Characteristics

of Device-Quality Silicon at Room Temperature-Klyap Alyan,Laptep Viktor

Tính chất điện

Đặc tính IV của mẫu khảo sát (Khlyap , 2003)

Tính chất điện

Cấu trúc các mức năng lượng

Mẫu có cấu trúc cột trước khi xừ lý nhiệt Mẫu có cấu trúc hạt trước khi xử lý nhiệt

Mẫu sau khi xử lý nhiệt ở 300 C Phân bố điện theo chiều dài

Quantum dots

Ảnh TEM chụp quantum dotsSilicon nanocrystals - Hong Yu,Jie qiong Zheng,Zheng rong Qiu

Tính chất quang

Biểu đồ năng lượng phổ huỳnh quang với kích thước hạt

Si nanowire

RevModPhys.82.427 - Ricarrdo Rurali 2010

Cấu trúc vùng năng lượng

Cấu trúc vùng năng lượng với các trục khác nhau

Dải năng lượng

Vùng năng lượng thay đổi theo đường kính dây

Si xốp

Nano crystalline porous silicon - Sukumar barsu, Jajita Kanungo

Ảnh SEM bề mặt silic xốp

Các yếu tố tác động

Ảnh hưởng của quá trình anode hoá lên việc hình thành silic xốp

Tính chất quang

Tính truyền qua của ánh sáng

Nanocrystalline Porous Silicon: Structural, Optical, Electrical and Photovoltaic Properties

- Ma.Concepción Arena, Marina Verga,Omar Martínnez,Oscar H.Salinas

Tính chất quang

Tính phản xạ của ánh sáng

Nanocrystalline Porous Silicon: Structural, Optical, Electrical and Photovoltaic Properties-Ma.Concepción Arena,Marina Verga,

Omar Martínnez,Oscar H.Salinas

Tính chất điện

Đặc tính dòng theo thời gian

Công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn

Chế tạo,làm sạch nguyên liệu ban đầu.

Nuôi đơn tinh thể.

Làm sạch, pha tạp chất.

Gia công tinh thể.

Chế tạo, làm sạch nguyên liệu

• Tạo Silic thô:

SiC (rắn) + SiO2 (rắn) -> Si (rắn) + SiO (khí) + CO (khí)

Nuôi đơn tinh thể

 Crochralski :

- Nồi thạch anh

- Bộ phận kéo : kẹp mầm + kéo

quay + kéo lên.

- Điều khiển và khống chế môi

trường: nguồn khí + điều khiển lưu

lượng + đường khí thải

 Ưu điểm : đơn giản , nuôi được

tinh thể khá tinh khiết

Handbook of Electronic and Photonic Materials,

Safa Kasap

Nuôi đơn tinh thể

 Nóng chảy vùng : khắc phục

nhược điểm của Czochralski là

dễ làm nhiễm bẩn tinh thể từ nồi

đựng vật liệu.

• Từ thỏi đa tinh thể nung đến

nóng chảy một vùng Dịch

chuyển lên phía trên thì đa tinh

thể sẽ kết tinh thành thỏi đơn

Nuôi đơn tinh thể

 Phương pháp Bridgman

- Kéo từ từ qua vùng phân bố nhiệt độ

- Giữa lò nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy, thấp ở 2 đầu

- Có bù chất tránh sai tỉ lệ hợp thức

Nuôi đơn tinh thể

 Epitaxy pha hơi:tạo ra lớp đơn tinh thể có cấu trúc giống hệt đế.

• Phân hủy hơi SiCl4

Chế tạo SiNW: Từ dưới lên

•D=100nm.L=10um.T=480oC.P=40Pa

Ưu điểm :

•Chọn được tính chất ( loại p hoặc n) của NW bằng cách điều khiển chất dẫn.Tạo được

NW đơn tinh thể chất lượng cao với vị trí giếng chính xác và tính chất của điện tử

Chế tạo SiNW: Từ trên xuống

Nuôi đơn tinh thể

• Ngoài ra còn rất nhiều phương pháp nuôi đơn tinh thể dùng cho bán dẫn hợp chất : epitaxy pha lỏng(LPE) ,lắng đọng hóa học pha hơi kim loại (MOCVD),epitaxy chùm phân tử (MBE)….

Ion Implantion ( Cấy ion )

• Cấy ion

- Bán kính 1-10nm

- Thuận lợi:

– Dễ tích hợp vào thiết bị vi điện tử

– Có thể điều khiển được cường đồ và

đỉnh vùng năng lượng

- Không thuận lợi:

– Khoảng kích thước lớn phụ thuộc vào

vật liệu cấy

– Sai hỏng của vật liệu cấy

– Phá hủy bề mặt(QDs)

Vapor Liquid Solid (Lắng đọng)

D=100nm.L=10um.T=480oC.P=40Pa.

Quang Khắc – Ăn Mòn

ỨNG DỤNG

Silic đơn tinh thể

Dò tìm lai ghép DNA

Dò tìm Proteins

Silicon quantum dots