Cơ sở công nghệ vi điện tử

Bài giảng cơ sở công nghệ vi điện tử

Chương 1: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA CÔNG NGHỆ

§1: Cấu trúc tinh thể của vật liệu

 Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử

 Các dạng liên kết nguyên tử trong vật rắn

1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử

2 Cấu trúc tinh thể

 Ô mạng cơ sở và một số ví dụ

 Mặt tinh thể và hướng tinh thể

 Chỉ số Miller

§1: Cấu trúc tinh thể của vật liệu

 Cấu trúc của vật liệu:

- Điều kiện tạo thành (nhiệt độ, áp suất…)

- Tương tác giữa các phần tử cấu thành (lực liên kết giữa các phân tử, nguyên tử)

- Tính chất của vật rắn phụ thuộc chủ yếu vào cách sắp xếp của các phần tử cấu thành và lực liên kết giữa chúng

- Vật chất có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí

- Trong tự nhiên tồn tại hai dạng vật rắn khác nhau đó là tinh thể và vô định hình

- Khi làm nguội quá trình xảy ra theo chiều ngược lại Việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác xảy ra ở một nhiệt độ nhất định là nhiệt độ nóng chảy

§1: Cấu trúc tinh thể của vật liệu

Các vật thể tinh thể

- Giữ nguyên trạng thái rắn, nghĩa là vẫn giữ được hình dáng đã có của chúng, cho đến một nhiệt độ hoàn toàn xác định, chúng chuyển thành trạng thái lỏng

- Khi nung nóng bị mềm ra trong một khoảng nhiệt độ, nhão và sau đó chuyển thành trạng thái lỏng

Các vật thể vô định hình

Trạng thái tinh thể của chất rắn ổn định hơn trạng thái vô định hình

a Nguyên tử: bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử mang điện âm chuyển động xung quanh

• Số lượng tử chính, n

• Số lượng tử phụ, l

• Số lượng tử từ, m

• Số lượng tử spin, ms

 Hạt notron N, không mang điện

 Hạt proton mang điện dương, có

điện tích bằng điện tích của điện

tử, Z (số thứ tự nguyên tử trong

bảng tuần hoàn Mendeleev)

 Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hoà điện do số lượng

 Xác suất tìm thấy điện tử trên một quỹ đạo nào đó xung quanh hạt nhân được xác định bằng bốn tham số, gọi là số lượng tử

 Cấu tạo từ những proton và notron

1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử

b Số lượng tử của điện tử

 Số lượng tử chính, n:

 Có các giá trị cho phép là 1, 2, 3…

 Xác định năng lượng cho phép của điện tử

 Những điện tử có cùng giá trị n hợp thành một lớp điện tử, ký hiệu lần lượt là K, L, M…

 Số lượng tử từ, m:

 Có các giá trị cho phép từ -l đến +l (0, ±1, ±2, ±3, … ±l)

 Xác định khả năng định hướng cho phép của véctơ moment

xung lượng quỹ đạo đối với chiều của từ trường bên ngoài

 Số lượng tử spin, s:

 Có hai giá trị cho phép là s= -l /2 (spin-up) và s= +1/2 (spin-down)

 Xác định khả năng định hướng ngược chiều nhau của véctơ

moment xung lượng spin của điện tử

 Sự phân bố điện tử theo các mức trạng thái (tức khả năng

có mặt tại một phân lớp nào đó với một trạng thái năng lượng xác định) phải tuân theo nguyên lý Pauli

 Nguyên lý Pauli : Mỗi trạng thái với ba số lượng tử n, l, m

xác định chỉ có thể chứa hai điện tử với spin ngược chiều nhau (Hoặc: Không thể có hai điện tử có cùng bốn số lượng tử giống nhau)

Số lượng

tử chính

Ký hiệu lớp điện tử

Ký hiệu phân lớp điện tử

Số lượng trạng thái có thể

Số lượng điện tử có thể trên phân lớp trên lớp

Thông tin trên bảng hệ thống tuần hoàn

c Một số liên kết nguyên tử trong vật rắn

3 Liên kết kim loại

H H

Molecular orbitals

từ nguyên tử H

Liên kết ion

 Liên kết iôn xảy ra giữa iôn dương và iôn âm

 Khi các nguyên tử lại gần nhau và các vùng năng lượng hóa trị

giữa các nguyên tố phủ lên nhau thì có sự phân bố lại điện tử Nguyên tố dương điện mất điện tử trở thành iôn dương, còn các nguyên tố âm điện có được các điện tử trở thành iôn âm

 Cần phải có sự trao đổi điện tích

 Liên kết iôn thường tạo thành giữa các nguyên tố có nhiều điện

tử hoá trị (nhóm VIB hoặc nhóm VIIB) với nhóm có ít điện tử hoá trị (nhóm IB hoặc IIB)

 Liên kết iôn bền vững (mạnh) khi các nguyên tử chứa

càng ít điện tử tức là các điện tử cho hoặc nhận nằm gần hạt nhân

 Liên kết iôn là liên kết không định hướng

 Đặc điểm của liên kết iôn

 Sự phân bố lại các điện tử hoá trị ở liên kết iôn xảy ra

giữa các nguyên tử của một phân tử (ví dụ: giữa một nguyên tử sắt và một nguyên tử oxy trong phân tử FeO)

Ví dụ về liên kết iôn: NaCl

3s 3p

Na (c = 0.9)

3s 3p

Cl (c = 3.0)

Na atom Cl atom

Liên kết

Truyền điện tích

Cấu trúc của NaCl

Cấu trúc

Điện tử

Liên kết kim loại

 Loại liên kết xảy ra trong nguyên tố kim loại và hợp kim của chúng

 Liên kết kim loại thường được tạo nên từ những nguyên tố có ít điện

tử hoá trị

 Năng lượng liên kết kim loại là tổng hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các iôn dương và đám mây điện tử tự do

 Hình ảnh của liên kết kim loại: Các iôn dương tạo thành một mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do chung

 Trong kim loại, không thể coi các nguyên tử đã bị mất hay đã bị bắt giữ các điện tử hoá trị Các điện tử tự do đã được dùng chung cho tất cả các nguyên tử trong thể tích tinh thể

 Liên kết kim loại là liên kết không định phương vì mỗi nguyên tử

có xu hướng hút về mình số nguyên tử lân cận nhiều nhất có thể

 Năng lượng của liên kết kim loại nhỏ hơn năng lượng của liên kết đồng hoá trị, do đó trong nhiều trường hợp, so với các tinh thể đồng hoá trị, các kim loại có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi, môđun đàn hồi thấp hơn nhưng hệ số giãn nở nhiệt cao

Liên kết Van der Waals

Thế nào là liên kết Van der waals?

 Liên kết đồng hoá trị thuần tuý chỉ có được trong trường hợp liên

kết đồng cực tức là giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố

hoá học

 Trong liên kết dị cực (giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác

nhau) điện tử hoá trị tham gia liên kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược:

 Bị hút bởi hạt nhân của chính nguyên tử đó

 Bị hút bởi hạt nhân của nguyên tử thứ hai để tạo điện tử chung

 Khả năng của hạt nhân hút điện tử hoá trị được gọi là tính âm

điện của nguyên tử Sự khác nhau về tính âm điện giữa các

nguyên tử trong liên kết đồng hoá trị làm cho đám mây điện tử

chung bị biến dạng tạo thành lưỡng cực điện

 Tính iôn của liên kết sẽ càng lớn nếu sự khác nhau về tính âm

điện của các nguyên tử càng lớn

Liên kết Van der Waals

Tất cả các liên kết dị cực đều mang tính chất hỗn hợp của

giữa liên kết iôn và liên kết đồng hoá trị

Định nghĩa liên kết Van der waals:

 Trong phân tử có liên kết đồng hoá trị, do sự khác nhau về tính

âm điện của các nguyên tử, trọng tâm điện tích dương và điện

tích âm không trùng nhau, lưỡng cực điện được tạo thành,

phân tử bị phân cực Lực liên kết Van der Waals là liên kết do

hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân

cực ở trạng thái rắn

Liên kết Van der Waals là liên kết yếu, rất dễ bị phá vỡ do tác động nhiệt (tăng nhiệt độ) và không có tính định phương

Ảnh hưởng của liên kết lên cấu trúc và tính chất của vật liệu

A Tinh thể tồn tại liên kết đồng hoá trị

 Do tính định phương của liên kết giữa các nguyên tử và cấu trúc tinh thể không sít chặt dẫn tới độ dẻo và độ cứng không cao

 Do liên kết đồng hoá trị, các nguyên tử trong tinh thể không xếp chặt và tạo ra cấu trúc tinh thể có số sắp xếp không lớn

 Do năng lượng liên kết lớn nên các tinh thể đồng hoá trị có nhiệt

độ nóng chảy và nhiệt độ bay hơi cao

 Việc tạo thành các vùng hoá trị đã được điền đầy biến các tinh thể đồng hoá trị thành các chất bán dẫn và thậm chí thành cả chất điện môi

B Tinh thể tồn tại liên kết iôn:

 Các iôn nằm ở nút mạng của tinh thể iôn

 Đối với tinh thể iôn, số sắp xếp được quyết định bởi tỷ lệ bán kính của các iôn kim loại và á kim, vì mỗi á kim muốn hút về mình sao cho thật nhiều các iôn trái dấu Các iôn trong mạng được sắp xếp như những quả cầu có đường kính khác nhau

 Bán kính của các iôn á kim lớn hơn bán kính các iôn kim loại, do

đó các iôn kim loại điền đầy các lỗ trống trong mạng tinh thể hình thành bởi các iôn á kim Trong các tinh thể loại này, số sắp xếp được xác định bằng số iôn trái dấu bao quanh một iôn đã cho

 Khi bị nung nóng tỷ lệ bán kính iôn có thể bị thay đổi vì bán kính

á kim tăng mạnh hơn bán kính kim loại  thay đổi kiểu mạng tinh thể nghĩa là dẫn đến hiện tượng đa hình

 Năng lượng liên kết của tinh thể iôn có độ lớn gần bằng năng lượng liên kết của tinh thể đồng hoá trị, lớn hơn năng lượng liên kết của kim loại. tinh thể iôn có nhiệt độ nóng chảy cao, nhiệt

độ bay hơi cao, môdun đàn hồi cao, hệ số nén và giãn nở thấp

 Các vùng năng lượng điền đầy do phân bố lại các điện tử đã làm cho các tinh thể iôn trở thành bán dẫn hoặc chất điện môi

 Tăng liên kết đồng hoá trị làm tăng độ dẫn Các tinh thể AIBVII là

IV IV

C Tinh thể tồn tại liên kết kim loại:

 Liên kết kim loại không định phương nên các tinh thể liên kết kim loại có số sắp xếp cao và cấu trúc sít chặt các tinh thể kim loại dẻo hơn nhưng kém cứng hơn so với các tinh thể đồng hoá trị Độ dẫn điện tốt được bảo đảm bởi trong vùng năng lượng hoá trị có các phân mức tự do

 Ở kim loại và một số á kim có hiện tượng đa hình tức là một chất

ở trạng thái rắn, dưới nhiệt độ hoặc áp suất khác nhau có các cấu trúc tinh thể khác nhau (gọi là dạng thù hình hay biến thể) Dạng thù hình ở nhiệt độ thấp gọi là α, còn các dạng thù hình ở nhiệt độ cao gọi là β, γ, δ…

 Năng lượng liên kết của kim loại nhỏ hơn năng lượng của liên kết đồng hoá trị một chút, do đó trong nhiều trường hợp so với các tinh thể đồng hoá trị, các kim loại có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi, môđun đàn hồi thấp hơn nhưng hệ số giãn nở nhiệt cao

 Hệ số nhiệt điện trở của các tinh thể kim loại có giá trị dương, nghĩa là điện trở tăng khi nung nóng

C Tinh thể tồn tại liên kết kim loại:

 Các hạt cơ bản (iôn, nguyên tử, phân tử)

tạo nên tinh thể thì nằm sát nhau và được

sắp xếp khác nhau, nhưng có quy luật, theo

các phương khác nhau

 Hình hộp nhỏ nhất được gọi là ô cơ bản

 Xếp liên tục các ô cơ bản sẽ tạo thành

mạng tinh thể hay còn gọi là mạng không

gian

 Các đỉnh của khối hộp được gọi là các

nút mạng của mạng không gian

 Mạng tinh thể không gian quyết định hoàn

toàn cấu tạo tinh thể

Nguyên thuỷ Tâm mặt

Ô mạng

L ập phương đơn giản

C ó 8 nguyên tử nhưng được sử dụng chung trong 8 ô đơn vị

→ c ó 1 nguyên tử trong 1 ô đơn vị

Số nguyên tử trong một ô mạng

Số các nguyên tử gần nhất

Lập phương đơn giản: số phối trí = 6

Số phối trí

a a

2 2

2 2







R = bán kính nguyên tử

Adapted from Fig 3.1(a),

Callister 6e

Lập phương tâm mặt (FCC)

Số nguyên tử trong một ô mạng của lập phương tâm mặt

Số phối trí của lập phương tâm mặt

Có 12 nguyên tử gần nhất

Số phối trí = 12

Lập phương tâm khối (BCC)

Atoms at the corners of the cube

+

Atom at the center of the cube

a

a 2

R 4

3 4

4

2

R a

R a

a







Lập phương tâm khối (BCC)

Số nguyên tử trong một ô mạng lập phương tâm khối

atoms )

atom _

center (

) atoms _

Số phối trí của mạng lập phương tâm khối

Trình tự xác định chỉ số Miller cho mạng lập phương

4) Triệt tiêu các phân số và xác định tập số nguyên nhỏ nhất

Các số này chính là chỉ số Miller của mặt tinh thể Chỉ số

âm được ký hiệu với một dấu gạch ngang trên chỉ số

 Giá trị của các hệ số h, k, l nhỏ nghĩa là mặt phẳng có trật tự

thấp, mật độ sắp xếp nguyên tử nhỏ Vật liệu dùng chế tạo vi mạch thường có hướng (100), (110), (111) và (122)

1) Chọn một mặt phẳng không đi qua gốc toạ độ (0,0,0);

2) Xác định các toạ độ giao điểm của mặt phẳng với các trục

x, y, z của ô lập phương Toạ độ giao điểm đó có thể là

phân số;

3) Lấy nghịch đảo các toạ độ giao điểm này;

Mặt (100) trong tinh thể lập phương tâm mặt

z

y

§2: Mô hình vùng năng lượng của chất bán dẫn

§3: Hàm phân bố Fermi-Dirac

 Hàm phân bố Fermi-Dirac

1 k

exp

1 )

E

E N

n

B

F C

C exp

0

2 / 3

m

Trong đó, N C là mật độ hiệu dụng các trạng thái trong vùng dẫn,

là khối lượng hiệu dụng của điện tử,

*

n

m

h là hằng số Plank và h = 6,625.10 -34 J.s = 4,14.10 -15 eV

 Số lỗ trống có thể tham gia vào quá trình dẫn điện

E

E N

p

B

V F

V exp

0

2 / 3

m

Đối với Si ở nhiệt độ phòng NV = 1.1019 cm-3

Trong đó, N V là mật độ hiệu dụng các trạng thái trong vùng ho á trị ,

là khối lượng hiệu dụng của l ỗ trống ,

*

n

m

h l à hằng số Plank v à h = 6,625.10 -34 J.s = 4,14.10 -15 eV

§4: Bán dẫn riêng và bán dẫn tạp chất

 Đặc điểm: Nồng độ hạt dẫn riêng xuất hiện từ kết quả oxy

hoá chính nguyên tử silíc vì cứ một điện tử xuất hiện ở vùng dẫn lại có một lỗ trống ở vùng hoá trị nên nồng độ điện tử tự

do n luôn bằng với nồng độ lỗ trống p:

n = p = ni , trong đó ni được gọi là nồng độ hạt dẫn riêng

1 Bán dẫn riêng

 Định nghĩa: Chất bán dẫn không chứa tạp chất được gọi là bán

dẫn tinh khiết hay bán dẫn riêng (intrinsic)

2 Bán dẫn tạp chất

 Bán dẫn tạp chất là loại bán dẫn trong đó được pha tạp một số

nguyên tử tạp chất để thay đổi nồng độ lỗ trống và điện tử

khác nhau với nồng độ lỗ trống và điện tử trong bán dẫn riêng

 Bán dẫn loại n: Tạp chất là nguyên tử thuộc nhóm V (P, As,

Sb) trong bảng tuần hoàn được đưa vào mạng tinh thể Silíc

 Bán dẫn loại p: Tạp chất là nguyên tử nguyên tố thuộc nhóm

III (B, Al, In) trong bảng tuần hoàn được đưa vào mạng Silíc ví dụ như Al

Bán dẫn loại n

Bán dẫn loại p

Giản đồ năng lượng của bán dẫn

Bán dẫn thu ần Bán dẫn lo ại n Bán dẫn lo ại p