chapter2-1-Tinh-chat-ban-dan_V2.pdf

1. VẬT LÝ BÁN DẪN (EE1007) Chương 2-1: Các tính chất của chất bán dẫn HIEU NGUYEN Bộ môn kỹ thuật điện tử Đại học Bách Khoa Tp.HCM HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 1 / 48

2. Tổng quát các loại vật liệu rắn Gồm 3 loại: Vật liệu dẫn điện Vật liệu bán dẫn Vật liệu cách điện Nội dung phần này sẽ phân tích các tính chất, đặc điểm của vật liệu bán dẫn so với các vật liệu còn lại HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 2 / 48

3. Nội dung 1 Tính dẫn điện của bán dẫn 2 Vật liệu bán dẫn 3 Liên kết hóa học trong bán dẫn 4 Cấu trúc tinh thể 5 Tài liệu tham khảo HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 3 / 48

5. Điện trở suất và điện dẫn suất Điện trở suất ρ: đại lượng vật lí mô tả khả năng cản trở dòng điện của vật liệu Đơn vị: Ω.m Điện dẫn suất σ: đại lượng vật lí mô tả khả năng cho dòng điện đi qua của vật liệu Đơn vị: S m Một chất dẫn điện tốt thì điện trở suất càng nhỏ và điện dẫn suất càng lớn HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 5 / 48

6. Đồ thị mô tả tính dẫn điện HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 6 / 48

7. Tính dẫn điện của bán dẫn Bán dẫn có tính dẫn điện và cách điện trung bình: điện trở suất và điện dẫn suất nằm ở giữa so với 2 loại vật liệu còn lại Điện trở suất và điện dẫn suất của bán dẫn có khả năng thay đổi trên một khoảng rộng Điện trở suất và điện dẫn suất của bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, ánh sáng, điện trường và cách pha tạp chất vào vật liệu đó HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 7 / 48

9. Vật liệu bán dẫn Gồm 2 loại: Bán dẫn nguyên tố: được tạo nên từ một nguyên tố bán dẫn là Silic (Si) hoặc Germanium (Ge) Hợp chất bán dẫn: được tạo nên từ 2 nguyên tố trở lên (không nhất thiết phải là bán dẫn) và có tính chất dẫn điện tương tự như bán dẫn nguyên tố HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 9 / 48

10. Bán dẫn nguyên tố HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 10 / 48

11. Bán dẫn nguyên tố Si và Ge đều thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Trong những năm 1950, Ge là vật liệu bán dẫn chính Từ những năm 1960 cho đến nay, Si trở thành vật liệu bán dẫn chính bởi: - Thể hiện đặc tính tốt hơn Ge ở nhiệt độ phòng - Chi phí sản xuất ra Si rẻ hơn so với các vật liệu khác - Si là nguyên tố chiếm nhiều thứ 2 (sau Oxi) trong lớp vỏ Trái Đất HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 11 / 48

12. Hợp chất bán dẫn Các hợp chất bán dẫn thường được tạo nên từ 2 nguyên tố (nhị hợp), 3 nguyên tố (tam hợp) và 4 nguyên tố (4 hợp) Các hợp chất bán dẫn có tính chất điện và quang đặc biệt hơn so với bán dẫn nguyên tố. Do đó, những năm gần đây, các hợp chất bán dẫn được sử dụng nhiều trong các dụng cụ bán dẫn đặc biệt. Ví dụ như GaAs được dùng làm vật liệu chính để chế tạo nên các linh kiện trong lĩnh vực quang điện tử và chuyển mạch tốc độ cao. HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 12 / 48

13. Một số hợp chất bán dẫn phổ biến HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 13 / 48

14. Các ứng dụng phổ biến của bán dẫn Bán dẫn nguyên tố - Si dùng trong chế tạo BJT và các linh kiện có cấu trúc MOS: đặc biệt là các mạch tương tự, logic số và bộ nhớ CMOS - Ge dùng cho chế tạo diode, BJT Hợp chất bán dẫn - GaAs, GaAsP, InP dùng cho các ứng dụng tốc độ cao và linh kiện quang điện tử - InAs, CdTe, HdCdTe, GaInSb, AlInSb dùng cho các linh kiện phát hiện ánh sáng có bước sóng dài - GaN, AlGaN dùng để chế tạo LED trắng, xanh và các dụng cụ công suất cao HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 14 / 48

16. Liên kết thường có trong vật liệu rắn Gồm 3 loại: Liên kết kim loại Liên kết ion Liên kết cộng hóa trị HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 16 / 48

17. Liên kết kim loại Liên kết kim loại được hình thành từ lực hút tĩnh điện (lực Coulomb) giữa các ion kim loại mang điện tích dương và các electron tự do (dưới dạng đám mây electron) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 17 / 48

18. Hình thành liên kết kim loại Các nguyên tử cho electron tạo thành ion dương Các electron tạo thành đám mây electron Hình thành lực hút giữa các ion dương và đám mây electron Lực hút này cân bằng với lực đẩy giữa các ion dương và giữa các electron HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 18 / 48

19. Đặc điểm liên kết kim loại Bản chất của liên kết kim loại có sự xuất hiện của đám mây electron hay bản chất là rất nhiều các electron chuyển động tự do → các vật liệu rắn hình thành theo kiểu liên kết này có độ dẫn điện cao Đây là liên kết đặc trưng của kim loại HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 19 / 48

20. Liên kết ion Liên kết ion được hình thành tự lực hút tĩnh điện (lực Coulomb) giữa các ion tích điện dương và các ion tích điện âm HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 20 / 48

21. Hình thành liên kết ion Một nguyên tử cho electron → tạo thành ion (+) Một nguyên tử nhận electron → tạo thành ion (-) Hình thành lực hút giữa các ion (+) và ion (-) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 21 / 48

22. Đặc điểm của liên kết ion Khi hình thành liên kết, các electron tách ra từ ion (+) chuyển sang ion (-) và từ đó hình thành lực hút tĩnh điện giữa 2 ion trái dấu → còn rất ít electron tự do → các vật liệu rắn hình thành chính theo kiểu liên kết này thường có độ dẫn điện thấp Các hợp chất ion là chất rắn đơn tinh thể ở nhiệt độ phòng, rắn dòn, có điểm nóng chảy cao và có thể hòa tan được trong các chất lỏng thông thường HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 22 / 48

23. Liên kết cộng hóa trị Liên kết cộng hóa trị được hình thành bởi sự dùng chung electron của các nguyên tử kế nhau (1 cặp điện tử dùng chung → 1 liên kết cộng hóa trị) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 23 / 48

24. Liên kết cộng hóa trị trong Silic Ở nhiệt độ thấp, các electron dao dộng nhiệt nhẹ trong liên kết (hay electron được ràng buộc trong liên kết) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 24 / 48

25. Hình thành electron tự do và lỗ trống Khi nhiệt độ tăng cao, nhiệt năng của môi trường cung cấp năng lượng cho electron dao động nhiệt mạnh hơn và nếu năng lượng đủ lớn, các electron sẽ thoát ra khỏi liên kết → bẽ gãy liên kết cộng hóa trị HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 25 / 48

26. Hình thành electron tự do và lỗ trống Hình a, electron thoát ra khỏi liên kết và trở thành electron tự do. Vị trí (A) còn thiếu mất electron được gọi là lỗ trống. Quy ước: - Nếu 1 electron có điện tích là −q thì lỗ trống có điện tích là +q với q = 1, 6.10−19 C - Lỗ trống cũng có khối lượng Hình b mô tả khi electron chuyển động từ vị trí (B) sang vị trí (A) thì lỗ trống di chuyển từ vị trí (A) về vị trí (B) → lỗ trống chuyển động ngược chiều electron HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 26 / 48

27. Liên kết cộng hóa trị trong bán dẫn Chất rắn có liên kết cộng hóa trị có điểm nóng chảy thấp (so với chất rắn có liên kết ion), không tan trong chất lỏng thông thường Bán dẫn nguyên tố Si và Ge: chỉ có liên kết cộng hóa trị Hợp chất bán dẫn có cả liên kết cộng hóa trị và liên kết ion (Trong đó liên kết cộng hóa trị chiếm chủ đạo) Hạt dẫn điện chính trong bán dẫn là electron tự do và lỗ trống HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 27 / 48

29. Phân loại cấu trúc tinh thể vật rắn LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 1/ 12 Cấu trúc tinh thể 1 SOLID MATERIALS CRYSTALLINE TINH THỂ Single Crystal Đơn tinh thể POLYCRYSTALLINE ĐA TINH THỂ AMORPHOUS (Non-crystalline) VÔ ĐỊNH HÌNH

30. Các loại cấu trúc tinh thể của vật rắn HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 29 / 48

31. Phân loại cấu trúc tinh thể vật rắn LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 2/ 12 Polycrystal Polycrystalline Pyrite form (Grain)

32. Các loại cấu trúc tinh thể của vật rắn Có 3 loại cấu trúc tính thể: đơn tinh thể, đa tinh thể và vô định hình Chỉ xem xét loại cấu trúc đơn giản nhất là đơn tinh thể Do ở kiểu đơn tinh thể, các nguyên tử có sự sắp xếp theo một trật tự nhất định nên chỉ cần biết được quy luật sắp xếp là có thể phân tích được cấu trúc loại này Quy luật này thể hiện qua khái niệm: cơ sở (basis) + mạng (lattice) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 30 / 48

33. Khái niệm Cơ sở (basis): một hoặc một nhóm các nguyên tử liên kết theo một cách cố định Cơ sở cho biết những gì cần phải lặp lại để có được cấu trúc tinh thể Mạng (lattice): cách sắp xếp tuần hoàn của các điểm trong không gian Mạng cho biết quy luật lặp lại của các cơ sở để có được cấu trúc tinh thể HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 31 / 48

34. Khái niệm HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 32 / 48

35. Khái niệm Tế bào đơn vị (unit cell): Phần đơn giản nhất của một mạng mà có thể được lặp lại bởi phép tịnh tiến để có thể tạo ra được toàn bộ mạng tinh thể HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 33 / 48

36. Tế bào đơn vị (Unit Cell) LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 3/ 12 • Tế bào đơn vị (Unit cell) không phải là duy nhất • Tính chất (property) của một tế bào định nghĩa tính chất của tinh thể

37. Tế bào đơn vị (Unit Cell) LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 4/ 12 Tại sao tam giác xanh không phải là 1 tế bào đơn vị?

38. Phân tích tế bào đơn vị Chọn bộ ba vector a, b, c. Các vector này không nhất thiết phải vuông góc với nhau và có chiều dài bằng nhau. Bộ ba vector này đóng vai trò như các vector đơn vị trong hệ trục tọa độ Descartes. HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 34 / 48

39. Phân tích tế bào đơn vị Mỗi điểm tương đương trong mạng có thể tìm được bằng vector R thỏa: R = ma + nb + pc Trong đó: m, n, p là các số nguyên Bộ ba vector a, b, c còn được gọi là các hằng số mạng HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 35 / 48

40. Các mạng tinh thể lập phương đơn giản Hình a - Mạng lập phương đơn giản (SC) Hình b - Mạng lập phương tâm khối (BCC) Hình c - Mạng lập phương tâm diện (FCC) Hình vẽ tế bào đơn vị của các mạng: HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 36 / 48

41. Các mạng tinh thể lập phương LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 5/ 12 Simple Cubic Body Centered Face Centered (SC) Cubic (BCC) Cubic (FCC)

42. Bài tập ví dụ Ví dụ 1 Cho mạng tinh thể BCC (giả sử cơ sở là 1 nguyên tử), tìm số nguyên tử có trong 1 tế bào đơn vị. HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 37 / 48

43. Bài tập ví dụ Ví dụ 1 Cho mạng tinh thể BCC (giả sử cơ sở là 1 nguyên tử), tìm số nguyên tử có trong 1 tế bào đơn vị. Số nguyên tử = 1 8 .8 (góc) + 1 (chính giữa) = 2 HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 37 / 48

44. Các mạng tinh thể LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 6/ 12

45. Mạng tinh thể kim cương LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 7/ 12

46. Phân tích tế bào đơn vị Các tính chất của vật liệu như tính chất điện, nhiệt và cơ phụ thuộc vào các mặt tinh thể cũng như hướng của tinh thể Sử dụng chỉ số Miller để định nghĩa những mặt phẳng và hướng trong tinh thể Quy ước: - (hkl) dùng để chỉ mặt phẳng tinh thể - [hkl] dùng để chỉ hướng tinh thể Trong đó: h, k, l là bộ ba số nguyên. Có dấu gạch ngang trên đầu để chỉ số âm. HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 38 / 48

47. Ví dụ về chỉ số Miller Chỉ số Miller chỉ mặt phẳng tinh thể Chỉ số Miller chỉ hướng tinh thể HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 39 / 48

48. Tìm chỉ số Miller của mặt phẳng Tìm giao điểm của mặt phẳng với hệ (x, y, z): 3, 2, -6 Lấy nghịch đảo: 1 3 , 1 2 , −1 6 Nhân tất cả cho bội chung nhỏ nhất của mẫu: 2, 3, -1 Chỉ số Miller là: (231) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 40 / 48

49. Tìm chỉ số Miller của mặt phẳng Lưu ý: - Mặt phẳng song song với trục nào thì điền ∞ vào vị trí giao điểm và khi nghịch đảo cho kết quả là 0 - Nếu mặt phẳng đi qua gốc tọa độ thì chuyển thành mặt phẳng song song với nó để tính - Mặt phẳng có chỉ số Miller khác nhau thì có tính chất điện, hóa và cơ khác nhau HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 41 / 48

50. Miller – Ví dụ LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 8/ 12

51. Tìm chỉ số Miller của hướng Tìm tọa độ điểm đầu B và đuôi A: B : (0, 1, 1) và A : (1, 0, 1) Tính hiệu tọa độ của B và A (0, 1, 1) − (1, 0, 1) = (−1, 1, 0) Nếu cần có thể nhân, chia giá trị tọa độ để có số nguyên nhỏ nhất Chỉ số Miller là: [110] HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 42 / 48

52. Bài tập ví dụ Ví dụ 3 Tìm chỉ số Miller của mặt phẳng sau HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 43 / 48

53. Bài tập ví dụ Ví dụ 3 Tìm chỉ số Miller của mặt phẳng sau Kết quả: Mặt phẳng (623) HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 43 / 48

54. Cấu trúc tinh thể kim cương Các bán dẫn nguyên tố, Si và Ge có cấu trúc tinh thể kim cương Tế bào đơn vị của cấu trúc tinh thể kim cương Trong 1 tế bào đơn vị có 8 nguyên tử HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 44 / 48

55. Tại sao mặt phẳng lại quan trọng? LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 9/ 12 • Real crystals are eventually terminate at a surface • Semiconductor devices are fabricated at or near a surface • Many of a single crystal's structural and electronic properties are highly anisotropic

56. Bài tập ví dụ Ví dụ 3 Ở nhiệt độ phòng (300K) thì silicon (Si) có hằng số mạng là 5,43 Å. Tính số nguyên tử Si trong một đơn vị thể tích và khối lượng riêng của Si. Cho phân tử khối của Si là M = 28, 06g và Si có cấu trúc tinh thể kim cương. HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 45 / 48

57. Bài tập ví dụ Ví dụ 3 Ở nhiệt độ phòng (300K) thì silicon (Si) có hằng số mạng là 5,43 Å. Tính số nguyên tử Si trong một đơn vị thể tích và khối lượng riêng của Si. Cho phân tử khối của Si là M = 28, 06g và Si có cấu trúc tinh thể kim cương. Vì Si có mạng kim cương nên có 8 nguyên tử trong 1 tế bà o đơn vị → Số nguyên tử/ đơn vị thể tích = 8 a3 = 8 (5, 43.10−8)3 → Số nguyên tử/ đơn vị thể tích = 5.1022 nguyên tử/cm3 HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 45 / 48

58. Bài tập ví dụ Gọi m là khối lượng 1 mol Si và V là thể tích tương ứng m = M = 28, 06 (g) 1 mol Si có NA = 6, 023.1023 nguyên tử nên có NA 8 tế bào đơn vị Thể tích của 1 tế bào đơn vị là a3 , do đó thể tích 1 mol là: V = NA 8 a3 Khối lượng riêng = m V = 8M NAa3 = 8.28, 06 6, 023.1023(5, 43.10−8)3 = 2, 33g/cm3 HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 46 / 48

59. Quy trình sản xuất Silicon Wafer LINH TRAN (HCMUT) SEMICONDUCTOR PHYSICS Chương 2-1 10/ 12 Raw material ― Polysilicon nuggets purified from sand Crystal pulling Si crystal ingot Slicing into Si wafers using a diamond saw Final wafer product after polishing, cleaning and inspection A silicon wafer fabricated with microelectronic circuits

61. Tài liệu tham khảo 1 Slides ECE340 - Semiconductor Electronics, UIUC 2 S.M. Sze and M.K.Lee, Semiconductor Devices: Physics and Technology 3rd Ed., John Wiley & Sons, 2010 3 Google HIEU NGUYEN (HCMUT) VẬT LÝ BÁN DẪN Chương 2-1 48 / 48

chapter2-1-Tinh-chat-ban-dan_V2.pdf

chapter2-1-Tinh-chat-ban-dan_V2.pdf

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a chapter2-1-Tinh-chat-ban-dan_V2.pdf

Similar a chapter2-1-Tinh-chat-ban-dan_V2.pdf(20)

Más de LINHTRANHOANG2

Más de LINHTRANHOANG2(20)

chapter2-1-Tinh-chat-ban-dan_V2.pdf