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

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

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

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

Nội dung

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

Đồ thị mô tả tính dẫn điện

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

Nội dung

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

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

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.

Một số hợp chất bán dẫn phổ biến

Các ứng dụng phổ biến của bán dẫn
- 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

Nội dung

Liên kết thường có trong vật liệu rắn
Gồm 3 loại:
Liên kết kim loại
Liên kết ion
Liên kết cộng hóa trị

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)

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

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

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

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 (-)

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

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)

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)

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

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

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

Nội dung

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

Các loại cấu trúc tinh thể của vật rắn

Phân loại cấu trúc tinh thể vật rắn
Polycrystal
Polycrystalline
Pyrite form
(Grain)

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)

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

Khái niệm

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

Tế bào đơn vị (Unit Cell)
• 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

Tế bào đơn vị (Unit Cell)
Tại sao tam giác xanh không phải là 1 tế bào đơn vị?

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.

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

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:

Các mạng tinh thể lập phương
Simple Cubic Body Centered Face Centered
(SC) Cubic (BCC) Cubic (FCC)

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.

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

Các mạng tinh thể

Mạng tinh thể kim cương

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.

Ví dụ về chỉ số Miller
Chỉ số Miller chỉ mặt phẳng tinh thể
Chỉ số Miller chỉ hướng tinh thể

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)

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

Miller – Ví dụ

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]

Bài tập ví dụ
Ví dụ 3
Tìm chỉ số Miller của mặt phẳng sau

Bài tập ví dụ
Ví dụ 3
Tìm chỉ số Miller của mặt phẳng sau
Kết quả: Mặt phẳng (623)

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

Tại sao mặt phẳng lại quan trọng?
• 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

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.

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

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

Quy trình sản xuất Silicon Wafer
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

Nội dung

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

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

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

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

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

Mais de LINHTRANHOANG2

Mais de LINHTRANHOANG2 (17)

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