Khóa luận tốt nghiệp đại học: Xác định thể tích kích hoạt của tinh thể Ge bằng phương pháp thống kê mô men

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là áp dụng phương pháp thống kê mô men để xác định các hằng số mạng của tinh thể Ge ở nhiệt độ T. Từ đó, xác định được thể tích kích hoạt V* của tinh thể Ge ở nhiệt độ T.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Xác định thể tích kích hoạt của tinh thể Ge bằng phương pháp thống kê mô men

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGÔ THỊ NHƢ XÁC ĐỊNH THỂ TÍCH KÍCH HOẠT CỦA TINH THỂ GE BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MOMEN Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2017
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGÔ THỊ NHƢ XÁC ĐỊNH THỂ TÍCH KÍCH HOẠT CỦA TINH THỂ GE BẰNG PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ MOMEN Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS. PHAN THỊ THANH HỒNG HÀ NỘI, 2017
LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của mình tới cô giáo TS. Phan Thị Thanh Hồng – ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ em trong quá trình hoàn thiện đề tài. Đồng thời em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Tổ vật lí lí thuyết đã tạo điều kiện và đóng góp ý kiến để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp. Tuy nhiên do thời gian và khuôn khổ cho phép của đề tài còn hạn chế nên chƣa tìm hiểu đƣợc nhƣ ý muốn. Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn sinh viên để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 04 năm 2017 Sinh viên Ngô Thị Nhƣ
LỜI CAM ĐOAN Khóa luận này là kết quả của bản thân em qua quá trình học tập và nghiên cứu, bên cạnh đó em đƣợc sự quan tâm và tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý, đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình của cô giáo TS. Phan Thị Thanh Hồng. Trong quá trình nghiên cứu hoàn thành bản khóa luận này em có tham khảo một số tài liệu tham khảo đã ghi trong phần tài liệu tham khảo. Vì vậy em xin khẳng định kết quả của đề tài “Xác định thể tích kích hoạt của tinh thể Ge bằng phƣơng pháp thống kê momen” không có sự trùng lặp với các đề tài khác. Hà Nội, tháng 04 năm 2017 Sinh viên Ngô Thị Nhƣ
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục đ ch nghiên cứu.................................................................................. 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 1 4. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................. 2 5. hƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................... 2 NỘI DUNG ....................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. THỂ TÍCH KÍCH HOẠT CỦA TINH THỂ Ge ......................... 3 1.1. Cấu trúc tinh thể Ge ................................................................................ 3 1.1.1. Cấu trúc tinh thể bán dẫn .................................................................. 3 1.1.2. Các tính chất lý, hóa học của Ge ...................................................... 4 1.1.2.1 Tính chất hóa học......................................................................... 4 1.1.2.2. Tính chất vật lý ........................................................................... 5 1.2. Một số ứng dụng của Ge ......................................................................... 6 1.3. Thể tích kích hoạt của Ge ...................................................................... 9 1.3.1. Các khuyết tật trong tinh thể bán dẫn ............................................... 9 1.3.2. Cơ chế khuếch tán chủ yếu của Ge ................................................. 12 1.3.2.1. Khái niệm về khuếch tán .......................................................... 12 1.3.2.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn ......................... 12 1.3.3. Thể tích nguyên tử Ge .................................................................... 14 1.3.3.1. Hình dạng và k ch thƣớc nguyên tử ......................................... 14 1.3.3.2. Cách tính số nguyên tử hay phân tử trong một ô cơ sở ............ 15 1.3.3.3. Số phối vị. ................................................................................. 16 1.3.3.4. Cách tính thể tích nguyên tử. .................................................... 17 1.3.3.5. Thể tích nguyên tử của Ge. ....................................................... 17
1.3.4. Thể tích kích hoạt của tinh thể Ge. ................................................. 18 CHƢƠNG 2. TÍNH SỐ VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ ................................. 22 2.1. Xác định độ dời của hạt khỏi vị trí cân bằng bằng phƣơng pháp thống kê mô men. ................................................................................................... 22 2.2. Xác định khoảng lân cận gần nhất giữa hai hạt ở 0K. .......................... 27 2.3. Tính số và thảo luận kết quả ................................................................. 28 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 33
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mạng tinh thể Ge............................................................................... 4 Hình 1.2: Khuyết tật nút khuyết trong tinh thể Ge. ........................................ 10 Hình 1.3: Khuyết tật tự xen kẽ (self-interstitial) trong tinh thể Ge. ............... 11 Hình 1.4: Khuyết tật tạp xen kẽ (dopant-interstitial) trong tinh thể Ge. ........ 11 Hình 1.5: Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể rắn. ......................... 14 Hình 1.6: Cấu trúc lập phƣơng tâm khối......................................................... 16 Hình 1.7: Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt. ......................................................... 16 Hình 1.8: Ô cơ sở lập phƣơng tinh thể của Ge................................................ 18
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển của khoa học và công nghệ vật liệu rắn là một trong những vấn đề then chốt để công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế. Bán dẫn là vật liệu quan trọng và có nhiều tiềm năng trong chiến lƣợc phát triển khoa học và công nghệ vật liệu. Vì vậy, việc nghiên cứu các t nh chất của vật liệu rắn nói chung và bán dẫn nói riêng đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Trong nhiều chu trình của công nghệ chế tạo vật liệu rắn, đặc biệt là bán dẫn - Hiện tƣợng khuếch tán đóng một vai trò vô cùng quan trọng vì nó có ảnh hƣởng rất lớn đến các t nh chất vật lý của vật liệu. Các nghiên cứu về khuếch tán trong vật liệu rắn chủ yếu tập trung vào việc xác định năng lƣợng k ch hoạt và hệ số khuếch tán dƣới ảnh hƣởng của các điều kiện bên ngoài nhƣ: nhiệt độ, áp suất, độ biến dạng... Khi nghiên cứu ảnh hƣởng của áp suất lên hiện tƣợng khuếch tán của các nguyên tử trong tinh thể thì việc quan trọng là phải xác định đƣợc thể t ch k ch hoạt (k hiệu là V*) của tinh thể. Xuất phát từ những quan điểm trên và sự yêu th ch của bản thân là những lý do để chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Xác định thể tích kích hoạt của tinh thể Ge bằng phƣơng pháp thống kê mô men”. 2. Mục đích nghiên c u Áp dụng phƣơng pháp thống kê mô men để xác định các hằng số mạng của tinh thể Ge ở nhiệt độ T. Từ đó, xác định đƣợc thể t ch k ch hoạt V* của tinh thể Ge ở nhiệt độ T. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên c u - Đối tƣợng nghiên cứu: bán dẫn Ge. - hạm vi nghiên cứu: Xác định thể t ch k ch hoạt của tinh thể Ge theo cơ chế nút khuyết. 1
4. Nhiệm vụ nghiên c u - Tìm hiểu về cấu trúc tinh thể bán dẫn Gecmani, những t nh chất lý, hóa và một số ứng dụng quan trọng của nó. - Tìm hiểu về các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể bán dẫn. - Tìm hiểu về thể t ch nguyên tử, thể t ch k ch hoạt. Xác định thể t ch k ch hoạt của tinh thể Ge ở nhiệt độ T bằng phƣơng pháp thống kê momen. 5. Phƣơng pháp nghiên c u - Đọc tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Sử dụng các phần mềm hỗ trợ t nh toán để t nh số. - Tổng hợp, khái quát các kiến thức tìm hiểu và t nh toán đƣợc. 2
NỘI DUNG CHƢƠNG 1 THỂ TÍCH KÍCH HOẠT CỦA TINH THỂ Ge 1.1. Cấu trúc tinh thể Ge 1.1.1. Cấu trúc tinh thể bán dẫn Các chất bán dẫn thông dụng thƣờng kết tinh theo mạng tinh thể lập phƣơng tâm diện. Trong đó, mỗi nút mạng đƣợc gắn với một gốc (basis) gồm hai nguyên tử. Hai nguyên tử đó là cùng loại nếu là bán dẫn đơn chất nhƣ Si, Ge. Hai nguyên tử đó là khác loại nếu là bán dẫn hợp chất nhƣ GaAs, SiC, InSb, CdTe, ... Germanium (Ge) là vật liệu bán dẫn điển hình. Đơn tinh thể Ge có cấu trúc kim cƣơng (Hình 1.1) gồm hai phân mạng lập phƣơng tâm diện lồng vào nhau, phân mạng này nằm 1/4 đƣờng chéo chính của phân mạng kia. Trong một ô cơ sở có 8 nguyên tử Ge, mỗi nguyên tử Ge là tâm của một hình tứ diện đều cấu tạo từ bốn nguyên tử lân cận gần nhất xung quanh. Độ dài cạnh của ô cơ sở ( còn gọi là hằng số mạng tinh thể) ở 300K là ao=5,658Å [5]. Tuy nhiên, trong thực tế tinh thể l tƣởng thƣởng không có thực và cũng hiếm có bán dẫn tinh khiết các tinh thể bán dẫn thƣờng có tạp chất và bị khuyết tật. Nhƣng ch nh việc nghiên cứu về các loại bán dẫn pha tạp này, cùng với việc đi sâu tìm hiểu các yếu tố ảnh hƣởng cũng nhƣ các tính chất vật lý, hóa học của chúng mà đã có nhiều phát minh khoa học đƣợc ra đời với nhiều ứng dụng quan trọng trong kĩ thuật và đời sống. 3
a0 Hình 1.1: Mạng tinh thể Ge. 1.1.2. Các tính chất lý, hóa học của Ge 1.1.2.1 Tính chất hóa học Ge là nguyên tố thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn Mendeleev. Những t nh chất lý hóa của Ge đã đƣợc Mendeleev tiên đoán từ năm 1771, rất lâu trƣớc khi Ge đƣợc Vineder phát hiện vào năm 1866. Ge chiếm khoảng 0.7% khối lƣợng của vỏ trái đất, cỡ tƣơng tự nhƣ các nguyên tố Zn, b. - Ge tinh khiết kết tinh ở dạng tinh thể lập phƣơng, có cấu trúc giống kim cƣơng. Trong mạng lƣới tinh thể, mỗi nguyên tử Ge liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử Ge bao quanh kiểu hình tứ diện đều. Độ dài của liên kết Ge-Ge là 2,43Å. - Ge không tạo ra tinh thể dạng than chì vì không có khả năng tạo liên kết pi nhƣ Cacbon. - Ở điều kiện thƣờng Ge không tác dụng với oxi của không khí, ở nhiệt độ 4
cao Ge tác dụng với nhiều chất nhƣ H2, O2, S, ... - Ge tác dụng trực tiếp với các halogen, với Clo và Brom phản ứng xảy ra khó hơn. - Ge không tác dụng với nƣớc ngay cả khi nƣớc ở trạng thái hơi. - Ge có thế điện cực dƣơng nên không bị ăn mòn trong các axit mạnh nhƣ HCl, H2SO4. - Ge hầu nhƣ không tác dụng với dung dịch kiềm nhƣng lại dễ tan trong dụng dịch kiềm đặc khi có mặt của H2O2. - Ge hầu nhƣ không có quặng riêng. Một loại quặng duy nhất chứa Ge là Germanhit chứa các chất Đồng, Sắt, Kẽm nhiều hơn Ge rất nhiều. Khai thác Ge là một công nghệ phức tạp. 1.1.2.2. Tính chất vật lý - Ge là nguyên tố màu ánh xám, cứng, có nƣớc bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tƣơng tự nhƣ kim cƣơng. - Giống với kim cƣơng Ge cũng cứng (độ cứng bằng 6), rất khó nóng chảy, khó sôi (nhiệt độ nóng chảy: 938,25 , nhiệt độ sôi: 2833 ) và có tỉ trọng là 5,323 g/cm3 ( ở 0 ). - Ge là chất bán dẫn với các tính chất điện nằm giữa các kim loại và các chất cách điện, độ dẫn điện là 0,001. - Ge là chất giãn nở ra khi đóng băng. - Có độ ổn định cao - Độ linh động của hạt dẫn lớn hơn của Silic nhiều lần. - Bề rộng vùng cấm của Ge cỡ 0,66 eV nhỏ hơn Silic, vùng cấm cũng thuộc loại vùng cấm xiên vì vậy linh kiện điện tử chế tạo từ Ge không thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn 100oC. - Ở nhiệt độ thƣờng Ge là chất kết tinh, có màu trắng bạc, cứng và rất giòn. Dựa vào tất cả những đặc t nh này mà ngƣời ta dùng nó để chế tạo và 5
sử dụng các thiết bị bán dẫn và nhiều thiết bị khác. 1.2. Một số ng dụng của Ge Không giống nhƣ phần lớn các chất bán dẫn khác, Ge có vùng cấm nhỏ, cho phép nó phản ứng rất hiệu quả với ánh sáng hồng ngoại. Vì thế nó đƣợc sử dụng trong các k nh quang phổ hồng ngoại và các thiết bị quang học khác trong đó đòi hỏi các thiết bị phát hiện cực kỳ nhạy với tia hồng ngoại. Chiết suất của oxit gecmani và thuộc t nh tán sắc của nó làm cho gecmani là hữu ch trong các thấu k nh camera góc rộng và trong k nh vật của các k nh hiển vi. Ge là vật liệu quang học hồng ngoại có tầm quan trọng cao và có thể dễ dàng cắt, đánh bóng thành các thấu k nh hay cửa sổ. Cụ thể, nó đƣợc sử dụng nhƣ là thấu k nh vật trong các camera nhiệt làm việc trong khoảng bƣớc sóng 8-14 micrômet chụp hình nhiệt thụ động và cho hot-spot detection in military and fire fighting applications. Vật liệu này có chiết suất rất cao (4,0) và vì thế cần đƣợc bọc lót chống phản xạ. Cụ thể, lớp bọc lót chống phản xạ đặc biệt rất cứng nhƣ cacbon tựa kim cƣơng(DLC) (chiết suất 2,0) là phù hợp tốt nhất và sản sinh ra bề mặt cứng nhƣ kim cƣơng có thể chống chịu đƣợc các tác động môi trƣờng khác nhau [10]. Vật liệu bán dẫn đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghiệp. Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng nhất và phổ biến nhất của chúng ch nh là dùng để chế tạo các linh kiện điện tử bán dẫn. Sự phát triển của các linh kiện bán dẫn nhƣ điốt, tranzito và mạch t ch hợp (IC-Integrated Circuit) đã dẫn đến những ứng dụng vô cùng lớn trong công nghệ thông tin. Không những thế IC còn thâm nhập vào hầu hết mọi mặt của đời sống hàng ngày, chẳng hạn cảm biến nhiệt độ đƣợc dùng trong điều hòa không kh đƣợc làm từ vật liệu bán dẫn. Nồi cơm điện có thể nấu cơm một cách hoàn hảo là nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ ch nh xác có sử 6
dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy t nh C U cũng đƣợc làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn. Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số nhƣ điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và bóng đèn LED cũng sử dụng vật liệu bán dẫn. Ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng, chất bán dẫn cũng đóng một vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, xe lửa, internet, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội, chẳng hạn nhƣ trong mạng lƣới y tế đƣợc sử dụng để cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe ngƣời cao tuổi, vv…Thêm vào đó, hệ thống hậu cần hiệu quả sẽ giúp tiết kiệm năng lƣợng, thúc đẩy việc bảo tồn môi trƣờng toàn cầu. Với phạm vi ứng dụng của mình, các chất bán dẫn đã mang lại cho chúng ta cuộc sống thoải mái. Để có đƣợc các linh kiện bán dẫn kể trên, từ chất bán dẫn tinh khiết ban đầu (Si hoặc Ge), ngƣời ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại n (dẫn điện chủ yếu bằng điện tử) và bán dẫn loại p (dẫn điện chủ yếu bằng lỗ trống) bằng cách pha các nguyên tử tạp chất vào Si (hay Ge). Sau đó, ghép hai loại bán dẫn đó lại với nhau để đƣợc điốt hay tranzito. Công nghệ pha tạp nói chung rất đa dạng và cũng là một công nghệ rất cơ bản đƣợc sử dụng thƣờng xuyên từ xa xƣa. Có nhiều phƣơng pháp pha nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn nhƣ phƣơng pháp nuôi đơn tinh thể, phƣơng pháp cấy ion, phƣơng pháp khuếch tán,... So với các phƣơng pháp khác thì phƣơng pháp khuếch tán có nhiều ƣu điểm nhƣ không làm thay đổi cấu trúc tinh thể, có thể pha tạp với chiều sâu tùy ý, cho phép điều khiển tốt hơn các t nh chất của tranzito và đã thu đƣợc những thiết bị có thể hoạt động ở tần số cao. Đó là những l do ch nh khiến cho kĩ thuật khuếch tán các nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn đã và đang phát triển nhanh chóng nhằm chế tạo các tranzito, các vi mạch điện tử và ngày nay là các mạch điện có các cấu hình với k ch thƣớc nanô, nanô sensor,... 7
Các transistor từ Ge vẫn còn đƣợc sử dụng trong một số hộp dậm chân của các nhạc công muốn tái tạo các đặc trƣng âm khác biệt cho âm "fuzz" từ thời kỳ ban đầu của rock and roll, đáng chú ý có Fuzz Face của Dallas Arbiter. Hợp kim gecmanua silic (hay "silic-gecmani", SiGe) rất nhanh chóng trở thành vật liệu bán dẫn quan trọng, dùng trong các mạch IC tốc độ cao. Các mạch IC dùng các t nh chất của kết nối Si-SiGe có thể nhanh hơn nhiều so với các mạch chỉ dùng silic. Ứng dụng khác: - Tác nhân trong sản xuất hợp kim. - Phosphor trong các đèn huỳnh quang. - Chất xúc tác. - Các thiết bị phát hiện dùng một tinh thể gecmani độ tinh khiết cao có thể nhận dạng ch nh xác nguồn bức xạ (v dụ trong an ninh hàng không). - Các đĩa bán dẫn với nền là gecmani cho các tế bào quang điện hiệu suất cao đa kết nối trong các ứng dụng cho tàu vũ trụ. - Một vài hợp chất của Ge có độc t nh thấp đối với động vật có vú, nhƣng lại có độc t nh cao đối với một vài loại vi khuẩn nào đó. T nh chất này làm cho chúng trở thành có ch nhƣ là các tác nhân chữa trị bằng hóa chất. - Các tinh thể Ge độ tinh khiết cao đƣợc dùng trong các máy dò cho kính quang phổ gamma. - Nghiên cứu của FDA đƣa ra kết luận rằng gecmani, khi sử dụng nhƣ là chất bổ sung dinh dƣỡng, “thể hiện một số nguy hiểm tiềm tàng cho sức khỏe con ngƣời”. - Trong những năm gần đây gecmani đƣợc gia tăng sử dụng trong các hợp kim của các kim loại quý. V dụ, trong hợp kim bạc sterling, nó đƣợc thêm vào để giảm vết bẩn màu, chống xỉn màu, và làm tăng phản ứng của 8
hợp kim đối với xơ cứng kết tủa. 1.3. Thể tích kích hoạt của Ge 1.3.1. Các khuyết tật trong tinh thể bán dẫn Đa số vật rắn có cấu trúc mạng tinh thể và chúng gồm một số rất lớn các nguyên tử, phân tử đƣợc sắp xếp một cách tuần hoàn trong không gian để tạo thành mạng tinh thể l tƣởng. Thực tế, mạng tinh thể l tƣởng thƣờng không có thực. Các tinh thể thực luôn chứa đựng bên trong nó những khuyết tật (còn gọi là sai hỏng). Có nhiều loại khuyết tật [2,4] với những đặc điểm khác nhau nhƣ: - khuyết tật điểm có k ch thƣớc cỡ nguyên tử theo ba chiều không gian, - khuyết tật đƣờng có k ch thƣớc cỡ nguyên tử theo hai chiều và rất lớn theo chiều thứ ba, - khuyết tật mặt có k ch thƣớc lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ ba, - khuyết tật khối có k ch thƣớc lớn theo cả ba chiều không gian. Trong số các loại khuyết tật kể trên, khuyết tật điểm có cấu trúc đơn giản nhất và tồn tại nhiều nhất trong các tinh thể rắn. Các khuyết tật điểm có thể đƣợc phát sinh trong tinh thể bằng quá trình Schottky hoặc Frenkel [4]. Trong quá trình Schottky, một xen kẽ (Iterstitial- k hiệu là I) đƣợc tạo ra bởi sự di chuyển của một nguyên tử từ bề mặt vào một lỗ hổng nào đó bên trong tinh thể hay ngƣợc lại một nút khuyết (Vacancy- k hiệu là V) đƣợc hình thành khi một nguyên tử rời khỏi nút mạng để di chuyển ra mặt ngoài của tinh thể. Trong quá trình Frenkel, một nguyên tử sẽ rời khỏi vị tr nút mạng của nó để tới một vị tr lỗ hổng mạng, tạo ra một xen kẽ và một nút khuyết. Khi nghiên cứu hiện tƣợng khuếch tán của các nguyên tử trong tinh thể, ngƣời ta đã chỉ ra rằng các khuyết tật điểm trong tinh thể đóng vai trò quyết định trong sự khuếch tán của các nguyên tử. Các khuyết tật điểm có thể đƣợc phân làm hai loại là khuyết tật điểm tự nhiên và khuyết tật điểm gắn liền với tạp. 9
Khuyết tật điểm tự nhiên tồn tại trong tinh thể Ge tinh khiết. Khuyết tật điểm gắn liền với tạp xuất hiện từ việc đƣa các tạp chất từ bên ngoài vào trong tinh thể. Khuyết tật điểm tự nhiên tồn tại trong tinh thể Ge là nút khuyết (vacancy) và xen kẽ (interstitial) Nút khuyết đƣợc định nghĩa đơn giản là một vị tr nút mạng tinh thể bị bỏ trống (Hình 1.2). V Hình 1.2: Khuyết tật nút khuyết trong tinh thể Ge. Xen kẽ đƣợc hiểu là một nguyên tử cƣ trú ở một lỗ hổng (kẽ hở) bên trong mạng tinh thể Ge. Có hai loại xen kẽ là xen kẽ do các nguyên tử Ge-tự xen kẽ (self-interstitial) (Hình 1.3) và xen kẽ do nguyên tử tạp chất (dopant- interstitial) (Hình 1.4). 10
Ge Hình 1.3: Khuyết tật tự xen kẽ (self-interstitial) trong tinh thể Ge. TẠP Hình 1.4: Khuyết tật tạp xen kẽ (dopant-interstitial) trong tinh thể Ge. 11
1.3.2. Cơ chế khuếch tán chủ yếu của Ge 1.3.2.1. Khái niệm về khuếch tán Theo tài liệu [1], khuếch tán là một quá trình di chuyển ngẫu nhiên của một hay một số loại nguyên tử vật chất nào đó trong một môi trƣờng vật chất khác (gọi là vật chất gốc) dƣới tác dụng của các điều kiện đã cho nhƣ nhiệt độ, áp suất, điện-từ trƣờng và gradien nồng độ tạp chất... Nguyên tử pha vào đƣợc gọi là nguyên tử pha (dopant) hoặc nguyên tử tạp chất (impurity). Nguyên tử đƣợc pha vào bằng khuếch tán thƣờng có nồng độ khuếch tán rất bé cỡ (10-3 ÷ 10-4) % so với nguyên tử gốc là vì vậy, chúng thƣờng đƣợc gọi là tạp chất. Nếu chính các nguyên tử vật chất của môi trƣờng gốc khuếch tán trong chính môi trƣờng vật chất đó gọi là sự tự khuếch tán (self-diffusion). Ví dụ nhƣ ch nh nguyên tử Ge khuếch tán trong Ge hay Ga, As khuếch tán trong tinh thể GaAs chẳng hạn. Trong giới hạn luận văn này chúng tôi chỉ trình bày về sự tự khuếch tán trong bán dẫn. 1.3.2.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn Cơ chế khuếch tán là cách thức di chuyển của các nguyên tử bên trong mạng tinh thể. Mặc dù đến nay vẫn chƣa biết tƣờng tận về quá trình khuếch tán và tƣơng tác của các nguyên tử với nhau trong quá trình khuếch tán. Tuy nhiên, có một điều chắc chắn rằng các nguyên tử trong quá trình khuếch tán sẽ nhảy từ vị trí này sang vị trí kia trong mạng tinh thể. Dựa trên cơ sở lí thuyết về t nh năng lƣợng hình thành và năng lƣợng dịch chuyển, cũng nhƣ dựa trên các suy luận có thể đƣa ra các cơ chế khuếch tán chủ yếu của nguyên tử trong tinh thể rắn nhƣ trong (Hình 1.5) [1]. Các nghiên cứu về bán dẫn, đã chỉ ra rằng trong tinh thể bán dẫn bình thƣờng có ba cơ chế khuếch tán ch nh đó là khuếch tán theo cơ chế nút khuyết (vacancy mechanism), cơ chế xen kẽ (interstitial mechanism) và cơ chế hỗn 12
hợp (interstitialcy mechanism). Nguyên tử khuếch tán theo cơ chế nào phụ thuộc vào quá trình tƣơng tác giữa nguyên tử và mạng gốc, phụ thuộc vào bán kính của nguyên tử và nhiệt độ khuếch tán. Tuy nhiên cho đến nay ngƣời ta có thể khẳng định rằng các nguyên tử có bán kính nhỏ hơn bán k nh của nguyên tử mạng gốc thì có khả năng lớn khuếch tán theo cơ chế xen kẽ, khi nguyên tử có bán kính xấp xỉ bằng bán kính nguyên tử mạng gốc thì có thể khuếch tán theo cơ chế nút khuyết. Khuếch tán theo cơ chế nút khuyết (cơ chế Vacancy) xảy ra khi một nguyên tử ở vị trí nút mạng đổi chỗ với một nút khuyết ở vị trí liền kề (Hình1.5a). Cơ chế này xảy ra với mọi loại vật liệu. Thông thƣờng các tinh thể trong thực tế là không lý tƣởng, trong mạng tinh thể sẽ xuất hiện những nút khuyết. Dƣới tác dụng của nhiệt độ và ứng xuất các nguyên tử đều có thể dịch chuyển bằng cách thay thế vào các vị trí nút khuyết. Nếu trong tinh thể nồng độ nút khuyết càng lớn thì quá trình khuếch tán theo cơ chế này càng cao. Khuếch tán theo cơ chế xen kẽ xảy ra khi một nguyên tử cƣ trú ở một kẽ hở bên trong mạng tinh thể nhảy tới một kẽ hở khác (Hình 1.5b). Khuếch tán theo cơ chế hỗn hợp xảy ra khi nguyên tử khuếch tán thông qua một số bƣớc di chuyển vào vị trí xen kẽ và một số bƣớc di chuyển vào vị trí nút mạng (Hình 1.5c) 13