intTypePromotion=3

VẬT LÍ ĐIỆN TỬ VÀ BÁN DẪN

Chia sẻ: 951864273 951864273 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:191

0
326
lượt xem
99
download

VẬT LÍ ĐIỆN TỬ VÀ BÁN DẪN

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo sách 'vật lí điện tử và bán dẫn', kỹ thuật - công nghệ, điện - điện tử phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: VẬT LÍ ĐIỆN TỬ VÀ BÁN DẪN

  1. LỜ I M Ở Đ Ầ U TRIẾT LÍ VÀ M ỤC TIÊU Mục đích c ủa sách là cung c ấp cho ngư ời đọc kiến thức cơ bản về đặc tính, hoạt động và gi ới hạn của thiết bị bán dẫn. Để thu được những kiến thức này, v ề cơ bản người học phải có hiểu biết thấu đáo v ề các quá trình v ật lí xảy ra trong v ật liệu bán dẫn. Mục tiêu của sách h ợp nhất cơ học lượng tử, lí thuyết lượng tử của vật rắn, vật lí vật liệu bán dẫn, và vật lí thiết bị bán dẫn lại với nhau. Tất cả những nội dung này là c ần thiết để hiểu về hoạt động của các thi ết bị bán dẫn trong hi ện tại và những sự phát triển trong tương lai c ủa chúng. Lượng kiến thức vật lí được đưa vào trong tài li ệu này nhi ều hơn nh ững cuốn sách gi ới thiệu về thiết bị bán dẫn khác. M ặc dù tầm bao quát c ủa sách hơi rộng nhưng tác gi ả nhận thấy rằng một khi ngư ời đọc đã nắm vững kiến thức nền tảng và nh ững kiến thức về vật liệu thấu đáo thì vật lí thiết bị bán dẫn sẽ được hiểu một cách nhanh chóng và d ễ dàng. Sự nhấn mạnh những kiến thức vật lí cơ b ản sẽ có lợi trong vi ệc hiểu và thiết kế những thiết bị bán dẫn mới. Bởi vì mục đích c ủa tài liệu này là gi ới thiệu lí thuyết về thiết bị bán dẫn, nên có rất nhiều lí thuyết nâng cao đ ã bị bỏ qua. Thêm vào đó, nh ững quá trình ch ế tạo không đư ợc mô tả chi tiết. Có vài th ảo luận chung v ề kĩ thuật chế tạo chẳng hạn như khu ếch tán và c ấy Ion, nhưng ở đây cần nhớ rằng những kết quả của quá trình chế tạo này có tác đ ộng trực tiếp đến đặc tính của thiết bị. ĐIỀU KIỆN TIÊN QUY ẾT TRƯỚC KHI Đ ỌC SÁCH Sách này dành cho sinh viên năm III và năm IV. Đi ều kiện tiên quyết để hiểu tài liệu này là ki ến thức toán học cao cấp, đặc biệt là phương tr ình vi phân (ch ỉ yêu cầu đã học sơ qua đ ể biết tra cứu dạng nghiệm của mỗi loại phương tr ình); vật lí đại cương, đ ặc biệt là tĩnh điện học; và các môn v ật lí hiện đại, đặc biệt là cơ học lượng tử (Chỉ yêu cầu người học biết sơ lược về cơ học lượng tử vì trong tài li ệu cũng nhắc lại những kiến thức cơ học lượng tử cần thiết). Nếu người đọc đã học qua khóa h ọc nhập môn về mạch điện tử thì sẽ rất hữu dụng nhưng nó c ũng không cần thiết ở đây. CÁCH SẮP XẾP TRONG SÁCH
  2. Sách bắt đầu từ giới thiệu kiến thức vật lí đến quá trình v ật lí trong v ật liệu bán dẫn và sau đó đ ề cập đến vật lí thiết bị bán dẫn. Chương I gi ới thiệu cấu trúc tinh th ể của chất rắn, hướng đến vật liệu bán dẫn đơn tinh th ể lí tưởng. Chương 2 và 3 gi ới thiệu cơ học lượng tử và lí thuyết lượng tử của chất rắn, chúng là nh ững kiến thức vật lí cơ bản. Chương 4 đ ến chương 6 đ ề cập đến quá trình v ật lí trong v ật liệu bán d ẫn. Chương 4 gi ới thiệu quá trình v ật lí trong bán d ẫn ở trạng thái cân b ằng; chương 5 nói về hiện tượng vận chuyển hạt tải điện trong bán d ẫn. Sau đó, đặc tính của hạt tải điện ngoại lai không cân b ằng được xây dựng trong chương 6. Ki ến thức về hành vi của hạt tải điện ngoại lai trong bán d ẫn là cần thiết để hiểu về các quá trình vật lí trong thi ết bị bán dẫn. Vật lí thiết bị bán dẫn cơ bản được xây dựng từ chương 7 đ ến chương 13. Chương 7 đ ề cập đến các quá trình điện trong ti ếp xúc p -n cơ bản. Tiếp xúc kim loại-bán dẫn, cả chỉnh lưu và không ch ỉnh lưu, và ti ếp xúc dị thể bán dẫn cũng được khảo sát trong chương 9, trong khi đó chương 10 nói v ề transistor lư ỡng cực. Transistor hi ệu ứng trường kim lo ại-oxit-bán dẫn được giới thiệu trong chương 11 và 12, và chương 13 đ ề cập đến JFET. Khi đã học qua chương ti ếp xúc p-n, người đọc có thể học bất cứ chương nào trong các chương nói v ề các loại transistor vì các chương này đư ợc xây dựng độc lập với nhau. Chương 14 kh ảo sát thiết bị quang học và cuối cùng chương 15 đ ề cập đến thiết bị bán dẫn dùng trong các m ạch công suất. Chú ý: Nh ững phần được đánh d ấu * có ngh ĩa là bạn có thể bỏ qua chúng mà vẫn có thể hiểu những phần sau.
  3. Mục lục Lời mở đầu Chương 0: Bán d ẫn và mạch tích hợp (IC) Chương 1: C ấu trúc tinh th ể của chất rắn Chương 2: Gi ới thiệu c ơ học lượng tử Chương 3: Gi ới thiệu lí thuyết l ượng tử của chất rắn Chương 4: Bán d ẫn ở trạng thái cân bằng Chương 5: Hi ện tượng vận chuyển hạt tải điện Chương 6: H ạt tải điện ngoại lai không cân bằng trong bán dẫn Chương 7: Ti ếp xúc p -n Chương 8: Diode ti ếp xúc p -n Chương 9: Kim lo ại-Bán dẫn và chuyển tiếp dị thể bán dẫn Chương 10: Transistor lư ỡng cực Chương 11: Cơ b ản về transistor hiệu ứng tr ường Bán dẫn -Oxit-Kim loại Chương 12: Transistor hi ệu ứng trường Bán dẫ n-Oxit-Kim loại: Những khái niệm bổ sung Chương 13: Transistor hi ệu ứng trường Chương 14: Thi ết bị quang Chương 15: Thi ết bị bán dẫn công suất Phục lục A Bảng kí tự quy ước Phục lục B Hệ đ ơn vị, bảng chuyển đổi v à những hằng số thông dụng Phụ lục C Bảng tuần ho àn
  4. Phụ lục D Hàm sai số Phụ lục E Cách rút ra ph ương trình sóng Schrodinger Phụ lục F Đơn vị năng lượng -Electron vôn Phụ lục G Đáp số một số b ài tập
  5. PHẦN MỞ ĐẦU Bán Dẫn Và Mạch Tích Hợp (IC) TỔNG QUAN Chúng ta thường nghe mọi người nói rằng chúng ta đang s ống trong th ời đại thông tin. Một lượng lớn thông tin có th ể thu được qua Internet và c ũng có th ể thu được một cách nhanh chóng qua nh ững khoảng cách xa b ằng những hệ thống truyền thông v ệ tinh. Sự phát triển của transistor và IC đ ã dẫn đến những khả năng đáng kinh ngạc này. IC thâm nh ập vào h ầu hết mọi mặt của đời sống hàng ngày ch ẳng hạn như đ ầu đọc đĩa CD, máy Fax, máy Scan laser t ại các siêu th ị, và điện thoại di động. Một trong nh ững ví dụ điễn hình nhất của kĩ thuật mạch tích hợp là máy tính số – ngày nay một laptop tương đ ối nhỏ cũng có kh ả năng tính toán hơn m ột thiết bị được dùng đ ể gửi con ngư ời lên mặt trăng cách đây vài năm. L ĩnh vực điện tử bán dẫn tiếp tục là một lĩnh vực có tốc độ phát triển nhanh, với hàng nghìn tài li ệu nghiên cứu được xuất bản mỗi năm. LỊCH SỬ Thiết bị bán dẫn có một lịch sử phát tri ển khá dài nhưng s ự bùng nổ của kĩ thuật mạch tích h ợp chỉ mới xuất hiện trong hai ho ặc ba thập niên g ần đây. Ti ếp xúc kim loại–bán dẫn bắt nguồn từ những công trình tr ước đây của Braun vào năm 1874. Ông đã phát minh ra b ản chất bất đối xứng của độ dẫn điện giữa tiếp xúc kim lo ại và bán d ẫn. Những thiết bị này được dùng như detector trong nh ững thí nghi ệm trên radio trư ớc đây. Vào năm 1906, Pickard đã đưa ra phát minh v ề detector ti ếp xúc điểm dùng silic và, năm 1907, Pierce đ ã công b ố nghiên cứu về đặc tính chỉnh lưu của diode đư ợc chế tạo bằng cách phun kim lo ại trên nh ững loại bán dẫn khác nhau. Năm 1935, b ộ chỉnh lưu selen và diode ti ếp xúc đi ểm silic đ ã được dùng làm bộ phát hiện tỉ số. Với sự phát triển của Radar, nhu c ầu về những diode tách sóng và bộ trộn sóng tăng lên. Nh ững phương pháp t ạo ra Silic và Gemani pha t ạp cao cũng được phát tri ển trong su ốt thời gian này. Bư ớc tiến trong hi ểu biết về tiếp xúc kim loại–bán dẫn được hỗ trợ bởi sự phát triển trong v ật lí bán dẫn. Có lẽ sự kiện quan trọng nhất trong th ời kì này là lí thuyết về sự phát xạ nhiệt của Bethe vào năm 1942, theo lí
  6. thuyết này dòng điện được xác định bởi quá trình phát elect ron trong kim lo ại chứ không ph ải qua sự trôi giạt hoặc khuếch tán. Một bước đột phá khác di ễn ra vào năm 1947 khi transistor đ ầu tiên đư ợc chế tạo và được kiểm tra tại phòng thí nghiệm Bell b ởi William Shockley, John Bardeen, và Walter Brattain. Transisto r đầu tiên này là m ột thiết bị tiếp xúc đi ểm và dùng Germani đa tinh th ể. Hiệu ứng transistor c ũng sớm được chứng minh trong silic. M ột sự cải tiến có ý ngh ĩa khác xuất hiện vào cu ối những năm 1949 khi v ật liệu đơn tinh th ể được dùng thay cho vật liệu đa tinh thể. Đơn tinh th ể đã đạt được sự đồng đều và một số tính chất được cải tiến so với những vật liệu bán dẫn khác. Bước tiến tiếp theo trong s ự phát triển của transistor là s ử dụng quá trình khuếch tán đ ể hình thành nên nh ững tiếp xúc cần thiết. Quá trình này cho phép điều khiển tốt hơn tính ch ất của transistor và đ ã thu được những thiết bị có thể hoạt động ở tần số cao. Transistor mô đ ỉnh bằng được chế tạo bằng phương pháp khuếch tán được thương mại hóa vào năm 1957 (lo ại Germani) và năm 1958 (lo ại Silic). Quá trình khu ếch tán cũng cho phép nhi ều transistor đư ợc chế tạo trên một lớp silic đơn tinh th ể mỏng, vì vậy giá thành c ủa những thiết bị này giảm xuống. MẠCH TÍCH H ỢP (IC) Đến lúc này, nh ững thành ph ần trong mạch điện tử vẫn phải được kết nối với nhau bằng những dây riêng biệt. Tháng 11 năm 1958, Jack Kilby thu ộc công ti Texas Instruments đ ã chế tạo IC đầu tiên bằng Germany. C ũng trong kho ảng thời gian đó, Robert Noyce thu ộc công ti Fairchild Semiconductor c ũng đã chế tạo thành công IC b ằng silic dùng công ngh ệ planar. M ạch đầu tiên đ ã sử dụng transistor lư ỡng cực. Sau đó, những transistor MOS đư ợc chế tạo vào gi ữa những năm 60. Công ngh ệ MOS, đặc biệt là CMOS đ ã trở thành tiêu đi ểm lớn cho vi ệc thiết kế và chế tạo IC. Silic là vật liệu bán d ẫn chính được sử dụng trong ch ế tạo IC. GaAs và nh ững bán dẫn hợp chất khác đư ợc dùng trong nh ững ứng dụng đặc biệt đòi hỏi tần số cao và những thiết bị phát quang. Kể từ IC đầu tiên đó, vi ệc thiết kế mạch đã trở nên tinh vi hơn, và m ạch tích hợp ngày càng ph ức tạp hơn. Chip silic đơn tinh th ể cỡ 1 cm2 đã chứa hơn một
  7. triệu transistor. M ột số IC có th ể có hơn hàng trăm chân, trong khi m ỗi transistor chỉ có 3 chân. M ột IC có th ể chứa những hàm đ ại số, logic, và nh ớ trong một chip bán dẫn đơn tinh th ể–ví dụ về loại IC này là vi x ử lí. Những nghiên c ứu về quá trình ch ế tạo silic cùng v ới sự tăng tính t ự động hóa trong thi ết kế và chế tạo đã dẫn đến giá thành th ấp hơn và s ản lượng cao hơn. CHẾ TẠO Mạch tích hợp là kết quả trực tiếp của việc phát tri ển những kĩ thuật chế tạo transistor và nh ững dây liên k ết trong chip đơn. Sau đây chúng ta s ẽ mô tả một vài quá trình này. Ph ần giới thiệu này nh ằm mục đích cung c ấp cho ngư ời đọc một số thuật ngữ cơ bản trong chế tạo. Oxi hóa nhi ệt Sự thành công c ủa những IC đư ợc chế tạo từ tinh thể sillic là nh ờ một loại oxit thiên nhiên tuy ệt vời, SiO2, được hình thành trên b ề mặt silic. Oxit này được dùng như c ổng cách li trong MOSFET và c ũng được dùng như ch ất cách điện giữa các thiết bị và được gọi là oxit trư ờng. Những dây liên k ết bằng kim lo ại kết nối những thiết bị khác nhau có th ể được đặt trên đ ỉnh của oxit trư ờng. Hầu hết các chất bán dẫn khác không hình thành đủ oxit tự nhiên đ ể dùng trong vi ệc chế tạo thiết bị. Silic sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ phòng trong không khí hình thàn h nên oxit t ự nhiên mỏng có đ ộ dày kho ảng 25 A0. Tuy nhiên, đa s ố sự oxi hóa đư ợc thực hiện tại nhiệt độ cao bởi vì quá trình cơ bản đòi hỏi oxi khu ếch tán qua oxit đang tồn tại đến bề mặt silic đ ể tương tác có th ể xảy ra. Sơ đồ của quá trình oxi hóa đư ợc biễu diễn trong hình 0.1. Oxi khu ếch tán trực tiếp qua lớp khí ứ đọng kế với bề mặt oxit và sau đó khuếch tán qua l ớp oxit đang t ồn tại đến bề mặc silic, ở đó O2 tương tác v ới Si hình thành nên SiO 2. Bởi vì tương tác này, silic b ị phá hủy tại bề mặt của nó. Lượng silic bị phá hủy gần bằng 44% đ ộ dày của oxit sau cùng.
  8. Mạng che quang và quang khắc Mạch trên mỗi chip được tạo ra bằng cách dùng mạng che quang và quang khắc. Mạng che quang là s ự biểu diễn về mặt vật lí của một thiết bị hoặc một phần của thiết bị. Vùng đục trên mạng được tạo bởi vật liệu hấp thụ tia tử ngoại. Đầu tiên, một lớp nhạy quang đư ợc gọi là lớp cản quang được phủ trên bề mặt của bán dẫn. Lớp cản quang là một polime h ữu cơ th ực hiện những biến đổi hóa học khi tiếp xúc với ánh sáng tử ngoại. Lớp cản quang tiếp xúc với ánh sáng t ử ngoại qua mạng che quang như được chỉ ra trong hình 0.2. Sau đó, lớp cản quang đư ợc phát tri ển trong một dung dịch hóa học. Thuốc hiện ảnh được dùng đ ể di chuyển những phần không mong mu ốn của lớp cản quang và t ạo ra một hình d ạng thích h ợp trên silic. M ạng che quang và quá trình quang kh ắc là yếu tố then chốt để xác định xem thi ết bị chế tạo ra có th ể nhỏ như thế nào. Thay vì dùng ánh sáng t ử ngoại, electron và tia X cũng có th ể được dùng đ ể bốc lớp cản quang ra. Ăn m òn Sau khi hình d ạng của lớp cản quang đư ợc hình thành, l ớp cản quang còn lại có thể được dùng như m ột mặt nạ, vì thế vật liệu không b ị phủ bởi lớp cản quang sẽ bị ăn mòn. Hiện nay, ăn mòn Plasma là m ột quá trình tiêu chu ẩn được dùng trong ch ế tạo IC. Thông thư ờng, một chất khí ăn mòn chẳng hạn như khí CFC (CloFlocarbon) đư ợc bơm vào m ột buồng áp su ất thấp. Plasma đư ợc tạo ra bằng cách đ ặt một điện áp tần số radio giữa catot và anot. Mi ếng silic đư ợc đặt ở catot. Nh ững ion mang đi ện dương trong Plasma được gia tốc hướng về Catot và bắn phá mi ếng bán dẫn theo hư ớng vuông góc v ới bề mặt. Tương tác v ật lí và hóa học thực sự tại bề mặt rất phức tạp nhưng k ết quả cuối cùng là silic có th ể bị ăn mòn dị hướng trong nh ững vùng đư ợc chọn lọc của miếng bán d ẫn. Nếu lớp cản
  9. quang đư ợc đặt vào bề mặt của silic đioxit th ì silic đioxit cũng có th ể bị ăn mòn theo cách tương t ự. Khuếch tán Quá trình nhi ệt được dùng rộng rãi trong ch ế tạo IC là khu ếch tán. Khu ếch tán là một quá trình mà qua đó những loại nguyên t ử tạp chất đặc biệt có thể được đưa vào trong v ật liệu silic. Quá trình pha t ạp này làm thay đ ổi tính ch ất điện của silic và hình thành nên ti ếp xúc pn. (Ti ếp xúc pn là thành ph ần cơ bản của thiết bị bán dẫn.) Miếng silic bị oxi hóa đ ể hình thành đioxit silic và những cửa sổ nhỏ được mở trong oxit trong nh ững vùng được chọn lựa dùng kĩ thuật quang kh ắc và ăn mòn như vừa được mô tả ở trên. Sau đó mi ếng bán d ẫn được đặt trong lò nhi ệt độ cao (kho ảng 11000C) và nh ững nguyên t ử pha tạp chẳng hạn như Bo ho ặc Photpho được đưa vào. Nh ững nguyên t ử pha tạp dần dần khuếch tán và di chuy ển vào trong silic do gradient m ật độ. Bởi vì quá trình khuếch tán đòi hỏi gradient trong m ật độ nguyên t ử, mật độ sau cùng của những nguyên t ử khuếch tán là phi tuy ến như được biễu diễn trong hình 0.3. Khi miếng bán d ẫn được lấy ra khỏi lò và nhi ệt độ của miếng bán d ẫn trở lại nhiệt độ phòng, h ệ số khuếch tán của những nguyên t ử pha tạp về cơ bản bằng 0 vì th ế những nguyên t ử pha tạp định xứ trong vật liệu silic. Cấy Ion Đây là quá tr ình thay thế cho quá trình khu ếch tán nhi ệt độ cao. Một chùm những ion pha t ạp được gia tốc ở năng lượng cao và đ ến bề mặt bán dẫn. Khi những ion đi vào silic, chúng va ch ạm với những nguyên t ử silic, đánh m ất năng lượng và cuối cùng d ừng lại tại một độ sâu nào đó trong tinh th ể. Bởi vì quá trình va chạm về bản chất là thống kê, do đó có m ột sự phân bố độ sâu thâm nh ập của những ion pha
  10. tạp. Hình 0.4 bi ễu diễn ví dụ về quá trình c ấy Bo vào silic t ại một năng lư ợng nào đó. Hai ưu đi ểm của quá trình c ấy ion so với quá trình khu ếch tán là: (1) quá trình cấy ion là một quá trình nhi ệt độ thấp và (2) nh ững lớp tạp chất được cố định rất tốt. Lớp cản quang và l ớp oxit có th ể được dùng đ ể ngăn cản sự thâm nh ập của những nguyên t ử tạp chất để cho quá trình c ấy Ion có th ể xuất hiện trong nh ững vùng rất được chọn lựa của silic. Một nhược điểm của cấy ion là tinh th ể silic có th ể bị hỏng bởi sự thâm nhập của những nguyên t ử tạp chất dẫn đến sự va chạm của những nguyên t ử tạp chất tới và những nguyên t ử silic chủ. Tuy nhiên, đa số sự hư hỏng có th ể được loại bỏ bằng cách luyện silic ở nhiệt độ cao. Nhi ệt độ luyện thường rất thấp hơn nhi ệt độ của quá trình khu ếch tán. Mạ kim loại, liên k ết, và đóng gói Sau khi thi ết bị bán dẫn đã được chế tạo bằng những quy trình nh ư đã được thảo luận. Chúng c ần được kết nối với nhau để hình thành nên mạch. Thường màn kim lo ại được kết tủa bởi kĩ thuật kết tủa chân không và những dây liên k ết được hình thành dùng quang kh ắc và ăn mòn. Nói chung, l ớp bảo vệ nitric silic cu ối cùng đư ợc kết tủa trên toàn bộ chip. Những chip IC riêng bi ệt được tách ra b ằng cách v ạch và bẽ gãy miếng bán dẫn. Sau đó chip IC đư ợc đưa vào trong gói. Cu ối cùng, nh ững gạch liên k ết bằng chì được dùng đ ể gắn những dây b ằng nhôm ho ặc vàng gi ữa chip và các chân trên gói. Tóm tắt: Quá trình ch ế tạo tiếp xúc pn đư ợc đơn gi ản hóa. Hình 0.5 này bi ễu diễn những bước cơ bản trong s ự hình thành ti ếp xúc pn. Nh ững bước này bao g ồm một vài quá trình được mô tả trong đo ạn trước.
  11. Xem video mô t ả các công đo ạn chế tạo chip b ằng kĩ thuật quang kh ắc [photolithography] t ại: http://www.youtube.com/watch?v=zFnJQjcnhGQ Xem video mô t ả các công đo ạn chế tạo thiết bị NMOS b ằng kĩ thuật quang khắc: http://www.youtube.com/watch?v=725rVHro6uM
  12. CHƯƠNG I: C ẤU TRÚC TINH TH Ể CỦA CHẤT RẮN TỔNG QUAN Tài liệu này nghiên c ứu tính ch ất và đặc tính đi ện của vật liệu và thi ết bị bán dẫn. Mà bán d ẫn lại là chất rắn. Do đó tính ch ất điện của chất rắn được quan tâm hàng đầu. Bán d ẫn nói chung là v ật liệu đơn tinh th ể. Tính ch ất điện của vật liệu đơn tinh thể không chỉ phụ thuộc vào thành ph ần hóa h ọc mà còn ph ụ thuộc vào sự sắp xếp của các nguyên t ử trong ch ất rắn; do đó, c ần có một sự tìm hiểu ngắn gọn về cấu trúc tinh th ể của chất rắn. Sự hình thành ho ặc phát triển của vật liệu đơn tinh thể là một phần quan tr ọng của kĩ thuật bán dẫn. Một thảo luận ngắn về một vài kĩ thuật nuôi tinh th ể được đưa vào trong chương này đ ể cung cấp cho ngư ời đọc một số thuật ngữ mô tả cấu trúc thi ết bị bán dẫn. Chương nh ập môn này cung c ấp những kiến thức nền tảng về vật liệu đơn tinh th ể và sự hình thành c ủa tinh th ể để cho người đọc có thể hiểu về tính chất điện của vật liệu và thiết bị bán dẫn. 1.1| VẬT LIỆU BÁN DẪN Bán dẫn là một nhóm v ật liệu có tính d ẫn điện nằm trung gian gi ữa kim lo ại và chất cách đi ện. Hai loại bán dẫn chung nh ất là vật liệu bán d ẫn cơ bản nằm ở nhóm IV của bảng tuần hoàn, và v ật liệu bán dẫn hợp chất, đa số chúng đư ợc hình thành do sự kết hợp đặc biệt của những nguyên t ố nhóm III và nhóm V. B ảng 1.1 bi ễu diễn một phần của bảng tuần hoàn trong đó có nh ững bán d ẫn phổ biến và bảng 1.2 liệt kê một vài vật liệu bán dẫn. ( Bán d ẫn cũng có th ể được hình thành t ừ sự kết hợp của những nguyên t ố nhóm II và VI, nhưng nói chung nh ững vật liệu này không được xét trong tài li ệu này.)
  13. Những bán d ẫn cơ bản là những bán d ẫn mà trong thành ph ần cấu trúc của nó chỉ có một loại nguyên t ử là silic ho ặc germany. Hi ện nay silic là bán d ẫn phổ biến nhất được dùng trong m ạch tích h ợp và sẽ được nhắc đến thường xuyên trong tài liệu này. Những hợp chất hai nguyên t ố chẳng hạn như GaAs ho ặc GaP đư ợc hình thành b ằng sự kết hợp của những nguyên t ố nhóm III và V. GaAs là m ột trong những bán d ẫn hợp chất phổ biến hơn cả. Tính ch ất quang học tốt của nó làm cho nó hữu dụng trong nh ững thiết bị quang h ọc. GaAs cũng được dùng trong nh ững ứng dụng đặc biệt chẳng hạn như nh ững ứng dụng đòi hỏi vận tốc cao. Bên cạnh đó cũng có nh ững bán dẫn hợp chất 3 nguyên t ố. Một ví dụ là AlxGa1–xAs, trong đó ch ỉ số dưới x chỉ định phần của nguyên t ố có số nguyên t ử nhỏ hơn. Nh ững chất bán dẫn phức tạp hơn cũng có th ể được hình thành cung c ấp sự đa dạng khi ch ọn tính ch ất vật liệu. 1.2|PHÂN LO ẠI CHẤT RẮN Ba dạng tồn tại của chất rắn là vô định hình, đa tinh th ể, và đơn tinh th ể. Mỗi loại được đặc trưng b ởi kích thư ớt của vùng có tr ật tự trong vật liệu. Một vùng có tr ật tự là vùng trong th ể tích không gian ở đó những nguyên t ử hoặc những phân t ử có sự sắp xếp hình học đều đặn hoặc tuần hoàn. Vật liệu vô định hình có tr ật tự chỉ trong một vài hướng nguyên t ử hoặc phân t ử , trong khi v ật liệu đa tinh th ể có mức độ trật tự cao hơn trên nhi ều hướng nguyên t ử hoặc phân t ử. Những vùng có tr ật tự này, hoặc những vùng đơn tinh th ể thay đổi kích thướt và sự định hướng đối với những vùng khác. Vùng đơn tinh th ể được gọi là lớp và được chia tách v ới những lớp khác b ởi biên lớp. Một cách lí tư ởng có th ể xem vật liệu đơn tinh th ể có mức độ trật tự cao, hoặc sự tuần hoàn hình h ọc đều đặn trong toàn b ộ thể tích của vật liệu.
  14. Nói chung, s ự thuận lợi của vật liệu đơn tinh th ể là ở chỗ tính chất điện của nó tốt hơn những vật liệu không ph ải đơn tinh th ể, bởi vì biên l ớp có khuynh hư ớng làm giảm đặc tính điện. Biểu diễn hai chi ều của vật liệu vô định hình, đa tinh th ể, và vật liệu đơn tinh th ể được trình bày trong hình 1.1. 1.3|MẠNG KHÔNG GIAN Chúng ta s ẽ khảo sát đơn tinh th ể với sự tuần hoàn hình h ọc đều đặn trong s ự sắp xếp nguyên t ử của nó. Một đơn vị đại diện, hoặc nhóm các nguyên t ử được lặp lại sau những khoảng đều đặn ở mỗi chiều để hình thành đơn tinh th ể. Sự sắp xếp tuần hoàn của những nguyên t ử trong tinh th ể được gọi là mạng. 1.3.1 Ô đơn v ị và ô đơn v ị tối giản Chúng ta có th ể biểu diễn một nguyên t ử (a) hoặc nhóm các nguyên t ử (b) nào đó bằng một chấm được gọi là điểm mạng. Ví d ụ: trong tinh th ể Silic, mỗi điểm mạng của nó là một nguyên t ử silic; còn trong tinh th ể nước đá, mỗi điểm mạng của nó là phân tử nước. Hình 1.2 bi ễu diễn mạng hai chi ều vô hạn bao gồm những điểm mạng. Cách đơn giản nhất để lặp lại các nguyên t ử hoặc nhóm nguyên t ử là tịnh tiến. Mỗi điểm mạng trong hình 1.2 có th ể được tịnh tiến một khoảng cách na1 theo một chiều và
  15. khoảng cách mb1 theo chiều thứ 2 để tạo ra mạng 2 chi ều (n, m là các số nguyên). Sự tịnh tiến theo chi ều thứ 3 sẽ tạo ra mạng 3 chi ều. Những hướng tịnh tiến không cần vuông góc nhau. Nhìn vào hình 1.3, chúng ta th ấy rằng chỉ cần lặp lại một trong các hình bình hành A, B, C, D thì s ẽ tạo ra được toàn bộ mạng tinh th ể. Các hình bình hành này g ọi là các ô đơn v ị. Ô đơn v ị A có thể được tịnh tiến theo hư ớng a2 và b2, ô đơn vị B có thể được tịnh tiến theo hư ớng a3 và b3, và toàn b ộ mạng 2 chiều có thể được xây dựng bằng cách t ịnh tiến cả 2 loại ô đơn vị này. Những ô đơn v ị C và D trong hình 1.3 cũng có th ể được dùng để xây dựng toàn bộ mạng bằng cách dùng nh ững phép tịnh tiến thích h ợp. Vậy chúng ta có th ể định nghĩa ô đơn vị là một thể tích nhỏ của tinh thể có thể được dùng đ ể tạo ra toàn tinh th ể. Ô đơn v ị không ph ải là duy nh ất. Những kết quả của việc khảo sát mạng 2 chiều có thể dễ dàng được mở rộng cho trường hợp 3 chiều để mô tả vật liệu đơn tinh th ể thực. Ô đơn v ị tối giản là ô đơn v ị nhỏ nhất mà có th ể được lặp lại để hình thành mạng. Trong nhi ều trường hợp, sẽ thuận lợi hơn n ếu dùng ô đơn vị chứ không phải ô đơn vị tối giản. Ô đơn vị được chọn có những mặt bên vuông góc trong khi nh ững mặt bên của ô đơn v ị tối giản có thể không vuông góc. Một loại ô đơn vị 3 chiều được biễu diễn trong hình 1.4. M ối quan h ệ
  16. giữa ô này và mạng được đặc trưng b ởi 3 vecto a, b, và c. Ba vecto này không c ần thiết phải vuông góc nhau và có th ể bằng nhau ho ặc không b ằng nhau v ề độ dài. Mỗi điểm mạng trong mạng 3 chiều có thể tìm được bằng cách dùng vecto: r = p a + qb + sc (1.1) ở đây p, q và s là những số nguyên. B ởi vì vị trí của gốc tọa độ là tùy ý, chúng ta s ẽ đặt p, q và s là những số nguyên dương cho đơn gi ản. 1.3.2 Cấu trúc mạng cơ bản Trước khi thảo luận về tinh thể bán dẫn, chúng ta hãy xét 3 c ấu trúc tinh thể và xác định một số tính chất cơ bản của những tinh th ể này. Hình 1.5 bi ễu diễn cấu trúc lập phương đơn, l ập phương tâm kh ối và lập phương tâm m ặt. Đối với những cấu trúc đơn gi ản này, chúng ta có th ể chọn những ô đơn v ị sao cho nh ững vecto a, b, và c vuông góc v ới nhau và có đ ộ dài bằng nhau. C ấu trúc lập phương đơn (SC) có một nguyên t ử đặt tại mỗi đỉnh; cấu trúc lập phương tâm kh ối (BCC) có thêm m ột nguyên t ử đặt ở tâm của hình lập phương; và c ấu trúc lập phương tâm m ặt (FCC) có thêm nh ững nguyên tử ở mỗi mặt. Bằng cách tìm hi ểu về cấu trúc tinh th ể của vật liệu và hướng mạng của nó, chúng ta có th ể xác định vài tính ch ất của tinh th ể. Chẳng hạn, chúng ta có th ể xác định mật độ thể tích của nguyên t ử.
  17. 1.3.3 Mặt phẳng tinh th ể và chỉ số Miller Bởi vì tinh th ể thực có kích thư ớt không xác đ ịnh, nghĩa là cuối cùng chúng k ết thúc tại một bề mặt. Thiết bị bán dẫn được chế tạo ngay t ại hoặc gần bề mặt vì vậy tính chất bề mặt có thể ảnh hưởng đến đặc tính thiết bị. Chúng ta mu ốn mô tả những bề mặt này theo mạng. Những bề mặt, hoặc mặt phẳng trong tinh th ể có thể được mô tả bằng cách đ ầu tiên xem xét giao đi ểm của mặt phẳng dọc theo nh ững trục a, b, và c được dùng để mô tả mạng. Ví dụ 1.2: Hãy mô t ả mặt phẳng được biễu diễn trong hình 1.6. (trong hìn h 1.6 những điểm mạng chỉ được biễu diễn dọc theo ba tr ục a, b, c) Giải: Giao đi ểm của mặt phẳng với ba trục a, b, c là p=3, q=2, v s=1. Lấy nghịch đảo, chúng ta có:(1/3; 1/2; 1/1) Quy đồng mẫu số của ba phân số này: (2/6; 3/6; 6/6) Những chữ số ở tử sẽ là những chỉ số biễu diễn mặt phẳng mạng, nghĩa là chúng ta có m ặt phẳng
  18. (2,3,6). Nh ững chữ số này cũng được gọi là chỉ số Miller. Chúng ta s ẽ gọi mặt phẳng trong trư ờng hợp tổng quát là (hkl) Kết luận: Những mặt phẳng song song v ới mặt phẳng trong hình 1 .6 sẽ có cùng chỉ số Miller là (2,3,6). Như v ậy, các mặt phẳng song song nhau hoàn toàn tương đương nhau. Ba mặt phẳng thường được xét trong tinh th ể lập phương đư ợc biễu diễn trong hình 1.7. Mặt phẳng trong hình 1.7a song song v ới những trục b và c vì v ậy giao điểm là p=1, q=∞ và s=∞. Lấy nghịch đảo, chúng ta thu đư ợc chỉ số Miller là (1, 0, 0), vì vậy mặt phẳng được biễu diễn trong hình 1.7a là m ặt phẳng (100). M ột lần nữa, bất kì mặt phẳng nào song song v ới mặt phẳng được biểu diễn trong hình 1.7a và được chia tách b ằng một số nguyên l ần hằng số mạng hoàn toàn tương đương nhau và được gọi là mặt phẳng (100). M ột sự thuận lợi của việc lấy nghịch đảo giao điểm để thu được chỉ số Miller là tránh đư ợc việc sử dụng ∞ khi mô t ả mặt phẳng song song v ới một trục. Tuy nhiên, n ếu chúng ta mô t ả mặt phẳng đi qua g ốc tọa độ của hệ, chúng ta s ẽ lại thu được một hoặc một số chỉ số Miller không xác đ ịnh sau khi l ấy nghịch đảo của giao điểm. Tuy nhiên, v ị trí của gốc tọa độ của một hệ tọa độ là hoàn toàn tùy ý và vì vậy bằng phép tịnh tiến gốc tọa độ đến một điểm mạng tương đương khác, chúng ta s ẽ tránh được dùng ∞ trong t ập hợp những chỉ số Miller. Đối với cấu trúc lập phương đơn, l ập phương tâm kh ối và lập phương tâm m ặt có một bậc đối xứng cao. Nh ững trục có thể được quay 90 0 ở một trong 3 chi ều và mỗi điểm mạng lại có thể được mô tả bởi phương tr ình (1.1): r=pa + qb + sc (1.1)
  19. Mỗi mặt của cấu trúc lập phương đư ợc biễu diễn trong hình 1.7a hoàn t oàn tương đương. Nh ững mặt phẳng này đư ợc nhóm v ới nhau và đư ợc gọi là tập những mặt phẳng {100}. Chúng ta ti ếp tục xét nh ững mặt phẳng được biễu diễn trong hình 1.7b và 1.7c. Giao đi ểm của mặt phẳng được biễu diễn trong hình 1.7b là p=1, q=1, và s=∞. Chỉ số Miller đư ợc tìm b ằng cách l ấy nghịch đảo của những giao đi ểm này, và k ết quả là, mặt phẳng này đư ợc gọi là mặt phẳng (110). Theo cách tương t ự, mặt phẳng được biểu diễn trong hình 1.7c được gọi là mặt phẳng (111). Một đặc tính khác c ủa tinh thể cũng có thể được xác định là kho ảng cách giữa những mặt phẳng tương đương g ần nhất. Một đặc tính khác là m ật độ bề mặt của nguyên t ử, số nguyên t ử trên cm2 (#/cm2) bị cắt bởi một mặt phẳng nào đó. Cần nhớ rằng, bán d ẫn đơn tinh th ể có kích thư ớt xác định và ph ải kết thúc tại một số bề mặt. Mật độ bề mặt của nguyên t ử là quan trọng trong nhi ều trường hợp, chẳng hạn trong vi ệc xác đ ịnh những vật liệu khác, như đi ện môi, s ẽ khớp với bề mặt của vật liệu bán dẫn như th ế nào. Cùng với việc mô tả mặt phẳng tinh thể trong mạng, chúng ta còn mu ốn mô tả những hướng đặc biệt trong tinh th ể. Hướng có th ể được biễu diễn qua tập hợp 3 số nguyên là nh ững thành ph ần tọa độ của một vecto theo hư ớng đó. Ch ẳng hạn, đường chéo c ủa mạng lập phương đơn s ẽ có tọa độ là 1,1,1. Do đó, đư ờng chéo được mô tả theo hướng [111]. D ấu ngoặc vuông dùng đ ể phân biệt với dấu ngoặc tròn (được dùng đ ể chỉ mặt phẳng mạng). Ba hư ớng cơ b ản và nh ững mặt phẳng mạng có liên quan c ủa cấu trúc lập phương đơn đư ợc biễu diễn trong hình 1.9. Chú

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản