Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 1

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

173
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA CHẤT RẮN TỔNG QUAN Tài liệu này nghiên cứu tính chất và đặc tính điện của vật liệu và thiết bị bán dẫn. Mà bán dẫn lại là chất rắn. Do đó tính chất điện của chất rắn được quan tâm hàng đầu. Bán dẫn nói chung là vật liệu đơn tinh thể. Tính chất điện của vật liệu đơn tinh thể không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn phụ thuộc vào sự sắp xếp của các nguyên tử trong chất rắn; do đó, cần có một sự tìm hiểu...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 1

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.)
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.
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
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
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.
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
(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)
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
ý rằng trong mạng lập phương đơn, hư ớng [hkl] vuông góc v ới mặt phẳng (hkl). Tính chất này sẽ không còn đúng trong m ạng không ph ải lập phương. 1.3.4 Cấu trúc kim cương Như đã từng nói, silic là m ột vật liệu bán dẫn phổ biến nhất. Silic là nguyên t ố nhóm IV và có cấu trúc kim cương. Germany c ũng là một nguyên t ố nhóm IV và có cấu trúc giống kim cương. Ô đơn v ị của kim cương đư ợc biễu diễn trong hình 1.10. Chúng ta có thể bắt đầu hiểu mạng kim cương bằng cách xem xét cấu trúc tứ diện được biễu diễn trong hình 1.11. Về cơ bản cấu trúc này là lập phương tâm khối thiếu 4
nguyên t ử ở các đỉnh. Mỗi nguyên t ử trong cấu trúc tứ diện có 4 nguyên t ử lân cận gần nhất và cấu trúc này là thành ph ần cơ bản của mạng kim cương. Có một vài cách đ ể hình dung c ấu trúc kim cương. M ột cách đ ể hiểu sâu hơn về cấu trúc kim cương là xét h ình 1.12. Hình 1.12a bi ễu diễn 2 cấu trúc lập phương tâm kh ối, hoặc tứ diện, những cấu trúc này kề chéo nhau. Nh ững vòng tròn tô đen biễu diễn những nguyên t ử trong mạng được tạo ra khi c ấu trúc đư ợc tịnh tiến sang trái ho ặc sang ph ải một hằng số mạng a. Hình 1.12b bi ễu diễn nửa trên của cấu trúc kim cương. N ửa trên ch ứa 2 cấu trúc tứ diện được nối chéo nhau theo m ột đường vuông góc v ới đường chéo n ửa dưới. Một tính chất quan trọng trong c ấu trúc kim cương là b ất kì nguyên t ử nào trong c ấu trúc kim cương c ũng có 4 nguy ên tử lân cận gần nhất. Chúng ta s ẽ rút ra tính ch ất này một lần nữa khi nghiên c ứu về liên kết nguyên t ử trong phần tiếp theo. 1.4|LIÊN K ẾT HÓA H ỌC GIỮA CÁC NGUYÊN T Ử VÀ PHÂN T Ử TRONG TINH TH Ể Có một số phần trong sách này có kèm theo các video r ất sinh động để giúp các bạn nhanh chóng n ắm được ý tưởng của vấn đề. Vì các video có dung l ượng lớn không th ể gửi kèm theo tài l iệu này, nên tác gi ả giới thiệu cho bạn đến trang www.mientayvn.com để xem. Hãy copy link đính kèm và dán vào thanh adress trên trình duy ệt web của bạn. Sao đó, b ạn sẽ tìm thấy các video. Nếu bạn không có
đường truyền Internet thì các b ạn có thể xem các vi deo này vào m ột dịp thuận lợi nào đó. Không sao c ả vì nó là ph ần tham kh ảo [tùy ch ọn]. Các video trong ph ần này xin các b ạn xem tại địa chỉ: http://mientayvn.com/Dien%20tu/Sach/Vat%20li%20dien%20tu%20va%20ban%20dan/Chuong%20I/14.html Chúng ta đang xem xét những cấu trúc đơn tinh th ể khác nhau. Câu h ỏi nảy sinh là tại sao một cấu trúc tinh th ể nào đó lại thiên v ề một cách tổ hợp các nguyên t ử theo cách riêng c ủa nó. Một định luật cơ bản trong t ự nhiên là năng lư ợng tổng trong một hệ ở trạng thái cân b ằng nhiệt có khuynh hư ớng đạt đến giá trị cực tiểu. Tương tác xuất hiện giữa những nguyên t ử để hình thành nên ch ất rắn nhằm đạt đến năng lượng toàn ph ần cực tiểu và tương tác này ph ụ thuộc vào từng loại nguyên t ử. Do đó, loại liên kết hoặc tương tác gi ữa những nguyên t ử phụ thuộc vào nguyên t ử cụ thể hoặc những nguyên t ử trong tinh th ể. Nếu không có liên k ết mạnh giữa những nguyên t ử, chúng s ẽ “không dính” v ới nhau đ ể tạo nên ch ất rắn. Tương tác gi ữa những nguyên t ử có thể được mô tả theo cơ h ọc lượng tử. Mặc dù những kiến thức về cơ học lượng tử được đưa vào trong chương sau nhưng sự mô tả các liên k ết hóa học trong nguyên t ử theo cơ học lượng tử vẫn nằm ngoài phạm vi nghiên c ứu của tài liệu này. Tuy nhiên, chúng ta có th ể thu được những kiến thức định tính về cách thức tương tác c ủa những nguyên t ử bằng cách xem xét những electron l ớp ngoài cùng hay nh ững electron hóa tr ị trong nguyên t ử. Những nguyên t ử tại 2 biên của bảng tuần hoàn (ngo ại trừ khí trơ ) có khuynh hư ớng mất hoặc thu electron hóa tr ị để hình thành những Ion. Do đó, v ề cơ bản những ion này có l ớp năng lư ợng ngoài cùng đ ầy hoàn toàn. Nh ững nguyên t ố ở nhóm I c ủa bảng tuần hoàn có khuynh hư ớng mất một electron c ủa chúng và tr ở thành ion mang đi ện dương, trong khi nh ững nguyên t ố ở nhóm VII c ủa bảng tuần hoàn có khuynh hư ớng thu thêm m ột electron và tr ở thành ion mang đi ện âm. Những ion mang đi ện dương này s ẽ tương tác Coulomb và h ình thành liên k ết được gọi là liên kết ion. Nếu những ion này đ ến gần nhau thì l ực đẩy sẽ chiếm ưu thế vì vậy có một khoảng cách cân b ằng giữa hai ion này. Trong tinh th ể, những ion mang đi ện âm có khuynh hư ớng bị bao quanh b ởi những ion mang đi ện dương và những ion mang đi ện dương có khuynh hư ớng bị bao quanh b ởi những ion mang đi ện âm, vì v ậy mạng tuần hoàn nguyên t ử được hình thành để tạo nên mạng
tinh thể. Ví dụ điễn hình của liên k ết ion là NaCl. Video sau đây s ẽ biễu diễn quá trình hình thành liên k ết ion giữa nguyên tử Na và nguyên t ử Clo. Tương tác gi ữa những nguyên t ử có khuynh hư ớng hình thành nh ững lớp đầy hoàn t oàn như chúng ta thấy trong liên k ết ion. Một liên kết nguyên t ử khác có khuynh hư ớng đạt đến những lớp đầy là liên k ết cộng hóa trị, ví dụ như trong phân t ử hidro. Nguyên tử hidro có một electron và c ần một electron n ữa để có thể lấp đầy lớp năng lư ợng thấp nhất. Sơ đồ của hai nguyên t ử hidro không tương tác và phân t ử hidro với liên k ết cộng hóa trị được biễu diễn trong hình 1.15. Liên k ết cộng hóa trị dẫn đến việc dùng chung electron gi ữa những nguyên t ử, kết quả là lớp electron hóa tr ị của mỗi nguyên t ử sẽ đầy. Video sau mô t ả quá trình hình thành liên k ết cộng hóa tr ị của phân t ử hidro và phân t ử nước (Hydrogen: nguyên t ử hidro, hydrogen molecule: phân t ử hidro, water molecule: phân t ử nước). Những nguyên t ử nhóm IV c ủa bảng tuần hoàn, ví d ụ như Si và Ge cũng có khuynh hư ớng hình thành liên k ết cộng hóa trị. Những nguyên t ố này có 4 electron hóa trị và cần thêm 4 electron hóa tr ị để đạt đến cấu hình b ền vững. Chẳng hạn, nếu một nguyên t ử silic có 4 nguyên t ử lân cận gần nhất, trong đó m ỗi nguyên tử đóng góp một electron hóa tr ị để dùng chung thì nguyên t ử ở giữa sẽ có 8 electron ở lớp ngoài cùng. Hình 1.16a bi ễu diễn năm nguyên t ử silic không tương tác trong đó mỗi nguyên t ử có 4 electron hóa tr ị. Hình 1.16b là bi ễu diễn hai chi ều của liên kết cộng hóa trị trong silic.Nguyên t ử ở trung tâm có 8 electron hóa tr ị. Một sự khác nhau cơ b ản giữa liên kết cộng hóa trị của hidro và c ủa silic là khi phân t ử hidro được hình thành, nó không có nh ững electron đư ợc thêm vào đ ể hình thành thêm nh ững liên k ết cộng hóa trị, trong khi nh ững nguyên t ử silic bên ngoài luôn luôn có s ẵn những electron hóa tr ị để hình thành thêm nh ững liên k ết cộng hóa trị. Do đó, mạng những nguyên t ử silic hình thành nên m ột tinh thể có kích thướt không xác đ ịnh, trong đó m ỗi nguyên t ử silic có 4 nguyên t ử lân cận gần nhất và 8 electron đư ợc dùng chung. B ốn nguyên t ử lân cận gần nhất hình thành nên liên k ết cộng hóa trị tương ứng với cấu trúc tứ diện và mạng kim cương, nó l ần lượt được biễu diễn trong hình 1.11 và 1.10. T ất nhiên, liên k ết nguyên t ử và cấu trúc tinh th ể có liên hệ trực tiếp với nhau.
Loại liên kết nguyên t ử thứ 3 là liên k ết kim lo ại. Những nguyên t ố nhóm I có một electron hóa tr ị. Chẳng hạn, nếu hai nguyên t ử Natri (Z=11) đư ợc mang đ ến gần nhau, nh ững electron hóa tr ị sẽ tương tác v ới nhau giống như trong liên k ết cộng hóa trị. Khi nguyên t ử Natri th ứ 3 được mang đ ến gần hai nguyên t ử đầu, những electron hóa tr ị cũng có th ể tương tác và ti ếp tục hình thành m ột liên k ết. Natri ở thể rắn có cấu trúc lập phương tâm kh ối, vì vậy mỗi nguyên t ử có 8 nguyên t ử lân cận gần nhất trong đó mỗi nguyên t ử góp vào một electron. Chúng ta có th ể xem những ion dương kim lo ại được vây quanh b ởi một biển các electron, ch ất rắn được giữ với nhau bởi lực tĩnh điện. Sự mô tả này cho ta một bức tranh định tính về liên kết kim loại. Một loại liên kết nguyên t ử thứ 4 là liên kết Van der Waal. Đây là liên k ết yếu nhất trong các liên k ết hóa học. Chẳng hạn, phân t ử HF được hình thành b ởi liên kết ion. Tâm hi ệu dụng của những hạt mang đi ện dương khô ng trùng v ới tâm hiệu dụng của những hạt mang đi ện âm. Sự bất đối xứng trong phân b ố điện tích dẫn đến sự hình thành một lưỡng cực điện nhỏ có thể tương tác v ới những lưỡng cực của các phân t ử HF khác. B ởi vì tương tác yếu, chất rắn được hình thành b ởi liên kết Van der Waals có nhi ệt độ nóng ch ảy tương đ ối thấp – quả thực hầu hết các vật liệu này tồn tại ở dạng khí trong đi ều kiện nhiệt độ phòng. Xem video mô t ả sự hình thành phân t ử HF bằng liên k ết Van der Waal. 1.5|KHUY ẾT TẬT VÀ TẠP CHẤT TRONG CH ẤT RẮN Các video trong ph ần này xin xem t ại: http://mientayvn.com/Dien%20tu/Sach/Vat%20li%20dien%20tu%20va%20ban%20dan/Chuong%20I/15.html Cho đến lúc này, chúng ta ch ỉ mới khảo sát cấu trúc tinh th ể lí tưởng. Trong tinh thể thực, mạng không hoàn h ảo mà ch ứa những khuyết tật; nghĩa là, sự tuần hoàn hình học hoàn h ảo bị gián đo ạn theo nh ững cách th ức nào đó. Khuy ết tật có khuynh hư ớng làm biến đổi tính ch ất điện của vật liệu, và trong một số trường hợp, những tham s ố điện có thể chịu ảnh hưởng mạnh bởi những khuyết tật hoặc tạp chất này. 1.5.1 Khuy ết tật trong chất rắn
Một loại khuyết tật mà tất cả các tinh th ể đều có là dao đ ộng. Đơn tinh th ể hoàn hảo chứa những hạt (nguyên t ử, phân tử hoặc ion) t ại các nút m ạng, những hạt này cách nhau một khoảng bằng hằng số. Ngoài ra, các h ạt trong tinh th ể có một năng lượng nhiệt nào đó, nó là hàm theo nhi ệt độ. Năng lư ợng nhiệt này làm cho nh ững hạt dao đ ộng ngẫu nhiên quanh nh ững điểm mạng cân b ằng. Dao động nhiệt ngẫu nhiên này làm cho kho ảng cách gi ữa các nguyên t ử biến đổi một cách ng ẫu nhiên, phá vỡ sự sắp xếp tuần hoàn của những nguyên t ử. Khuyết tật này được gọi là dao động mạng ảnh hưởng đến những đại lượng điện như chúng ta s ẽ thấy sau này trong quá trình kh ảo sát tính ch ất của vật liệu bán dẫn. Một loại khuyết tật khác là sai hỏng điểm. Có vài lo ại mà chúng ta c ần xem xét. Trong một mạng đơn tinh th ể lí tưởng, những nguyên t ử được sắp xếp một cách tuần hoàn đ ều đặn. Tuy nhiên, trong tinh th ể thực, một nguyên t ử có thể bị mất ở một mặt mạng nào đó. Khuy ết tật này được gọi là nút khuy ết; nó được biễu diễn bằng đồ thị trong hình 1.17a. Trong tr ường hợp khác, một nguyên t ử có thể được đặt vào gi ữa những mặt mạng. Sai hỏng này đư ợc gọi là sai h ỏng ngoài nút và được biễu diễn trong hình 1.17b. Trong tr ường hợp sai hỏng chỗ khuyết và sai hỏng ngoài nút, không ch ỉ sự sắp xếp hình h ọc của nguyên t ử bị phá vỡ mà liên k ết hóa học lí tưởng giữa những nguyên t ử cũng bị gián đo ạn, điều này d ẫn đến làm thay đổi tính ch ất điện của vật liệu. Sai hỏng chỗ khuyết và sai h ỏng ngoài nút n ếu đặt gần nhau sẽ tương tác nhau và h ình thành sai h ỏng chỗ khuyết-ngoài nút. Sai hỏng chỗ khuyết-ngoài nút này còn được gọi là sai h ỏng Frenkel t ạo ra những ảnh hưởng khác bi ệt so với những sai hỏng chỗ khuyết và sai hỏng ngoài nút riêng l ẻ.
Sai hỏng điểm liên quan đ ến vị trí của từng nguyên t ử hoặc một nguyên t ử. Trong s ự hình thành v ật liệu đơn tinh thể, những sai h ỏng phức tạp hơn có th ể xuất hiện. Chẳng hạn sai hỏng đường xuất hiện khi dãy các nguyên t ử bị thiếu trong một mặt mạng. Sai hỏng này đư ợc gọi là sự lệch đường và được biễu diễn trong hình 1.18. C ũng như đối với sai hỏng điểm, sự lệch đường làm gián đ ọan cả sự tuần hoàn hình học đều đặn của mạng và nh ững liên k ết nguyên t ử lí tưởng trong tinh th ể. Sự lệch này cũng có th ể làm thay đ ổi tính ch ất điện của vật liệu, thường là theo nh ững cách th ức không th ể tiên đóan đư ợc như đ ối với sai hỏng điểm. Những sự lệch phức tạp khác cũng có th ể hình thành trong m ạng tinh th ể. Phần nhập môn này ch ỉ muốn đưa vào m ột vài loại sai hỏng cơ b ản và ch ứng tỏ rằng tinh thể thực không nh ất thiết là một cấu trúc tinh th ể hoàn hảo. Ảnh hưởng của những sai hỏng này đ ến tính ch ất điện của bán dẫn sẽ được xét trong chương sau. 1.5.2 Tạp chất trong ch ất rắn Những nguyên t ử bên ngoài, ho ặc những nguyên t ử tạp chất có thể hiện diện trong mạng tinh thể. Những nguyên t ử tạp chất có thể nằm tại mặt mạng bình th ường, trong trường hợp này chúng đư ợc gọi là tạp chất thế chỗ. Những nguyên t ử có thể nằm giữa những mặt mạng bình th ường, trong trư ờng hợp này chúng đư ợc gọi là tạp chất ngoài nút. Cả hai loại tạp chất này là sai h ỏng mạng và được biễu diễn trong hình 1.19. Một số tạp chất, chẳng hạn như Oxi trong Si có khuynh hư ớng trơ; tuy nhiên, chẳng hạn như vàng ho ặc photpho trong Si có th ể thay đổi tính ch ất điện của vật liệu một cách mạnh mẽ. Trong chương 4, chúng ta s ẽ thấy rằng, bằng cách thêm m ột lượng tạp chất có kiểm soát, tính ch ất điện của bán dẫn có thể thay đổi tùy ý. Kĩ thuật thêm nh ững
nguyên t ử tạp chất vào vật liệu bán dẫn để thay đổi tính ch ất điện của nó được gọi là pha tạp. Có hai phương pháp pha t ạp tổng quát: khu ếch tán tạp chất và cấy Ion. Quy trình khu ếch tán th ực sự phụ thuộc vào hình d ạng bên ngoài c ủa bán dẫn, nói chung, khu ếch tán t ạp chất được thực hiện bằng cách đ ặt tinh thể bán dẫn ở môi trường khí nhi ệt độ cao (gần 10000 C) chứa những nguyên t ử tạp chất. Tại nhiệt độ cao này, nhi ều nguyên t ử tinh thể có thể chuyển động ngẫu nhiên trong và ngoài nh ững mặt mạng đơn tinh th ể của chúng. Nh ững chỗ khuyết có thể được tạo ra do chuyển động ngẫu nhiên này vì v ậy những nguyên t ử tạp chất có thể di chuyển trong mạng bằng cách nh ảy từ chỗ khuyết này đến chỗ khuyết khác. Khuếch tán tạp chất là một quá trình mà ở đó tạp chất di chuyển từ vùng có n ồng độ cao từ bề mặt sang vùng có n ồng độ thấp trong tinh th ể. Khi nh ững nguyên t ử tạp chất bị đóng băng trong nh ững mặt phẳng mạng thay th ế. Sự khuếch tán nh ững tạp chất khác nhau vào nh ững vùng đư ợc chọn của bán dẫn cho phép chúng ta ch ế tạo những mạch điện tử phức tạp trên một đơn tinh th ể bán dẫn. Nói chung, quá trình c ấy Ion xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn khu ếch tán. M ột chùm nh ững ion tạp chất được gia tốc đến động năng n ằm trong kho ảng 50 KeV hoặc lớn hơn và sau đó đ ến bề mặt bán dẫn. Những ion pha t ạp năng lư ợng cao đi vào tinh th ể và dừng lại ở một độ sâu trung bình tín h từ bề mặt. Một ưu điểm của cấy ion là có th ể điều khiển được những nguyên t ử ion đi vào m ột vùng đ ặc biệt của tinh thể. Một nhược điểm của kĩ thuật này là nh ững nguyên t ử tạp chất tới va chạm với những nguyên t ử tinh thể làm hỏng sự thay đổi vị trí mạng. Tuy nhiên, hầu hết sự làm hỏng mạng có th ể tránh được bằng cách luyện nhiệt, nghĩa là tăng nhiệt độ của tinh thể trong th ời gian ng ắn. Sự luyện nhiệt là bước cần thiết sau khi cấy ion. Video sau đây dùng tinh th ể NaCl đ ể minh họa các loại sai hỏng điểm trong mạng tinh thể. Trong quá trình xem video, b ạn có thể gặp một số cụm từ sau: Defect in solid : những khuyết tật trong chất rắn In this module, you will learn about the various types of point defects present in the crystal lattice of solid : Trong ph ần này, chúng ta s ẽ khảo sát những loại sai hỏng điểm khác nhau trong m ạng tinh th ể của chất rắn. Defects in crystalline solids :Sai hỏng trong ch ất rắn kết tinh Point defect : sai hỏng điểm
Line defect : sai hỏng đường Point defects are of three types : sai hỏng điểm gồm 3 loại Stoichiometric : hợp thức Non stoichiometric : không h ợp thức Impurity defects : sai hỏng tạp chất In cases of non ionic solids, the stoichiometric defect are of two types : Đối với những trường hợp chất rắn không ph ải ion, sai hỏng hợp thức gồm hai loại Vacancy defects : sai hỏng chổ khuyết Interstitial defects : sai hỏng ngoài nút Frenkel defects : sai hỏng Frenkel Schottky defects : sai hỏng Schottky Impurity defecs : sai hỏng tạp chất *1.6| CÁC K Ĩ THUẬT NUÔI C ẤY VẬT LIỆU BÁN DẪN Các video trong ph ần này xin xem t ại: http://mientayvn.com/Dien%20tu/Sach/Vat%20li%20dien%20tu%20va%20ban%20dan/Chuong%20I/16.html Sự thành công trong vi ệc chế tạo mạch tích h ợp cỡ rất lớn (VLSI) là k ết quả của sự phát triển và cải tiến kĩ thuật nuôi vật liệu đơn tinh th ể thuần khiết. Bán d ẫn là một trong số những vật liệu tinh khi ết nhất. Chẳng hạn, Si có nồng độ tạp chất cao nhất nhỏ hơn một phần mười tỉ. Yêu cầu độ tinh khiết cao đồng nghĩa với việc cần phải rất cẩn thận trong vi ệc phát tri ển và xử lí vật liệu ở mỗi bước trong quá trính ch ế tạo. Cơ ch ế và động học của quá trình phát tri ển tinh th ể cực kì phức tạp và sẽ được mô tả một cách rất chung chung trong tài li ệu này. Tuy nhiên, nh ững kiến thức tổng quát v ề kĩ thuật nuôi và nh ững thuật ngữ đã được đưa vào. 1.6.1 Nuôi b ằng cách đun Kĩ thuật thông thư ờng để nuôi tinh th ể được gọi là phương pháp Czochralski. Trong kĩ thuật này, một miếng nhỏ vật liệu bán d ẫn được gọi là mầm được mang đến tiếp xúc với bề mặt của một vật liệu giống nó ở pha lỏng, và sau đó đư ợc kéo chậm từ thể lỏng. Khi mầm được kéo chậm, sự hóa rắn xuất hiện giữa lớp tiếp xúc lỏng-rắn. Thông thư ờng tinh thể cũng được quay ch ậm khi nó đang đư ợc kéo để trộn lỏng, dẫn đến nhiệt độ đồng đều hơn. Nh ững nguyên t ử tạp chất, chẳng hạn như Bo ho ặc Photpho có th ể được thêm vào bán d ẫn đang tan ch ảy. Hình 1.20 bi ễu
diễn sơ đồ của quá trình nuôi Crochralski và th ỏi silic được hình thành trong quá trình này. Video sau đây s ẽ mô tả phương pháp Czochralski:
Một vài tạp chất có thể đi vào thỏi một cách ng ẫu nhiên. S ự tinh chế vùng là kĩ thuật phổ biến để làm tinh khi ết vật liệu. Cuộn cảm nhiệt độ cao, hoặc cuộn dây cảm ứng r-f được cho đi ch ậm dọc theo chiều dài của thỏi. Nhiệt độ được cảm ứng bởi cuộn dây đ ủ cao để cho một lớp chất lỏng mỏng được hình thành. T ại lớp tiếp xúc rắn-lỏng, có s ự phân bố tạp chất giữa hai pha. Thông s ố mô tả sự phân bố này được gọi là hệ số phân tầng: tỉ số giữa mật độ tạp chất trong ch ất rắn với mật độ trong ch ất lỏng. Chẳng hạn, nếu hệ số phân tầng bằng 0.1 thì có ngh ĩa là nồng độ tạp chất trong ch ất lỏng lớn gấp 10 lần nồng độ tạp chất trong ch ất rắn. Khi vùng chất lỏng di chuyển trong vật liệu, tạp chất được dồn theo ch ất lỏng. Sau vài đo ạn của cuộn dây r-f, hầu như tạp chất bị dồn về cuối thanh, rồi bị cắt. Di chuyển vùng nấu chảy, hoặc kĩ thuật lọc vùng có th ể tạo được mức độ tinh khiết cần thiết. Sau khi bán d ẫn được hình thành, th ỏi bán dẫn được đẽo gọt để có đường kính thích h ợp và lấy một mặt phẳng chuẩn trên toàn b ộ chiều dài của thỏi để kí hiệu sự định hướng trong tinh th ể. Mặt phẳng này vuông góc v ới hướng [110] ho ặc biểu thị mặt phẳng (110). (xem hình 1.20b). Do đó, điều này cho phép nhi ều chip riêng bi ệt được chế tạo theo một mặt phẳng tinh th ể đã cho sao cho nh ững chip có thể được tách ra t ừng phần dễ dàng hơn. Sau đó th ỏi này được cắt thành t ừng miếng. Mỗi miếng phải đủ dày để tự hỗ trợ về mặt cơ khí cho nó. Thao tác mài 2 mặt cơ khí t ạo ra một miếng phẳng có độ dày đồng nhất. Bởi vì quá trình mày có thể để lại những bề mặt bị hỏng và bị làm bẩn do ho ạt động cơ khí, b ề mặt phải được lấy đi bằng cơ ch ế hóa học. Bước cuối cùng là đánh bóng. Bư ớc này cho ra một bề mặt nhẵn mà nh ững thiết bị có thể được chế tạo hoặc những quá trình nuôi cấy tiếp theo có th ể được tiến hành trên nó. Mi ếng bán d ẫn cuối cùng này đư ợc gọi là vật liệu đế. Video sau đây s ẽ cho bạn biết quy trình ch ế tạo ra đế như thế nào