báo cáo vật liệu bán dẫn pha tạp

BẢN BÁO CÁO
Chủ đề:“vật liệu bán dẫn pha tạp”
Nhóm số 30: FireGoats.
Ngày 13 tháng 09 năm 2011.
Thành viên:
- Trần Văn Sáng.
- Hoàng Minh Tân.
- Phạm Hùng Cường
Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp

Nhóm số 30: FireGoats
Chapter: Mở đầu
2

Contents
Mở đầu 3
I. Giới thiệu chung 4
II. Các loại bán dẫn pha tạp: 4
1. Loại n( n- type semiconductor) và loại p( p-type semiconductor) 4
2. Các loại bán dẫn khác 4
III. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp: 4
1. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp 4
2. Pha tạp trong vật dẫn hữu cơ 7
IV. Kết luận: 7

Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp

Nhóm số 30: FireGoats
Chapter: Mở đầu
3

Mở đầu
Những vật liệu bán dẫn nguyên chất không có khả năng dẫn điện cao vì sự hạn chế
trong một vài tính chất của chúng. Đó là sự giới hạn của các điện tử tự do tại vùng
dẫn (conduction band) và lỗ trống tại vùng hóa trị( valence band). Silic (hoặc
Germani) nguyên chất cần được điều chỉnh sao cho số lượng electron và lỗ trống
tăng lên, và làm tăng khả năng dẫn điện của chúng. Chính vì vậy các nhà khoa học
đã nghiên cứu ra công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp( doped
semiconductor). Bằng cách pha thêm các nguyên tố hóa học khác vào bán dẫn
nguyên chất, họ đã tạo ra hai loại vật liệu bán dẫn pha tạp loại n và loại p, một phần
không thể thiếu trong hầu hết những thiết bị điện tử hiện nay.
Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp

Nhóm số 30: FireGoats
Chapter: Giới thiệu chung
4

I. Giới thiệu chung
Công dụng của vật liệu bán dẫn pha tạp bắt đầu được biết đến trong một số
thiết bị điện tử như máy thu vô tuyến tinh thể và bộ chỉnh lưu selen. Công nghệ
bán dẫn pha tạp được định hình và phát triển đầu tiên bởi John Woodyard. Ông
đã làm việc tại công ty Sperry Gyroscope trong suốt chiến tranh thế giới thứ hai.
Ngày nay, chúng ta có thể bắt gặp các vật liệu bán dẫn pha tạp ở hầu hết các
thiết bị điện tử trên thế giới, từ chiếc đài thu thanh cho đến những con chip xử lý

tinh vi nhất.
II. Các loại bán dẫn pha tạp:
1. Loại n( n- type semiconductor) và loại p( p-type semiconductor)
 Chất bán dẫn loại p (hay dùng nghĩa tiếng Việt là bán dẫn dương) có
tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ
trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive', nghĩa là dương).
 Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm - Negative) có tạp chất là các nguyên
tố thuôc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và
một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các
electron dẫn chính
2. Các loại bán dẫn khác
 Chất bán dẫn không suy biến: là chất có nồng độ hạt dẫn không cao,
có tính chất giống như kim loại
 Bán dẫn từ: sử dụng các hợp kim sắt từ.
III. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp:
1. Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp
Với các chất bán dẫn thuộc nhóm IV như silic, germani và silic carbide( SiC),
cách pha tạp phổ biến nhất là pha tạp các nguyên tố thuộc nhóm III và nhóm
V.
Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân
loại tuần hoàn như As (Arsenic), Photpho (p), Antimon (Sb). Bán kính nguyên
tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một
nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử
của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, Còn dư lại một điện tử của As. Ở nhiệt
độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hóa trị đều có năng lượng trong vùng
hóa trị, trừ những điện tử thừa của As không tạo nối hóa trị có năng lượng ED
Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp

Nhóm số 30: FireGoats
Chapter: Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp:

5

nằm trong vùng cấm và cách dẫy dẫn điện một khoảng năng lượng nhỏ
chừng 0,05eV.

Vật liệu pha tạp
Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hóa trị bị gãy, ta có những lỗ
trống trong vùng hóa trị và những điện tử trong vùng dẫn điện giống như
trong trường hợp của các chất bán dẫn thuần. Ngoài ra, các điện tử của As có
năng lượng ED cũng nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử có năng
lượng trong vùng dẫn điện. Vì thế ta có thể coi như hầu hết các nguyên tử As
đều bị Ion hóa (vì khoảng năng lượng giữa ED và vùng dẫn điện rất nhỏ),
nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lượng ED đều được tăng năng
lượng để trở thành điện tử tự do.

Dải dẫn điện và dải hóa trị
Chất bán dẫn loại N như trên có số điện tử trong vùng dẫn điện nhiều hơn số
lỗ trống trong vùng hóa trị.
Chất bán dẫn loại P:Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, ta
pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), nhôm
Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp

Nhóm số 30: FireGoats
Chapter: Chế tạo vật liệu bán dẫn pha tạp:
6

(Al), Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể
thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử In
kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si kế cận tạo thành 3 nối hóa trị, còn
một điện tử của Si có năng lượng trong vùng hóa trị không tạo một nối với

Indium. Giữa In và Si này ta có một trang thái năng lượng trống có năng
lượng EA nằm trong vùng cấm và cách vùng hóa trị một khoảng năng lượng
nhỏ chừng 0,08eV.

Ở nhiệt độ thấp (T=00K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong vùng hóa
trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong vùng hóa trị
nhận năng lượng và vượt vùng cấm vào vùng dẫn điện, đồng thời cũng có
những điện tử vượt vùng cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng
EA.

Năng lượng theo nhiệt độ
Báo cáo: vật liệu bán dẫn pha tạp

Nhóm số 30: FireGoats
Chapter: Kết luận:
7

Chất bán dẫn loại P có số lỗ trống trong vùng hóa trị nhiều hơn số điện tử
trong vùng dẫn điện.
2. Pha tạp trong vật dẫn hữu cơ
Polymer dẫn có thể được pha tạp bằng cách thêm các chất hóa học để oxy
hóa hoặc khử các hệ thống mà các electron được đẩy vào các orbital dẫn
trong đó hệ thống đã có sẵn khả năng dẫn điện. Có hai phương pháp pha tạp
chính một polyme dẫn điện, cả hai đều sử dụng quá trình oxy hóa khử.
 Pha tạp hóa học bao gồm việc giải một polymer như melanin, thường
là một màng mỏng, một chất oxy hóa chẳng hạn như Iod hoặc brom.
Ngoài ra, polymer có thể được đưa qua một phản ứng khử, phương
pháp này ít phổ biến hơn, thường sử dụng đến các kim loại kiềm.
 Pha tạp điện sử dụng công đoạn ngắt polymer tráng, bằng các điện
cực điện phân, trong đó polymer không hòa tan cùng với các điện cực.

Hiệu điện thế giữa các điện cực sinh ra điện tích và các ion bứt phá
thích hợp từ điện phân để xâm nhập vào các polymer dưới các hình
thức bổ sung điện tử (n-doping) hoặc gỡ bỏ (p-doping).
“Pha tạp loại n” (n-doping) ít phổ biến hơn bởi vì bầu khí quyển của trái đất
giàu oxy, do đó chúng tạo ra một môi trường oxy hóa. Với một polymer giàu
electron, pha tạp kiểu n sẽ phản ứng ngay lập tức với oxy nguyên tử để giải
pha tạp (tức oxy hóa lại trạng thái trung tính) polymer đó. Như vậy, pha tạp
hóa học phải được thực hiện trong một môi trường khí trơ (ví dụ, argon). Pha
tạp điện là phổ biến hơn trong nghiên cứu, bởi vì nó dễ dàng hơn để khử ôxy
từ một dung môi trong một bình kín. Tuy nhiên, nó không có nghĩa là polyme
dẫn pha tạp phù hợp với mục đích thương mại.
IV. Kết luận:
Nhìn chung, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta dùng những nguyên tố
khác nhau để pha tạp vào bán dẫn nguyên chất. Ví dụ như Bo là sự lựa chọn
trong sản xuất mạch tích hợp silic,photpho thường được sử dụng khi pha tạp
số lượng lớn để chế tạo vi mạch, trong khi đó asendùng để chế tạo mạch
khuếch tán…
Những vật liệu bán dẫn pha tạp nhiều thường có độ dẫn điện tốt và làm giảm
nhiệt năng hao phí, được ứng dụng trong sensistor (nhiệt điện trở có hệ số
điện trở dương). Bán dẫn với độ pha tạp thấp hơn được sử dụng trong những
thermistor (nhiệt điện trở có hệ số điện trở âm).