Giáo trình thiết bị điện tử bán dẫn

LOGO
1
THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ
2
Chƣơng 1: Đặc tính của tinh thể và sự nuôi cấy chất bán dẫn
Chương 2: Nguyên tử và các electron
Chương 3: Vùng năng lượng và phần tử mang điện trong chất bán dẫn
Chương 4: Hạt dẫn dư thừa trong chất bán dẫn
Chương 5: Lớp tiếp giáp (lớp chuyển tiếp – junction)
Chương 6: Transistor trường
Chương 7: Transistor tiếp giáp lưỡng cực
Chương 8: Thiết bị quang
Chương 9: Mạch tích hợp
Chương 10: Linh kiện tần số và công suất cao
3
Chương 1: Đặc tính của tinh thể và sự nuôi cấy chất bán dẫn
1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN
1.2 MẠNG TINH THỂ
1.3 CẤY TINH THỂ KHỐI
1.4 PHƢƠNG PHÁP NUÔI CẤY EPITAXIA
4
1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN
Chất bán dẫn là nhóm các chất có đặc tính dẫn điện
nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện.
Tính dẫn điện của những chất bán dẫn có thể thay đổi
tùy thuộc vào sự thay đổi về:
+ Nhiệt độ
+ Ánh sáng kích thích
+ Nồng độ tạp chất
Sự thay đổi tính chất điện này làm cho chất bán dẫn
trở thành sự lựa chọn tự nhiên cho các nghiên cứu về

thiết bị điện tử.
5
1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN
Chất bán dẫn thuộc nhóm IV và những nhóm bên
cạnh trong bảng tuần hoàn hóa học.
a II III IV V VI
Zn
Cd
B
Al
Ga
In
C
Si
Ge
N
P
As
Sb
S
Se
Te
b
Cơ bản Hợp chất
nhóm IV
Hợp chất
nhóm III-V
Hợp chất
nhóm II-VI
Si

Ge
SiC
SiGe
AlP
AlAs
AlSb
GaN
GaP
GaAs
GaSb
InP
InAs
InSb
ZnS
ZnSe
ZnTe
CdS
CdSe
CdTe
Ge đƣợc sử dụng rộng rãi
trong thời kỳ đầu phát triển
chất bán dẫn cho transistor
và diode
Silic hiện nay đƣợc sử
dụng chủ yếu để chế tạo
các bộ chỉnh lƣu, transitor
và các mạch tích hợp.
hợp chất (binary) nhóm III-V
như GaN, GaP, và GaAs được sử
dụng phổ biến trong các diode

phát quang (LED) . Ngoài ra,
hợp chất ba nguyên tố (tenary)
như GaAsP và hợp chất bốn
nguyên tố (quaternary) như
InGaAsP có thể nuôi cấy được
nhằm cung cấp thêm sự linh
hoạt khi lựa chọn nguyên liệu.
Những nguyên
liệu huỳnh quang
như những
nguyên liệu đươc
sử dụng làm màn
hình TV là những
hợp chất bán dẫn
của các nguyên tố
nhóm II-IV ví dụ
như ZnS
6
1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN
 Một trong những đặc điểm quan trọng của chất bán dẫn để
phân biệt nó với các chất dẫn điện và chất cách điện là độ rộng
vùng cấm. Độ rộng vùng cấm quyết định độ dài sóng ánh sáng
mà chất bán dẫn có thể phát hay hấp thụ được.
 Ví dụ: Độ rộng vùng cấm của GaAs là 1,43 eV tương ứng với
bước sóng ánh sáng cận hồng ngoại. GaP có độ rộng vùng cấm
khoảng 2,3eV tương ứng với bước sóng ánh sáng xanh của
quang phổ.
 Nhờ sự phong phú về độ rộng vùng cấm của các chất bán dẫn,
đi ốt phát quang và laser bán dẫn có thể được tạo ra với các
bước sóng trong một dải rộng gồm vùng hồng ngoại và vùng

quang phổ nhìn thấy.
7
1.1 VẬT LIỆU BÁN DẪN
Đặc tính điện tử và quang học của chất bán dẫn bị
ảnh hưởng rất lớn bởi những tạp chất được bổ sung
với số lượng có thể điều khiển chính xác. Quá trình
pha thêm (có kiểm soát) những tạp chất này được gọi
là pha tạp (doping)
Ví dụ: với tỷ lệ tạp chất 1/1 triệu có thể thay đổi một
mẫu Si từ một chất dẫn điện kém thành chất dẫn điện
mạnh.
Để có thể nghiên cứu được những đặc tính của chất
bán dẫn, chúng ta cần phải hiểu được sự sắp xếp
nguyên tử của những nguyên tố bán dẫn.
8
1.2 Mạng tinh thể
 Trong phần này trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu sự sắp xếp
nguyên tử trong các chất rắn khác nhau.
 Phân biệt dạng đơn tinh thể với các dạng tinh thể khác của
nguyên tố và sau đó tìm hiểu về tính tuần hoàn của mạng tinh
thể. Những thuật ngữ tinh thể học quan trọng sẽ được định
nghĩa và minh hoạ liên hệ tới những tinh thể có cấu trúc lập
phương cơ bản. Những khái niệm này sẽ cho phép chúng ta
xem xét các mặt và hướng trong phạm vi mạng tinh thể.
 Cuối cùng chúng ta sẽ tìm hiểu dạng tinh thể cấu trúc kim
cương, cấu trúc này với một số dạng mở rộng là điển hình cho
phần lớn các chất bán dẫn được sử dụng trong các linh kiện
điện tử.
9
Vật liệu kết tinh:

Các nguyên tử sắp xếp
tuần hoàn trong không
gian
Vật liệu vô định hình:
Các nguyên tử sắp xếp
không tuần hoàn trong
không gian
Phân loại chất rắn
10
 Pha rắn được hình thành khi lực hút giữa các nguyên tử
hoặc các phân tử đủ mạnh để thắng được các lực phân ly
(do nhiệt, do cơ học,…)
 Trong chất rắn, các nguyên tử hoặc phân tử có khuynh
hướng sắp xếp để đạt độ trật tự cao (đối xứng)
 Tùy thuộc bản chất của lực liên kết giữa các nguyên tử,
các chất rắn có thể chia thành :
* tinh thể ion ( NaCl, CaF
2
)
* tinh thể cộng hóa trò ( kim cương)
* tinh thể kim loại ( Fe, K)
* tinh thể Van der Waals (nước đá, He rắn )
11
Đơn tinh thể (single crystal):
các nguyên tử sắp xếp trật tự
trong toàn bộ không gian
(trật tự xa)
Đa tinh thể (polycrystal) :
gồm các đơn tinh thể kích
thước nhỏ đònh hướng

ngẫu nhiên
12
Mật độ sắp xếp của các hệ có trật tự
Cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp của các nguyên tử hoặc
phân tử trong tinh thể
13
không gian là sự phát triển khung tinh thể
trong không gian ba chiều, trong đó các nguyên tử (hoặc phân
tử) được nối với nhau bằng các đường thẳng.
Giao điểm của các đường thẳng được gọi là . Mỗi
nút mạng đều được bao quanh giống nhau.
là thể hiện của cấu trúc tinh thể vì sự lặp đi
lặp lại của nó sẽ tạo nên tinh thể
Ơ cơ bản
ODEF
Ở đây a, b (và c nếu
mạng tinh thể là ba chiều
) được gọi là vector cơ
bản của mạng.
Các nút trong mạng tinh
thể là đồng nhất nếu
vectơ giữa các nút này là :
r=pa+qb+sc
Ơ đơn vị PQRS
14
Ô đơn vị (unit cell)
 Tầm quan trọng của ô đơn vị nằm ở thực tế đó là chúng ta có
thể phân tích toàn bộ tinh thể bằng cách nghiên cứu một thể
tích đại diện.
 Ví dụ, từ ô đơn vị chúng ta có thể tìm ra khoảng cách giữa các

nguyên tử gần nhau nhất với các nguyên tử gần nhau nhất tiếp
theo để tính toán các lực liên kết mạng tinh thể, có thể xem xét
tỉ lệ thể tích ô đơn vị được lấp trống bởi các nguyên tử và liên
hệ khối lượng riêng của chất rắn với sự sắp xếp nguyên tử.
Nhưng quan trọng cả đó là những đặc điểm của mạng tinh thể
tuần hoàn quyết định các mức năng lượng cho phép của các
electron tham gia vào quá trình dẫn điện. Do đó mạng không
chỉ quyết định đặc tính cơ học của tinh thể mà còn quyết định
cả đặc tính điện.
15
1.2.2. Mạng tinh thể lập phƣơng
SC BCC FCC
16
 Các nguyên tử ở những vò trí khác nhau trong ô mạng được
chia sẻ bởi những ô mạng liền kề
+ Nguyên tử ở góc thuộc về 8 ô mạng khác nhau (mỗi ô mạng
chứa 1/8 nguyên tử)
+ Nguyên tử nằm trên mỗi cạnh
thuộc về 4 ô mạng khác nhau
(mỗi ô mạng chứa 1/4 nguyên tử)
+ Nguyên tử nằm trên mỗi mặt
thuộc về 2 ô mạng khác nhau
(mỗi ô mạng chứa 1/2 nguyên tử)
NaCl
17
Sắp xếp của
các khối
cầu cứng
trong mạng
tinh thể tâm

diện sao
cho 2
nguyên tử
cạnh nhau
thì tiếp xúc
18
r4a2 
r4a3 
r r
a
a = 2r
a
a2
a3
a
Lập phƣơng
đơn giản sc
Lập phƣơng
tâm khối bcc
Lập phƣơng
tâm diện fcc
a2
ra 43 
a được gọi là hằng số mạng
19
Ví dụ: Hãy xác đònh mật độ đặc khít (PD : Packing Density) của các
hệ lập phương tâm thể SC, BCC, FCC, HCP giả sử các nguyên tử
được xem như những quả cầu cứng.
PD =
Với cấu trúc BCC

a = 4r  a = (4r)/
 a
3
= (64r
3
)/3
PD = =
= = = 0,68 = 68%
mạng ô tích thể
mạng ô trong tử nguyên các tích thể
3
3
3
3
a
)/3r(8
33/)(64r
)/3r(8
3
3

3
3
643
r324
r

8
3
Giải: Với BCC

20
21
1.2.3. Các mặt và hƣớng
 Chúng ta sử dụng ba số nguyên để miêu tả vị trí mặt và hướng của
vectơ trong mạng tinh thể.
 Bước đầu tiên là chúng ta chọn một hệ trục toạ độ xyz với vị trí ban
đầu của bất kỳ điểm nút nào (việc lựa chọn điểm nút mạng không
quan trọng vì tất cả các nút đều có giá trị như nhau), và các trục tọa
độ hướng theo các cạnh của ô đơn vị.
 Ba số nguyên miêu tả một mặt cụ thể được tìm theo cách sau:
1. Tìm ra giao điểm của mặt với các trục tọa độ và thể hiện những giao điểm
đó đó như là tổ hợp của những vectơ cơ bản (mặt có thể được di chuyển
vào trong hoặc ra ngoài mặt ban đầu, giữ nguyên hướng của nó cho đến
khi phát hiện ra các giao điểm như thế trên các trục tọa độ)
2. Nghịch đảo giá trị 3 trị số nguyên tìm được trong bước 1 và giảm chúng
xuống giá trị thấp nhất, ta được chỉ số h,k,l tương ứng tỉ lệ với 3 giá trị
nghịch đảo kia.
3. Kí hiệu: mặt (hkl)
22
 Để ký hiệu các mặt mạng
trong tinh thể người ta dùng chỉ
số Miller
 Trong tinh thể, tất cả các mặt
song song với nhau đều tương
đương hay đồng nhất nên có
cùng chỉ số Miller như nhau.
23
a
o,
b

o
, c
o
là đơn vò độ dài trên các trục x, y, z.
 Ví dụ : mặt ABC cắt các trục x, y, z tại các điểm A, B,
C có độ dài tương ứng là 1a
o
, 2/3b
o
, 2/3c
o .
Có thể nói tọa
độ các giao điểm giữa mặt ABC với các trục x, y, z là 1,
2/3, 2/3
 Lập các giá trò nghòch đảo của các tọa độ này, ta có lần
lượt là 2/2; 3/2 và 3/2
 Nhân các phân số đó với bội số chung nhỏ nhất của các
mẫu số rồi bỏ mẫu số, ta được các số nguyên 2, 3, 3 tương
ứng h, l , k
 Nếu mặt phẳng song song với trục (không có giao điểm)
thì chỉ số tương ứng bằng 0.
Nếu giao điểm nằm ở phần âm của trục ta có chỉ số âm
Chỉ số Miller mặt ABC:(2 3 3)
24
2525