Xác định thể tích kích hoạt của tinh thể ge bằng phương pháp thống kê momen

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 (dopantinterstitial) (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


b, Cơ chế xen kẽ

a, Cơ chế nút khuyết

c, Cơ chế hỗn hợp
Hình 1.5: Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể rắn.
Từ kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng Ge chỉ khuếch tán theo cơ chế Vacancy.
1.3.3. Thể tích nguyên tử Ge
1.3.3.1. Hình dạng và kích thước nguyên tử
Các mô hình nguyên tử trong vật lý cổ điển cũng nhƣ trong cơ học
lƣợng tử đều cho thấy nguyên tử có dạng hình cầu.

14


K ch thƣớc (bán kính) của nguyên tử trong tinh thể phụ thuộc vào rất nhiều
yếu tố, thí dụ nhƣ: số phối vị, tỷ số bán kính của các nguyên tử và bản chất
của các loại lực tƣơng tác giữa chúng.
Các loại lực này thƣờng khác nhau trong các hợp chất khác nhau,
nhƣng cũng có thể khác nhau ngay trong cùng một loại hợp chất, nếu cấu trúc

tinh thể của chúng khác nhau. Do tính phức tạp đó, những số liệu về kích
thƣớc nguyên tử rất có lợi trong việc tiên đoán cấu trúc và giá trị của hằng số
mạng của tinh thể, cũng nhƣ trong việc xác định xem một nguyên tử cho
trƣớc sẽ có khả năng chiếm vị trí nào trong nền kinh tế. Và khi biết giá trị của
hằng số mạng và cấu trúc tinh thể chúng ta có thể xác định đƣợc k ch thƣớc,
thể tích nguyên tử.
1.3.3.2. Cách tính số nguyên tử hay phân tử trong một ô cơ sở
Để tính số nguyên tử hay phân tử trong một ô cơ sở, ta có thể nhận xét
nhƣ sau: Nếu hạt nằm tại đỉnh của ô cơ sở nhƣ trƣờng hợp của ô nguyên tố,
thì nó chung cho 8 ô lân cận, nên trong một ô chỉ đƣợc tính bằng 1/8. Nếu hạt
nằm trên cạnh của ô cơ sở thì nó chung cho 4 ô lân cận, nên nó đƣợc tính
bằng 1/4. Nếu hạt nằm trên mặt của ô cơ sở nhƣ trƣờng hợp của ô cơ sở tâm
mặt, thì nó chung cho 2 ô, nên đƣợc tính bằng 1/2. Nếu hạt nằm hoàn toàn
bên trong ô nhƣ trƣờng hợp ô cơ sở tâm khối, thì đƣợc tính bằng 1.
Thí dụ:
Nếu mỗi nút mạng có gắn một nguyên tử thì số nguyên tử trong một ô
cở sở của mạng lập phƣơng tâm khối là (Hình 1.6):
8.(1/8) + 1 = 2 (nguyên tử)

15


a

a

a

Hình 1.6: Cấu trúc lập phương tâm khối.
Số nguyên tử trong một ô cở sở của mạng lập phƣơng tâm mặt là (hình 1.7):

8.(1/8) + 6.(1/2) = 4 (nguyên tử)

Hình 1.7: Cấu trúc lập phương tâm mặt.
1.3.3.3. Số phối vị.
Số phối vị của một hạt là số hạt lân cận gần nhất của hạt đó. Th dụ: số

16


phối vị của một hạt trong mạng lập phƣơng tâm khối là 8, số phối vị của một
hạt ở vị trí nút trong mạng lập phƣơng tâm mặt là 12, số phối vị của một hạt
trong mạng kim cƣơng là 4,...
1.3.3.4. Cách tính thể tích nguyên tử.
Ta có nhận xét: các loại ô cơ sở khác nhau trong cùng một cấu trúc tinh
thể, đều có một tính chất chung là có thể tích nhƣ nhau và cùng chứa số
nguyên tử của nền tinh thể.
Từ nhận xét này ta đi đến cách tính thể tích nguyên tử nhƣ sau:
+ Tính số nguyên tử trong một ô cơ sở.
+ Tính thể tích của ô cơ sở đó theo hằng số mạng a hoặc theo khoảng
lân cận gần nhất r.
→ Thể tích nguyên tử bằng thể tích của ô cơ sở chia cho số nguyên tử trong
một ô cơ sở.
Dƣới đây, chúng tôi sẽ trình bày cách tính thể tích nguyên tử của bán
dẫn Ge.
1.3.3.5. Thể tích nguyên tử của Ge.
Trong mạng tinh thể Ge, ta giả sử tách ra một ô cơ sở lập phƣơng có
cạnh là hằng số mạng a (Hình 1.8). Theo cách tính ở trên, số nguyên tử Ge
trong ô lập phƣơng này là:
N = 8.(1/8) + 6.(1/2) + 4 = 8 (nguyên tử)

17


B

r1
C
A

a
Hình 1.8: Ô cơ sở lập phương tinh thể của Ge.
Từ hình 1.5 ta thấy rằng, thể tích của ô cở sở lập phƣơng là:
V = a3 .

(1.1)

→Thể tích nguyên tử Ge tính theo hằng số mạng là:

.

(1.2)

Gọi r1 là khoảng lân cận gần nhất giữa 2 nguyên tử Ge thì:

, mà AB=a√ ,

r1=AC=
→r1=

√

hay

√

.

(1.3)

Thay (1.2) vào (1.3), ta tìm đƣợc thể tích nguyên tử Ge, tính theo khoảng lân
cận gần nhất là:
√

(1.4)

√

1.3.4. Thể tích kích hoạt của tinh thể Ge.
Các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng, sự phụ

18