Bài giảng Vật liệu điện - điện tử - Bài 3: Vật liệu bán dẫn và ứng dụng trong công nghệ điện – điện tử - Nguyễn Hồng Quảng

VẬT LIỆU BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GV: PGS. TS Nguyễn Hồng Quảng Trung tâm Thực hành – thí nghiệm Bài giảng Vật liệu điện – điện tử Nộ i dung bài này 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 2. Phân loại chất bán dẫn 3. Một số chất bán dẫn điển hình 4. Ứng dụng chất bán dẫn trong điện – điện tử 5. Seminar: Vật liệu bán dẫn cấu trúc nano Vật liệu bán dẫn  sự phát triển công nghệ điện tử Giới thiệu chung về chất bán dẫn Định luật Moore: Cứ sau 18 tháng số transistor tích hợp trên IC lại tăng gấp đôi ! Giới thiệu chung về chất bán dẫn Số transistor, ngàn Tốc độ xung nhịp, Mhz Công suất tiêu thụ, W Nhịp đồng hồ, ILP Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.1 Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn 1.2 Bán dẫn tinh khiết - Điện tử và lỗ trống 1.3 . Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P 1.4 . Hai quá trình động học của hạt tải trong bán dẫn (sự khuếch tán và sự trôi) Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.1 Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn Cấu trúc tinh thể Si & Ge Không gian 2 chiều của Si và của GaAs Si, Ge và GaAs là 3 chất bán dẫn điển hình, được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ chế tạo các linh kiện điện tử Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.2 Bán dẫn tinh khiết (loại I) : Điện tử và lỗ trống a) Ở 0 K , tất cả các điện tử trong 1 nguyên tử Si đều liên kết với các điện tử của 4 nguyên tử xung quanh, tạo thành 4 cặp điện tử dùng chung (hình vẽ). Không tồn tại electron tự do Bán dẫn ở 0 K là chất cách điện ! Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.2 Bán dẫn tinh khiết : Sự tạo thành điện tử và lỗ trống a) Ở nhiệt độ cao hơn , electron lơp ngoài thu năng lượng, phá vỡ mối liên kết để tạo thành điện tử tự do (hạt dẫn điện tử) c) Đồng thời với việc tạo ra 1 electron tự do trong vùng dẫn, một lỗ trống cùng tự động được hình thành trong vùng hóa trị Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.2 Bán dẫn tinh khiết: sự tạo thành điện tử và lỗ trống n i = p i Trong bán dẫn tinh khiết, nồng độ điện tử và lỗ trống luôn bằng nhau lỗ trống điện tử liên kết cộng hóa trị lỗ trống điện tử Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.2 Bán dẫn tinh khiết (loại I) : Điện tử và lỗ trống # Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn tinh khiết rất bé ( cỡ 10 10 hạt /cm 3 ) Cần tăng số hạt dẫn để tăng dòng điện n i  (cm -3) Si Ge GaAs 1,1x10 10 2x10 13 2x10 6 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn Làm thế nào để tăng nồng độ hạt dẫn ? Nung nóng vật liệu (heating) Chiếu sáng thích hợp (lighting) Pha thêm tạp chất (doping) 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn # Khó thay đổi chính xác số hạt tải được giải phóng theo nhiệt độ đặt vào Nung nóng vật liệu (heating)  Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng   Dòng điện tăng 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 2) Chiếu sáng bán dẫn bằng ánh sáng Chiếu chùm sáng có năng lượng đủ lớn vào chất bán dẫn thích hợp sẽ tạo ra được các cặp điện tử - lỗ trống: điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị. Đây chính là nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 3) Pha thêm tạp chất (doping) Khi thay thế một số ngtử Si bằng nguyên tử As hay Sb (nhóm 5) sẽ làm tăng số điện tử và tạo ra bán dẫn loại N. As gọi là chất “cho điện tử” : Donor Ngược lại, nếu thay một số Si bằng B hay Ga (nhóm 3) sẽ làm tăng số lỗ trống, tạo ra bán dẫn loại P. B gọi là chất “ nhận e-” : Acceptor Tóm lại: nếu pha tạp = ngtố # nhóm 5  bán dẫn loại N; # nhóm 3  bán dẫn loại P. Ngtố nhóm 5 gọi là Donor Ng tố nhóm 3 là Acceptor 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn Đối với bán dẫn loại N (negative: âm) n e >> n p Electron là hạt tải đa số (majority) Hole là hạt tải thiểu số (minority) Ion chất pha tạp là Donor (chất cho) Đối với bán dẫn loại P (positive: dương) n e << n p Electron là hạt tải thiểu số (minority) Hole là hạt tải đa số (majority) Ion chất pha tạp là Acceptor (chất nhận) 1.3 Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn Ví dụ: Si ở nhiệt độ phòng (300K) n i = 1,1x10 10 Pha thêm Sn với tỷ lệ n d = 10 15 /cm 3 n n = n i + n d = 1,1x10 10 + 10 15  10 15 n p = n i = 1,1 x 10 10 Cũng với Si ở nhiệt độ phòng, khi pha tạp bởi B với nồng độ n a = 10 14 /cm3: Ta có: n n = n i = 10 10 n p = n i + n a = 10 10 + 10 14  10 14 Như vậy: n p  10000 n n 1.3 Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.4 Hai quá trình động học của hạt tải trong BD # 1. Khuếch tán: Là sự di chuyển các hạt từ nơi có nồng độ cao (đậm đặc) sang nơi có nồng độ thấp (loãng hơn), tạo thành dòng khuếch tán. 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.4 Hai quá trình động học của hạt tải trong BD # 1. Khuếch tán: - Dòng khuếch tán giảm dần khi sự chênh lệch nồng độ giảm - Mật độ dòng khuếch tán điện tử Mật độ dòng khuếch tán lỗ trống: Trong đó: D n , D p là hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống; dn/dx là tốc độ biến thiên nồng độ trên 1 đơn vị đồ dài theo phương khuêch tán (gọi là gradient của nồng độ) 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 1.4 Hai quá trình động học của hạt tải trong BD # 2 . Sự trôi: Là sự dịch chuyển có hướng của các hạt tải dưới tác dụng của điện trường - Khi chưa có điện trường: các hạt tải chuyển động tự do, ngẫu nhiên nên không tạo ra dòng điện; - Khi có điện trường, ngoài chuyển động tự do, ngẫu nhiên, các hạt tải sẽ tham gia thêm chuyển động “trôi” theo điện trường 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn # 2 . Sự trôi: Là sự di chuyển có hướng của các hạt tải do tác dụng của điện trường; - Dòng trôi do các điện tử tạo thành : J n (x) Dòng trôi do các lỗ trống tạo thành: J p (x) Trong đó: J n (x), J p (x) là mật độ dòng trôi của điện tử và lỗ trống; e là điện tích nguyên tố, n(x) và p(x) là nồng độ điện tử và lỗ trống  n ,  p là độ linh động của điện tử và của lỗ trống; E là điện trường 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn # 2 . Sự trôi: Là sự di chuyển có hướng của các hạt tải do tác dụng của điện trường - Dòng khuếch tán của điện tử - Dòng khuếch tán của lỗ trống - Dòng điện tử tạo nên: - Dòng lỗ trống tạo nên: - Dòng tổng hợp DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN: