Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ  NGUYỄN XUÂN TÚ MỘT SỐ VấN ĐỀ HOÁ - LÝ BÁN DẪN VÀ CÁC CHẤT BÁN DẪN SIÊU SẠCH KHOÁ LUẬN TốT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS MAI XUÂN DƢƠNG HÀ NỘI - 2010 1 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú LỜI CẢM ƠN ! Bằng lòng biết ơn sâu sắc xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình, đầy trách nhiệm thầy giáo TS Mai Xuân Dƣơng thực đề tài nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo phụ trách phòng thí nghiệm vật lý chất rắn nhƣ bạn sinh viên tạo điều kiện giúp đỡ có đóng góp quý báu cho đề tài nghiên cứu tôi, giúp hoàn thành đề tài khoá luận tốt nghiệp Hà nội, ngày 20 tháng năm 2010 Sinh viên NGUYỄN XUÂN TÚ 2 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú MỤC LỤC Đề mục Trang Lời cảm ơn ……………………………………………………… Mục lục …………………………………………………………… Lời cam đoan …………………………………………………… MỞ ĐẦU ……………………………………………… 1.Lý chọn đề tài.……………………………………… Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu ………………………………………… Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………… NỘI DUNG Chương Một số vấn đề chuyên biệt vật lý bán dẫn………… 1.1 Sự cân điện tử chất bán dẫn………………… 1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ tích điện tử -lỗ trống chất bán dẫn………………………………………………………… 11 1.3 Sự phụ thuộc điện dẫn bán dẫn mối quan hệ với lƣợng kích hoạt………………………………………………… 15 1.4 Mức fecmi - điện hoá…………………………………… 17 1.4.1 Khuyết tật cấu trúc của tinh thể đƣợc tạo vi hạt………………………………………………………………… 17 1.4.2 Mật độ trạng thái ………………………………………… 19 1.4.3 Mức Fermi điện hoá………………………………… 20 1.5 Mối quan hệ lƣợng nguyên tử hoá hay suất lƣợng bề mặt bề rộng vùng cấm bán dẫn……………… 22 1.5.1 Tìm phụ thuộc E vào độ bền vững lƣợng học bán dẫn điện môi ………………………… ……… 3 24 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú 1.5.2 Ứng dụng phƣơng trình (26), (27) cho bán dẫn dạng AIV B IV , AIII BV AII BVI 27 1.6 Tính toán bề rộng vùng cấm nguyên tố tƣơng tự điện tử - hạt nhân Ge……………………………………………… 29 1.7 Tính bề rộng vùng cấm E theo công thức thực nghiệm Biub……………………………………………………………… 32 1.8 Khái niệm E nhiệt ( ET ) E quang ( Ehv ), phụ thuộc E vào áp suất nhiệt độ………………………………… 33 1.9 Dạng tinh thể hoá pha rắn phƣơng trình phản ứng viết cho bán dẫn có tính đến yêu cầu hoá lý………………… 43 1.9.1 Sự hình thành cấu trúc thay bán dẫn………………… 43 1.9.2 Các công thức hóa tinh thể………………………………… 44 1.9.3 Các phƣơng trình hóa tinh thể hình thành cấu trúc khuyết tật bán dẫn………………………………………… 44 1.9.4 Các công thức hóa tinh thể phƣơng trình hình thành cấu trúc phân tán ………………………………………………… 45 1.9.5 Các công thức hóa tinh thể cấu trúc phân chia………… 45 1.9.6 Các công thức hóa tinh thể hợp chất có cấu trúc loại trừ………………………………………………………………… 46 1.9.7 Các công thức hóa tinh thể hợp chất có cấu trúc chiếm chỗ cấu trúc Phrenkel………………………………… 47 Chương Các bán dẫn với cấu trúc phân chia, thay thế, loại trừ tính chất chúng 2.1 Các bán dẫn với cấu trúc phân chia tính chất chúng… 48 2.2 Các bán dẫn với cấu trúc loại trừ phân chia………… 50 2.3 Các bán dẫn với cấu trúc loại trừ Sự phụ thuộc lg P  f   51 4 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú 2.4 Giản đồ phụ thuộc dấu nồng độ hạt dẫn cân 54 F lg PB , 1000  PbS…………………………………………… T  Chương Một số phương pháp tổng hợp (chế tạo) bán dẫn điện môi điều kiện cân hai (vế) thành phần 3.1 Cơ chế vacancy thay đổi tính chất bán dẫn 56 việc thay đổi điều kiện nhiệt động công nghệ tổng hợp… 3.2 Ứng dụng định luật khối lƣợng tác dụng tính nồng độ 62 khuyết tật liên kết với điện tích…………………………………… 3.3 Sự phụ thuộc tính chất bán dẫn vào nồng độ vacancy cấu trúc loại trừ…………………………………… 3.4 Giản đồ trạng thái hệ bán dẫn……………………… 64 69 69 3.5 Các chất siêu sạch; Phân loại độ sạch, lớp sạch………… 3.6 Một số yêu cầu việc sản xuất bán dẫn có độ 70 đặc biệt vật liệu cho kỹ thuật bán dẫn…………………… Kết luận…………………………………………………………… 75 Tài liệu tham khảo ……………………………………………… 76 5 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú LỜI CAM ĐOAN Đề tài khoa học đƣợc thực duới hƣớng dẫn của T.s Mai Xuân Dƣơng Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu tài liệu công sức thân tôi, kết không trùng với kết tác giả đƣợc công bố Một số dẫn liệu đề tài xin phép tác giả đƣợc trích dẫn để bổ sung cho đề tài Nếu sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Xuân Hoà, ngày tháng năm 2010 Sinh viên NGUYỄN XUÂN TÚ 6 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện gới thời kỳ phát triển công nghệ cao, ngành công nghệ vật liệu đƣợc quan tâm đặc biệt mang lại nhiều thành to lớn sản xuất, phát triển vật liệu trở thành vấn đề quan trọng phát triển kinh tế Trong vật liệu bán dẫn đối tƣợng nghiên cứu đƣợc tập trung ý nhiều ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi Vật liệu bán dẫn thực làm cách mạng công nghiệp điện tử nhƣ nhiều ngành khoa học, kỹ thuật công nghiệp khác Việt nam nƣớc phát triển, ngành công nghệ non trẻ Nhƣng ngành công nghệ vật liệu nói chung ,vật liệu bán dẫn nói riêng đƣợc trọng phát triển mạnh mẽ Vì việc cung cấp cho sinh viên nói chung sinh viên nghiên cứu vật lý nói riêng kiến thức vật liệu, vật liệu bán dẫn phƣơng pháp chế tạo vật liệu quan trọng Ngày nghiên cứu vật liệu không nghiên cứu cấu trúc, tính chất, công nghệ chế tạo, tạo hình mà việc nghiên cứu xác định quy luật mối quan hệ yếu tố cấu thành nên vật liệu bán dẫn để tiến tới “thiết kế”, chế tạo vật liệu bán dẫn có đặc tính mong muốn Việc tìm hiểu “một số vấn đề hoá lý bán dẫn chất bán dẫn siêu sạch” cung cấp cho số kiến thức sơ lƣợc, vật liệu bán dẫn việc ứng dụng chế tạo vật liệu bán dẫn nhƣ mong muốn có tính ứng dụng cao Mục đích nghiên cứu  Tìm hiểu sâu vấn đề vật lý bán dẫn, ứng dụng công nghệ chế tạo tinh thể bán dẫn 7 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú  Đây dịp để bổ xung kỹ thực đề tài khoa học Nhiệm vụ nghiên cứu  Tìm hiểu nghiên cứu trình hoá - lý bán dẫn, xây dựng kiến thức sở trình hoá – lý xảy bán dẫn  Tìm hiểu số ứng dụng quan trọng lý thuyết trình hóa lý bán dẫn công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn Phƣơng pháp nghiên cứu  Đọc tài liệu nƣớc  Tìm hiểu nghiên cứu khoa học 8 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú CHƢƠNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUYÊN BIỆT VỀ CÁC CHẤT BÁN DẪN 1.1 Sự cân điện tử chất bán dẫn Khi điện tử nhảy mức từ vùng hoá trị lên vùng dẫn vùng hoá trị xuất lỗ trống (+) (hình 1.a) Vùng dẫn Vùng hóa trị a b 9 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú Hình 1: a - Sơ đồ chuyển mức điện tử vùng lượng K  chúng b - Đồ thị mô tả đường lg  npT   theo T  K npT 1  Trong xem nhƣ điện tử chiếm trạng thái lƣợng tử miền hoá trị trƣớc chuyển lên vùng dẫn nhƣờng vị trí lƣợng tử cho lỗ trống Chúng ta hình dung sơ đồ chuyển mức phƣơng trình sau đây:   hv    Vùng hóa trị Vùng dẫn Hay: Bằng phƣơng trình khác:  ee  E  evht  evd (1) Ở E lƣợng kích hoạt chuyển mức, đo electron - von evd  điện tử vùng dẫn, evht lỗ trống vùng hoá trị Ta biết mật độ điện tử miền dẫn lỗ trống miền hoá trị tăng lên nhiệt độ tăng lên Để tìm quy luật định lƣợng phải quay trở với học thuyết cân hoá học Bắt đầu từ ví dụ phản ứng phân ly nƣớc (phản ứng nội nhiệt): H   OH   H  H   OH  Ở Entanpi phân ly: o H 298 = 13,700 cal = 57,321 J = 0,59 eV Vì nồng độ nƣớc số nên số cân cho phản ứng mô tả dƣới dạng tích iôn nƣớc: K W , 298  C H   COH   10 14 (2) CH   COH   107 CH  , COH  Lần lƣợt nồng độ mol iôn H  , OH  đơn vị (gam-iôn/lit) 10 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú Hình 19 phụ thuộc nồng độ hạt dẫn, số Hôl RM điện trở suất PbS vào điều kiện công nghệ (theo Blium) a, Nồng độ hạt dẫn (nhiệt độ đốt 1000 K) b, Sự thay đổi RH điện trở suất PbS lưu huỳnh 3.3 Sự phụ thuộc tính chất bán dẫn vào nồng độ vacancy cấu trúc loại trừ Trong [26] dẫn nghiên cứu ảnh hƣởng điều kiện nhiệt động trình tổng hợp (nhiệt độ áp suất Cd S) lên tính chất CdS, làm bơm nhiều lần khỏi oxy vết nƣớc dụng cụ điều chế CdS oxy CdS chứa thuyền 3, thuyền 1- S, thuyền - Cd Bƣớc đầu làm oxy ống Cd ống 2, Cd đƣợc đƣa vào thuyền nhờ chế từ điện nhƣ hình vẽ Thuyền đƣợc nối với nam châm hút 65 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú đẩy nhờ dây thạch anh đặt dƣới ống dây cần thiết làm nhiệm vụ gia trọng với vật liệu tƣơng ứng chỗ lò nung Trong thời gian tổng hợp ống thạch anh đƣợc thổi khí Ar để tránh tƣợng khuyết tán tạp chất bẩn không khí thấm qua vách ống thạch anh Hình 20 Hệ thiết bị tổng hợp CdS Một số kết đƣợc thể hình 23, hình 24, hình 25 Từ đồ thị PB  f  lg   ta thấy rõ ràng giới hạn vùng đồng thể Cd có cấu trúc hình Viurxit, sản phẩm chế độ làm việc áp suất thấp S (từ phía phải đồ thị) sau dƣới áp suất Cd tƣơng tự nhƣ giai đoạn a, độ điện dẫn CdS tăng tới 10 lần Ở vùng điện dẫn thấp (vùng phía bên trái) cần bổ sung khả tổ hợp với chế tạp chất, kết phù hợp với lý thuyết Từ đồ thị   f  lg PB  ,(1000/T) suy dạng đƣờng điện dẫn dịch chuyển cách có quy luật tƣơng ứng với tính toán lý thuyết Lý thuyết phụ thuộc tính chất bán dẫn với cấu trúc loại trừ vào điều kiện nhiệt động trình tổng hợp đƣợc minh chứng mà tiên đoán dạng thái bán dẫn loại 66 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú Hình 21 Sự phụ thuộc cho CdS vi tinh thể 900o c theo [27]- vùng gạch chéo (rất nhiều điểm đo kì dị) theo [26] (đường nét liền đậm) Hình 22 Ảnh hưởng nhiệt độ đến phụ thuộc vi tinh thể CdS theo [26] 67 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú Hình 23 Sự phụ thuộc điện dẫn suất vi tinh thể CdS vào áp suất cân lưu huỳnh(tương ứng với áp suất cân Cd) nghịch đảo nhiệt độ theo [26] Hình 24 Sự phụ thuộc lg PS  f  lg   đơn tinh thể CdS theo [1] 68 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú 3.4 Giản đồ trạng thái cá hệ bán dẫn Các phép phân tích hoáa – lý đại tính chất pha bán dẫn “nhạy cảm” với thay đổi thành phần tới 10 6 , 10 8 Trên hình (36.a), kích thƣớc trục hoành chia theo thang lg (lôgarit), giản đồ nấu chảy hệ Pb-S tăng nhanh vào vùng hợp chất pb1 x S1 y Trục hoành không biểu diễn giá trị x (% nguyên tử S Pb, tính từ % nguyên tử, ví dụ từ Pb nhƣ thông thƣờng ) mà biểu diễn ký hiệu x Pb - x S từ điểm S nhiều hơn, có nghĩa từ vị trí dƣ hàm lƣợng hai thành phần Hình 25 Giản đồ trạng thái hệ chứa pha bán dẫn a – Trong tỷ lệ lôgarit [23], b - giản đồ theo [11] Trên hình 25.b đặt hàm lƣợng x thành phần thứ hai đơn vị 10 6 % nguyên tử B, tính từ A bên phải; Hàm lƣợng x.10 6 % nguyên tử A, tính từ B bên trái x.10 6 % nguyên tử AB hai phía, có nghĩa tỷ lệ trục bình thƣờng, nhƣng phần triệu phần triệu % nguyên tử Phần phía trái 69 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú A B có điểm tinh E1 , phần phía phải AB B – rơi manatono nhiệt độ nóng chảy tới điểm tinh (ơtecti) E2 3.5 Các chất siêu sạch; Phân loại độ sạch, lớp Sự “nhạy cảm” đặc biệt bán dẫn với “vết tạp chất” kéo theo khó khăn công nghệ kinh tế giản đồ trạng thái không bình thƣờng chúng Trên thực tế, tính chất tính chất pha không thay đổi nhƣ them vào lƣợng tạp có nồng độ nhỏ 10 20 %, chất (cơ bản) có hàm lƣợng 99,99% vật liệu hoàn toàn với tiêu chuẩn nghiên cứu sản xuất công nghiệp Nhƣng nghiên cứu sử dụng lƣợng nguyên tử, ví dụ cần tăng tiết diện “bắt” nơtron kiểu Bo (nguyên tử B) hàm lƣợng chúng phải đạt tới 10 5  10 6 % Trong công trình [8] [29] đẩy giới hạn hàm lƣợng tạp chất xuống dƣới 10 10% Bảng đƣa phân loại lớp cho chất siêu bán dẫn theo [29] Nhãn hiệu Hàm lƣợng thành phần chính, Hàm lƣợng % Mức độ Màu chứa tạp, % Qui ƣớc Thực A1 Nâu 99,0  99,9 1,0  0,1 A2 Xám 99,9  99,99 10 1  10 2 B3 Xanh dƣơng 99,99  99,999 10 2  10 3 B4 Xanh da trời 99,9  99,9 39 10 3  10 4 B5 Xanh sẫm 99,9 39  99,9 10 4  10 5 B6 Xanh sang 99,9  99,9 10 5  10 6 C7 Đỏ 99,9  99,9 10 6  10 7 70 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú C8 Hồng 99,9  99,9 10 7  10 8 C9 Vàng cam 99,9  99,9 10 8  10 9 C10 Vàng óng 99,9  99,9 9 10 9  10 10 Bảng Các lớp chất siêu bán dẫn ( thay x chữ số cách viết gọn x (ví dụ 99,9 39 có nghĩa 99,99999 )) Xem xét thêm chút bảng Đặc trƣng độ chất theo hàm lƣợng thành phần đạt tới 99,999% , phát 99,9999% phép phân tích gặp khó khăn Các mức độ B3  B6 C  C10 theo hàm lƣợng tạp xác định Suy tổng tạp tất nguyên tố chiếm cỡ 10 6 % hiệu số 100  10 6 % cho ta hàm lƣợng chất Nhƣng thực việc xác định tất nguyên tố bảng tuần hoàn nguyên tố điều thực Vì để phục vụ mục đích hạn chế đặc tính định lƣợng “tạp xác định” cho phép yêu cầu kỹ thuật Các đặc tính nồng độ tạp tƣơng ứng với lớp B thƣờng không yêu cầu công đoạn dặc biệt phƣơng pháp khả thi kỹ thuật phân tích đại Ngựơc lại đặc tính nồng độ tạp chất thuộc lớp C cần phép phân tích đặc biệt: Phƣơng pháp phóng xạ, xạ ảnh nơtron, phƣơng pháp phổ khối…vv 3.6 Một Số yêu cầu việc sản xuất bán dẫn có độ đặc biệt vật liệu cho kỹ thuật bán dẫn Nguyên liệu ban đầu, theo khả phải đơn kim loại, phƣơng pháp gia công kim lại (chế biến) theo khả phải tuyển lựa Khi lựa chọn phƣơng pháp gia công không nên hạn chế giai đoạn nhận sản phẩm trung gian với độ 99,99% Nếu nhƣ sản phẩm 71 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú cuối chế bản, ví dụ lớp B6, việc phân tích nguyên liệu ban đầu cho đánh giá quan trọng kể tiếp tục kiểm soát đƣợc phân bố thực tế hàm lƣợng tạp chất thực tế Khi chế biến sản phẩm có độ lớp A cần tuân thủ số khâu sau: a Làm không khí phòng thí nghiệm b Hệ thống đối lƣu khí cần tránh khỏi thông hoạt khí từ phòng sang phòng khác c Các thiết bị đƣợc lắp đặt cho nơi điều chế phải làm cho thành phần không mong muốn nhỏ Nƣớc dùng cho sản xuất phải nƣớc Bao bì, thùng, hòm đựng vật liệu siêu phải đƣợc làm vật liệu nhựa “Polime” đặc biệt 72 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú DANH SÁCH ĐỀ NGHỊ CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Câu 1: Hãy viết phƣơng trình phụ thuộc (của) tích ion nƣớc vào nhiệt độ Liệu viết phƣơng trình tƣơng tự cho tích điện tử - lỗ trống bán dẫn? Câu 2: Biết d ln K np / d T  , liệu xác định đƣợc lƣợng kích hoạt E giá trị tuyệt đối ln K np  ? Câu 3: Viết phƣơng trình phụ thuộc điện dẫn vào nhiệt độ Câu 4: Liệu xem bề rộng vùng cấm bán dẫn nhƣ hàm lƣợng nguyên tử hóa  hay lƣợng suất bề mặt? Câu 5: Liệu mô tả vùng cấm bán dẫn mà không để ý tới giá trị  Z (tổng số điện tử nguyên tử AA AB) tạo nên bán dẫn? Câu 6: Cần đến giá trị  Z đơn chất hợp chất hóa học chúng để dễ dàng hình thành nên chất bán dẫn? Câu 7: Tƣơng tự điện tử tƣơng tự điện tử - hạt nhân gì? Trong chất sau: Si Gecmani (Ge), PbSe Ge, AlSb Ge tƣơng tự điện tử hay tƣơng tự điện tử - hạt nhân? Câu 8: Từ hai tƣơng tự điện tử - hạt nhân chéo ví dụ kiểu Gecmani chéo (/) (\), trƣờng hợp chờ đợi bề rộng vùng cấm lớn nhất? Câu 9: Trong trƣờng hợp xuất bất đẳng thức ET > Ehv Câu 10: Việc đƣa vào tạp chất điện tử tƣơng tự ảnh hƣởng tới bề rộng vùng cấm chất hòa tan nhƣ nào? Câu 11: Hãy viết công thức tinh thể học hợp chất với cấu trúc phân chia? Câu 12: Trong hình thành cấu trúc thay phân chia liệu xuất vacancy liên kết với điện tích? 73 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú Câu 13: Hãy gọi tên bốn kiểu cấu trúc loại trừ theo phụ thuộc điện dẫn vào áp suất cân phi kim tổng hợp theo dấu hạt dẫn điện tích? Câu 14: Nếu cân tổng hợp bán dẫn đa phƣơng án thành phần có phải phụ thuộc vào nhiệt độ tổng hợp hay vào nhiệt độ áp suất, sao? Câu 15: Thế chuyển tiếp p –n nhiệt động? Câu 16: Thực đồng thời việc điều chỉnh nhiệt độ áp suất trình tổng hợp với điều kiện cân đa phƣơng án? Câu 17: Cơ chế đƣa vào mạng tinh thể nguyên tử từ thể hơi, nhƣ vacancy thể rắn diễn nhƣ nào? Câu 18: Hãy mô tả chế xuất mức donor acxeptor tăng giảm áp suất phi kim hay kim loại (lấy ví dụ tổng hợp PbS)? Câu 19: Trong tổng hợp sunfit Oxi đóng vai trò nhƣ kẻ làm oxy hóa khử (hoàn nguyên)? Liệu làm giảm nồng độ vacancy phân mạng phi kim? Liệu tăng đƣợc không? Câu 20: Hãy dẫn ví dụ cấu trúc bán dẫn: a - loại trừ phân chia, b - loại trừ phân chia thay 74 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú KẾT LUẬN Chúng ta biết điều đặc biệt bán dẫn độ “nhạy cảm” lớn với tạp chất, lớn tới mức hình thành nên chƣơng cho hoá học, vật lý Nếu trƣớc hoá học xác định đƣợc mối quan hệ thành phần - tính chất đƣợc hiểu nhƣ nguyên tử có mặt ảnh hƣởng tới tinh chất nhƣng phải xem ảnh hƣởng lên tính chất bán dẫn - cách tích cực lại nguyên tử vắng mặt (thông qua phần tử vắng mặt tham gia cách gián tiếp vacancy liên kết với điện tích) Vacancy lỗ trống lấp đầy chân không (vacancy nhiệt Frenkell) mà phải xem nhƣ phần tử tích cực cấu trúc tinh thể Từ trƣớc biết đến ví dụ mà có vắng mặt 0.01 nguyên tử kim loại phân mạng làm thay đổi điện dẫn tới vài bậc Ví dụ trƣờng hợp chuyển từ TiO2 đến PbS0,9995  0,0005 TiO1,98 (bƣớc nhảy từ Đioxit Titan trắng sang tím) Trong trƣờng hợp PbS chuyển từ Pb0,9995  0,0005 S sang PbS0,9995  0,0005 vùng giới hạn thành phần hẹp nhƣng thấy dấu hạt mang điện thay đổi nồng độ chúng thay đổi tới bậc CdS1 y   y bán dẫn điện tử có pha phía ngƣời ta tìm thấy bƣớc nhảy điện dẫn tới bậc Tất nhiên số bậc cao điện dẫn phụ thuộc váo độ đơn đa tinh thể bán dẫn, nhƣng thực tế không tránh khỏi tạo thành vacancy Bên cạnh không kể đến vai trò ảnh hƣởng oxi trình tổng hợp, ví dụ, cần cho phần vô nhỏ vào không gian phép tổng hợp CdS oxi tác dụng với lƣu huỳnh theo phƣơng trình: S  2O2  SO2 75 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Với số cân K  PSO PS2 PO22 Nguyễn Xuân Tú làm giảm áp suất ps2 Ảnh hƣởng oxi chế vacancy, đặc biệt công nghệ màng mỏng, diễn theo phƣơng trình phản ứng: Cd p S1p y    p y     y' O2  Cd p S1p y Oyp'  p y Sự ảnh hƣởng kéo theo suy giảm nồng độ vacancy làm giảm điện dẫn lg  , nhƣng nhiệt độ đủ cao chân không phù hợp S O2 bốc bay dƣới dạng SO Trong xuất vacancy mà trƣớc bị chiếm giữ tạm thời oxi vacancy bị y ' nguyên tử S chiếm giữ Và nhƣ nhƣ công nghệ Cd mẫu CdS (có chứa nồng độ giới hạn vacancy) sau “bơm” đẩy bỏ S kéo theo biến đổi nồng độ vacancy phân mạng S Quá trình công nghệ điều chế mẫu bán dẫn nhƣ mà có dấu vết O2 cho hiệu ứng tƣơng tự với chế hoàn toàn khác Nguyên nhân xuất pha bán đơn phƣơng đa phƣơng bán dẫn loại p, loại n: Chúng ta dùng ví dụ với PbS kiểu n hay kiểu p Nếu nhƣ bốc bay, ví dụ nguyên tử S điện tích lại vacancy phân tán mạng, điện tử sau liên kết yếu với vùng hoá trị so với điện tử iôn S bình thƣờng (hình thành nên vùng donor) Nếu nhƣ bốc bay nguyên tử Pb phân mạng Pb xuất điện tích (+) liên kết với vacancy hình thành nên vùng acxepter Nói cách tổng quát phi kim loại B bốc bay dễ dàng kim loại A thì bán dẫn có kiểu điện tử (kiểu - n) ngƣợc lại kiểu lỗ trống (kiểu - p) Từ lý thuyết trình hóa – lý chất bán dẫn nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm cho thấy lẫn tạp 76 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú lƣợng vô nhỏ tạp chất (đặc biệt Oxi) làm xuất vacancy dẫn tới thay đổi gần nhƣ hoàn toàn tính chất vật lý (nhƣ điện dẫn) đơn chất hay hợp chất từ tạo nên bán dẫn kiểu điện tử (- n), hay kiểu lỗ trống (- p) Ngƣời ta ứng dụng tính chất công nghệ tổng hợp bán dẫn việc làm gần nhƣ gần nhƣ hoàn toàn đơn chất, hạn chế tối đa lẫn tạp Oxi để tổng hợp nên bán dẫn siêu sạch, hay pha tạp lƣợng nhỏ theo quy định để thay đổi tính chất vật lý chất bán dẫn, từ tạo nên bán dẫn kiểu – n hay kiểu – p dễ dàng 77 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu nước ngoài: [1] O.F.Lutxkaia, B.F Ormont Izv.AN SSSR Neogranichexki materiallu, V ,2018, 1969 [2] C.Kittel Vvednie Physicu almazopodobnuc polyprobodniki “sovetxkoe radio” 1969 [3] “Poluprovodnhiki” Pod red N.Hennei Y.L 1962 [4] A.F.Yophe Physica poluprovodnhicov AN.SSSR 1957 [5] “Xoedinenie peremennovo xoxtava” Pod.red.B.F Omomta “Khimia” 1969 [6] G.A.Meercon I Ia.X.Umanxji Izd X.F.HA 22, 104 1953 [7] B.F Ormont DAN.SSSR , 124, 1959;106, 678, 1956 [8] R.Buil Photoprovodimoxch tviordukh tel Y.L.M 1962 [9] Ia.A.Ugai.Vvedenie v khimiu poluprovodnicov “Vuxsaia skola” 1965 [10] B.F Ormont Docladna Vxce Xobes.po.poluprovodnikovƣm materriallam.Xb “Voproxƣ matallrgi” I physiki poluprdodiuv” [11] B.F Ormont DzNH , 4, 214, 1959 [12] B.F Ormont DzNH , 5, 255, 1959 [13] V.Y.Sminnova I B.F.Ormont DAN.SSSR , 96, 597, 1954; 100, 127, 1955 [14] V.P.Dzuze Dz.T.F , 25, 2079 1955 [15] Stohr.W.Klemm.Z.anorg.Chem , 244, 205, 223, 1940 [16] H.Hahn, W.Klingler.Z.anorg Chem , 4, 259, 121, 1949 [17] V.P.Duzude, V.M.Sergeeva, A.I.Selekh F.JJ , 2(11), 2858, 1960 [18] N.A.Goniunova Slodznue almazopodolnue polyprobodniki “Sovetxkee radio” 1968 [19] A.Y.Zaxlavxki, B.M Xergeeva, Y.A, Smirnov.FJJ , 20, 11, 2884, 1960 78 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú [20] Y.Z.Fiser FJJ, 1, 193, 1959 [21] B.F Ormont DzNH, TOM GOP.,58, 1947 [22] D.N, Naxledôv, I.A Feltuns F.JJ ,2 (5),823, 1960 [23] J.Bloem, F Kroger Z.phys.Ch.Neu Floge., 7, 1, 1956 [24] B.F Ormont “Radioelectronica” - 1960 [25] A.N Nhesmeanov Davlenie para khimichexkikh elementov Izd-vo MGU.1961 [26] D.Te i B.F Ormont Izv ANSSSR Neoaganichexki materiallu., 2, 70, 1960; 3, 167, 1967 [27] F.A, Kroger, H.J Vink vaden Boomgard Z Phys Chem./ 203, 1954 [28] B.F.Ormont Kvoprocƣ o standatizatxia kharacterixkikh polyprovodnikovƣc materiulov “Kachextvo materiallov dlia poluprovodni kovoi tekhniki” metallurgizdat 1959 Tài liệu nước: [29] Phùng Hồ Phan Quốc Phô Vật liệu bán dẫn Hà Nội – Nhà xuất kỹ thuật - 2008 [30] Nguyễn Thế Khôi Vật lý chất rắn Hà Nội – Nhà xuất Giáo Dục - 1992 [31] Nguyễn Văn Hùng Lý thuyết chất rắn Hà Nội – Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội – 2000 [32] Nguyễn Phúc Dƣơng Bài tập lời giải (Vật lý chất rắn, thuyết tƣơng đối vấn đề liên quan) Hà Nội – Nhà xuất Giáo Dục - 2008 79 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội [...]... ta đã phân biệt nƣớc sạch với axit (thừa các iôn H  ) và bazơ (thừa các iôn OH  ) thì trong trƣờng các bán dẫn, bên cạnh các bán dẫn siêu sạch (bán dẫn riêng) chúng ta phân biệt các các bán dẫn này, bán dẫn điện tử (dƣ nồng độ điện tử) và bán dẫn lỗ trống (dƣ nồng độ lỗ trống) Trong đó np ở nhiệt độ không đổi T  np T  K np ,T  ni2 Điều này đƣợc quan sát trên thực tế, mà một trong những cơ chế... cấm chất bán dẫn từ các khái niệm vật lý, hoá học, sự hiểu biết về E cho phép mô tả những tính chất quan trọng nhất của bán dẫn Vật lý chất rắn đã đề xuất lý thuyết đối xứng tinh thể [ 2 ] A.F.Iofee cho rằng lý thuyết lƣợng tử bán dẫn đầy triển vọng mặc dù nó không phải là cơ sở đầy đủ cho việc nghiên cứu và nhận thức đúng đắn các hiện tƣợng đa rạng và khổng lồ đƣợc quan sát thấy trong bán dẫn và kỹ... hiện của các mức năng lƣợng tạp chất 1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của tích điện tử - lỗ trống trong các chất bán dẫn Sự phụ thuộc của nồng độ vào nhiệt độ của điện tử - lỗ trống trong bán dẫn sạch là tính chất đƣợc xác định cho mỗi bán dẫn bởi độ lớn năng lƣợng kích hoạt và định luật của các khối lƣợng tƣơng tác có nghĩa là các thông số lý - hoá mà chúng ta đã biết từ học thuyết về cân bằng hoá học Một lần... trình với 2 ẩn số có thể tìm đƣợc các đại lƣợng C và M và biểu diễn M nhƣ là hàm của Z 1.5.2 Ứng dụng phương trình (26), (27) cho các bán dẫn dạng AIV B IV , AIV B IV và AII BVI Sau khi tìm thấy các giá trị c và C của các phân tử và sự phụ thuộc của hằng số m  f  Z và M  F  Z , ngƣời ta ứng dụng các mối quan hệ tìm thấy trên các kiểu bán dẫn khác [11], [10] Sau khi đã phát hiện rằng các đại lƣợng... 0,62 Bảng 4 Các giá trị tính toán và thực nghiệm của bề rộng vùng cấm cho các bán dẫn [11] 30 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú Một điều rất quan trọng với dãy AIV B IV và dãy AIII BV là có cùng một giá trị của các phần tử, của các hệ số và có cùng số mũ n =1,2 ở tất cả các phƣơng trình trên Để tính đƣợc các E cần phải đƣa vào các phƣơng trình giá trị số của ... xét các mô hình phức tạp đó 23 Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Xuân Tú Đã có rất nhiều ý tƣởng tƣơng đồng về bề rộng của bán dẫn AB với các hiệu ứng nhiệt của các chất đơn lẻ A và B tạo nên hợp chất đó [5] Chúng ta đã biết về một sự không đồng nhất của các ý tƣởng đã không mở ra đƣợc các tính chất của các pha rắn - các hợp chất hoá học từ các hiệu ứng nhiệt của các. .. vào nhiệt độ, a(Ge), b(Si) 1.3 Sự phụ thuộc điện dẫn của bán dẫn và mối quan hệ với năng lƣợng kích hoạt Điện dẫn có hai dạng điện tử và lỗ trống đƣợc xác định bằng phƣơng trình :   ne   pe  (12) Ở đây e  và e  lần lƣợt là điện tích của điện tử và lỗ trống   và   lần lƣợt là độ linh động tƣơng ứng của chúng Trong bán dẫn siêu sạch thì nồng độ của các điện tử và lỗ trống là nhƣ nhau và. .. tử hoá và sự thay đổi của bề rộng vùng cấm Thế nhƣng các tính chất của bán dẫn không chỉ dựa trên các “nhạy cảm” về cấu trúc mà còn dựa trên các “nhạy cảm” về liên kết [7], [8] Các thí dụ rất rõ về vấn đề này là thí dụ về Graphit và Kim cƣơng, năng lƣợng nguyên tử hoá của chúng gần bằng nhau cỡ 17 (Kcal/gam-ng.tử) nhƣng một chất là kim loại và một chất là điện môi 1.5.1 Tìm sự phụ thuộc E vào độ bền... học Nguyễn Xuân Tú Vì năng lƣợng kích hoạt E D và E A nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng vùng cấm Eg Nên tiếp tuyến với các đƣờng điện dẫn tạp chất có góc nghiêng rất nhỏ so với đƣờng điện dẫn của bán dẫn siêu sạch Quan sát một cách kỹ lƣỡng các đƣờng phụ thuộc nhiệt độ của điện dẫn chúng ta tới kết luận rằng: Việc chuyển từ vùng dẫn tạp chất sang vùng dẫn riêng đƣợc thể hiện trên   đƣờng lg   ... kết Khi ấy: ' K np ,T  np N (3) Đại lƣợng N của bán dẫn sạch là một số không đổi Tƣơng tự tích iôn của nƣớc chúng ta có tích điện tử - lỗ trống bằng: K np ,T  n p  ni2 (4) Có nghĩa đây là tích các nồng độ của điện tử và lỗ trống ở một nhiệt độ xác định là một đại lƣợng không đổi Nếu nhƣ điều này quan sát đƣợc với cả các điện môi và một số chất bán dẫn thì phản ứng phân ly của trạng thái lƣợng tử ... mong muốn Việc tìm hiểu một số vấn đề hoá lý bán dẫn chất bán dẫn siêu sạch cung cấp cho số kiến thức sơ lƣợc, vật liệu bán dẫn việc ứng dụng chế tạo vật liệu bán dẫn nhƣ mong muốn có tính... nghiên cứu trình hoá - lý bán dẫn, xây dựng kiến thức sở trình hoá – lý xảy bán dẫn  Tìm hiểu số ứng dụng quan trọng lý thuyết trình hóa lý bán dẫn công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn Phƣơng pháp... tính chất bán dẫn vào nồng độ vacancy cấu trúc loại trừ…………………………………… 3.4 Giản đồ trạng thái hệ bán dẫn …………………… 64 69 69 3.5 Các chất siêu sạch; Phân loại độ sạch, lớp sạch ……… 3.6 Một số yêu