CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
2.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ
Vật liệu để chế tạo phần lớn các linh kiện điện tử là loại vật liệu tinh thể rắn. Vật liệu tinh thể rắn thường tồn tại dưới hai dạng: Cấu trúc đơn tinh thể, cấu trúc đa tinh thể.
Đơn tinh thể Đa tinh thể Hình 2.1 - Cấu trúc tinh thể rắn
Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định, chỉ cần biết vị trí và một vài đặc tính của một số ít nguyên tử chúng ta có thể dự đoán vị trí và tính chất lý, hóa học của tất cả các nguyên tử trong mẫu, ví dụ minh họa cấu trúc đơn tinh thể như Hình 2.1.
Tuy nhiên trong một số vật liệu có thể nhận thấy rằng cách sắp xếp chính xác của các nguyên tử chỉ tồn tại chính xác tại cỡ vài nghìn nguyên tử. Những miền có trật tự như
vậy được ngăn cách bởi bờ biên và dọc theo bờ biên này không có trật tự - cấu trúc đa tinh thể
Tính chất tuần hoàn của tinh thể có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất điện của vật liệu. Cấu kiện bán dẫn thường được chế tạo từ các cấu trúc đơn tinh thể.
b) Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử
Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử chỉ có thể nằm trên các mức năng lượng gián đoạn nhất định nào đó gọi là các mức năng lượng nguyên tử.
Nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng lượng khác nhau.
Một mức năng lượng được đặc trưng bởi một bộ 4 số lượng tử:
+ n – số lượng tử chính: 1,2,3,4….
+ l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h…}
+ ml– số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3… ±l + ms– số lượng tử spin: ±1/2
n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp xếp ở lớp, phân lớp có năng lượng nhỏ trước.
c) Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn
Để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tận tiến lại gần liên kết với nhau tạo thành cấu trúc tinh thể:
Nếu các nguyên tử cách xa nhau đến mức có thể coi chúng là hoàn toàn độc lập với nhau thì vị trí của các mức năng lượng của chúng là hoàn toàn trùng nhau (tức là một mức trùng chập) – minh họa trong Hình 2.2-(b).
Khi các NT tiến lại gần nhau đến khoảng cách cỡ A0, thì chúng bắt đầu tương tác với nhau thì không thể coi chúng là độc lập nữa. Kết quả là các mức năng lượng nguyên tử không còn trùng chập nữa mà tách ra thành các mức năng lượng rời rạc khác nhau. Ví dụ mức 1s sẽ tạo thành 2.N mức năng lượng khác nhau – như minh họa trong Hình 2.2- (d).
Nếu số lượng các nguyên tử rất lớn và gần nhau thì các mức năng lượng rời rạc đó rất gần nhau và tạo thành một vùng năng lượng như liên tục – như minh họa trong Hình 2.2 -(d).
Sự tách một mức năng lượng nguyên tử ra thành vùng năng lượng rộng hay hẹp phụ thuộc vào sự tương tác giữa các điện tử thuộc các nguyên tử khác nhau với nhau.
Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm. Các điện tử trong tinh thể rắn sẽ điền đầy vào các mức năng lượng trong các vùng cho phép từ thấp đến cao. Như vậy có thể có: vùng điền đầy hoàn toàn (thường có năng lượng thấp), vùng
trống hoàn toàn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầy một phần. Tính chất hóa, lý, điện của chất rắn thường phụ thuộc chủ yếu vào các điện tử thuộc lớp ngoài cùng.
Hình 2.2 - Minh họa sự hình thành vùng năng lượng trong cấu trúc gồm nhiều NT (nguyên tử).
Nếu xét trên lớp ngoài cùng:
+ Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử gọi là “Vùng hóa trị”
+ Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy ngay trên vùng hóa trị gọi là “Vùng dẫn”
+ Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn là “Vùng cấm”
Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắn có tính chất điện khác nhau:
Chất cách điện – dẫn điện kém, Chất dẫn điện – dẫn điện tốt, Chất bán dẫn. Tuy nhiên độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ.
1s 2s 2p Mức
(a) Một NT độc lập
Số trạng thái lớn nhất
2 6
1s 2s 2p
2 4
12
(b) 2 NT không tương tác
4 Số trạng
thái lớn nhất
4 12
(c) 2 NT tương tác 4 Số trạng
thái lớn nhất
2N 6N
d. N Nguyên tử tương tác
2N Số trạng
thái lớn nhất
+ Chất cách điện: Có cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm lớn EG>2eV, như hình 2.3(a).
(a). Chất cách điện (b). Chất bán dẫn (c). Chất bán dẫn Hình 2.3 – Minh họa sự sắp xếp của các dải năng lượng
Hình 2.4 – Minh họa sự hình thành vùng năng lượng
+ Chất dẫn điện: Cấu trúc dải năng lượng không có vùng cấm, điện tử hóa trị liên kết yếu với hạt nhân, dưới tác dụng của điện trường ngoài các e này có thể dễ dàng di
Vùng Cấm
4N trạng thái không có điện tử vùng dẫn Vùng hoá trị
4N trạng thái có 4N điện tử
6N trạng thái có 2N điện tử 2N trạng thái có 2N điện tử
Các mức năng lượng của lớp trong cùng không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc mạng tinh thể
Năng lượng của các trạng thái
X
EG > 2 eV E
EC
EV
Dải hoá trị Dải dẫn
Điện tử
Lỗ trống
Dải dẫn
Dải hoá trị EC
E
chuyển lên các trạng thái cao hơn tạo thành các e tự do, nên chất như vậy dẫn điện tốt, cấu trúc dải năng lượng như hình 2.3 c.
+ Chất bán dẫn: Chất có vùng cấm 0eV<EG≤2eV, cấu trúc dải năng lượng như Hình 2.3-(c). Do độ rộng của vùng cấm nhỏ nên ở điều kiện thường, có thể có một số điện tử ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Sự mất 1 điện tử trong vùng hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống (Mức năng lượng bỏ trống trong vùng hóa trị điền đầy, lỗ trống cũng dẫn điện như các điện tử tự do) – minh họa như Hình 2.3-(b).
Minh họa sự tạo thành những vùng năng lượng khi các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm IV được đưa vào để tạo ra tinh thể như Hình 2.4.
2.1.2. Phân loại vật liệu điện tử
Các vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện, điện tử thường được phân chia thành 4 loại:
• Chất cách điện (chất điện môi).
• Chất dẫn điện.
• Vật liệu từ.