Bài giảng Vật lý bán dẫn: Chương 2.1 - Hồ Trung Mỹ

Bài giảng Vật lý bán dẫn - Chương 2.1: Dải năng lượng và nồng độ hạt dẫn ở cân bằng nhiệt, cung cấp cho người học những kiến thức như vật liệu bán dẫn; Cấu trúc tinh thể cơ bản; Kỹ thuật tăng trưởng tinh thể cơ bản; Liên kết hóa trị; Dải năng lượng; Nồng độ hạt dẫn nội tại; Các chất donor và acceptor; Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn loại N và P. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật lý bán dẫn: Chương 2.1 - Hồ Trung MỹĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐTBMĐTGVPT: Hồ Trung MỹMôn học: Vật lý bán dẫn (EE1013) Chương 2 Dải năng lượng và nồng độ hạt dẫn ở cân bằng nhiệt Nội dung1. Vật liệu bán dẫn2. Cấu trúc tinh thể cơ bản3. Kỹ thuật tăng trưởng tinh thể cơ bản4. Liên kết hóa trị5. Dải năng lượng6. Nồng độ hạt dẫn nội tại7. Các chất donor và acceptor.8. Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn loại N và P 2 2.1 Vật liệu bán dẫn❑ Kiểm soát (hay điều khiển) độ dẩn điện là chìa khóa của các dụng cụ điện tử hiện đại❑ Phân loại vật liệu trạng thái rắn theo: ➢ Điện trở suất/điện dẫn suất:  của cách điện <  của bán dẫn <  của dẫn điện ➢ Cấu trúc: [đơn] tinh thể, đa tinh thể, và vô định hình ➢ Liên kết hóa học: liên kết kim loại, ion, đồng hóa trị và van der Waals. ▪ Bán dẫn nguyên tố: liên kết đồng hóa trị. ▪ Hợp chất bán dẫn: liên kết đồng hóa trị và liên kết ion. ➢ Khe năng lượng Eg (phần sau) 3 Control of Conductivity is the Key to Modern Electronic Devices Conductivity, σ, is the ease with which a given material conducts electricity. Ohms Law: V=IR or J=σE where J is current density and E is electric field. ◼ Metals: High conductivity ◼ Insulators: Low Conductivity ◼ Semiconductors: Conductivity can be varied by several orders of magnitude. It is the ability to control conductivity that make semiconductors useful as “current/voltage control elements”. “Current/Voltage control” is the key to switches (digital logic including microprocessors etc…), amplifiers, LEDs, LASERs, photodetectors, etc... 4 Classifications of Electronic Materials Electrical/Computer engineers like to classify materials based on electrical behavior (insulating, semi-insulating, and metals). Materials Engineers/Scientists classify materials based on bond type (covalent, ionic, metallic, or van der Waals), or structure (crystalline, polycrystalline, amorphous, etc...). In 20-50 years, EE’s may not be using semiconductors at all!! Polymers or bio-electronics may replace them! However the materials science will be the same! 5Material Classifications based on Bonding Method Bonds can be classified as metallic, Ionic, Covalent, and van der Waals. 6Material Classifications based on Bonding Method 7 Phân loại vật liệu dựa trên cấu trúc tinh thể Amorphous Materials (Vật liệu vô định hình) Các nguyên tử không có trật tự như cấu trúc tinh thể. TD: SiO2, Si vô định hình, Si3N4, … Mặc dù không hoàn chỉnh như vật liệu tinh thể, lớp vật liệu này cũng rất hữu dụng. Crystalline Materials (Vật liệu [đơn] tinh thể) Được đặc trưng bởi đối xứng nguyên tử lặp lại trong không gian. Dạng của tế bào đơn vị phụ thuộc vào sự liên kết của vật liệu. Các Cấu trúc tế bào đơn vị thông dụng nhất là kim cương, zincblende (một dẫn xuất của cấu trúc kim cương), hexagonal, và muối đá (lập phương đơn giản). Polycrystalline Materials (Vật liệu đa tinh thể) Gồm nhiều miền vật liệu tinh thể. Mỗi miền được định hướng khác với các miền khác. Tuy nhiên trong mỗi miền, vật liệu là tinh thể. Kích thước mỗi miền có thể vài nm3 đến nhiều cm3. 8 Phân loại vật liệu dựa trên cấu trúc tinh thể 3 Types of Solids SOLIDS: [Single] Crystalline Amorphous Polycrystalline AtomicArrangements: Periodic Random Grain Boundaries Materials used to fabricate integrated circuits include some from all three classifications. ❑ Amorphous: insulators (SiO2) ❑ Polycrystalline: MOS gates; contacts ❑ Crystalline: substrates 9 Điện dẫn suất và điện trở suất của chất cách điện, bán dẫn và dẫn điện Điện trở suất  Điện dẫn suất  Cách điện Bán dẫn Dẫn điệnChú ý:  là hàm của tạp chất, nhiệt độ, điện trường, và kích thích [do] ánh sáng. 10 Element Semiconductors (Các chất bán dẫn nguyên tố)Bảng phân loại tuần hoàn của vật liệu bán dẫn 11 Compound Semiconductors (Hợp chất bán dẫn) Những năm gần đây người ta sử dụng nhiều các hợp chất bán dẫn trong nhiều loại dụng cụ bán dẫn. Có các hợp chất bán dẫn từ 2 nguyên tố (nhị hợp), 3 nguyên tố (tam hợp) và 4 nguyên tố (tứ hợp). Nhiều chất bán dẫn có các tính chất điện và quang khác với Silicon. Đặc biệt là GaAs được dùng làm vật liệu chính để chế tạo các dụng cụ trong các ứng dụng quang điện tử và chuyển mạch tốc độ cao 12 Các ứng dụng bán dẫn phổ biến• Nhóm IV ➢ Si dùng cho MOS, đặc biệt là logic số và bộ nhớ CMOS ➢ BJT Si cho một số ứng dụng logic và tương tự ➢ SiC cho các ứng dụng công suất cao và nhiệt độ cao ➢ Ge cho diode, BJT• Nhóm III/V ➢ GaAs, GaAsP, InP dùng cho các ứng dụng số tốc độ cao và quang điện tử ➢ InAs / GaInSb / AlInSb dùng cho các dụng cụ phát hiện bước sóng dài ➢ GaN, AlGaN dùng cho LED xanh/trắng ...