Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 1

CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA CHẤT RẮN TỔNG QUAN Tài liệu này nghiên cứu tính chất và đặc tính điện của vật liệu và thiết bị bán dẫn. Mà bán dẫn lại là chất rắn. Do đó tính chất điện của chất rắn được quan tâm hàng đầu. Bán dẫn nói chung là vật liệu đơn tinh thể. Tính chất điện của vật liệu đơn tinh thể không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn phụ thuộc vào sự sắp xếp của các nguyên tử trong chất rắn; do đó, cần có một sự tìm hiểu...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vật lí điện tử và bán dẫn - Chương 1 CHƯƠNG I: C ẤU TRÚC TINH TH Ể CỦA CHẤT RẮN TỔNG QUAN Tài liệu này nghiên c ứu tính ch ất và đặc tính đi ện của vật liệu và thi ết bị bán dẫn. Mà bán d ẫn lại là chất rắn. Do đó tính ch ất điện của chất rắn được quan tâm hàng đầu. Bán d ẫn nói chung là v ật liệu đơn tinh th ể. Tính ch ất điện của vật liệu đơn tinh thể không chỉ phụ thuộc vào thành ph ần hóa h ọc mà còn ph ụ thuộc vào sự sắp xếp của các nguyên t ử trong ch ất rắn; do đó, c ần có một sự tìm hiểu ngắn gọn về cấu trúc tinh th ể của chất rắn. Sự hình thành ho ặc phát triển của vật liệu đơn tinh thể là một phần quan tr ọng của kĩ thuật bán dẫn. Một thảo luận ngắn về một vài kĩ thuật nuôi tinh th ể được đưa vào trong chương này đ ể cung cấp cho ngư ời đọc một số thuật ngữ mô tả cấu trúc thi ết bị bán dẫn. Chương nh ập môn này cung c ấp những kiến thức nền tảng về vật liệu đơn tinh th ể và sự hình thành c ủa tinh th ể để cho người đọc có thể hiểu về tính chất điện của vật liệu và thiết bị bán dẫn. 1.1| VẬT LIỆU BÁN DẪN Bán dẫn là một nhóm v ật liệu có tính d ẫn điện nằm trung gian gi ữa kim lo ại và chất cách đi ện. Hai loại bán dẫn chung nh ất là vật liệu bán d ẫn cơ bản nằm ở nhóm IV của bảng tuần hoàn, và v ật liệu bán dẫn hợp chất, đa số chúng đư ợc hình thành do sự kết hợp đặc biệt của những nguyên t ố nhóm III và nhóm V. B ảng 1.1 bi ễu diễn một phần của bảng tuần hoàn trong đó có nh ững bán d ẫn phổ biến và bảng 1.2 liệt kê một vài vật liệu bán dẫn. ( Bán d ẫn cũng có th ể được hình thành t ừ sự kết hợp của những nguyên t ố nhóm II và VI, nhưng nói chung nh ững vật liệu này không được xét trong tài li ệu này.) Những bán d ẫn cơ bản là những bán d ẫn mà trong thành ph ần cấu trúc của nó chỉ có một loại nguyên t ử là silic ho ặc germany. Hi ện nay silic là bán d ẫn phổ biến nhất được dùng trong m ạch tích h ợp và sẽ được nhắc đến thường xuyên trong tài liệu này. Những hợp chất hai nguyên t ố chẳng hạn như GaAs ho ặc GaP đư ợc hình thành b ằng sự kết hợp của những nguyên t ố nhóm III và V. GaAs là m ột trong những bán d ẫn hợp chất phổ biến hơn cả. Tính ch ất quang học tốt của nó làm cho nó hữu dụng trong nh ững thiết bị quang h ọc. GaAs cũng được dùng trong nh ững ứng dụng đặc biệt chẳng hạn như nh ững ứng dụng đòi hỏi vận tốc cao. Bên cạnh đó cũng có nh ững bán dẫn hợp chất 3 nguyên t ố. Một ví dụ là AlxGa1–xAs, trong đó ch ỉ số dưới x chỉ định phần của nguyên t ố có số nguyên t ử nhỏ hơn. Nh ững chất bán dẫn phức tạp hơn cũng có th ể được hình thành cung c ấp sự đa dạng khi ch ọn tính ch ất vật liệu. 1.2|PHÂN LO ẠI CHẤT RẮN Ba dạng tồn tại của chất rắn là vô định hình, đa tinh th ể, và đơn tinh th ể. Mỗi loại được đặc trưng b ởi kích thư ớt của vùng có tr ật tự trong vật liệu. Một vùng có tr ật tự là vùng trong th ể tích không gian ở đó những nguyên t ử hoặc những phân t ử có sự sắp xếp hình học đều đặn hoặc tuần hoàn. Vật liệu vô định hình có tr ật tự chỉ trong một vài hướng nguyên t ử hoặc phân t ử , trong khi v ật liệu đa tinh th ể có mức độ trật tự cao hơn trên nhi ều hướng nguyên t ử hoặc phân t ử. Những vùng có tr ật tự này, hoặc những vùng đơn tinh th ể thay đổi kích thướt và sự định hướng đối với những vùng khác. Vùng đơn tinh th ể được gọi là lớp và được chia tách v ới những lớp khác b ởi biên lớp. Một cách lí tư ởng có th ể xem vật liệu đơn tinh th ể có mức độ trật tự cao, hoặc sự tuần hoàn hình h ọc đều đặn trong toàn b ộ thể tích của vật liệu. Nói chung, s ự thuận lợi của vật liệu đơn tinh th ể là ở chỗ tính chất điện của nó tốt hơn những vật liệu không ph ải đơn tinh th ể, bởi vì biên l ớp có khuynh hư ớng làm giảm đặc tính điện. Biểu diễn hai chi ều của vật liệu vô định hình, đa tinh th ể, và vật liệu đơn tinh th ể được trình bày trong hình 1.1. 1.3|MẠNG KHÔNG GIAN Chúng ta s ẽ khảo sát đơn tinh th ể với sự tuần hoàn hình h ọc đều đặn trong s ự sắp xếp nguyên t ử của nó. Một đơn vị đại diện, hoặc nhóm các nguyên t ử được lặp lại sau những khoảng đều đặn ở mỗi chiều để hình thành đơn tinh th ể. Sự sắp xếp tuần hoàn của những nguyên t ử trong tinh th ể được gọi là mạng. 1.3.1 Ô đơn v ị và ô đơn v ị tối giản Chúng ta có th ể biểu diễn một nguyên t ử (a) hoặc nhóm các nguyên t ử (b) nào đó bằng một chấm được gọi là điểm mạng. Ví d ụ: trong tinh th ể Silic, mỗi điểm mạng của nó là một nguyên t ử silic; còn trong tinh th ể nước đá, mỗi điểm mạng của nó là phân tử nước. Hình 1.2 bi ễu diễn mạng hai chi ều vô hạn bao gồm những điểm mạng. Cách đơn giản nhất để lặp lại các nguyên t ử hoặc nhóm nguyên t ử là tịnh tiến. Mỗi điểm mạng trong hình 1.2 có th ể được tịnh tiến một khoảng cách na1 theo một chiều và khoảng cách mb1 theo chiều thứ 2 để tạo ra mạng 2 chi ều (n, m là các số nguyên). Sự tịnh tiến theo chi ều thứ 3 sẽ tạo ra mạng 3 chi ều. Những hướng tịnh tiến không cần vuông góc nhau. Nhìn vào hình 1.3, chúng ta th ấy rằng chỉ cần lặp lại một trong các hình bình hành A, B, C, ...