Mọi thứ về chất bán dẫn

Trang chủ Tin tức Khái niệm cơ bản về điện tử Mọi thứ về chất bán dẫn

2024-03-20 2515

Chất bán dẫn là ngành công nghiệp mũi nhọn phát triển của đất nước trong những năm gần đây. Vì thế chính xác thì chất bán dẫn là gì?

Trong cuộc sống hàng ngày, tất cả các vật thể có thể được phân loại đại khái theo tính dẫn điện của chúng thành ba loại: chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện.

Điều này là dễ hiểu; vật dẫn điện, không dẫn điện hoặc dẫn điện một chút. Chính những vật liệu này mơ hồ và thể hiện tính dẫn điện một phần đã mang lại cho các nhà vật lý những cơ hội khám phá khác nhau.

Những vật liệu thuần túy dẫn điện hoặc không dẫn điện đều không có ý nghĩa gì nhiều; điều thú vị là những chất có độ dẫn điện thay đổi dưới những điều kiện khác nhau.

Chúng ta hãy nhìn vào độ dẫn điện của vật liệu thông qua sơ đồ để hiểu trực quan hơn.

Theo độ dẫn điện của chúng:

Chất cách điện: có độ dẫn điện thấp, khoảng từ 20^-18S/cm đến 10^-8S/cm, chẳng hạn như thạch anh nóng chảy và thủy tinh.

Chất dẫn điện: có độ dẫn điện cao hơn, từ 10^4S/cm đến 10^6S/cm, chẳng hạn như kim loại như nhôm và bạc.

Chất bán dẫn: có độ dẫn điện nằm giữa chất cách điện và chất dẫn điện.

Các chất bán dẫn nguyên tố phổ biến được tìm thấy trong tự nhiên bao gồm silicon và germanium. Người ta nói rằng chất bán dẫn làm từ germani đã được phát hiện và sử dụng thậm chí còn sớm hơn chất bán dẫn làm từ silicon, nhưng ưu điểm tự nhiên của silicon là giá cả phải chăng. Cát thông thường trong tự nhiên chứa một lượng lớn silicon, bạn biết đấy!

Cát silic trong tự nhiên tuy có nhiều nhưng lại chứa quá nhiều tạp chất, khuyết tật nên không thể sử dụng trực tiếp mà cần phải tinh chế.

Làm thế nào để chúng tôi tinh chỉnh nó? Trong một từ - đốt cháy!

Giống như chúng ta đã học ở môn hóa học ở trường trung học cơ sở, chúng ta thực hiện các phản ứng oxi hóa khử.

SiC + SiO2 → Si (rắn) + SiO2 (khí) + CO (khí)
Si (rắn) + 3HC → SiHCl3 (khí) + H2 (khí)
SiHCl3 (khí) + H2 (khí) → Si (rắn) + 3HCl (khí)

Sau ba phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao, chúng ta thu được silicon rắn, nhưng tại thời điểm này, silicon là đa tinh thể.

Silicon đa tinh thể là gì?

Giống như khi chúng ta gọt vỏ một quả cam, bên trong có nhiều múi (các múi đa tinh thể) và mỗi múi có mùi vị khác nhau (hướng tinh thể). Chúng ta cần chọn phân khúc có hương vị tốt nhất và để nó tự phát triển!

Làm thế nào để làm cho một tinh thể nhỏ phát triển riêng lẻ?

Các nhà vật lý thực sự rất thông minh, đã phát minh ra một phương pháp phát triển các tinh thể đơn lẻ gọi là phương pháp Czochralski, có thể được đặt theo tên của nhà khoa học đã phát triển ra nó.

Ngoài ra còn có một thuật ngữ công nghiệp trực quan cho quy trình này, được gọi là phương pháp Bridgman!

Bởi vì khi phát triển các tinh thể đơn lẻ, nó giống như kéo các tinh thể nhỏ lên trên! Tốc độ kéo hơi chậm. Hãy nhìn vào thiết bị này:

Thanh hình trụ màu xanh trong hình là một silicon đơn tinh thể. Trong quá trình kéo, nó quay trong khi được kéo lên trên, tạo thành một phôi hình trụ được gia công theo phương pháp Bridgman.

Sau đó, phôi đã trưởng thành được cắt thành các mảnh hình đĩa bằng lưỡi cơ khí, tạo thành cái mà chúng ta gọi là tấm bán dẫn.

Quá trình này nghe có vẻ quen thuộc với bạn phải không?

Đó là cách tấm wafer được sản xuất.

Mặc dù hiện nay chúng ta đã có các tấm bán dẫn nhưng ở giai đoạn này, các đặc tính điện hóa của silicon đơn tinh thể không đủ để sử dụng trực tiếp trong việc chế tạo chip. Sau đó, các kỹ sư tiến hành sửa đổi các đặc tính điện hóa của silicon đơn tinh thể.

Làm thế nào để họ sửa đổi silicon đơn tinh thể?

Đầu tiên, chúng ta hãy đi sâu tìm hiểu về nguyên tố silicon. Trong bảng tuần hoàn, silicon đứng ở vị trí thứ 14. Một nguyên tử silicon có bốn electron ở lớp vỏ ngoài, chúng dùng chung với bốn nguyên tử lân cận, tạo thành bốn cặp electron dùng chung. Cấu trúc của các cặp electron dùng chung này được gọi là liên kết cộng hóa trị. Mỗi cặp electron tạo thành liên kết cộng hóa trị.

Bạn có thể đã học về phần này trong môn hóa học ở trường trung học cơ sở. Chúng ta hãy nhìn vào một bức tranh để hiểu rõ hơn:

Hình ảnh bên trái cho thấy cấu trúc tinh thể của silicon đơn tinh thể, giống cấu trúc của tinh thể kim cương. Ở bên phải, chúng ta có hình mô tả các nguyên tử silicon chia sẻ electron, với một nguyên tử silicon ở giữa chia sẻ electron với bốn nguyên tử silicon “anh chị em”.

Một ngày nọ, một nhà vật lý chợt nảy ra một ý tưởng: Điều gì sẽ xảy ra nếu silicon không chia sẻ electron với các nguyên tử “anh chị em” của nó và mời những “anh chị em” khác vào nhóm?

Một ngày nọ, nhà vật lý mời asen tham gia nhóm và rồi điều kỳ diệu đã xảy ra:

"Anh chị em" asen có 5 electron ở lớp vỏ ngoài, trong đó 4 electron tạo thành liên kết với các nguyên tử silicon, để lại một electron chưa ghép cặp. Electron chưa ghép cặp này trở thành một tác nhân tự do, di chuyển xung quanh và làm thay đổi độ dẫn điện của silicon do điện tích của nó.

Bằng cách cung cấp thêm một electron cho họ silicon, nguyên tử asen được biết đến như một chất cho.

Với sự gia tăng các electron tự do trong họ silicon, các hạt mang điện tích âm tăng lên, biến silicon thành chất bán dẫn loại n.

Tại sao nó được gọi là "loại N"? Trong tiếng Anh, “Negative” có nghĩa là phủ định. Lấy chữ cái đầu tiên của từ này cho chúng ta N.

Tương tự, nhà vật lý nghĩ, nếu chúng ta có thể đưa các nguyên tử asen có thêm electron vào, liệu chúng ta có thể mời các nguyên tử boron có ít electron hơn vào nhóm không? Vì vậy nhà vật lý quyết định đưa nguyên tử boron vào hỗn hợp để xem điều gì sẽ xảy ra.

Do nguyên tử boron chỉ có 3 electron ở lớp vỏ ngoài, ít hơn silicon một electron, mỗi liên kết cộng hóa trị ban đầu có 2 cặp electron giờ chỉ bao gồm một cặp, để lại một khoảng trống—một lỗ tích điện dương.

Tại thời điểm này, chất bán dẫn dựa trên silicon được gọi là chất bán dẫn loại p. Tương tự, "P" xuất phát từ chữ cái đầu tiên của từ tiếng Anh "Tích cực" và nguyên tử boron được gọi là chất nhận.

Việc đưa các nguyên tử khác nhau vào silicon đơn tinh thể dẫn đến sự hình thành chất bán dẫn loại N và loại P.

Khi chúng ta có silicon đơn tinh thể và có thể tìm ra cách oxy hóa bề mặt của nó thành silicon dioxide, silicon dioxide có thể đóng vai trò là chất cách điện cho nhiều cấu trúc thiết bị hoặc hoạt động như một lớp rào cản trong quá trình chế tạo thiết bị như khuếch tán hoặc cấy ion.

Trong quá trình sản xuất điểm nối pn, một lớp silicon dioxide mỏng có thể được sử dụng để xác định vùng của điểm nối.

Hãy xem sơ đồ này: (a) hiển thị một tấm bán dẫn silicon không được che phủ, sẵn sàng cho bước oxy hóa, trong khi (b) chỉ mô tả lớp trên cùng của tấm bán dẫn bị oxy hóa.

Với kiến thức lý thuyết về chất bán dẫn loại P và loại N, chúng ta có thể tiến thêm một bước nữa và sửa đổi bề mặt của silicon dioxide để tạo ra các mẫu mong muốn, chẳng hạn như vẽ một con mèo hoặc một bông hoa.

Phương pháp sửa đổi bề mặt wafer được gọi là quang khắc!

Nhưng liệu quang khắc có cần thiết bị tiên tiến không? Tôi nghe nói những chiếc máy đó thực sự rất ấn tượng... Trước tiên chúng ta hãy tìm hiểu nguyên lý của kỹ thuật quang khắc:

Sử dụng máy tráng quay tốc độ cao, một lớp vật liệu nhạy sáng với tia cực tím (UV) gọi là chất cản quang được quay trên bề mặt của chip. Sau khi lấy chip ra khỏi máy quay, nó được nung ở nhiệt độ từ 80°C đến 100°C để loại bỏ dung môi trong chất quang dẫn và làm cứng nó, tăng cường độ bám dính của nó với chip.

Tiếp theo, nguồn ánh sáng tia cực tím được sử dụng để chiếu chip qua mặt nạ có hoa văn. Sau đó, axit hydrofluoric đệm được sử dụng làm chất ăn mòn axit để loại bỏ bề mặt silicon dioxide không được bảo vệ. Cuối cùng, chất quang dẫn được loại bỏ bằng dung môi hóa học hoặc hệ thống tro hóa plasma.

Hãy nhìn vào sơ đồ: Chỉ (a) được hiển thị.

Quá trình này hơi giống với việc tạo ra một con dấu. Đầu tiên, mô hình được vẽ trên đá bằng bột màu, sau đó được chạm khắc theo kích thước của mô hình. Về cơ bản nó có cùng một nguyên tắc.

Giống như các con dấu có thể có thiết kế nhô lên hoặc lõm xuống, tấm wafer cũng có thể được xử lý tương tự. Tùy thuộc vào sự lựa chọn chất quang dẫn, dương hay âm, người ta có thể đạt được các mẫu tăng (dương) và lõm (âm). Các chất quang dẫn được sử dụng được gọi là điện trở dương và điện trở âm.

Sau khi quang khắc, bề mặt silicon được tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Sau đó, các nhà vật lý đưa các nguyên tố khác vào bề mặt silicon này thông qua một quá trình được gọi là cấy ion.

Khi các ion boron (B) hoặc asen (As) được cấy vào, chúng sẽ làm thay đổi các tính chất truyền thống của silicon, thay đổi các đặc tính điện hóa của nó. Tại thời điểm này, chất bán dẫn được gọi là chất bán dẫn bên ngoài.

Điểm nối được hình thành do sự tiếp xúc giữa chất bán dẫn loại P và loại N được gọi là điểm nối pn!

Sau khi hoàn thành quá trình pha tạp, người ta nỗ lực khai thác hiệu suất của chất bán dẫn này. Điều này liên quan đến việc kim loại hóa bề mặt chất bán dẫn, với các bước bao gồm tiếp xúc ohmic và kết nối được hoàn thành trong quá trình kim loại hóa tiếp theo. Màng mỏng kim loại có thể được hình thành bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) hoặc lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Với việc hoàn thành quá trình kim loại hóa, điểm nối pn giờ đây có thể hoạt động!

Đó là tất cả những kiến thức cơ bản về bán dẫn!

Công ty Slkor Micro Semiconductor được cấp bằng sáng chế kiểu dáng công nghiệp mới cho thiết bị gia nhiệt Thyristor.

Trang Tiếp

Tặng miễn phí 20 mẫu sản phẩm phổ biến – Slkor nắm bắt cơ hội thay thế sản phẩm trong nước.