Nghiên cứu sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn bằng phương pháp thống kê mômen

Nghiên cứu sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn bằng phương pháp thống kê mômen

Khuyến mại Chính sách bảo hành

Thể loại: Khoa học, xã hội

Cập nhật:

Kiểu file: zip

Người đăng:

Điểm download: 400

Lượt tải: 6

để ủng hộ website nếu bạn thấy tài liệu này có giá trị, xin cám ơn!
Click
Chính sách đảm bảo Tài liệu này của thành viên baotram và được Thuvien24.com đảm bảo. Xem chi tiết

THÔNG TIN TÓM TẮT VỀ NHỮNG KẾT LUẬN MỚI

 CỦA LUẬN ÁN TIẾN SĨ

 

Tên đề tài: “Nghiên cứu sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn bằng phương pháp thống kê mômen”

Chuyên ngành:        Vật lí lí thuyết và vật lí toán

Mã số:                       62.44.01.03

Nghiên cứu sinh:    Phan Thị Thanh Hồng

Người hướng dẫn:   1. GS.TS. Vũ Văn Hùng

                                     2. PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải

Cơ sở đào tạo:         Trường Đại học Sư phạm Hà Nội

Những kết luận mới của luận án:

1.      Xây dựng được các biểu thức giải tích tổng quát xác định năng lượng kích hoạt Q, hệ số trước hàm mũ D0 và hệ số khuếch tán D cho sự tự khuếch tán trong bán dẫn theo các cơ chế khác nhau bằng phương pháp thống kê mômen.

2.      Xây dựng được mô hình lí thuyết và các biểu thức giải tích xác định năng lượng kích hoạt Q, hệ số trước hàm mũ D0 và hệ số khuếch tán D của các tạp chất khuếch tán trong tinh thể Si theo cả ba cơ chế: nút khuyết, xen kẽ và hỗn hợp bằng phương pháp thống kê mômen.

3.      Xây dựng được các biểu thức giải tích tổng quát và khép kín về sự phụ thuộc áp suất p, độ biến dạng εcủa năng lượng kích hoạt Q và hệ số khuếch tán D.

4.      Áp dụng tính số các kết quả lí thuyết thu được cho: Si và GaAs tự khuếch tán; Các tạp chất B, P, Ga, As và Al khuếch tán trong Si. Các kết quả tính số thu được bằng phương pháp mômen cho thấy có sự phù hợp với thực nghiệm và trong nhiều trường hợp có sự phù hợp tốt hơn so với các tính toán bằng lí thuyết khác.

Chúng tôi sẽ tiếp tục mở rộng lí thuyết này để nghiên cứu sự khuếch tán của các tạp chất trong tinh thể GaAs và các hợp chất bán dẫn khác.

 

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Khuếch tán là một hiện tượng rất cơ bản trong tự nhiên và nó xảy ra trong tất cả các môi trường vật chất. Vì vậy, nghiên cứu để hiểu các quá trình khuếch tán chính là nghiên cứu quy luật cơ bản của tự nhiên. Chính vì ý nghĩa đó nên từ xưa đến nay, hiện tượng khuếch tán trong tự nhiên là một đề tài hấp dẫn và luôn có những vấn đề mới đặt ra để nghiên cứu.

Sau khi Schockley phát minh ra hiệu ứng tranzito vào năm 1948, ngành công nghiệp điện tử phát triển như vũ bão thì kĩ thuật khuếch tán các nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn cũng phát triển nhanh chóng nhằm chế tạo các linh kiện bán dẫn. Các linh kiện bán dẫn điện tử là nền tảng để chế tạo các thiết bị điện tử tiên tiến, các hệ thống thiết bị truyền thông, công nghệ thông tin, … đã, đang và sẽ phát triển rất mạnh trong thế kỉ XXI này.

Có hàng trăm công trình nghiên cứu cả lí thuyết và thực nghiệm về sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn, đặc biệt là sự khuếch tán trong bán dẫn silic. Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác các đại lượng khuếch tán là một điều rất khó, đòi hỏi phải có các trang thiết bị hiện đại và có đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm. Về mặt lí thuyết, có nhiều phương pháp đã được sử dụng để nghiên cứu về khuếch tán như phương pháp mô phỏng, phương pháp liên kết chặt, các phương pháp Ab initio,… Các phương pháp này đã thu được những thành công nhất định, nhưng các tính toán còn bị hạn chế và các kết quả số thu được có độ chính xác chưa cao so với các giá trị thực nghiệm. Vì vậy, nghiên cứu về sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn vẫn là vấn đề có ý nghĩa khoa học và mang tính thời sự.

Trong khoảng 30 năm trở lại đây, một phương pháp thống kê mới gọi là phương pháp thống kê mômen (TKMM) đã được áp dụng nghiên cứu thành công đối với các tính chất nhiệt động và đàn hồi của các tinh thể phi điều hòa. Phương pháp này cũng đã được sử dụng một cách có hiệu quả để nghiên cứu về hiện tượng khuếch tán trong các kim loại và hợp kim (có cấu trúc lập phương tâm diện và lập phương tâm khối). Việc tiếp tục áp dụng phương pháp TKMM để nghiên cứu hiện tượng khuếch tán trong tinh thể bán dẫn (có cấu trúc kim cương và cấu trúc ZnS) là việc làm hết sức cần thiết nhằm hoàn thiện và phát triển lí thuyết này.  

Với tất cả những lí do như đã trình bày ở trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài của luận án là Nghiên cứu sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn bằng phương pháp thống kê mômen.

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

          Mục đích: xây dựng lí thuyết về sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong tinh thể bán dẫn xét dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ biến dạng. Áp dụng các công thức đã xây dựng được để tính số cho các đại lượng khuếch tán như năng lương kích hoạt Q, hệ số trước hàm mũ D0 và hệ số khuếch tán D của một số chất cụ thể.

          Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: là hai chất bán dẫn Si (có cấu trúc kim cương) và GaAs (có cấu trúc ZnS), đây là hai loại bán dẫn điển hình và được nghiên cứu nhiều nhất. Các tạp chất được dùng để khuếch tán vào trong bán dẫn Si là Ga, As, Al, B, và P (với nồng độ 10-3 ÷ 10-4 % so với nồng độ nguyên tử gốc) đây cũng là các tạp chất được dùng phổ biến nhất trong công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn.

3. Phương pháp nghiên cứu

          Sử dụng phương pháp TKMM với khai triển đến gần đúng bậc bốn của thế năng tương tác để xác định độ dời của hạt khỏi vị trí cân bằng và năng lượng tự do Helmholtz của hệ gồm N hạt trong tinh thể bán dẫn. Từ đó, xác định được năng lượng kích hoạt Q, hệ số trước hàm mũ D0 và hệ số khuếch tán D của tinh thể.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

          Đối tượng nghiên cứu của luận án là các chất bán dẫn và các tạp chất thông thường có nhiều ứng dụng và đang được nghiên cứu rộng rãi. Các kết quả thu được từ luận án góp phần bổ sung, hoàn thiện lí thuyết về sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn, đặc biệt là bán dẫn Si. Luận án đã góp phần hoàn thiện và phát triển việc áp dụng phương pháp TKMM trong nghiên cứu các tính chất của tinh thể.

5. Những đóng góp mới của luận án

          Xây dựng được các biểu thức giải tích tổng quát xác định các đại lượng khuếch tán như năng lượng kích hoạt Q, hệ số trước hàm mũ D0 và hệ số khuếch tán D cho sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp chất trong bán dẫn theo các cơ chế khuếch tán khác nhau. Xét các đại lượng này dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ biến dạng.

          Áp dụng tính số theo các biểu thức tìm được cho sự tự khuếch tán của 2 chất bán dẫn điển hình (Si, GaAs) và sự khuếch tán của 5 tạp chất trong Si là Ga, As, Al, B và P. Các kết quả tính số đều được so sánh với thực nghiệm và các tính toán bằng lí thuyết khác.

Luận án cũng làm sáng tỏ được một số vấn đề đang còn tranh cãi, đó là cơ chế khuếch tán nào chiếm ưu thế trong sự tự khuếch tán và cơ chế nào đóng vai trò chủ đạo trong sự khuếch tán của các tạp chất Ga, As, Al, B và P trong tinh thể Si.

6. Bố cục của luận án

          Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án được chia làm 4 chương và 16 mục. Nội dung của luận án được trình bày trong 119 trang với 23 bảng số, 23 hình vẽ và đồ thị, 116 tài liệu tham khảo.

 

 

 

CÁC NGHIÊN CỨU VỀ KHUẾCH TÁN TRONG BÁN DẪN

1.1.    Sơ lược về bán dẫn

1.1.1.  Cấu trúc tinh thể của bán dẫn

          Các chất bán dẫn thông dụng thường kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm diện. Trong đó, mỗi nút mạng được gắn với một gốc (basis) gồm hai nguyên tử. Hai nguyên tử đó cùng loại nếu là bán dẫn đơn chất như Si, Ge và hai nguyên tử đó khác loại nếu là bán dẫn hợp chất như GaAs, InSb, ZnS, CdS,...

           Silic là vật liệu bán dẫn điển hình. Đơn tinh thể Si có cấu trúc kim cương (Hình 1.1). Trong một ô cơ sở của mạng tinh thể Si có 5 lỗ hổng mạng (còn gọi là hốc hay kẽ hở mạng) (Hình 1.2). Mỗi hốc có bán kính đúng bằng bán kính của nguyên tử Si do đó có thể chứa khít một nguyên tử Si.

Các bán dẫn hợp chất AIIIBV hoặc AIIBVI như GaAs hay ZnS chẳng hạn (Hình 1.3) thường kết tinh dưới dạng zinc blend ( ZnS). Trong tinh thể ZnS, mỗi nguyên tử Zn là tâm của một hình tứ diện đều cấu tạo từ bốn nguyên tử S xung quanh. Ngược lại, mỗi nguyên tử S lại là tâm của một hình tứ diện đều cấu tạo từ bốn nguyên tử Zn xung quanh.                                                                

                                                                

   Hình 1.1.Mạng tinh thể Si      Hình 1.2. Các hốc trong mạng tinh thể Si    Hình 1.3.Mạng tinh thể ZnS

1.1.2.  Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn

          Ứng dụng quan trọng nhất và phổ biến nhất của vật liệu bán dẫn chính là dùng để chế tạo các linh kiện bán dẫn điện tử như điốt, tranzito và mạch tích hợp (IC). Để có được các linh kiện bán dẫn này, người ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p bằng cách pha các nguyên tử tạp chất vào Si (hay Ge). Có nhiều phương pháp pha nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn. Nhưng so với các phương pháp khác thì phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm. Vì vậy, kỹ thuật khuếch tán các nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn đã và đang phát triển nhanh chóng.

1.2.  Các khuyết tật trong bán dẫn

1.2.1.   Khuyết tật trong tinh thể

          Đa số vật rắn có cấu trúc mạng tinh thể và chúng gồm một số rất lớn các nguyên tử, phân tử được sắp xếp một cách tuần hoàn trong không gian để tạo thành mạng tinh thể lí tưởng. Thực tế, mạng tinh thể lí tưởng thường không có thực. Các tinh thể thực luôn chứa đựng bên trong nó những khuyết tật. Có nhiều loại khuyết tật như khuyết tật điểm, khuyết tật đường, khuyết tật mặt và khuyết tật khối.

          Trong số các loại khuyết tật kể trên, khuyết tật điểm có cấu trúc đơn giản nhất và tồn tại nhiều nhất trong các tinh thể rắn. Các khuyết tật điểm có thể được phát sinh trong tinh thể bằng quá trình Schottky hoặc Frenkel. Khi nghiên cứu hiện tượng khuếch tán của các nguyên tử trong tinh thể, người ta đã chỉ ra rằng các khuyết tật điểm trong tinh thể đóng vai trò quyết định trong sự khuếch tán của các nguyên tử. Sau đây, chúng tôi xin trình bày cụ thể loại khuyết tật này cho tinh thể bán dẫn silic.

1.2.2.  Khuyết tật điểm trong tinh thể silic

          Các khuyết tật điểm có thể được phân ra làm hai loại là khuyết tật điểm tự nhiên và khuyết tật điểm gắn liền với tạp. Khuyết tật điểm tự nhiên tồn tại trong tinh thể Si tinh khiết. Khuyết tật điểm gắn liền với tạp xuất hiện từ việc đưa các tạp chất từ bên ngoài vào trong tinh thể Si.  

          Có hai loại khuyết tật điểm tự nhiên tồn tại trong tinh thể Si là nút khuyết và xen kẽ: Nút khuyết được định nghĩa đơn giản là một vị trí nút mạng tinh thể bị bỏ trống (Hình 1.4). Xen kẽ được hiểu là một nguyên tử cư trú ở một kẽ hở bên trong của mạng tinh thể Si. Có hai loại xen kẽ là xen kẽ do các nguyên tử Si-tự xen kẽ (Hình 1.5) và xen kẽ do nguyên tử tạp chất (Hình 1.6).

 

       
   
 

 

 

 

 

         

 

 

 

 

         

Hình 1.4.Khuyết tật nút khuyết trong tinh thể Si            Hình 1.5.Khuyết tật tự xen kẽ trong tinh thể Si

 

          Khi pha các nguyên tử tạp chất (kí hiệu là A) vào trong tinh thể Si, các nguyên tử tạp chất có thể hòa tan trong mạng tinh thể ở vị trí xen kẽ (Hình 1.6) hoặc vị trí thay thế vào nút mạng (Hình 1.7).

 

 
 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

 

Hình 1.6.Khuyết tật tạp xen kẽ trong tinh thể Si        Hình 1.7. Khuyết tật tạp thay thế  trong tinh thể Si

         

          Khi một nguyên tử tạp A ở vị trí nút mạng và nút kề bên là một nút khuyết thì ta có cặp đôi tạp-nút khuyết, kí hiệu là AV (dopant-vacancy). Nếu nguyên tử tạp A ở 

Ghi chú: Tài liệu này được thành viên baotram đăng lên thư viện. Theo quy định điều khoản sử dụng, Thuvien24.com không chịu bất kỳ trách nhiệm nào đối với bản quyền tài liệu. Bạn tự cân nhắc trước khi tải tài liệu.
Xem bình luận
trinhkimtrang
Tìm mãi cuối cùng cũng tìm ra :)))))))))))))))))) cám ơn, cám ơn!!!!!!!
nguyen xuan ngoc
Thuvien24.com chưa làm mình thất vọng lần nào
Em cám ơn bác đã chia sẻ
nvodatinh123
Bạn còn tài liệu nào liên quan nữa không?
thanks!!!!!!!!!!! happy lucky day!
  • Tài liệu mới
  • Tài liệu nổi bật
  • Tài liệu liên quan
  • Tài liệu cùng người đăng
DỰ ÁN ĐẦU TƯ CÀ PHÊ BỒ CÔNG ANH

DỰ ÁN ĐẦU TƯ CÀ PHÊ BỒ CÔNG ANH

Lượt down: 0

Người đăng: namhoang34

Công nghệ sản xuất bánh Biscuit

Công nghệ sản xuất bánh Biscuit

Lượt down: 0

Người đăng: namhoang34