Giáo trình vật liệu bán dẫn

LỜI MỞ ĐẦU

Vật liệu ở thể rắn chia ra làm ba loại: điện môi, bán dẫn và vật dẫn (kim loại). Muốn định nghĩa chính xác ba loại vật liệu này nói chung và vật liệu bán dẫn nói riêng phải dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của điện tử trong các vật liệu đó.

Tạm thời chúng ta đưa ra một định nghĩa đối với vật liệu bán dẫn dưới dạng những đặc điểm chính của vật liệu này: bán dẫn có điện trở suất nằm giữa điện trở suất của kim loại (cỡ 10^-3Ωcm) và điện trở của điện môi ( cỡ 10⁹Ωcm). Bán dẫn tinh khiết có hệ số nhiệt điện trở âm, nghĩa là khi nhiệt độ tăng điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm.Điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào nồng độ tạp chất, nhiệt độ cũng như những tác động bên ngoài chiếu sang, điện trường, từ trường… Vật liệu bán dẫn được biết đến từ rất lâu, năm 1874 Braun đã phát hiện ra tính chỉnh lưu dòng điện của tiếp xúc kim loại với tinh thể sulfua kim loại (Như quặng pyrit đồng), một loại tinh thể bán dẫn. Từ đó đến nay vật liệu bán dẫn là đối tương nghiên cứu được tập trung chú ý nhiều nhất và ngày càng được ứng dụng rộng rãi.Vật liệu bán dẫn thực sự đã làm một cuộc cách mạng trong công nghiệp điện tử cũng như trong nhiều ngành khoa học, kỹ thuật và công nghiệp khác.Trong những thập niên gần đây, những thành tựu về vật liệu bán dẫn đã dẫn đến sự phát triển một lĩnh vực rộng lớn của những linh kiện điện tử, vi điện tử, quang điện tử.

Ngày nay nghiên cứu vật liệu không chỉ là nghiên cứu cấu trúc, các tính chất, công nghệ chế tạo, tạo hình mà còn là nghiên cứu xác định những quy luật và mối quan hệ giữa các yếu tố đó để tiến tới “thiết kế” chế tạo ra những vật liệu bán dẫn có những đặc tính mong muốn. Vì vậy những cán bộ làm việc trong các lĩnh vực vật liệu bán dẫn cũng như ứng dụng chúng cần phải có những hiểu biết tương đối toàn diện, cơ bản về vật liệu bán dẫn.

Để phục vụ công tác đào tạo kỹ sư vật lý chuyên ngành vật liệu điện tử, chuyên ngành khoa học vật liệu và các chuyên ngành khác liên quan cũng như để làm tài liệu giảng dạy cao học, tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sinh, cho giảng viên các chuyên ngành liên quan đến vật liệu bán dẫn chúng tôi biên soạn giáo trình vật liệu bán dẫn này.

Nội dung giáo trình được trình bày trong 12 chương, tương ứng với 4 đơn vị học trình với thời lượng 60 tiết. Chương 1 trình bày những khái niệm cơ bản về“ cấu trúc tinh thể”. Chương 2 trình bày sơ lược“ những khái niệm, tính chất, đặc trưng cơ bản của vật liệu bán dẫn”. Người đọc có thể tìm hiểu những vấn đề được trình bày trong chương này một cách hệ thống và đầy đủ hơn trong “Giáo trình vật lý bán dẫn” [2] của chúng tôi.Chương 3 giới thiệu tổng quan “phân loại vật liệu bán dẫn”. Ở đây giới thiệu tất cả các loại bán dẫn, chúng được phân loại theo các tiêu chí khác nhau, trong đó những loại bán dẫn sẽ không được trình bày chi tiết trong những chương sau này, được trình bày kỹ hơn, chi tiết hơn ở chương 3. Chương 4 giới thiệu tổng quan về “công nghệ nuôi đơn tinh thể”. Chương 5 trình bày “các phương pháp xác định thông số của chất bán dẫn”. Phần còn lại của giáo trình dành để trình bày các loại vật liệu bán dẫn quan trọng.Nội dung của các chương này gồm các vấn đề: công nghệ chế tạo, cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng, những thông số, đặc điểm và ứng dụng của vật liệu bán dẫn. Chương 6 giới thiệu “các bán dẫn nguyên tố”, chương 7 giới thiệu nhóm “bán dẫn hợp chất A^IIIB^v.Chương 8 giới thiệu nhóm “bán dẫn hợp chất A^IIB^IV.Chương  9 giới thiệu các nhóm “bán dẫn hợp chất vô cơ khác”ngoài hai nhóm A^IIB^IVvà  A^IIIB^v. Ở đây chú ý đến nhóm bán dẫn hợp chất hai nguyên A^IVB^IV và các nhóm bán dẫn hợp chất ba nguyên quan trọng. Chương 10 giới thiệu “bán dẫn vô định hình”. Vì đây là loại vật liệu bán dẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ về mặt lý thuyết cho nên trong chương trình này chún g tô trình bày tổng quan về cấu trúc vô định hình, cấu trúc vùng năng lượng, tính chất điện, tính chất quang của một số bán dẫn cô định hình, những ứng dụng quan trọng của chúng, đặc biệt nhấn mạnh những ứng dụng của silic vô định hình trong lĩnh vực “ điện tử tấm lớn”. Chương 12, chương cuối cùng dành để giới thiệu một loại bán dẫn đặc biệt được phân loại không theo tiêu chí thành phần hóa học hay cấu trúc tinh thể mà theo kích thước của cấu trúc thành phần, đó là “bán dẫn thấp chiều”.

Đây có lẽ là “giáo trình vật liệu bán dẫn” đầu tiên bằng tiếng việt, các tác giả đã gặp không ít khó khăn về kiến thức, kinh nghiệm cũng như tài liệu tham khảo. Vì vậy chắc chắn giáo trình còn nhiều sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự thông cảm, lượng thứ và đặc biệt là sự chỉ giáo của các vị bậc thầy, các bậc đàn anh, các bạn đồng nghiệp và các bạn độc giả.

Các tác giả xin chân thành cám ơn GS Trung Đồn đã đọc bản thảo cuối cùng và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho nội dung của giáo trình này.

                                                                   Các tác giả

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Mục lục

Chương 1.Cấu trúc tinh thể

Chương 2.Những khái niệm, tính chất, đặc trưng cơ bản của vật liệu bán dẫn

Chương 3.Phân loại vật liệu bán dẫn

Chương 4.Công nghệ nuôi đơn tinh thể

Chương 5.Các phương pháp xác định thông số của chất bán dẫn

Chương 6.Các bản dẫn nguyên tố

Chương 7.Bán dẫn hợp chất  A^IIIB^V

Chương 8.Bán dẫn hợp chất A^IIB^IV

Chương 9.Các bán dẫn hợp chất vô cơ khác

Chương 10.Bán dẫn hợp chất hữu cơ

Chương 11.Bán dẫn vô định hình

Chương 12.Bán dẫn thấp chiều

Tài liệu tham khảo