1.5|KHUYẾT TẬT VÀ TẠP CHẤT TRONG CHẤT RẮN

Cho đến lúc này, chúng ta chỉ mới khảo sát cấu trúc tinh thể lí tưởng. Trong tinh thể thực, mạng không hoàn hảo mà chứa những khuyết tật; nghĩa là, sự tuần hoàn hình học hoàn hảo bị gián đoạn theo những cách thức nào đó. Khuyết tật có khuynh hướng làm biến đổi tính chất điện của vật liệu, và trong một số trường hợp, những tham số điện có thể chịu ảnh hưởng mạnh bởi những khuyết tật hoặc tạp chất này.

1.5.1 Khuyết tật trong chất rắn

Một loại khuyết tật mà tất cả các tinh thể đều có là dao động. Đơn tinh thể hoàn hảo chứa những hạt (nguyên tử, phân tử hoặc ion) tại các nút mạng, những hạt này cách nhau một khoảng bằng hằng số. Ngoài ra, các hạt trong tinh thể có một năng lượng nhiệt nào đó, nó là hàm theo nhiệt độ. Năng lượng nhiệt này làm cho những hạt dao động ngẫu nhiên quanh những điểm mạng cân bằng. Dao động nhiệt ngẫu nhiên này làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử biến đổi một cách ngẫu nhiên, phá vỡ sự sắp xếp tuần hoàn của những nguyên tử. Khuyết tật này được gọi là dao động mạng ảnh hưởng đến những đại lượng điện như chúng ta sẽ thấy sau này trong quá trình khảo sát tính chất của vật liệu bán dẫn.

Một loại khuyết tật khác là sai hỏng điểm. Có vài loại mà chúng ta cần xem xét. Trong một mạng đơn tinh thể lí tưởng, những nguyên tử được sắp xếp một cách tuần hoàn đều đặn. Tuy nhiên, trong tinh thể thực, một nguyên tử có thể bị mất ở một mặt mạng nào đó. Khuyết tật này được gọi là nút khuyết; nó được biễu diễn bằng đồ thị trong hình 1.17a. Trong trường hợp khác, một nguyên tử có thể được đặt vào giữa những mặt mạng. Sai hỏng này được gọi là sai hỏng ngoài nút và được biễu diễn trong hình 1.17b. Trong trường hợp sai hỏng chỗ khuyết và sai hỏng ngoài nút, không chỉ sự sắp xếp hình học của nguyên tử bị phá vỡ mà liên kết hóa học lí tưởng giữa những nguyên tử cũng bị gián đoạn, điều này dẫn đến làm thay đổi tính chất điện của vật liệu. Sai hỏng chỗ khuyết và sai hỏng ngoài nút nếu đặt gần nhau sẽ tương tác nhau và hình thành sai hỏng chỗ khuyết-ngoài nút. Sai hỏng chỗ khuyết-ngoài nút này còn được gọi là sai hỏng Frenkel tạo ra những ảnh hưởng khác biệt so với những sai hỏng chỗ khuyết và sai hỏng ngoài nút riêng lẻ.

Sai hỏng điểm liên quan đến vị trí của từng nguyên tử hoặc một nguyên tử. Trong sự hình thành vật liệu đơn tinh thể, những sai hỏng phức tạp hơn có thể xuất hiện. Chẳng hạn sai hỏng đường xuất hiện khi dãy các nguyên tử bị thiếu trong một mặt mạng. Sai hỏng này được gọi là sự lệch đường và được biễu diễn trong hình 1.18. Cũng như đối với sai hỏng điểm, sự lệch đường làm gián đọan cả sự tuần hoàn hình học đều đặn của mạng và những liên kết nguyên tử lí tưởng trong tinh thể. Sự lệch này cũng có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu, thường là theo những cách thức không thể tiên đóan được như đối với sai hỏng điểm.

Những sự lệch phức tạp khác cũng có thể hình thành trong mạng tinh thể. Phần nhập môn này chỉ muốn đưa vào một vài loại sai hỏng cơ bản và chứng tỏ rằng tinh thể thực không nhất thiết là một cấu trúc tinh thể hoàn hảo. Ảnh hưởng của những sai hỏng này đến tính chất điện của bán dẫn sẽ được xét trong chương sau.

1.5.2 Tạp chất trong chất rắn

Những nguyên tử bên ngoài, hoặc những nguyên tử tạp chất có thể hiện diện trong mạng tinh thể. Những nguyên tử tạp chất có thể nằm tại mặt mạng bình thường, trong trường hợp này chúng được gọi là tạp chất thế chỗ. Những nguyên tử có thể nằm giữa những mặt mạng bình thường, trong trường hợp này chúng được gọi là tạp chất ngoài nút. Cả hai loại tạp chất này là sai hỏng mạng và được biễu diễn trong hình 1.19. Một số tạp chất, chẳng hạn như Oxi trong Si có khuynh hướng trơ; tuy nhiên, chẳng hạn như vàng hoặc photpho trong Si có thể thay đổi tính chất điện của vật liệu một cách mạnh mẽ.

Trong chương 4, chúng ta sẽ thấy rằng, bằng cách thêm một lượng tạp chất có kiểm soát, tính chất điện của bán dẫn có thể thay đổi tùy ý. Kĩ thuật thêm những nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn để thay đổi tính chất điện của nó được gọi là pha tạp. Có hai phương pháp pha tạp tổng quát: khuếch tán tạp chất và cấy Ion.

Quy trình khuếch tán thực sự phụ thuộc vào hình dạng bên ngoài của bán dẫn, nói chung, khuếch tán tạp chất được thực hiện bằng cách đặt tinh thể bán dẫn ở môi trường khí nhiệt độ cao (gần 1000⁰ C) chứa những nguyên tử tạp chất. Tại nhiệt độ cao này, nhiều nguyên tử tinh thể có thể chuyển động ngẫu nhiên trong và ngoài những mặt mạng đơn tinh thể của chúng. Những chỗ khuyết có thể được tạo ra do chuyển động ngẫu nhiên này vì vậy những nguyên tử tạp chất có thể di chuyển trong mạng bằng cách nhảy từ chỗ khuyết này đến chỗ khuyết khác. Khuếch tán tạp chất là một quá trình mà ở đó tạp chất di chuyển từ vùng có nồng độ cao từ bề mặt sang vùng có nồng độ thấp trong tinh thể. Khi những nguyên tử tạp chất bị đóng băng trong những mặt phẳng mạng thay thế. Sự khuếch tán những tạp chất khác nhau vào những vùng được chọn của bán dẫn cho phép chúng ta chế tạo những mạch điện tử phức tạp trên một đơn tinh thể bán dẫn.

Nói chung, quá trình cấy Ion xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn khuếch tán. Một chùm những ion tạp chất được gia tốc đến động năng nằm trong khoảng 50 KeV hoặc lớn hơn và sau đó đến bề mặt bán dẫn. Những ion pha tạp năng lượng cao đi vào tinh thể và dừng lại ở một độ sâu trung bình tính từ bề mặt. Một ưu điểm của cấy ion là có thể điều khiển được những nguyên tử ion đi vào một vùng đặc biệt của tinh thể. Một nhược điểm của kĩ thuật này là những nguyên tử tạp chất tới va chạm với những nguyên tử tinh thể làm hỏng sự thay đổi vị trí mạng. Tuy nhiên, hầu hết sự làm hỏng mạng có thể tránh được bằng cách luyện nhiệt, nghĩa là tăng nhiệt độ của tinh thể trong thời gian ngắn. Sự luyện nhiệt là bước cần thiết sau khi cấy ion.

Video sau đây dùng tinh thể NaCl để minh họa các loại sai hỏng điểm trong mạng tinh thể. Trong quá trình xem video, bạn có thể gặp một số cụm từ sau:

· Defect in solid: những khuyết tật trong chất rắn

· In this module, you will learn about the various types of point defects present in the crystal lattice of solid: Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát những loại sai hỏng điểm khác nhau trong mạng tinh thể của chất rắn.

· Defects in crystalline solids:Sai hỏng trong chất rắn kết tinh

· Point defect: sai hỏng điểm

· Line defect: sai hỏng đường

· Point defects are of three types: sai hỏng điểm gồm 3 loại

· Stoichiometric: hợp thức

· Non stoichiometric: không hợp thức

· Impurity defects: sai hỏng tạp chất

· In cases of non ionic solids, the stoichiometric defect are of two types: Đối với những trường hợp chất rắn không phải ion, sai hỏng hợp thức gồm hai loại

· Vacancy defects: sai hỏng chổ khuyết

· Interstitial defects: sai hỏng ngoài nút

· Frenkel defects: sai hỏng Frenkel

· Schottky defects: sai hỏng Schottky

· Impurity defecs: sai hỏng tạp chất