LỜI MỞ ĐẦU Các linh kiện bán dẫn đóng vai trò là nền tảng của ngành công nghiệp điện tử - một trong những ngành công nghiệp lớn nhất thế giới hiện nay với doanh số toàn cầu hàng ngàn tỉ đô la từ năm 1998 [1]. Những kiến thức cơ bản về các linh kiện bán dẫn là cần thiết cho việc tìm hiểu các kiến thức trong kỹ thuật điện – điện tử. Từ những hiểu biết này cũng có thể đóng góp vào sự phát triển của kỷ nguyên công nghệ thông tin, một lĩnh vực chủ yếu dựa trên ngành kỹ thuật điện tử. Hình 1 biểu thị tổng doanh số toàn cầu của một số ngành công nghiệp hàng đầu trên thể giới bao gồm: điện tử, ô tô, bán dẫn và thép từ năm 1980 đến năm 2010.
Một điều cần lƣu ý là ngành công nghiệp điện tử có doanh số tăng nhanh và đã vƣợt qua doanh số của ngành công nghiệp ô tô từ năm 1998. Tới năm 2010, doanh số của ngành công nghiệp điện tử đạt khoảng 3 nghìn tỉ đô la, và chiếm khoảng 10% tổng doanh số sản phẩm toàn cầu. Nhƣ vậy, ngành công nghiệp bán dẫn- một thành phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp điện tử có doanh số lớn hơn cả ngành công nghiệp thép và chiếm khoảng 25% doanh thu của ngành công nghiệp điện tử [1]. Hình 1: Tổng doanh số toàn cầu một số ngành công nghiệp quan trọng 1980-2010.
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 1 Luận văn thạc sĩ 2015 Ở nƣớc ta, ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay đang còn rất non trẻ. Trong những năm gần đây, Nhà nƣớc ta có những chính sách tập trung cho việc phát triển ngành công nghiệp bán dẫn. Điển hình là việc đầu tƣ xây dựng Phòng thí nghiệm bán dẫn giá trị khoảng 10 triệu USD tại Trung Tâm Nghiên Cứu Triển Khai (Khu công nghệ cao Tp. Tuy nhiên, từ khi đƣợc xây dựng, chƣa có nhiều các nghiên cứu thực nghiệm đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm này.
Do đó, phần lớn các máy móc, trang thiết bị hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu, chế tạo các linh kiện bán dẫn, vi mạch điện tử vẫn chƣa đƣợc đƣa vào sử dụng. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, tôi thực hiện đề tài mô hình hóa và mô phỏng sau đó là nghiên cứu chế tạo Schottky diode. - Mục tiêu của đề tài: Đề tài nghiên cứu này thực hiện việc mô hình hóa và mô phỏng tính chất điện của diode Schottky. Mục tiêu là dự đoán đƣợc một số thông tin về sự phân bố nồng độ hạt tải, quá trình truyền vận điện tử, phân bố mức năng lƣợng và đặc tuyến dòng điện – điện thế của Schottky diode,…Từ kết quả của quá trình mô phỏng có thể thu đƣợc một số thông tin quan trọng từ đó hỗ trợ và giúp tối ƣu hóa thực nghiệm.
Sau đó, nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục tiêu kiểm soát các quy trình công nghệ chế tạo diode Schottky trong đó tập trung kiểm soát các quy trình quang khắc, đánh giá và kiểm soát các quy trình tạo màng mỏng, khảo sản tính chất điện của sản phẩm sau khi hoàn tất,…Mục đích cuối cùng là chế tạo ra sản phẩm Schottky diode đạt đƣợc các thông số kỹ thuật đặt ra : điện thế đánh thủng lớn hơn 200V, độ sụt thế nhỏ hơn 2V (tại giá trị dòng 1A) và dòng rò bé hơn 2µA để ứng dụng trong các thiết bị trữ điện của ô tô điện. - Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Đề tài nghiên cứu đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm bán dẫn thuộc Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai Khu Công nghệ cao Tp. Việc các thiết bị phòng sạch đƣợc hoạt động đồng bộ sẽ góp phần hình thành nhiều nhóm nghiên cứu chuyên sâu về vi mạch bán dẫn tại Tp.HCM nói riêng và cả nƣớc nói chung. Qua đó, Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai sẽ phát huy vai trò của một trung tâm nghiên cứu hàng đầu của cả nƣớc về vi mạch điện tử, kích thích đầu tƣ của các doanh nghiệp trong nƣớc và nƣớc ngoài cho Nguyễn Quốc Tuấn Trang 2 Luận văn thạc sĩ 2015 các sản phẩm vi điện tử tại Việt Nam.
Ngành công nghệ vi mạch bán dẫn của Việt Nam sẽ hình thành, từng bƣớc phát triển và góp phần dịch chuyển cơ cấu kinh tế xã hội theo hƣớng công nghiệp bán dẫn là một trong những ngành then chốt cho sự phát triển nền kinh tế Việt Nam trong tƣơng lai. Thông qua đề tài cũng tạo cơ hội đẩy mạnh quan hệ hợp tác giữa Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai với doanh nghiệp và các trƣờng, viện nghiên cứu. Công ty TNHH Quang lƣợng tử Việt–Mỹ (UVP) là một doanh nghiệp đầu tiên của Việt Nam đầu tƣ cho lĩnh vực linh kiện điện tử bán dẫn về diode và LEDs. Kết quả của đề tài nghiên cứu này sẽ đƣợc Công ty UVP ứng dụng để chế tạo thí điểm và tiến đến đầu tƣ chế tạo đại trà.
Hợp tác giữa Công ty UVP và Trung tâm Nghiên cứu Triển khai hiệu quả hơn và kinh phí đầu tƣ cho nghiên cứu của Tp.HCM sẽ là tiền đề kích thích doanh nghiệp rút ngắn thời gian đƣa công nghệ thành sản phẩm ra thị trƣờng. Nguyễn Quốc Tuấn Trang 3 Luận văn thạc sĩ 2015 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CHẤT BÁN DẪN VÀ DIODE 1. Chất bán dẫn là gì? Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các linh kiện bán dẫn nhƣ Diode, Transitor, IC mà ta đã thấy trong các thiết bị điện tử ngày nay. Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, xét về phƣơng diện hóa học thì bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử.
Đó là các chất nhƣ Germanium (Ge), Silicium (Si). Từ các chất bán dẫn ban đầu (tinh khiết) ngƣời ta tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó tiến hành ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại sẽ tạo thành Diode hay Transitor. Si và Ge đều có hóa trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở dạng tinh khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị nhƣ trong hình 1.1: Chất bán dẫn tinh khiết. Chất bán dẫn loại N.
Khi ta pha vào chất bán dẫn tinh khiết Si một lƣợng nhỏ chất có hóa trị 5 nhƣ Phospho (P) thì một nguyên tử P sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị, Nguyễn Quốc Tuấn Trang 4 Luận văn thạc sĩ 2015 nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dƣ một điện tử, điện tử dƣ này trở thành điện tử tự do (hình 1. Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và đƣợc gọi là bán dẫn N (Negative: âm).2: Chất bán dẫn loại N. Chất bán dẫn loại P. Ngƣợc lại, khi ta thêm một lƣợng nhỏ chất có hóa trị 3 nhu Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị và liên kết bị thiếu một điện tử (hình 1.
Do đó hình thành một lỗ trống (mang điện dƣơng) và đƣợc gọi là bán dẫn P.3: Chất bán dẫn loại P. Nguyễn Quốc Tuấn Trang 5 Luận văn thạc sĩ 2015 1. Tiếp giáp P-N và cấu tạo của diode bán dẫn. Khi đã có đƣợc hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P-N ta đƣợc một diode (hình 1.
Tiếp giáp P-N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dƣ thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng P để lấp vào các lỗ trống. Từ đó hình thành một lớp ion trung hòa về điện, lớp ion này tạo thành vùng cách điện giữa hai chất bán dẫn.4: Cấu tạo của diode. Ở trên hình là mối tiếp xúc P-N và cũng chính là cấu tạo của diode bán dẫn. Phân cực thuận cho diode.
Nếu ta cấp điện áp dƣơng (+) vào anode (vùng bán dẫn P) và điện áp âm vào cathode (vùng bán dẫn N), khi đó dƣới tác dụng tƣơng tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữa hai điện cực đạt 0,6V (đối với vật liệu Si) hoặc 0,2 (đối với vật liệu Ge) thì diện tích miền cách điện giảm xuống bằng không. Khi đó diode bắt đầu dẫn điện. Nếu tiếp túc tăng điện áp nguồn thì dòng qua diode tăng nhanh nhƣng chênh lệch điện áp giữa hai cực của diode không tăng (hình 1. Nguyễn Quốc Tuấn Trang 6 Luận văn thạc sĩ 2015 Hình 1.5: Diode (Si) phân cực thuận.
Kết luận: khi diode (Si) đƣợc phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chƣa có dòng đi qua diode. Nếu áp phân cực thuận đạt giá trị 0,6V thì có dòng đi qua diode, nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng điện đi qua diode tăng nhanh nhƣng sụt áp vẫn giữ nguyên ở giá trị 0,6V. Phân cực ngƣợc cho diode. Khi phân cực ngƣợc cho diode tức là cấp nguồn (+) vào cathode (bán dẫn N), nguồn (-) vào anode (bán dẫn P), dƣới sự tƣơng tác của điện áp ngƣợc, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng đi qua mối tiếp giáp, diode có thể chịu đƣợc điện áp ngƣợc rất lớn có khi lên tới 1000V thì diode mới bị đánh thủng (hình 1.6: Phân cực ngược cho diode.
Đặc tuyến Volt-Ampe của diode [7].7 là đặc tuyến Volt – Ampe biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện qua diode theo điện thế V đặt vào nó (đặc tuyến I-V). Khảo sát đặc tuyến này thành 2 trƣờng hợp: Khi áp điện thế V > 0: diode phân cực thuận. Khi áp điện thế V < 0: diode phân cực nghịch. Nguyễn Quốc Tuấn Trang 7 Luận văn thạc sĩ 2015 Với điện áp thuận VF, dòng điện thuận tƣơng ứng là: (1.1) Với dòng khuyếch tán: ] (1.2) Trong biểu thức này, các ký hiệu: k là hằng số boltzmant : k = 1,382x 1023 (J/K) np và pn là mật độ electron và lỗ trống trong vùng p và n.
A là diện tích mặt cắt ngang lớp p – n. Lp, Ln là độ dài khuếch tán của electron và lỗ trống. Dp, Dn là hệ số khuếch tán của electron và lỗ trống.7: Đặc tuyến dòng và thế (I-V) của diode trong 3 vùng : phân cực thuận, phân cực nghịch và đánh thủng. Ứng dụng của diode bán dẫn.
Do các tính chất đặc biệt nên diode thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạch khác nhau: Chỉnh lƣu nguồn xoay chiều thành một chiều. Các mạch nạp điện cho pin hay accu. Các mạch tách sóng Nguyễn Quốc Tuấn Trang 8 Luận văn thạc sĩ 2015 Các mạch bảo vệ (chống quá dòng, quá áp,. Các mạch ổn áp, ổn dòng,.
