đề tài 11 tìm hiểu về vật liệu bán dẫn với công nghệ nano ngày nay

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.05 MB, 27 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

---∆---BÁO CÁO MÔN HỌC BỘ MÔN: VẬT LIỆU ĐIỆN ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI 11 : TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VỚI CÔNGNGHỆ NANO NGÀY NAY

GVHD: Ths. Phạm Xuân HổSVTH: NHĨM 11

Tp. Hồ Chí Minh tháng 3 năm 2023

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

II.Các linh kiện điện tử sử dụng công nghệ nano...15

III.Phương pháp chế tạo vật liệu nano...16

4.2 Quy trình sản suất – thi cơng mạch sử dụng cơng nghệ nano...20

IV.Các ưng dụng trong thực tế của vật liệu nano trong sản phẩm vimạch, vi xử lý...25

TỔNG KẾT...27

TÀI LIỆU THAM KHẢO...28

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Vùng năng lượng...8

Hình 2: Vật liệu nano...12

Hình 3:quy trình thiết kế tấm wafer...18

Hình 4:quá trình nung chảy silic...21

Hình 5:Các tấm wafer...22

Hình 6:Câu trúc linh kiện trên tấm wafer...23

Hình 7:Bề mặt tấm wafer sau khi gia cơng...24

Hình 8: Tấm Wafer...26

Hình 9: Vi điều khiển...26

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

LỜI NĨI ĐẦU

Cơng nghệ tạo nên sự phát triển của xã hội đã trải qua q trình tiến hóa từ khi hình thành xã hội lồi người. Hàng triệu năm trước cơng ngun, cuộc sống của con người chủ yếu dựa trên công nghệ thô sơ là hái lượm được săn bắn. Từ khoảng 10.000 năm trước cơng ngun đến thế kỷ 18 lồi người sống và làm việc dựa trên nền kinh tế nông nghiệp, từ năm đầu thế kỷ 19 đến giữa thế kỷ XX là sự phát triển của nền công nghiệp thế giới. Giai đoạn từ những năm 1960 đến nay đến nay là giai đoạn phát triển của công nghệ thơng tin cịn hiện nay chúng ta đang bước sang giai đoạn phát triển của công nghệ nano và thực tại Ảo đang mang lại sự thay đổi rất cơ bản trong xã hội loài người.

Theo sự phát triển của thời đại con người cần đến những vật liệu mới phù hợp với những mục tiêu khác, và dân đầu là vật lieu bán dẫn với công nghệ nano.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

NỘI DUNG

1.1.1 Khái niệm

Bán dẫn là nhóm vật liệu cực kì đa dạng. Nó có hàng trăm nguyên tố và vật chất khác nhau. Bán dẫn có thể là vật liệu hữu cơ hoặc vơ cơ, tinh thể, vật chất khơng định hình, chất rắn, lỏng, có từ tính, hoặc khơng từ tính. Mặc dù có sự khác biệt cơ bản về cấu tạo và thành phần hóa học nhưng loại vật liệu này có tính chất rất đặc biệt là khả năng thay đổi tính chất dưới tác động của năng lượng bên ngoài.

Vật liệu bán dẫn sử dụng trong thực tế có thể chia ra bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hóa học và bán dẫn phức tạp (bán dẫn gốm). Hiện tại đã nghiên cứu bán dẫn từ trường và bán dẫn lỏng. Tất cả có khoảng 10 loại bán dẫn đơn giản.

1.1.2 Nguyên lý

Các vùng năng lượng trong chất rắn có thể bị chiếm đầy, chiếm một phần hay bỏ trống. Vùng năng lượng cao nhất bị chiếm bởi electron hóa trị và vùng cao hơn quyết định tính dẫn điện của chất rắn. Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử bị chiếm đầy và vùng phía trên tiếp ngay sau đó là vùng dẫn. Ở vật liệu dẫn điện vùng dẫn không được điền đầy. Các electron dễ dàng bị chuyển từ vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn trở thành electron tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện. Ở vật liệu cách điện vùng hóa trị bị chiếm đầy, vùng cấm có giá trị lớn cỡ vài eV, do vậy các electron khó có khả năng vượt qua vùng cấm để tham gia dẫn điện. Ở vật liệu bán dẫn điện cấu trúc vùng năng lượng tương tự như vật liệu cách điện nhưng vùng cấm hẹp hơn cỡ 0,1eV đến 1 eV. Ở 00K chúng là chất cách điện. Ở nhiệt độ trong phịng các electron có thể

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

thu được năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Điều khác nhau giữa sự dẫn điện của kim loại và bán dẫn là khi các electron chuyển lên vùng dẫn thì đồng thời tạo ra ở vùng hóa trị các lỗ trống.

Do đó, các electron trong vùng hóa trị có thể chuyển động đến các lỗ trống để lấp đầy tạo ra sự chuyển động của các lỗ trống đó là dịng các lỗ trống mang điện tích dương. Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng lượng của electron đứng yên hay chính là thế năng của electron, do đó đáy vùng dẫn tương ứng với thế năng của electron, tương tự như đỉnh vùng hoá trị là ứng với thế năng của lỗ trống. Nếu electron ở mức năng lượng cao hơn WC hoặc nếu lỗ trống ở mức năng lượng thấp hơn WV thì các electron và lỗ trống này có động năng bằng hiệu giữa các mức năng lượng của chúng và năng lượng ứng với đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị.

Hình 1: Vùng năng lượng

1.1.3 Phân loại

Như chúng ta đã biết thì tinh thể silic là vật liệu bán dẫn rất phổ biến hiện nay được sử dụng trong vi điện tử và quang điện. Tuy nhiên thì vẫn tồn tại một số chất khác có các tính chất giống như tính chất mà một chất bán dẫn cần có như:

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV (C, Si, Ge, Sn). Chất bán dẫn hợp chất nhóm IV.

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm VI (S, Ce, Te)

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm III, V: kết tinh với mức độ cân bằng hóa học cao và hầu hết có thể thu được với 2 dạng P và N. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử.

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm II, VI: thường là loại P nhưng trừ ZnTe và ZnO là loại N.

Hiệu ứng trường (bán dẫn):Khi kết hợp hai lớp P-N với nhau điều này dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P-N. Các điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và ngược lại các lỗ trống lớp p chuyển sang lớp n do q trình trung hịa về điện. Một sản phẩm của q trình này là làm ion tích điện, tạo ra một điện trường.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Dị thể: Các dị thể xảy ra khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau. Ví dụ, một cấu hình có thể bao gồm p-pha tạp và n-pha tạp germanium. Điều này dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau. Germanium pha tạp n sẽ có thừa electron và Germanium pha tạp p sẽ có quá nhiều lỗ trống. Sự chuyển đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi là tái hợp, khiến các electron di chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p. Một sản phẩm của quá trình này là các ion tích điện, dẫn đến hiệu ứng điện trường.

Electron kích thích: Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình trạng khơng cân bằng. Điều này giới thiệu các electron và lỗ trống cho hệ thống, tương tác thơng qua một q trình gọi là khuếch tán xung quanh. Bất cứ khi nào cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử sẽ thay đổi. Sự gián đoạn như vậy có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình tạo ra và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

Độ dẫn điện biến đổi: Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chất dẫn điện kém vì dịng điện u cầu dịng điện tử và chất bán dẫn có dải hóa trị của chúng được lấp đầy, ngăn chặn dòng vào của electron mới. Có một số kỹ thuật được phát triển cho phép các vật liệu bán dẫn hoạt động giống như vật liệu dẫn điện. Những sửa đổi này có hai kết quả: loại n và loại p. Chúng lần lượt đề cập đến sự thừa hoặc thiếu điện tử. Một số lượng điện tử khơng cân bằng sẽ khiến một dịng điện chạy qua vật liệu.

Độ dẫn nhiệt cao: Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao có thể được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt của thiết bị điện tử.

Phát xạ nhẹ: Trong một số chất bán dẫn nhất định, các electron bị kích thích có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. Những chất bán dẫn này được sử dụng trong việc chế tạo các diode phát sáng và các chấm lượng tử huỳnh quang.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt: Chất bán dẫn có các yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn làm cho chúng hữu ích trong các máy phát nhiệt điện, cũng như các số liệu nhiệt điện cao làm cho chúng hữu ích trong các bộ làm mát nhiệt điện.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

1.1.5 Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

Là thành phần cấu tạo lên các linh kiện điện tử như diode, transistor, thẻ nhớ, SSD, HDD,…Một số ứng dụng nổi bật có thể dễ dàng hình dung như:

Cảm biến nhiệt độ trong điều hịa khơng khí được làm từ chất bán dẫn. Hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác của nồi cơm điện có sử dụng chất bán dẫn.

Bộ vi xử lý của máy tính CPU, ổ cứng (SSD,HDD) cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn.

Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số như điện thoại, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và bóng đèn led cũng sử dụng chất bán dẫn ( chip led có chứa chất bán dẫn)

Ngồi ra chất bán dẫn cũng đóng một vai trị quan trọng trong các máy ATM, xe lửa, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội.

1.1.6 Lịch sử phát triển

Sự ra đời của các chất bán dẫn đem chúng ta quay ngược trở trở lại năm 1874 khi bộ chỉnh lưu (AC-DC converter) được phát minh. Nhiều thập kỷ sau đó, Bardeen và Brattain tại Bell Laboratories - Mỹ đã phát minh ra transistor tiếp điểm vào năm 1947, và Shockley đã phát minh ra transistor lớp chuyển tiếp vào năm 1948. Điều này báo trước sự xuất hiện của thời đại transistor. Năm 1946, Đại học Pennsylvania - Mỹ đã xây dựng một hệ thống máy tính đầu tiên sử dụng các đèn chân không. Hệ thống máy tính này có kích thước rất lớn, nó chiếm tồn bộ tịa nhà, và nó tiêu thụ một số lượng lớn điện năng đồng thời tỏa ra rất nhiều nhiệt. Sau đó, transistor tính tốn được phát triển, và kể từ đó cơng nghệ máy tính có bước phát triển nhảy vọt. Năm 1956, giải Nobel Vật lý được trao đồng thời cho 3 nhà khoa học Shockley, Bardeen và Brattain cho những đóng góp của họ cho sự nghiên cứu và phát triển của bóng bán dẫn.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

1.2 Cơng nghệ nano

Hình 2: Vật liệu nano

1.2.1 Khái niệm

Nói một cách đơn giản, khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ bé - kích thước nanomet (nm), một nanomet bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm). Công nghệ nano là các cơng nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet (từ 1 - 100nm). Thực sự các hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm trong thế giới tự nhiên. Từ thế kỷ thứ 10, người ta đã sử dụng hạt nano vàng để tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau (màu đỏ, xanh hoặc vàng tùy vào kích thước của hạt)… Nghĩa là con người đã sử dụng, chế tạo các vật liệu nano từ rất lâu, chỉ có điều chúng ta chưa biết nhiều về nó.

1.2.2 Tính chất

Tính chất cơ: CNT là vật liệu siêu nhẹ, siêu bền, siêu cứng, nhẹ hơn thép 6 lần và bền hơn thép 100 lần. Khối lượng riêng khoảng 1,4 g/cm3.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Tính chất nhiệt: Độ bền nhiệt của CNT rất lớn, trong chân khơng CNT vẫn bền ở 2800oC, trong khơng khí vẫn bền tới 750oC.

Tính chất điện: Điện trở suất của ống nano carbon vào cỡ 10-4Ω/cm ở 270C, mật độ dòng điện trong ống lớn hơn 107A/cm2, lý thuyết dự kiến lớn hơn 1013A/cm2.

Các vật liệu nano cĩ thể được chế tạo bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều cĩ những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp cĩ thể được áp dụng với một số vật liệu tùy thuộc vào yêu cầu vật liệu, điều kiện trang bị phịng thí nghiệm.

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của cơng nghệ nano.

Để Liệt kê các ưu và nhược điểm của cơng nghệ nano chúng ta đầu tiên chạy qua những điều tốt đẹp của cơng nghệ này mang lại.

Cơng nghệ nano cĩ thể thực sự cách mạng hĩa rất nhiều sản phẩm điện tử thủ tục và các ứng dụng các khu vực được hưởng lợi từ việc phát triển của cơng nghệ nano Khi nĩi đến sản phẩm điện tử bao gồm Nano bĩng Bắn chuẩn iốt Nano màn hình oled màn hình plasma máy tính điện tử và nhiều hơn nữa.

Cơng nghệ Nano cũng cĩ thể cĩ lợi cho ngành năng lượng sự phát triển của năng lượng hơn sản xuất Năng lượng hấp thụ và các sản phẩm lưu trữ năng lượng hiệu quả trong các thiết bị nhỏ hơn và hiệu quả hơn và cĩ thể đối với cơng nghệ này các hạng mục như pin pin nhiên liệu và các tế bào năng lượng mặt trời cĩ thể được xây dựng nhỏ hơn nhưng cĩ thể được thực hiện cĩ hiệu quả hơn với cơng nghệ này.

1.000 cơng nghiệp cĩ thể được hưởng lợi từ Cơng nghệ Nano là lĩnh vực sản xuất các vật liệu như ống Nano sau khí hạt Nano và các mặt hàng tương tự khác để sản xuất sản phẩm của mình những vật liệu này thường mạnh hơn

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

bền hơn và nhẹ hơn so với những người không được sản xuất với sự trợ giúp của công nghệ nano.

Bên cạnh ưu điểm thì cơng nghệ máy Nano cũng mang rất nhiều nhược điểm.

Bạn cũng có thể thấy sự phát triển của cơng nghệ nano cũng có thể mang lại sự sụp đổ của thị trường nhất định cho sự hạ thấp giá trị của dầu và kim cương do khả năng phát triển của các nguồn năng lượng thay thế có hiệu quả hơn và sẽ khơng u cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch điều này cũng có thể có nghĩa là cả từ khi mọi người có thể phát triển sản phẩm ở mức độ phân tử kim cương cũng sẽ mất đi giá trị của nó và vì nó có thể được sản xuất hàng loạt.

Vũ khí hạt nhân có thể được tiếp cận dễ dàng để thực hiện sự phá hoại mạnh mẽ của nó đây cũng dễ dàng tiếp cận hơn với công nghệ nano.

Hiện nay công nghệ nano rất tốn kém và phát triển của nó thể mất rất nhiều tiền nó cũng là khá khó để sản xuất mà có lẽ là lý do tại sao các sản phẩm được thực hiện bởi công nghệ nano lại đắt tiền hơn mối quan tâm chung với công nghệ nano.

Công nghệ Nano là một trong những khám phá khoa học nóng nhất của thời đại hiện nay điều này là do công nghệ Tuy nhiên cịn có lo ngại rằng mơi trường có thể đặt trong tình trạng nguy hiểm mà các sản phẩm cơng nghệ nano có thể làm tăng mức độ ơ nhiễm trong nhiều lĩnh vực tại một thời điểm.

1.2.4 Lịch sử phát triển

Năm 1959, khái niệm về công nghệ nano được nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman nhắc đến khi ông đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dị qt (SEM hay TEM) có khả năng quan sát đến kích thước vài

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

nguyên tử hay phân tử, con người cĩ thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano.

II. Các linh kiện điện tử sử dụng cơng nghệ nano

Điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano cĩ tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thơng tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ - siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…

CNTFET cổng sau được giới thiệu vào năm 1998, CNT chỉ đơn giản đặt trên các điện cực nên các đường đặc trưng của nĩ tương đối xấu, điện trở tiếp xúc lớn. Việc chọn kiểu dáng hình học của linh kiện tốt hơn giúp cho sự hoạt động tốt hơn. CNTFET cổng trước tăng điện trường vào làm giảm điện trở tiếp xúc.

CNTFET thẳng đứng : Cấu trúc này cĩ cực cổng bao xung quanh được giới thiệu bởi Choi và cộng sự vào năm 2004. Kích thước của transistor cĩ thể nhỏ bằng đường kính của CNT.

Các bước chế tạo: Sự hình thành lỗ nanơ bằng cách xử lý anốt, tiếp theo là tổng hợp CNT, hình thành điện cực kim loại, sự lấy mẫu và lắng đọng lớp ơxít và cuối cùng là hình thành điện cực cổng. Mỗi giao điểm của cực nguồn và máng với một CNT đơn thẳng đứng tương ứng với mỗi transistor. Nguyên lý hoạt động cơ bản của CNTFET giống như của MOSFET, các điện tử được cung cấp bởi cực nguồn và cực máng sẽ thu điện tử. Cực cổng sẽ điều khiển mật độ dịng điện chảy trong kênh dẫn. Cĩ thể chia ra làm 2 dạng

SB-CNTFET và MOS-SB-CNTFET.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

III.Phương pháp chế tạo vật liệu nano

2.1 Phương pháp ướt

Phương pháp này còn được theo những cái tên khác nhau như: phương pháp thủy, đồng kết tủa hay sol-gel. Với phương pháp ướt, những dung dịch ion khác nhau sẽ được hòa trộn theo một tỷ lệ nhất định. Hỗn hợp này sẽ chịu tác động bởi một số thành phần ngoại lực như: độ pH, áp suất, nhiệt độ,… Sau một khoảng thời gian, dung dịch sẽ thu được một lượng vật liệu nano đã được kết tủa. Cuối cùng, các vật liệu này sẽ trải qua quá trình sàng lọc, sấy khơ, tạo nên thành phẩm có kích thước nano.

2.2 Phương pháp cơ khí

Đây là phương pháp được thực hiện theo dạng nghiền, tán hợp kim cơ học. Phương pháp cơ khí vận dụng các vật liệu dạng bột. Chúng sẽ được nghiền hoặc tán thành các vật liệu có kích thước nhỏ hơn. Hiện nay, các thiết bị thực hiện hoạt động này là máy nghiền quay hoặc máy nghiền bi.

2.3 Phương pháp bay hơi nhiệt

Đây còn là phương pháp lithography (quang khắc), vacuum deposition (lắng đọng trong chân khơng), vật lý, hóa học. Phương pháp này chỉ hoạt động tốt khi chế tạo màng mỏng hoặc tạo lớp bao phủ bề mặt. Bên cạnh đó, thơng qua các tấm chắn, người ta cạo vật liệu nano để tạo nên các hạt nano có kích thước nhỏ.

2.4 Phương pháp pha khí

Phương pháp này bao gồm các hoạt động như: electron-explosion (nổ điện), nhiệt phân, bốc hơi ở nhiệt độ cao, plasma và đốt laser. Thơng qua q trình pha khí, các vật liệu nano được hình thành.

</div>