KHUYẾT TẬT TRONG CHÁT 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.   Khuyết tật trong chất rắn

 

1.1.Khuyết tật dạng điểm

Khuyết tật (Sai hỏng) Schottky và Frenkel

     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. Trong trường hợp khác, một nguyên tử có thể được đặt vào giữa những mặt mạng. Khuyết tật này được gọi là khuyết tật ngoài nút. Trong trường hợp khuyết tật chỗ khuyết và khuyết tật 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. Khuyết tật chỗ khuyết và khuyết tật ngoài nút nếu đặt gần nhau sẽ tương tác nhau và hình thành khuyết tật chỗ khuyết-ngoài nút. Khuyết tật chỗ khuyết-ngoài nút này còn được gọi là khuyết tật Frenkel tạo ra những ảnh hưởng khác biệt so với những khuyết tật chỗ khuyết và khuyết tật ngoài nút riêng lẻ. Nếu hai khuyết tật chỗ khuyết đặt cạnh nhau cũng có sự tương tác với nhau, tạo nên khuyết tật Schottky, khuyết tật này cũng khác biệt so với từng trường hợp riêng lẻ.

 

1.2.   Khuyết tật dạng đường

 

Hình 11: Khuyết tật dạng đường

     Trong sự hình thành vật liệu đơn tinh thể, những khuyết tật phức tạp hơn có thể xuất hiện. Chẳng hạn khuyết tật đường xuất hiện khi dãy các nguyên tử bị thiếu trong một mặt mạng. Cũng như đối với khuyết tật dạng 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 đoán được như đối với khuyết tật điểm.

 

     Khuyết tật dạng đường gồm có 2 dạng:

-       Lệch mạng biên (Edge dislocation): Xuất hiện các mặt nguyên tử dư trong tinh thể.

-       Lệch mạng xoắn (Screw dislocation): Xuất hiện khi có sự xoay của hai phần lân cận trong tinh thể.

 

     Nguồn gốc của lệch mạng có thể là do ứng suất cơ học và biến dạng hoặc do sai hỏng trong quá trình nuôi tinh thể. Thường thì lệch mạng ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ của vật liệu và được dùng để giải thích tính chất cơ của vật liệu.

 

1.3.   Khuyết tật dạng mặt

 

Trong vật liệu đa tinh thể có nhiều hạt tinh thể nhỏ sắp xếp với định hướng tinh thể khác nhau, dẫn đến xuất hiện các biên hạt. Biên hạt là các miền có sự sắp xếp lệch nhau về tinh thể. Biên hạt được coi là một dãy các lệch mạng. Khi trong tinh thể chất rắn xuất hiện các biên hạt như thế ta nói chất rắn bị khuyết tật dạng mặt.

 

1.4.   Khuyết tật dạng khối

 

Khuyết tật dạng khối xuất hiện khi trong tinh thể chất rắn xuất hiện các lỗ hổng, các vết nứt, hoặc các thể ngoại nhập.

 

Hình 12: Khuyết tật dạng mặt                        Hình 13: Khuyết tật dạng khối

 

     Các lỗ hổng ảnh hưởng nhiều đến tính chất nhiệt và cơ của vật liệu, trong khi các vết nứt chỉ ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ, còn các thể ngoại nhập ảnh hưởng nhiều đến tính chất điện, cơ, quang của vật liệu.

 

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 3.2. 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.

 

     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.

 

     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.

 

Nguồn : Sưu tầm