Khái niệm chất bán dẫn 5
Khái niệm 5
Chất bán dẫn được coi là những tinh thể có cấu trúc tuần hoàn, với miền hóa trị đầy và miền dẫn trống hoàn toàn ở nhiệt độ không tuyệt đối Giữa hai miền này tồn tại một miền cấm, ký hiệu là ΔEg, không chứa mức năng lượng cho điện tử Thông thường, vùng cấm có độ rộng nhỏ hơn 2,5 eV ở nhiệt độ phòng, ví dụ như Ge có ΔEg = 0,66 eV.
Si cã Eg = 1,12 eV GaAs Eg = 1,42 eV
AlAs Eg = 2,16 eV GaP Eg = 2,26 eV Hình vẽ 1.1 d-ới đây biểu diễn giản đồ vùng năng l-ợng của chất bán dÉn
Hình 1.1 Giản đồ vùng năng l-ợng của bán dẫn
Do độ rộng vùng cấm (ΔEg) không lớn, khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ không tuyệt đối, một số điện tử trong vùng hóa trị có thể hấp thụ năng lượng.
Vật liệu bán dẫn có điện trở suất nằm trong khoảng từ 10^-3 đến 10^9 [Ωcm] ở nhiệt độ phòng, thấp hơn so với vật liệu cách điện (điện môi) có điện trở suất từ 10^10 đến 10^18 [Ωcm], nhưng cao hơn so với kim loại có điện trở suất từ 10^-6 đến 10^-4 [Ωcm] Một đặc điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn là điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng, ngược lại với kim loại, trong đó điện trở suất lại tăng khi nhiệt độ tăng.
Hình 1.2 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ của bán dẫn (a) và kim loại (b)
1.2 Bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất
Si và Ge là hai bán dẫn đơn chất quan trọng nhất trong ngành công nghệ Bán dẫn Ge đã được sử dụng rộng rãi từ những năm 1970 và vẫn được áp dụng trong một số công nghệ đặc biệt như chế tạo detector Ge siêu sạch và hợp chất SiGe Trong khi đó, bán dẫn Si chủ yếu được dùng để sản xuất các linh kiện bán dẫn rời rạc và vi mạch với nhiều mật độ khác nhau, từ thấp đến cao.
Ge và Si là những vật liệu th-ờng đ-ợc sử dụng để chế tạo các linh kiện thu tín hiệu quang
Các loại photodiode như Si PIN hoặc APD có khả năng thu nhận tín hiệu quang trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần với bước sóng khoảng 1µm, trong khi đó, photodiode Ge có thể thu tín hiệu ở bước sóng khoảng 1,6µm.
1.2.2 Các loại bán dẫn hợp chất
Bán dẫn hợp chất là loại bán dẫn được hình thành từ hai hoặc nhiều nguyên tố hóa học, trong đó hợp chất bán dẫn hai thành phần là sự kết hợp giữa một nguyên tố nhóm III như Al, Ga, hay In với một nguyên tố nhóm V như P, As hay Sb Có tổng cộng 9 hợp chất bán dẫn hai thành phần được tạo thành từ ba nguyên tố bán dẫn nhóm III và ba nguyên tố nhóm V Những hợp chất này thường được sử dụng trong việc chế tạo các linh kiện thu quang và phát quang.
Hình 1 3 Tổ hợp 6 nguyên tố tạo thành 9 hợp chất bán dẫn hai thành phần
Hợp chất bán dẫn ba thành phần được tạo thành từ sự kết hợp của hai nguyên tố thuộc nhóm III và một nguyên tố thuộc nhóm V, hoặc từ một nguyên tố nhóm III và hai nguyên tố nhóm V.
VÝ dô: Al x Ga 1-x As
Hình 1.4 Cấu hình của bán dẫn 3 thành phần
Bán dẫn đơn chất, bán dẫn hợp chất 6
VÝ dô: (Al x Ga 1-x )(As 1-y P y )
Hình 1.5 Cấu hình của bán dẫn 4 thành phần.
Các đặc điểm và tính chất của bán dẫn 8
Vùng năng l-ợng trong chất bán dẫn 8
Cấu trúc vùng năng lượng của một chất rắn tinh thể mô tả mối quan hệ giữa năng lượng và động lượng, có thể được biểu diễn toán học qua hệ thức E = f(k) [1].
Tại nhiệt độ T = 0K, phổ năng lượng của bán dẫn bao gồm miền hóa trị đầy các điện tử, trong khi miền dẫn hoàn toàn trống Đỉnh miền hóa trị, ký hiệu là Ev, là mức năng lượng cao nhất trong miền này Ngược lại, đáy miền dẫn, ký hiệu là Ec, là mức năng lượng thấp nhất trong miền dẫn Khoảng cách giữa đáy miền dẫn và đỉnh miền hóa trị được gọi là miền cấm, ký hiệu là ΔEg, và có độ rộng nhất định.
Trạng thái electron trong các miền năng lượng được xác định bởi năng lượng E và véctơ sóng k (k x, k y, k z) Mối quan hệ giữa năng lượng E và véctơ sóng k trong miền năng lượng cho phép rất phức tạp Gần các điểm cực tiểu của miền dẫn và cực đại của miền hóa trị, sự phụ thuộc này có thể được xấp xỉ bằng dạng bậc hai tương ứng.
Trong đó: m n , m p lần l-ợt là các khối l-ợng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống
Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn có đặc điểm là các vùng năng lượng bao gồm nhiều vùng nhỏ chồng chéo lên nhau, cho phép tồn tại nhiều quy luật phụ thuộc vào E(k) trong mỗi vùng năng lượng.
Cực tiểu miền dẫn trong không gian véctơ sóng có thể nằm ở một điểm k = (0,0,0) hoặc nằm ở một điểm k (0,0,0) trên một ph-ơng tinh thể nào đó
Ví dụ, GaAs có cực tiểu miền dẫn tại điểm k = (0,0,0), trong khi Si có cực tiểu miền dẫn ở một điểm trên phương tinh thể [100] trong không gian vector sóng k Đối với Ge, cực tiểu miền dẫn nằm ở một điểm trên phương [111] trong không gian vector k Hình 1.6 minh họa cấu trúc vùng năng lượng của Si và GaAs.
Bán dẫn có thể được phân loại dựa trên cấu trúc vùng năng lượng, bao gồm hai loại chính: bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (hay còn gọi là bán dẫn có vùng cấm thẳng) và bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (hay bán dẫn có vùng cấm xiên).
Bán dẫn có vùng cấm trực tiếp là loại bán dẫn mà đỉnh cực đại của vùng hóa trị và đáy cực tiểu của vùng dẫn cùng nằm ở một giá trị số sóng k nhất định.
Loại bán dẫn này th-ờng đ-ợc sử dụng để chế tạo các linh kiện phát quang
Hình 1.7 Bán dẫn có vùng cấm thẳng (GaAs) và bán dẫn có vùng cấm xiên (Si)
Bán dẫn gián tiếp là loại bán dẫn có đặc điểm là vùng cấm, trong đó đáy của vùng dẫn và đỉnh của vùng hóa trị không nằm trên cùng một giá trị số sóng k.
Hình vẽ 1.7 thể hiện mối quan hệ giữa năng lượng E và số sóng k của hai loại bán dẫn: bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (GaAs) và bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (Si).
Các loại hạt tải trong bán dẫn 11
Khi nhiệt độ vượt quá 0K, một số điện tử trong bán dẫn có thể nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra điện tử dẫn ở đáy vùng dẫn Sự chuyển động này tạo ra các lỗ trống trong vùng hóa trị, tương ứng với các mức năng lượng không có điện tử Mỗi lỗ trống biểu thị một điện tích dương, nhưng để đơn giản hóa bài toán, ta thường không xét đến lỗ trống do số lượng của chúng ít hơn so với điện tử Khái niệm lỗ trống được minh họa bằng hình 1.8.
Với định nghĩa nh- trên về lỗ trống, ta có các tính chất của nó với cách
Hình 1.8 minh họa khái niệm lỗ trống, trong đó hiện tượng điện tử nhảy từ vùng hóa trị (được lấp đầy) lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống trong vùng hóa trị.
Tất cả các tính chất của lỗ trống nh- một chuẩn hạt đều được xác định thông qua các tính chất của điện tử, khi điện tử được coi là một chuẩn hạt, mang ý nghĩa gần giống như một hạt.
Nh- vậy ta có thể kết luận đ-ợc rằng bán dẫn gồm có hai loại hạt tải, đó là điện tử và lỗ trống.
Các loại tạp chất trong bán dẫn 12
Trong các chất bán dẫn, có thể chứa các nguyên tử tạp chất, ảnh hưởng đến tính chất của chúng Tùy thuộc vào công nghệ chế tạo, người ta có thể loại bỏ hoặc giữ lại tạp chất để tạo ra các chất bán dẫn mong muốn Xét ví dụ về tinh thể bán dẫn Silic, khi chưa có tạp chất, cấu trúc của nó mang lý tưởng với mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si xung quanh thông qua liên kết đồng hóa trị Khi thay thế một nguyên tử Si bằng nguyên tử của nguyên tố tạp chất, tùy thuộc vào nhóm nguyên tố (nhóm III hoặc nhóm V trong bảng tuần hoàn), ta có thể phân loại thành hai loại bán dẫn tạp chất khác nhau.
Khi nguyên tử của nguyên tố nhóm V (P, As, Sb) được pha vào tinh thể Si, nguyên tử tạp chất P sẽ thay thế một nguyên tử Si tại nút mạng, tạo ra một điện tử hoá trị thứ năm mang điện tích âm Điện tử này liên kết yếu với nguyên tử P và nằm ở mức năng lượng gần đáy vùng dẫn trong vùng cấm, dễ dàng bứt ra thành điện tử tự do trong tinh thể Những tạp chất này được gọi là đôno và bán dẫn pha tạp đôno được gọi là bán dẫn loại n Trong bán dẫn loại n, số lượng điện tử tự do vượt trội so với số lỗ trống, khiến điện tử trở thành hạt tải chính và lỗ trống là hạt tải phụ Các mức đôno trong bán dẫn loại n cũng được mô tả trong vùng cấm.
Hình 1.9 Sơ đồ mô tả cấu trúc của bán dẫn pha tạp loại n (a) và pha tạp loại p (b)
Khi thêm tạp chất thuộc nhóm III như Bo vào tinh thể silic (Si), Bo chỉ có 3 điện tử hóa trị, dẫn đến việc thiếu một điện tử để hình thành bốn liên kết đồng hóa trị với silic Kết quả là tạo ra một lỗ trống trong mạng lưới silic Các điện tử từ các liên kết khác sẽ di chuyển để lấp đầy lỗ trống này, tạo ra một lỗ trống mới tại vị trí của điện tử đã di chuyển Hiện tượng này cho thấy lỗ trống có khả năng di chuyển trong mạng silic.
Electron thõa dễ bứt ra b)
Lỗ trống thừa dễ bứt ra
Bán dẫn loại p, được tạo ra bằng cách pha tạp chất acxepto (tạp chất nhận), có lỗ trống là hạt tải chính và điện tử là hạt tải phụ Các mức acxepto trong bán dẫn loại p được mô tả rõ ràng trong hình 1.10b.
Khi tạp chất được thêm vào tinh thể bán dẫn, cấu trúc tinh thể sẽ bị phá vỡ tính tuần hoàn Điều này dẫn đến việc vùng cấm không còn hoàn toàn trống rỗng, mà xuất hiện các mức năng lượng mới gần đỉnh vùng hóa trị (mức acxepto) hoặc ở đáy vùng dẫn (mức đôno).
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, người ta pha tạp chất vào bán dẫn để điều chỉnh tính chất của chúng Tỷ lệ tạp chất này rất nhỏ, chỉ khoảng 10^-8 đến 10^-3, đặc biệt đối với tạp chất nhóm V.
Các tạp chất nhóm III có mức tạp chất nằm gần đáy vùng dẫn hoặc đỉnh vùng hóa trị, với khoảng cách khoảng 0,05 eV Mức tạp chất này có thể thay đổi tùy thuộc vào loại bán dẫn cụ thể được sử dụng.
Hình 1.10 Sơ đồ mức năng l-ợng của tạp chất đôno (bán dẫn loại n) và của tạp chất acxepto (bán dẫn loại p).
Nồng độ hạt tải trong bán dẫn 15
Nồng độ hạt tải trong bán dẫn có thể được xác định thông qua hàm xác suất theo lý thuyết thống kê Fermi-Dirac và nồng độ phân bố các trạng thái năng lượng.
(tức là số mức năng l-ợng trên một đơn vị năng l-ợng) trong vùng dẫn và vùng hoá trị [7]
Chẳng hạn: Ta có thể tính đ-ợc nồng độ điện tử trong vùng dẫn theo công thức sau:
Trong đó: N(E) là mật độ trạng thái, N(E) dE là số mức năng l-ợng trong khoảng năng l-ợng dE từ E đến (E + dE)
Nếu coi tất cả các điện tử trong vùng dẫn đều nằm tại mức E c (đáy miền dẫn), với mật độ trạng thái hiệu dụng N c thì ta có: n = N c (E) f(E c ) (1.5)
Ng-ời ta đã tính đ-ợc N c theo công thức sau:
Trong đó: m n là khối l-ợng hiệu dụng của điện tử
Ta đã biết hàm xác suất theo lý thuyết thống kê Fecmi – Dizắc nh- sau:
Nếu bán dẫn có mức Fermi nằm trong vùng cấm và cách đáy vùng dẫn hơn 2KBT, ta có thể áp dụng một phép gần đúng.
F c (1.9) Đặt (1.9) vào (1.5) ta đ-ợc: n =N c exp
Từ (1.10) ta thấy rằng mức Fecmi càng gần đáy vùng dẫn thì số điện tử dẫn càng nhiều
T-ơng tự ta có nồng độ lỗ trống trong vùng dẫn: p = N v 1 f E v ,T (1.11) víi N v = 2
1 f E v ,T là xác suất để lỗ trống chiếm mức năng l-ợng E v
m p là khối l-ợng hiệu dụng của lỗ trống
Giả sử mức Fecmi nằm trong vùng cấm và cao hơn đỉnh vùng hóa trị một khoảng vài KBT, xác suất tìm thấy lỗ trống chiếm mức năng lượng E v có thể được tính gần đúng như sau:
Mức Fermi càng gần đỉnh vùng hóa trị thì số lượng lỗ trống trong bán dẫn càng nhiều Dựa trên điều này, chúng ta có thể áp dụng các công thức để tính nồng độ hạt tải, bao gồm cả điện tử và lỗ trống trong bán dẫn.
Từ các kết quả trên ng-ời ta thấy rằng:
Các công thức này áp dụng cho mọi loại bán dẫn, bao gồm bán dẫn tinh khiết và bán dẫn tạp chất Chúng có thể được sử dụng để tính nồng độ hạt tải chính hoặc phụ trong các bán dẫn pha tạp Điều kiện cần thiết là bán dẫn không suy biến, với mức Fermi nằm trong miền cấm, và phải ở trạng thái cân bằng nhiệt, không chịu ảnh hưởng của trường ngoài.
Các tính chất của bán dẫn 17
2.5.1 Sự dịch chuyển của các điện tử và lỗ trống a Sự cuốn bởi điện tr-ờng
Trong bán dẫn loại n với nồng độ đôno phân bố đều, khi không có điện trường tác dụng, các điện tử sẽ chuyển động nhiệt một cách hỗn loạn và bị ngắt quãng bởi va chạm với các nguyên tử trong mạng tinh thể Hướng chuyển động của chúng là ngẫu nhiên, dẫn đến việc véctơ chuyển động tổng cộng có thể bị giảm hoặc triệt tiêu lẫn nhau Sau một thời gian đủ dài, độ chuyển dời tổng cộng của các điện tử sẽ bằng không.
Tốc độ nhiệt của điện tử: v th n
Khi một điện trường được đặt vào mẫu bán dẫn, các phần tử tải điện sẽ được tăng tốc và di chuyển theo hướng xác định Cụ thể, các điện tử sẽ di chuyển ngược lại với chiều điện trường, trong khi các lỗ trống sẽ di chuyển theo chiều của điện trường Hiện tượng này, được gọi là sự cuốn hay sự kéo theo, mô tả sự dịch chuyển của hạt tải do tác động của điện trường.
Nếu khoảng thời gian giữa hai va chạm là c thì tốc độ kéo theo trung bình của các electron sẽ là [5]: m E v qE c n n th k
là độ linh động của các điện tử
T-ơng tự ta có độ linh động của lỗ trống: p c p m q
b Độ linh động của các điện tử và lỗ trống
Khoảng thời gian giữa hai lần va chạm được xác định bởi các cơ chế khác nhau, ảnh hưởng đến tốc độ của điện tử và lỗ trống Những cơ chế này có thể làm giảm hoặc làm mất đi tốc độ mà chúng đã thu được từ điện trường Xác suất xảy ra va chạm trong một đơn vị thời gian là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
1 bằng tổng các xác suất va chạm do các cơ chế tán xạ khác nhau gây nên, nghĩa là:
(1.20) Trong đó: I , L là các khoảng thời gian va chạm trung bình với tạp chất và mạng tinh thể, còn I , L là các độ linh động t-ơng ứng
Độ linh động của điện tử cao hơn so với lỗ trống và không thay đổi nhiều ở vùng nồng độ tạp chất thấp và trung bình, nhưng giảm dần ở nồng độ cao Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ linh động của lỗ trống trong Si cho thấy ở nhiệt độ thấp, tán xạ tạp chất là yếu tố quyết định với mỗi nồng độ có đường cong riêng Ở nhiệt độ cao, tán xạ mạng chiếm ưu thế, khiến nồng độ tạp chất ít ảnh hưởng đến độ linh động, và độ linh động giảm khi nhiệt độ tăng.
Theo những phân tích ở (a) ng-ời ta đã tính đ-ợc điện trở suất của các mẫu bán dẫn theo những công thức sau [1]:
Tr-ờng hợp tổng quát bán dẫn có cả 2 loại hạt tải điện:
2.5.2 Sự khuếch tán của hạt tải điện
Trong tr-ờng hợp bán dẫn có nồng độ hạt tải không đều, các hạt tải còn khuếch tán d-ới tác động của građiên nồng độ hạt tải
Dòng khuếch tán của điện tử [1]:
Trong đó: q là điện tích của điện tử
F là lực tác dụng vào hạt tải
D n là hệ số khuếch tán của điện tử
Ta có tốc độ nhiệt của điện tử khi điện tử dịch chuyển theo một chiều (mét bËc tù do) n
Khi điện tử dịch chuyển đi một quãng đ-ờng là l n thì:
n c 1 / 2 c th n v D l áp dụng công thức n c n 2m q
và từ biểu thức (1.17) ta có: dx dn q
Từ đây ta có hệ thức về hệ số khuếch tán đối với điện tử và t-ơng tự cho lỗ trống nh- sau: n B n q
D K (1.27) Đây là hệ thức Anhxtanh Hệ thức này biểu thị mối liên hệ giữa hệ số khuếch tán D, độ linh động của hạt tải và nhiệt độ T.
Các loại chất bán dẫn 20
Bán dẫn thuần 20
Bán dẫn thuần là loại bán dẫn tinh khiết không chứa tạp chất, thường là các bán dẫn đơn chất như silicon (Si) Trong bán dẫn thuần Si, mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si xung quanh thông qua 4 điện tử hoá trị, tạo thành liên kết đồng hoá trị Ở nhiệt độ 0K, vùng hoá trị đầy điện tử trong khi vùng dẫn hoàn toàn trống rỗng Khi nhiệt độ tăng, nhiệt năng cho phép một số điện tử từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn, tạo ra điện tử tự do và lỗ trống trong vùng hoá trị Quá trình này tiếp diễn, khiến lỗ trống di chuyển và tạo ra hai loại hạt tải điện: điện tử và lỗ trống với mật độ bằng nhau Mức Fermi trong bán dẫn thuần nằm ở giữa miền cấm.
Bán dẫn pha tạp 20
Khi các chất bán dẫn thuần bị pha tạp, chúng sẽ trở thành bán dẫn không tinh khiết, được chia thành hai loại: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p Bán dẫn loại n được pha thêm các tạp chất donor, trong khi bán dẫn loại p được pha thêm các tạp chất acceptor.
Bán dẫn bù trừ 21
Trong bán dẫn, có nhiều trường hợp chứa cả hai loại tạp chất n và p với nồng độ khác nhau Khi đó, nồng độ hạt tải tổng cộng bù trừ cho nhau, và loại bán dẫn có nồng độ lớn hơn sẽ nổi trội hơn Bán dẫn này được gọi là bán dẫn bù trừ Tại miền chuyển tiếp PN, số lượng hai hạt tải bằng nhau, dẫn đến hiệu của chúng là n p - n e = 0.
Bán dẫn suy biến 21
Khi pha tạp loại n với nồng độ cao (trên 10^19 at/cm^3), mức Fermi có thể dịch lên gần mép vùng dẫn hoặc nằm trong vùng dẫn Ngược lại, khi pha tạp loại p với nồng độ cao, mức Fermi dịch xuống gần mép vùng hóa trị hoặc nằm trong vùng hóa trị Sự thay đổi này làm cho tính chất của bán dẫn biến đổi, xuất hiện một số đặc tính giống kim loại Độ rộng vùng cấm bị thu hẹp và hàm phân bố Fermi không còn phù hợp, dẫn đến khái niệm bán dẫn suy biến Bán dẫn suy biến đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị như laser bán dẫn, điốt tunnel và điốt ngược.
Ch-ơng II tính chất quang của vật liệu bán dẫn
Trong chương này, chúng tôi sẽ khám phá các tính chất và cơ chế quang học của chất bán dẫn Những kiến thức này sẽ giúp chúng ta giải thích, hiểu rõ và ứng dụng hiệu quả các linh kiện bán dẫn trong thu và phát quang.
Quá trình hấp thụ và phát xạ photon tạo ra cặp điện tử - lỗ trống 22
Quá trình phát xạ photon tạo ra cặp điện tử - lỗ trống 26
Khi các điện tử nhảy lên vùng dẫn, chúng chiếm lĩnh các mức năng lượng trong đó Ở một điều kiện nhất định, các điện tử có thể nhảy xuống vùng hóa trị và tái hợp với các lỗ trống, phát ra photon Quá trình phát xạ photon này rất quan trọng trong các linh kiện phát quang như LED, laser diot và photodiot.
Xét hai mức năng lượng E1 và E2, với E1 nằm ở đỉnh vùng hóa trị và E2 ở đáy vùng dẫn, ta có mật độ hạt tải tương ứng là N1 và N2 Hiệu năng lượng giữa hai mức này được xác định bởi ΔEg = E2 - E1 Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng E2 xuống E1, nó sẽ phát xạ một photon có tần số h.
Trong đó: h là hằng số plăng, h = 6,625 10 -34 Js
Dưới điều kiện bình thường, quá trình phát xạ của điện tử không thể quan sát được do cường độ rất nhỏ Thời gian trung bình tồn tại của một điện tử, được ký hiệu là τ21, cho phép chúng ta tính toán xác suất phát xạ tự phát trong khoảng thời gian dt.
Tốc độ dịch chuyển tự phát A 21 là kết quả của quá trình phát xạ ngẫu nhiên, dẫn đến việc các photon phát ra không có sự kết hợp, tức là không tồn tại mối liên hệ pha giữa chúng.
Khi một hoặc nhiều electron ở trạng thái quá độ kích thích, chúng có khả năng nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon Những photon này có pha kết hợp với các photon ở trạng thái ban đầu.
E 1 b) Phát xạ photon c-ỡng bức
E 1 b) Phát xạ photon tự phát
Các quá trình tái hợp 28
Quá trình tái hợp trực tiếp 28
Quá trình tái hợp trực tiếp là hiện tượng điện tử nhảy từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị, nơi chúng kết hợp với lỗ trống Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng photon hoặc cung cấp năng lượng cho hạt tải điện khác.
Hình 2.4 Quá trình tái hợp trực tiếp có thể phát ra photon hoặc cung cấp năng l-ợng cho hạt tải
Trong vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng, khi mạng tinh thể dao động nhiệt, một số mối nối có thể bị gãy, dẫn đến sự hình thành cặp điện tử - lỗ trống Quá trình này được gọi là phát sinh hạt tải, với tốc độ phát sinh ký hiệu là G th, thể hiện số cặp điện tử - lỗ trống sinh ra trên một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian Quá trình này cho phép điện tử nhảy từ vùng dẫn xuống vùng hóa.
Năng l-ợng chuyển cho điện tử hoặc lỗ trống
Quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống, được ký hiệu bằng R th, là hiện tượng mà lỗ trống biến mất khi điện tử và lỗ trống kết hợp Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng điện tử, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của các thiết bị.
Tại trạng thái cân bằng nhiệt: G th = R th
Khi pha tạp làm tăng lượng hạt tải dương vào bán dẫn có vùng cấm thẳng, điện tử và lỗ trống sẽ tái hợp trực tiếp với nhau Tốc độ tái hợp được biểu thị bằng công thức R = βnp.
Trong đó: là hệ số tỷ lệ
Ta xét bán dẫn loại n:
Tại trạng thái cân bằng mới, tỉ lệ phát sinh cặp điện tử - lỗ trống trong bán dẫn được xác định bởi công thức R th = G th = βn n₀ p n₀ Khi ánh sáng chiếu vào bán dẫn với tốc độ phát sinh cặp điện tử - lỗ trống là G L, tốc độ phát sinh và tái hợp trong bán dẫn sẽ thay đổi theo.
Nồng độ điện tử và lỗ trống d- n và p là:
(2.9) áp dụng diều kiện giả trung hoà ( n = p ) ta có tốc độ tổng cộng của nồng độ lỗ trống:
R G G R dt G dp th L n (2.10) ở trạng thái dừng dt dp n
= 0, từ (2.10) ta có tốc độ kích thích quang nh- sau:
Với U là tốc độ tái hợp tổng cộng
là thời gian sống của hạt tải phụ, tức lỗ trống
Từ đây ta suy ra đ-ợc:
Tại t = 0, với điều kiện biên: p n 0 p n 0 p G L
(2.14) p n p n 0 Với các điều kiện biên trên, biểu thức về hạt tải phụ biến đổi theo thời gian cã thÓ viÕt: p
Giải ph-ơng trình (2.15) ta đ-ợc:
Quá trình tái hợp gián tiếp 30
Tái hợp gián tiếp là quá trình mà điện tử từ vùng dẫn nhảy vào tâm tái hợp trước khi trở lại vùng dẫn và tái hợp với lỗ trống Khi đó, tâm tái hợp trở về trạng thái ban đầu, sẵn sàng tiếp nhận điện tử mới và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt (phonon) Đối với bán dẫn silicon (Si), vùng cấm không thẳng, dẫn đến động lượng của điện tử ở đáy vùng dẫn khác với ở đỉnh vùng hóa trị, khiến quá trình tái hợp diễn ra qua các tâm tái hợp trong vùng cấm Mỗi tâm chỉ có thể bắt một điện tử, vì vậy tốc độ bắt điện tử tỷ lệ thuận với nồng độ các tâm chưa bắt điện tử trong vùng cấm.
Gọi N t là nồng độ các tâm tái hợp thì nồng độ các tâm ch-a bị bắt bởi điện tử là N t (1-f) Biết hàm phân bố Fecmi f ta tính đ-ợc [1]:
Tốc độ bắt điện tử: R a v th n nN t 1 F
Trong đó: n là tiết diện của điện tử, v th là tốc độ nhiệt của điện tử
Tốc độ phát điện tử từ tâm đã bị chiếm bởi điện tử:
Bắt điện tử Bắt lỗ trống Phát lỗ trống
Hình 2.5 Quá trình phát xạ và bắt hạt tải qua tâm tái hợp trong vật liệu bán dẫn
Trong đó: e n là xác suất phát xạ điện tử
Tại trạng thái cân bằng nhiệt:
Nồng độ điện tử tại trạng thái cân bằng nhiệt:
Theo hàm phân bố Fecmi:
Trong đó: E t là mức năng l-ợng của tâm tái hợp trong vùng cấm
Thay (2.18) và (2.19) vào (2.17) ta có: e n =
Nếu tâm tái hợp gần mép vùng cấm, xác suất phát xạ điện tử từ tâm sẽ cao hơn, do sự tăng trưởng của electron theo hàm mũ của hiệu hai mức năng lượng.
T-ơng tự ta có tốc độ bắt lỗ trống:
Nồng độ các lỗ trống ở trạng thái cân bằng:
Tốc độ phát lỗ trống (tức là tr-ờng hợp một điện tử trong vùng hoá trị nhảy vào một tâm rỗng ch-a bị chiếm chỗ trong vùng cấm)
Tại trạng thái cân bằng nhiệt, tốc độ phát lỗ trống và bắt lỗ trống bằng nhau Dựa vào các công thức (2.21) và (2.22), cùng với nồng độ lỗ trống ở trạng thái cân bằng nhiệt, ta có thể tính toán xác suất phát lỗ trống.
Từ công thức(2.23) ta thấy xác suất phát lỗ trống tăng theo hàm mũ của mức năng l-ợng tâm tái hợp E t gần với mép vùng hoá trịE v
Ngoài các quá trình tái hợp do kích thích nhiệt, còn có quá trình tái hợp do kích thích quang từ ánh sáng, dẫn đến sự hình thành các cặp điện tử - lỗ trống.
Dựa trên nguyên lý thăng bằng, trong trạng thái dừng, số lượng điện tử nhảy vào và nhảy ra khỏi vùng dẫn phải bằng nhau, từ đó có thể tính toán được tốc độ tái hợp tổng cộng.
Ta xét một số tr-ờng hợp sau:
Tr-ờng hợp mức pha tạp thấp, trong bán dẫn loại n ta có n n >> p n , và giả thiết các tâm tái hợp nằm gần giữa vùng cấm, khi đó:
Do vậy khi này tốc độ tái hợp tổng cộng U có thể viết:
1 là thời gian sống của lỗ trống
Ta thấy thời gian sống không phụ thuộc vào nồng độ hạt tải Để đơn giản, ta giả sử: n p 0 Khi đó (2.24) trở thành:
Tại mức pha tạp với nồng độ thấp, tốc độ tái hợp có thể viết: r
(2.28) là thời gian sống tái hợp
Biểu thức tại (2.27) cho thấy rằng thời gian sống của quá trình tái hợp phụ thuộc vào hiệu của mức năng lượng tâm tái hợp và mức Fermi thuần Thời gian sống đạt giá trị nhỏ nhất trong một miền giữa vùng cấm, và khi ra khỏi miền này, thời gian sống tăng lên đáng kể.
Trường hợp tính số pn > n i 2 cho thấy có sự đóng góp của hạt tải, dẫn đến nồng độ hạt tải đạt giá trị lớn hơn mức cân bằng.
Xét tr-ờng hợp nghèo hạt tải (tức là pn < n i 2 ), có thể tính đ-ợc tốc độ phát sinh (khi p n > n i và n n < n i ):
g là thời gian sống phát sinh t 0 th B i t g v N
Ta cã nhËn xÐt sau:
Thời gian sống của các hạt tải trong bán dẫn tỷ lệ nghịch với nồng độ tâm tái hợp Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của các linh kiện bán dẫn, cần có thời gian sống lớn, do đó cần giảm thiểu các tâm tái hợp Ngược lại, đối với linh kiện hoạt động ở tần số cao, thời gian sống cần phải nhỏ hơn, dẫn đến việc pha tạp các chất đặc biệt vào bán dẫn để tạo ra các tâm tái hợp gần vùng cấm Ví dụ, khi pha tạp Au vào Si, thời gian sống của hạt tải sẽ giảm theo nồng độ Au, ứng dụng này rất quan trọng trong việc chế tạo các linh kiện siêu cao tần và linh kiện đóng mở tần số cao.
Quá trình tái hợp trực tiếp diễn ra dưới tác động của kích thích nhiệt và kích thích quang (hình 2.6a), trong khi đó, các quá trình phát sinh và tái hợp gián tiếp xảy ra khi có chiếu sáng (hình 2.6b).
Tái hợp bề mặt 35
Những hạt dẫn trội không chỉ tái hợp bên trong bán dẫn mà còn di chuyển ra bề mặt và tái hợp tại đây, hiện tượng này được gọi là tái hợp bề mặt Quá trình tái hợp bên trong bán dẫn được đặc trưng bởi tốc độ tái hợp hoặc thời gian sống của hạt dẫn, và tương tự, tái hợp bề mặt cũng có thể được định nghĩa bằng tốc độ tái hợp bề mặt.
Số hạt dẫn tái hợp trong một giây trên một đơn vị bề mặt
Nồng độ hạt d- có d-ới bề mặt
Nguyên nhân tái hợp bề mặt ở bán dẫn là do sự tồn tại của các tâm tái hợp trên bề mặt, tạo ra các trạng thái bề mặt Những tâm này chủ yếu phát sinh từ các sai hỏng mạng trong quá trình gia công Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, tốc độ tái hợp bề mặt phụ thuộc vào phương pháp gia công được áp dụng.
Tái hợp bề mặt có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tái hợp tổng thể và các hạt tải điện trong bán dẫn Vì vậy, thời gian sống của các hạt tải điện thường ngắn hơn so với thời gian sống được tính theo tái hợp khối.
T-ơng tự nh- ph-ơng trình (2.24) ta có thể viết đ-ợc tổng số các phần tử tải điện tái hợp ở bề mặt trong đơn vị diện tích và đơn vị thời gian nh- sau:
Trong đó: n s , p s là nồng độ điện tử và lỗ trống ở bề mặt, N st là mật độ tâm tái hợp trên đơn vị diện tích bề mặt
Nếu giả thiết điều kiện mức pha tạp thấp và nồng độ điện tử bề mặt n s gần bằng nồng độ hạt tải cơ bản trong khối
Khi đó tốc độ tái hợp mặt có thể viết:
S là tốc độ tái hợp bề mặt mức pha tạp thấp
Các khái niệm về phát sinh và tái hợp trong khối cũng đúng cho quá trình phát sinh tái hợp bề mặt
Giả thiết tiết diện của điện tử và lỗ trống ( n p s ), ta có đ-ợc tốc độ tái hợp bề mặt
Phổ Phonon, tính chất truyền qua và phản xạ ánh sáng trong bán dẫn 37
Tính chất truyền qua và phản xạ ánh sáng 38
Các phép đo tính chất quang của chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ rộng năng lượng vùng cấm Chuyển dịch điện tử do photon gây ra có thể xảy ra giữa các dải năng lượng khác nhau, giúp xác định độ rộng vùng năng lượng hoặc khả năng hấp thụ của hạt tải tự do Ngoài ra, các phép đo quang còn được sử dụng để nghiên cứu sự dao động mạng trong chất bán dẫn.
Khi chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể bán dẫn, tức là một chùm bức xạ sóng điện tử với bước sóng λ và cường độ ban đầu I₀(λ), chúng ta có thể đo cường độ ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua tinh thể.
Để nghiên cứu các quá trình xảy ra trong tinh thể dưới tác dụng của ánh sáng, ta có thể xem xét độ ánh sáng phản xạ I R () và cường độ ánh sáng truyền qua mẫu I T () Những hệ số quang này đặc trưng cho các quá trình phản xạ và truyền qua của ánh sáng trong vật liệu.
Hệ số phản xạ (R) được xác định bằng tỷ số giữa cường độ ánh sáng phản xạ (I_R(λ)) và cường độ ánh sáng ban đầu tới bề mặt tinh thể (I_0(λ)).
R I R (2.36) hệ số phản xạ là đại l-ợng không thứ nguyên, đ-ợc tính theo phần trăm (%)
Hệ số phản xạ đối với một chất bán dẫn phụ thuộc vào b-ớc sóng ánh sáng tới, sự phụ thuộc đó R = f( ) gọi là phổ phản xạ
Hệ số truyền qua T() đ-ợc xác định bằng tỷ số giữa c-ờng độ ánh sáng truyền qua mẫu và c-ờng độ ánh sáng tới:
Hệ số truyền qua được tính theo phần trăm (%) và phụ thuộc vào nhiều yếu tố Để xác định cường độ ánh sáng đi qua mẫu, cần xem xét phần trăm ánh sáng đi qua bề dày mặt chiếu sáng mà không bị phản xạ, đồng thời tính đến hiện tượng hấp thụ ánh sáng để xác định bề dày của mẫu Cuối cùng, cần biết phần trăm ánh sáng đi qua bề mặt thứ hai để ra ngoài mẫu mà không bị phản xạ trở lại Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào bước sóng ánh sáng được gọi là phổ truyền qua của mẫu.
Hệ số hấp thụ: đ-ợc xác định bởi định luật Buger – Lamber [6]:
Trong đó: x là bề dày mẫu
Hệ số hấp thụ đ-ợc xác định bởi phần trăm c-ờng độ ánh sáng bị suy giảm vì đi qua một đơn vị bề dày mẫu bán dẫn
Từ công thức (2.38) và (2.39), ta có thể hiểu rằng () là xác suất hấp thụ photon ánh sáng trên một đơn vị độ dày của mẫu bán dẫn Đồng thời, đại lượng nghịch đảo −1 thể hiện độ dài chuyển động tự do trung bình của photon trong mẫu.
Hệ số hấp thụ có thứ nguyên là nghịch đảo của độ dài
Hệ số hấp thụ ánh sáng của chất bán dẫn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, được gọi là phổ hấp thụ (α = f(λ)) Để xác định hệ số hấp thụ, cần đo cường độ ánh sáng tới I₀(λ) và cường độ ánh sáng đi qua mẫu IT(λ) Từ đó, có thể tính toán cường độ ánh sáng đi qua mẫu.
Nếu x lớn thì e 2 x 1, do đó có thể bỏ qua số hạng thứ hai ở mẫu số trong biểu thức trên, khi đó (2.40) trở thành:
Nếu không thể đo được hệ số phản xạ R, chúng ta có thể xác định hệ số hấp thụ α bằng cách đo cường độ ánh sáng qua mẫu I_T với hai bề dày khác nhau x_1 và x_2.
Bằng cách thực hiện các phép đo trong thí nghiệm, chúng ta có thể tính toán các thông số cần thiết theo các công thức quy định, với điều kiện ánh sáng được chiếu vuông góc với mẫu.
4 t (2.46) trong đó n là chiết suất, t là hằng số hấp thụ, x là bề dày mẫu bán dẫn, là b-íc sãng
Hệ số hấp thụ trong biểu thức (2.46) cũng chỉ tính trên đơn vị chiều dài Gần bờ hấp thụ có thể biểu thị bằng biểu thức sau:
Năng lượng photon được biểu diễn bằng công thức hv - Eg, trong đó Eg là độ rộng vùng cấm Số mũ γ có giá trị từ 1/2 đến 3/2 hoặc 2, tùy thuộc vào cơ chế hấp thụ là trực tiếp hay gián tiếp.
Một số linh kiện quang bán dẫn điển hình
Một số vật liệu bán dẫn quan trọng 42
Si lÝc 42
Silicon (Si) là một vật liệu bán dẫn đơn chất điển hình với vùng cấm năng lượng rộng 1,12 eV ở nhiệt độ phòng Si có đặc điểm vùng cấm không thẳng và khả năng hấp thụ quang hồng ngoại thấp, cùng với độ nhân hạt tải lớn trong trường điện cao, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc chế tạo các phôtôđiốt như PIN và phôtôđiốt thác lũ (APD) Những điốt này có ứng dụng quan trọng trong mạng thông tin địa phương (LAN) Điện trở suất của Si là 2,3 x 10^5 [Ω cm], và khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm, dẫn đến sự gia tăng độ dẫn điện của Si Ngoài ra, việc cấy tạp chất vào tinh thể Si cũng làm thay đổi độ dẫn điện tùy theo nồng độ tạp chất.
Si, ng-ời ta có thể chế tạo ra các linh kiện quang bán dẫn có tính điều khiển đ-ợc về dòng điện
Ngoài silic, germanium (Ge) cũng là một vật liệu bán dẫn quan trọng và phổ biến Với độ rộng vùng cấm 0,7 eV ở nhiệt độ phòng, Ge có khả năng hấp thụ quang ở vùng hồng ngoại rất thấp và độ nhân hạt tải cao trong trường điện Điện trở suất của germanium là 47 Ω·cm Vật liệu này được sử dụng để chế tạo các photodiode, có ứng dụng hiệu quả trong thông tin mạng địa phương (LAN) và thông tin quang đường dài ở bước sóng từ 1,3 μm đến 1,55 μm.
GaAs là một vật liệu tiêu biểu trong nhóm hợp chất bán dẫn hai thành phần, nổi bật với vùng cấm thẳng và độ rộng vùng cấm khoảng 1,42 eV ở nhiệt độ phòng.
GaAs 42
GaAs là một vật liệu bán dẫn hai thành phần với vùng cấm thẳng, có độ rộng vùng cấm là 1,42 eV ở nhiệt độ phòng và độ dẫn điện 10³ Ω·cm Mặc dù GaAs không phù hợp cho việc chế tạo phôtôđiốt thác lũ và không được ứng dụng trong thông tin đường dài hay mạng LAN, nó lại là nền tảng cho các linh kiện và vi mạch hoạt động ở tốc độ cao, cũng như các linh kiện và vi mạch quang điện tử (OEIC) trong tương lai.
GaAsAl 43
Vật liệu GaAsAl là hợp chất bán dẫn ba thành phần với độ rộng vùng cấm thay đổi từ 1,42 eV (GaAs) đến 2,16 eV (AsAl) Hằng số mạng của vật liệu này gần giống với GaAs, cho phép lớp có thành phần nhất định nuôi thêm lớp khác mà không gây căng thẳng GaAsAl đóng vai trò quan trọng trong công nghệ laser bán dẫn và điốt phát quang (LED).
Điốt phát quang (Light Emitting Diode – LED) 43
Điốt phát quang thường được chế tạo trên đế GaAs với miền cấm thẳng, phát ánh sáng màu đỏ Lớp dung dịch rắn GaAs 1-x Px có bề rộng miền cấm phụ thuộc vào giá trị x và được phủ lên đế GaAs Qua phương pháp khuếch tán tạp chất, lớp dung dịch rắn GaAsP loại n tạo ra bề mặt lớp GaAsP loại p, hình thành lớp tiếp giáp p-n dị chất, phần chính của LED Một cực của điốt tiếp xúc với đế, trong khi cực thứ hai có dạng vành khăn trên bề mặt lớp bán dẫn loại p Ngoài ra, điốt phát quang cũng được chế tạo trên đế GaP, bán dẫn miền cấm xiên, phát ra ánh sáng màu da cam, vàng và xanh.
Khi chiếu ánh sáng có năng lượng lớn hơn bề rộng miền cấm lên mẫu, electron được kích thích chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn, tạo ra mật độ điện tử và lỗ trống Trong trường hợp phân cực thuận, với cực âm ở phần bán dẫn n và cực dương ở phần bán dẫn p, xảy ra sự khuếch tán hạt tải giữa hai phần này.
Laer bán dẫn 44
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Laer bán dẫn 44
Laser bán dẫn là một loại khuếch đại laser có đường phản hồi quang, với cấu trúc bao gồm lớp chuyển tiếp p-n pha tạp mạnh và được phân cực thuận Lớp p và n được chế tạo từ vật liệu bán dẫn có cấu trúc tiếp giáp dị thể kép, yêu cầu dòng bơm đủ lớn và buồng cộng hưởng quang để tạo phản hồi và dao động Phản hồi quang được tạo ra nhờ các gương, được hình thành bằng cách “tách” lớp bán dẫn dọc theo các mặt tinh thể Sự khác biệt về chiết suất giữa tinh thể và môi trường xung quanh giúp các mặt được “tách” hoạt động như những gương phản xạ, biến tinh thể bán dẫn thành một môi trường khuếch tán và hộp cộng hưởng quang Trong laser bán dẫn, sự chuyển mức xảy ra ở vùng dẫn và vùng hóa trị, với vùng cấm có độ rộng ΔEg = Ec - Ev, và khi chiếu photon ánh sáng có năng lượng hv > ΔEg, quá trình hấp thụ sẽ diễn ra.
Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo LED
Cực kim loại Lớp cách điện (Si0 2 )
Khi điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn, chúng để lại các lỗ trống trong vùng hóa trị Cặp điện tử và lỗ trống này có thể tái hợp, phát ra photon với năng lượng nhất định hoặc truyền năng lượng dưới dạng nhiệt cho tinh thể Khi số lượng cặp điện tử - lỗ trống tăng lên, mật độ trạng thái bị đảo lộn, dẫn đến mật độ hạt tải ở trạng thái kích thích lớn hơn ở trạng thái cơ bản Photon phát xạ từ bức xạ tự phát có khả năng kích thích sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống, tạo ra photon mới đồng pha với photon tới, hình thành bức xạ laser Đối với laser bán dẫn, thay vì sử dụng ánh sáng, dòng điện được dùng để bơm điện tử và lỗ trống vào vùng tái hợp Khi áp dụng điện áp thuận vào chuyển tiếp p-n, dòng điện sẽ bơm điện tử từ nguồn vào bán dẫn loại n và lỗ trống vào bán dẫn loại p, dẫn đến sự tái hợp và phát ra bức xạ giống như LED.
- lỗ trống xảy ra lớn, tức là bức xạ laser xảy ra
3.2 Nguyên lý phát quang của LED và laser bán dẫn
Trạng thái không cân bằng của bán dẫn là trạng thái mà trong đó trong
Hình 3.2 minh họa lược đồ hình học của laser bán dẫn và giáp p-n dị thể kép, trong đó nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị vượt quá giá trị cân bằng Khi bán dẫn ở trạng thái không cân bằng, sẽ xuất hiện nồng độ hạt tải d- (bao gồm điện tử d- và lỗ trống d-) Việc tạo ra nồng độ hạt tải d- trong bán dẫn là yếu tố quan trọng để hình thành trạng thái đảo mật cần thiết cho hoạt động của laser, và quá trình này được gọi là quá trình bơm Có hai phương pháp chính để thực hiện quá trình bơm này.
Trong các linh kiện bán dẫn phát quang như LED và LD, phương pháp bơm điện được sử dụng để kích thích phát sáng Cụ thể, quá trình bơm này dựa vào việc sử dụng chuyển tiếp p-n trên các loại bán dẫn thích hợp, thường là bán dẫn có vùng cấm thẳng.
Khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, hàng rào thế năng hạ thấp, cho phép điện tử từ miền n di chuyển sang miền p và lỗ trống từ miền p sang miền n Quá trình này tạo ra nồng độ điện tử d-δn trong miền p và lỗ trống d-δp trong miền n, hình thành vùng không gian hẹp với nhiều điện tử và lỗ trống, từ đó tăng cường tái hợp bức xạ, nguyên lý hoạt động của các linh kiện bán dẫn phát quang như LED và LD Để cải thiện khả năng phát quang, cả hai miền p và n thường được pha tạp mạnh, biến chúng thành các bán dẫn suy biến với các mức Fermi tương ứng trong vùng hóa trị và vùng dẫn.
Khi có một chuyển tiếp p-n pha tạp mạnh ở cả hai bên hoạt động ở chế độ phân cực thuận, LED sẽ phát sáng khi tái hợp phát xạ xảy ra tự phát Ngược lại, LD sẽ được tạo ra khi tái hợp phát xạ chủ yếu là c-ỡng bức, với số tái hợp c-ỡng bức phải bằng hoặc lớn hơn tái hợp tự phát.
LED = chuyển tiếp p – n phát xạ Tự phát khi phân cực thuận
LD = chuyển tiếp p – n phát xạ c-ỡng bức khi phân cực thuận
Điốt laser (LD) hoạt động dựa trên hiện tượng phun hạt tải qua chuyển tiếp, vì vậy nó còn được gọi là laser phun (injection laser).
3.3 Các đặc điểm của laser bán dẫn
Từ mục 3.2, có thể nhận thấy rằng khi có sự chuyển p-n phân cực thuận với mức phun n và p đủ lớn, điều kiện để một photon được hấp thụ không chỉ đơn thuần là hv ≥ ΔE g, mà còn phải thỏa mãn p n g E E.
E hv (3.1) trong đó E n là vùng năng l-ợng có điện tử lấp đầy ở sát đáy vùng dẫn và
là vùng trống (không có điện tử) ở sát đỉnh vùng hoá trị Photon không thể bị hấp thụ nếu nh-: p n g g hv E E E
Các công thức trên đây có thể đ-ợc viết d-ới dạng khác đi nếu nh- biểu diÔn:
E trong đó E c là mức đáy vùng dẫn và E v là mức đỉnh vùng hoá trị, còn E Fc và
E Fv thể hiện vị trí của "chuẩn mực Fecmi" trong vùng dẫn và vùng hóa trị, cho thấy bán dẫn đang ở trạng thái suy biến và không cân bằng Điều này rõ ràng đúng khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận và mức phun n, p đạt giá trị lớn.
Còn điều kiện để photon không thể bị hấp thụ là:
Các photon không bị hấp thụ có khả năng kích thích tái hợp bức xạ trong chất bán dẫn, từ đó làm tăng xác suất xảy ra của hiện tượng này.
Quá trình bức xạ cưỡng bức là hiện tượng bổ sung lên bức xạ tự phát, thường có cường độ nhỏ hơn nhiều lần Tuy nhiên, khi tạo ra điều kiện thích hợp, bức xạ cưỡng bức có thể trở thành yếu tố chủ yếu trong hoạt động phát quang và laser bán dẫn Để laser bán dẫn hoạt động hiệu quả, cần đảm bảo các điều kiện thích hợp cho quá trình này.
H×nh 3.3 Sù chuyÓn tõ LED sang LD
Để tối ưu hóa hiệu suất, cần tạo ra nhiều điện tử hơn đáng kể so với LED trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị Điều này sẽ làm tăng xác suất kích thích các cặp điện tử - lỗ trống tái hợp, từ đó nâng cao khả năng bức xạ photon.
Các đặc điểm của Laer bán dẫn 47
Để tạo ra lỗ trống tự do trong LED, người ta thường áp dụng hai biện pháp chính: pha tạp mạnh cho cả hai miền bán dẫn p và n nhằm hình thành chuyển tiếp p-n, và bơm điện cho chuyển tiếp này bằng thế phân cực thuận Lưu ý rằng dòng bơm cần lớn hơn nhiều so với dòng bơm thông thường cho LED.
Thứ hai, để có nguồn photon kích thích bức xạ cưỡng bức, phương pháp phổ biến nhất là sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot Trong laser bán dẫn, buồng cộng hưởng thường được tạo ra bởi hai cạnh tinh thể của laser, vì vậy không cần gương ngoài Hệ số phản xạ trên bề mặt tinh thể có thể được tính bằng công thức Fresnel.
Trong đó n là chiết suất của vật liệu, 1 là chiết suất của không khí
Thông th-ờng chiết suất của GaAs hoặc InP bằng 3,5 Do đó R m 30%.
Phôtôđiốt 49
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Phôtôđiốt 49
Phôtôđiốt PN, dựa trên cấu trúc chuyển tiếp PN, là loại phôtôđiốt phổ biến nhất Hình 3.4 minh họa cấu trúc điển hình của phôtôđiốt PN trên silicon.
Hình 3.4 Cấu trúc của một phôtôđiốt Silic điển hình
Phôtôđiốt được cấu tạo từ một lớp chuyển tiếp PN, với phiến bán dẫn Silic loại N Trên bán dẫn loại N, người ta tạo ra miền bán dẫn loại P bằng công nghệ plasmar, với độ dày rất mỏng để tín hiệu ánh sáng không bị hấp thụ trong miền này Độ dày của miền bán dẫn P phải nhỏ hơn hoặc bằng 1/α, phù hợp với từng loại nguồn sáng Bề mặt phôtôđiốt được bảo vệ bởi lớp ôxit Silic, giúp giảm thiểu sự phản xạ khi photon tiếp xúc với bề mặt.
Để tạo tiếp xúc ômíc cho phôtôđiốt, người ta chế tạo miền bán dẫn N+ ở phía dưới miền bán dẫn N Hai bên của các miền P và N+ được phủ lớp kim loại để làm điện cực Toàn bộ cấu trúc này được gọi là chip phôtôđiốt và được gắn trên đế cách điện, thường làm bằng thủy tinh hoặc gốm.
Phôtôđiốt hoạt động ở chế độ phân cực ngược, với cực P nối với nguồn dương (+) và cực N nối với nguồn âm (-) Thiết bị này có khả năng chuyển đổi ánh sáng và các bức xạ điện tử khác thành tín hiệu điện Tín hiệu điện này có tỷ lệ tuyến tính với cường độ ánh sáng hoặc bức xạ mà phôtôđiốt nhận được.
Sau đây ta tìm hiểu các cơ chế hình thành (hay biến đổi) tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong phôtôđiốt b Nguyên lý hoạt động
Khi không có ánh sáng chiếu vào, phôtôđiốt là một điốt chuyển tiếp PN thông th-ờng có đặc tr-ng I-V đ-ợc biểu thị theo công thức sau:
Với I s là dòng tối đ-ợc biểu diễn theo biểu thức:
Điện tích (q) và điện áp (V) đặt lên phôtôđiốt ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán và thời gian sống của điện tử và lỗ trống Hằng số Bolzman (K_B) cùng với nhiệt độ tuyệt đối (T) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các thông số như nồng độ acxepto (N_A) và nồng độ đono (N_D) Hệ số khuếch tán của điện tử (D_n) và lỗ trống (D_p) cùng với nồng độ hạt tải thuần (n_i) là các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của phôtôđiốt.
Khi ánh sáng chiếu vào phôtôđiốt, nó tạo ra một dòng quang điện bổ sung, được ký hiệu là -I ph Đặc trưng I-V của phôtôđiốt trong điều kiện sáng sẽ được biểu diễn theo cách này: ph.
Tại giá trị thế ng-ợc đủ lớn (giá trị âm), từ (3.6) ta dễ dàng thấy:
Khi thế hiệu phân cực bằng không (U = 0V), phôtôdiốt hoạt động ở chế độ pin quang điện, khi đó biểu thức dòng sẽ có dạng:
Pin mặt trời sẽ đ-ợc trình bày trong phần 5 của ch-ơng này.
Đặc tr-ng I-V tối sáng 51
Khi không có ánh sáng chiếu vào, phôtôđiốt chỉ cho dòng điện ngược tối, tương tự như dòng tối của một điốt bán dẫn thông thường Đường đặc trưng I-V tối của phôtôđiốt được thể hiện trong hình (3.6) với cường độ chiếu sáng 0 Khi có ánh sáng chiếu tới bề mặt phôtôđiốt trong điều kiện phân cực ngược, dòng quang điện sẽ khác nhau do sự đóng góp của I ph Hình (3.6) dưới đây mô tả đường đặc trưng I-V tối sáng của phôtôđiốt.
Hình 3.5 Đặc tr-ng I - V của phôtôđiôt khi có chiếu sáng và khi không chiếu sáng
Ng-ời ta chia đặc tr-ng của phôtôđiốt ra thành 4 góc hoạt động: góc I,
Góc I thể hiện hướng dòng điện thuận của photodiode, trong khi góc II không có đặc tuyến nào Góc III biểu thị hoạt động của photodiode ở chiều ngược, và góc IV là hoạt động của photodiode trong chế độ pin quang điện (pin mặt trời).
Phân loại Phôtôđiốt 52
Căn cứ vào cấu trúc ng-ời ta có thể phân loại các phôtôđiôt nh- sau: a Phôtôđiốt PN
Phôtôđiốt loại PN có cấu trúc và cơ chế hấp thụ ánh sáng đặc trưng với độ rộng miền nghèo nhỏ, dẫn đến điện dung lớn và hằng số thời gian ( = RC) cao, làm giảm tốc độ làm việc Nguyên nhân chính gây ra tốc độ làm việc chậm của phôtôđiốt PN là sự khuếch tán của các hạt tải không cơ bản trong các miền bán dẫn, dẫn đến độ nhạy hoạt động không cao.
Phôtôđiốt PIN có cấu tạo khác biệt so với phôtôđiốt PN nhờ vào lớp bán dẫn thuần I, cho phép lớp nghèo lan rộng hơn khi được phân cực ngược Khi ánh sáng chiếu vào, hầu hết hạt tải được sinh ra trong vùng nghèo, giúp tăng tốc độ hoạt động của phôtôđiốt Đặc điểm nổi bật của phôtôđiốt PIN là độ rộng miền nghèo lớn, dẫn đến hiệu suất cao hơn do các cặp điện tử - lỗ trống dễ dàng được cuốn về các điện cực mà không bị tái hợp Thêm vào đó, điện dung C của phôtôđiốt PIN nhỏ, giúp tăng tốc độ làm việc so với phôtôđiốt PN Tuy nhiên, cần lưu ý rằng độ rộng miền nghèo không nên quá lớn, vì điều này có thể làm tăng thời gian cuốn hạt tải và giảm tốc độ làm việc của phôtôđiốt.
Mặt khác, điện dung C của phôtôđiốt nhỏ nên nhiễu sinh ra trong nó do thành phần gây ra cũng nhỏ Do vậy mà phôtôđiốt PIN có độ nhạy cao
Hình 3.6 Cấu tạo của phôtôđiốt PIN c Phôtôđiốt thác lũ (APD)
Phôtôđiốt thác lũ (APD) có cấu trúc tương tự như phôtôđiốt PIN, nhưng cơ chế hoạt động của nó hoàn toàn khác biệt APD hoạt động dựa trên hiệu ứng đánh thủng thác lũ, cho phép nhân hạt tải bên trong, tức là khuếch đại các hạt tải Hình (3.7) minh họa cơ chế nhân thác lũ trong APD.
Trong APD, hạt tải được sinh ra do chiếu sáng chuyển động trong vùng điện tích không gian của điện trường cao Quá trình này làm gia tốc hạt tải, dẫn đến va chạm với các nguyên tử, từ đó phát sinh các điện tử thứ cấp tự do Số lượng hạt tải trong phôtôđiốt gia tăng, và các điện tử này tiếp tục va chạm với các nguyên tử khác, tạo ra nhiều cặp điện tử.
- lỗ trống đ-ợc sinh ra từ một photon rơi vào chứ không phải một cặp nh- thông th-ờng, điều này làm tăng độ nhạy của APD
Thành phần dòng sáng của APD bao gồm dòng từ phần tử phát sinh do chiếu sáng và các phần tử do hiện tượng thác lũ Hệ số nhân thác lũ của APD được tính toán theo công thức: n.
Điện áp ngược áp đặt lên APD được ký hiệu là V, trong khi thế đánh thủng được biểu thị bằng V B Hằng số n có giá trị từ 2 đến 3, và dòng tổng cộng được ký hiệu là I Cuối cùng, R đại diện cho điện trở nối tiếp trong mạch.
Hình 3.7 Cơ chế nhân thác lũ trong APD
Do cơ chế hoạt động dựa trên hiệu ứng nhân thác lũ có khuếch đại nội, các APD có độ nhạy cao thường được sử dụng để ghi nhận các tín hiệu bức xạ có cường độ thấp.