Trong quá trình nghiên cứu về vật liệu, ng−ời ta thấy rằng, trong các vật liệu bán dẫn tồn tại các đặc tính vừa dẫn điện vừa cách điện. Như vậy, vật liệu bán dẫn ở trường hợp nμo đó sẽ lμ kim loại vμ trong trường hợp khác lại lμ chất cách điện. ở các điều kiện bình thường, hầu như tất cả các vật liệu đều hấp thụ ánh sáng nhiều hơn lμ phát xạ ánh sáng.
Quá trình hấp thụ có thể đ−ợc mô tả đơn giản thông qua hình 3.1, ở đây các mức năng lượng E1 vμ E2 tương ứng lμ trạng thái đất vμ trạng thái kích thích của các nguyên tử của môi tr−ờng hấp thụ. Nếu nh− ánh sáng tới với tần số ν có năng l−ợng photon hν bằng với sự lệch nhau về năng l−ợng Eg = E2 - E1, thì photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ, vμ chúng đ−ợc coi lμ ở trạng thái kích thích. Các nguyên tử được kích thích sau đó thường quay về trạng thái đất vμ phát ra ánh sáng trong quá trình nμy. Sự phát ánh sáng có thể xảy ra thông qua hai quá trình gọi lμ bức xạ tự phát vμ bức xạ kích thích. Trong tr−ờng hợp bức xạ tự phát, các photon đ−ợc phát ra có h−ớng ngẫu nhiên vμ không có quan hệ về pha giữa chúng.
Ng−ợc lại, trong tr−ờng hợp bức xạ kích thích thì các photon đ−ợc phát ra sẽ có cùng tần số vμ pha theo các photon tín hiệu ánh sáng tới. Trong tất cả các laser kể cả laser bán dẫn,
ánh sáng đ−ợc phát ra thông qua quá trình bức xạ kích thích vμ đ−ợc gọi lμ ánh sáng kết
hợp. Ng−ợc lại, các LED phát ánh sáng thông qua quá trình không kết hợp của bức xạ tự phát.
Hình 3.1. Ba quá trình cơ bản xảy ra giữa các trạng thái năng l−ợng của nguyên tử.
Để phân tích các vùng năng l−ợng, ta hãy khảo sát các đặc tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn đ−ợc mô tả theo nh− sơ đồ vùng năng l−ợng nh− hình 3.2. ở nhiệt độ thấp, tinh thể thuần túy sẽ có vùng dẫn hoμn toμn không có các điện tử, nh−ng trong vùng hóa trị thì
lại hoμn toμn đầy. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một dải cấm năng l−ợng, dải nμy không tồn tại một mức năng l−ợng nμo cả. Khi nhiệt độ tăng lên, một số các điện tử sẽ bị kích thích nhiệt vμ v−ợt qua dải cấm. Chẳng hạn nh− với vật liệu Silic, năng l−ợng kích thích nμy phải lớn hơn 1,1 eV, đây chính lμ năng l−ợng dải cấm. Qúa trình nμy xảy ra lμm xuất hiện các điện tử tự do n trong vùng dẫn, các điện tử nμy khi rời đi sẽ để lại các lỗ trống p tương ứng. Cả các điện tử tự do vμ lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu vμ có thể tạo ra tính dẫn
điện khi các điện tử ở trong vùng hóa trị đi vμo các lỗ trống. Sự di chuyển của các điện tử nμy sẽ lμm cho các lỗ trống chuyển động theo hướng ngược lại với dòng điện tử.
Hình 3.2. a) Sơ đồ mức năng l−ợng vμ sự kích thích các điện tử vùng hóa trị sang vùng dẫn, b) Sự tập trung điện tử vμ lỗ trống.
Sự tập trung của các điện tử vμ lỗ trống có thể coi nh− lμ sự tập trung hạt mang bên trong, ký hiệu lμ ni vμ đ−ợc viết nh− sau:
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Điện tử
Lỗ trống
Điện tr−ờng E
Vùng cấm Eg=Ec-Ev
Năng l−ợng
điện tử
Chuyển dịch
điện tử
Ph©n bè tËp trung điện tử
Ph©n bè tËp trung lỗ trống
~2kBT
~2kBT
a) b)
EC
EV
Số các trạng thái điện tử Số các trạng thái lỗ trống E2
E1
E2 E2
E1 E1
hν hν hν hν
hν
b) Bức xạ tự phát c) Bức xạ kích thích a) HÊp thô
⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛−
=
=
= k T
K E n p n
B g
i exp 2 (3-1) ở đây K = 2(2πkBT/h2)3/2(memh)3/4 lμ hằng số đặc tr−ng cho vật liệu. T lμ nhiệt độ tuyệt đối, kB lμ hằng số Bolzmann, h lμ hằng số Plank, me vμ mh t−ơng ứng lμ khối l−ợng của điện tử vμ lỗ trống.
Có thể lμm tăng tính dẫn điện bằng cách pha thêm một l−ơng nhỏ tạp chất thuộc các nguyên tố nhóm V (nh− P, As, Sb) vμ gọi lμ quá trình pha tạp (hay kích tạp). Các nguyên tố nμy có năm điện tử ở lớp ngoμi. Khi chúng thay thế một nguyên tử Si, bốn điện tử sẽ thực hiện liên kết đồng hóa trị, còn lại điện tử thứ năm lμ điện tử có liên kết lỏng, sẽ sẵn sμng tạo ra quá trình dẫn điện. Nh− đã đ−ợc chỉ ra ở hình 3.3a, qúa trình nμy tạo ra sự tăng mức chiếm vừa đủ thấp dưới vùng dẫn gọi lμ mức cho (mức donor). Lúc đó các tạp chất
đ−ợc gọi lμ chất cho bởi vì chúng có thể bỏ một điện tử cho vùng dẫn. Điều nμy đ−ợc phản
ánh bằng sự gia tăng các điện tử tự do trong vùng dẫn nh− ở hình 3.3b. Đối với vật liệu loại nμy, vì các điện tử tạo ra dòng điện vμ do đó gọi lμ vật liệu loại n.
Hình 3.3. a) Mức cho trong vật liệu loại n ;
b) Sự ion hóa của tạp chất cho lμm phân bố tập trung điện tử tăng nên.
Cũng có thể lμm tăng khả năng dẫn điện bằng cách thêm các nguyên tố thuộc nhóm III, các nguyên tố nμy có ba điện tử ở lớp ngoμi. Trong tr−ờng hợp nμy thì ba điện tử lại tạo nên liên kết đồng hóa trị, vμ lỗ trống có tính đồng nhất từ điện tử cho tạo nên. Hình 3.4a chỉ ra sự tăng mức bỏ trống vừa đủ ở trên vùng hóa trị. Khi các điện tử đ−ợc kích thích từ vùng hóa trị tới mức tiếp nhận (vì các nguyên tử tạp chất tiếp nhận các điện tử từ vùng hóa trị), thì sẽ xảy ra hiện t−ợng dẫn điện. ở đây, mức độ các lỗ trống tự do đ−ợc tăng lên trong vùng hóa trị nh− ở hình 3.4b, vμ vật liệu loại nμy gọi lμ vật liệu loại p vì sự dẫn điện trong trừơng hợp nμy lμ kết quả của sự di chuyển lỗ trống sinh ra.
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Năng l−ợng
điện tử
~2kBT
Ph©n bè tËp trung điện tử
Ph©n bè tËp trung lỗ trống Mức dono (cho)
a) b)
EC ED
EV
Số các trạng thái điện tử
Số các trạng thái lỗ trống
Hình 3.4. a) mức tiếp nhận trong vật liệu loại p;
b) Sự ion hóa tạp chất tiếp nhận lμm tăng mật độ lỗ trống.
Các vật liệu không chứa tạp chất đựơc gọi lμ vật liệu nguyên chất (cơ bản). Do có sự dao động nhiệt của các nguyên tử tinh thể mμ một vμi điện tử nằm trong vùng hóa trị nhận
đ−ợc đủ năng l−ợng để đựơc kích thích lên vùng dẫn. Quá trình phát nhiệt nμy tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống tự do. Ng−ợc lại, trong qúa trình tái kết hợp, điện tử tự do sẽ giải phóng năng lựơng của nó vμ rơi vμo các lỗ trống trong vùng hóa trị. Tốc độ phát vμ tái kết hợp lμ cân bằng nhau. Nếu n lμ sự tập trung điện tử vμ p lμ sự tập trung lỗ trống thì đối với vật liệu nguyên chất ta có:
pn= p0n0 =ni2 (3-2) ở đây p0 vμ n0 tương ứng lμ sự tập trung lỗ trống vμ điện tử cân bằng, vμ ni lμ mật độ hạt mang (phần tử tải hay hạt tải) của vật liệu nguyên chất.
Khi có một l−ợng nhỏ tạp chất hóa học ở trong tinh thể thì nó tạo thμnh chất bán dẫn ngoại lai. Do tính dẫn điện tỉ lệ với sự tập trung hạt mang, cho nên có hai loại hạt mang
điện tích đối với vật liệu nμy lμ:
- Hạt mang đa số ám chỉ cho cả các điện tử trong vật liệu loại n vμ các lỗ trống trong vật liệu loại p.
- Hạt mang thiểu số ám chỉ cho cả các lỗ trống trong vật liệu loại n vμ các điện tử trong vật liệu loại p.
Hoạt động của các thiết bị bán dẫn cơ bản dựa trên sự phun vμ trích của các hạt mang thiÓu sè.
3.1.2 Các tiếp giáp pn
Trọng tâm của nguồn quang bán dẫn lμ tiếp giáp pn, nó đ−ợc tạo nên bằng việc cho tiếp xúc giữa bán dẫn loại p vμ bán dẫn loại n. Có thể nhận thấy rằng đối với các vật liệu bán dẫn loại n hoặc p đã đ−ợc pha tạp thì bản thân chúng chỉ nh− lμ một chất dẫn điện. Để tạo ra đ−ợc các thiết bị ngoμi thuộc tính bán dẫn nμy, thì cần phải sử dụng cả hai loại vật liệu.
Tiếp giáp giữa hai vật liệu sẽ có các đặc tính điện của thiết bị bán dẫn vμ tiếp giáp nμy
đ−ợc quen gọi lμ tiếp giáp pn.
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
điện tử
Mức tiếp nhận (mức acceptor)
Ph©n bè tËp trung điện tử
~2kBT
Ph©n bè tËp trung lỗ trống
a) b)
EC
EA EV
Số các trạng thái điện tử Số các trạng thái lỗ trống
Khi tạo ra tiếp giáp pn, các hạt mang đa số sẽ khuếch tán qua nó, lμm cho các điện tử lấp vμo các lỗ trống bên phía p của tiếp giáp vμ sinh ra các lỗ trống bên phía n. Điều nμy lμm xuất hiện một trường điện đặt ngang qua tiếp giáp. Trường nμy sẽ ngăn cản sự chuyển
động của các điện tích khi sự cân bằng đ−ợc thiết lập. Do các điện tử vμ lỗ trống tạo thμnh cấu trúc liên kết đồng hóa trị, cho nên vùng tiếp giáp không có các hạt mang di động.
Vùng nμy đ−ợc gọi lμ vùng nghèo (vùng trôi hay vùng tích điện không gian). Xem hình 3.5a.
Khi cấp một điện áp một chiều bên ngoμi cho tiếp giáp nμy, cực d−ơng nguồn nối tới vật liệu n, cực âm nguồn nối với vật liệu p thì tiếp giáp nμy ở trong trạng thái đ−ợc phân cực ng−ợc, xem hình 3.5b. Vì phân cực ng−ợc cho nên độ rộng của vùng nghèo đ−ợc mở rộng ra cả phía n vμ phía p, cμng lμm cản trở các hạt mang đa số trμn qua tiếp giáp. Tuy nhiên vẫn có hạt mang thiểu số đi qua tiếp giáp ở điều kiện nhiệt độ vμ điện áp hoạt động bình th−ờng. Khi tiếp giáp pn đ−ợc phân cực thuận nh− hình 3.5c, thì các điện tử vùng dẫn ở phía n vμ các lỗ trống vùng hóa trị phía p lại đ−ợc phép khuếch tán qua tiếp giáp. Lúc nμy việc tái kết hợp các hạt mang thiểu số tăng lên đáng kể. Các hạt mang dôi ra sẽ tái kết hợp với các hạt mang đa số. Quá trình tái kết hợp các hạt mang thiểu số d− ra chính lμ một cơ
chế để phát ra ánh sáng.
Hình 3.5. a) Tiếp giáp pn; b) Phân cực ng−ợc; vμ c) phân cực thuận.
Các chất bán dẫn th−ờng đ−ợc phân ra thμnh vật liệu có dải cấm trực tiếp vμ dải cấm gián tiếp tùy theo dạng của dải cấm phụ thuộc vμo động l−ợng k trong hình 3.6. ở đây cho phép ta xem xét việc tái kết hợp của lỗ trống vμ điện tử kèm theo sự phát xạ photon. Quá
Vùng nghÌo
Tr−ờng điện
0
Emax
a)
Tiếp giáp pn Các điện tử khuếch tán
Loại n Loại p
Vùng nghèo hẹp lại
PhÝa n
Nguồn ngoμi
- +
c)
PhÝa p
Nguồn bên ngoμi Vùng nghèo mở rộng ra
- +
PhÝa n PhÝa p
b)
Dòng hạt mang thiểu số
trình tái kết hợp đơn giản nhất vμ dễ xảy ra nhất khi mμ điện tử vμ lỗ trống có cùng động l−ợng; trong tr−ờng hợp nμy ta có vật liệu dải cấm trực tiếp. Còn trong vật liệu có dải cấm gián tiếp, các mức năng l−ợng nhỏ nhất ở vùng dẫn vμ lớn nhất vùng hóa trị lại xảy ra tại các giá trị động l−ợng khác nhau. Nh− vậy việc tái kết hợp ở đây cần phải có phần tử thứ ba để duy trì động l−ợng bởi vì động l−ợng photon lμ rất nhỏ. Các phonon sẽ đáp ứng điều nμy.
Hình 3.6. a) Sự phát photon đối với vật liệu dải cấm trực tiếp b) Sự phát photon đối với vật liệu dải cấm gián tiếp.