CHƯƠNG 8 CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ
8.2. CÁC CẤU KIỆN PHÁT QUANG
8.2.1 Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất
Để hiểu rõ sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất ta nhắc lại hai tiên đề của Bohr:
Tiên đề về trạng thái dừng: nguyên tử chỉ tồn tại ở những trạng thái có mức năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Trong các trạng thái dừng nguyên tử không bức xạ.
Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử: trạng thái dừng có mức năng lượng càng thấp thì càng bền vững. Khi nguyên tử ở các trạng thái dừng có năng
lượng lớn bao giờ cũng có xu hướng chuyển sang trạng thái dừng có mức năng lượng nhỏ hơn.
Hệ quả rút ra từ hai tiên đề trên: trong trạng thái dừng của nguyên tử, điện tử chỉ chuyển động quang hạt nhân theo những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là các quỹ đạo dừng.
Điều này cho thấy khi cung cấp cho nguyên tử một năng lượng nào đó thì điện tử sẽ hấp thụ năng lượng này và nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, nếu quỹ đạo càng xa hạt nhân thì thời gian tồn tại ở quỹ đạo này càng ngắn và có xu hướng trở về quỹ đạo gần hạt nhân theo cách nhảy thẳng hoặc nhảy từng bước.
Vậy, khi bơm điện tử vào vật liệu bán dẫn, tùy thuộc vào năng lượng bơm và mô hình vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn mà điện tử có thể nhảy lên các mức năng lượng khác nhau. Thông thường tùy theo số mức năng lượng tồn tại trong hệ mà điện tử có thể chiếm chỗ sau khi bơm mà người ta chia thành hệ có 2 mức năng lượng hay ba mức, bốn mức… Để đơn giản ta xét hệ có hai mức năng lượng:
Mức năng lượng Ei gọi là mức suy biến, nó gồm có Ni trạng thái lượng tử và ni nồng độ hạt.
Mức năng lượng Ek gọi là mức cơ bản, nó có Nk = 1 trạng thái lượng tử và nồng độ hạt là nk.
Thông thường các hạt đều tồn tại ở mức cơ bản vì mức này có năng lượng thấp nhất nên cũng bền vững nhất. Cần phải kích thích bằng năng lượng: quang năng, điện năng, nhiệt năng... thì các hạt ở mức cơ bản sẽ di chuyển lên mức năng lượng cao hơn, gọi là các mức kích thích. Các hạt chỉ tồn tại ở các mức kích thích một thời gian rất ngắn khoảng 10-8 giây rồi nó lại dịch chuyển về các mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánh sáng, hay còn gọi là các photon. Photon phát ra theo định luật bảo toàn năng lượng:
hν = Ei - Ek (8-1) và ta có tần số bức xạ của ánh sáng tính theo công thức 8-2:
Ei Ek
ν = −h (8-2) trong đó: ν - tần số bức xạ của ánh sáng (ν c
=λ).
h - hằng số Plank (h = 6,625.10-34 J.s = 4,16.10-15 eV.s).
c - vận tốc của ánh sáng (c = 3.108 m/s).
λ - độ dài bước sóng của bức xạ ánh sáng phát ra.
i k i k
c c 1240 eV.nm 1240 eV.nm
= = =
E E (E E ) eV eV
h G
λ E
ν − − ⎡⎢⎣ ⎤⎥⎦= ⎡⎢⎣ ⎤⎥⎦
(8-3) Tóm lại, sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất gồm có 3 quá trình: quá trình hấp thụ, quá trình bức xạ tự phát và quá trình bức xạ kích thích (Xem hình 8-2).
Hình 8-2.Ba quá trình chủ yếu của sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất.
Quá trình hấp thụ:
Quá trình hấp thụ là quá trình mà tại đó khi có một photon tương tác với vật chất thi một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon (quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei.
Quá trình bức xạ tự phát:
Bức xạ tự phát là quá trình mà các điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei, nhưng trạng thái này không ổn định nên chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản Ek
và phát ra photon có năng lượng hν và đây là nguồn phát quang. Mỗi một bức xạ tự phát ta thu được một photon.
Hiện tượng này xảy ra không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là quá trình bức xạ tự phát. Bức xạ này đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên.
Quá trình bức xạ kích thích:
Nếu có một photon có năng lượng hν tới tương tác với vật chất mà trong lúc đó có một điện tử đang còn ở trạng thái kích thích Ei, thì điện tử này được kích thích và ngay lập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản Ek và bức xạ ra một photon khác có năng lượng cũng đúng bằng hv. Photon mới bức xạ ra này có cùng pha với photon đi đến và bức xạ này được gọi là bức xạ kích thích (hay bức xạ cảm ứng).
Người ta gọi đây là hiện tượng khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ cưỡng bức.
Nguyên lý này còn gọi là nguyên lý Fabry Perot, và LASER chính là linh kiện có nguyên tắc hoạt động dựa vào nguyên lý này.
Trên thực tế, năng lượng dùng để kích thích cho các quá trình đã phân tích ở trên là năng lượng điện trường và người ta gọi đó là nguyên lý biến đổi điện / quang. Nghĩa là từ năng lượng điện chuyển thành năng lượng quang nhờ các hiện tượng bức xạ.
Phương pháp kích thích.
Ánh sáng phát ra từ vật liệu bán dẫn là do quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống.
Ở nhiệt độ phòng, các cặp điện tử và lỗ trống được sinh ra do sự kích thích nhiệt rất thấp nên cường độ bức xạ phát ra không đáng kể. Để tạo ra các bức xạ có cường độ mạnh hơn người ta dùng các phương pháp kích thích khác như chiếu sáng, chiếu chùm tia điện tử, cho dòng điện đi qua chuyển tiếp PN…
Đảo lộn mật độ (hay đảo mật độ trạng thái).
Để có phát xạ kích thích thì phải tạo ra được một số lượng lớn hạt tải điện tử và lố trống trong vùng dẫn và vùng hóa trị.
Ta xét một chuyển tiếp PN của hai vật liệu bán dẫn P và N có nồng độ pha tạp cao.
Mức Fecmi của bán dẫn N nằm vào bên trong vùng dẫn, mức Fecmi của bán dẫn P nằm vào bên trong vùng hóa trị. Tại trạng thái cân bằng nhiệt (tức là chưa tiêm hạt tải) thì mức Fecmi của hai bán dẫn là trùng nhau. Khi điện áp thuận đủ lớn thì hai mức Fecmi của hai bán dẫn tách xa nhau ra, lúc này điện tử trong bán dẫn N và lỗ trống trong bán dẫn P đã được tiêm chích vào miền điện tích không gian. Tiếp tục tăng điện áp thuận thì miền điện tích không gian đạt đến độ rộng d, lúc này có một số lượng lớn điện tử nằm ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo lộn mật độ trạng thái.
Điện tử và lỗ trống sẽ tái hợp với nhau để phát ra photon.
Như vậy điều kiện để có đảo lộn mật độ trạng thái là hai chất bán dẫn loại P và N phải có nồng độ pha tạp cao để các mức Fecmi nằm vào bên trong vùng dẫn và vùng hóa trị. Điện áp phân cực thuận phải đủ lớn để điện tử và lỗ trống có thể tiêm chích vào vùng dẫn và vùng hóa trị. Hiệu hai mức Fecmi ở hai bán dẫn loại N và loại P phải lớn hơn độ rộng vùng cấm:
EFC – EFV > EG (8-4)