quang học bán dẫn seminar chuyên ngành chuyên ngành: vật liệu màng mỏng

Vùng Năng Lượng Trong Chất Bán Dẫn Các nguyên tử bao gồm các v t li u bán dẫn có sự tương tác giữa các nguyên tử đủ mạnh để nó không thể được xem như là một thực thể riêng lẽ.. Giải phư

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN MÀNG MỎNG

-

TP HỒ CHÍ MINH – 2013

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ iii

Lời nói đầu 1

Chương 1 Vùng Năng Lượng và Điện Tích Hạt Tải 2

1.1 Vùng Năng Lượng Trong Chất Bán Dẫn 2

1.2 Điện tử và lỗ trống 3

1.3 Sự tương quan giữa năng lượng và động lượng 4

1.4 Khối lượng hiệu dụng 5

1.5 Bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp 6

Chương 2 Vật Liệu Bán Dẫn 7

2.1 Binary III-V Semiconductors 7

2.2 Ternary III-V Semiconductors 9

2.3 Quaternary III-V Semiconductors 10

2.4 Bán dẫn tinh khiết 13

2.5 Bán dẫn pha tạp 14

2.6 Bán dẫn hữu cơ 17

3.1 Mật độ trạng thái 18

3.2 Xác suất chiếm giữ bởi electron và lỗ trống 18

3.3 Nồng độ hạt tải trong cân bằng nhiệt 20

Chương 4 Sự phát sinh và tái hợp điện tử - lỗ trống 23

4.1 Sự phát sinh và tái hợp trong trạng thái cân bằng nhiệt 23

4.2 Tốc độ tái hợp 24

4.3 Sự dư điện tử và lỗ trống 25

4.4 Hiệu suất lượng tử nội 26

Chương 5 Tiếp xúc p-n 27

5.1 Cấu tạo 27

5.2 Nguyên tắc làm việc 28

5.3 Các loại diode cơ bản 29

Chương 6 Tiếp xúc dị thể 31

6.1 Giới thiệu 31

6.2 Hoạt động của tiếp xúc dị thể 31

Chương 7 Cấu trúc giam giữ lượng tử 34

7.1 Giếng lượng tử 34

7.2 Dây lượng tử 36

7.3 Chấm lượng tử 37

TÀI LIÊU THAM KHẢO 38

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bán dẫn Silic và GaAs 2

Hình 1.2 Năng lượng mạng tinh thể 3

Hình 1.3 Đi n tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tại T>0oK 4

Hình 1.4 Mặt cắt ngang của hàm E-k đối với Si và GaAs dọc theo 2 hướng: [111] bên trái và [100] bên phải 5

Hình 1.5 Biểu đồ E-k của Si và GaAs giống đường parabol tại đá vùng dẫn và ở đỉnh vùng hóa trị 5

Hình 2.1 Các nguyên tố bán dẫn quan trọng trong bảng tuần hoàn 7

Hình 2.2 Binary III-V Semiconductors 7

Hình 2.3 Các chất bán dẫn và cấu trúc năng lượng 8

Hình 2.4 Ternary III-V Semiconductors 9

Hình 2.5 Quaternary III-V Semiconductors 10

Hình 2.6 Năng lượng vùng cấm, bước sóng vùng cấm và hằng số mạng của Si, Ge, SiC và 12 hợp chất hai nguyên tố III-V 12

Hình 2.7 Năng lượng vùng cấm, bước sóng vùng cấm và hằng số mạng của các chất bán dẫn II-VI (HgSe và HgTe là á kim với vùng cấm âm nhỏ) 13

Hình 2.8 Mạng tinh thể Si 13

Hình 2.9 Mạng tinh thể Si pha tạp nguyên tử P 14

Hình 2.10 Dải năng lượng của bán dẫn loại Si pha tạp P (T = 00K) 15

Hình 2.11 Mạng tinh thể Si pha tạp chất B 16

Hình 2.12 Dải năng lượng của bán dẫn loại Si pha tạp P (T = 00K) 16

Hình 2.13 Mạch phân tử hữu cơ 17

Hình 2.14 Chuỗi polymer liên hợp 17

Hình 3.1 Xác suất các mức năng lượng bị chiếm ở nhi t độ T > 00K 19

Hình 3.2 Xác suất các mức năng lượng bị chiếm ở nhi t độ T = 00K 20

Hình 3.4 Nồng độ hạt tải khi cân bằng nhi t 21

Hình 3.4 Nồng độ electron và lỗ trống của bán dẫn loại n 22

Hình 3.5 Nồng độ electron và lỗ trống của bán dẫn loại n 22

Hình 4.1 Quá trình phát sinh và tái hợp 23

Hình 4.2: Tái hợp qua tâm bẫy 24

Hình 4.3: Tái hợp Auger 24

Hình 5.1 tiếp xúc p-n 27

Hình 5.2 phân cực thu n 28

Hình 5.3 Phân cực ngược 29

Hình 5.4: Đặc tu ến i-v 29

Hình 6.1 Cấu tạo lớp tiếp xúc dị thể và sự chênh l ch của vùng cấm 31

Hình 6.2 Giản đồ năng lượng của tiếp xúc dị thể p-p-n 31

Hình 6.3 Môi trường giam giữ hại tải 32

Hình 6.4 Sự giam giữ v định hướng photon 33

Lời nói đầu

Ngày nay, sự phát triển của ngành công nghi p đi n, đi n tử, đã cho chúng ta những công cụ, thiết bị có những tính năng cực kì hữu ích trong đời sống Bộ não hoạt động của các thiết bị đi n, đi n tử ngày nay đều li n quan đến chất bán dẫn V y chất bán dẫn là gì, và nhờ những tính chất nào mà bán dẫn được ứng dụng trong các linh ki n, thiết bị đấy

Trong khuôn khổ của bài này, chúng tôi sẽ giới thi u về chất bán dẫn và những tính chất của nó ứng dụng trong các lĩnh vực quang học, đi n học

Chương 1 Vùng Năng Lượng và Điện Tích Hạt Tải

Như đã thảo lu n ở phần những phần trước, chất bán dẫn là tinh thể hoặc là chất rắn vô định hình m độ dẫn đi n của nó nằm giữa kim loại và chất cách đi n

Độ dẫn đi n của nó có thể thay đổi đáng kể bởi khi giảm nhi t độ hoặc là giảm nồng

độ pha tạp trong v t li u, hay là khi bị chiếu sáng

1.1 Vùng Năng Lượng Trong Chất Bán Dẫn

Các nguyên tử bao gồm các v t li u bán dẫn có sự tương tác giữa các nguyên

tử đủ mạnh để nó không thể được xem như là một thực thể riêng lẽ Các electron dẫn của nó không bị ràng buộc vào các nguyên tử riêng lẽ mà nó thuộc về sự thu

nh n của các nguyên tử như l một tổng thể Giải phương trình Schrodinger cho năng lượng electron, trong thế tuần ho n được tạo bởi sự thu nh n nguyên tử trong mạng tinh thể, kết quả là có sự phân cắt mức năng lượng nguyên tử và hình thành vùng năng lượng Mỗi vùng chứa một lượng d đặc các mức năng lượng rời rạc do

đó nó xem như l li n tục Trong hình 16.1-1, vùng hóa trị và vùng dẫn bị chia ra bởi năng lượng vùng cấm Eg Eg có vai trò quan trọng trong vi c xác định tính quang v đi n của v t li u

Hình 1.1 Bán dẫn Silic và GaAs

Nguồn gốc của vùng cấm có thể được minh họa bằng mô hình Penny Trong lý thuyết thế của mạng tinh thể đơn giản, ở không gian 1 chiều được thể hi n trong hình 16.1-2(a), nó xấp xỉ với các thế rào cản vuông tuần hoàn 1 chiều trong hình 16.1-2(b) Vi c giải phương trình Schrodinger cho năng lượng thế này cho phép vùng năng lượng với sự di chuyển phân tán của sóng được tách ra bởi vùng cấm với sự phân rã phân tán theo hàm số mũ Từ đó, ta nh n thấy kết quả này

Kronig-là phổ biến v được áp dụng cho không gian 3 chiều Hàm riêng của sự di chuyển sóng là Bloch modes với sự tuần hoàn của mạng tinh thể

Hình 1.2 Năng lượng mạng tinh thể

1.2 Điện tử và lỗ trống

Hàm sóng của đi n tử trong chất bán dẫn xếp chồng l n nhau được xác định bằng nguyên lý loại trừ Pauli Nguyên lý này nói rằng không có 2 đi n tử nào có thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử và mức năng lượng thấp nhất sẽ được điền

đầ đầu tiên Các nguyên tố bán dẫn như Si v Ge đều có 4 đi n tử hóa trị, do đó hình thành nên liên kết cộng hóa trị Tại T = 0oK, vùng hóa trị được lấp đầy hoàn

to n trong khi đó thì vùng dẫn hoàn toàn trống rỗng V t li u không thể dẫn đi n trong điều ki n này

Tuy nhiên, khi nhi t độ tăng, một v i đi n tử có thể được kích thích nhi t từ vùng hóa trị vào vùng dẫn hoàn toàn trống Các đi n tử này có thể hoạt động như chất mang linh động, nó trôi qua mạng tinh thể dưới tác dụng đi n trường áp vào và góp v o trong dòng đi n Các đi n tử bắt đầu rời khỏi vùng hóa trị để lại các lỗ trống, v các đi n tử ở vùng này sẽ nhảy vào vị trí các lỗ trống đó Các lỗ trống mang đi n tích dương +e

Kết quả của các đi n tử kích thích sẽ tạo ra các đi n tử tự do ở vùng dẫn và các lỗ trống tự do ở vùng hóa trị Đi n tử và lỗ trống tự do sẽ trôi tự do dưới tác

dụng của đi n trường áp v o v do đó nó sẽ tạo ra dòng đi n Một v t li u được xem như l bán dẫn khi độ dẫn đi n của nó tăng với nhi t độ tăng

Hình 1.3 Đi n tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tại T>0oK

1.3 Sự tương quan giữa năng lượng và động lượng

Sư tương quan giữa năng lượng E v động lượng p trong vùng thế ổn định (không gian tự do) được thể hi n qua công thức:

mo: khối lượng electron (9.1x10-31kg)

Đồ thị biểu diển mối tương quan giữ E và k là một đường parabol đơn giản

Sự di chuyển của các đi n tử trong v t li u bán dẫn bị chi phối bởi phương trình Schrodinger, với đi n thế được sinh ra bởi sự tích đi n trong mạng tinh thể tuần hoàn của v t li u Như đã nói ở tr n thì vùng năng lượng bị tách ra bởi vùng cấm, điều này giống với sự ti n đoán của mô hình Kronig-Penny Sự tương quan E-

k của đi n tử, lỗ trống trong vùng hóa trị và vùng dẫn được minh họa trong hình 16.1-4 cho Si v GaAs Năng lượng E là một hàm tuần hoàn, gồm có: vector sóng k (k1,k2,k3), ( / , / a1  a2, / a3) trong đó a1, a2, a3 là hằng số mạng tinh thể Vector sóng k nằm trong vùng Brillouin thứ nhất, khoảng [  / ,a  / ]a Năng lượng đi n

tử trong vùng dẫn không chỉ phụ thuộc v o độ lớn của động lượng mà còn phụ thuộc v o hướng mà nó di chuyển trong tinh thể

Hình 1.4 Mặt cắt ngang của hàm E-k đối với Si và GaAs dọc theo 2 hướng:

[111] bên trái và [100] bên phải

1.4 Khối lượng hiệu dụng

Trong hình 16.1-4 ở gần đá của vùng dẫn, sự tương quan E-k xấp xỉ như một đường parabol:

mc hoạt động tương tự như các đi n tử tự do thì khối lượng đó gọi là khối lượng

hi u dụng của đi n tử, nó sẽ khác với khối lượng đi n tử tự do m0

Hình 1.5 Biểu đồ E-k của Si và GaAs giống đường parabol tại đá vùng dẫn

và ở đỉnh vùng hóa trị

Tương tự, tại đỉnh vùng hóa trị, ta có:

trong đó, Ev = Ec - Eg l năng lượng tại đỉnh vùng hóa trị và mv là khối lượng

hi u dụng của lỗ trống Khối lượng hi u dụng phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của

v t li u v hướng di chuyển đối với mạng khi khoảng cách giữa các nguyên tử thay đổi theo hướng tinh thể

Bảng 16.1-1 Giá trị khối lượng hi u dụng đặc trưng của đi n tử và lỗ trống trong v t li u bán dẫn

1.5 Bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp

Các chất bán dẫn có năng lượng vùng dẫn cực tiểu v năng lượng vùng hóa trị cực đại trong cùng một giá trị số sóng k thì được gọi là v t li u vùng cấm trực tiếp Còn các chất bán dẫn mà không thỏa điều ki n trên thì gọi là v t li u vùng cấm gián tiếp Ví dụ như trong hình 16.1-5, GaAs là chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp và Si

là chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp Chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp như GaAs là chất phát photon có hi u quả, trái lại, chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp như Si thì không phát photon hi u quả ở điều ki n thường

Chương 2 Vật Liệu Bán Dẫn

Hình 2.1 Các nguyên tố bán dẫn quan trọng trong bảng tuần hoàn

Ta sẽ lần lượt nói rõ về nguyên tố bán dẫn, chất bán dẫn gồm 2 (binary),3 (ternary),4 (quaternary) nguyên tố và bán dẫn tạp chất

Silicon (Si) và Germanium (Ge) là 2 nguyên tố bán dẫn quan trọng thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Hầu hết các mạch đi n tử và các thiết bị đều được chế tạo bằng Si Si v Ge cũng được ứng dụng rộng rãi trong photonics, chủ yếu là trong photodetectors Những v t li u truyền thống không được dùng trong chế tạo các cực phát quang bởi vì vùng cấm của chúng là vùng cấm gián tiếp

2.1 Binary III-V Semiconductors

Hình 2.2 Binary III-V Semiconductors

Các hợp chất được tạo ra do sự kết hợp của các nguyên tố nhóm III như aluminum (Al), gallium (Ga), hay là indium (In) với các nguyên tố nhóm như nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), ha l antimon (Sb) đều là những chất bán dẫn quan trọng trong photonics Có 12 hợp chất được tạo nên do sự kết hợp của các nguyên tố nhóm III-V; cùng với các thông tin về cấu trúc tinh thể (zincblende hoặc wurtzite), loại vùng cấm (direct hoặc indirect), năng lượng vùng cấm Eg và bước sóng vùng cấm g hc o/E g của chúng được thể hi n đầ đủ trong Hình 2.2 Năng lượng vùng cấm và hằng số mạng của những hợp chất đó được thể hi n trong hình 16.1-7 Nguồn photon (diodes và lasers phát quang) và detectors có thể được chế tạo từ nhiều hợp chất có hai thành phần Chất bán dẫn gồm hai thành phần đầu

ti n được sử dụng trong photonics l gallium arsenide (GaAs), đôi khi nó cũng được dùng để thay thế Si cho những mạch và thiết bị đi n tử nhanh Gallium nitride (GaN) đóng vai trò trung tâm trong photonics bởi vì chúng có ưu điểm l bước sóng vùng cấm nằm ở vùng gần tử ngoại; nó cũng quan trọng trong đi n tử bởi vì nó có khả năng chi u nhi t cao AlN là chất cách đi n nằm ở vùng giữa tử ngoại, có vùng cấm cao nhất trong tất cả các hợp chất III-V và phát photon ở bước sóng ngắn nhất

Hình 2.3 Các chất bán dẫn và cấu trúc năng lượng

Chú thích:

 aThể hi n cấu trúc tinh thể, với D = kim cương, Z = Zincblende, W =

Wurtzite

I = vùng cấm gián tiếp; D = vùng cấm trực tiếp

 cDữ li u thu được ở nhi t độ T = 300oK

thức g  hco / Eg, với năng lượng vùng cấm có đơn vị l e v bước sóng vùng cấm là m, khi đó g 1.24 /E g

2.2 Ternary III-V Semiconductors

Hình 2.4 Ternary III-V Semiconductors Hợp chất được tạo nên từ hai nguyên tố thuộc nhóm III với một nguyên tố nhóm V (hoặc một nguyên tố nhóm III với hai nguyên tố nhóm V) là những chất bán dẫn ba nguyên tố quan trọng (AlxGa1-x)As là hợp chất với đặc tính có thể nội

su được từ AlAs và GaAs, nó phụ thuộc vào tỉ l thành phần pha trộn x (số nguyên

n l 1.42 e đối với GaAs v 2.16 e đối với AlAs, v x tha đổi giữa 0 và 1 dọc theo đường kết nối GaAs v AlAs như trong hình 16.1-7 (a) Một hữu ích khác của hợp chất ba thành phần, chẳng hạn như Ga(As1-xPx), được thể hi n trong biểu đồ (hình 16.1-7(a)) mối tương quan giữa năng lượng vùng cấm và hằng số mạng (InxGa1-x)As được sử dụng rộng rãi cho các nguồn photon và detectors trong vùng phổ gần hồng ngoại Tương tự v y, (AlxGa1-x)N và (InxGa1-x)N là hai hợp chất bán dẫn ba thành phần quan trọng trong các thiết bị photonics, nó hoạt động trong vùng

tử ngoại; tím; xanh và xanh lá của quang phổ, điều n được suy lu n từ hình

16.1-7(b) Trong lĩnh vực đi n tử, Transistors dị lưỡng cực (InxGa1-x)As/InP có thể chuyển mạch với tốc độ l n đến 1THz, do đó, các hợp chất III-V có thể được dùng

để chế tạo các transistor phát quang cực nhanh

2.3 Quaternary III-V Semiconductors

Hình 2.5 Quaternary III-V Semiconductors Những hợp chất n được tạo nên bằng vi c kết hợp 2 nguyên tố nhóm III với

2 nguyên tố nhóm V (hoặc là kết hợp 3 nguyên tố nhóm III với 1 nguyên tố nhóm V) Chất bán dẫn bốn thành phần linh hoạt hơn so với chất bán dẫn ba thành phần trong vi c chế tạo các v t li u có tính chất mà ta mong muốn do nó có sự thêm vào của các mức tự do Ví dụ như In1-xGaxAs1-yPy, có năng lượng vùng cấm khoảng 0.36

e (InAs) đến 2.26 eV (GaP) và tỉ l thành phần pha trộn x v tha đổi giữa 0 và

1 Hằng số mạng thường tha đổi tuyến tính với tỉ l pha trộn (định lu t Vegard) Đường chấm chấm trong hình 16.1-7(a) chỉ ra phạm vi của vùng năng lượng và hằng số mạng được trải dài bởi hợp chất này Tỉ l pha trộn x và y thỏa mãn y = 2.16(1-x) thì In1-xGaxAs1-yPy có thể hợp mạng với InP Hợp chất bốn nguyên tố này được sử dụng trong vi c chế tạo các diode phát quang, diod lasers và photodetectors, đặc bi t là trong sợi quang học có bước sóng 1550-nm Một ví dụ khác là hợp chất (AlxInyGa1-x-y)P, hợp chất n phát ra độ sáng cao trong vùng quang phổ đỏ, cam và vàng Một v t li u bốn thành phần quan trọng khác nữa là hợp chất (AlxInyGa1-x-y)N, nó hoạt động trong vùng phổ xanh lá, xanh dương v tử ngoại Mẫu có tính thu n lợi trong hợp chất III-nitrides là sapphire và SiC

Các nguyên tố nhóm I cũng có thể được pha trộn để tạo nên hợp chất bán dẫn Hợp kim 2 nguyên tố silicon carbide (SiC), còn ha được gọi là carborundum,

có vùng cấm gián tiếp v được sử dụng hi u quả trong vi c chế tạo các photodetectors tử ngoại v nó cũng l mẫu của hợp chất III-nitride Silicon germanium (Si1-xGex) được ứng dụng nhiều trong đi n tử và photonics, bao gồm các

v t li u photodetector hồng ngoại Ngoài ra, các hợp chất bán dẫn ba và bốn thành phần cũng được ứng dụng rộng rãi như Si1-x-yGexCy và Si1-x-y-zGexCySnz

V t li u hai thành phần II-VI với hợp chất chất được tạo nên từ các nguyên

tố nhóm II (Zn, Cd, Hg) và nhóm VI (S, Se, Te) trong bảng tuần ho n cũng l những chất bán dẫn hữu ích, bao gồm: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe v HgTe được trình bày trong hình 16.1-8; tất cả những v t li u đó đều có cấu trúc zincblende và vùng cấm trực tiếp; ngoại trừ HgSe và HgTe, chúng là á kim với vùng cấm âm nhỏ Đặc bi t là ZnSe, nó có thể được phủ l n tr n đế GaAs với m t

độ khuyết t t thấp khi hằng số mạng của hai v t li u n tương đương nhau Hơn thế nữa, HgTe và CdTe gần như l hợp mạng, vì thế chất bán dẫn hai thành phần

HgxCd1-xTe có thể phát triển mà không gây ra sự căng tr n đế CdTe H thống v t

li u n được sử dụng rộng rãi trong vi c chế tạo các detectors photon Khác với các hợp kim thuộc nhóm III-V, các hợp chất thuộc nhóm II- I được tìm thấy nhiều trong tự nhiên, nhưng nguồn photon được chế tạo từ những v t li u này thì sẽ có tuổi thọ hạn chế Tuy nhiên, các v t li u bán dẫn gồm 2 nguyên tố II-VI có thể dể dàng tạo ra các quantum dots với sự điều chỉnh bước sóng mà hi n tượng phát sáng quang hóa phát ra Hợp chất bán dẫn ba thành phần như PbxSn1-xTe và PbxSn1-xSe cũng được sử dụng trong các photodetectors hồng ngoại và các diod laser Tuy nhiên, những hợp kim này có thời gian đáp ứng ch m do hằng số đi n môi của chúng lớn Nó cũng có h số giãn nở nhi t cao, do đó chu kì nhi t độ giữa nhi t độ phòng và nhi t độ đông lạnh còn khó hiểu

Hình 2.6 Năng lượng vùng cấm, bước sóng vùng cấm và hằng số mạng của Si,

Ge, SiC và 12 hợp chất hai nguyên tố III-V

V t li u ba thành phần được trình bày dọc theo đường thẳng nối 2 v t li u có 2 thành phần Hợp chất 4 thành phần l vùng được tạo ra bởi các hợp chất 2 thành phần (a) In1-xGaxAs1-yPy là vùng chấm chấm với các đỉnh tại InP, InAs, GaAs, và GaP, trong khi đó (AlxGa1-x)yIn1-yP l vùng được tô đen với các đỉnh tại AlP, InP và GaP AlxGa1-xAs l các điểm nằm dọc theo đường thẳng nối liền GaAs và AlAs H

số x tha đổi từ 0 đến 1 v điểm này sẽ di chuyển tr n đường thẳng từ 0 đến 1, khi đường thẳng này gần như thẳng đứng thì AlxGa1-xAs hợp mạng với GaAs (b) (InxGa1-x)N có thể điều chỉnh kết hợp để thích nghi với toàn bộ phổ của vùng nhìn thấ được InxGa1-xN được sử dụng trong vùng quang phổ m u xanh lá, xanh dương

v tím; trong khi đó AlxGa1-xN và AlxInyGa1-x-yN được dùng trong vùng tử ngoại Tất cả các thành phần của hợp chất III-Nitride đều là bán dẫn vùng cấm trực tiếp

Hình 2.7 Năng lượng vùng cấm, bước sóng vùng cấm và hằng số mạng của các chất bán dẫn II-VI (HgSe và HgTe là á kim với vùng cấm âm nhỏ)

HgTe và CdTe gần như l hợp mạng, vì đường thẳng dọc nối giữa chúng lại,

do đó chất bán dẫn 3 thành phần HgxCd1-xTe có thể phát triển m không l m căng trên mẫu CdTe

2.4 Bán dẫn tinh khiết

Hai chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thu t chế tạo linh ki n đi n

tử là Silicium và Germanium Xét bán dẫn điển hình là Si Mỗi nguyên tử Si có 4

đi n tử ở lớp ngoài cùng kết hợp với 4 đi n tử của 4 nguyên tử kế c n tạo thành 4 liên kết cộng hóa trị Hình thành mạng tinh thể Si bền vững Do đó ở nhi t độ thấp, tinh thể Si là chất cách đi n

Hình 2.8 Mạng tinh thể Si

Nếu tăng nhi t độ tinh thể, nhi t năng sẽ l m tăng năng lượng của các đi n tử

và bẽ gãy một số liên kết cộng hóa trị Đi n tử ở các nối gãy sẽ rời xa nhau và di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của đi n trường Để lại các lỗ trống tại các nối bị gãy

2.5 Bán dẫn pha tạp

Pha tạp vào bán dẫn Si thuần các nguyên tố nhóm III và V nhằm tha đổi nồng

độ hạt tải trong bán dẫn thuần Từ đó điều khiển các tính chất đi n và quang của bán dẫn

2.5.1 Bán dẫn pha tạp loại n

Pha tạp vào Si các nguyên tố nhóm V của bảng h thống tuần ho n như Nitơ (N), Photpho (P), Asenic (As) Bán kính các nguyên tử nguyên tố nhóm V gần bằng bán kính nguyên tử Si nên có thể thay thế cho các nguyên tử Si trong mạng tinh thể Điển hình như P, 4 đi n tử của P ở lớp ngoài cùng liên kết với 4 đi n tử của Si lân

c n hình thành nên các liên kết cộng hóa trị, còn một đi n tử liên kết yếu với nguyên tử P lớp ngoài cùng

Hình 2.9 Mạng tinh thể Si pha tạp nguyên tử P

Ở nhi t độ thấp, các liên kết hóa trị không bị bẽ gã , đi n tử có năng lượng nằm trong vùng hóa trị, trừ các đi n tử thừa không hình thành liên kết cộng hóa trị

sẽ hình thành mức năng lượng Donor nằm trong vùng cấm, cách vùng dẫn một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0.5 eV

Hình 2.10 Dải năng lượng của bán dẫn loại Si pha tạp P (T = 00K)

Khi tăng nhi t độ tinh thể, một số liên kết hóa trị bị gãy, làm xuất hi n lỗ trống trong vùng hóa trị v đi n tử trong vùng dẫn giống như bán dẫn thuần, các đi n tử ở mức Donor cũng nh n năng lượng trở th nh đi n tử dẫn Do đó ngu n tử pha tạp P

bị ion hóa

Nếu gọi ND là nồng độ nguyên tử P pha tạp, ta có :

(2.1) Với n : nồng độ đi n tử trong vùng dẫn

có năng lượng nằm trong dải hóa trị nhưng không hình th nh được liên kết

Hình 2.11 Mạng tinh thể Si pha tạp chất B

Ở nhi t độ thấp, tất cả đi n tử có mức năng lượng nằm trong vùng hóa trị Các đi n tử không tạo được liên kết sẽ hình thành mức năng lượng trống nằm gần đỉnh vùng hóa trị cách một khoảng nhỏ chừng 0

Hình 2.12 Dải năng lượng của bán dẫn loại Si pha tạp P (T = 00K)

Khi tăng nhi t độ tinh thể, một số đi n tử trong vùng hóa trị nh n năng lượng vượt qua vùng cấm lên vùng dẫn Đồng thời, có những đi n tử nh n năng lượng này nhảy lên vùng cấm, chiếm mức Acceptor v để lại lỗ trống trong vùng hóa trị

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

E g