Khảo sát hiệu ứng quang điện trong với quang trở cds

Khi hiệu ứng quang điện trong xảy ra, các điện tử linh động sẽ hấpthụ năng lợng ánh sáng và nhảy lên vùng dẫn qua vùng cấm, để lại trong vùnghoá trị một lỗ trống.. tử trong nguyên tử.Một

trờng đại học vinh khoa vật lý

Hiện tợng quang dẫn là hiệu ứng tăng độ dẫn  trong chất dẫn khi hấp thụ

ánh sáng Khi hiệu ứng quang điện trong xảy ra, các điện tử linh động sẽ hấpthụ năng lợng ánh sáng và nhảy lên vùng dẫn qua vùng cấm, để lại trong vùnghoá trị một lỗ trống Do đó số hạt tải trong tinh thể tăng lên, kết quả là độ dẫntăng theo

Các hiện tợng quang dẫn của các chất cũng nh ứng dụng của nó đã đợcnghiên cứu và đa vào ứng dụng từ rất lâu Tuy nhiên trong chơng trình học,hiện tợng quang dẫn của các chất cha đợc đề cập một cách có hệ thống vớithời lợng thỏa đáng về mặt lý thuyết cũng nh thực nghiệm

1

Chính vì vậy, cùng với sự giúp đỡ của thầy giáo – Th.s Nguyễn Văn Phú

tôi đã mạnh dạn đặt vấn đề “ Khảo sát hiệu ứng quang điện trong với quang trở CdS ’’ bằng bộ thí nghiệm Leyboyd - CHLB Đức Ngoài phần mở

đầu, kết luận, luận văn đợc chia làm hai chơng chính nh sau :

Chơng 1- Hiện tuợng quang dẫn trong chất bán dẫn

Nội dung chơng này là trình bày các khái niệm, cơ sở những đặc trng vàphân loại chất bán dẫn Trình bày các hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứngquang điện trong

Chơng 2- Khảo sát hiệu ứng quang điện trong với quang trở CdS

Trong chơng này trình bày các kết quả thí nghiệm hiệu ứng quang điệntrong với quang trở CdS

Chơng I: Hiện tợng quang dẫn trong chất bán dẫn

1 Một số tính chất điện - quang của chất bán dẫn

1.1 Khái niệm

1.2 Vật liệu dẫn điện và độ dẫn điện

1.3 Khái quát về cấu trúc vùng năng lợng

1.3.1 Mạng tinh thể tuần hoàn

1.3.2 Véc tơ cơ sở ô mạng đảo

1.3.3 Khái niệm cấu trúc vùng năng lợng trong các chất bán dẫn

1.3.4 Thế năng và động năng của hạt tải trong vùng năng lợng

1.4 Hàm Fermi - Dirac

2 Phân loại

2.1 Bán dẫn thuần

2.2 Bán dẫn loại n và nguyên tử donor

2.3 Bán dẫn loại p và nguyên tử Acceptor

2.4 Bán dẫn bù trừ

2.5 Bán dẫn suy biến

1222244466799111213131517192123252627

3 Đặc điểm của vật liệu bán dẫn quang

4 Hiệu ứng quang điện ngoài

5 Hiệu ứng quang điện trong

5.1 Quang dẫn riêng và quang dẫn tạp chất

5.2 Thời gian sống của hạt tải d

chơng i hiện tợng quang dẫn trong chất bán dẫn

1 Một số tính chất điện - quang của vật liệu bán dẫn

1.2 Vật liệu bán dẫn và độ dẫn điện

3

Tất cả các dụng cụ bán dẫn, bán dẫn quang điện trở cũng nh các vimạch… đều đợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ởnhững điều kiện nhất định nó trở thành dẫn điện, còn ở những điều kiện khác lại

là cách điện Đặc điểm nổi bật của vật liệu bán dẫn là điện trở suất giảm khinhiệt độ tăng Mỗi loại vật liệu bán dẫn có một khoảng nhiệt độ giới hạn, cáclinh kiện làm nên vật liệu bán dẫn cũng chỉ hoạt động trong dãy nhiệt độ này

Điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và sai hỏng củamạng tinh thể bán dẫn Nh vậy, một trong các đặc tính quan trọng nhất của vậtliệu bán dẫn là tính điều khiển đợc về nồng độ hạt tải dới tác động của một sốkích thích bên ngoài Dựa trên cơ sở đó, linh kiện bán dẫn, linh kiện bán dẫnquang điện tử đợc chế tạo ra có tính điều khiển đợc về dòng điện

* Về độ dẫn điện:

Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hay hợp chất của hai hay nhiềunguyên tố ( Si, Ge, GaAs, GaP…) chúng có độ dẫn điện nằm trongkhoảng  = 10-8 10-4 [.m]-1, còn độ dẫn điện của vật liệu cách điện ( thạchanh, kim cơng…) nằm trong khoảng  = 10-18 10-8 [.m]-1 Vật liệu dẫn

điện bằng kim loại ( Cu, Al, Fe, Ni…) có độ dẫn điện lớn nhất là  =

104 108 [.m]-1

Tinh thể bán dẫn bao gồm nhiều nguyên tử sắp xếp theo một quy luậtnhất định Lực liên kết tơng hỗ khiến các nguyên tử có những vị trí xác địnhtrong tinh thể Để nghiên cứu mô hình vùng năng lợng của tinh thể bán dẫn,cần biết về mô hình cấu tạo của từng nguyên tử Nếu xét từng nguyên tử đứng côlập, mô hình của nó coi nh gồm một hạt nhân tích điện dơng nằm ở giữa baoquanh là các điện tử Số điện tích dơng của hạt nhân bằng số điện tử bao bọcquanh hạt nhân, do đó nguyên tử trung hoà về điện Những điện tử nằm xungquanh hạt nhân chiếm những trạng thái năng lợng nhất định Những điện tử nằmngoài cùng có tơng tác yếu với hạt nhân nhất, chúng có vai trò quyết định tới các

đặc tính hoá học, điện học… của nguyên tử Những điện tử này đợc gọi lànhững điện tử hoá trị

Theo cơ học lợng tử, vị trí của điện tử có thể xác định bằng bốn chỉ số ợng tử sau:

Số lợng tử chính ( n ) lấy giá trị:1, 2, 3, …, n Hoặc có khi dùng các chữtơng ứng: K, L, M, N, …

Số lợng tử quỹ đạo ( l ) lấy giá trị: 0, 1, 2, …, ( n-1) Hoặc dùng các kýhiệu: s, p, d, f…

tử trong nguyên tử.

Một kết quả quan trọng của việc ứng dụng cơ học lợng tử là đã mô tả các

điện tử trong chất bán dẫn, chất rắn có các mức năng lợng cho phép tạo thànhtừng vùng năng lợng Các vùng mà ở đó năng lợng của điện tử trong chất rắnkhông đợc phép nằm trong đó gọi là vùng cấm Các lớp điện tử ở lớp vỏ ngoàicùng, các điện tử hoá trị có ở trong trạng thái năng lợng thấp nhất của chúng.Vùng tạo bởi các trạng thái này gọi là vùng hoá trị

1.3 Khái quát về cấu trúc vùng năng lợng

1.3.1 Mạng tinh thể tuần hoàn

Chúng ta đã biết, tinh thể bán dẫn là tinh thể có cấu trúc mà ở đó cácnguyên tử đợc sắp xếp trong các khối cơ sở có tính tuần hoàn lặp lại giống nhautheo ba chiều Nh vậy tinh thể đợc cấu tạo bởi các khối giống nhau, mỗi khối cómột hay một nhóm nguyên tử Trong các tinh thể tự nhiên sự đối xứng tinh thể

là đặc điểm mang tính bản chất Để hiểu và xác định tính chất của tinh thể tuầnhoàn cần hiểu rõ các khái niệm về mạng tinh thể và ô cơ sở Mạng tạo nên bởimột loạt các điểm trong không gian, mạng này có cấu trúc tuần hoàn gọi làmạng tinh thể Một khối cấu thành từ các nguyên tử đợc gọi là ô cơ sở có liênquan mật thiết tới các điểm của mạng tinh thể tạo nên cấu trúc tinh thể

1.3.2 Véc tơ cơ sở ô mạng đảo

Ô cơ sở của một mạng tinh thể nào đấy là ô có thể tích nhỏ nhất đại diệncho toàn mạng tinh thể Cạnh của ô cơ sở là hằng số mạng Có ba véc tơ cơ sởgốc a1, a2, a3 mô tả một tinh thể rắn sao cho cấu trúc tinh thể đợc giữ không thay

đổi khi có sự biến đổi qua bất kỳ véc tơ nào, mà véc tơ này là tổng của một sốlần của các véc tơ cơ sở Về mặt toán học có thể khái quát nh sau: có loại véc tơcơ sở a1, a2, a3 sao cho một điểm bất kỳ nào của mạng có khả năng nhận đợc từmột điểm R khác bất kỳ nào của mạng bằng một phép tịnh tiến:

R = m1a1+ m2a2+ m3a3 (1)

Trong đó m1, m2, m3 là các số nguyên Cách mô tả này là cách mô tả ápdụng cho mạng tinh thể trực tiếp Phần lớn các bán dẫn quan trọng có cấu trúc

5

mạng kim cơng hoặc giả kẽm, các mạng này có ô mạng tứ diện, nghĩa là mỗinguyên tử đợc bao quanh bởi bốn nguyên tử gần nhất tơng ứng Những nguyên

tử này nằm tại góc của tứ diện Một mạng nh thế gọi là mạng Brawai Nh vậy,mạng bao gồm các khối ô cơ sở giống nhau, đỉnh các khối ô là các điểm khônggian gọi là nút mạng, chúng tạo nên cấu trúc tinh thể ( các véc tơ a1, a2, a3 đ-

ợc gọi là các véc tơ cơ sở ) Trong thực tế để cho thuận tiện trong giải toán vàbiểu diễn một số bài toán, nhất là bài toán về vùng năng lợng ngời ta đa vào kháiniệm mạng đảo và sử dụng mạng đảo trong tính toán Nó đợc định nghĩa thôngqua đại lợng G đợc xác định theo công thức:

G = n1

* 1

a + n2

* 2

a + n3

* 3

a

Trong đó: n1, n2, n3 là các số nguyên

* 1

a =2

3 2 1

3 2

] [a a a

a a

, a*2= 2

3 2 1

3 2

] [a a a

a a

, a3*= 2

3 2 1

3 2

] [a a a

a a

1.3.3 Khái niệm cấu trúc vùng năng lợng trong chất bán dẫn

Cấu trúc vùng năng lợng của một chất rắn tinh thể chính là mối quan hệgiữa năng lợng và động lợng, về mặt toán học có thể biểu diễn bằng mốiliên hệ ( E - k ) Cấu trúc vùng năng lợng thờng nhận đợc khi giải phơng trìnhSchrodinger cho bài toán gần đúng một điện tử Tiên đề Bloch, một trong nhữngtiên đề quan trọng nhất làm cơ sở cho cấu trúc vùng năng lợng khẳng định rằngnếu năng lợng thế năng V(r) là có tính chu kỳ theo sự tuần hoàn của mạng tinhthể thì các lời giải K(r) của phơng trình ( S ) sẽ có dạng:

n: Ký hiệu của dải vùng năng lợng thứ n.

Từ tiên đề Bloch ngời ta đã chỉ ra rằng năng lợng EK là tuần hoàn trongmạng đảo, nghĩa là:

Ek =Ek+G (4)

Đối với một vùng năng lợng xác định, nghĩa là với n xác định, để ký hiệunăng lợng độc nhất, có một cách biểu diễn rất thuận lợi, đó là sử dụng đại lợng ktrong ô cơ sở của mạng đảo để biểu diễn Giá trị của k có thể xác định theo biểuthức:

1.3.4 Thế năng và động năng của hạt tải trong vùng năng lợng

Giản đồ vùng năng lợng đợc vẽ minh hoạ trên hình vẽ ( 1.3 ) biểu thị độlớn năng lợng của điện tử và lỗ trống Khi năng lợng của điện tử tăng lên,

nó sẽ chiếm vị trí cao hơn trong giản đồ vùng năng lợng Khi nói năng lợng của

lỗ trống tăng lên thì điều đó có nghĩa là năng lợng của các điện tử khác trongvùng hoá trị tăng lên Nh vậy một số điện tử chiếm vị trí cao hơn trong giản đồvùng năng lợng

Hình 1.3 Sơ đồ minh họa năng lợng điện tử và lỗ trống trong giản đồ

năng lợng.

Do vậy, trong vùng hoá trị sự tăng năng lợng của lỗ trống đợc biểu diễnbởi sự chuyển động của lỗ trống xuống phía dới Mức thấp nhất trong vùng dẫnứng với năng lợng của điện tử đứng yên Năng lợng của điện tử đứng yên chính

là thế năng của điện tử Mức năng lợng tại đáy của vùng dẫn EC tơng ứng với thếnăng của điện tử Tơng tự mức năng lợng tại đỉnh vùng hoá trị EV là ứng với thế

năng của lỗ trống Nếu điện tử ở mức năng lợng cao hơn EC thì các điện tử và lỗtrống mà có động năng bằng hiệu giữa các năng lợng của chúng và năng lợngứng với mép vùng tơng ứng

1.4 Hàm Fermi - Dirac

Phân bố năng lợng của các điện tử trong chất rắn tuân theo các quy luậtcủa thống kê Fermi – Dirac Phân bố Fermi - Dirac cho biết xác suất mà mộttrạng thái điện tử có năng lợng E bị chiếm bởi một điện tử Hàm này chứa thông

số EF, đợc gọi là mức Fermi Định nghĩa chặt chẽ về mức Fermi chính là thếnăng hoá học của các điện tử trong chất rắn Khái niệm mức năng lợng Fermi có

ý nghĩa quan trọng đặc biệt trong lý thuyết bán dẫn Đặc tính dẫn điện của bándẫn phụ thuộc nhiều vào nồng độ tích điện trong bán dẫn

Theo lý thuyết thống kê Fermi - Dirac, xác suất điện tử trong bán dẫnchiếm chỗ tại mức năng lợng E sẽ là:

E E exp 1

1

B F

(1.4.1)

Trong đó: kB - Là hằng số Boltzman

T - Nhiệt độ tuyệt đối

EF - Là mức năng lợng Fermi

Từ phơng trình (1.4.1) ta thấy ngay mức năng lợng Fermi chính là mức

năng lợng tại đó xác suất điện tử chiếm chỗ bằng

phụ thuộc vào nhiệt độ

Những bán dẫn mà mức Fermi dịch lên phía đáy vùng dẫn hoặc dịchxuống phía đỉnh vùng hoá trị nhng vẫn luôn cách chúng một khoảng lớn hơn2kBT gọi là những bán dẫn không suy biến Khi ấy xác suất chiếm mức năng l-ợng của điện tử và lỗ trống có thể viết gần đúng nh hai phơng trình sau:

F(E) = exp(

T k

E E

B F

E E

B F



 ) (1.4.3)

Khi pha tạp chất với loại dẫn khác nhau ( loại n, p ) với nồng độ khácnhau thì mức Fermi cũng thay đổi khác nhau Trong bán dẫn thuần, số các trạngthái năng lợng trong vùng dẫn và vùng hoá trị bằng nhau và nếu số các điện tửtrong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị cũng bằng nhau thì mức Fermiphải nằm ở giữa vùng cấm Tuy nhiên, trong thực tế mức Fermi nằm gần giữavùng cấm, mức này gọi là mức Fermi thuần và đợc ký hiệu bằng Ei

Trong bán dẫn loại n, nồng độ các điện tử trong vùng dẫn lớn hơn so vớitrờng hợp bán dẫn thuần Tuy nhiên, do mật độ các trạng thái năng lợng trongvùng dẫn cũng giống nh trong trờng hợp thuần, cho nên mức Fermi trong bándẫn loại n và cùng với nó là toàn bộ phân bố Fermi - Dirac sẽ dịch lên phía trên.Ngợc lại, trong bán dẫn loại p thì lại bị dịch xuống phía dới

a) Định nghĩa: Là các chất bán dẫn mà ở mỗi nút mạng tinh thể của nó chỉ có

nguyên tử của một loại nguyên tố.VD: Ge, Si, Se…

Xét cấu trúc của nguyên tử Ge biểu diễn trong không gian 2 chiều

Hình 2.1.1 Cấu trúc của tinh thể Ge

Gecmani có tổng số 32 điện tử bên trong cấu trúc nguyên tử của nó, Si có

14 điện tử Chúng đều là các nguyên tử thuộc nhóm IV và chúng có hoá trị

4, nh vậy chúng đều có 4 điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng Trong mạng tinh thểmỗi nguyên tử Ge sẽ góp 4 điện tử của mình liên kết cộng hoá trị với 4 điện tửhoá trị của 4 nguyên tử kế cận sao cho mỗi nguyên tử đều có hoá trị 4 Hạt nhânbên trong của nguyên tử Ge mang điện tích +4 Lực liên kết giữa các nguyên tử

kế cận nhau đợc hình thành bởi các nguyên tử Ge góp chung một điện tử hoá trịcủa nó vào liên kết với 1 trong 4 nguyên tử lân cận gần nhất Nh vậy các điện tửhoá trị ở bên trong liên kết cộng hoá trị giữa một nguyên tử với một nguyên tửbên cạnh là nguyên nhân mà các điện tử hoá trị liên kết rất chặt chẽ với hạtnhân Do đó, mặc dù có sẵn 4 điện tử hoá trị nhng tinh thể bán dẫn có độ dẫn

điện thấp

ở 0 K, vùng hoá trị bị chiếm hoàn toàn, vùng dẫn ở trên vùng hoá trị thì

bị rỗng Khoảng Eg trống, cho nên ở 00K cấu trúc lý tởng là gần đúng và tinh thểbán dẫn nh là một chất cách điện và nó không dẫn điện

Khi tăng nhiệt độ, một số điện tử ở vùng hoá trị đ ợc kích thíchnhiệt, thu năng lợng đủ để vợt qua vùng cấm, chuyển lên vùng dẫn( hình 2.1.2b ) Kết quả là trong vùng dẫn xuất hiện điện tử tự do, và

để lại trong vùng hoá trị các mức năng lợng lỗ trống mà các điện tử ở vùngnày có thể chuyển lên Lúc này, nếu đặt vào tinh thể một điện trờng thì xuất hiện

+4

4444444444

+4

+4 +4

chuyển động có hớng của điện tử ở cả vùng dẫn và vùng hoá trị, dẫn đến sự xuấthiện dòng điện Tinh thể trở thành dẫn điện.

Hình 2.1.2 Sơ đồ cấu trúc vùng năng lợng của bán dẫn thuần

ở đây một số điện tử bứt ra khỏi liên kết cộng hoá trị của mình và dichuyển hỗn loạn trong toàn mạng tinh thể Năng lợng EC cần thiết để phá vỡ liênkết cộng hoá trị khoảng 0,72 eV đối với Ge ở nhiệt độ phòng Vị trí thiếu một

điện tử trong liên kết cộng hoá trị biểu diễn bằng vòng tròn nhỏ gọi là lỗtrống, thành phần dòng lỗ trống trong vùng hoá trị này tham gia vào quá trìnhdẫn điện nói chung Nh vậy, trong bán dẫn thuần có hai loại hạt tải điện: điện tử

và lỗ trống, mật độ của chúng ngang bằng nhau, mức Fermi trong bán dẫn thuầnnằm ở giữa vùng cấm

2.2 Bán dẫn loại n, nguyên tử donor

Giả sử trong tinh thể Ge có một số nguyên tử Ge đợc thay thế bằngnguyên tử As, hoá trị 5, Ge có cấu trúc mạng kim cơng, trong đó mỗi mộtnguyên tử đợc bao quanh bởi 4 nguyên tử gần nhất với liên kết cộng hoá trị

Để thiết lập liên kết với nguyên tử Ge lân cận, 4 điện tử hoá trị của As đãtham gia vào, điện tử thứ 5 không tham gia vào liên kết và chuyển động trong tr-ờng của nguyên tử As đã bị yếu đi  =16 lần (  - Độ thẩm điện của Ge )

Vùng hoá trị

EcEd

Ev

Ege

5

a) (c)

Hình 2.2.1 Tinh thể Ge với As

Do sự yếu đi của trờng, bán kính quỹ đạo của điện tử tăng lên 16 lần,

còn năng lợng liên kết của nó với As giảm đi 2=256 lần, tức là Eđ 

0,01 eV Khi truyền cho điện tử năng lợng bằng năng lợng Eđ này, nó tách khỏi

nguyên tử As và nó có khả năng chuyển động tự do trong mạng Ge, trở

thành dẫn điện ( hình 2.2.1.b ) Theo lý thuyết vùng, có thể diễn đạt quá

trình này nh sau:

Trong vùng cấm, giữa vùng hoá trị và vùng cấm có mức năng lợng của

điện tử thứ 5 của nguyên tử As Mức này nằm gần đáy vùng dẫn Ec cách đáy

khoảng Eđ  0,01eV Khi truyền cho tinh thể năng lợng Eđ, các điện tử ở mức

tạp chất sẽ chuyển lên vùng cấm và tham gia vào sự dẫn điện ( hình 2.2.1 c )

Lúc này, nguyên tử As trở thành Ion dơng donor As+ định xứ ở nguyên tử As

không chuyển động và không tham gia vào dẫn điện Mức Fermi của bán dẫn

loại n đợc dịch lên phía trên gần mép vùng dẫn phụ thuộc vào độ lớn của nồng

độ hạt tải loại n

2.3 Bán dẫn loại p và nguyên tử Acceptor

Giả sử đa vào trong mạng Ge một lợng nguyên tử thay thế In hoá trị 3

(hình.2.3.1.a)

Hình 2.3.1 Tinh thể Ge với In

Để tạo thành liên kết với 4 nguyên tử gần nhất thì nguyên tử In cần phải

nhận thêm một điện tử nữa, điện tử này chỉ có thể bắt từ nguyên tử Ge

Tính toán đã chỉ ra để thực hiện đợc việc đó, cần phải có năng lợng ion

hoá bậc Ea= - 0,1eV lỗ trống Một liên kết đợc tạo ra phù hợp với sự tạo thành

một trạng thái trống trong vùng hoá trị Ge (hình2.3.1.b) mô tả cấu trúc của Ge

+4

a)

c)b)In

có chứa tạp chất In, ở đỉnh vùng hoá trị một năng lợng Ea 0,01eV có một mứcnăng lợng bị chiếm không đầy bởi các nguyên tử In.

Sự có mặt của mức Ea trong vùng cấm ở đỉnh vùng hoá trị dẫn đến hiện ợng là ở nhiệt độ tơng đối thấp, các điện tử từ vùng hoá trị chuyển lên mức tạpchất ( hình 2.3.1.c ) và liên kết với nguyên tử In để tạo thành ion âm In, hay gọi

t-là Acceptor, không có khả năng dịch chuyển trong mạng Ge, không tham giavào sự dẫn điện Hạt mang điện là lỗ trống xuất hiện vùng hoá trị

Mức Fermi của bán dẫn loại p đợc dịch xuống phía dới gần mép vùng hoátrị, phụ thuộc vào độ lớn của nồng độ hạt tải loại p Trong bán dẫn loại p, số l-ợng lỗ trống nhiều hơn so với điện tử Bởi vậy trong bán dẫn loại p thì lỗ trống làhạt dẫn đa số còn điện tử là hạt dẫn thiểu số Tính dẫn điện của bán dẫn loại p

do lỗ trống quyết định

2.4 Bán dẫn bù trừ

Trong thực tế rất nhiều trờng hợp trong bán dẫn cùng chứa đựng cả hailoại tạp chất n và p với các nồng độ khác nhau Khi đó nồng độ hạt tải tổng cộngcủa chúng bù trừ nhau, loại bán dẫn nào có nồng độ lớn hơn thì sau khi bù trừ sẽlớn hơn Bán dẫn có đặc điểm nh thế này đợc gọi là bán dẫn bù trừ Trongchuyển tiếp P-N, tại chính vị trí miền chuyển tiếp số lợng hai loại hạt tải bằngnhau, hiệu của chúng p – n = 0

2.5 Bán dẫn suy biến

Trong thực tế khi pha tạp chất loại n với nồng độ cao ( thờng nồng độ tạpchất trên 1019 hạt/cm3 ) thì mức Fermi có thể dịch lên gần mép vùng cấm hoặc cóthể xâm nhập vào trong vùng dẫn Khi pha tạp chất loại p với nồng độ cao mứcFermi dịch xuống phía dới gần mép vùng hoá trị hoặc nằm vào trong vùng hoátrị Trong trờng hợp này thì tính chất của bán dẫn thay đổi nhiều Một số tínhchất giống kim loại xuất hiện Độ rộng vùng cấm có thể bị thu hẹp lại, hàmphân bố Fermi không còn phù hợp trong trờng hợp này Bán dẫn kiểu nàygọi là bán dẫn suy biến

Giản đồ vùng năng lợng của bán dẫn thuần, bán dẫn loại n, bán dẫn loại

p, đợc miêu tả trên (hình 2.5.1.a,b,c)

13

Hình 2.5.1 Giản đồ năng lợng, mật độ các trạng thái trong vùng dẫn-vùng

dẫn thuần, loại n và loại p theo thứ tự từ trên xuống dới.

3 Đặc điểm của vật liệu bán dẫn quang

Chất bán dẫn đợc dùng để chế tạo nguồn ánh sáng cần phải có vùngcấm tái hợp trực tiếp Trong chất bán dẫn các điện tử và lỗ trống có thể táihợp trực tiếp với nhau qua vùng cấm mà không cần một hạt thứ 3 nào để bảotoàn xung lợng Chỉ trong các vật liệu có vùng cấm trực tiếp hiện t ợng tái

hợp bức xạ mới có hiệu suất cao để tạo ra mật độ phát xạ quang thích hợp.Mặc dù không có một đơn tinh thể bán dẫn nào có vùng cấm tái hợp trựctiếp, nhng các hợp chất thuộc nhóm III và nhóm IV có thể cho ta vật liệu cóvùng cấm tái hợp trực tiếp Đây là các vật liệu đợc tạo nên từ sự liên kết củacác nguyên tố nhóm III ( Al, Ga hoặc In ) và các nguyên tố nhóm V ( p, As,

Sb,…) Sự liên kết ba và bốn thành phần các hợp chất đôi của các nguyên tốnày cũng là các vật liệu rất thích hợp cho các nguồn ánh sáng

Để có phổ trong vùng từ 800  900 nm, vật liệu sử dụng là hợp kim 3thành phần AlxGa1-xAs Tỉ lệ x nhóm ( Al ) và galium asenic ( GaAs ) xác

định độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn và tơng ứng xác định bớc sóng đỉnhcủa phát xạ bức xạ đỉnh Điều này mô tả ở ( hình 3.1)

Giá trị x để cho vùng hoạt động của vật liệu đợc lựa chọn thờng xuyên

đạt đợc bớc sóng là 800 nm đến 850 nm ở các bớc sóng dài hơn thì chất 4thành phần In1-xGaxAsYP1-Y là một trong các vật liệu cơ bản đợc sử dụng.Bằng sự thay đổi tỷ lệ phân tử gam x và y trong vùng hoạt động, các điốtphát quang ( LED ) có thể tạo ra công suất đỉnh phát ra ở b ớc sóng bất kỳgiữa 1m và 1,7m Để đơn giản ký hiệu GaAlAs và InGaAsP một cáchtổng quát khi không cần nói rõ giá trị x và y cũng nh ký hiệu khác nhAlGaAs (AlGa)As, … InXGa1-XP1-Y … Các chất GaAlAs và InGaAsP đợcchọn để chế tạo nguồn sáng sử dụng chất bán dẫn ( laser bán dẫn ) vì nó cóthể phù hợp với các tham số mạng tinh thể của giao diện cấu trúc dị thể bằngviệc sử dụng mối liên kết chính xác các vật liệu 2, 3 và 4 thành phần

Hình 3.1: Bề rộng vùng cấm, bớc sóng của chất bán dẫn

15

Các yếu tố này ảnh hởng trực tiếp đến hiệu suất bức xạ, tuổi thọ củanguồn sáng.

Quan hệ lợng tử giữa năng lợng E và tần số  đợc xác định theo :

4 Hiệu ứng quang điện ngoài

Hình 4.1: Thí nghiệm hiện tợng quang điện

* Dụng cụ thí nghiệm

+ Bình thuỷ tinh, phía trên có một cửa sổ quang học để rọi ánh sáng vào + Điện cực Anốt và Katốt

về Anốt (A) dới tác dụng của điện trờng giữa Avà K tạo thành dòng điện trongmạch Dòng điện đó gọi là dòng quang điện Các electron đợc giải phóng rakhỏi Katốt đợc gọi là electron quang điện

Khi thay đổi điện thế U giữa hai bản cực K và A ng ời ta nhận thấy

cờng độ của dòng quang điện cũng thay đổi theo.

ia = f(U AK )

Đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của cờng độ dòng quang điện vào hiệu

điện thế giữa K và A đợc gọi là đờng đặc trng Vôn - Ampe

* Nhận xét Khi tăng hiệu điện thế UAK thì dòng quang điện cũng tăng theo đến giá trị

UAK > U0 thì dòng quang điện không tăng nữa mặc dù tăng U

17

Giá trị lớn nhất của dòng quang điện ia = imax = i0 gọi là dòng điện bãohoà, nó đợc xác định bởi số quang electron đi đến các Anốt trong đơn vị thờigian

I0 = n.e (4.1)

Trong đó: n - số quang electron đến Anốt trong đơn vị thời gian,

e - điện tích electron

Ngay khi UAK = 0 thì dòng quang điện vẫn xuất hiện ở trong mạch ia0

Điều đó chứng tỏ các quang electron khi đợc giải phóng ra khỏi K đã có sẵn

là thay đổi nhng dạng đờng đặc trng Vôn - Ampe không thay đổi

d) Các định luật quang điện

* Định luật 3

Đối với chùm sáng có bớc sóng thỏa mãn định luật quang điện 1 thìcờng độ dòng quang điện bão hoà tỉ lệ với cờng độ của chùm sáng màKatốt nhận đợc

5 Hiệu ứng quang điện trong

Thực nghiệm ngời ta cho thấy khi chiếu ánh sáng có bớc sóng thích hợpvào bán dẫn, các electron liên kết yếu với nút mạng tinh thể đợc giải phóng vàtrở thành các electron tự do Hiện tợng này đợc gọi là hiện tợng quang dẫn hayhiệu ứng quang điện trong

Rõ ràng là khi xảy ra hiệu ứng quang điện trong đặc tính dẫn điện củachất bán dẫn đã thay đổi khi đó độ dẫn điện thì tăng lên còn điện trở giảmxuống

( do các electron chuyển động dễ dàng hơn )

Dựa vào hiệu ứng quang điện trong ngời ta chế tạo ra các quang điệntrở, pin quang điện…

Sơ đồ cấu tạo của 1 quang trở đợc biểu diễn trên ( hình 5.1)

Hình 5.1 Sơ đồ cấu tạo của quang trở

* Lớp 1: Đế cách điện

* Lớp 2: Chất bán dẫn

Mạch ngoài đợc nối với nguồn không đổi và 1 điện kế nhạy (G)

Khi trên lớp bán dẫn cha có ánh sáng rọi vào, trong mạch đã có một dòng

điện bé gọi là dòng tối, dòng tối phụ thuộc vào điện trở thuần của quang điện trở

và vào hiệu điện thế đặt vào giữa hai cực điện Khi rọi ánh sáng vào chất bándẫn, độ dẫn điện của quang trở tăng lên, dòng quang điện trong mạch cũng tăng

19