Khảo sát các đặc trưng của quang trở sunfua cadimi cds

Trong những thập niờn gần đõy, những thành tựu về vật liệu bỏndẫn đó dẫn đến sự phỏt triển một lĩnh vực rộng lớn của những linh kiện điện tử, vi điện tử, quang điện tử.. Nhằm gúp phần tỡ

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS NGUYỄN VĂN PHÚ

đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

và làm luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lý, cán

bộ phòng thí nghiệm quang phổ, đặc biệt là các anh chị cao học đã nhiệt tìnhgiảng dạy, giúp đỡ tôi hoàn thàn đề tài này

Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn bạn bè, gia đình đã giúp đỡ và độngviên góp ý kiến cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn

MỞ ĐẦU

Vật liệu bỏn dẫn được biết đến từ rất lõu, năm 1874 Braun đó phỏt hiện

ra tớnh chỉnh lưu của tiếp xỳc kim loại với tinh thể sulfua kim loại một loạitinh thể bỏn dẫn Từ đú đến nay vật liệu bỏn dẫn là đối tượng nghiờn cứuđược tập trung chỳ ý nhiều nhất và ngày càng được ứng dụng rộng rói Người

ta đó sử dụng cỏc vật liệu bỏn dẫn trong cỏc thiết bị đo đạc, trong cụng nghệsinh học, trong y học, trong cỏc ngành cụng nghiệp Ngày nay nghiờn cứu vậtliệu khụng chỉ là nghiờn cứu cấu trỳc, cỏc tớnh chất, cụng nghệ chế tạo, tạohỡnh mà cũn là nghiờn cứu, xỏc định những quy luật và mối quan hệ giữa cỏcyếu tố đú để tiến tới “thiết kế” chế tạo ra những vật liệu bỏn dẫn cú những đặctớnh mong muốn Vật liệu bỏn dẫn thực sự đó làm một cuộc cỏch mạng trongcụng nghiệp điện tử cũng như trong nhiều ngành khoa học, kỹ thuật và cụngnghiệp khỏc Trong những thập niờn gần đõy, những thành tựu về vật liệu bỏndẫn đó dẫn đến sự phỏt triển một lĩnh vực rộng lớn của những linh kiện điện

tử, vi điện tử, quang điện tử

Nhằm gúp phần tỡm hiểu về mặt vật lý của chất bỏn dẫn cũng như cỏcđặc trưng của một linh kiện bỏn dẫn cụ thể, bằng bộ thí nghiệm Leyboyd -

CHLB Đức, trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề “Khảo sát các đặc trng của quang trở sunfua cadimi - CdS’’ Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn

đợc chia làm hai chơng chính nh sau :

Chương 1- Tổng quan về chất bỏn dẫn Nội dung chương này trỡnh bày cỏc khỏi niệm, những đặc trưng cơ bản và phõn loại vật liệu bỏn dẫn Chương 2- Khảo sỏt thực nghiệm cỏc đặc trưng của quang trở sunfua cadimi Chương này trỡnh bày cỏc kết quả thực nghiệm về cỏc đặc

trưng của quang trở làm bằng vật liệu CdS

Vinh, thỏng 5, năm 2010

Sinh viờn thực hiện

Hà Thị Tố Như

2 Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn

Lý thuyết tính toán dựa trên hai mô hình gần đúng: “mô hình điện tử gần

tự do” và “mô hình điện tử liên kết mạnh” đều đưa đến một kết quả là phổnăng lượng của điện tử trong tinh thể có dạng những vùng cho phép xen kẽnhững vùng cấm Bán dẫn là những chất có phổ năng lượng ở nhiệt độ thấpgồm các vùng cho phép điền đầy hoàn toàn bởi các electron và những vùngtrống hoàn toàn Vùng đầy hoàn toàn gọi là vùng hóa trị, mức năng lượng caonhất của vùng hóa trị gọi là đỉnh vùng hóa trị, ký hiệu là EV Vùng trốnghoàn toàn gọi là vùng dẫn, mức năng lượng cao nhất của vùng dẫn gọi là đỉnhvùng dẫn, ký hiệu là Ec giữa hai vùng này có một vùng cấm ngăn cách có bề

rộng bằng E g và E g = E C – E V

đối với tinh thể bán dẫn người ta quan tâm đến sự phụ thuộc E= ƒ(k)tại các điểm lân cận cực đại vùng hóa trị và cực tiểu vùng dẫn Có thể xemgần đúng sự phụ thuộc E(k) có dạng:

Ở lân cận cực tiểu vùng dẫn: E( k) = E C + *

2 2

2m p

k



.Trong đó *

- Sự phụ thuộc E = ƒ( K) theo một số hướng nhất định

- Hình dạng các mặt đẳng năng lân cận các cực đại, cực tiểu và vịtrí các cực đại, cực tiểu trong không gian k

- Thành phần khối lượng hiệu dụng của điện tử, lỗ trống

- Bề rộng vùng cấm năng lượng E g

3 Các tính chất của vật liệu bán dẫn

3.1 Tính chất động của vật liệu bán dẫn

3.1.1 Điện dẫn suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ

Điện dẫn suất trong VLBD tinh khiết tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ

Hình 1.1 mô tả sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ electron trong bándẫn Khi nhiệt độ còn thấp, cùng với sự tăng nhiệt độ (tức là tăng năng lượngnhịệt) mật độ các electron sẽ tăng do sự ion hoá các donor (đoạn 1-2) Độ dốccủa đoạn này đặc trưng cho năng lượng ion hóa của tạp chất

Hình 1.1 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ electron trong bán dẫn

Tiếp tục tăng nhiệt độ, nồng độ các electron tự do gần như không tăngnữa (đoạn 2-3) vì lúc này tất cả các tạp chất đã bị ion hoá, còn xác suất ionhoá bán dẫn riêng thì rất nhỏ Hai đoạn 1-2 và 2-3 là sự dẫn điện của tạp chấtcủa bán dẫn Khi nhiệt độ đã tăng tương đối cao (đoạn sau điểm 3) nồng độcác hạt điện tích tự do sẽ tăng mạnh với nhiệt độ do sự vượt qua vùng cấmcủa các electron ở vùng hóa trị vào vùng dẫn

3.1.2 Sự mất cân bằng của hạt mang điện và cơ chế tái hợp

Sự sinh ra lỗ trống và electron tự do có nghĩa là có một liên kết bị phá

vỡ, từ đó electron được giải phóng trở thành tự do ở bên trong tinh thể Trongquá trình chuyển động nó sẽ gặp một lỗ trống do electron khác để lại, điềnvào lỗ trống, mối liên kết được thiết lập lại Đó là hiện tượng tái hợp củaelectron và lỗ trống hay hiện tượng hủy cặp Quá trình tái hợp có thể là quátrình có bức xạ, có thể là quá trình không có bức xạ

- Trong quá trình tái hợp có bức xạ, photon được phát ra Có hai loại bứcxạ:

bức xạ tự phát (trong các LED) và bức xạ kích thích (trong các laser)

- Electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau mà không có bức xạ, nănglượng phát ra thành nhiệt hoặc gây nên dao động tinh thể Có hai loại tái hợpkhông có bức xạ:

+ Quá trình không có bức xạ do sai lệch mang tinh thể.

+ Quá trình tái hợp Auger

4 Tính chất quang của vật liệu bán dẫn

Khi chùm tia sáng được chiếu vào mạng tinh thể của VLBD thì một phầnnăng lựợng ánh sáng sẽ bị hấp thụ Tùy theo cấu trúc vùng năng lượng củatừng loại vật liệu bán dẫn mà xảy ra các cơ chế hấp thụ khác nhau:

- Hoặc làm cho electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn điện tạo racặp hạt dẫn

- Hoặc ion hoá các nguyên tử tạp chất, làm xuất hiện các loại hạt tươngứng

- Hoặc trao đổi năng lượng giữa các lượng tử ánh sáng (photon) với daođộng nhiệt của mạng tinh thể (phonon)

- Đối với VLBD cấu trúc vùng năng lượng có nhiều cực trị (GaAs), ánhsáng có thể làm electron nhảy từ đáy vùng năng lượng này lên đáy vùng nănglượng cao hơn

4.1 Các đặc trưng quang của vật liệu bán dẫn

Chiếu vào tinh thể bán dẫn chùm ánh sáng có bước sóng , có cường độ

ban đầu I0(), đo cường độ ánh sáng phản xạ IR(), cường độ ánh sáng truyền

qua mẫu IT() Để đặc trưng cho các quá trình phản xạ và truyền qua của ánhsáng người ta dùng những hệ số quang sau đây:

a Hệ số phản xạ R(): Được xác định bằng tỉ số cường độ ánh sáng phản

xạ I R () và cường độ ánh sáng ban đầu tới bề mặt tinh thể I0():

) (

) ( ) (

b Hệ số truyền qua T(): Được xác định bằng tỷ số giữa cường độ ánh

sáng truyền qua mẫu và cường độ ánh sáng tới:

) (

) ( ) (

) 1 ( ln

1 ) (

x

o

I

R I

P là véc tơ phân cực điện

Trong trường hợp trường điện từ có tần số cao

Hệ thức tán sắc Kramers – Kronig biểu diễn mối quan hệ giữa phần thực

và phần ảo của các đặc trưng quang học Ví dụ đối với  1 và  2 ta có:

) (

1 

x

x x





 0

2 2

2 ( ) 2





dx x

x o

) (

Khi tính đến hiện tượng tán sắc, thì hằng số điện môi là một số phức nên

là đại lượng phức ~(  ) Vì vậy ta cũng đưa ra đại lượng n~, chỉ số khúc xạphức nghĩa là:

4 Hấp thụ do chuyển mức giữa các tap chất

5 Hấp thụ exiton liên quan đến sự hình thành hoặc phân hủy trạng tháikích thích được gọi là exiton

6 Hấp thụ plasma

Hình 1.5 Sơ đồ chuyển mức điện tử khi hấp thụ ánh sáng

Trong các quá trình chuyển mức theo cơ chế từ 1 đến 5 thường là quátrình hấp thụ tổ hợp trong đó có sự tham gia của điện tử, lỗ trống và phonon.Trên hình 1.5 trình bày sơ đồ 5 cơ chế hấp thụ từ 1 đến 5

5 Hiệu ứng quang dẫn

5.1 Định nghĩa

Thực nghiệm cho thấy, khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vàobán dẫn, các electron liên kết yếu với nút mạng tinh thể được giải phóng vàtrở thành các electron tự do Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang dẫnhay hiệu ứng quang điện trong.

5.2 Các đặc trưng cơ bản của hiệu ứng quang dẫn

Sự thay đổi độ dẫn dưới tác động của ánh sáng do quang phát sinh nồng

độ điện tử dư n và nồng độ lỗ trống dư p có thể biểu diễn bằng độ dẫn dochiếu sáng   :

Giả sử tốc độ phát sinh quang là G, trong điều kiện mức phun thấp, táihợp là tuyến tính, nồng độ hạt dẫn dư ổn định là:

G =..o(1  R)Trong đó o là cường độ ánh sáng chiếu lên một đơn vị diện tíchmẫu,

R - hệ số phản xạ, - hệ số hấp thụ

- hiệu suất lượng tử, bằng số cặp điện tử lỗ trống phátsinh khi một photon bị hấp thụ

Như vậy ta có:   e   0.( 1  R) nn  pp

Để đặc trưng cho hiệu ứng quang dẫn có thể dùng độ nhạy quang tỷ đối

β được định nghĩa bằng tích của độ dẫn do chiếu sáng và diện tích bề mặtđược chiếu sáng S chia cho công suất bức xạ chiếu lên mẫu

o o

e

S

S S

Trên thực tế hiệu ứng quang dẫn còn phụ thuộc vào điện trường, hìnhdạng kích thước mẫu thông qua một đại lượng được gọi là hệ số khuyếch đạiđiện quang K

Hình 1.6 Mẫu quang dẫn

Giả sử mẫu quang dẫn có dạng hình hộp như hình 1.6 với kích thướcA.W.L, tốc độ phát sinh G đồng đều, nếu đặt vào mẫu hiệu điện thế U, gâynên trong mẫu điện trường  U L thì dòng quang dẫn chạy qua mẫu sẽ là

e W A

I    o nn  pn

L

U R

e V

I    ( 1  )  2     

Gọi I p=V.e   ( 1  R) o là dòng sơ cấp, nghĩa là số hạt dẫn sinh ratrong thể tích V A.W.L trong một giây, ta cóI p=V.e   ( 1  R) o=

I I

I

K    2     

.

n t t

II Phân loại vật liệu bán dẫn theo thành phần hóa học

Bán dẫn là nhóm vật liệu rất đa dạng Nó có hàng trăm nguyên tố và vậtchất khác nhau Bán dẫn có thể là vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ, tinh thể, vậtchất không định hình, chất rắn, lỏng, có từ tính, hoặc không từ tính Theothành phần hóa học, VLBD được phân loại theo sơ đồ sau:

khác

Các bán dẫn nguyên tố chủ yếu là các ngyên tố nhóm IV của bảng tuầnhoàn Mendeleev như: silic (Si), germani (Ge), kim cương (C), thiếc xám (Sn),các nguyên tố nhóm III như: Bo(B), nhóm V như: photpho (P), nhóm VI như:lưu huỳnh (S),

Trong các bán dẫn nguyên tố chỉ có Si, Ge là được dùng như một vật liệubán dẫn thực sự nên trong phần này ta chỉ xét hai bán dẫn nguyên tố đó

1.1 Bán dẫn nguyên tố silic (Si)

Silic là nguyên tố có nguyên tử số Z = 14, có cấu hình điện tử:

2 2 6

2

1s s p s p , với nguyên tử lượng 28,09

Hợp chất phổ biến nhất của Si là SiO2 SiO2 nguyên chất thường gặptrong thạch anh Si tự do không gặp trong tự nhiên

Cấu trúc vùng năng lượng của silic

Như ta đã biết nguyên tử Si có 14 điện tử, với cấu hình vỏ điện tử

) 3 )(

3 )(

có tính dẫn điện của kim loại trong thực tế Si, Ge là các chất bán dẫn điệnhình, C là chất điện môi khi kết tinh dưới dạng kim cương Nguyên nhân củađiều mâu thuẫn này là do khi hình thành tinh thể, mức p và mức s trongnguyên tử tự do kết hợp với nhau và tách ra thành hai vùng cho phép ngăncách nhau bởi một vùng cấm Vùng phía dưới chứa 4N điện tử nhưng trốnghoàn toàn và trở thành vùng dẫn Sự kết hợp trạng thái s và p trong cácnguyên tố nhóm IV thực tế đã gặp trong một số hợp chất như CH4 và đượcgọi là sự lai hóa các trạng thái Chính sự lai hóa giữa các trạng thái s và p đã

giải thích tính định hướng các hóa trị của cacbon, silic cũng như sự giốngnhau tuyệt đối giữa các điện tử hóa trị, cũng như tính đối xứng tứ diện đềutrong kim cương, trong tinh thể silic.

Theo lý thuyết về sự lai hóa các trạng thái, người ta giả thiết rằng từ hàmsóng trạng thái s, ký hiệu là s với 2

s

 có đối xứng cầu và các hàm sóngtrạng thái p, px , py, pz với 2

pi

 có hình số 8 cân, do sự lai hóa tạo nên

4 hàm sóng lai (sp) biểu diễn bằng các tổ hợp sau:

pz py

K C K B AK

Trong đó A = 4,1; B = 1,6; C = 3,3

Hình 1.9 mô tả sơ đồ vùng năng lượng của Si Ta nhận thấy rằng ở K

=0, Vùng dẫn suy biến, nhánh của vùng dẫn theo phương [100] có cực tiểuthấp hơn các cực tiểu khác của vùng Vị trí cực tiểu tuyệt đối đó xác định đáycủa vùng dẫn trong tinh thể Si

Do tính đối xứng của tinh thể, chúng ta thấy rằng tất cả 6 cực tiểu nhưthế trong vùng Brillouin Nếu ta vẽ mặt đẳng năng trong không gian K,cónăng lượng lớn hơn năng lượng cực tiểu một ít thì ta thấy rằng mặt đẳng nănglân cận cực tiểu vùng dẫn của Si là những elip xoáy nằm theo phương [100].

Hình 1.9 Sơ đồ vùng năng lượng của Si

Sự phụ thuộc vào véctơ sóng của năng lượng ở lân cận cực tiểu đó đượcbiểu diễn:

3

* 03 3 2 1

*

2 02 2 2 2 01 1 2 0

2

)(

2

)(

)(

)()(

m

K K m

K K K

K K

E K

Hình 1.10 Các túi điện tử trong vùng dẫn của Si.

Bề rộng của vùng cấm phụ thuộc vào nhiệt độ và thực nghiệm đã tìmđược bề rộng vùng cấm của Si ở 300K là Eg=1,12eV

1.2 Nguyên tố Ge

Germani có màu bạc, không tác dụng với không khí, nước, HCl, H2SO4

loãng Nó rất hiếm trên quả đất Có mặt trong những hợp chất GeO2, GeS2,GeCl4 Trong quá trình sản xuất kim loại màu, ta có thể thu được Germaninhư một sản phẩm phụ

GeCl4 + 2H2O = GeO2 + 4HClGeO2 + 2H2 = Ge + 2H2OCác phương pháp tinh chế Germani cũng tương tự như tinh chế Silic.Điện trở suất của germani tùy thuộc vào nhiệt độ Ở trong một khoảngnhiệt độ nhất định, hệ số biến đổi của điện trở của germani theo nhiệt độ làâm

Germani được dùng để sản xuất các bộ chỉnh lưu dòng điện xoay chiềuvới các công suất khác nhau, các loại transistor, germani còn dùng để chế ra

bộ cảm biến sức điện động Hall và các hiệu ứng từ điện để đo cường độ từtrường, dòng điện, công suất, để nhân đôi đại lượng trong các dụng cụ tínhtoán kỹ thuật…

Các tính chất quang của germani cho phép dùng nó làm transistor quang,điện trở quang, thấu kính quang mạnh (đối với tia hồng ngoại), các bộ lọcquang học, điều biến ánh sáng và sóng vô tuyến ngắn Germani có hiệu ứngquang điện cả trong trường hợp hấp thụ các điện tử trung bình và nhanh cũngnhư khi hãm các hạt nguyên tố khối lượng lớn Ví dụ, khi hấp thụ hạt sẽ cóxung dòng điện kéo dài gồm 0,5μs, tương ứng với 106 điện tử Vì vậys, tương ứng với 106 điện tử Vì vậygermani có thể dùng để sản xuất các bộ đếm hạt nhân.

Khoảng nhiệt độ làm việc của các dụng cụ germani từ - 60oC đến +70oC,khi nhiệt độ tăng gần giới hạn trên thì dòng điện thuận chiều trong diode tănglên 2 lần, còn dòng điện ngược chiều thì tăng 3 lần Khi làm lạnh đến -50oCđến 60oC dòng điện thuận chiều giảm 70% -75%

Cấu trúc vùng năng lượng của germani.

Cấu trúc vùng năng lượng của Ge về cơ bản giống như cấu trúc vùngnăng lượng của Si Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của germani được biểudiễn như hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ vùng năng lượng của Ge

Cấu trúc vùng dẫn Ge khác với vùng dẫn của Si nhiều hơn là so với vùnghóa trị của chúng Sự khác nhau cơ bản nhất là cực tiểu vùng dẫn Ge nằm ởtrên vùng Brillouin theo hướng [111] của tinh thể

Biểu thức năng lượng có dạng:

3

* 03 3 2 1

*

2 02 2 2 2 01 1 2 0

2

)(

2

)(

)(

)()(

m

K K m

K K K

K K

E K

E       

Mặt đẳng năng là các elip tròn xoay với các trục xoay là hướng [111] củatinh thể Ở đây ta còn chú ý rằng tại một điểm trên vùng Brillouin Nếu tadùng một mặt đẳng năng đang có năng lượng lớn hơn cực tiểu một ít thì chỉ

có một nửa elip nằm trong vùng Brilouin thứ nhất như vậy, với tám cực tiểuđối xứng chúng ta chỉ có tám nửa elip nằm trong vùng Brillouin Điều này cầnlưu ý khi tính mật độ trạng thái trong vùng dẫn sau này Cấu trúc vùng nănglượng Ge cũng thuộc loại vùng cấm xiên, thực nghiệm xác định được bề rộng

vùng cấm germani(Ge) ở 0K là E g = 0.69eV, ở 300K là E g = 0.66eV

2 Vật liệu bán dẫn có liên kết dạng A III B V

2.1 Các tính chất, đặc trưng, ứng dụng của hợp chất A III B V

Tinh thể bán dẫn có thể được tạo thành bằng những nguyên tử của

nguyên tố hóa trị III và của nguyên tố hóa trị V; kí hiệu là A III B V