Khảo sát hiệu ứng quang điện trong với quang trở cds

Một kết quả quan trọng của việc ứng dụng cơ học l-ợng tử là đã mô tả các điện tử trong chất bán dẫn, chất rắn có các mức năng l-ợng cho phép tạo thành từng vùng năng l-ợng.. Trong bán dẫ

tr-ờng đại học vinh khoa vật lý

độ dẫn tăng theo

Các hiện t-ợng quang dẫn của các chất cũng nh- ứng dụng của nó đã

đ-ợc nghiên cứu và đ-a vào ứng dụng từ rất lâu Tuy nhiên trong ch-ơng trình học, hiện t-ợng quang dẫn của các chất ch-a đ-ợc đề cập một cách có hệ thống với thời l-ợng thỏa đáng về mặt lý thuyết cũng nh- thực nghiệm

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 đ-ợc chia làm hai ch-ơng chính nh- sau :

Ch-ơng 1- Hiện tuợng quang dẫn trong chất bán dẫn

Nội dung ch-ơng này là trình bày các khái niệm, cơ sở những đặc tr-ng

và phân loại chất bán dẫn Trình bày các hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng quang điện trong

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

Trong ch-ơng này trình bày các kết quả thí nghiệm hiệu ứng quang điện trong với quang trở CdS

Vinh, tháng 5 năm 2006

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thanh Tâm

mục lục

Nội dung

Mở đầu

Ch-ơng I: Hiện t-ợng 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 l-ợng

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 l-ợng trong các chất bán dẫn

1.3.4 Thế năng và động năng của hạt tải trong vùng năng l-ợng

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

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-

4

ch-ơng i hiện t-ợng 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

Tất cả các dụng cụ bán dẫn, bán dẫn quang điện trở cũng nh- các vi mạch… đều đ-ợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ở những 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 khi nhiệt độ tăng Mỗi loại vật liệu bán dẫn có một khoảng nhiệt độ giới hạn, các linh 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 của mạng tinh thể bán dẫn Nh- vậy, một trong các đặc tính quan trọng nhất của vật liệu bán dẫn là tính điều khiển đ-ợc về nồng độ hạt tải d-ới tác động của một số kích thích bên ngoài Dựa trên cơ sở đó, linh kiện bán dẫn, linh kiện bán dẫn quang điện tử đ-ợc chế tạo ra có tính điều khiển đ-ợc về dòng điện

đứng cô lập, mô hình của nó coi nh- gồm một hạt nhân tích điện d-ơng nằm ở giữa bao quanh là các điện tử Số điện tích d-ơng của hạt nhân bằng số điện tử bao bọc quanh hạt nhân, do đó nguyên tử trung hoà về điện Những điện tử nằm xung quanh hạt nhân chiếm những trạng thái năng l-ợng nhất định Những điện

tử nằm ngoài cùng có t-ơng 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 đ-ợc gọi là những điện tử hoá trị

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

Số l-ợng tử chính ( n ) lấy giá trị:1, 2, 3, …, n Hoặc có khi dùng các chữ t-ơng ứng: K, L, M, N, …

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

Một kết quả quan trọng của việc ứng dụng cơ học l-ợng tử là đã mô tả các điện tử trong chất bán dẫn, chất rắn có các mức năng l-ợng cho phép tạo thành từng vùng năng l-ợng Các vùng mà ở đó năng l-ợng của điện tử trong chất rắn không đ-ợc phép nằm trong đó gọi là vùng cấm Các lớp điện tử ở lớp

vỏ ngoài cùng, các điện tử hoá trị có ở trong trạng thái năng l-ợng 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 l-ợng

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 các nguyên tử đ-ợc sắp xếp trong các khối cơ sở có tính tuần hoàn lặp lại giống nhau theo ba chiều Nh- vậy tinh thể đ-ợc cấu tạo bởi các khối giống nhau, mỗi khối có một 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 tuần hoàn cần hiểu rõ các khái niệm về mạng tinh thể và ô cơ sở Mạng tạo nên bởi một loạt các điểm trong không gian, mạng này có cấu trúc tuần hoàn gọi

là mạng tinh thể Một khối cấu thành từ các nguyên tử đ-ợc gọi là ô cơ sở có liên quan 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 diện cho toàn mạng tinh thể Cạnh của ô cơ sở là hằng số mạng Có ba véc tơ cơ sở gốc a1, a2, a3 mô tả một tinh thể rắn sao cho cấu trúc tinh thể đ-ợc giữ không thay đổi khi có sự biến đổi qua bất kỳ véc tơ nào, mà véc tơ này là tổng của một

số lần của các véc tơ cơ sở Về mặt toán học có thể khái quát nh- sau: có loại véc tơ cơ sở a1, a2, a3 sao cho một điểm bất kỳ nào của mạng có khả năng nhận

đ-ợc từ một 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 áp dụng cho mạng tinh thể trực tiếp Phần lớn các bán dẫn quan trọng có cấu trúc mạng kim c-ơng hoặc giả kẽm, các mạng này có ô mạng tứ diện, nghĩa là mỗi nguyên tử đ-ợc bao quanh bởi bốn nguyên tử gần nhất t-ơng 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 không gian 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 và biểu diễn một số bài toán, nhất là bài toán về vùng năng l-ợng ng-ời

ta đ-a vào khái niệm mạng đảo và sử dụng mạng đảo trong tính toán Nó đ-ợc

định nghĩa thông qua đại l-ợng G đ-ợc xác định theo công thức:

G = n1a1*+ n2a*2 + n3a3*

Trong đó: n1, n2, n3 là các số nguyên

* 1

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 l-ợng trong chất bán dẫn

Cấu trúc vùng năng l-ợng của một chất rắn tinh thể chính là mối quan hệ giữa năng l-ợng và động l-ợng, về mặt toán học có thể biểu diễn bằng mối liên hệ ( E - k ) Cấu trúc vùng năng l-ợng th-ờng nhận đ-ợc khi giải ph-ơng trình Schrodinger cho bài toán gần đúng một điện tử Tiên đề Bloch, một trong những tiên đề quan trọng nhất làm cơ sở cho cấu trúc vùng năng l-ợng khẳng

định rằng nếu năng l-ợng thế năng V(r) là có tính chu kỳ theo sự tuần hoàn của mạng tinh thể thì các lời giải K(r) của ph-ơng trình ( S ) sẽ có dạng:

Trong đó: Un(k,r) có tính tuần hoàn theo không gian r cùng với sự tuần hoàn của mạng tinh thể

n: Ký hiệu của dải vùng năng l-ợng thứ n

Từ tiên đề Bloch ng-ời ta đã chỉ ra rằng năng l-ợng EK là tuần hoàn trong mạng đảo, nghĩa là:

Ek =Ek+G (4)

Đối với một vùng năng l-ợng xác định, nghĩa là với n xác định, để ký hiệu năng l-ợng độc nhất, có một cách biểu diễn rất thuận lợi, đó là sử dụng đại l-ợng k trong ô cơ sở của mạng đảo để biểu diễn Giá trị của k có thể xác định theo biểu thức:

k =



 2

(5)

1.3.4 Thế năng và động năng của hạt tải trong vùng năng l-ợng

Giản đồ vùng năng l-ợng đ-ợc vẽ minh hoạ trên hình vẽ ( 1.3 ) biểu thị

độ lớn năng l-ợng của điện tử và lỗ trống Khi năng l-ợng của điện tử tăng

lên, nó sẽ chiếm vị trí cao hơn trong giản đồ vùng năng l-ợng Khi nói năng l-ợng của lỗ trống tăng lên thì điều đó có nghĩa là năng l-ợng của các điện tử khác trong vùng hoá trị tăng lên Nh- vậy một số điện tử chiếm vị trí cao hơn trong giản đồ vùng năng l-ợng

Hình 1.3 Sơ đồ minh họa năng l-ợng điện tử và lỗ trống trong giản đồ

năng l-ợng.

Do vậy, trong vùng hoá trị sự tăng năng l-ợng của lỗ trống đ-ợc biểu diễn bởi sự chuyển động của lỗ trống xuống phía d-ới Mức thấp nhất trong vùng dẫn ứng với năng l-ợng của điện tử đứng yên Năng l-ợng của điện tử đứng yên chính là thế năng của điện tử Mức năng l-ợng tại đáy của vùng dẫn EC t-ơng ứng với thế năng của điện tử T-ơng tự mức năng l-ợng tại đỉnh vùng hoá trị EV

là ứng với thế năng của lỗ trống Nếu điện tử ở mức năng l-ợng cao hơn EC thì các điện tử và lỗ trống mà có động năng bằng hiệu giữa các năng l-ợng của chúng và năng l-ợng ứng với mép vùng t-ơng ứng

1.4 Hàm Fermi - Dirac

Phân bố năng l-ợng của các điện tử trong chất rắn tuân theo các quy luật của thống kê Fermi – Dirac Phân bố Fermi - Dirac cho biết xác suất mà một trạng thái điện tử có năng l-ợng E bị chiếm bởi một điện tử Hàm này chứa thông số EF, đ-ợc gọi là mức Fermi Định nghĩa chặt chẽ về mức Fermi chính là thế năng hoá học của các điện tử trong chất rắn Khái niệm mức năng l-ợng Fermi có ý nghĩa quan trọng đặc biệt trong lý thuyết bán dẫn Đặc tính dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nồng độ tích điện trong bán dẫn

Theo lý thuyết thống kê Fermi - Dirac, xác suất điện tử trong bán dẫn chiếm chỗ tại mức năng l-ợng 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 l-ợng Fermi

Từ ph-ơng trình (1.4.1) ta thấy ngay mức năng l-ợng Fermi chính là mức

năng l-ợng tại đó xác suất điện tử chiếm chỗ bằng

Giả thiết rằng bán dẫn đang xét có mức Fermi nếu nằm gần phía vùng dẫn nh-ng vẫn luôn cách đáy vùng này một khoảng lớn hơn 2kBT

Hình 1.4 Minh họa hàm phân bố Fermi – Dirac

phụ thuộc vào nhiệt độ

Những bán dẫn mà mức Fermi dịch lên phía đáy vùng dẫn hoặc dịch xuống phía đỉnh vùng hoá trị nh-ng vẫn luôn cách chúng một khoảng lớn hơn 2kBT 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 ph-ơng trình sau:

F(E) = exp(

T k

E E

B F



 ) (1.4.2)

Nếu F(E) là xác suất điện tử chiếm mức năng l-ợng E thì xác suất để lỗ trống chiếm mức năng l-ợng ấy là [1 – F(E) ]

[1- F(E)] = exp(

T k

E E

B F



 ) (1.4.3)

Khi pha tạp chất với loại dẫn khác nhau ( loại n, p ) với nồng độ khác nhau thì mức Fermi cũng thay đổi khác nhau Trong bán dẫn thuần, số các trạng thái năng l-ợng trong vùng dẫn và vùng hoá trị bằng nhau và nếu số các điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị cũng bằng nhau thì mức Fermi phải nằm ở giữa vùng cấm Tuy nhiên, trong thực tế mức Fermi nằm gần giữa vùng cấm, mức này gọi là mức Fermi thuần và đ-ợc ký hiệu bằng Ei

Trong bán dẫn loại n, nồng độ các điện tử trong vùng dẫn lớn hơn so với tr-ờng hợp bán dẫn thuần Tuy nhiên, do mật độ các trạng thái năng l-ợng trong vùng dẫn cũng giống nh- trong tr-ờng hợp thuần, cho nên mức Fermi trong bán dẫn loại n và cùng với nó là toàn bộ phân bố Fermi - Dirac sẽ dịch lên phía trên Ng-ợc lại, trong bán dẫn loại p thì lại bị dịch xuống phía d-ới

2 Phân loại

Ng-ời ta phân chất bán dẫn thành các loại: Bán dẫn thuần, bán dẫn loại

n, bán dẫn loại p, bán dẫn bù trừ và bán dẫn suy biến

2.1 Bán dẫn thuần

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

+4

44444444

12

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 thể mỗi nguyên tử Ge sẽ góp 4 điện tử của mình liên kết cộng hoá trị với 4 điện tử hoá trị của 4 nguyên tử kế cận sao cho mỗi nguyên tử đều có hoá trị 4 Hạt nhân bên trong của nguyên tử Ge mang điện tích +4 Lực liên kết giữa các nguyên tử

kế cận nhau đ-ợc hình thành bởi các nguyên tử Ge góp chung một điện tử hoá trị của nó vào liên kết với 1 trong 4 nguyên tử lân cận gần nhất Nh- vậy các

điện tử hoá trị ở bên trong liên kết cộng hoá trị giữa một nguyên tử với một nguyên tử bên cạnh là nguyên nhân mà các điện tử hoá trị liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân Do đó, mặc dù có sẵn 4 điện tử hoá trị nh-ng 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 t-ởng là gần đúng và tinh thể bán 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 thích nhiệt, thu năng l-ợng đủ để v-ợt 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 l-ợng lỗ trống mà các điện tử ở vùng này có thể chuyển lên Lúc này, nếu đặt vào tinh thể một điện tr-ờng thì xuất hiện chuyển động có h-ớng của điện tử ở cả vùng dẫn và vùng hoá trị, dẫn đến

sự xuất hiện dòng điện Tinh thể trở thành dẫn điện

EgVùng dẫn

a

b

Hình 2.1.2 Sơ đồ cấu trúc vùng năng l-ợng của bán dẫn thuần

ở đây một số điện tử bứt ra khỏi liên kết cộng hoá trị của mình và di chuyển hỗn loạn trong toàn mạng tinh thể Năng l-ợng EC cần thiết để phá vỡ liên kết 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 lỗ trống, thành phần dòng lỗ trống trong vùng hoá trị này tham gia vào quá trình dẫn 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 thuần nằm 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 đ-ợc thay thế bằng nguyên tử As, hoá trị 5, Ge có cấu trúc mạng kim c-ơng, trong đó mỗi một nguyên tử đ-ợc 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 đã tham 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 )

+4

+4 +4 +4

As

EV Eg

EC

Ed

Vùng dẫn

Mức cho Vùng hoá trị

EcEd

Ev

Eg

e5

Trong vùng cấm, giữa vùng hoá trị và vùng cấm có mức năng l-ợng 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 l-ợng 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 d-ơng 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 đ-ợc 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 đ-a vào trong mạng Ge một l-ợng nguyên tử thay thế In hoá trị 3 (hình.2.3.1.a)

+4

+4 +4 +4

a)

c) b)

In

có chứa tạp chất In, ở đỉnh vùng hoá trị một năng l-ợng Ea 0,01eV có một mức năng l-ợng 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 t-ợng là ở nhiệt độ t-ơng đối thấp, các điện tử từ vùng hoá trị chuyển lên mức tạp chất ( hình 2.3.1.c ) và liên kết với nguyên tử In để tạo thành ion âm In, hay gọi là Acceptor, không có khả năng dịch chuyển trong mạng Ge, không tham gia vào sự dẫn điện Hạt mang điện là lỗ trống xuất hiện vùng hoá trị

Mức Fermi của bán dẫn loại p đ-ợc dịch xuống phía d-ới gần mép vùng hoá trị, 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

là hạt 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 tr-ờng hợp trong bán dẫn cùng chứa đựng cả hai loại tạp chất n và p với các nồng độ khác nhau Khi đó nồng độ hạt tải tổng cộng của chúng bù trừ nhau, loại bán dẫn nào có nồng độ lớn hơn thì sau khi bù trừ sẽ lớn hơn Bán dẫn có đặc điểm nh- thế này đ-ợc gọi là bán dẫn bù trừ Trong chuyển tiếp P-N, tại chính vị trí miền chuyển tiếp số l-ợng hai loại hạt tải bằng nhau, hiệu của chúng p – n = 0

2.5 Bán dẫn suy biến

16

Trong thực tế khi pha tạp chất loại n với nồng độ cao ( th-ờng nồng độ tạp chất trên 1019 hạt/cm3 ) thì mức Fermi có thể dịch lên gần mép vùng cấm hoặc có thể xâm nhập vào trong vùng dẫn Khi pha tạp chất loại p với nồng độ cao mức Fermi dịch xuống phía d-ới gần mép vùng hoá trị hoặc nằm vào trong vùng hoá trị Trong tr-ờng hợp này thì tính chất của bán dẫn thay đổi nhiều Một

số tính chất giống kim loại xuất hiện Độ rộng vùng cấm có thể bị thu hẹp lại, hàm phân bố Fermi không còn phù hợp trong tr-ờng hợp này Bán dẫn kiểu này gọi là bán dẫn suy biến

Giản đồ vùng năng l-ợng của bán dẫn thuần, bán dẫn loại n, bán dẫn loại

p, đ-ợc miêu tả trên (hình 2.5.1.a,b,c)

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

dẫn thuần, loại n và loại p theo thứ tự từ trên xuống d-ới.

3 Đặc điểm của vật liệu bán dẫn quang

Chất bán dẫn đ-ợc dùng để chế tạo nguồn ánh sáng cần phải có vùng cấm tái hợp trực tiếp Trong chất bán dẫn các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp trực tiếp với nhau qua vùng cấm mà không cần một hạt thứ 3 nào để bảo

18

toàn xung l-ợng 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 trực tiếp, nh-ng các hợp chất thuộc nhóm III và nhóm IV có thể cho ta vật liệu có vùng cấm tái hợp trực tiếp Đây là các vật liệu đ-ợc tạo nên từ sự liên kết của các 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 tố này 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 3 thành phần AlxGa1-xAs Tỉ lệ x nhóm ( Al ) và galium asenic ( GaAs ) xác

định độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn và t-ơng ứng xác định b-ớc sóng

đỉnh của phát xạ bức xạ đỉnh Điều này mô tả ở ( hình 3.1)

Giá trị x để cho vùng hoạt động của vật liệu đ-ợc lựa chọn th-ờng xuyên đạt đ-ợc b-ớc sóng là 800 nm đến 850 nm ở các b-ớc sóng dài hơn thì chất 4 thành phần In1-xGaxAsYP1-Y là một trong các vật liệu cơ bản đ-ợc

sử dụng Bằng sự thay đổi tỷ lệ phân tử gam x và y trong vùng hoạt động, các

điốt phát quang ( LED ) có thể tạo ra công suất đỉnh phát ra ở b-ớc sóng bất

kỳ giữa 1m và 1,7m Để đơn giản ký hiệu GaAlAs và InGaAsP một cách tổng quát khi không cần nói rõ giá trị x và y cũng nh- ký hiệu khác nh- AlGaAs (AlGa)As, … InXGa1-XP1-Y … Các chất GaAlAs và InGaAsP đ-ợc chọn để chế tạo nguồn sáng sử dụng chất bán dẫn ( laser bán dẫn ) vì nó có thể phù hợp với các tham số mạng tinh thể của giao diện cấu trúc dị thể bằng việc sử dụng mối liên kết chính xác các vật liệu 2, 3 và 4 thành phần

Hình 3.1: Bề rộng vùng cấm, b-ớc sóng của chất bán dẫn

Các yếu tố này ảnh h-ởng trực tiếp đến hiệu suất bức xạ, tuổi thọ của nguồn sáng

Quan hệ l-ợng tử giữa năng l-ợng E và tần số  đ-ợc xác định theo :

E = h =



hc

(3.1) B-ớc sóng phát xạ đỉnh  đo bằng m có thể biểu diễn nh- một hàm của năng l-ợng vùng cấm Eg đo bằng eV theo công thức:

 (m) =

Eg

1240 (3.2)

Mối quan hệ giữa năng l-ợng vùng cấm Eg và khoảng không gian mạng tinh thể:

Khi độ dày của lớp màng tinh thể giảm đi thì độ rộng vùng cấm sẽ tăng lên, điều này cho phép ta có thể tạo đ-ợc GaAs từ phổ hồng ngoại đột ngột chuyển sang phổ xanh lá cây với năng l-ợng lớn hơn nhiều

4 Hiệu ứng quang điện ngoài

Hình 4.1: Thí nghiệm hiện t-ợng 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

di chuyển về Anốt (A) d-ới tác dụng của điện tr-ờng giữa Avà K tạo thành dòng

điện trong mạch Dòng điện đó gọi là dòng quang điện Các electron đ-ợc giải phóng ra khỏi Katốt đ-ợc gọi là electron quang điện

c) Đ-ờng đặc tr-ng Vôn – Ampe

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

thấy c-ờng độ của dòng quang điện cũng thay đổi theo

ia = f(U AK )

Đ-ờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của c-ờng độ dòng quang điện vào hiệu điện thế giữa K và A đ-ợc gọi là đ-ờng đặc tr-ng 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

Giá trị lớn nhất của dòng quang điện ia = imax = i0 gọi là dòng điện bão hoà, nó đ-ợc xác định bởi số quang electron đi đến các Anốt trong đơn vị thời gian

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 đ-ợc giải phóng ra khỏi K đã có sẵn