BAN DAN TINH THE
3.3. CAU TRUC TIEP GIAP DI THE P-N
Như ta đã biết, bình thudng 6 diode, phat xạ ánh sáng có thể xây ra ở cả hai phía của tiếp giáp P-N. Chính vì vậy hiệu suất phát quang của diode rất thấp. Tuy nhiên, nếu tập trung sự tái hợp các hạt đa số vào một vùng kích thước nhỏ, thì mật độ công suất ánh sáng phát ra sẽ tăng lên. Ta có thể thực hiện được điều đó bằng cách hình thành một tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn có độ rộng đải cấm khác nhau (tiếp giáp đị thể- Heterojunction), tạo ra hàng rào thế, hàng rào này ngăn cân các hạt dẫn đi sâu vào trong mạng tỉnh thể bán dẫn. Để “giam” cả điện tử và lỗ trống ta cần phải sử dụng hai tiếp gidp dj thể, gọi là đị thể kép hay cấu trúc DH (Double-Heterojunction). Mặc dù hầu hết LED và Laser đều dùng cấu trúc di thể kép, nhưng để thấy rõ ưu việt của cấu trúc DH, trước hết ta bắt đâu bằng việc khảo sát một diode có tiếp giáp dị thể đơn hay SH(Single Heterojunction).
'Hình 3.8a mô tả giản đồ năng lượng của một SH diode trong trường hợp tiếp giáp không được phân cực và phân cực thuận. Đây là tiếp giáp đặc biệt được chế tạo bởi GaygAlo2As có dải cấm rộng va GaAs có đải cấm hẹp (chỉ số bên dưới tương ứng với tỉ lệ các nguyên tố tạo thanh hop kim). Cac diode này được gọi là P-n, hoặc N-p, với chữ cái viết hoa biểu thị chất bán dẫn có dải cấm rộng hơn (sử dụng rộng rãi nhất là sulfure (5) cho loại n và kẽm (Zn) cho loại p). Từ giản đồ cú thể thấy rằng rào thế đối với lỗ trống ửE,, thấp hơn so với rào thế của điện tử SE, Điều này càng thể hiện rõ khi 94
điode được phân cực thuận (hình 3.8b), vì dưới điện áp phân cực thuận, các lỗ trống được phun vào vùng bán dẫn loại n, trong khi đó các điện tử lại không thể vượt qua được hàng rào thế để đi vào vùng bán dẫn P được. Do đó, có một số lượng lớn lễ trống trong vùng bán dẫn loại n GaAs, và chúng sẽ tái hợp với nhau trong khoảng chiều đài khuếch tán của tiếp giáp, vùng này được gọi là vùng hoạt tính.
P-type n-fype P-type n-type
Ga,,Al,, As GaAs Ga,,Al,,As GaAs
Điện tử
1,7eV
Hình 3.8. Giản đồ năng lượng của tiếp giáp dị thé : 4) Không phân cực, b) Phân cực thuận.
Cấu trúc dị thể kép DH sẽ giam lỗ trống và điện tử vào trong một lớp hoạt tính cực hẹp. Trên hình 3.9 cho thấy hàng rào thế ở mỗi bên của vùng hoạt tính sẽ ngăn cản các hạt đa số di chuyển, vì vậy dưới điện áp phân cực thuận, sẽ có một số lượng lớn các hạt đa số được phun vào vùng hoạt tính. Tái hợp của các hạt đa số sẽ diễn ra trong lớp hoạt tính kích thước nhỏ vì thế điode có hiệu suất phát quang cao. Một ưu điểm nữa của điode Laser có cấu trúc DH là chiết suất trong vùng hoạt tính cao hơn các vùng xung quanh, nên ánh sáng phát ra là một chùm tia hẹp có độ tập trung cao cũng giống như trong sợi quang chiết
suất bậc SĨ. :
95
P-type n-type N-type
1 :
Ga,Al,As | GaAs | Ga,AL,As
1 ! : o,
Nang | t Điện tử
lượng † ¡=> ®®@€
h -“———=
ay ' Mức fermi
1 1,7eV
1 '
Lễ trống Ị '
“a i a) j
Chiét Ị '
suất
n=3,45 n=3,59 n=3,45
b)
Hinh 3.9. a) Gidn dé nding lugng ; b) Phan b6 chiét suất của tiếp giáp di thể kép phân cục thuận.
GaAs phát xạ ánh sáng ở bước sóng 870nm, nhưng cửa sổ quang thứ nhất lại nằm ở bước sóng 850nm. Để diode có thể phát xạ ánh sáng có bước sóng 85Onm người ta thêm Aluminium vào lớp GaAs để tác động lên đải cấm va do đó làm thay đổi bước sóng phát xa, vì thế các điođe cho ánh sáng ở vùng cửa số thứ nhất thường được chế tạo từ lớp hoạt tính Al,Gay „As, bao xung quanh là Al,Gay vAs với y>x. Hợp kim bán dẫn này có dịch chuyển trực tiếp khi x< 0,37. Nếu 0<x<0,45 thì ta có thể tìm E, theo công thức kinh nghiệm sau:
E,=1,42 + 1,25x +0,27x? (3-47)
Chỉ riêng lớp hoạt tính phát xạ ánh sáng, nên các lớp xung quanh có thể là bán dẫn có dịch chuyển gián tiếp. Ví dụ mot diode véi x=0,03 ,và y=0,2 sẽ phát xạ ánh sáng ở bước sóng 852nm. Ta có thể tìm chiết
suất theo công thức:
n=3,59 -0,71x với 0<x<0,45 (3-48) 96
Để diode phat quang trong vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba, tức là ở vùng bước sóng 1,3m và 1,5m, diode thường được chế tạo từ hợp kim 1ni.,Ga,AsyP, „ bao quanh bởi Indium phosphide InP. Để đảm bảo vùng hoạt tính cho dịch chuyển trực tiếp thì x cần nhỏ hơn 0,47 và y~2,2x. Với các giá trị của x và y như trên ta có thể ước lượng đải cấm của lớp hoạt tính theo công thức kinh nghiệm sau:
E,=1,35 - 1,89x + 1,48x?- 0,56x? (3-49) Chỉ số chiết suất cho bởi:
nˆ=9,6 + 4,52x- 37,62x? (3-50)
Vi du Ing 74Gao r¢ASp s¢Py.44 có năng lượng đải cấm là 0,95eV dẫn tới bước sóng phát xạ là 1,3m.