SVTH : Trần Quốc Hoàn
2 4 1). Các vùng năng lợng.
a/. Bán dẫn thuần.
+ Cấu trúc vùng năng lợng của chất bán dẫn đợc chia thành 3 vùng - Vựng dẫn : là vùng năng lợng cao nhất
- Vùng hoá trị : là vùng năng lợng thấp hơn
-Vùng cấm : là vùng giới hạn bởi đáy của vùng dẫn và đỉnh của vùng hoá trị. Độ rộng vùng cấm = Eg = năng lợng nhỏ cần thiết để kích thích một điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn.
- Ef = mức năng lợng Fermi = mức năng lợng tại đó xác suất tìm thấy điện tử = 0,5. ở nhiệt độ thấp, hầu hết các e đều thuộc vùng hoá trị, do
đó bán dẫn là chất không dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng, một số e đợc kích thích bởi năng lợng nhiệt và nếu năng lợng đủ lớn, các e này sẽ vợt qua vùng cấm để chuyển lên vùng dẫn đồng thời để lại các lỗ trống tơng ứng ở vùng hoá trị. Qúa trình này tạo ra các hạt dẫn (e trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hoá trị) trong mạng tinh thể của chất bán dẫn => tạo ra khả năng dẫn
điện của chất bán dẫn.
+ Trong bán dẫn thuần:
- Nồng độ e trong dải dẫn và nồng độ lỗ trống trong dải hoá trị là bằng nhau.
- Mức Fermi Ef nằm ở giữa dải dẫn và dải hoá trị.
b/. Bán dẫn pha tạp.
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, ngời ta pha một lợng nhỏ các nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn (có hai loại bán dẫn pha tạp):
+ Loại n: Nếu nguyên tử tạp chất có nhiều hơn 1e ở lớp ngoài cùng so với bán dẫn.
+ Loại p: Nếu nguyên tử tạp chất có ít hơn 1e lớp ngoài cùng so với bán dẫn.
Cấu trúc vùng năng lợng của hai bán dẫn pha tạp này đợc thể hiện:
SVTH : Trần Quốc Hoàn Vùng dẫn
Vùng cấm Vùng hoá trị
mức Fermi
Ec
Ef
Ev
Eg
Hình 19 : Cấu trúc vùng năng lượng
Dải dẫn
Mức Fermi Ec
2). Tiếp giáp P-N.
cấu tạo cơ bản của các loại nguồn quang là các tiếp giáp bán dẫn PN.
a/. Tiếp giáp PN cha thiên áp (cha đợc phân cực).
Lỗ trống (mang điện tích + ) đợc tập trung với nồng độ cao trong bán dẫn loại P nơi mà lỗ trống là hạt dẫn đa số. Điện tử (điện tích -) tập trung nhiều tại bán dẫn loại n nơi mà e là hạt chiếm đa số.
Do phân bố nồng độ không đồng đều của hai bên tiếp giáp PN nên các hạt dẫn đa số (lỗ trống và e ) có xu hớng khuyếch tán theo chiều graclient nồng độ phân bố của chúng. Khi e và lỗ trống vợt qua tiếp giáp, chúng lại trở thành hạt thiểu số và tái hợp với hạt đa số làm giảm nồng độ hạt dẫn trong vùng khuyếch tán. Vùng khuyếch tán này đợc gọi là vùng nghèo vì trong vùng này nồng độ hạt dẫn rất nhỏ so với nồng độ hạt đa số.
SVTH : Trần Quốc Hoàn Dải hoá trị Điện tử
Lỗ trống
Dải dẫn
Dải hoá trị Điện tử
Lỗ trống
Mức Fermi
Phân bố tập chung hạt dẫn Phân bố tập chung hạt dẫn
Ec
Ev
Ef
Ev
Ef
Hình 20 : Bán dẫn loại n
Hình 21 : Bán dẫn loại p
Ec
Ef
Ev
Vùng nghèo
P (+) N (-)
+ + + - - -
Hình 22 : Tiếp giáp PN chưa thiên áp
2 6
Qúa trình khuyếch tán sẽ để lại nguyên tử mang điện tích (+) trong bán dẫn loại n và điện tích (-) trong bán dẫn loại p. Chính điện trờng này lại hạn chế sự khuyếch tán của các hạt đa số đồng thời tăng cờng dòng trôi theo chiều ngợc với dòng khuyếch tán. Khi không có phân cực ngoài, dòng trôi bằng dòng khuyếch tán nhng ngợc chiều nhau => không có dòng chạy qua tiếp giáp.
b/. Tiếp giáp PN đợc thiên áp thuận.
Phân cực thuận cho tiếp giáp PN tức là đặt một nguồn cung cấp điện cho bán dẫn thì trạng thái cân bằng dòng trôi và dòng khuyếch tán bị phá vỡ.
Do đó dòng điện chạy qua tiếp giáp sẽ xuất hiện.
Khi đó, điện apa rơi trên vùng nghèo sẽ giảm do có thiên áp này và tạo ra một vùng có mật độ lớn e trong dải dẫn và lỗ trống trong dải hoá trị. Hiện tợng tái hợp giữa các e và lỗ trống này sẽ phát ra các photon (ánh sáng). Tốc
độ tái hợp và tốc độ phát xạ photon tỷ lệ với thiên áp đặt lên tiếp giáp.
c/. Cấu trúc dị thể kép.
Ta thấy phát xạ ánh sáng có thể xảy ra ở cả hai phía của tiếp giáp PN.
Vì vậy, hiệu suất phát quang rất thấp. Tuy nhiên, nếu tập trung sự tái hợp của các hạt đa số vào một vùng có kích thớc nhỏ thì mật độ công suất ánh sáng phát ra sẽ tăng lên. Điều này có thể thực hiện đợc bằng cách hình thành một tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn có độ rộng dải cấm khác nhau. Khi đó, hàng rào thế sẽ đợc tạo ra và ngăn cản các hạt dẫn đi sâu vào mạng tinh thể bán dẫn, tiếp giáp này đợc gọi là “ tiếp giáp dị thể”.
SVTH : Trần Quốc Hoàn
Ec
Ef
Ev
P (+) N (-)
+ + + - - -
Hình 23 : Tiếp giáp PN đựơc thiên áp thuận e
Ánh sáng
+ -
Để giảm cả điện tử và lỗ trống, ta cần phải sử dụng hai tiếp giáp dị thể, cấu trúc này gọi là cấu trúc dị thể kép.
Ta thấy hàng rào thế ở mỗi bên của vùng hoạt tính ( GaAs ) sẽ ngăn cản các hạt đa số di chuyển. Vì vậy, dớc điện áp thuận sẽ có một lợng lớn các hạt đa số đợc phun vào vùng hoạt tính. Sự tái hợp của các hạt đa số diễn ra trong lớp hoạt tính kích thớc nhỏ nên sẽ có hiệu suất phát quang cao.
Ngoài ra, 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.