Khảo sát hiệu ứng quang điện trong với quang trở cds

trờng đại học vinh
khoa vật lý
*****

khảo sát hiệu ứng quang điện trong
với quang trở Cds

luận văn tốt nghiệp đại học
chuyên ngành vật lý - chất rắn

giáo viên hớng dẫn: Ths nguyễn văn phú
sinh viên thực hiện: trần thị thanh tâm
lớp
: 42E vật lý

Vinh, tháng 5 năm 2006

mở đầu
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 hấp
thụ năng lợng ánh sáng và nhảy lên vùng dẫn qua vùng cấm, để lại trong vùng
hoá trị một lỗ trống. Do đó số hạt tải trong tinh thể tăng lên, kết quả là độ dẫn
tăng theo.
Các hiện tợng quang dẫn của các chất cũng nh ứng dụng của nó đà đợc
nghiên 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 với
thời lợng thỏa đáng về mặt lý thuyết cũng nh thùc nghiÖm.
1


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

tôi đà mạnh dạn đặt vấn đề Khảo sát hiệu ứng quang điện trong víi
quang trë CdS ’’ b»ng bé thÝ nghiƯm 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 và
phân loại chất bán dẫn. Trình bày các hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng
quang 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 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
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 B¸n dÉn bï trõ
2.5 B¸n dÉn suy biÕn

1
2
2
2
2
4
4
4
6
6
7
9
9
11
12
13
13
15
17
19
21
23
25
26
27

2


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
5.3 Exiton
5.4 Kết luận
Chơng II: Khảo sát thùc nghiƯm hiƯu øng quang ®iƯn trong
víi quang trë CdS
1. Nhiệm vụ chính
2. Thiếtbị, dụng cụ thí nghiệm
3. Sơ đồ bè trÝ thÝ nghiƯm
4. TiÕn hµnh thÝ nghiƯm
kÕt ln
tµi liƯu tham khảo

27
27
28
29
39
40

chơng i
hiện tợng quang dẫn trong chất bán dẫn
1. Mét sè tÝnh chÊt ®iƯn - quang cđa vËt liƯu bán dẫn
1.1. Khái niệm

Chất bán dẫn là những chất có điện trở suất lớn hơn của kim loại và nhỏ
hơn của chất điện môi.
+ Kim loại có điện trở suất rất bé, cỡ 10-6 10-4 .m ở nhiệt độ phòng.
+ Điện môi có điện trở suất cỡ 10-10 10-8 .m.
+ Giữa kim loại và điện môi là các chất có điện trở suất từ 10-3 10-9 .m
đó là các chất bán dẫn.
+ Bán dẫn có thể là đơn chất nh: Ge, Si, Se, hay hợp chất: InSb, GaAs,
CH2O
+ Bán dẫn là những tinh thể có cấu trúc tuần hoàn có thể chia mỗi tinh thể
thành những ô nguyên tố nh nhau.
Ví dụ: Mạng Silic có dạng tứ diện đều gọi là mạng kim cơng. Mạng kim
cơng đặc trng cho những nguyên tố thuộc nhóm IV, cơ sở của mạng là một tứ
diện đều mà các nguyên tử Si nằm tại bốn đỉnh và tâm, chúng cách đều nhau.
Mỗi nguyên tử tại đỉnh lại nằm ở tâm của một tứ diện đều khác. Tập hợp các tứ
diện đều tạo thành một ô nguyên tố hình lập phơng có cạnh xấp xỉ bằng 5,5 A0.
1.2. Vật liệu bán dẫn và độ dÉn ®iƯn

3


Tất cả các dụng cụ bán dẫn, bán dẫn quang điện trở cũng nh các vi
mạch đều đợc 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 đợc về nồng độ hạt tải dới 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 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 nhiều
nguyên tố ( Si, Ge, GaAs, GaP …) chóng cã ®é dÉn ®iƯn nằm trong
khoảng = 10-8 10-4 [.m]-1, còn độ dẫn điện của vật liệu cách điện ( thạch
anh, kim cơng) n»m trong kho¶ng  = 10 -18  10-8 [.m] -1 . Vật liệu dẫn
điện bằng kim loại ( Cu, Al, Fe, Ni …) cã ®é dÉn ®iƯn lín nhÊt là =
104 108 [.m] -1.
Tinh thể bán dẫn bao gồm nhiều nguyên tử sắp xếp theo một quy luật
nhất định. Lực liên kết tơng hỗ khiến các nguyên tử có những vị trí xác định
trong 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 cô
lập, mô hình của nó coi nh gồm một hạt nhân tích điện dơng nằm ở giữa bao
quanh là các điện tử. Số điện tích dơng 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 lợng nhất định. Những điện tử nằm
ngoài 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 đ ợc gọi là
những điện tử hoá trị.
Theo cơ học lợng tử, vị trí của điện tử có thể xác định bằng bốn chỉ số lợng tử sau:
Số lợng tử chính ( n ) lấy giá trị:1, 2, 3, , n. Hoặc có khi dùng các chữ
tơng ứng: K, L, M, N,
Số lợng tử quỹ đạo ( l ) lấy giá trị: 0, 1, 2, , ( n-1). Hoặc dïng c¸c ký
hiƯu: s, p, d, f…

4


Số lợng tử từ ( m ) lấy các giá trị: 0, 1, 2, l.
Số lợng tử Spin ( S ) lấy các giá trị:

1
2

.

Theo nguyên lý Pauli thì trong một nguyên tử không thể có hai điện tử có
cùng bốn số lợng tử giống nhau. Với khái niệm về số lợng tử và nguyên lý Pauli,
cơ học lợng tử đà giải thích đợc sự tồn tại các mức năng lợng và sự phân bố điện
tử trong nguyên tử.
Một kết quả quan trọng của việc ứng dụng cơ học lợng tử là đà mô tả các
điện tử trong chất bán dẫn, chất rắn có các mức năng lợng cho phép tạo thành
từng vùng năng lợng. Các vùng mà ở đó năng lợng của điện tử trong chất rắn
không đợc 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 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 đà biết, tinh thể bán dẫn là tinh thể có cấu trúc mà ở đó các
nguyên tử đợc sắp xếp trong các khối cơ sở có tính tuần hoàn lặp lại giống nhau
theo ba chiều. Nh vậy tinh thể đợc 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 đợc 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 đợc 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 đợc 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 c¸c b¸n dÉn quan träng cã cÊu tróc

5


mạng kim cơng hoặc giả kẽm, các mạng này có ô mạng tứ diện, nghĩa là mỗi
nguyên 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 không
gian gọi là nút mạng, chúng tạo nên cấu trúc tinh thể ( các véc tơ a 1, a2, a3 đợc 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 lợng ngời ta đa vào khái
niệm mạng đảo và sử dụng mạng đảo trong tính toán. Nó đợc định nghĩa thông
qua đại lợng G đợc xác định theo công thức:
*

*

*

G = n1 a1 + n2 a2 + n3 a3
n1, n2, n3 là các số nguyên.

Trong đó:

a1* , a2* , a3*

là các véc tơ cơ sở của mạng đảo.
Với các véc tơ cơ sở đà cho, các véc tơ cơ sở của mạng đảo đợc viÕt
nh sau:
a1* =2

Sao cho:

a 2 a3
[ a1 a 2 ]a3

,

a2* = 2

a 2 a3
[ a1 a 2 ]a3

,

a3*

a 2 a3

= 2 [a a ]a
1 2
3

a1* x a2* = 2

G x R = 2x Số nguyên lần

Thể tích của ô cơ sở mạng đảo là nghịch đảo của thể tích của ô cơ sở
mạng trực tiếp:
Vc

= [a1 x a2] x a

Vc* =

2
VC

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 hệ
giữa năng lợng và động lợng, về mặt toán học có thể biểu diễn b»ng mèi
liªn hƯ ( E - k ). CÊu tróc vùng năng lợng thờng nhận đợc khi giải phơng 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 lợng khẳng định rằng
nếu năng lợng thế năng V(r) là có tính chu kỳ theo sự tuần hoàn của mạng tinh
thể thì các lời giải K(r) của phơng trình ( S ) sẽ có d¹ng:

6


[-

2
2m

2 + V(r)] = EKK(r)

(2)
K(r) = eJkr.Un(k,r)
(3)
Trong ®ã: Un(k,r) cã tính tuần hoàn theo không gian r cùng với sự tuần
hoàn của mạng tinh thể.
n: Ký hiệu của dải vùng năng lợng thứ n.
Từ tiên đề Bloch ngời ta đà chỉ ra rằng năng lợng EK là tuần hoàn trong
mạng đảo, nghĩa là:
Ek =Ek+G
(4)
Đối với một vùng năng lợng xác định, nghĩa là với n xác định, để ký hiệu
năng lợng độc nhất, có một cách biểu diễn rất thuận lợi, đó là sử dụng đại lợng 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 lợng
Giản đồ vùng năng lợng đợc vẽ minh hoạ trên hình vẽ ( 1.3 ) biểu thị độ
lớn 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 trong

vùng hoá trị tăng lên. Nh vậy một số điện tử chiếm vị trí cao hơn trong giản đồ
vùng năng lợng.
Vùng dẫn
Năng lợng
điện tử

EC
EV

Eg

Năng lợng
lỗ trống

Vùng hoá trị
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 diễn
bởi sự chuyển động của lỗ trống xuống phía dới. Mức thấp nhất trong vùng dẫn
ứng 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 thế
năng của điện tử. Tơng tự mức năng lợng tại đỉnh vùng hoá trị EV là øng víi thÕ
7


năng của lỗ trống. Nếu điện tử ở mức năng lợng cao hơn EC thì các điện tử và lỗ
trống mà có động năng bằng hiệu giữa các năng lợng của chúng và năng lợng
ứng 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 luật

của thống kê Fermi Dirac. Phân bố Fermi - Dirac cho biết xác suất mà một
trạng 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 thế
năng 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 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 lợng E sÏ lµ:
1
 E  EF
F(E) =
1  exp
 k BT





(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

1
2

. Nếu xét sự phân bố điện tử

ở độ không tuyệt đối ( T = 0K ), các mức năng lợng E < EF bị chiếm đầy hoàn
toàn, còn các mức lớn hơn E > EF bị bỏ trống hoàn toàn. Tại nhiệt độ hơn nhiệt
độ không tuyệt đối ( T > 0K ), xác suất chiếm chỗ của điện tử giảm dần từ mức
năng lợng thấp đến mức năng lợng cao.
Giả thiết rằng bán dẫn đang xét có mức Fermi nếu nằm gần phía vùng
dẫn nhng vẫn luôn cách đáy vùng này một khoảng lớn hơn 2kBT.

8


E

T>0
T=0

F(E)
0.5

1

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 nhng vẫn luôn cách chúng một khoảng lớn hơn
2kBT gọi là những bán dẫn không suy biến. Khi ấy xác suất chiếm mức năng lợng của điện tử và lỗ trống có thể viết gần đúng nh hai phơng trình sau:
F(E) = exp(

E EF
k BT

)

(1.4.2)
Nếu F(E) là xác suất điện tử chiếm mức năng lợng E thì xác suất để lỗ
trống chiếm mức năng lợng ấy lµ [1 – F(E) ].
[1- F(E)] = exp( 

E  EF
k BT

)

(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 lợng 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 đợc ký hiệu bằng Ei.
Trong bán dẫn loại n, nồng độ các điện tử trong vùng dẫn lớn hơn so với
trờng hợp bán dẫn thuần. Tuy nhiên, do mật độ các trạng thái năng lợng trong
vùng dẫn cũng giống nh trong trờng 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.
Ngợc lại, trong bán dẫn loại p thì lại bị dịch xuống phía dới.
2. Phân loại
Ngời 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
9

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 chiỊu

Ge

Ge
+4
44

44
44
44
44

+4

+4

4
Ge

Ge

+4

+4

Ge

Ge

Ge
+4

Ge

Ge

+4 CÊu tróc
+4cđa tinh thĨ+4Ge
H×nh 2.1.1
Gecmani cã tỉng sè 32 ®iƯn tư bªn trong cÊu tróc nguyªn tư cđa nã, 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 đợc 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 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 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 lợng đủ để vợt qua vùng cấm, chuyển lên vùng dẫn
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 vùng
này có thể chuyển lên. Lúc này, nếu đặt vào tinh thể một điện trờng thì xuất hiện
Eg

b
a

10


chuyển động có hớng của điện tử ở cả vùng dẫn và vùng hoá trị, dẫn đến sự xuất
hiện 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 di
chuyển hỗn loạn trong toàn mạng tinh thể. Năng lợng 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 ®é cđa chóng ngang b»ng nhau, møc Fermi trong b¸n 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 đợc thay thế bằng
nguyên tử As, hoá trị 5, Ge có cấu trúc mạng kim cơng, trong đó mỗi một
nguyên 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 đÃ

tham gia vào, điện tử thứ 5 không tham gia vào liên kết và chuyển động trong trờng của nguyên tử As đà bị yếu đi =16 lần ( - Độ thẩm điện của Ge ).
Vùng dẫn
+4

+4

+4

Eg
e5

As
+4

+5

Mức
cho

T=0K

b)
Vùng hoá trị

Ec
Ed

Ev

+4

EC
T>0K

Ed

Eg
+4

+4

+4

11

EV


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 E đ
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 E c 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).

Vùng dẫn
+4

+4In

EC

+4

b)

Eg

Ea
+4

+3

+4

EV

Vùng hoá trị

EC
+4

+4

c)

+4

Hình 2.3.1. Tinh thể Ge với InEg
Để tạo thành liên kết với 4 nguyên tử gần nhất thì nguyên tử In cần phải
nhận thêm một điện tửa)nữa, điện tử này chỉ có thể bắt từ nguyên tử Ge.
Tính toán đà 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

12

Ea
EV


có chứa tạp chất In, ở đỉnh vùng hoá trị một năng lợng Ea 0,01eV có một mức
năng 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 tợng là ở nhiệt độ tơng 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 đợc dịch xuống phía dới gần mép vùng hoá
trị, phụ thuộc vào độ lớn của nồng độ hạt tải loại p. Trong bán dẫn loại p, số lợng 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 trờng 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 đợc gọi là bán dẫn bù trừ. Trong
chuyển tiếp P-N, tại chính vị trí miền chuyển tiếp số lợng hai loại hạt tải bằng
nhau, hiệu của chúng p n = 0.
2.5. B¸n dÉn suy biÕn
Trong thùc tÕ khi pha tạp chất loại n với nồng độ cao ( thờng 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 dới gần mép vùng hoá trị hoặc nằm vào trong vùng hoá
trị. Trong trờng 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 trờng hợp này. Bán dẫn kiểu này
gọi 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

hoá trị N(E), hàm phân bố Fermi F(E) và nồng độ hạt tải n(E), p(E) của bán
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 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
toàn xung lợng. Chỉ trong các vật liệu có vùng cấm trực tiếp hiện tợng tái

14


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, nhng các hợp chất thuộc nhóm III vµ nhãm IV cã thĨ cho ta vËt liƯu có
vùng cấm tái hợp trực tiếp. Đây là các vật liệu đợc 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 vïng tõ 800  900 nm, vËt liƯu sư dơng 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 tơng ứng xác định bớc 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 đợc lựa chọn thờng xuyên
đạt đợc bớc sóng là 800 nm đến 850 nm. ở các bớc sóng dài hơn thì chất 4
thành 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 điốt
phát quang ( LED ) có thể tạo ra công suất đỉnh phát ra ở bớc sóng bất kỳ
giữa 1m và 1,7m. 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, bớc sóng của chÊt b¸n dÉn
15


Các yếu tố này ảnh hởng trực tiếp đến hiệu suất bức xạ, tuổi thọ của
nguồn sáng.
Quan hệ lợng tử giữa năng lợng E và tần số đợc xác định theo :
E = h =

hc



(3.1)
Bớc sóng phát xạ đỉnh  ®o b»ng m cã thĨ biĨu diƠn nh mét hàm của
năng lợng vùng cấm Eg đo bằng eV theo công thức:
(m) =

1240
Eg

(3.2)
Mối quan hệ giữa năng lợng 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 đợc GaAs từ phổ hồng ngoại đột ngột

chuyển sang phổ xanh lá cây với năng lợng lớn hơn nhiều
4. Hiệu ứng quang điện ngoài
a) Định nghĩa
Hiệu ứng quang điện ngoài là sự giải phóng electron khỏi bề mặt cđa mét
vËt liƯu díi t¸c dơng cđa ¸nh s¸ng.
HiƯu øng này quan sát đợc đối với các vật dẫn ở thể lỏng, rắn và khí.
b) Thí nghiệm
Hiện tợng quang điện ngoài do nhà bác học Héc phát hiện đầu tiên vào
năm 1887, sau đó nhà bác học Stoletov nghiên cứu hiện tợng này một cách có
hệ thống bằng thực nghiệm.
* Sơ đồ thí nghiệm

16


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
+ Vôn kế (V)
+ Biến trở R
+ Điện kế (G)
* Hoạt động
Chiếu chùm ánh sáng có bớc sóng thích hợp vào Katốt (K), trong mạch
xuất hiện dòng điện. Nhng ngừng chiếu ánh sáng thì dòng điện đó biến mất. Khi
chùm sáng có bớc sóng thích hợp đợc chiếu vào Katốt các electron đợc cung cấp
thêm năng lợng đủ để giải phóng ra khỏi liên kết của bề mặt kim loại di chuyển
về Anốt (A) dới tác dụng của điện trờng giữa Avà K tạo thành dòng điện trong
mạch. Dòng điện đó gọi là dòng quang điện. Các electron đợc giải phóng ra
khỏi Katốt đợc gọi là electron quang điện.

c) Đờng đặc trng Vôn Ampe
Khi thay đổi điện thế U giữa hai bản cực K và A ngời ta nhận thấy
cờng độ của dòng quang điện cũng thay ®ỉi theo.
ia = f(UAK)
§êng cong biĨu diƠn sù phơ thc 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 bÃo
hoà, nó đợc 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 ia0.
Điều đó chứng tỏ các quang electron khi đợc giải phóng ra khỏi K đà có sẵn
động năng ban đầu:
Wđ =

1
2

me.v02

(4.2)

Hình 4.2 Đặc tuyến Vôn - Ampe
Khi giảm UAK đến giá trị UAK = Uh < 0 thì dòng quang điện bị triệt
tiêu ia = 0, hiệu điện thế U h đợc gọi là hiệu điện thế hÃm.
Hiệu điện thế Uh có giá trị sao cho công cản của lực điện trờng bằng động
năng ban đầu cực đại của các quang electron :
Wđ =

1
2

me.v02Max

( 4.3)

Khi thay đổi quang thông chiếu vào Katốt thì cờng độ dòng quang điện
là thay đổi nhng dạng đờng đặc trng Vôn - Ampe không thay đổi.
d) Các định luật quang điện
* Định luật 1
Đối với mỗi kim loại làm Katốt nhất định, hiệu ứng quang điện chỉ
xảy ra khi tần số của ánh sáng kích thích lớn hơn hoặc bằng giá trị 0
ứng với kim loại đó.
 0

18


0
Trong đó 0, 0 đợc gọi là giới hạn quang điện của chất làm K

* Định luật 2
Vận tốc ban đầu cực đại ( hay động năng ban đầu ) cực đại của quang
electron không phụ thuộc vào cờng độ của chùm sáng rọi vào Katốt mà chỉ phụ
thuộc vào tần số của chùm sáng kích thích và bản chất của kim loại làm K.
* Định luật 3
Đối với chùm sáng có bớc sóng thỏa mÃn định luật quang điện 1 thì
cờng độ dòng quang điện bÃo hoà tỉ lệ với cờng độ của chùm sáng mà
Katốt nhận ®ỵc.
5. HiƯu øng quang ®iƯn trong
Thùc nghiƯm ngêi ta cho thấy khi chiếu ánh sáng có bớc sóng thích hợp
vào bán dẫn, các electron liên kết yếu với nút mạng tinh thể đợc giải phóng và
trở thành các electron tự do. Hiện tợng này đợc gọi là hiện tợng quang dẫn hay
hiệu ứng quang điện trong.
Rõ ràng là khi xảy ra hiệu ứng quang điện trong đặc tính dẫn điện của
chất bán dẫn đà thay đổi khi đó độ dẫn điện thì tăng lên còn điện trở giảm
xuống
( do các electron chuyển động dễ dàng hơn ).
Dựa vào hiệu ứng quang điện trong ngời ta chế tạo ra các quang điện
trở, 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 đà 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 bán
dẫn, độ dẫn điện của quang trở tăng lên, dòng quang điện trong mạch cũng tăng
19

cùng với sự tăng quang thông rọi vào nó và tỉ lệ với hiệu điện thế giữa hai cực.
Khác với tế bào quang điện chân không, quang điện trở không có dòng bÃo hoà.
Độ nhạy của quang điện trở hàng nghìn lần, lớn hơn độ nhạy của tế bào quang
điện chân không. Đặc trng của hiện tợng quang dẫn là hiệu ứng tăng độ dẫn
trong chất bán dẫn khi hÊp thơ ¸nh s¸ng. Khi hiƯu øng quang dÉn trong xảy ra,
các điện tử linh động sẽ hấp thụ năng lợng ánh sáng và nhảy lên vùng dẫn qua
vùng cấm, để lại trong vùng hoá trị một lỗ trống. Do đó số hạt tải trong tinh thể
tăng lên, kết quả là dẫn đến độ dẫn tăng theo công thức:
= p.e.p + n.e.n
(5.1)
Trong đó: e - là điện tích electron,
p - là sự thay đổi nồng độ lỗ trống,
n - là sự thay đổi về nồng độ điện tử,
p - là độ linh động của lỗ trống,
n - là độ linh động của điện tử.
Khi có thế U đợc đặt vào khối bán dẫn thì dòng quang dẫn xuất hiện
có cêng ®é:
Iph =

A
.. .U
d

(5.2)
Trong ®ã: A - diƯn tÝch tiÕt diện vuông góc phơng chuyển dời của các
hạt mang điện,
d - là khoảng cách giữa hai cực.
Nh vậy, khi ánh sáng có bớc sóng thích hợp chiếu vào quang trở độ dẫn

điện tăng, do đó dòng Iph xác định theo (5.2) tăng theo.
5.1. Quang dẫn riêng và quang dẫn tạp chất
Chiếu lên chất bán dẫn chùm sáng có cờng độ J0 ( hình 5.2 ), khi đi qua
chất bán dẫn do bị hấp thụ, chùm sáng bị yếu dần đi. Lợng năng lợng ánh sáng
dJ bị hấp thụ bởi lớp bán dẫn dày dx vô cùng bé, cách bề mặt bán dẫn đoạn x sẽ
tỉ lệ với cờng độ ánh sáng J ở lớp này với độ dày dx cđa nã.
dJ = - jdx
(5.3)
DÊu (-) ë biĨu thøc (5.3) chứng tỏ rằng năng lợng bị giảm.
Hệ số tỉ lệ đợc gọi là hệ số hấp thụ.

20