quang học bán dẫn seminar chuyên ngành chuyên ngành: vật liệu màng mỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG  Nhóm 9 Đề tài: QUANG HỌC BÁN DẪN SEMINAR CHUYÊN NGÀNH ng GVHD: Ths Ngô H SVTH:  King Nht Chung Qung Thnh  TP H CHÍ MINH  2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN MÀNG MỎNG  Nhóm 9 Đề tài: QUANG HỌC BÁN DẪN SEMINAR CHUYÊN NGÀNH ng GVHD: Ths Ngô H SVTH:  King Nht Chung Qung Thnh  TP H CHÍ MINH  2013 i MỤC LỤC MC LC i DANH MC HÌNH V V TH iii Lu 1 Chương 1. Vùng Năng Lượng và Điện Tích Hạt Tải 2 1.1. Vùng Năng Lượng Trong Chất Bán Dẫn 2 1.2. Điện tử và lỗ trống 3 1.3. Sự tương quan giữa năng lượng và động lượng 4 1.4. Khối lượng hiệu dụng 5 1.5. Bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp 6 Chương 2. Vật Liệu Bán Dẫn 7 2.1. Binary III-V Semiconductors 7 2.2. Ternary III-V Semiconductors 9 2.3. Quaternary III-V Semiconductors 10 2.4. Bán dẫn tinh khiết 13 2.5. Bán dẫn pha tạp 14 2.6. Bán dẫn hữu cơ 17 3.1. Mật độ trạng thái. 18 3.2. Xác suất chiếm giữ bởi electron và lỗ trống. 18 3.3. Nồng độ hạt tải trong cân bằng nhiệt 20 Chương 4. Sự phát sinh và tái hợp điện tử - lỗ trống 23 4.1. Sự phát sinh và tái hợp trong trạng thái cân bằng nhiệt 23 4.2. Tốc độ tái hợp 24 4.3. Sự dư điện tử và lỗ trống 25 4.4. Hiệu suất lượng tử nội 26 Chương 5. Tiếp xúc p-n 27 5.1. Cấu tạo 27 5.2. Nguyên tắc làm việc 28 5.3. Các loại diode cơ bản 29 Chương 6. Tiếp xúc dị thể. 31 6.1. Giới thiệu. 31 6.2. Hoạt động của tiếp xúc dị thể. 31 Chương 7. Cấu trúc giam giữ lượng tử 34 ii 7.1. Giếng lượng tử 34 7.2. Dây lượng tử 36 7.3. Chấm lượng tử 37 TÀI LIÊU THAM KHO 38 iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Bán dn Silic và GaAs 2 ng mng tinh th 3 Hình 1.3 n t trong vùng dn và l trng trong vùng hóa tr ti T>0 o K. 4 Hình 1.4 Mt ct ngang ca hàm E-i vi Si và GaAs dng: [111] bên trái và [100] bên phi. 5 Hình 1.5 Bi E-k ca Si và GaAs ging parabol tn và  nh vùng hóa tr. 5 Hình 2.1 Các nguyên t bán dn quan trng trong bng tun hoàn. 7 Hình 2.2 Binary III-V Semiconductors 7 Hình 2.3 Các cht bán dn và cng 8 Hình 2.4 Ternary III-V Semiconductors 9 Hình 2.5 Quaternary III-V Semiconductors 10 Hình 2.6 ng vùng cc sóng vùng cm và hng s mng ca Si, Ge, SiC và 12 hp cht hai nguyên t III-V. 12 Hình 2.7 ng vùng cc sóng vùng cm và hng s mng ca các cht bán dn II-VI (HgSe và HgTe là á kim vi vùng cm âm nh). 13 Hình 2.8 Mng tinh th Si 13 Hình 2.9 Mng tinh th Si pha tp nguyên t P 14 Hình 2.10 Dng ca bán dn loi Si pha tp P (T = 00K) 15 Hình 2.11 Mng tinh th Si pha tp cht B 16 Hình 2.12 Dng ca bán dn loi Si pha tp P (T = 00K) 16 Hình 2.13 Mch phân t h 17 Hình 2.14 Chui polymer liên hp 17 Hình 3.1 Xác sut các mng b chim  nhi T > 00K 19 Hình 3.2 Xác sut các mng b chim  nhi T = 00K 20 Hình 3.4 N ht ti khi cân bng nhit 21 Hình 3.4 N electron và l trng ca bán dn loi n 22 Hình 3.5 N electron và l trng ca bán dn loi n 22 Hình 4.1 Quá trình phát sinh và tái hp 23 Hình 4.2: Tái hp qua tâm by 24 Hình 4.3: Tái hp Auger 24 Hình 5.1-n 27 Hình 5.2 28 Hình 5.3 P 29 iv Hình 5.4: -v 29 Hình 6.1 Cu to lp tip xúc d th và s chênh lch ca vùng cm 31 Hình 6.2 Gi ng ca tip xúc d th p-p-n 31 ng giam gi hi ti 32 Hình 6.4 S giam gi ng photon 33 1 Lời nói đầu Ngày nay, s phát trin ca ngành công nghin tng công c, thit b có nhc kì hi sng. B não hot ng ca các thit b n t ngày nay n cht bán dn. Vy cht bán dn là gì, và nh nhng tính cht nào mà bán dc ng dng trong các linh kin, thit b y. Trong khuôn kh ca bài này, chúng tôi s gii thiu v cht bán dn và nhng tính cht ca nó ng dng trong các quang hn hc. 2 Chương 1. Vùng Năng Lượng và Điện Tích Hạt Tải o lun  phn nhng phc, cht bán dn là tinh th hoc là cht r dn ca nó nm gia kim loi và chn.  dn ca nó có th thay  bi khi gim nhi hoc là gim nng  pha tp trong vt liu, hay là khi b chiu sáng. 1.1. Vùng Năng Lượng Trong Chất Bán Dẫn Các nguyên t bao gm các vt liu bán dn có s a các nguyên t  m nó không th  là mt thc th riêng l. Các electron dn ca nó không b ràng buc vào các nguyên t riêng l mà nó thuc v s thu nhn ca các nguyên t  t tng th. Gi  ng electron, trong th tuc to bi s thu nhn nguyên t trong mng tinh th, kt qu là có s phân ct mng nguyên t và hình thành ng. Mi vùng cha mc các mng ri rc do c. Trong hình 16.1-1, vùng hóa tr và vùng dn b chia ra b  ng vùng cm E g . E g có vai trò quan trng trong vi  nh tính n ca vt liu. Hình 1.1. Bán dn Silic và GaAs 3 Ngun gc ca vùng cm có th c minh ha bng mô hình Kronig- Penny. Trong lý thuyt th ca mng tinh th n,  không gian 1 chic th hin trong hình 16.1-2(a), nó xp x vi các th rào cn vuông tun hoàn 1 chiu trong hình 16.1-2(b). Vic ging th này  ng vi s di chuyn phân tán cc tách ra bi vùng cm vi s phân rã phân tán theo hàm s  n thy kt qu này là ph bic áp dng cho không gian 3 chiu. Hàm riêng ca s di chuyn sóng là Bloch modes vi s tun hoàn ca mng tinh th.  ng mng tinh th 1.2. Điện tử và lỗ trống Hàm sóng cn t trong cht bán dn xp chnh bng nguyên lý loi tr Pauli. Nguyên lý này nói rn t nào có th chim cùng mt trng t và mng thp nht s n u tiên. Các nguyên t bán dn t hóa tr hình thành nên liên kt cng hóa tr. Ti T = 0 o K, vùng hóa tr c ly hoàn n hoàn toàn trng rng. Vt liu không th dn u kin này. Tuy nhiên, khi nhi n t có th c kích thích nhit t vùng hóa tr vào vùng dn hoàn toàn trn t này có th ho chng, nó trôi qua mng tinh th i tác dng áp vào và n t bu ri khi vùng hóa tr  li các l trn t  vùng này s nhy vào v trí các l tr trng  Kt qu cn t kích thích s tn t t do  vùng dn và các l trng t do  vùng hóa trn t và l trng t do s trôi t i tác 4 dng c tn. Mt vt lic  dn ci nhi  Hình 1.3 n t trong vùng dn và l trng trong vùng hóa tr ti T>0 o K. 1.3. Sự tương quan giữa năng lượng và động lượng     ng p trong vùng th nh (không gian t c th hin qua công thc: 2 2 2 00 / 2 / 2E p m k m vi  ln cng  ln ca vector sóng /kp m o : khng electron (9.1x10 -31 kg)  th biu din m E và k là mn. S di chuyn cn t trong vt liu bán dn b chi phi b trình Schrodinger, v n th c sinh ra bi s n trong mng tinh th tun hoàn ca vt li ng b tách ra bi vùng cu này ging vi s a mô hình Kronig-Penny. S - k cn t, l trng trong vùng hóa tr và vùng dc minh ha trong hình 16.1-ng E là mt hàm tun hoàn, gm có: vector sóng k (k 1 ,k 2 ,k 3 ), 1 2 3 ( / , / , / )a a a     1 , a 2 , a 3 là hng s mng tinh th. Vector sóng k nm trong vùng Brillouin th nht, khong [ / , / ]aa   n [...]... tiếp Chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp như GaAs là chất phát photon có hi u quả, trái lại, chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp như Si thì không phát photon hi u quả ở điều ki n thường 7 Chương 2 Vật Liệu Bán Dẫn Hình 2.1 Các nguyên tố bán dẫn quan trọng trong bảng tuần hoàn Ta sẽ lần lượt nói rõ về nguyên tố bán dẫn, chất bán dẫn gồm 2 (binary),3 (ternary),4 (quaternary) nguyên tố và bán dẫn tạp chất... li u bán dẫn 1.5 Bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp Các chất bán dẫn có năng lượng vùng dẫn cực tiểu v năng lượng vùng hóa trị cực đại trong cùng một giá trị số sóng k thì được gọi là v t li u vùng cấm trực tiếp Còn các chất bán dẫn mà không thỏa điều ki n trên thì gọi là v t li u vùng cấm gián tiếp Ví dụ như trong hình 16.1-5, GaAs là chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp và Si là chất bán dẫn có... tại các nối bị gãy 2.5 Bán dẫn pha tạp Pha tạp vào bán dẫn Si thuần các nguyên tố nhóm III và V nhằm tha đổi nồng độ hạt tải trong bán dẫn thuần Từ đó điều khiển các tính chất đi n và quang của bán dẫn 2.5.1 Bán dẫn pha tạp loại n Pha tạp vào Si các nguyên tố nhóm V của bảng h thống tuần ho n như Nitơ (N), Photpho (P), Asenic (As) Bán kính các nguyên tử nguyên tố nhóm V gần bằng bán kính nguyên tử Si... hạt tải trong cân bằng nhiệt Trong bán dẫn, dưới tác dụng của nhi t kích thích l m tăng độ dẫn của v t li u bán dẫn, sau đó bán dẫn sẽ tiến dần đến trạng thái cân bằng nhi t Ở nhi t độ T, nồng độ đi n tử và lỗ trống trong bán dẫn bất kỳ ∞ Ec De E FF dE m∗ k β T e 2 2πħ2 ∞ Ec Dh E 1 − FF dE 3 2 EF − Ec kβT ex m∗ k β T h 2 2πħ2 3 2 ex Ev − EF kβT (3.4) (3.5) Trong bán dẫn thuần, ở một nhi t độ T bất kỳ,... ⁄1 (3) 𝛕r = 27 Chương 5 Tiếp xúc p-n 5.1 Cấu tạo Tiếp xúc p-n l cho 2 lớp bán dẫn loại P v bán dẫn loại N ghép lại với nhau , chúng hoạt động như một diode Giao di n tách bi t các vùng n v p được gọi l tiếp xúc kim loại Hình 5.1 tiếp xúc p-n ì ở bán dẫn loại P m t độ lỗ trống lớn hơn rất nhiều so với bán dẫn loại N , còn bán dẫn loại N có m t độ đi n tử lớn hơn rất nhiều so với loại P n n xả ra hi... tạp, ta có : (2.1) Với n : nồng độ đi n tử trong vùng dẫn P : nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị Bán dẫn có nồng độ đi n tử lớn hơn nhiều so với nồng độ lỗ trống là bán dẫn loại n 2.5.2 Bán dẫn pha tạp loại p Pha tạp vào Si các nguyên tố nhóm III của bảng h thống tuần ho n như Bo (B), Nhôm (Al), Galium (Ga) Bán kính các nguyên tử nhóm III gần bằng với bán kính nguyên tử Si nên có thể thay thế nguyên tử... âm nhỏ) HgTe và CdTe gần như l hợp mạng, vì đường thẳng dọc nối giữa chúng lại, do đó chất bán dẫn 3 thành phần HgxCd1-xTe có thể phát triển m không l m căng trên mẫu CdTe 2.4 Bán dẫn tinh khiết Hai chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thu t chế tạo linh ki n đi n tử là Silicium và Germanium Xét bán dẫn điển hình là Si Mỗi nguyên tử Si có 4 đi n tử ở lớp ngoài cùng kết hợp với 4 đi n tử của... hạt tải khi cân bằng nhi t Trong bán dẫn thuần n = p = ni Do đó 2 i 𝑛𝑖 ≈ 𝑁 𝑣 𝑁 𝑐 𝑒𝑥𝑝 − (3.6) 𝐸𝑔 2𝐾𝑇 (3.6.1) Đối với bán dẫn tạp chất, nồng độ electron sẽ không cân bằng với nồng độ lỗ trống ≠ 2 i (3.7) Ở trong bán dẫn loại n, các electron dễ dàng chiểm mức năng lượng Donor để nhảy lên vùng dẫn Do đó, hầu như tất cả các electron sẽ bị kích thích nhi t nhảy lên vùng dẫn v để lại trạng thái trống trên... 17 Nếu gọi NA là nồng độ nguyên tử B pha tạp, ta có (2.2) Với p : nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị n : nồng độ đi n tử trong vùng dẫn 2.6 Bán dẫn hữu cơ Bán dẫn có thành phần là các nguyên tố hữu cơ, được hình thành bởi các liên kết hóa học giữa C = C, C – H Bán dẫn hữu cơ có hai cấu trúc chính  Phân tử hữu cơ nhỏ, có thành phần liên kết là các vòng benzen Hình 2.13 Mạch phân tử hữu cơ  Chuỗi... Nồng độ electron và lỗ trống của bán dẫn loại n Trong bán dẫn loại p, mức năng lượng Acceptor nằm trên, gần mức năng lượng đỉnh vùng hóa trị Do đó mức năng lượng trống Acceptor sẽ dễ dàng bắt đi n tử từ vùng hóa trị và nh n năng lượng kích thích lên vùng dẫn, cho nên mức Fermi sẽ nằm nữa dưới của vùng cấm Nồng độ hạt tải Hình 3.5 Nồng độ electron và lỗ trống của bán dẫn loại n 23 Chương 4 Sự phát sinh . ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG  Nhóm 9 Đề tài: QUANG HỌC BÁN DẪN SEMINAR CHUYÊN NGÀNH. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN MÀNG MỎNG  Nhóm 9 Đề tài: QUANG HỌC BÁN DẪN SEMINAR CHUYÊN NGÀNH. Chất Bán Dẫn 2 1.2. Điện tử và lỗ trống 3 1.3. Sự tương quan giữa năng lượng và động lượng 4 1.4. Khối lượng hiệu dụng 5 1.5. Bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp 6 Chương 2. Vật Liệu Bán