Luận văn nghiên cứu tìm hiểu một số linh kiện thu tín hiệu quang và ứng dụng

Mở đầu Các ngành khoa học và công nghệ liên quan đến ngành Vật lý chất rắn đã phát triển và đi vào cuộc sống một cách mạnh mẽ từ những năm đầu của thế kỷ XX. Trong đó vật lý và các linh kiện bán dẫn là một trong các lĩnh vực đợc quan tâm và phát triển nhiều nhất. Cho đến nay, các linh kiện bán dẫn đã đợc ứng dụng rộng rãi và rất có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực của khoa học và công nghệ nh: công nghệ sinh học, y học, đo đạc, phân tích cấu trúc vật liệu, trong nông nghiệp, điện tử, Vì vậy, nghiên cứu tìm hiểu các đặc điểm, tính chất của các linh kiện bán dẫn là những kiến thức cơ bản, cần thiết để bớc đầu tiếp cận với vật lý và công nghệ các linh kiện bán dẫn. Trong số các linh kiện bán dẫn thì các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang đã và đang có nhiều ứng dụng thiết thực và hiệu quả trong nghiên cứu khoa học cũng nh cuộc sống thực tiễn. Thực tế cho thấy trên nhiều thiết bị nghiên cứu hiện đại, các thiết bị, máy móc phục vụ sản xuất công nghiệp có rất nhiều linh kiện bán dẫn thu quang đợc sử dụng để điều khiển các thao tác của máy, làm đầu dò, . Vì vậy chúng ta cần tìm hiểu về các linh kiện này một cách hệ thống để có thể khai thác và vận hành các trang thiết bị, máy móc một cách có hiệu quả và an toàn. Từ những lý do trên chúng tôi chọn đề tài luận văn với tên là: Nghiên cứu tìm hiểu một số linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang và ứng dụng. Mục đích của luận văn là nghiên cứu tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các đặc trng cơ bản của một số linh kiện bán dẫn dùng để thu các tín hiệu quang. Từ đó, luận văn sẽ tìm hiểu các ứng dụng cơ bản của các linh kiện này. Nội dung của luận văn ngoài phần mở đầu, phần kết luận đợc trình bày trong 3 chơng. 1 Chơng 1: Giới thiệu về chất bán dẫn. Chơng 2: Các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang. Chơng 3: ứng dụng của các linh kiện thu tín hiệu quang. Mặc dù đã có nhiều cố gắng với mong muốn có đợc một luận văn tốt nghiệp đạt chất lợng tốt song do trình độ và thời gian hạn chế cũng nh lần đầu tiếp cận với công việc nghiên cứu do đó chắc chắn không thể tránh đợc những thiếu sót. Tác giả rất mong sẽ nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các bạn độc giả để luận văn đạt chất l- ợng tốt hơn. chơng I 2 E C E V Giới thiệu về chất bán dẫn 1.1. Khái niệm về chất bán dẫn Các chất bán dẫn thờng là những tinh thể mà về mặt cấu trúc năng lợng có một vùng bị chiếm đầy và trên nó là một vùng trống (gọi là vùng dẫn) vùng cấm nằm giữa hai vùng này có giá trị không lớn lắm (d- ới vài ba ev). Hình 1.1 minh hoạ cấu trúc vùng năng lợng của chất bán dẫn. Hình 1.1. Biểu diễn cấu trúc vùng năng lợng của chất bán dẫn. Các tính chất của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào độ rộng của vùng cấm. Vùng cấm của một số chất bán dẫn ở nhiệt độ phòng nh sau: Si có E g = 1,12eV Ge E g = 0,66eV GaAs E g = 1,42eV GaP E g = 2,26eV SiC E g = 2,29eV 3 E g =0.3ữ3eV Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hoá trị Do độ rộng vùng cấm E g của các chất bán dẫn hẹp nên về nguyên tắc các kích thích nhiệt cũng có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn và trở thành các điện tử dẫn. Xét về mặt tính chất điện, chất bán dẫn có giá trị điện trở suất trung gian giữa kim loại và điện môi. Điện trở xuất của kim loại nằm trong khoảng 10 -8 - 10 -6 m. Chẳng hạn ở nhiệt độ phòng, điện trở suất của bạc là 1,58.10 -8 m, còn của hợp kim nicrôm là 1,05 x 10 -6 m. Điện trở suất của bán dẫn nằm trong khoảng từ 10 -4 - 10 10 m (thí dụ Gecmani có điện trở suất từ 5x10 -6 - 0,047 m tuỳ theo công nghệ chế tạo ra nó, còn cadmisunfua (CdS) có thể có điện trở suất trong khoảng từ 10 -5 - 10 10 m). Các vật liệu có điện trở suất lớn hơn 10 8 m đợc coi là điện môi (nh mica, tuỳ theo thành phần cấu tạo, có điện trở suất 10 11 - 10 14 m còn thủy tinh là 10 6 - 10 13 m). 1.2. Cấu trúc vùng năng lợng 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 biểu diễn bằng mối quan hệ theo hệ thức: E = f(k) (1.1) Những tinh thể mà cấu trúc vùng năng lợng có một vùng hoá trị bị chiếm đầy và trên nó là một vùng trống (gọi là vùng dẫn). Vùng cấm nằm giữa 2 vùng này có giá trị không lớn lắm (dới vài, ba eV). Hình (1.1) là sơ đồ khối biểu diễn cấu trúc vùng năng lợng của bán dẫn. Bán dẫn là nhng chất có phổ năng lợng ở nhiệt độ thấp gồm các miền cho phép điền đầy hoàn toàn bởi các êlectrôn và những miền trống hoàn toàn. Miền trống hoàn toàn gọi là miền dẫn, mức năng lợng thấp nhất của miền này gọi là đáy miền dẫn, ký hiệu là E c . Miền đầy hoàn toàn gọi là miền hoá trị, mức năng lợng cao nhất của miền hoá trị gọi là 4 đỉnh miền hoá trị, ký hiệu là E v . Khoảng cách giữa 2 miền này có bề rộng gọi là miền cấm, ký hiệu là Eg và: E g = E c - E v (1.2) Trạng thái êlectrôn trong các miền năng lợng cho phép đợc xác định bởi năng lợng E và vec tơ sóng ),,( zyx kkkk . Sự phụ thuộc giữa năng lợng và vectơ sóng k trong miền cho phép là rất phức tạp. Tại các điểm lân cận cực tiểu và cực đại miền hoá trị có thể xem gần đúng phụ thuộc có dạng bậc 2 tơng ứng . Đối với êlectrôn: n 22 2 C *m2 k E)k(E += (1.3) Đối với lỗ trống: p 22 2 V *m2 k E)k(E += (1.4) trong đó: m* n , m* p tơng ứng là khối lợng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống. Đặc điểm nữa của phổ năng lợng trong bán dẫn là vùng năng lợng gồm nhiều vùng nhỏ chồng lên nhau, nghĩa là trong mỗi vùng năng l- ợng cho phép có thể có nhiều phụ thuộc )k(E khác nhau. Cực tiểu miền dẫn trong không gian véctơ sóng có thể nằm ở một điểm K (0,0,0) hoặc nằm ở điểm K = (0,0,0) trên một phơng tinh thể nào đó. Ví dụ: GaAs có cực tiểu miền dẫn ở điểm K = (0,0,0), Si có cực tiểu miền dẫn tại một điểm trên phơng [111] trong không gian k . Cũng từ đặc điểm này các chất bán dẫn còn đợc chia làm hai loại là bán dẫn vùng cấm thẳng và bán dẫn vùng xiên. Bán dẫn vùng cấm thẳng là bán dẫn có cấu trúc vùng năng lợng với cực đại của vùng hoá trị và cực tiểu của vùng dẫn nằm tại cùng một điểm của không gian k . Ví dụ: GaAs, InP, InAs, CdS, CdTe . 5 Eg Eg Ev Ev Ec Bán dẫn vùng cấm xiên là bán dẫn có cấu trúc vùng năng lợng với 2 điểm cực trị nói trên không nằm tại cùng một điểm không gian k . Ví dụ Si, Ge, AlP, AlAs, AlSb, GaP Hình 1.2. Sơ đồ vùng năng lợng của bán dẫn vùng cấm thẳng (a) và bán dẫn vùng cấm xiên (b). 1.3. Các loại bán dẫn 1.3.1. Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn tinh khiết là bán dẫn không chứa một loại tạp chất nào. Cấu trúc vùng năng lợng của bán dẫn tinh khiết gồm 1 vùng hoá trị điền đầy hoàn toàn và miền dẫn bỏ trống hoàn toàn. Hai miền này cách nhau bởi vùng cấm có bề rộng không lớn lắm: vcg EEE = (1.5) trong đó E c là đáy miền dẫn, E v là đỉnh miền hoá trị. ở T = 0K, bán dẫn tinh khiết là chất điện môi, khi T > 0K, do thu thêm năng lợng các êlectrôn từ đỉnh vùng hoá trị có thể trợt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn trở thành electrôn tự do (êlectrôn dẫn) đồng thời để lại những lỗ trống ở miền hoá trị. Nhiệt độ càng cao thì số êlectrôn dẫn và lỗ trống càng lớn. Bây giờ ta tính mật độ êlectrôn và lỗ trống ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Để đơn giản ta xét bán dẫn có mặt đẳng năng hình cầu và quy luật tán sắc bậc 2 ở cả vùng dẫn và vùng hoá trị. Giả thuyết này là phù hợp vì rằng ở nhiệt độ thông thờng mật độ êlectrôn và lỗ trống 6 Ec (a) (b) không lớn lắm nên các êlectrôn và lỗ trống chỉ chiếm các mức năng l- ợng ở gần đáy vùng dẫn và đỉnh hoá trị. Mật độ êlectrôn dẫn đợc tính nh sau: n e = c E ce dEEEZEf ).()( (1.6) Trong đó f e (E) là hàm phân bố Fecmi đirắc. )1exp( 1 )( = KT EE Ef F e (1.7) Năng lợng của êlectrôn so với đáy miền dẫn đợc tính theo công thức (1.6). Hàm Z( E - E C ) là mật độ trạng thái đợc tính bởi công thức: 2 32 2 3 2 1 )( )(2 )( CC EE m EEZ = (1.8) thay (1.7) và (1.8) vào (1.6) ta đợc: = C E Ceee dEEEZEfn 2 1 )().( (1.9) trong đó . *)(2 32 2 3 2 1 m A e = Tơng tự ta cũng có mật lỗ trống p nh sau: n p ( ). ( ) C h v E f E Z E E dE = + (1.10) Trong đó Z(-E + E V ) là mật độ trạng thái của vùng hoá trị, còn hàm phân bố của lỗ trống f h (E) đợc xác định từ điều kiện: f e (E) + f h (E) =1 (1.11) 1 1 )(1)( . + == TK EE eh B F e EfEf (1.12) Để thuận lợi ta lấy gốc tính năng lợng ở đáy miền dẫn: E c = 0; E v = -E g Từ đó ta suy ra các biểu thức của mật độ hạt tải n, p là: 7 1 2 0 1 F B e e E E K T E n A dE e = + (1.13) 1 2 ( ) 1 g F B E g p h E E K T E E dE n A e = + (1.14) ở nhiệt độ thông thờng: + ở trong vùng dẫn: E- E F >> K B T + ở trong vùng hoá trị: E F E >> K B T Vì vậy hàm phân bố Fermi (1.12) có thể đợc coi gần đúng bằng: )exp()( TK EE Ef B F e = và )exp()( TK EE Ef B F e (1.15) ý nghĩa vật lý ở điều này là ở chỗ: trong bán dẫn mật độ êlectrôn ở vùng dẫn (và mật độ lỗ trống của vùng hoá trị) thờng rất nhỏ so với mật độ êlectrôn trong kim loại, nghĩa là xác suất trạng thái bị chiếm bởi êlectrôn là nhỏ f e (E) << 1 và f h (E) <<1. Những bán dẫn thoã mãn điều kiện (1.15) gọi là bán dẫn không suy biến. Vậy với bán dẫn không suy biến hàm phân bố Fermi trở thành hàm phân bố Boltzmann. Trong vật lý bán dẫn ngời ta thờng gọi E F là mức Fermi. Ta có thể tính mật độ êlectrôn và lỗ trống trong bán dẫn không suy biến bằng cách thay (1.15) vào n e và n p ta nhận đợc: 1 2 0 .exp( ) exp( ). . F e e B B E E n A E dE K T K T = (1.16) Đặt I = 0 2 1 )exp( dEE TK E B (1.17) Ta tính tích phân (1.16) nh sau: đặt E = x 2 => dE= 2xdx => dxx TK x I B 2 2 0 exp2 = Sử dụng tích phân poatxông ++ == 0 121 22 2 2 !)!12( )exp(2 nn n n a n dxxaxI . 8 Từ đó ta có: I = 2.1/4 3 )/1( kT = 2/32/1 )( 2 1 KT (1.18) Thay (1.18) vào (1.11) ta đợc: n e = TK E B b f e h Tmk 2/3 2 * ) 2 (2 (1.19) Tơng tự ta cũng có mạt độ lỗ trống: n p = gF EE e B e Tmk + . 2 2 2/3 * (1.20) Nhân vế với vế của (1.19) và (1.20) ta đợc: n e . n p = )exp()( 2 4 2/3 3 TK E mm Tk B g he B (1.21) Biểu thức (1.21) không chứa mức fecmi, đó là biểu thức định luật khối lợng hiệu dụng, ở một nhiệt độ xác định thì tích của mật độ êlectrôn và lỗ trống là một hằng số. Trong trờng hợp bán dẫn tinh khiết: mỗi êlectrôn khi chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn đều tạo thành một lỗ trống, vì vậy mật độ êlectrôn và lỗ trống bằng nhau. n e = n p = n i = p i (mật độ hạt dẫn riêng). = == TK E n TK E mm T pn B g B g heii 2 exp) 2 exp(.).( 2 K 2 0 4 3 2 3 2 B (1.22) trong đó 4 3 he 2 3 2 B 0 )m.m( n2 TK 2n = Nh vậy trong trờng hợp bán dẫn điện riêng (bán dẫn thuần) thì n = p và ta có: TK EE h TK E e B gF B F emem + = 2 3 2 3 e h B g F m m lnTK 4 3 2 E E += (1.23) 9 từ (1.23) ta thấy mức Fermi E F phụ thuộc bậc nhất vào nhiệt độ. Nếu m h = m C thì: 2 E E g F = : trong trờng hợp này mức Fecmi nằm chính giữa vùng cấm. Vì chất bán dẫn có 2 loại hạt tải (êlectrôn và lỗ trống) nên mật độ dòng điện qua bán dẫn đợc xác định theo công thức: . . x e ex p hx J n e v n ev = + (1.24) trong đó hxex v,v là giá trị trung bình của hình chiếu lên phơng x của vận tốc, e là độ lớn điện tích. ở trạng thái dừng thì: xhhxxeex vv àà == , , trong đó he àà , là độ linh động của êlectrôn và lỗ trống, x là hình chiếu của vectơ cờng độ điện trờng lên phơng x. xxhex peneJ àà .)( =+= (1.25) Với: he pene àà += . (1.26) : gọi là điện dẫn suất. Cần chú ý là êlectrôn và lỗ trống có điện tích trái dấu, do đó dới tác dụng của điện trờng E , vận tốc chuyện động có hớng của êlectrôn và lỗ trống có chiều ngợc nhau, nhng véctơ mật độ dòng điện của êlectrôn và lỗ trống gây ra lại cùng chiều. 1.3.2. Bán dẫn tạp chất Trong thực tế các bán dẫn dù có sạch bao nhiêu thì cũng chứa một số các nguyên tử tạp chất. Sự tồn tại của các nguyên tử tạp chất làm ảnh hởng rất lớn đến tính chất của bán dẫn và nó sẽ làm xuất hiện một số mức tạp trong phổ năng lợng của bán dẫn. Các mức tạp chất có thể nằm trong vùng tạp chất, có thể nằm trong vùng cấm và ở các vị trí khác nhau, phân bố từ đỉnh vùng hoá trị đến đáy vùng dẫn. 10 . cứu tìm hiểu một số linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang và ứng dụng. Mục đích của luận văn là nghiên cứu tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các. của một số linh kiện bán dẫn dùng để thu các tín hiệu quang. Từ đó, luận văn sẽ tìm hiểu các ứng dụng cơ bản của các linh kiện này. Nội dung của luận văn