5. Bố cục của luận văn gồm
1.3.2. Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Si tinh thể khối
Nguyên tố Si có 14 điện tử, với cấu hình vỏ điện tử 1s22s22p63s23p2, có hai lớp điện tử đầy hoàn toàn toàn, lớp thứ ba chưa điền đầy 3s23p2. Nếu như kết tinh thành tinh thể, các vùng năng lượng cho phép hình thành đúng như từ các mức năng lượng nguyên tử cô lập thì Si sẽ là kim loại. Vùng năng lượng được tạo nên từ mức
np2 sẽ chứa được 6N điện tử (N số nguyên tử trong tinh thể), nhưng trong tinh thể Si chỉ có 2N điện tử chính vì vậy Si thể hiện tính dẫn điện của kim loại.
Trong thực tế Si là chất bán dẫn điển hình, nguyên nhân là do khi hình thành tinh thể mức p và mức s trong nguyên tử tự do kết hợp với nhau và tạo thành hai vùng cho phép ngăn cách nhau bởi một vùng cấm. Vùng phía dưới chứa được 4N điện tử và điền đầy hoàn toàn, gọi là vùng hóa trị của tinh thể. Vùng phía trên cũng chứa được 4N điện tử nhưng trống hoàn toàn và trở thành vùng dẫn.
Trong vùng hoá trị của Si có các vùng con chồng lên nhau, các vùng con được gọi là các nhánh năng lượng. Hình 1.8 vẽ các nhánh năng lượng đó theo các phương [111], [100] và [110]. Cực đại của nhánh thứ nhất và nhánh thứ hai trùng nhau và nằm ở tâm vùng Brillouin, cực đại của nhánh thứ ba cũng ở tâm vùng
Brillouin nhưng hạ thấp xuống một khoảng ES 0, 035eV do tương tác spin - quỹ đạo. Một điểm quan trọng của vùng dẫn là theo hướng tinh thể [100] nhánh năng lượng đánh số 2 có một cực tiểu tuyệt đối nằm gọn trong vùng Brillouin. Do tính đối xứng của tinh thể nên có tất cả 6 cực tiểu như thế trong vùng Brillouin thứ nhất.
Hình 1.11. Cấu trúc vùng năng lượng của Si [1], [2]
Đối với Si, cực đại vùng hoá trị và cực tiểu vùng dẫn không cùng nằm trên một điểm của vùng Brillouin, nên Si có vùng cấm xiên. Bề rộng vùng cấm của Si phụ thuộc vào nhiệt độ và được biểu diễn gần đúng theo biểu thức:
4 2 4 4, 73.10 1,17 1,17 10 636 g T E eV T eV T (1.11) Ở 300K bề rộng vùng cấm của Si là Eg 1,12eV.
Do có độ rộng vùng cấm tương đối hẹp và có vùng cấm xiên nên Si tinh thể khối có hiệu suất phát quang kém ~ 10-6 [2]. Do đó, việc cải thiện khả năng phát quang của vật liệu Si đã và đang được quan tâm nghiên cứu nhằm mở ra tiềm năng lớn cho việc chế tạo các linh kiện quang, điện huỳnh quang.
Bảng 1.3. Sự tương đồng giữa vật liệu Si và Ge [1],[2]
Cấu trúc tinh thể Kiểu kim cương Kiểu kim cương
Hằng số mạng ở 300K (Ả) 5,651 5,431
Vị trí trong bảng HTTH Nhóm IVA Nhóm IVA
Cấu trúc vùng năng lượng Vùng cấm xiên Vùng cấm xiên