CHƯƠNG 3 : QUANG SÓNG – QUANG LƯỢNG TỬ
a. Khái niệm vùng năng lượng
Ta biết, lý thuyết lượng tử rất thành công khi áp dụng nó cho cá nguyên tử riêng biệt. Trường hợp áp dụng cho tập hợp nhiều nguyên tử dưới dạng các chất rắn sẽ như thế nào?
Phổ năng lượng của các nguyên tử là các mức năng lượng tách biệt nhau. Trường hợp phân tử gồm 2 nguyên tử. Thí dụ như phân tử H2, các điện tử hóa trị sẽ chịu tác dụng của cả 2 ngun tử. Hàm sóng mơ tả trạng thái điện tử có giá trị xác định ở vùng khơng gian xung quanh cả 2 nguyên tử. Mức năng lượng của các điện tử đó bị tách thành 2 mức gần nhau. Độ tách càng lớn khi các nguyên tử càng sít lại gần nhau.
Trong vật rắn (tinh thể) có số lượng lớn, các nguyên tử tương tác với nhau. Một điện tử hóa trị chịu tác dụng của nhiều nguyên tử. Hàm sóng của nó sẽ phụ thuộc vào cả mạng tinh thể. Với tinh thể hữu hạn gồm N nguyên tử thì mỗi mức năng lượng (ứng với một nguyên tử) sẽ suy biến thành N mức con rất gần nhau tạo thành một vùng năng lượng. Như vậy, phổ năng lượng của
120
nguyên tử trong tinh thể sẽ gồm một dãy vùng được phân cách bởi các vùng cấm, nhưng cũng có khi chồng chất lên nhau.
Vùng năng lượng trong vật rắn tinh thể phụ thuộc vào cấu tạo của vật rắn đó. Thơng thường các vùng năng lượng phía dưới đã chứa đầy các điện tử ta gọi là vùng chứa đầy. Vùng năng lượng phía trên có cấu tạo đa dạng. Có trường hợp tất cả các mức con đều chứa đầy điện tử. Có trường hợp tất cả các mức con đều chứa đầy điện tử. Có trường hợp chỉ một số mức con được chứa đầy điện tử hoặc vùng chứa đầy và vùng trống sát bên nhau.
Đối với chất bán dẫn, vùng năng lượng của nó được lấp đầy hồn tồn tương tự nhưu chất điện môi. Nhưng độ rộng vùng cấm Eo 1eV, nên khi có điện trường ngồi tác dụng (E 0 ) vẫn chưa có dịng điện, do chưa có điện tích tự do. Để chất bán dẫn có thể dẫn điện, ta phải đưa điện tử sang vùng dẫn bằng cách cung cấp thêm năng lượng cho chúng như rọi sáng…
5.3.2. Bán dẫn tinh khiết và bán dẫn pha tạp