CHƢƠNG II : CÁC HẠT TẢI TRONG BÁN DẪN
2.1. Hạt tải: electron, lỗ trống
Các electron trong vùng dẫn của tinh thể có thể được mơ tả như các hạt có điện tích –e, spin 1/2, khối lượng *
e
m (về cơ bản không phải là hằng số) và chuẩn xung lượng k, với định luật bảo tồn riêng. Có thể thấy, trong các thông số trên, chỉ điển tích và spin là vẫn khơng thay đổi giá trị khi xét trong chân không và trong tinh thể. Do đó, khi nói về các electron trong vùng dẫn, ta hiểu đó là các hạt mà tính chất của chúng là do tương tác trong một hệ nhiều hạt bao gồm một số rất lớn các hạt nhân dương và các electron âm.
Hình 2.1: Quá trình hấp thụ một photon dẫn tới kết quả là tạo thành cặp
electron - lỗ trống được minh họa bằng một dịch chuyển thẳng đứng (a ) thể hiện năng lượng và động lượng đồng thời được bảo tồn hoặc có thể được coi như là sự biến đổi một photon thành electron và lỗ trống (b).
Sử dụng các khái niệm về kích thích cơ bản, có thể xem trạng thái cơ bản của tinh thể là một “trạng thái chân không” (không tồn tại electron trong vùng dẫn và cũng không tồn tại lỗ trống trong vùng hóa trị) và trạng thái bị kích thích đầu tiên (một electron trong vùng dẫn và một lỗ trống trong vùng hóa trị) chính là sự tạo thành của cặp electron - lỗ trống (cặp e – h). Sự dịch chuyển từ trạng thái cơ bản đến trạng thái kích thích đầu tiên xảy ra như là kết quả của một nhiễu
loạn bên ngồi nào đó, ví dụ như sự hấp thụ photon (hình 2.1) với năng lượng và động năng được bảo toàn:
g ekin hkin e h E E E k k k 2.1
Khi xung lượng photon là nhỏ không đáng kể, sự dịch chuyển là thẳng như trong hình 2.1 (a). Q trình này có thể được mơ tả theo một cách khác được trình bày trong hình 2.1 (b). Quá trình ngược lại, đó là q trình dịch chuyển bức xạ xuống dưới, tương đương với sự hủy của cặp e - h và tạo ra một photon. Các quá trình và các khái niệm này cũng giống như trong chân không thực, các electron và pozitron (phản hạt). Sự khác biệt duy nhất là khối lượng pozitron đúng bằng khối lượng electron m0, trong khi trong tinh thể, khối lượng hiệu dụng *
h
m thường lớn hơn khối lượng hiệu dụng của electron * e
m .
Là các fermion, các electron và lỗ trống được mô tả bởi thông kê Fermi – Dirac với hàm phân bố:
E EF kT 1 f E e 1