CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN
2.6.4. Hiệu ứng quang dẫn
, , u „UA-, Uiftn của nó có thê sẽ thay đối, tất Khi chiếu sáng chất bán dẫn các ^ nh c^ ‘ J iện Một tipng những hiệu ứng cả những thay đổi đó gọi là hiệụ ứng quang mẹ ^ * j\ chỉ| u sáng.
quang điên là hiêu ứng quang dân, đo la . __ • U Á
_ , árih sáng do quang phát sinh nồng độ
Sự thay đổi độ dẫn dưới tác dụng cua anh sa y " bằng độ dãn do điện tử dư ỗn và nồng độ lỗ trống d p
chiếu sáng Aơc: s (2-260)
Aơ[ = enPnỗn + epp p°p
. hat dẫn cân bằng trong trường hợp Độ dẫn tối được ký hiệu là ơo do •
không chiếu sáng tạo nên:
ơ o= enPnno + epp pp0
Độ dẫn tổng cộng khi chiếu sáng gọi là đ<?dân sáng ơf'
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
125
VẬT LIỆU BÁN DẪN
ot ơo + Aơc e nn M-n + e pPPp - enpn(n0 + 5n) + eppp(Po + Sp) (2.261) Giả sử tốc độ phát sinh quang là G, trong điều kiện mức Dhun fha'o
tuyến tính, nồng độ hạt đẫn dư ổn định là: P’ ai a
Up = UXP (2-262)
Aơ£ = G.e( pnTn + PpTp) (2_263) trong đó Tn, Tp là thời gian sống của điện tử và lỗ trône TaV ,4- ÙJ 7 quang được xác định bằng sô' cặp điên tử lỗ trống nhát s in h t ■D h át s nh thể tfch“ một đơn vị thời gian: 8 phát sinh trong một đơn vị
G = q.a.í>0 (1 - R)
trong đó <í>0- cường độ ánh sáng chiếu lên một đơn vi diên tí h - ,
sô' photon (thông lượng photon), R - hẹ sô'phản xa- a - hê Z mìu tlnh the0 suất lượng tử, bằng sô' cặp điện tử lô trống phát sinh khi 7 7 _,thụ’ v . hi^u
thụ. Như vậy ta có: 1 ^ photon bị hấp
Aơt = e.q.ơ..OQ.(V - R)ỉ.pnxn + ỊXptp] (2-265) trưne cho hiệu ứng quang dẫn cú thể dựng đại lượng ò, đụ nhạy Đế đạc irung J J ằ ằ ¿Jỏp ¿¿g quang (photo response) được định nghĩa bằng quang ty^0 ^ “J^iếu sáng và diện tích bề măt được chiếu sáng (giữa hai
! í t ,Cđiên cực) cử c°s s chia cho cồne sui. hfc - chua, u . chia cho công suất bức xa chiếu lên mẫu (O - - 7 7 Aqf
<D.
p _ Aoe.S AƠ/-.S
Trên thực tế hiệu ứng quang dẫn còn phụ thuộc vào điện trường, hình dạng kích thước mẫu thông qua một đại lượng được gọi là hệ sô' khuếch đại điện quang K. Giả sử mẫu quang dẫn có dạng hình hộp như ở hình 2-31
Hình 2-31: Mầu quang dẫn.
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ì 26
C h ư ơ n g 2 : N h ữ n g k h ả i n iệ m , tín h c h ấ t, đ ặ c tn /n g c ơ b ả n c ủ a v ậ t liệ u b á n d ẫ n
với kích thước A.W.L, tốc độ quang phát sinh G đồng đều, nếu đạt vào mẫu hiệu điện thế u, gây nên trong mẫu điện trường s = — thì dòng quang dẫn chạy qua mẫu I( sẽ là:
Ic = A.W.J[
= A.W.Aơc.e = A.W.Aơt. (2-267)
hay Ic = A .W .e.q.a(l-R ).00[pn.Tn + Pp.Tp].L .^y
Ic = V.e.r|.a(l-R).<lv + Rp-tp] (2-268) Gọi V.e.q.a(l-R).O) = I là dòng sơ cấp, nghĩa là số hạt dẫn sinh ra trong thể tích V = A.W.L trong 1 giây, ta có:
I = V.e.rỊ.aO-RX^o = e -G.v (2-269)
K = . = ' (2-270)
I = V .e .T ] .a (l- K ).v p 0 = e . u . V
Tỷ số giữa dòng quang dẫn Ic và dòng sơ cấp Ip được gọi !à hệ sô khuêch đại điện quang K:
Nếu ký hiệu thời gian chuyển động dưới tác dụng của điện trường E giữa hai điện cực cùa điện tử là tEn, của lỗ trống là tEp, (tEn, tEp là thời gian bay), ta có:
Hệ số K chính là tỷ số giữa thời gian sống và thời gian bay giữa hai điện cực của hạt dẫn:
( X }
K = 3 - + -E - (2-272)
^ l En l Ep )
p,X - u J 3n nơhĩa là sư phu thuộc của độ nhạy quang dẫn vào Phổ độ nhạy quang dẫn, nghĩa l àsự pnụ ằ ^ ch5 với phổ hópthụ. Tuy
bước sóng (hay tần số) ánh sáng, co nen qu V 3
- — ' " 1 2 7
Trường Đ ại học Bách khoa Hà Nội
VÂT u ậ u BẢN DẦN
nhiên phổ quang dẫn không lặp lại hoàn toàn phổ hấp thu đó là vì có nhữne vùng phổ hấp thụ mạnh nhưng không trực tiếp phát sinh hạt dân ví dù hấn thụ exciton, hấp thụ do hạt dẫn tự do, do dao động mạng.'Hiệu ứne auânĩ dản còn bị chi phối bởi quá trình tái hợp, khi phát sinh' hạt dân tãne cao dn hệ số hấp thụ lớn thì quá trình tái hợp cũng tàng lên, làm cho hiêu ứne Z n a
dẫn không tăng lên tương • ®quang
xứng với quá trình hấp thụ Ỳ quang. Ví dụ phổ quang dẫn riêng của bán dẫn trong vùng sóng dài khá trùng với phổ hấp thụ (khi hệ số hấp thụ nhỏ) nhưng trong vùng sóng ngắn phổ quang dẫn đi qua một cực đại và giảm khá mạnh so với phổ hấp thụ
(xem hình 2-32).
„,o ... 1.0 2,0
A,jam
Hình 2-32: Phổ quang dẫn riêng của một số bán dẫn.
, , v, khi hê số hấp thụ lớn Đo lu • . .U.J yà phát
thì quá trình hâp ^ rong lớp mông, có bề dày cỡ ( a 1), gần bề mặt, sinh hạt dân xay ra tái h(^ hè mặt nên quá trình tái hợp tăng cao và ĩ ỉ Â Ĩ ^ â n g i ả m . ______
Hãn còn phụ thuộc và hiệu suất lượng tử T|, khi năng lượng Phổ quang dân COI‘ ngltỡng hấp thụ riêng ta thấy T|*l, đó là vì mỗi
photon lớn_hơn na “V ®inh ^ một cặp điện tử và lỗ trống 1 uy nhiên phọton bỊ nap ^ photửn tăng gấp hai gấp ba lần bề rộng vựng cấm người ta khi năng -U. ‘6 t“* ^ J Phên tượng đó được giải thích như sau: khi photon thấy TỊ tăng len 1 " chuyển mức thẳng, chuẩn xung của điện tử và lỗ
bị hấp thụ trong qu ^ — nhau, còn động năng của chúng thì bằng (PV ) trụng mơi pnaiM ằ ằ lượng hiệu dụng của chỳng Khi động năng của nên tỷ lệ ngmcn -V- ^ ng cấm thj hạt dẫn nóng đó có thể gâỵ nên một trong ha ^ Urt n|n một cập điện tử-lỗ trống mới. nghĩa là
hiệu ứng ion^ U ^ ^ đông năng của điện tử và lỗ trống bàng nhau và r'ỹ2 - N,eu T p \ n Trong trường hợp này muốn có hạt dãn có năng lượng bf g thi nang luợng photon hv>3AEg Trong trường hợp mp%>m; thì băng AHg 111 ■ à hv~2AE C h ú n g ta có thể quan sát được hiện tương r\>l
Trường Đại học Bảch khoa Hà Nội
C h ư ơ n g 2 : N h ữ n g k h ả i n iệ m , tin h c h ấ t, đ ặ c trư n g c ơ b ả n c ủ a v ậ t liệ u b á n d ẫ n
..ang mạng cno pnep cu uạn6 + cosKza]
' Bề rộng vùng năng lượng cho phep;
- Khối lương hiêu dụng của điện tư ơ gân c . I -
_ Aa aiên tử ở cực tiểu vùng năng lượng của (2-2) Tính độ lớn của vectơ sóng cua ~ctơ sóng của bức xạ điện từ
‘inh thể Ge sò sánh giá trị đó với độlớn cto
Vớinăng lượng photon bằng bề rộng vù'^ 2 ^ của silic hãy tính;
(2-3) Từ những thông sớ về cấu trúc ng _ ^ J điện tử( lỗ trống;
" Khối lượng hiệu dụng mật độ trạng U ứ c£ja vùng hoá trị ở nhiệt - Mật độ trạng thái hiệu dung cua vu g
dộ 300K; *
~ Nồng độ hạt dẫn riêng;
" Mức Fermi của silic tinh khiêt;
- Điện trở suất của bán dẫn tinh khiêt,
^ rường Đại học Bách khoa Hà Nội
VẬT LIẾU BẤN DẪN
biẾ1 ràng dọ linh dông cùa diện tú g„ = B 5 0 ^ , cùa l i .rin g là 4o0 cm i bề rông vùng cắm ỏ 300K là 1,12e V.
Fp - H vs ’ * __.
„ s. ,, Af\ linh đông của hạt dẫn khôngphụ thuộc vào nồng độ tạp chat,
^ ' 4l £ ảẮửẲ ^ c ư c u ểu cu a sUic CO đùực băng cách chọn loại tạp chất và hãy tìm dộ d a n Ti m nồne đô tap chất đó và mức Fermi của ban dẫn Si,
i s " : : : ' u
~ ^At mẫu bán dẫn loai n hình hộp chữ nhạt có cạnh là a = 0 ,5cm, (2-5) Trong mọi Ị - j òng diện dọc theo trục X, song song với cạnh c b = , cường đô từ trường dọc theo trục z, song song với cạnh b, với
° i AT Trone đieu kiện tán xạ trên dao động mạng pH = 1 18pạ, hãy xác B - 0,41. II “6 *r à điên á p Hall trên mẫu nếu n = 1015cm . Chỉ ra bằng đinh hằng số Hall KH va *Y K
bình vẽ chiều của điện trường Hall e„.
' ’ Tmr „ hán dẫn InSb ở 300K chứa tạp chất acceptor, tạp chất hoàn toàn S ’?) h n i n: = 1 6. 10 ' W 3, ịíJ\L = 80; từ trường được xem là yếu. Hỏi
nồngđộ acceptor băng bao nhiêu nêu điện trường Hall bằng 0.
" , Trone tinh thể bán dãn, dưới tác dụng của ánh sáng, phát sinh một à đô hat dân dư ôn phân bố đồng đều, tốc độ tái hợp tỷ lệ thuận với ôn, nÔ ư ohu thuôc 5n(t) vào thời gian sau khi ngắt nguồn chiếu sáng. Biết a đô hat dẫn dư không cơ bản trong điêu kiện kích thích ổn định ônsl là
t ố c đô giảm cua nồng độ hạt dẫn dư ngay sau khi ngắt nguồn
s sáng1 w 5: m y tócdịnh:
W gian Sông của hạt dẫn không cơ bản;
- Sau 2 ms giá trị ôn bằng bao nhiêu.
1Tai môt điểm trên mẫu bán dẫn đồng nhất, người ta dùng "mũi dò í J" d! lam phat sinh cặp điện tử lỗ trông. Hãy xác định độ dài khuếch tán sT i A trims nếu nồng độ hạt dẫn dư tại điểm cách mũi dò sáng một khoảng c% ỉ m m l à l p , ’ I f w S d i e m x7= 4 3 m m £ : 10'w > .
,1 Q\ rh o môt mảu bán dẫn loại n đặt trong điện H r--- p Z g 2 ị ở W n h w g I sử
m T đ ộ trạng tbm hiệu dụng NC = NV. T nh giá trị 5 ? cong vùng năng lượng trên bề mặt bán dẫn
ứne với trường hợp: ..
- Trên bẹm Ịt tạo thành lớp bán dẫn riêng.
- Tren bề mặt hình thành lớp đảo mạnh. -41-
130
Hình 2-34
Trường Đại học Bảch khoa Hà Nội
4SSSSSSS
Chương 2: Những khái niệm, tính chất, đặc trưng cơ bản của vặt liệu bản dẫn
(2-10) Một chuyển tiếp p-n đồng chất, đột biến lý tưởng, có Nd= 10l5cm'3, Na = 4.10lscm‘3, 8 = 1 2 . Tính bề dày và điện dung lóp chuyển tiếp nếu thiên áp ngược bằng 20V, tiết diện ngang của chuyển tiếp A = 10'2cm2, bán dẫn là Si.
(2-l ì ) Xét một sóng điện từ trong chân không với thành phần trường có dạng:
rằng chỉ số phản xạ r(co), được định nghĩa băng công thức:
S ref f = r(co)£jnc
trong đó e reff và s inc tưcmg ứng là cường độ điện trường sóng phản xạ và , - l
sóng tới, sẽ là:
nỊ +in2 -1
ôđ> = n; + in2 + l
trong đó n, + in2 = (ễ),/2, với n, và n2 là số thực. Chứng minh tiếp hệ số phản xạ R(©):
I ô• ( n i - 1) + n2 R(to) = ^ - / 7 í\2 * 2 Mnc (nỊ + 1) + n2
(2-12) Tính buức sóng ngưSng híp thụ rlcng c ia câc hnh thể san. cho b ia bé
rộng vùng cấm: jrj Si Ge
KC1
GaAs được cnieu sang ụô. "““6 -
à l 5mW Nếu một phần ba công suất đó bị phản xạ
3 i. ÀÀ 'Ẩ\ ra khoi mẫu từ mật sau, tính bề dày của trở lại, một phần ba cụng suất đú đi ra kn 1 m U^u . ô ““ J ““
mẫu;Òm năng lượng nhiệt hấp th ụ tro n g m â u tro n g B ■ ỵ ■ . „/I .1 Ar? _ 1
a = 4.104cm '‘, AEg = l , 12eV.
VẬT LIỆU BÁN DẪN
(2-15) Một mẫu quang dẫn có kích thước L = 6mm, w = 2mm, D = lmm được chieu sáng bởi bức xạ đồng đều. Do hấp thụ ánh sáng dòng điện tăng lên 2,83mA. Điện áp đặt lên hai cực là 10V. Khi ngất nguồn sáng đội ngột dòng điện giảm với tốc độ ban đầu 23,6 A/s. Cho pn = 3600cm2/v.s;
Pp = 700cm2/v.s. Hãy tìm:
a. Số cặp điện tử - lỗ trống phát sinh trong chế độ dừng;
b. Thời gian sống của hạt dẫn không cơ bản;
c. Nồng độ hạt dẫn dư tón tại sau khi ngất nguồn sáng lms.
132
Hà Nội
Chương 3: Phân loại vật liệu bán dẫn
CHƯƠNG 3