5.3.1. Diode chỉnh lưu.
Diode chỉnh lưu có cấu tạo gồm 2 mẫu bán dẫn p v bán dẫn n tiếp xúc với nhau , hình th nh lớp tiếp xúc p-n. Diode hoạt động theo phân cực thu n của tiếp xúc p-n.
30
Hình 5.5 Thông tin về diode chỉnh lưu
Do đó khi cho dòng xoa chiều chạ qua diode thì sẽ có 1 nửa chu kì diode được phân cực thu n , còn nửa chu kì còn lại diode bị phân cực ngược → Chỉnh lưu dòng xoa chiều th nh dòng 1 chiều
5.3.2. Diode Zener
Hình 5.6 Thông tin về diode Zener
Phân cực thu n Khi diode zener được phân cực thu n nó hoạt động như diode thông thường.
Phân cực ngược Trong các diode thông thường hi n tượng đánh thủng sẽ l m hỏng diode, nhưng trong các diode zener do được chế tạo đặc bi t v khi l m vi c mạch ngo i có đi n trở hạn chế dòng ngược (không cho phép nó tăng quá dòng ngược cho phép) n n diode luôn l m vi c ở chế độ đánh thủng nhưng không hỏng.
31
Chương 6. Tiếp xúc dị thể. 6.1. Giới thiệu.
Tiếp xúc giữa các v t li u bán dẫn khác nhau về bề rộng vùng cấm được biết đến như tiếp xúc dị thể.
Hình 6.1 Cấu tạo lớp tiếp xúc dị thể và sự chênh l ch của vùng cấm
Ở trạng thái cân bằng nhi t động, các mức Fermi của các lớp bán dẫn pha tạp khác nhau được xếp thẳng hàng, sự chênh l ch của vùng cấm tạo nên những bước nhảy trên giản đồ năng lượng
Hình 6.2 Giản đồ năng lượng của tiếp xúc dị thể p-p-n
Các nguồn quang học v đầu dò quang ứng dụng rộng rãi các tiếp xúc dị thể trong thiết kế, không chỉ là vùng hoạt động trong phát quang mà còn với vai trò lớp định hướng quang học.
6.2. Hoạt động của tiếp xúc dị thể.
6.2.1. Giam hạt tải trong vùng hoạt động phát quang
Chênh l ch vùng cấm tạo n n bước nhả trong đồ thị năng lượng, sự gián đoạn cung cấp rào thế có tác dụng ngăn cản các hạt tải đi v o các vùng không mong
32
muốn. Tính chất n được sử dụng trong nối p-n, ví dụ như để giảm tỉ l dòng hạt tải thiểu số, l m tăng hi u suất phun dòng bơm đi n tử kích thích.
Sự gián đoạn năng lượng tạo ra bởi hai nối dị thể có thể được dùng như cấu trúc giam giữ các hạt mang đi n trong vùng mong muốn. Ví dụ như một lớp v t li u có vùng cấm hẹp được kẹp giữa hai lớp v t li u khác có vùng cấm rộng hơn, sẽ tạo ra rào thế năng giữ các hạt tải (đi n tử và lỗ trống) giúp tăng hi u suất phát xạ.
Rào thế này hoạt động như vùng giam giữ hạt tải, giúp các đi n tử và lỗ trống phát sinh được giữ trong khoảng không gian hẹp của bề dày lớp v t li u, góp phần tăng hi u suất phát quang.
Cấu trúc dị thể hoạt động dựa trên sự chênh l ch năng lượng để tạo rào thế được sử dụng trong các thiết bị phát quang cần sự t p trung của hạt tải để tăng hi u suất hoạt động: LEDs, laser diode…
Xét laser cấu trúc dị thể kép có lớp chuyển tiếp gồm n-GaAlAs||p-GaAs||p- GaAlAs. Trong đó, p-GaAs được sử dụng làm vùng hoạt động, có vùng cấm hẹp hơn so với GaAlAs v có độ d dưới 1μm.
Hình 6.3 Môi trường giam giữ hại tải
Khi phân cực thu n, đi n tử phát sinh trên vùng n-AlGaAs khuếch tán sang vùng p-AlGaAs; tương tự như v y, lỗ trống từ p-AlGaAs khuếch tán sang n- AlGaAs. Tuy nhiên do rào thế được hình thành giữa lớp p-AlGaAs-GaAs và n- AlGaAs-GaAs ngăn cản electron và lỗ trống khuếch tán tiếp từ GaAs sang AlGaAs. Lỗ trống v đi n tử bị giam lại trong vùng GaAs. Bề dày của lớp GaAs này cực nhỏ, nên khi hạt tải bị giam giữ bên trong, sự tái hợp diễn ra trong vùng hoạt động
33
có kích thước hẹp, hi u suất tái hợp tăng l n, l m tăng hi u suất phát quang của laser diode.
6.2.2. Giam giữ và định hướng photon
Nối dị thể đối với các v t li u bán dẫn có chỉ số khúc xạ khác nhau, có khả năng giam giữ v định các photon.
Hình 6.4 Sự giam giữ v định hướng photon
Khi sự tái hợp đi n tử-lỗ trống diễn ra, sự phát xạ làm sản sinh ra các photon. Các photon này sẽ mang năng lượng bằng với bề rộng vùng cấm của bán dẫn tạo nên lớp hoạt động, v cũng tức là nhỏ hơn vùng cấm của các lớp bán dẫn bao xung quanh nên không bị hấp thụ khi truyền đến bề mặt tiếp xúc.
Đồng thời, chỉ số khúc xạ của các lớp khác nhau cũng l m cho các photon bị tán xạ ngược lại tại bề mặt tiếp xúc. Quá trình giam và tán xạ các photon này có thể được kiểm soát để dẫn các photon sinh ra thành dòng.
34
Chương 7. Cấu trúc giam giữ lượng tử 7.1. Giếng lượng tử
Giếng lượng tử là một mô hình ngu n lý điển hình cho cấu trúc tiếp xúc dị thể, như trình b trong hình II.1.1, l cấu trúc lưỡng dị thể gồm một lớp cực mỏng bán dẫn “giếng” kẹp giữa hai lớp bán dẫn “h ng r o” khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Lớp này giam giữ cả lỗ trống v đi n tử, tại đó cả lỗ trống v đi n tử bị lượng tử hóa.
Hình 7.1 Cấu trúc dị thể đa lớp
Hình 7.2 Giếng lượng tử trong cấu trúc dị thể
Cấu trúc vùng năng lượng và mối liên h năng lượng-động lượng (E-k) của giếng thế khác với v t li u khối. Vùng dẫn bị chia cắt thành nhiều vùng con, được
35
phân theo số lượng tử q = 1, 2, 3, …, mỗi vùng con có mối liên h năng lượng-động lượng và m t độ trạng thái ri ng. Đá của vùng dẫn được chiếm bởi mức năng
lượng , với , q = 1, 2, 3, … tương ứng với mức năng lượng
của đi n tử có khối lượng hi u dụng mc trong giếng thế một chiều độ rộng d. Mỗi
vùng con đều có đường biểu diễn E-k và hằng số m t dộ trạng thái không phụ thuộc v o năng lượng. M t độ trạng thái tổng của cả vùng dẫn được phân bổ theo
dạng b c thang với bước nhả năng lượng ,
Tương tự như thế, vùng hóa trị cũng bị chia thành các phân vùng con với các
mức năng lượng , với l năng lượng của lỗ trống khối
lượng hi u dụng mv trong giếng thế. Phân bố m t độ trạng thái:
Hình 7.3 M t độ trạng thái trong bán dẫn khối và trong giếng lượng tử
Khi nhiều giếng thế được đặt cạnh nhau, bằng cách ghép các lớp bán dẫn liên tiếp giữa các v t li u bán dẫn khác nhau về vùng cấm, ta thu được cấu trúc giếng thế liên hoàn, gọi l đa giếng thế (multiquantum well – MQW). Cấu trúc MQW có thể bao gồm từ vài lớp cho đến h ng trăm lớp bán dẫn với độ dày mỗi lớp chỉ từ 1
36
nm~10 nm (tương ứng với khoảng 40 mặt phẳng nguyên tử). Khi mà khoảng cách giữa các lớp giếng thế cực kì nhỏ đến mức xảy ra sự xuyên hầm lương tử của các đi n tử từ giếng thế này sang giếng thế khác, các mức năng lượng tồn tại trên giếng thế có thể mở rộng ra thành các tiểu vùng năng lượng, hình thành các vùng dẫn, vùng cấm con. Cấu trúc MQW khi này sẽ được xem như si u mạng, v đang được nghiên cứu.
Hình 7.4: Tiểu vùng năng lượng trong cấu trúc siêu mạng
7.2. Dây lượng tử
V t li u bán dẫn có dạng một dâ d i được bao quanh bởi một v t li u bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn được gọi là cấu trúc dâ lượng lượng tử. Phần dây bán dẫn có chức năng như giếng thế năng giam giữ đi n tử (và lỗ trống) trong cả hai chiều x và y và có tiết di n d1d2. Mối liên h giữa năng lượng-động lượng trong vùng dẫn được xét:
,
với
, ,
37
Hình 7.5 Cấu trúc quantum wire và quantum dot
7.3. Chấm lượng tử
Trong cấu trúc chấm lượng tử, với vùng bán dẫn dạng chấm lượng tử được bao quanh bởi một khối bán dẫn với độ rộng vùng cấm lớn hơn như Hình 7.x. Các đi n tử bị giam giữ trong cả ba chiều của vùng chấm lượng tử mà ta sẽ xét như một khối
hộp có thể tích d1d2d3. Năng lượng đi n tử chuyển động trong bán dẫn sẽ bị lượng
tử hóa:
với
, ,
q1, q2, q3 = 1, 2, 3, ...
Cấu trúc chấm lượng chỉ cho phép những đi n tử có năng lượng xác định đi qua.
38
TÀI LIÊU THAM KHẢO
1. “Fundamentals of photonic – Second Edition”, Bahaa E. A. Saleh, Boston University, Malvin Carl Teich, Boston University, Columbia University.
2. “Semiconductor superlattices”, R. Mazurcz k, Centre for Molecular and Macromolecular Studies, Polish Academy of Sciences, Sienkiewicza 112, 90-363 Lodz, Poland
3. “Semiconductor Optoelectronics, Lecture 4 p-N Heterojunctions”, Rajeev J. RamElectrical Engineering, Massachusetts Institute of Technology