ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG

Nhóm 9
Đề tài:
QUANG HỌC BÁN DẪN
SEMINAR CHUYÊN NGÀNH
ng

GVHD: Ths Ngô H
SVTH: 
King Nht
Chung Qung Thnh
 TP H CHÍ MINH  2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN MÀNG MỎNG


1.1. Vùng Năng Lượng Trong Chất Bán Dẫn 2
1.2. Điện tử và lỗ trống 3
1.3. Sự tương quan giữa năng lượng và động lượng 4
1.4. Khối lượng hiệu dụng 5
1.5. Bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp 6
Chương 2. Vật Liệu Bán Dẫn 7
2.1. Binary III-V Semiconductors 7
2.2. Ternary III-V Semiconductors 9
2.3. Quaternary III-V Semiconductors 10
2.4. Bán dẫn tinh khiết 13
2.5. Bán dẫn pha tạp 14
2.6. Bán dẫn hữu cơ 17
3.1. Mật độ trạng thái. 18
3.2. Xác suất chiếm giữ bởi electron và lỗ trống. 18
3.3. Nồng độ hạt tải trong cân bằng nhiệt 20
Chương 4. Sự phát sinh và tái hợp điện tử - lỗ trống 23
4.1. Sự phát sinh và tái hợp trong trạng thái cân bằng nhiệt 23
4.2. Tốc độ tái hợp 24
4.3. Sự dư điện tử và lỗ trống 25
4.4. Hiệu suất lượng tử nội 26
Chương 5. Tiếp xúc p-n 27
5.1. Cấu tạo 27
5.2. Nguyên tắc làm việc 28
5.3. Các loại diode cơ bản 29
Chương 6. Tiếp xúc dị thể. 31
6.1. Giới thiệu. 31
6.2. Hoạt động của tiếp xúc dị thể. 31
Chương 7. Cấu trúc giam giữ lượng tử 34
ii


Hình 2.8 Mng tinh th Si 13
Hình 2.9 Mng tinh th Si pha tp nguyên t P 14
Hình 2.10 Dng ca bán dn loi Si pha tp P (T = 00K) 15
Hình 2.11 Mng tinh th Si pha tp cht B 16
Hình 2.12 Dng ca bán dn loi Si pha tp P (T = 00K) 16
Hình 2.13 Mch phân t h 17
Hình 2.14 Chui polymer liên hp 17
Hình 3.1 Xác sut các mng b chim  nhi T > 00K 19
Hình 3.2 Xác sut các mng b chim  nhi T = 00K 20
Hình 3.4 N ht ti khi cân bng nhit 21
Hình 3.4 N electron và l trng ca bán dn loi n 22
Hình 3.5 N electron và l trng ca bán dn loi n 22
Hình 4.1 Quá trình phát sinh và tái hp 23
Hình 4.2: Tái hp qua tâm by 24
Hình 4.3: Tái hp Auger 24
Hình 5.1-n 27
Hình 5.2 28
Hình 5.3 P 29
iv Hình 5.4: -v 29
Hình 6.1 Cu to lp tip xúc d th và s chênh lch ca vùng cm 31
Hình 6.2 Gi ng ca tip xúc d th p-p-n 31
ng giam gi hi ti 32
Hình 6.4 S giam gi ng photon 33

1
n ca vt liu.

Hình 1.1. Bán dn Silic và GaAs
3 Ngun gc ca vùng cm có th c minh ha bng mô hình Kronig-
Penny. Trong lý thuyt th ca mng tinh th n,  không gian 1 chic
th hin trong hình 16.1-2(a), nó xp x vi các th rào cn vuông tun hoàn 1 chiu
trong hình 16.1-2(b). Vic ging th này
 ng vi s di chuyn phân tán cc tách ra bi
vùng cm vi s phân rã phân tán theo hàm s  n thy kt qu này
là ph bic áp dng cho không gian 3 chiu. Hàm riêng ca s di chuyn
sóng là Bloch modes vi s tun hoàn ca mng tinh th.

 ng mng tinh th
1.2. Điện tử và lỗ trống
Hàm sóng cn t trong cht bán dn xp chnh
bng nguyên lý loi tr Pauli. Nguyên lý này nói rn t nào có
th chim cùng mt trng t và mng thp nht s n
u tiên. Các nguyên t bán dn t hóa tr
hình thành nên liên kt cng hóa tr. Ti T = 0
o
K, vùng hóa tr c ly hoàn
n hoàn toàn trng rng. Vt liu không th dn
u kin này.
Tuy nhiên, khi nhi n t có th c kích thích nhit t
vùng hóa tr vào vùng dn hoàn toàn trn t này có th ho
chng, nó trôi qua mng tinh th i tác dng áp vào và
n t bu ri khi vùng hóa tr  li các l

 th biu din m E và k là mn.
S di chuyn cn t trong vt liu bán dn b chi phi b
trình Schrodinger, v n th c sinh ra bi s n trong mng tinh th
tun hoàn ca vt li ng b tách ra bi vùng
cu này ging vi s a mô hình Kronig-Penny. S -
k cn t, l trng trong vùng hóa tr và vùng dc minh ha trong hình
16.1-ng E là mt hàm tun hoàn, gm có: vector sóng k
(k
1
,k
2
,k
3
),
1 2 3
( / , / , / )a a a
  

1
, a
2
, a
3
là hng s mng tinh th. Vector
sóng k nm trong vùng Brillouin th nht, khong
[ / , / ]aa


n
5

Hình 1.5 Bi E-k ca Si và GaAs ging parabol tn
và  nh vùng hóa tr.
6 , tnh vùng hóa tr, ta có:
22
2
v
v
k
EE
m



v
= E
c
- E
g
ng tnh vùng hóa tr và m
v
là khng
hiu dng ca l trng. Khng hiu dng ph thuc vào cu trúc tinh th ca
vt ling di chuyi vi mng khi khong cách gia các nguyên t thay
ng tinh th.
Bng 16.1-1 Giá tr khng hiu da n t và l trng
trong vt liu bán dn.


aluminum (Al), gallium (Ga), hay là indium (In) vi các nguyên t 
u là nhng cht
bán dn quan trng trong photonics. Có 12 hp chc to nên do s kt hp ca
các nguyên t nhóm III-V; cùng vi các thông tin v cu trúc tinh th (zincblende
hoc wurtzite), loi vùng cm (direct hong vùng cm Eg và
c sóng vùng cm
/
g o g
hc E


cc th hi trong Hình 2.2.
ng vùng cm và hng s mng ca nhng hp chc th hin trong
hình 16.1-7. Ngun photon (diodes và lasers phát quang) và detectors có th c
ch to t nhiu hp cht có hai thành phn. Cht bán dn gm hai thành phu
c s dc
  thay th Si cho nhng mch và thit b n t nhanh. Gallium nitride
 trò trung tâm trong photonics bc sóng
vùng cm nm  vùng gn t ngon t bi vì nó có
kh u nhit cao. AlN là chn nm  vùng gia t ngoi, có vùng
cm cao nht trong tt c các hp cht III-V và phát photon  c sóng ngn nht.

Hình 2.3 Các cht bán dn và cng
9 Chú thích:


a

m


1.24/
gg
E


.

2.2. Ternary III-V Semiconductors

Hình 2.4 Ternary III-V Semiconductors
Hp chc to nên t hai nguyên t thuc nhóm III vi mt nguyên t
nhóm V (hoc mt nguyên t nhóm III vi hai nguyên t nhóm V) là nhng cht
bán dn ba nguyên t quan trng. (Al
x
Ga
1-x
)As là hp cht vc tính có th ni
c t AlAs và GaAs, nó ph thuc vào t l thành phn pha trn x (s nguyên
t c thay th bng vùng cm E
g
ca vt liu
i vi Gi vi gia 0 và 1 dc
ng kt n-7 (a). Mt hu ích khác ca
hp cht ba thành phn, chng h
1-x
P
x

Hình 2.5 Quaternary III-V Semiconductors
Nhng hp chc to nên bng vic kt hp 2 nguyên t nhóm III vi
2 nguyên t nhóm V (hoc là kt hp 3 nguyên t nhóm III vi 1 nguyên t nhóm
V). Cht bán dn bn thành phn linh hoi cht bán dn ba thành phn
trong vic ch to các vt liu có tính cht mà ta mong mun do nó có s thêm vào
ca các mc t do. Ví d 
1-x
Ga
x
As
1-y
P
y
ng vùng cm khong 0.36
n 2.26 eV (GaP) và t l thành phn pha tri gia 0 và
1. Hng s mi tuyn tính vi t l pha trnh lut Vegard).
ng chm chm trong hình 16.1-7(a) ch ra phm vi c   ng và
hng s mc tri dài bi hp cht này. T l pha trn x và y tha mãn y =
2.16(1-x) thì In
1-x
Ga
x
As
1-y
P
y
có th hp mng vi InP. Hp cht bn nguyên t này
c s dng trong vic ch to các diode phát quang, diod lasers và
c bit là trong si quang hc sóng 1550-nm. Mt ví d
khác là hp cht (Al

Ge
x
C
y
và Si
1-x-y-z
Ge
x
C
y
Sn
z
.
Vt liu hai thành phn II-VI vi hp cht chc to nên t các nguyên
t nhóm II (Zn, Cd, Hg) và nhóm VI (S, Se, Te) trong bng tu   
nhng cht bán dn hu ích, bao gm: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS,
c trình bày trong hình 16.1-8; tt c nhng vt liu có cu
trúc zincblende và vùng cm trc tip; ngoi tr HgSe và HgTe, chúng là á kim vi
vùng cm âm nhc bit là ZnSe, nó có th c ph  GaAs vi mt
 khuyt tt thp khi hng s mng ca hai vt li
th na, HgTe và CdTe gp mng, vì th cht bán dn hai thành phn
Hg
x
Cd
1-x
Te có th phát trin mà không gây ra s  CdTe. H thng vt
lic s dng rng rãi trong vic ch to các detectors photon. Khác vi
các hp kim thuc nhóm III-V, các hp cht thuc nhóm II-c tìm thy nhiu
trong t nhiên, nc ch to t nhng vt liu này thì s có
tui th hn ch. Tuy nhiên, các vt liu bán dn gm 2 nguyên t II-VI có th d

là vùng chm chm vnh ti InP, InAs, GaAs, và

x
Ga
1-x
)
y
In
1-y
nh ti AlP, InP và
GaP. Al
x
Ga
1-x
m nm dng thng ni lin GaAs và AlAs. H
s i t m này s di chuyng thng t n 1, khi
ng thng này g   ng thì Al
x
Ga
1-x
As hp mng vi GaAs. (b)
(In
x
Ga
1-x
)N có th iu chnh kt h thích nghi vi toàn b ph ca vùng nhìn
thc. In
x
Ga
1-x

liên kt cng hóa tr. Hình thành mng tinh th Si bn v nhi thp,
tinh th Si là chn.

Hình 2.8 Mng tinh th Si
14 Nhi tinh th, nhi ng cn t
và b gãy mt s liên kt cng hóa trn t  các ni gãy s ri xa nhau và di
chuyn d dàng trong mng tinh th i tác dng c li các l
trng ti các ni b gãy.
2.5. Bán dẫn pha tạp
Pha tp vào bán dn Si thun các nguyên t nhóm III và V nhi nng
 ht ti trong bán dn thun. T u khin các tính chn và quang ca bán
dn.
2.5.1. Bán dẫn pha tạp loại n
Pha tp vào Si các nguyên t nhóm V ca bng h thng tu
(N), Photpho (P), Asenic (As). Bán kính các nguyên t nguyên t nhóm V gn bng
bán kính nguyên t Si nên có th thay th cho các nguyên t Si trong mng tinh th.
n t ca P  lp ngoài cùng liên kt vn t ca Si lân
cn hình thành nên các liên kt cng hóa tr, còn m n t liên kt yu vi
nguyên t P lp ngoài cùng.

Hình 2.9 Mng tinh th Si pha tp nguyên t P
 nhi thp, các liên kt hóa tr không b b n t ng
nm trong vùng hóa tr, tr n t tha không hình thành liên kt cng hóa tr
s hình thành m  ng Donor nm trong vùng cm, cách vùng dn mt
khong nh chng 0.5 eV.
15


Hình 2.11 Mng tinh th Si pha tp cht B
 nhi thp, tt c n t có mng nm trong vùng hóa tr.
n t không tc liên kt s hình thành mng trng nm gn
nh vùng hóa tr cách mt khong nh chng 0.
.
Hình 2.12 Dng ca bán dn loi Si pha tp P (T = 00K)
 tinh th, mt s n t trong vùng hóa tr nhng
t qua vùng cm lên vùng dng thi, có nhn t nhng này
nhy lên vùng cm, chim m li l trng trong vùng hóa tr.
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
E
g

17 Nu gi N
A
là n nguyên t B pha tp, ta có
  


Vi : m
e
* khng hiu dng ca electron

M trng thái l trng trong vùng hóa tr. Vi m
h
*
là khng hiu dng ca l trng
E
v
nh vùng hóa tr.
3.2. Xác suất chiếm giữ bởi electron và lỗ trống.
Khi không có kích thích nhit ( T = 0
0
K ), tt c electron chim gi  mc
ng thp nht theo nguyên lý loi tr Pauli. Vùng hóa tr c ln
t và không có s xut hin ca l trng, do không có s b gãy liên kt và gii
n t t do.  vùng dn hoàn toàn trng, không có s xut hin cn
t.
Khi nhi n t nh
ng kích thích và nhy t vùng hóa tr t vùng cm lên vùng dng th
(3.3)















 

(3.2)
E
c
n
19 li l trng  vùng hóa tru kin cân bng nhit,  nhi T. Xác sut
trng E b chim bn t nh bng hàm Fermi Vi
Ta có
Hàm m trc xem là hàm Fermi  
phân b xác sun t trên mt trng thái. Vi mc Fermi (E



 

β












  


β



(3.3.2)
(3.3.3)



