Đang tải... (xem toàn văn)
Chất rắn là trạng thái vật chất đông đặc. Trong 1cm3 chất rắn có khoảng trên 1022 nguyên tử. Trong chất rắn khoảng cách giữa các nguyên tử, ion, electron đủ nhỏ để lực tương tác giữa chúng trở nên rất đáng kể. Bài toán cơ bản của vật lí chất rắn thực chất là bài toán hệ nhiều hạt có tương tác. Trong chương trước chúng ta đã thấy lí thuyết lượng tử đã rất thành công khi nghiên cứu các nguyên tử riêng biệt. Trong chương này chúng ta hi vọng sẽ thành công khi sử dụng nó để nghiên cứu vật rắn là tập hợp của rất nhiều nguyên tử. Vật rắn tồn tại dưới hai dạng là vật rắn tinh thể và vật rắn vô định hình. Trong chương này chúng ta chỉ nghiên cứu vật rắn tinh thể. Vào cuối những năm 40 và đầu những năm 60 của thế kỷ 20 Vật lý học đã có hai đóng góp to lớn cho công nghệ, đó là tranzito và laser. Tranzito đã kích thích sự phát triển của vi điện tử, một lĩnh vực liên quan đến sự tương tác (ở mức độ lượng tử) giữa electron và khối chất. Còn laser mở ra một lĩnh vực mới gọi là photon học (photonics), liên quan đến sự tương tác (cũng ở mức độ lượng tử) giữa các photon và khối chất. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu về chất bán dẫn, vật liệu để chế tạo điốt, tranzito, và laser bán dẫn
Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn CHƯƠNG 10 VẬT LÝ CHẤT RẮN VÀ BÁN DẪN Chất rắn trạng thái vật chất đông đặc Trong 1cm3 chất rắn có khoảng 1022 nguyên tử Trong chất rắn khoảng cách nguyên tử, ion, electron đủ nhỏ để lực tương tác chúng trở nên đáng kể Bài tốn vật lí chất rắn thực chất tốn hệ nhiều hạt có tương tác Trong chương trước thấy lí thuyết lượng tử thành công nghiên cứu nguyên tử riêng biệt Trong chương hi vọng thành cơng sử dụng để nghiên cứu vật rắn tập hợp nhiều nguyên tử Vật rắn tồn hai dạng vật rắn tinh thể vật rắn vơ định hình Trong chương nghiên cứu vật rắn tinh thể Vào cuối năm 40 đầu năm 60 kỷ 20 Vật lý học có hai đóng góp to lớn cho cơng nghệ, tranzito laser Tranzito kích thích phát triển vi điện tử, lĩnh vực liên quan đến tương tác (ở mức độ lượng tử) electron khối chất Còn laser mở lĩnh vực gọi photon học (photonics), liên quan đến tương tác (cũng mức độ lượng tử) photon khối chất Trong chương nghiên cứu chất bán dẫn, vật liệu để chế tạo điốt, tranzito, laser bán dẫn 10 VẬT LÝ CHẤT RẮN 10 1 Cấu trúc mạng tinh thể vật rắn Mạng tinh thể1 10 1 Mạng tinh thể Một đặc trưng quan trọng vật rắn tinh thể cấu trúc mạng tinh thể Trong vật rắn tinh thể nguyên tử (hoặc phân tử ion) tạo thành vật rắn xếp theo cấu trúc hình học xác định gọi mạng tinh thể Vị trí cân nguyên tử ( phân tử ion) mạng tinh thể gọi nút mạng b a Hình 10-1 Mạng tinh thể hai chiều Tính chất mạng tinh thể lí tưởng tính tuần hồn tịnh tiến khơng gian Đó là: ta cho mạng tinh thể dịch chuyển song song với khoảng xác định theo phương mạng tinh thể lại trùng với Độ dài nhỏ khoảng dịch chuyển gọi chu kỳ mạng tinh thể (hay gọi số mạng ) Chu kỳ mạng tinh thể xác định xác phương pháp nhiễu xạ tia X nhiễu xạ electron, từ đốn nhận cấu trúc tinh thể vật rắn Tính tuần hồn tịnh tiến mạng tinh thể kéo theo tính tuần hồn với chu kì mạng tinh thể, loạt đại lượng vật lí khác có liên quan đến xếp nguyên tử tinh thể ví dụ tĩnh điện (trường tinh thể), mật độ electron 221 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn Mạng tinh thể lí tưởng có tính tuần hồn vơ hạn Tinh thể thực hữu hạn thường có sai lệch khỏi tính tuần hồn, gọi sai hỏng 10 1 Các loại liên kết mạng tinh thể Tuỳ theo cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử tạo nên vật rắn mà vật rắn tồn liên kết khác nguyên tử Có loại liên kết Tính chất vật lý vật rắn phụ thuộc vào đặc tính liên kết mạng tinh thể Liên kết nguyên tử: Liên kết nguyên tử loại liên kết bền vững Ví dụ : Kim cương, Silic Các nguyên tử loại nằm nút mạng, liên kết với lực trao đổi nhờ cặp electron có spin đối song (ngược chiều) Các electron electron hoá trị nên liên kết cịn gọi liên kết đồng hố trị Liên kết kim loại: Các ion dương nguyên tử kim loại nút mạng Các electron hoá trị liên kết yếu với nguyên tử, tách khỏi nguyên tử chuyển động tự toàn mạng tinh thể Các electron bị tập thể hố đóng vai trị liên kết ion dương Các ion dương tạo nên hàng rào ngăn khơng cho electron khỏi kim loại Liên kết ion: Ví dụ NaCl Các ion trái dấu Na+, Cl- nút mạng liên kết với lực hút Culông Liên kết phân tử: Ở nút mạng phân tử, phân tử liên kết với lực tương tác phân tử yếu gọi lực Van de Waal Lực xuất cấu trúc bất đối xứng điện phân tử Đây loại liên kết yếu loại liên kết vật rắn tinh thể 10 Lý thuyết vùng lượng Bài toán quan trọng bậc vật lý chất rắn tìm phổ lượng electron vật rắn tinh thể, nội dung lý thuyết vùng lượng Một vật rắn coi cấu tạo tập hợp nhiều nguyên tử Mỗi nguyên tử lập có số lớn mức lượng gián đoạn cho phép, có số mức lượng bị chiếm electron Do có tương tác nguyên tử cấu tạo nên vật rắn, nên vật rắn phổ lượng electron mức lượng riêng biệt mà vùng lượng cho phép Để hiểu lý dẫn đến hình thành vùng lượng ta theo hai cách: • • Coi electron liên kết chặt chẽ với nguyên tử mẹ chúng nghiên cứu thay đổi trạng thái electron có số lượng lớn nguyên tử kết hợp lại với để tạo nên vật rắn tinh thể Cách tiếp cận gọi phép gần điện tử liên kết chặt Coi electron liên kết yếu với nguyên tử mẹ chúng xét chuyển động chúng trường tuần hoàn ion mạng tinh thể sinh Cách tiếp cận gọi phép gần điện tử gần tự Sau ta nghiên cứu hình thành vùng lượng theo hai cách lập luận 222 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn 10 Sự hình thành vùng lượng tương tác nguyên tử (phép gần điện tử liên kết chặt) Đối với nguyên tử riêng biệt, lý thuyết lượng tử rằng: o Năng lượng electron nguyên tử gián đoạn, o Mỗi trạng thái lượng tử electron đặc trưng số lượng tử: n (số lượng tử chính), l (số lượng tử quỹ đạo), m (số lượng tử từ) s (số lượng tử spin) o Nguyên lý loại trừ Pauli: trạng thái lượng tử đặc trưng số lượng tử n, l, m , s trang thái lượng tử có tối đa electron o Thông thường trạng thái electron chiếm mức lượng thấp Xét hệ gồm hai nguyên tử giống Nếu hai nguyên tử xa đến mức coi chúng độc lập, không tương tác với giá trị mức lượng giống trường hợp nguyên tử cô lập, số mức gấp đơi (mức lượng trùng chập hay nói cách khác suy biến bậc hai) Khi hai nguyên tử tiến lại gần cỡ Å (10-10 m) chúng bắt đầu tương tác mạnh với nhau, mức lượng trước phải tách thành hai mức (Hình 10-2) Trong mẫu chất rắn tinh thể có N nguyên tử mức lượng ngun tử lập tách thành N mức Trong 1cm3 chất rắn có khoảng 5.1022 ngun tử mức lượng tách thành 5.1022 mức Các mức tất nhiên xít tạo nên vùng lượng Như trường hợp mức tách thành vùng vùng gồm N mức nằm gần đến mức coi chúng phân bố gần liên tục theo lượng (Hình 10-2e) Vì mức lượng nguyên tử cô lập tách thành vùng lượng cho phép có bề dày định nên phổ lượng electron có nhiều vùng lượng cho phép xen kẽ vùng khơng phép gọi vùng cấm Nói chung khơng có mức lượng electron nằm vùng cấm Bề rộng vùng cho phép phụ thuộc vào tương tác electron nguyên tử khác với Các electron nằm lớp sâu bên tương tác yếu với nhiêu bị che chắn electron phía ngồi, vùng lượng cho phép lớp sâu bên hẹp lại Các electron có vật rắn điền đầy vùng lượng cho phép từ thấp đến cao 223 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn Hình 10-2 Minh hoạ hình thành vùng lượng Hình 10-3 Phân loại vật rắn theo lấp đầy vùng hố trị Sự hình thành cấu trúc vùng lượng electron vật rắn tinh thể cho phép giải thích phân loại vật rắn tinh thể thành ba loại: chất dẫn điện (kim loại), chất bán dẫn chất cách điện (điện môi) Sự dẫn điện chất rắn chất chuyển động electron tinh thể Nếu xét theo tranh vùng lượng tượng electron nhảy từ mức lượng thấp lên mức cao Vì vùng bên bị lấp đầy nên vùng electron nhảy lên mức cao Do xét đến tính chất dẫn điện vật rắn có vùng lấp đầy cùng, gọi vùng hóa trị, quan trọng • Chất dẫn điện (kim loại): chất có cấu trúc vùng lượng có vùng chưa đầy vùng đầy nằm chồng phần lên vùng trống Do khoảng cách 224 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn mức lượng vùng cho phép nhỏ (cỡ 10-2 eV, tương đương với lượng chuyển động nhiệt) nên nhiệt độ bình thường electron thu thêm lượng nhiệt đủ để thay đổi trạng thái chuyển lên mức lượng cao bỏ trống trở thành electron tự Khi có điện trường ngồi tác dụng, electron tự chuyển động ngược hướng với điện trường tạo nên dòng điện • Chất bán dẫn: chất có cấu trúc vùng lượng vùng đầy (được gọi vùng hoá trị) bị ngăn cách với vùng trống (được gọi vùng dẫn) vùng cấm có độ rộng khơng q - 2eV Khi điện trường yếu, electron đỉnh vùng hoá trị chưa thể thu đủ lượng để vượt qua vùng cấm, chuyển lên vùng dẫn, chất bán dẫn chưa dẫn điện Nhưng điện trường đủ mạnh để đưa electron từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, trở thành electron tự do, chuyển động ngược chiều với điện trường tạo nên dòng điện Như tính dẫn điện chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào yếu tố bên để làm thay đổi trạng thái lượng electron vật rắn tinh thể • Chất cách điện (điện mơi): chất có cấu trúc vùng lượng vùng hố trị đầy hoàn toàn bị ngăn cách với vùng trống hoàn toàn vùng cấm lớn ( ≥ 3eV) Trong trường hợp electron vùng hố trị khó chuyển lên vùng trống để trở thành electron tự tham gia dẫn điện Hình 10-3 trình bày mơ hình vùng lượng chất dẫn điện, bán dẫn chất cách điện 10 2 Chuyển động electron mạng tinh thể (phép gần điện tử gần tự do) Theo học lượng tử, trạng thái electron chuyển động trường lực U (r ) mơ tả hàm sóng: i − E.t Ψ (r , t ) = e h ϕ (r ) (10.1) h số Planck rút gọn, E lượng electron, ϕ (r ) phần hàm sóng phụ thuộc toạ độ khơng gian xác định phương trình Schrodinger: 2m (10.2) Δϕ ( r ) + E − U (r ) ϕ (r ) = h2 m khối lượng electron, Δ tốn tử Laplace có giá trị tổng đạo hàm riêng phần bậc hai theo toạ độ không gian x, y, z Biết dạng cụ thể U( r ) ta giải phương trình Schrodinger để tìm biểu thức ϕ (r ) E tức xác định trạng thái lượng electron chuyển động trường lực * Xét trường hợp electron chuyển động tự (trường lực 0), phương trình Schrodiger là: 2m (10.3) Δϕ ( r ) + E ϕ ( r ) = h Nghiệm phương trình (10.3) có dạng sóng phẳng De Broglie: [ ] ϕ (r ) = Ae i k r (10.4) A biên độ sóng số, k vectơ sóng Năng lượng electron chuyển động tự là: 225 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn h 2k (10.5) 2m * Xét trường hợp electron chuyển động mạng tinh thể Các ion dương nguyên tử nằm nút mạng gây trường lực tuần hoàn U (r ) = U (r + a) , với a chu kỳ mạng tinh thể Điều có nghĩa hai điểm có tọa độ khác số mạng phải Nghiệm phương trình Schrodinger (10.2) có dạng hàm Block: E= ϕ ( r ) = u k ( r ) ei k r (10.6) u k (r ) hàm tuần hoàn giống trường lực thế, với chu kỳ a mạng tinh thể: u k (r ) = u k (r + a ) Hàm sóng Block hàm sóng phẳng có biên độ biến thiên tuần hoàn với chu kỳ mạng tinh thể Xác suất tìm thấy electron điểm cho tinh thể hàm tuần hoàn tọa độ x Kết giải phương trình Schrodinger trường hợp cho thấy lượng electron tách thành vùng cho phép vùng cấm Ở không sâu vào giải toán học lượng tử mà xem xét ảnh hưởng mạng tinh thể lên chuyển động electron theo hướng định tính sau Khi electron chuyển mạng tinh thể chúng bị nhiễu xạ Nhiễu xạ electron tinh thể giống trường hợp nhiễu xạ tia X, trước hết nhắc lại tượng nhiễu xạ tia X Khi tia X đập lên nút mạng tinh thể, nút mạng trở thành trung tâm nhiễu xạ Chùm tia X nhiễu xạ theo nhiều phương, nhiên theo phương phản xạ gương quan sát tượng nhiễu xạ theo phương cường độ tia nhiễu xạ lớn Hiệu quang lộ hai tia theo phương phản xạ gương ΔL = 2a sin θ , chúng giao thoa với Cực đại giao thoa 2a sin θ = nλ Đây điều kiện phản xạ Bragg Để đơn giản ta xét toán chuyển động electron mạng tinh thể chiều gồm nguyên tử loại xếp đường thẳng nằm cách khoảng chu kỳ a mạng tinh thể Áp dụng điều kiện phản xạ Bragg cho toán trên, sau thay θ = π / k = 2π / λ ta tìm được: n.π (10.7) k= n = ±1,±2 a ứng với giá trị k thoả mãn (10.7) nghiệm phương trình Schrodinger (10.2) khơng phải sóng chạy trường hợp electron tự mà sóng đứng tạo giao thoa sóng tới sóng phản xạ (hai sóng giống nhau, lan truyền theo hai chiều ngược nhau) Điều có nghĩa trường hợp electron đứng im, không di chuyển Khi electron đứng im (v=0) khơng có động mà Đối với trường hợp electron tinh thể có hai vị trí mà nằm cố định đó: vị trí nút mạng, electron U1 âm vị trí nút mạng, electron U2 bớt âm Việc tinh thể khơng phải có mà hai vị trí, electron đứng im dẫn đến hệ quan trọng, xuất khe lượng có độ rộng ΔE = U − U electron khơng có lượng nằm vùng Như vậy, ảnh hưởng trường tuần hoàn, phổ lượng electron bị gián đoạn, nghĩa phổ lượng xuất khoảng giá trị lượng khơng thể có electron, vùng lượng gọi vùng cấm Tóm lại theo mẫu điện tử chuyển động tinh thể gần tự do, lượng electron là: 226 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn h 2k +U (10.8) 2m Nếu k không đáp ứng điều kiện phản xạ Bragg electron chuyển động hồn tồn tự E ≈ K0 + U = h 2k Nếu k đáp ứng điều kiện phản xạ Bragg electron bị cố định E = U 2m E = U Như đồ thị E = f(k) đường gần parabol, parabol bị biến dạng gần điểm mà k đáp ứng điều kiện phản xạ Bragg gián đoạn điểm (Hình 10.4) E = K0 = Hình 10-4: Sự phụ thuộc lượng electron tinh thể vào số sóng k Tính chất tuần hoàn tịnh tiến mạng tinh thể làm cho lượng electron chuyển động có cấu trúc theo vùng, vùng phép xen kẽ vùng cấm Lý xuất vùng lượng bị cấm phản xạ Bragg E(k) hàm tuần hồn chẵn khơng gian k Đặc biệt người ta xác định khơng gian k (khơng gian động lượng p = h k ) vùng có dạng khối đa diện mà chứa tất giá trị k đặc trưng cho tất trạng thái cho phép electron Vùng gọi vùng Brillouin thứ (- π < ki < + π ) Tại biên vùng Brillouin thứ đáp ứng điều kiện phản xạ Bragg làm sinh vùng cấm thứ Nếu xét k tiếp tục tăng lên đến biên vùng Brillouin thứ hai lại đáp ứng phản xạ Bragg làm sinh vùng cấm thứ hai tiếp tục 10 VẬT LÝ BÁN DẪN 10 Sơ đồ vùng lượng chất bán dẫn Bán dẫn vật liệu để chế tạo linh kiện điện tử, linh kiện quang điện tử Vì chương Vật lí chất rắn chủ yếu xem xét số vấn đề vật lí bán dẫn Sơ đồ vùng lượng phụ thuộc lượng E vào vectơ sóng k , phụ thuộc cịn gọi phổ lượng, hay quy luật tán sắc Nó nội dung quan trọng vật lý chất rắn 227 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn Hình 10-5: Sơ đồ vùng lượng bán dẫn vùng cấm thẳng (a) bán dẫn vùng cấm xiên (b) Bảng 1: Độ rộng vùng cấm nhiệt độ phòng số bán dẫn tiêu biểu Chất bán dẫn Loại vùng cấm ΔE g (eV ) 3000K Ge Si SiC GaAs GaP Inas InP CdS CdTe 0.66 1.12 2.99 1.42 2.26 0.36 1.35 2.42 1.56 xiên xiên xiên thẳng xiên thẳng thẳng thẳng thẳng Dựa vào cấu trúc vùng lượng người ta chia chất bán dẫn hai loại: bán dẫn vùng cấm thẳng bán dẫn vùng cấm xiên (hình 10-5), điều ảnh hưởng đến tính chất quang chất bán dẫn Bán dẫn vùng cấm thẳng: có cấu trúc vùng lượng với cực đại vùng hoá trị cực tiểu vùng dẫn nằm điểm khơng gian k Bán dẫn vùng cấm xiên: có cấu trúc vùng lượng với cực đại vùng hoá trị cực tiểu vùng dẫn nằm hai điểm khác không gian k Các thông tin độ rộng vùng cấm loại vùng cấm số bán dẫn điển hình đưa bảng 10 2 Khái niệm điện tử dẫn lỗ trống Như biết chất bán dẫn chất nhiệt độ thấp có vùng hố trị điền đầy hoàn toàn electron vùng dẫn trống hồn tồn (khơng có electron), hai vùng ngăn cách với vùng cấm tương đối hẹp ( ΔE g ≈ 0.3 ÷ 2,5eV ) Nếu đặt vào mẫu bán dẫn điện áp, nhiệt độ thấp electron vùng hóa trị khơng thể lấy thêm đủ lượng để vượt qua vùng cấm chuyển lên vùng dẫn tham gia dẫn điện Nhưng nhiệt độ tăng, kích thích nhiệt electron lấy đủ lượng nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn trở thành electron gần tự do, đồng thời để lại vùng hoá trị trạng thái 228 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn trống chất bán dẫn dẫn điện Những electron gần tự vùng dẫn gọi electron dẫn Còn trạng thái trống vùng hóa trị gọi lỗ trống 10 2 Sự phụ thuộc lượng vào vectơ sóng k đáy vùng dẫn đỉnh vùng hố trị Trong chất bán dẫn hành vi electron đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị quan trọng cả, có electron có khả thay đổi trạng thái cách chuyển mức lượng vùng dẫn vùng hóa trị để tham gia dẫn điện Ta xét E (k ) lân cận đáy vùng dẫn (năng lượng không gian k) Giả sử lượng vùng dẫn có cực tiểu giá trị vectơ sóng k Chúng ta khai triển E (k ) chuỗi Taylor điểm k , ta có: ∂2E (ki − k 0i )(k j − k j ) + (10-9) ∑ ij ∂k i ∂k j Chúng ta giới hạn chuỗi đến số hạng bậc hai gần gọi gần parabol Nếu lượng phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối k mà khơng phụ thuộc vào hướng nó, ta viết: E (k ) = E (k ) + E (k ) = E (k0 ) + ∂2E (k − k0 ) 2 ∂k (10-10) Nếu k0=0 lấy gốc tính lượng E(k0) E (k ) = m * = h2 ∂2E ∂k ∂ E h 2k k = ∂k 2m* (10-11) có thứ nguyên khối lượng, đại lượng vô hướng gọi khối lượng hiệu dụng Lân cận vùng cực tiểu lượng ta có m * > 0, ngược lại lân cận vùng cực đại lượng ta có m * < Mặt đẳng (quĩ tích mặt có lượng khơng gian vectơ sóng k ) trường hợp mặt cầu Trong trường hợp tổng quát E phụ thuộc vào vectơ sóng k , với gần parabol mặt đẳng không gian k mặt elip, khối lượng hiệu dụng tenxơ bậc hai Từ phương trình (10-11) ta thấy xung quanh điểm lượng cực trị chuyển động electron coi hồn tồn tự do, khác khối lượng m* m Như vậy, thông qua khái niệm khối lượng hiệu dụng người ta biểu diễn tác động trường tinh thể lên electron Nhờ khái niệm tác động trường tinh thể gộp vào thành tính chất gắn liền với electron khái niệm “electron dẫn tinh thể” trở nên “chuẩn“ hạt (quasi-particle) Đặc biệt với khái niệm khối lượng hiệu dụng giải tốn chuyển động electron có lượng gần lượng cực trị tác động điện trường đơn giản nhiều phương pháp gọi phương pháp khối lượng hiệu dụng 229 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn 10 2 Chuyển động electron tinh thể tác dụng trường Khái niệm lỗ trống Trước hết xét hành vi electron lân cận điểm cực tiểu lượng tác dụng điện trường E Theo định luật hai Newton ta có: F = m* a = − e E gia tốc electron ngược chiều điện trường: eE a=− m* (10-12) (10-13) Kết luận: lân cận cực tiểu lượng không gian k (đáy vùng dẫn), electron xử hạt có khối lượng dương m* có điện tích âm -e Electron gọi electron dẫn Bây xét hành vi electron gần cực đại lượng tác dụng điện trường E Theo định luật hai Newton ta có: F = m* a = − e E Nhưng lân cận cực đại lượng ta có: m* = h2 EF Điều có nghĩa nhiệt độ không tuyệt đối, trạng thái lượng E ≤ E F bị electron lấp đầy, cịn trạng thái có lượng E > EF bị bỏ trống hồn tồn • nhiệt độ T ≠ 0, ta có: f ( E ) → E > EF Hình 10-6 Hàm phân bố Fermi-Dirac Khi E >> EF hàm f(E) xem gần với phân bố Boltzman f ( E ) ≈ e −( E − E F ) / kT Hàm f(E,T) thay đổi nhanh từ đến khoảng ± k B T lân cận mức Fermi Hàm phân bố Fermi - Dirac áp dụng cho electron dẫn electron sát đỉnh vùng hố trị (vì có electron có khả thay đổi lượng mình) Đối với lỗ trống, tức xét xác suất mức lượng E bị lấp đầy lỗ trống (hay bị bỏ trống electron) nhiệt độ T ta phải dùng hàm: fp(E,T) = - f(E,T) (10-16) 10 Bán dẫn Bán dẫn bán dẫn có loại nguyên tử mạng tinh thể tính dẫn 231 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn điện tạo chuyển dời electron từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Như chuyển mức electron bán dẫn chuyển mức “vùng - vùng” electron lỗ trống sinh theo cặp Nguyên nhân chuyển mức electron thường thăng giáng nhiệt Silic (Si) Germani (Ge) hai bán dẫn điển hình sử dụng nhiều công nghiệp điện tử Si ngun tố nhóm bảng tuần hồn Mendeleev Mỗi ngun tử Si có electron hố trị Trong mạng tinh thể Si, nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử lân cận nhờ bốn cặp electron hoá trị (liên kết đồng hoá trị) biểu diễn bốn cặp đường thẳng mặt phẳng (Hình 10-7) Trong mạng tinh thể Si, electron hoá trị liên kết với nguyên tử xác định chúng Do tác dụng bên ngồi (nung nóng, chiếu sáng ), electron hố trị thu đủ lượng để thoát khỏi liên kết với nguyên tử chúng trở thành electron tự Đồng thời xuất liên kết hoá trị bị bỏ trống electron vừa dời Những liên kết bị bỏ trống gọi lỗ trống Các electron hoá trị nguyên tử lân cận lại chuyển đến lấp lỗ trống Dưới tác dụng điện trường mạng tinh thể Si có dịng electron tự mang điện tích âm chuyển động ngược chiều điện trường, đồng thời có dịng lỗ trống mang điện tích dương chuyển động chiều điện trường Hình 10-7 Bán dẫn Silic Hình 10-8 Chuyển mức “vùng-vùng” bán dẫn Theo lý thuyết vùng lượng, q trình electron phá vỡ liên kết hố trị với nguyên tử chúng mô tả trình chuyển trạng thái lượng electron từ đỉnh vùng hoá trị, vượt qua vùng cấm lên vùng dẫn để trở thành electron dẫn Đồng thời đỉnh vùng hoá trị xuất trạng thái lượng bị bỏ trống electron vừa rời Những trạng thái lượng bị bỏ trống tương ứng với lỗ trống Các electron liên kết vùng hoá trị dễ dàng chuyển trạng thái lượng lên chiếm lỗ trống Như bán dẫn dẫn điện electron lỗ trống, số electron tự lỗ trống bán dẫn chúng sinh theo cặp Người ta chứng minh bán dẫn mật độ electron ne mật độ lỗ trống np 232 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn ⎛ ΔE g ⎞ ⎟ ne = n p = ni = N C NV exp ⎜⎜ − (10-17) ⎟ ⎝ 2k B T ⎠ số i dùng để bán dẫn (intrinsic) NC NV gọi mật độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn vùng hóa trị ∆Eg độ rộng vùng cấm Mức Fermi Ei bán dẫn thuần: * m p EC + EV E + EV N + k B T ln = + k B T ln V Ei = C 2 NC me* (10-18) Nhìn vào cơng thức ta thấy nhiệt độ T = 00K mức Fermi nằm vùng cấm Khi nhiệt độ tăng lên tuỳ thuộc vào tỷ lệ m*p / me* mà ta có mức Fermi dịch chuyển phía đáy vùng dẫn EC hay đỉnh vùng hóa trị EV Mật độ dòng điện tổng cộng điện trường gây nên (còn gọi mật độ dòng cuốn) (10-19) j E = j Ee + j Ep = σ E σ độ dẫn điện bán dẫn σ = σ e + σ p = n i ( eμ e + p μ p ) (10-20) Cơng thức (10-19) định luật Ơm dạng vi phân tính dẫn điện riêng bán dẫn μe μp độ linh động electron lỗ trống 10 Bán dẫn pha tạp chất Trong thực tế, người ta thường pha thêm nguyên tử tạp chất vào bán dẫn để làm tăng đáng kể độ dẫn điện chúng Lượng tạp chất pha thêm vào nhỏ so với nguyên tử chính, thơng thường cỡ phần triệu (10-6, hay ký hiệu tiếng Anh ppm), nghĩa mol chất bán dẫn có khoảng 1016 - 1017 nguyên tử tạp chất Tuỳ thuộc vào hoá trị nguyên tử tạp chất pha vào bán dẫn thuần, ta nhận hai loại bán dẫn tạp chất có tính dẫn khác nhau: bán dẫn n dẫn điện chủ yếu electron tự bán dẫn p dẫn điện chủ yếu lỗ trống 10 Bán dẫn n Hình 10-9 Silic pha tạp phosphor Hình 10-10 Sơ đồ lượng bán dẫn n Giả sử mạng tinh thể bán dẫn Si có pha thêm nguyên tử tạp chất thuộc nhóm 233 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn năm bảng tuần hồn Mendeleev, ví dụ phosphor (P) Mỗi ngun tử P có năm electron hố trị Bốn số năm electron hoá trị tham gia liên kết với bốn nguyên tử Si lân cận bốn cặp electron Electron thứ năm liên kết yếu với hạt nhân P nên cần hấp thụ lượng nhỏ (0,02 - 0,05 eV) bứt khỏi nguyên tử P trở thành electron tự để lại ion dương P+ nằm nút mạng tinh thể Si Khi có điện trường, electron tự chuyển động ngược chiều với điện trường ngồi tạo thành dịng điện chất bán dẫn tạp chất Bán dẫn Si pha tạp P dẫn điện chủ yếu electron tự mang điện tích âm nên gọi bán dẫn n (negativ) Nguyên tử P nhường electron cho mạng tinh thể để trở thành ion dương, đươc gọi chất cho hay chất đôno (donor) Năng lượng ion hoá nguyên tử chất cho nhỏ nên theo lý thuyết vùng lượng xuất trạng thái định xứ có lượng Ed nằm vùng cấm gần đáy vùng dẫn Mức lượng cho phép gọi mức đôno hay mức cho Vì số lượng ngun tử tạp P nên khoảng cách nguyên tử P lớn, giống nguyên tử cô lập chúng không tương tác với nên trạng thái với mức Ed định xứ vùng hẹp tinh thể Các mức tạp đôno thường nông, cỡ 0,05 eV, nên nhiệt độ phịng chúng bị ion hố hết (khơng cịn electron mức tạp đơno) Chuyển mức chuyển mức “tâm tạp - vùng”, tức electron từ mức tạp nhảy lên vùng dẫn chuyển mức sinh loại hạt tải electron, (còn trạng thái electron bị bỏ trống mức tạp electron nhảy lên vùng dẫn vị trí trống bất động) Nhưng bán dẫn (n hay p) có thêm chuyển mức “vùng vùng” thăng giáng nhiệt Do bán dẫn loại n ngồi electron dẫn có thêm lỗ trống, với nồng độ thấp nhiều, Ed > ne Khi cho hai bán dẫn p n tiếp xúc với nhau, có chênh lệch lớn nồng độ hạt tải nên hai bên mặt tiếp xúc p - n xảy tượng khuếch tán hạt tải bản: electron từ miền n sang miền p lỗ trống từ miền p sang n Quá trình khuếch tán tạo dòng khuếch tán jD hạt tải hướng từ p sang n, đồng thời để lại ion dương đôno miền n ion âm axepto miền p Kết dẫn đến việc hình thành lớp điện tích kép mặt tiếp xúc p-n, phía miền n tích điện dương, cịn phía miền p tích điện âm Lớp sát biên mặt tiếp xúc p-n khơng có hạt tải (electron lỗ trống) có tên vùng nghèo hạt tải điện, mặt khác vùng cịn lại ion dương đơno bên phía n ion âm axepto bên phía p nên cịn có tên vùng điện tích khơng gian Hình 10-13 Chuyển tiếp p-n điều kiện cân Lớp điện tích kép tạo điện trường tiếp xúc Etx hướng từ n sang p Một mặt, Etx ngăn cản chuyển động khuếch tán hạt tải bản, làm giảm dòng khuếch tán Ikt Mặt khác, Etx lại gây chuyển động hạt tải không (electron từ p sang n, lỗ trống từ 236 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn n sang p) tạo dòng điện Itr hướng từ n sang p, ngược chiều với dòng khuếch tán Ikt Theo thời gian tiếp xúc, điện trường tiếp xúc ngày tăng lên làm cho dòng khuếch tán giảm dần dòng tăng dần Trạng thái cân động thiết lập dòng khuếch tán dòng cường độ dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc p-n trở nên không, điện trường tiếp xúc Etx đạt giá trị xác định Lớp chuyển tiếp p-n ứng dụng rộng rãi để chế tạo điốt (diode) tranzito (transistor) Đó linh kiện điện tử quan trọng dùng riêng rẽ mạch điện tử kết hợp với mạch tổ hợp IC (Integrated Circuit) 10 Điốt đặc tính chỉnh lưu Điốt linh kiện điện tử cấu tạo lớp chuyển tiếp p-n bán dẫn loại p loại n: đầu bán dẫn p gọi anốt A đầu bán dẫn n gọi catốt K Người ta nối hai đầu điốt với nguồn điện khơng đổi có hiệu điện U (hình 10-14) Điện trường tổng hợp lớp chuyển tiếp p-n bằng: E = Eo + Etx Etx điện trường tiếp xúc, Eo điện trường gây nguồn điện Chuyển tiếp p-n nằm trạng thái khơng cân Có chênh lệch mức Fermi miền p miền n Hinh 10-14 a) Điốt mắc thuận b) mắc ngược Ta xét hai trường hợp: a Trường hợp mắc thuận (Hình 10-14a): Anốt nối với cực + catốt nối với cực - nguồn điện Vì Eo >> Etx nên điện trường tổng hợp E hướng từ bán dẫn p sang n Điện trường ngồi có tác dụng làm giảm hàng rào xuống lượng eU, dịng khuếch tán hạt tải qua lớp chuyển tiếp p-n tăng tạo thành dòng điện thuận chạy qua điốt theo chiều từ p sang n Khi lớp chuyển tiếp p-n bị co hẹp lại điện trở lớp giảm Mật độ dòng hạt tải lớn nên cường độ dòng điện thuận lớn tăng nhanh theo hiệu điện U hai cực anốt catốt b Trường hợp mắc ngược (Hình 10-14b): Anốt nối với cực - catốt nối với cực + nguồn 237 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn điện Điện trường tổng hợp E hướng từ bán dẫn n sang p có tác dụng ngăn cản dòng hạt tải qua lớp chuyển tiếp p-n lại tăng cường dòng hạt tải không qua lớp chuyển tiếp tạo thành dòng điện ngược chạy qua điốt theo chiều từ n sang p Khi lớp chuyển tiếp p-n mở rộng ra, hàng rào nâng cao điện trở lớp chuyển tiếp tăng lên Vì mật độ hạt tải khơng nhỏ nên cường độ dòng điện ngược nhỏ ta thấy khơng phụ thuộc vào hiệu điện Kết điốt cho dịng điện qua theo chiều thuận từ p sang n khơng cho dịng điện chạy theo chiều ngược từ n sang p Tác dụng gọi đặc tính chỉnh lưu dịng điện điốt Lý thuyết thực nghiệm chứng tỏ cường độ dòng điện I chạy qua điốt phụ thuộc hiệu điện U hai cực A, K theo qui luật hàm mũ: ⎛ eU ⎞ I = I o exp⎜⎜ − 1⎟⎟ (10-25) ⎝ k BT ⎠ e điện tích nguyên tố, kB số Boltzmann, T nhiệt độ tuyệt đối, Io cường độ dòng điện bão hòa Io nhỏ, phụ thuộc cấu tạo điốt nhiệt độ Khi hiệu điện có giá trị âm trị tương đối đủ lớn dịng ngược tăng vọt lớp chuyển tiếp bị đánh thủng điốt tác dụng chỉnh lưu Hình 10-15 Đặc trưng Vôn – Ampe điốt 10 Laser bán dẫn Laser chữ viết tắt “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, khuếch đại ánh sáng phát xạ cảm ứng Giả sử nguyên tử có hai mức lượng E1 E2, E2 > E1, E1 mức bản, cịn E2 mức kích thích Ở trạng thái cân nhiệt mật độ hạt mức E1 lớn mật độ hạt mức E2, N1 > N2 Hệ nguyên tử tương tác với xạ điện từ Theo Einstein, xảy ba trình quang học: Hấp thụ, phát xạ tự phát, phát xạ cảm ứng Một hệ nguyên tử mức lượng E1 hấp thụ xạ điện từ đơn sắc chiếu tới nhảy lên mức lượng kích thích E2 cao Nguyên tử tồn mức kích thích thời gian ngắn, sau chuyển mức cách tự phát Trong trình chuyển dời phát photon có tần số ν tuân theo hệ thức hν = E − E1 Phát xạ gọi phát xạ tự phát, khơng địi hỏi kích thích bên Sự chuyển dời tự phát gây nhân tố nội hệ nguyên tử 238 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn Một nguyên tử nằm mức hấp thụ photon có lượng hν = E − E1 xạ tới để chuyển lên mức Quá trình gọi hấp thụ Dưới tác dụng kích thích xạ điện từ, ngun tử trạng thái kích thích E2 chuyển xuống mức lượng thấp E1 phát xạ có lượng hν = E2 − E1 Photon nguyên tử phát giống hệt photon xạ kích thích nguyên tử: lượng (tần số), hướng, pha, độ phân cực Quá trình cộng hưởng gọi phát xạ cảm ứng Ở trạng thái cân nhiệt động học xác suất phát xạ cảm ứng nhỏ xác suất hấp thụ phát xạ tự phát Để khuếch đại ánh sáng phát xạ cảm ứng phải áp đảo hai qúa trình Muốn ta phải phá vỡ cân nhiệt, làm cho mật độ hạt trạng thái E2 lớn E1 (N2 > N1, trạng thái đảo mật độ hạt) tăng cường mật độ phổ kích thích Mơi trường mà mật độ hạt trạng thái ứng với lượng cao lại lớn mật độ hạt trạng thái ứng với lượng thấp gọi môi trường nghịch đảo mật độ Máy phát laser gồm ba phận chính: mơi trường chất có trạng thái đảo mật độ hạt, bơm buồng cộng hưởng Fabry – Perot Trạng thái đảo mật độ hạt trạng thái không cân bằng, khơng bền ngun tử ln có xu hướng trở trạng thái cân Muốn trì trạng thái đảo mật độ hạt ta phải thường xuyên cung cấp lượng để kích thích hệ hạt, q trình gọi q trình bơm Khi đạt phân bố đảo mật độ hạt, xác suất xảy phát xạ tự phát tăng lên mạnh Nhưng phát xạ tự phát không phụ thuộc vào mật độ phổ xạ, trở thành nhiễu khơng kết hợp Trong phát xạ cảm ứng tỷ lệ với mật độ phổ xạ kích thích Do phải tăng mật độ phổ xạ kích thích phương pháp ghép phản hồi dương, đồng thời tập trung lượng vào vài mode sóng với dải tần hẹp Để thực đồng thời hai điều người ta dùng buồng cộng hưởng Fabry - Perot Hình 10.16 Sơ đồ nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry – Perot 239 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn Buồng cộng hưởng quang học Fabry-Perot hệ hai gương phẳng đặt song song hình 10.16 (cũng gương lõm với bán kính lớn) Một gương phản xạ ánh sáng hồn tồn cịn gương phản xạ phần để truyền qua phần Các gương tạo điều kiện để ánh sáng qua lại nhiều lần mơi trường kích hoạt Do cường độ chùm sáng tăng nhanh (tỷ lệ theo hàm mũ với quãng đường) trước phóng khỏi gương phản xạ phần Như nhờ phép ghép phản hồi dương mật độ phổ kích thích tăng nhanh làm cho xác suất phát xạ cảm ứng vượt trội so với phát xạ tự nhiên Mặt khác photon chuyển động song song dọc theo trục môi trường hoạt chất, photon phát xạ tự nhiên sinh phát theo hướng khác bay khỏi mơi trường khơng giữ vai trị hoạt động máy phát laser Do chùm laser phát định hướng Trong buồng cộng hưởng photon phát xạ cảm ứng sinh kích thích nhiều photon khác gây tượng phát xạ cảm ứng nội môi trường, tạo hiệu ứng thác lũ Hiện tượng xảy thể tượng cộng hưởng Theo quan điểm sóng, cường độ chùm sáng tỷ lệ thuận với bình phương biên độ sóng ánh sáng Sự tăng mạnh cường độ chùm sáng buồng cộng hưởng có nghĩa biên độ sóng ánh sáng tăng mạnh Như vậy, trở lại điểm mơi trường kích hoạt sau nhiều lần phản xạ gương, sóng điểm phải có pha trùng với sóng sơ cấp ban đầu Nếu ta gọi chiều dài buồng cộng hưởng L, sau hai lần phản xạ hai gương sóng phản xạ quãng đường 2L Để sóng phản xạ pha với sóng sơ cấp hiệu quang lộ phải số nguyên lần bước sóng 2nL = mλ (m = 1,2 ) hay L=m λ (10-26) 2n n: chiết suất mơi trường kích hoạt Bộ cộng hưởng Fabry-Perot phải có độ dài L thoả mãn điều kiện (10-26) Hình 10.17 Laser bán dẫn với buồng cộng hưởng Fabry-Perot Một laser bán dẫn rời rạc chuyển tiếp p-n có dạng hình hộp chữ nhật chiều dài cỡ 300 μm , chiều rộng cỡ 50 μm , hai mặt bên phẳng tạo cách chẻ tinh thể tạo nên 240 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn hai gương phản xạ buồng cộng hưởng Fabry-Perot Mơi trường kích hoạt laser bán dẫn thường chuyển tiếp p-n pha tạp mạnh Trong bán dẫn loại n+ (loại n pha tạp mạnh) mức Fermi nằm vùng dẫn, bán dẫn loại p+ (loại p pha tạp mạnh) mức Fermi nằm vùng hoá trị, nghĩa bán dẫn pha tạp suy biến nặng Khi đặt vào chuyển tiếp p - n thiên áp thuận, electron lỗ trống phun vào vùng nghèo tạo nồng độ electron dư lớn vùng dẫn nồng độ lỗ trống dư lớn vùng hoá trị, tức tạo trạng thái đảo mật độ hạt Bức xạ cảm ứng thắng so với xạ tự phát thực nhờ buồng cộng hưởng Fabry – Perot Khi hai điều kiện: trạng thái đảo mật độ mật độ photon cao thỏa mãn trình xạ cảm ứng tăng cường, chiếm ưu mẫu hoạt động chế độ phát xạ cảm ứng Để cho sóng quang học có khả cao tồn vùng đảo mật độ người ta sử dụng cấu trúc dị thể kép (hình 10.18), có tác dụng giam giữ hạt tải vùng tái hợp phát xạ làm tăng hiệu suất phát quang lớp có vùng cấm rộng bao quanh có tác dụng cửa sổ quang học, chúng không hấp thụ ánh sáng phát Hình 10.18 Sơ đồ chuyển tiếp dị thể GaAs – AlxGa1-xAs Laser với buồng cộng hưởng Fabry-Perot thường khó chế tạo đồng mạch tích hợp quang (OIC), khơng thể chế tạo hai mặt phản xạ hai đầu laser cách bẻ phiến silic, khó khăn việc chế tạo đường dẫn điện thoát nhiệt mạch Để khắc phục nhược điểm người ta chế tạo laser phản hồi phân tán nhờ cách tử Bragg (DFB) Cách tử Bragg tạo nên cách làm nhăn lớp biên phân cách hai lớp bán dẫn cấu thành laser Lớp nhăn tạo cách tử nằm chuyển tiếp p-n để tránh sai hỏng lớp đảo mật độ, sai hỏng gây tái hợp khơng phát xạ Hình 10.19 Cấu trúc điơt laser phản hồi phân tán Chúng ta biết điều kiện nhiễu xạ Bragg quang lộ tia phản xạ từ mặt 241 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn phải khác số nguyên lần bước sóng 2d sin θ = mλ , m=1,2,3 góc θ góc tia tới mặt phản xạ, λ bước sóng mơi trường vật liệu ( λ = λ0 / n , n chiết suất hiệu dụng vật liệu) Sóng quang lan truyền song song với cách tử, nên giao thoa hai sóng lan truyền theo hai phương ngược nhau, ta thay θ =900 d chu kì cách tử Khi điều kiện λ 2dn m = 1,2,3 m Khi m=1 bước sóng λ = 2dn gọi bước sóng Bragg bậc Ánh sáng phản xạ có λ0 = thể thỏa mãn điều kiện Bragg thứ hai (m=2), chu kì cách tử tăng lên, dễ chế tạo Lớp cách tử chế tạo nhờ công nghệ quang khắc công nghệ ăn mịn hóa học Tia laser có cường độ lớn, tính định hướng cao, kết hợp triệt để đơn sắc có nhiều ứng dụng kỹ thuật đời sống Chùm tia laser giữ vai trò quan trọng kỹ thuật đo lường xác, in, chụp, tạo ảnh Laser nguồn phát sóng quan trọng hệ thống thơng tin quang học Do có tính kết hợp cao mật độ lượng cao điều chế với tần số cao nên mang tín hiệu truyền sợi cáp quang với độ tin cậy cao Một sợi thủy tinh quang dẫn mảnh sợi tóc truyền đồng thời hàng trăm thông tin điện thoại Do có cường độ cực mạnh định hướng cao nên tia laser dùng “lưỡi dao nóng” cực sắc để gia cơng vật liệu, dùng làm dao mổ y học… HƯỚNG DẪN HỌC CHƯƠNG 10 VẬT LÝ CHẤT RẮN VÀ BÁN DẪN I MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU Nắm vận dụng lý thuyết vùng lượng để phân loại vật rắn tinh thể: kim loại, bán dẫn, điện môi Hiểu chế dẫn điện chất bán dẫn: bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n, bán dẫn p Ứng dụng chế tạo điốt Hiểu chế hoạt động máy phát laser, chức phận máy phát laser Cấu tạo laser bán dẫn II TĨM TẮT LÍ THUYẾT Vật rắn tinh thể có cấu trúc mạng tinh thể, đăc trưng chu kỳ d mạng Tại nút mạng có nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật rắn Có bốn loại liên kết: liên kết nguyên tử, liên kết ion, liên kết kim loại liên kết phân tử 242 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn Trong vật rắn tinh thể lượng electrơn có cấu trúc vùng lượng, có vùng phép vùng cấm Để hiểu lý dẫn đến hình thành vùng lượng ta theo hai cách: Cách thứ coi electron liên kết chặt chẽ với nguyên tử mẹ chúng nghiên cứu thay đổi trạng thái electron có số lượng lớn nguyên tử kết hợp lại với để tạo nên vật rắn tinh thể Cách tiếp cận gọi phép gần điện tử liên kết chặt Cách thứ hai coi electron liên kết yếu với nguyên tử mẹ chúng xét chuyển động chúng trường tuần hoàn ion mạng tinh thể sinh Cách tiếp cận gọi phép gần điện tử gần tự Với cách thứ hai ngưới ta giải phương trình Schrodinger electron chuyển động trường lực tuần hoàn mạng tinh thể Kết nhận lượng electron mạng tinh thể tách thành vùng: vùng cho phép vùng cấm Vùng cấm vùng khơng thể có giá trị lượng cho phép e Những giá trị phép nằm vùng cho phép Vùng cho phép vùng đầy vùng trống Tùy theo khoảng cách vùng cấm tính chất vùng cho phép người ta phân chia chất dẫn điện, chất bán dẫn chất điện mơi Tính dẫn điện chất bán dẫn tinh khiết, bán dẫn có pha tạp chất (bán dẫn n hay bán dẫn p) giải thích sở lý thuyết vùng lượng Chuyển tiếp p – n cấu tạo từ ghép nối hai miếng bán dẫn loại p loại n chất bán dẫn cho tiếp xúc với Chuyển tiếp p – n sử dụng để chế tạo điốt bán dẫn chỉnh lưu điôt laser Máy phát laser hoạt động nguyên tắc khuếch đại ánh sáng phát xạ cảm ứng Dưới tác dụng kích thích xạ điện từ, nguyên tử trạng thái kích thích E2 chuyển xuống mức lượng thấp E1 phát xạ có lượng hν = E2 − E1 Photon nguyên tử phát giống hệt photon xạ kích thích nguyên tử: lượng (tần số), hướng, pha, độ phân cực Quá trình trình phát xạ cảm ứng Để phát xạ cảm ứng thắng phát xạ tự phát ta phải có mơi trường trạng thái đảo mật độ hạt buồng cộng hưởng Fabry – Perot để tăng mật độ phổ xạ kích thích Máy phát laser gồm ba phận chính: mơi trường chất có trạng thái đảo mật độ hạt, bơm buồng cộng hưởng Fabry – Perot Laser bán dẫn sử dụng chuyển tiếp p – n Khi đặt vào chuyển tiếp p - n thiên áp thuận, electron lỗ trống phun vào vùng nghèo tạo nồng độ electron dư lớn vùng dẫn nồng độ lỗ trống dư lớn vùng hoá trị, tức tạo trạng thái đảo mật độ hạt Bức xạ cảm ứng thắng so với xạ tự phát thực nhờ buồng cộng hưởng Fabry – Perot cách chẻ tinh thể tạo nên hai gương phản xạ buồng cộng hưởng sử dụng cách tử Bragg Tia laser có cường độ lớn, tính định hướng cao, kết hợp triệt để đơn sắc có nhiều ứng dụng kỹ thuật đời sống III CÂU HỎI LÍ THUYẾT Phân biệt loại liên kết mạng tinh thể vật rắn Trình bày lí thuyết vùng lượng tạo thành vùng: vùng cho phép, vùng cấm, 243 Chương 10: Vật lý chất rắn bán dẫn vùng hóa trị vật rắn tinh thể Giải thích phân loại vật rắn thành chất dẫn điện (kim loại), bán dẫn chất cách điện (điện mơi) Trình bày khái niệm electron dẫn lỗ trống Trình bày bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n, bán dẫn p (cấu tạo, vùng lượng, hạt tải điện) Trình bày cấu tạo điốt bán dẫn đặc tính chỉnh lưu Phân biệt phát xạ tự phát phát xạ cảm ứng Định nghĩa trạng thái đảo mật độ hạt nguyên tử Ở trạng thái cân nhiệt có trạng thái đảo mật độ hạt không ? Để tạo trạng thái đảo mật độ hạt nguyên tử ta phải làm ? Phân tích chế khuếch đại cộng hưởng, từ đến hiệu ứng laser Nêu phận chức chúng máy phát laser 10 Trình bày nét laser bán dẫn GaAs 244