LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. NGUYỄN VĂN PHÚ đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lý, cán bộ phòng thí nghiệm quang phổ, đặc biệt là các anh chị cao học đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tôi hoàn thàn đề tài này. Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn bạn bè, gia đình đã giúp đỡ và động viên góp ý kiến cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn. M U Vt liu bỏn dn c bit n t rt lõu, nm 1874 Braun ó phỏt hin ra tớnh chnh lu ca tip xỳc kim loi vi tinh th sulfua kim loi mt loi tinh th bỏn dn. T ú n nay vt liu bỏn dn l i tng nghiờn cu c tp trung chỳ ý nhiu nht v ngy cng c ng dng rng rói. Ngi ta ó s dng cỏc vt liu bỏn dn trong cỏc thit b o c, trong cụng ngh sinh hc, trong y hc, trong cỏc ngnh cụng nghip. Ngy nay nghiờn cu vt liu khụng ch l nghiờn cu cu trỳc, cỏc tớnh cht, cụng ngh ch to, to hỡnh m cũn l nghiờn cu, xỏc nh nhng quy lut v mi quan h gia cỏc yu t ú tin ti thit k ch to ra nhng vt liu bỏn dn cú nhng c tớnh mong mun. Vt liu bỏn dn thc s ó lm mt cuc cỏch mng trong cụng nghip in t cng nh trong nhiu ngnh khoa hc, k thut v cụng nghip khỏc. Trong nhng thp niờn gn õy, nhng thnh tu v vt liu bỏn dn ó dn n s phỏt trin mt lnh vc rng ln ca nhng linh kin in t, vi in t, quang in t. Nhm gúp phn tỡm hiu v mt vt lý ca cht bỏn dn cng nh cỏc c trng ca mt linh kin bỏn dn c th, bằng bộ thí nghiệm Leyboyd - CHLB Đức, trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề Khảo sát các đặc trng của quang trở sunfua cadimi - CdS. Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn đợc chia làm hai chơng chính nh sau : Chng 1- Tng quan v cht bỏn dn. Ni dung chng ny trỡnh by cỏc khỏi nim, nhng c trng c bn v phõn loi vt liu bỏn dn. Chng 2- Kho sỏt thc nghim cỏc c trng ca quang tr sunfua cadimi. Chng ny trỡnh by cỏc kt qu thc nghim v cỏc c trng ca quang tr lm bng vt liu CdS. Vinh, thỏng 5, nm 2010 Sinh viờn thc hin 2 Hà Thị Tố Như 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN I. Một số tính chất của chất bán dẫn 1. Các khái niệm cơ bản a. Chất bán dẫn Bán dẫn là một nhóm vật liệu có tính dẫn điện nằm trung gian giữa kim loại và chất cách điện. b. Vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu ở những điều kiện nhất định nó trở thành dẫn điện, còn ở những điều kiện khác lại là cách điện Một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu bán dẫn là tính điều khiển được về nồng độ hạt tải dưới tác động của một số kích thích bên ngoài. 2. Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn Lý thuyết tính toán dựa trên hai mô hình gần đúng: “mô hình điện tử gần tự do” và “mô hình điện tử liên kết mạnh” đều đưa đến một kết quả là phổ năng lượng của điện tử trong tinh thể có dạng những vùng cho phép xen kẽ những vùng cấm. Bán dẫn là những chất có phổ năng lượng ở nhiệt độ thấp gồm các vùng cho phép điền đầy hoàn toàn bởi các electron và những vùng trống hoàn toàn. Vùng đầy hoàn toàn gọi là vùng hóa trị, mức năng lượng cao nhất của vùng hóa trị gọi là đỉnh vùng hóa trị, ký hiệu là E V . Vùng trống hoàn toàn gọi là vùng dẫn, mức năng lượng cao nhất của vùng dẫn gọi là đỉnh vùng dẫn, ký hiệu là E c giữa hai vùng này có một vùng cấm ngăn cách có bề rộng bằng ∆E g và ∆E g = E C – E V . đối với tinh thể bán dẫn người ta quan tâm đến sự phụ thuộc E  = ƒ( k  ) tại các điểm lân cận cực đại vùng hóa trị và cực tiểu vùng dẫn. Có thể xem gần đúng sự phụ thuộc E( k  ) có dạng: 4 Ở lân cận cực tiểu vùng dẫn: E( )k  = E C + * 22 2 n m k . Ở lân cận cực đại vùng hóa trị: E( )k  = E V + * 22 2 p m k . Trong đó * n m , * p m tương ứng là các khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống. Để nghiên cứu, mô tả cấu trúc năng lượng của tinh thể bán dẫn người ta dùng những đặc trưng sau: - Sự phụ thuộc E = ƒ( K  ) theo một số hướng nhất định. - Hình dạng các mặt đẳng năng lân cận các cực đại, cực tiểu và vị trí các cực đại, cực tiểu trong không gian k  . - Thành phần khối lượng hiệu dụng của điện tử, lỗ trống. - Bề rộng vùng cấm năng lượng ∆E g . 3. Các tính chất của vật liệu bán dẫn 3.1. Tính chất động của vật liệu bán dẫn 3.1.1. i n d n su t c a ch t bán d n ph thu c vàoĐ ệ ẫ ấ ủ ấ ẫ ụ ộ nhi t đệ ộ Điện dẫn suất trong VLBD tinh khiết tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ Hình 1.1 mô tả sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ electron trong bán dẫn. Khi nhiệt độ còn thấp, cùng với sự tăng nhiệt độ (tức là tăng năng lượng nhịệt) mật độ các electron sẽ tăng do sự ion hoá các donor (đoạn 1-2). Độ dốc của đoạn này đặc trưng cho năng lượng ion hóa của tạp chất. 5 Hình 1.1. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ electron trong bán dẫn Tiếp tục tăng nhiệt độ, nồng độ các electron tự do gần như không tăng nữa (đoạn 2-3) vì lúc này tất cả các tạp chất đã bị ion hoá, còn xác suất ion hoá bán dẫn riêng thì rất nhỏ. Hai đoạn 1-2 và 2-3 là sự dẫn điện của tạp chất của bán dẫn. Khi nhiệt độ đã tăng tương đối cao (đoạn sau điểm 3) nồng độ các hạt điện tích tự do sẽ tăng mạnh với nhiệt độ do sự vượt qua vùng cấm của các electron ở vùng hóa trị vào vùng dẫn 3.1.2. Sự mất cân bằng của hạt mang điện và cơ chế tái hợp Sự sinh ra lỗ trống và electron tự do có nghĩa là có một liên kết bị phá vỡ, từ đó electron được giải phóng trở thành tự do ở bên trong tinh thể. Trong quá trình chuyển động nó sẽ gặp một lỗ trống do electron khác để lại, điền vào lỗ trống, mối liên kết được thiết lập lại. Đó là hiện tượng tái hợp của electron và lỗ trống hay hiện tượng hủy cặp. Quá trình tái hợp có thể là quá trình có bức xạ, có thể là quá trình không có bức xạ. - Trong quá trình tái hợp có bức xạ, photon được phát ra. Có hai loại bức xạ: bức xạ tự phát (trong các LED) và bức xạ kích thích (trong các laser). - Electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau mà không có bức xạ, năng lượng phát ra thành nhiệt hoặc gây nên dao động tinh thể. Có hai loại tái hợp không có bức xạ: 6 + Quá trình không có bức xạ do sai lệch mang tinh thể. + Quá trình tái hợp Auger. 4. Tính chất quang của vật liệu bán dẫn Khi chùm tia sáng được chiếu vào mạng tinh thể của VLBD thì một phần năng lựợng ánh sáng sẽ bị hấp thụ. Tùy theo cấu trúc vùng năng lượng của từng loại vật liệu bán dẫn mà xảy ra các cơ chế hấp thụ khác nhau: - Hoặc làm cho electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn điện tạo ra cặp hạt dẫn. - Hoặc ion hoá các nguyên tử tạp chất, làm xuất hiện các loại hạt tương ứng. - Hoặc trao đổi năng lượng giữa các lượng tử ánh sáng (photon) với dao động nhiệt của mạng tinh thể (phonon). - Đối với VLBD cấu trúc vùng năng lượng có nhiều cực trị (GaAs), ánh sáng có thể làm electron nhảy từ đáy vùng năng lượng này lên đáy vùng năng lượng cao hơn. 4.1. Các đặc trưng quang của vật liệu bán dẫn Chiếu vào tinh thể bán dẫn chùm ánh sáng có bước sóng λ , có cường độ ban đầu I 0 (λ), đo cường độ ánh sáng phản xạ I R (λ), cường độ ánh sáng truyền qua mẫu I T (λ). Để đặc trưng cho các quá trình phản xạ và truyền qua của ánh sáng người ta dùng những hệ số quang sau đây: a. Hệ số phản xạ R( λ ): Được xác định bằng tỉ số cường độ ánh sáng phản xạ I R (λ) và cường độ ánh sáng ban đầu tới bề mặt tinh thể I 0 (λ): )( )( )( λ λ λ o R I I R = (1.1) b. Hệ số truyền qua T( λ ): Được xác định bằng tỷ số giữa cường độ ánh sáng truyền qua mẫu và cường độ ánh sáng tới: )( )( )( λ λ λ o T I I T = (1.2) 7 c. Hệ số hấp thụ α ( λ ) Được xác định từ định luật hấp thụ ánh sáng Buger-Lamber: I(x)=I o (1-R) exp (- α x) (1.3) )( )1( ln 1 )( x o I RI x − = λα (1.4) d. Hằng số điện môi Trong trường hợp trường tĩnh điện, hay trường điện từ có tần số nhỏ, D  = ε ε  = ε  +4 P  π (1.5) P  là véc tơ phân cực điện. Trong trường hợp trường điện từ có tần số cao )(t D  = )(t ε  + ''' )()( dttttf t ε  ∫ ∞− − (1.6) ƒ(t) là một hàm chỉ phụ thuộc tính chất vật liệu. e. Hệ thức Kramers – Kronig: Hệ thức tán sắc Kramers – Kronig biểu diễn mối quan hệ giữa phần thực và phần ảo của các đặc trưng quang học. Ví dụ đối với 1 ε và 2 ε ta có: )( 1 ωε = 1 + dx x xx ∫ ∞ − 0 22 2 )(.2 ω ε π (1.8) dx x x o ∫ ∞ − −= 22 1 2 )(2 )( ω ε π ω ωε (1.9) f. Chỉ số khúc xạ Chỉ số khúc xạ liên quan chặt chẽ tới hằng số điện môi trong công thức: 2 n = ε (1.10) Khi tính đến hiện tượng tán sắc, thì hằng số điện môi là một số phức nên là đại lượng phức )( ~ ωε . Vì vậy ta cũng đưa ra đại lượng n ~ , chỉ số khúc xạ phức nghĩa là: n ~ = 21 inn + (1.11) 1 n (phần thực của chỉ số khúc xạ phức) là chỉ số khúc xạ quen biết. 2 n (phần ảo của chỉ số khúc xạ phức) gọi là hệ số suy giảm 8 4.2 Các cơ chế hấp thụ ánh sáng Hệ số hấp thụ α có thể xem như là xác suất hấp thụ photon, nếu trong chất bán dẫn có một số cơ chế hấp thụ độc lập với nhau và mỗi cơ chế hấp thụ có thể được đặc trưng bởi một xác suất )( ωα i thì xác xuất tổng cộng của cả quá trình là: )()( ωαωα ∑ = i (1.15) 1. Hấp thụ cơ bản hay hấp thụ riêng 2. Hấp thụ do các điện tử tự do và lỗ trống tự 3. Hấp thụ do tạp chất 4. Hấp thụ do chuyển mức giữa các tap chất 5. Hấp thụ exiton liên quan đến sự hình thành hoặc phân hủy trạng thái kích thích được gọi là exiton 6. Hấp thụ plasma Hình 1.5. Sơ đồ chuyển mức điện tử khi hấp thụ ánh sáng Trong các quá trình chuyển mức theo cơ chế từ 1 đến 5 thường là quá trình hấp thụ tổ hợp trong đó có sự tham gia của điện tử, lỗ trống và phonon. Trên hình 1.5 trình bày sơ đồ 5 cơ chế hấp thụ từ 1 đến 5. 5. Hiệu ứng quang dẫn 5.1. Định nghĩa 9 Thực nghiệm cho thấy, khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào bán dẫn, các electron liên kết yếu với nút mạng tinh thể được giải phóng và trở thành các electron tự do. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang dẫn hay hiệu ứng quang điện trong. 5.2. Các đặc trưng cơ bản của hiệu ứng quang dẫn Sự thay đổi độ dẫn dưới tác động của ánh sáng do quang phát sinh nồng độ điện tử dư n δ và nồng độ lỗ trống dư p δ có thể biểu diễn bằng độ dẫn do chiếu sáng  σ ∆ :  σ ∆ = nnn e δµ + ppp e δµ (1.16) Độ dẫn sáng  σ là độ dẫn tổng cộng khi chiếu sáng, được xác định:  σ =  σσ ∆+ o = ppnn pene µµ + = )()( ppenne opponn δµδµ +++ (1.17) Trong đó o σ là độ dẫn tối do các hạt dẫn cân bằng trong trường hợp không chiếu sáng tạo nên: opponno pene µµσ += . Giả sử tốc độ phát sinh quang là G, trong điều kiện mức phun thấp, tái hợp là tuyến tính, nồng độ hạt dẫn dư ổn định là: nn G τδ . = ; pp G τδ . = Với n τ và p τ là thời gian sống của điện tử và lỗ trống. Tốc độ phát sinh quang được xác định bằng số cặp điện tử lỗ trống phát sinh trong một đơn vị thể tích, một đơn vị thời gian: G = αη o Φ (1 − R) Trong đó o Φ là cường độ ánh sáng chiếu lên một đơn vị diện tích mẫu, R - hệ số phản xạ, α - hệ số hấp thụ. η - hiệu suất lượng tử, bằng số cặp điện tử lỗ trống phát sinh khi một photon bị hấp thụ. Như vậy ta có: ppnn Re τµτµαησ +−Φ=∆ )1.( . 0 10