trờng đại học vinh khoa vật lý ***** khảo sát hiƯu øng quang ®iƯn víi quang trë Cds ln văn tốt nghiệp đại học chuyên ngành vật lý - chất rắn giáo viên hớng dẫn: Ths nguyễn văn phú sinh viên thực hiện: trần thị tâm lớp : 42E vật lý Vinh, tháng năm 2006 mở đầu Hiện tợng quang dẫn hiệu ứng tăng độ dẫn  chÊt dÉn hÊp thơ ¸nh s¸ng Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, điện tử linh động hấp thụ lợng ánh sáng nhảy lên vùng dẫn qua vùng cấm, để lại vùng hoá trị lỗ trống Do số hạt tải tinh thể tăng lên, kết độ dẫn tăng theo Các tợng quang dẫn chất nh ứng dụng đà đợc nghiên cứu đa vào ứng dụng từ lâu Tuy nhiên chơng trình học, tợng quang dẫn chất cha đợc đề cập cách có hệ thống với thời lợng thỏa đáng mặt lý thuyết cịng nh thùc nghiƯm ChÝnh v× vËy, cïng víi giúp đỡ thầy giáo Th.s Nguyễn Văn Phú đà mạnh dạn đặt vấn đề Khảo sát hiệu ứng quang điện với quang trở CdS thí nghiệm Leyboyd - CHLB Đức Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn đợc chia làm hai chơng nh sau : Chơng 1- Hiện tuợng quang dẫn chất bán dẫn Nội dung chơng trình bày khái niệm, sở đặc trng phân loại chất bán dẫn Trình bày hiệu ứng quang điện hiệu ứng quang điện Chơng 2- Khảo sát hiệu ứng quang điện với quang trở CdS Trong chơng trình bày kết thí nghiệm hiệu ứng quang điện với quang trở CdS Vinh, tháng năm 2006 Sinh viên thực Trần Thị Thanh Tâm mục lục Nội dung Mở đầu Chơng I: Hiện tợng quang dẫn chất bán dẫn Một số tính chất điện - quang cđa chÊt b¸n dÉn 1.1 Kh¸i niƯm 1.2 VËt liƯu dẫn điện độ dẫn điện 1.3 Khái quát cấu trúc vùng lợng 1.3.1 Mạng tinh thể tuần hoàn 1.3.2 Véc tơ sở ô mạng đảo 1.3.3 Khái niệm cấu trúc vùng lợng chất bán dẫn 1.3.4 Thế động hạt tải vùng lợng 1.4 Hàm Fermi - Dirac Phân loại 2.1 Bán dẫn 2.2 Bán dẫn loại n nguyên tử donor 2.3 Bán dẫn loại p nguyên tử Acceptor 2.4 Bán dẫn bù trừ 2.5 B¸n dÉn suy biÕn 2 2 4 6 9 11 12 13 13 15 17 19 21 23 25 26 27 Đặc điểm vật liệu bán dẫn quang Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện 5.1 Quang dẫn riêng quang dẫn tạp chất 5.2 Thời gian sống hạt tải d 5.3 Exiton 5.4 Kết luận Chơng II: Khảo sát thực nghiệm hiƯu øng quang ®iƯn víi quang trë CdS NhiƯm vơ chÝnh ThiÕtbÞ, dơng thÝ nghiƯm Sơ đồ bố trí thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm kết luận tài liệu tham khảo 27 27 28 29 39 40 chơng i tợng quang dẫn chất bán dẫn Một số tính chất điện - quang cđa vËt liƯu b¸n dÉn 1.1 Kh¸i niƯm ChÊt bán dẫn chất có điện trở suất lớn kim loại nhỏ chất điện môi + Kim loại có điện trở suất bé, cỡ 10-6 10-4 .m nhiệt độ phòng + Điện môi có điện trở suất cỡ 10-10 10-8 .m + Giữa kim loại điện môi chất có điện trở suất từ 10-3 10-9 .m chất bán dẫn + Bán dẫn đơn chÊt nh: Ge, Si, Se, hay hỵp chÊt: InSb, GaAs, CH2O + Bán dẫn tinh thể có cấu trúc tuần hoàn chia tinh thể thành ô nguyên tố nh Ví dụ: Mạng Silic có dạng tứ diện gọi mạng kim cơng Mạng kim cơng đặc trng cho nguyên tố thuộc nhóm IV, sở mạng tứ diện mà nguyên tử Si nằm bốn đỉnh tâm, chúng cách Mỗi nguyên tử đỉnh lại nằm tâm tứ diện khác Tập hợp tứ diện tạo thành ô nguyên tố hình lập phơng có cạnh xấp xỉ 5,5 A0 1.2 Vật liệu bán dẫn độ dẫn điện Tất dụng cụ bán dẫn, bán dẫn quang điện trở nh vi mạch đợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn loại vật liệu điều kiện định trở thành dẫn điện, điều kiện khác lại cách điện Đặc điểm bật vật liệu bán dẫn điện trở suất giảm nhiệt độ tăng Mỗi loại vật liệu bán dẫn có khoảng nhiệt độ giới hạn, linh kiện làm nên vật liệu bán dẫn hoạt động dÃy nhiệt độ Điện trở suất bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất sai hỏng mạng tinh thể bán dẫn Nh vậy, đặc tính quan trọng vật liệu bán dẫn tính điều khiển đợc nồng độ hạt tải dới tác động số kích thích bên Dựa sở đó, linh kiện bán dẫn, linh kiện bán dẫn quang điện tử đợc chế tạo có tính điều khiển đợc dòng điện * Về độ dẫn điện: Vật liệu bán dẫn đơn chất hay hợp chất cđa hai hay nhiỊu nguyªn tè ( Si, Ge, GaAs, GaP ) chúng có độ dẫn điện nằm khoảng = 10-8 10-4 [.m]-1, độ dẫn điện vật liệu cách điện ( thạch anh, kim cơng) nằm kho¶ng  = 10 -18  10-8 [.m] -1 Vật liệu dẫn điện kim loại ( Cu, Al, Fe, Ni …) cã ®é dÉn ®iƯn lín nhÊt = 104 108 [.m] -1 Tinh thể bán dẫn bao gồm nhiều nguyên tử xếp theo quy luật định Lực liên kết tơng hỗ khiến nguyên tử có vị trí xác định tinh thể Để nghiên cứu mô hình vùng lợng tinh thể bán dẫn, cần biết mô hình cấu tạo nguyên tử Nếu xét nguyên tử đứng cô lập, mô hình coi nh gồm hạt nhân tích điện dơng nằm bao quanh điện tử Số điện tích dơng hạt nhân số điện tử bao bọc quanh hạt nhân, nguyên tử trung hoà điện Những điện tử nằm xung quanh hạt nhân chiếm trạng thái lợng định Những điện tử nằm có tơng tác yếu với hạt nhân nhất, chúng có vai trò định tới đặc tính hoá học, điện học nguyên tử Những điện tử đ ợc gọi điện tử hoá trị Theo học lợng tử, vị trí điện tử xác định bốn số lợng tử sau: Số lợng tử ( n ) lấy giá trị:1, 2, 3, , n Hoặc có dùng chữ tơng ứng: K, L, M, N, Số lợng tử quỹ đạo ( l ) lấy giá trị: 0, 1, 2, , ( n-1) Hoặc dùng ký hiệu: s, p, d, f… Sè lỵng tư tõ ( m ) lấy giá trị: 0, 1, 2, l Số lợng tử Spin ( S ) lấy giá trị: Theo nguyên lý Pauli nguyên tử có hai điện tử có bốn số lợng tử giống Với khái niệm số lợng tử nguyên lý Pauli, học lợng tử đà giải thích đợc tồn mức lợng phân bố điện tử nguyên tử Một kết quan trọng việc ứng dụng học lợng tử đà mô tả điện tử chất bán dẫn, chất rắn có mức lợng cho phép tạo thành vùng lợng Các vùng mà lợng điện tử chất rắn không đợc phép nằm gọi vùng cấm Các lớp điện tử lớp vỏ cùng, điện tử hoá trị có trạng thái lợng thấp chúng Vùng tạo trạng thái gọi vùng hoá trị 1.3 Khái quát cấu trúc vùng lợng 1.3.1 Mạng tinh thể tuần hoàn Chúng ta đà biết, tinh thể bán dẫn tinh thể có cấu trúc mà nguyên tử đợc xếp khối sở có tính tuần hoàn lặp l¹i gièng theo ba chiỊu Nh vËy tinh thĨ đợc cấu tạo khối giống nhau, khối có hay nhóm nguyên tử Trong tinh thể tự nhiên đối xứng tinh thể đặc điểm mang tính chất Để hiểu xác định tính chất tinh thể tuần hoàn cần hiểu rõ khái niệm mạng tinh thể ô sở Mạng tạo nên loạt điểm không gian, mạng có cấu trúc tuần hoàn gọi mạng tinh thể Một khối cấu thành từ nguyên tử đợc gọi ô sở có liên quan mật thiết tới điểm mạng tinh thể tạo nên cấu trúc tinh thể 1.3.2 Véc tơ sở ô mạng đảo Ô sở mạng tinh thể ô tích nhỏ đại diện cho toàn mạng tinh thể Cạnh ô sở số mạng Có ba véc tơ sở gốc a1, a2, a3 mô tả tinh thể rắn cho cấu trúc tinh thể đợc giữ không thay đổi có biến đổi qua véc tơ nào, mà véc tơ tổng số lần véc tơ sở Về mặt toán học khái quát nh sau: có loại véc tơ sở a1, a2, a3 cho điểm mạng có khả nhận đợc từ điểm R khác mạng phép tịnh tiến: R = m1a1+ m2a2+ m3a3 (1) Trong ®ã m1, m2, m3 số nguyên Cách mô tả cách mô tả áp dụng cho mạng tinh thể trực tiếp Phần lớn bán dẫn quan trọng có cấu trúc mạng kim cơng giả kẽm, mạng có ô mạng tứ diện, nghĩa nguyên tử đợc bao quanh bốn nguyên tử gần tơng ứng Những nguyên tử nằm góc tứ diện Một mạng nh gọi mạng Brawai Nh vậy, mạng bao gồm khối ô sở giống nhau, đỉnh khối ô điểm không gian gọi nút mạng, chúng tạo nên cấu trúc tinh thể ( véc tơ a 1, a2, a3 đợc gọi véc tơ sở ) Trong thực tế thuận tiện giải toán biểu diễn số toán, toán vùng lợng ngời ta đa vào khái niệm mạng đảo sử dụng mạng đảo tính toán Nó đợc định nghĩa thông qua đại lợng G đợc xác định theo công thức: * * * G = n1 a1 + n2 a2 + n3 a3 n1, n2, n3 số nguyên Trong đó: a1* , a2* , a3* véc tơ sở mạng đảo Với véc tơ sở đà cho, véc tơ sở mạng đảo đợc viết nh sau: a1* =2 Sao cho: a a3 [ a1 a ]a3 , a2* = 2 a a3 [ a1 a ]a3 , a3* a a3 = 2 [a a ]a a1* x a2* = G x R = 2x Số nguyên lần Thể tích ô sở mạng đảo nghịch đảo thể tích ô sở mạng trực tiÕp: Vc = [a1 x a2] x a Vc* = VC 1.3.3 Khái niệm cấu trúc vùng lợng chất bán dẫn Cấu trúc vùng lợng chất rắn tinh thể mối quan hệ lợng động lợng, mặt toán học cã thĨ biĨu diƠn b»ng mèi liªn hƯ ( E - k ) Cấu trúc vùng lợng thờng nhận đợc giải phơng trình Schrodinger cho toán gần điện tử Tiên đề Bloch, tiên đề quan trọng làm sở cho cấu trúc vùng lợng khẳng định lợng V(r) có tính chu kỳ theo tuần hoàn mạng tinh thể lời giải K(r) phơng trình ( S ) có dạng: [- 2 2m 2 + V(r)] = EKK(r) (2) K(r) = eJkr.Un(k,r) (3) Trong đó: Un(k,r) có tính tuần hoàn theo không gian r với tuần hoàn mạng tinh thể n: Ký hiệu dải vùng lợng thứ n Từ tiên đề Bloch ngời ta đà lợng EK tuần hoàn mạng đảo, nghĩa là: Ek =Ek+G (4) Đối với vùng lợng xác định, nghĩa với n xác định, để ký hiệu lợng độc nhất, có cách biểu diễn thuận lợi, sử dụng đại lợng k ô sở mạng đảo để biểu diễn Giá trị k xác định theo biểu thức: k = (5) 1.3.4 Thế động hạt tải vùng lợng Giản đồ vùng lợng đợc vẽ minh hoạ hình vẽ ( 1.3 ) biểu thị độ lớn lợng điện tử lỗ trống Khi lợng điện tử tăng lên, chiếm vị trí cao giản đồ vùng lợng Khi nói lợng lỗ trống tăng lên điều có nghĩa lợng điện tử khác vùng hoá trị tăng lên Nh số điện tử chiếm vị trí cao giản đồ vùng lợng Vùng dẫn Năng lợng điện tử EC EV Eg Năng lợng lỗ trống Vùng hoá trị Hình 1.3 Sơ đồ minh họa lợng điện tử lỗ trống giản đồ lợng Do vậy, vùng hoá trị tăng lợng lỗ trống đợc biểu diễn chuyển động lỗ trống xuống phía dới Mức thấp vùng dẫn ứng với lợng điện tử đứng yên Năng lợng điện tử đứng yên điện tử Mức lợng đáy vùng dẫn EC tơng ứng với điện tử Tơng tự mức lợng đỉnh vùng hoá trị EV ứng với lỗ trống Nếu điện tử mức lợng cao EC điện tử lỗ trống mà có động hiệu lợng chúng lợng ứng với mép vùng tơng ứng 1.4 Hàm Fermi - Dirac Phân bố lợng điện tử chất rắn tuân theo quy luật thống kê Fermi Dirac Phân bố Fermi - Dirac cho biết xác suất mà trạng thái điện tử có lợng E bị chiếm điện tử Hàm chứa thông số EF, đợc gọi mức Fermi Định nghĩa chặt chẽ mức Fermi hoá học điện tử chất rắn Khái niệm mức lợng Fermi có ý nghĩa quan trọng đặc biệt lý thuyết bán dẫn Đặc tính dẫn điện bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nồng độ tích điện bán dẫn Theo lý thuyết thống kê Fermi - Dirac, xác suất điện tử bán dẫn chiếm chỗ mức lợng E sÏ lµ:  E  EF F(E) =  exp  k BT    (1.4.1) Trong đó: kB - Là số Boltzman T - Nhiệt độ tuyệt đối EF - Là mức lợng Fermi Từ phơng trình (1.4.1) ta thấy mức lợng Fermi mức lợng xác suất điện tử chiếm chỗ Nếu xét phân bố điện tử độ không tuyệt đối ( T = 0K ), mức lợng E < EF bị chiếm đầy hoàn toàn, mức lớn E > EF bị bỏ trống hoàn toàn Tại nhiệt độ nhiệt độ không tuyệt đối ( T > 0K ), xác suất chiếm chỗ điện tử giảm dần từ mức lợng thấp đến mức lợng cao Giả thiết bán dẫn xÐt cã møc Fermi nÕu n»m gÇn phÝa vïng dÉn nhng cách đáy vùng khoảng lớn 2kBT E T>0 T=0 F(E) 0.5 Hình 1.4 Minh họa hàm phân bố Fermi Dirac phụ thuộc vào nhiệt độ Những bán dẫn mà mức Fermi dịch lên phía đáy vùng dẫn dịch xuống phía đỉnh vùng hoá trị nhng cách chúng khoảng lớn 2kBT gọi bán dẫn không suy biến Khi xác suất chiếm mức lợng điện tử lỗ trống viết gần nh hai phơng trình sau: F(E) = exp( E  EF k BT ) (1.4.2) NÕu F(E) lµ xác suất điện tử chiếm mức lợng E xác suất để lỗ trống chiếm mức lợng lµ [1 – F(E) ] [1- F(E)] = exp(  E  EF k BT ) (1.4.3) Khi pha t¹p chất với loại dẫn khác ( loại n, p ) với nồng độ khác mức Fermi thay đổi khác Trong bán dẫn thuần, số trạng thái lợng vùng dẫn vùng hoá trị số điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hoá trị mức Fermi phải nằm vùng cấm Tuy nhiên, thực tế mức Fermi nằm gần vùng cấm, mức gọi mức Fermi đợc ký hiệu Ei Trong bán dẫn loại n, nồng độ điện tử vùng dẫn lớn so với trờng hợp bán dẫn Tuy nhiên, mật độ trạng thái lợng vùng dẫn giống nh trờng hợp thuần, mức Fermi bán dẫn loại n với toàn phân bố Fermi - Dirac dịch lên phía Ngợc lại, bán dẫn loại p lại bị dịch xuống phía dới Phân loại Ngời ta phân chất bán dẫn thành loại: Bán dẫn thuần, bán dẫn loại n, bán dẫn loại p, bán dẫn bù trừ bán dẫn suy biến 2.1 Bán dẫn a) Định nghĩa: Là chất bán dẫn mà nút mạng tinh thể có nguyên tử loại nguyên tè.VD: Ge, Si, Se… XÐt cÊu tróc cđa nguyªn tư Ge biĨu diƠn kh«ng gian chiỊu Ge Ge +4 44 44 44 44 44 +4 +4 Ge Ge +4 +4 Ge Ge Ge +4 Ge Ge +4 CÊu tróc +4cđa tinh thĨ+4Ge H×nh 2.1.1 Gecmani cã tỉng số 32 điện tử bên cấu trúc nguyên tử nó, Si có 14 điện tử Chúng nguyên tử thuộc nhóm IV chúng có hoá trị 4, nh chúng có điện tử hoá trị lớp Trong mạng tinh thể nguyên tử Ge góp điện tử liên kết cộng hoá trị với điện tử hoá trị nguyên tử kế cận cho nguyên tử có hoá trị Hạt nhân bên nguyên tử Ge mang điện tích +4 Lực liên kết nguyên tử kế cận đợc hình thành nguyên tử Ge góp chung điện tử hoá trị vào liên kết với nguyên tử lân cận gần Nh điện tử hoá trị bên liên kết cộng hoá trị nguyên tử với nguyên tử bên cạnh nguyên nhân mà điện tử hoá trị liên kết chặt chẽ với hạt nhân Do đó, có sẵn điện tử hoá trị nhng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp K, vùng hoá trị bị chiếm hoàn toàn, vùng dẫn vùng hoá trị bị rỗng Khoảng Eg trống, 00K cấu trúc lý tởng gần tinh thể bán dẫn nh chất cách điện không dẫn điện Khi tăng nhiệt độ, số điện tử vùng hoá trị đ ợc kích thích nhiệt, thu lợng đủ để vợt qua vùng cấm, chuyển lên vùng dẫn Vùng dẫn ( hình 2.1.2b ) Kết vùng dẫn xuất điện tử tự do, để lại vùng hoá trị mức lợng lỗ trống mà điện tử vùng chuyển lên Lúc này, đặt vào tinh thể điện trờng xuất Eg b a 10 ... dẫn quang Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện 5.1 Quang dẫn riêng quang dẫn tạp chất 5.2 Thời gian sống hạt tải d 5.3 Exiton 5.4 Kết luận Chơng II: Khảo sát thực nghiệm hiệu ứng quang điện. .. điện trở quang điện trở vào hiệu điện đặt vào hai cực điện Khi rọi ánh sáng vào chất bán dẫn, độ dẫn điện quang trở tăng lên, dòng quang điện mạch tăng 19 với tăng quang thông rọi vào tỉ lệ với. .. với hiệu điện hai cực Khác với tế bào quang điện chân không, quang điện trở dòng bÃo hoà Độ nhạy quang điện trở hàng nghìn lần, lớn độ nhạy tế bào quang điện chân không Đặc trng tợng quang dẫn hiệu