Hạt tải dư trong bán dẫn
Mục lục & phân công
Hấp thụ quang & Phát quang
§4.1–4.2Photon tạo cặp electron–lỗ trống · định luật hấp thụ · các dạng phát quang
Tái hợp & Thời gian sống
§4.3.1–4.3.3Tái hợp trực tiếp / gián tiếp · phun mức thấp · thời gian sống τ · trạng thái dừng
Quasi-Fermi, Quang dẫn & Khuếch tán
§4.3.3–4.4.2Mức quasi-Fermi Fn, Fp · quang dẫn · khuếch tán · dòng trôi + khuếch tán
Điện trường nội & Phương trình liên tục
§4.4.2–4.4.6Hệ thức Einstein · phương trình liên tục · độ dài khuếch tán · Haynes–Shockley
Vì sao phải học về hạt tải dư?
Hầu hết linh kiện bán dẫn hoạt động nhờ hạt tải dư — lượng electron và lỗ trống vượt quá mức cân bằng nhiệt.
Kích thích quang (optical excitation)
Ánh sáng tạo ra cặp electron – lỗ trống
Phân cực thuận p–n (forward bias)
Dòng điện “bơm” hạt tải qua tiếp giáp
Hành trình của một hạt tải dư
Ánh sáng tạo hạt tải
Tái hợp sau thời gian τ
Quasi-Fermi & khuếch tán
Phương trình liên tục
Hấp thụ quang
& Phát quang
- Photon & vùng cấm
- Định luật hấp thụ
- Phổ vùng cấm
- Các dạng phát quang
Điều gì xảy ra khi chiếu sáng?
Photon nào bị hấp thụ? (optical absorption)
Photon đi xuyên qua → vật liệu trong suốt
Tạo cặp electron – lỗ trống ở sát biên vùng
Electron “nóng” – phần dư hν − Eg mất thành nhiệt
Sau khi hấp thụ: 3 giai đoạn
- Hấp thụ photon → tạo một cặp electron – lỗ trống (EHP)
- Electron va chạm (scattering), nhường năng lượng thừa cho mạng tinh thể (lattice) → rơi về đáy vùng dẫn
- Electron tái hợp với lỗ trống → có thể phát photon h\nu \approx E_g (phát quang)
Ánh sáng yếu dần khi đi vào vật liệu
Mỗi lớp mỏng dx hấp thụ cùng một tỉ lệ ánh sáng đi tới nó
Đơn vị cm⁻¹. α càng lớn, ánh sáng bị hấp thụ càng gần bề mặt.
α phụ thuộc mạnh vào bước sóng
- Bước sóng dài, h\nu < E_g: α ≈ 0 → ánh sáng đi xuyên qua
- Vượt ngưỡng \lambda_c = 1.24/E_g: α tăng rất nhanh
- 1/\alpha ≈ độ sâu ánh sáng đi vào: ánh sáng xanh bị hấp thụ sát bề mặt, ánh sáng đỏ đi sâu hơn
Mỗi vật liệu “nhìn thấy” một vùng phổ khác nhau
Hấp thụ toàn bộ ánh sáng nhìn thấy → pin mặt trời, cảm biến ảnh
Chỉ hấp thụ tia tử ngoại (UV) → trong suốt với mắt người
Phát quang (luminescence): ánh sáng từ tái hợp
Hạt tải bị kích thích quay về trạng thái cân bằng → giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng. Gọi tên theo cách kích thích:
Quang phát quang (photoluminescence)
Ví dụ: lớp phosphor trong đèn huỳnh quang, đo phổ vật liệu
Cathodoluminescence
Ví dụ: màn hình CRT, kính hiển vi điện tử (CL)
Điện phát quang (electroluminescence)
Ví dụ: LED – dòng điện bơm hạt tải tới vùng tái hợp
Huỳnh quang hay lân quang?
Ví dụ: mẫu GaAs dưới ánh sáng 2 eV
- Công suất ánh sáng bị mẫu hấp thụ?
- Công suất electron nhường cho mạng tinh thể dưới dạng nhiệt?
- Số photon phát ra mỗi giây do tái hợp (hiệu suất lượng tử 100%)?
Lời giải
photon phát ra mỗi giây, mỗi photon mang ≈ 1.43 eV
Thử trả lời nhé!
Những điều cần nhớ
Photon có hν ≥ Eg tạo cặp electron – lỗ trống; phần dư hν − Eg thành nhiệt.
Cường độ giảm theo hàm mũ; α phụ thuộc vật liệu và bước sóng.
Tái hợp phát sáng = phát quang: quang / cathodo / điện phát quang; huỳnh quang tắt nhanh, lân quang kéo dài.
Tái hợp &
Thời gian sống
- Cân bằng sinh – tái hợp
- Phun mức thấp & τ
- Tái hợp gián tiếp, bẫy
- Trạng thái dừng
Cân bằng nhiệt: sinh = tái hợp
- g_i: tốc độ sinh nhiệt (thermal generation rate)
- r_i: tốc độ tái hợp (recombination rate)
- \alpha_r: hệ số tái hợp (recombination coefficient)
Vùng cấm thẳng hay xiên quyết định cách tái hợp
Vùng cấm thẳng (direct)
GaAsĐáy vùng dẫn nằm ngay trên đỉnh vùng hóa trị → electron rơi thẳng xuống, phát photon.
Vùng cấm xiên (indirect)
Si, GeĐáy vùng dẫn lệch k → cần thêm phonon (dao động mạng) đổi động lượng → tái hợp trực tiếp rất khó.
Chiếu một xung sáng tại t = 0 rồi tắt
Sinh nhiệt: hằng số ở nhiệt độ T cho trước
Tái hợp: thay đổi theo n(t), p(t)
Mẫu Si loại p: electron là hạt tải thiểu số (minority carriers)
Thay n = n_0 + \delta n, p = p_0 + \delta p
Phun mức thấp (low-level injection)
Lượng hạt tải dư rất nhỏ so với hạt tải đa số: \delta n,\ \delta p \ll n_0 + p_0
Ví dụ: Si loại p, p_0 = 10^{17}\ \text{cm}^{-3}, chiếu sáng tạo \delta = 10^{14}\ \text{cm}^{-3}
Bỏ \delta n^2; với loại p thì p_0 \gg n_0:
Hạt tải dư suy giảm theo hàm mũ
Với mẫu loại p: \tau_n \approx 1/(\alpha_r p_0) – thời gian sống của hạt tải thiểu số (minority carrier lifetime).
Đọc đồ thị suy giảm trên thang log
- Hạt tải đa số p(t): gần như không đổi (10¹⁵ → 1.1×10¹⁵)
- Hạt tải thiểu số n(t): là đường thẳng trên thang log ⇒ hàm mũ \ln\delta n = \ln\Delta n - t/\tau
- Độ dốc cho τ: từ 10¹⁴ xuống 10¹² mất ≈ 46 ns ⇒ \tau = \tfrac{46}{\ln 100} \approx 10\ \text{ns}
Tái hợp gián tiếp qua tâm tái hợp
- Tâm đang chứa electron bắt một lỗ trống (hole capture)
- Tâm trống bắt một electron từ vùng dẫn (electron capture)
Tâm tái hợp: tạp chất hoặc khuyết tật tạo mức năng lượng sâu E_r trong vùng cấm (ví dụ Au trong Si).
Bẫy (trapping): bắt giữ rồi thả ra
Chiếu sáng liên tục: trạng thái dừng (steady state)
Ánh sáng liên tục tạo hạt tải với tốc độ gop (optical generation rate), cộng thêm vào sinh nhiệt.
Kết quả: \delta n = g_{\mathrm{op}}\,\tau_n
τ càng dài → hạt tải dư “sống lâu” → tích lũy càng nhiều.
g_{\mathrm{op}} = 10^{21}\ \text{EHP/cm}^3\text{s}, \tau = 1\ \mu\text{s}
Thử tính nhẩm!
Những điều cần nhớ
Cân bằng: sinh = tái hợp; tốc độ tái hợp ∝ n·p.
Phun mức thấp: suy giảm hàm mũ với thời gian sống τ.
Si, Ge: tái hợp qua tâm tái hợp (mức sâu); mức nông là bẫy, làm suy giảm chậm lại.
Chiếu sáng liên tục ⇒ trạng thái dừng.
Quasi-Fermi
& Khuếch tán
- Mức quasi-Fermi Fn, Fp
- Quang dẫn
- Chuyển động nhiệt & khuếch tán
- Dòng trôi + khuếch tán
Mức Fermi chỉ có nghĩa khi cân bằng
Cân bằng nhiệt – một mức E_F cho cả hai:
Chiếu sáng – cả n và p cùng tăng:
Hai mức quasi-Fermi: Fn và Fp
F_n - F_p: thước đo độ lệch khỏi cân bằng (= 0 khi cân bằng)
Mức năng lượng dùng để biểu diễn nồng độ hạt tải trong bán dẫn khi không cân bằng.
Phun mức thấp và phun mức cao
Phun mức thấp
n p > n_i^2- Đa số: n \approx n_0 \Rightarrow F_n \approx E_F
- Thiểu số: p = n_i e^{(E_i - F_p)/kT} \gg p_0
Phun mức cao
n p \gg n_i^2- Cả đa số cũng tăng đáng kể: n > n_0
- Cả F_n và F_p đều dịch xa
Ví dụ: tính khoảng tách F_n - F_p
Kết quả & giản đồ năng lượng
Quang dẫn: ánh sáng làm tăng độ dẫn điện
Độ dẫn điện (conductivity):
Chiếu sáng → n, p tăng → σ tăng → dòng điện tăng.
Chuyển động nhiệt: rất nhanh nhưng không đi đâu cả
Do năng lượng nhiệt, electron và lỗ trống luôn chuyển động hỗn loạn, liên tục tán xạ (scattering).
≈ 100 km/s!
Hai cơ chế tạo ra dòng điện
Trôi (drift)
Do điện trường ℰ. Lỗ trống trôi theo chiều ℰ, electron ngược chiều.
Đặc trưng: độ linh động μ (mobility) – bị giới hạn bởi va chạm với nguyên tử mạng và ion tạp chất.
Khuếch tán (diffusion)
Do chênh lệch nồng độ (concentration gradient). Hạt tải đi từ nơi đông sang nơi thưa.
Đặc trưng: hệ số khuếch tán D (diffusion coefficient).
Một xung hạt tải lan rộng theo thời gian
Khuếch tán xuất hiện ở đâu?
Chiếu sáng lên bề mặt
Hạt tải sinh ra gần bề mặt rồi khuếch tán vào sâu bên trong.
Ghép bán dẫn loại n với loại p
Electron từ phía n (đông) khuếch tán sang phía p (thưa) — cơ sở của tiếp giáp p–n.
Thông lượng tỉ lệ với độ dốc nồng độ
D = \bar l^{\,2}/2\bar t, với \bar l là quãng đường tự do trung bình, \bar t là thời gian tự do trung bình giữa hai va chạm.
Từ dòng hạt đến dòng điện khuếch tán
Mật độ dòng = điện tích × thông lượng
Dòng tổng = trôi + khuếch tán
Khi có cả điện trường ℰ lẫn gradient nồng độ:
Chiều của dòng hạt và dòng điện
Hạt tải thiểu số: khuếch tán mới là chính
Đa số n(x)
nồng độ lớn · dốc nhỏDòng trôi lớn (∝ n), dòng khuếch tán nhỏ
Thiểu số p(x)
nồng độ nhỏ · dốc lớnDòng trôi rất nhỏ (∝ p), nhưng dòng khuếch tán đáng kể (∝ dp/dx)
Đừng để bị lừa!
Những điều cần nhớ
Không cân bằng: dùng Fn, Fp; thiểu số dịch xa, đa số gần như đứng yên.
Quang dẫn: ánh sáng tăng độ dẫn điện.
Khuếch tán: từ cao → thấp.
Dòng tổng = trôi (∝ nồng độ) + khuếch tán (∝ độ dốc). Thiểu số: khuếch tán là chính.
Điện trường nội &
Phương trình liên tục
- Điện trường nội
- Hệ thức Einstein
- Phương trình liên tục
- Độ dài khuếch tán
Pha tạp không đều tự sinh ra điện trường (built-in field)
- Electron khuếch tán từ n⁺ (đông) sang n (thưa)
- Để lại ion donor + cố định → sinh điện trường nội ℰ
- ℰ kéo electron trôi ngược lại → hai dòng cân bằng
Giản đồ năng lượng: các vùng nghiêng, EF nằm ngang
Thế năng electron E = -qV ⇒ độ dốc của vùng năng lượng chính là điện trường.
Electron trôi về phía năng lượng thấp (ngược ℰ), lỗ trống ngược lại (theo ℰ).
Suy ra hệ thức Einstein (Einstein relation)
Giản ước q\,n\,\E ở hai vế.
Trôi và khuếch tán không độc lập
Si, N_d = 10^{14}\ \text{cm}^{-3}, nhiệt độ phòng: \mu_n = 1358\ \text{cm}^2/\text{V}\cdot\text{s}
| Dncm²/s | Dpcm²/s | μncm²/V·s | μpcm²/V·s | |
|---|---|---|---|---|
| Ge | 100 | 50 | 3900 | 1900 |
| Si | 35 | 12.5 | 1350 | 480 |
| GaAs | 220 | 10 | 8500 | 400 |
Kiểm tra: 0.0259 × 1350 ≈ 35 ✓ 0.0259 × 480 ≈ 12.4 ✓
Đếm lỗ trống trong một lát mỏng \Delta x
Viết thành phương trình
Cho \Delta x \to 0:
Tương tự cho electron (điện tích âm → đổi dấu):
Khi dòng chỉ do khuếch tán
Hạt tải thiểu số: nồng độ nhỏ → bỏ qua dòng trôi, chỉ còn khuếch tán:
Hạt tải dư vừa khuếch tán (số hạng D\,\partial^2/\partial x^2) vừa tái hợp (số hạng -\delta/\tau).
Phun hạt tải dừng → độ dài khuếch tán
Phun hạt tải dừng (steady-state injection): không tích tụ, \partial\,\delta p/\partial t = 0
Quãng đường trung bình hạt tải thiểu số khuếch tán vào “biển” hạt tải đa số trước khi bị tái hợp.
Giải phương trình với điều kiện biên
Mô phỏng: chiếu sáng liên tục một đầu thanh bán dẫn
Mỗi lỗ trống đi ngẫu nhiên rồi tái hợp (chớp sáng). Trung bình lại ra đúng đường hàm mũ.
Dòng khuếch tán tại x tỉ lệ với δp(x)
Suy giảm theo thời gian và theo không gian
Thí nghiệm Haynes–Shockley: đo \mu_p và D_p
Đỉnh xung chạy với v_d = \mu_p\E_0
Xung loe rộng theo thời gian
Diện tích xung giảm dần
Dòng điện = độ dốc của mức quasi-Fermi
Có được bằng cách thay n = n_i e^{(F_n-E_i)/kT} và hệ thức Einstein vào dòng trôi + khuếch tán.
Ước lượng nhanh
Những điều cần nhớ
Pha tạp không đều ⇒ điện trường nội; E_F phẳng ở cân bằng.
Hệ thức Einstein: trôi và khuếch tán liên hệ chặt chẽ.
Phương trình liên tục = bảo toàn hạt tải.
Phun dừng: suy giảm theo không gian.