Đê tài: Tương tác của photon và các hạt tải trong bán dẫn

Đê tài: Tương tác của photon và các hạt tải trong bán dẫn được nghiên cứu với các nội dung: Tương tác của photon trong bán dẫn khối (Bulk Semiconductor), chuyển dịch Band to Band trong bán dẫn khối, hấp thụ phát xạ và khuếch đại trong bán dẫn khối, tương tác photon trong trạng thái cầm tù lượng tử, chỉ số khúc xạ. Mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đê tài: Tương tác của photon và các hạt tải trong bán dẫn Tiểu luận môn học LASER BÁN DẪN VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANGTƯƠNG TÁC CỦA PHOTON VÀ CÁC HẠT TẢI TRONG BÁN DẪN Hà Nội, 2016Trong vấn đề này, chúng ta sẽ xem xét một số tính chất quang học của vật liệu bán dẫn gắnliền với hai quá trình quan trọng là hấp thụ và phát xạ.1. Tương tác của photon trong bán dẫn khối (Bulk Semiconductor) Một số cơ chế quan trọng liên quan tới quá trình hấp thụ và phát xạ trong bán dẫn khối: - Chuyển dịch band-to-band: Điện tử ở vùng hóa trị có thể hấp thụ một photon để nhảy lên vùng dẫn tạo ra cặp điện tử-lỗ trống. Khi cặp điện tử-lỗ trống được tái hợp, một photon sẽ được phát ra. Chuyển dịch này có thể được hỗ trợ bởi một hoặc nhiều phonon (một lượng tử của dao động mạng kết hợp với dao động âm của nguyên tử trong vật liệu). - Chuyển dịch Impurity to Band: Điện tử hấp thụ một photon có thể dịch chuyển giữa các mức donor hoặc acceptor và một vùng trong bán dẫn pha tạp. Trong vật liệu loại p, một photon năng lượng thấp có thể làm dịch chuyển một điện tử từ vùng hóa trị lên mức acceptor. Một lỗ trống sẽ được tạo ra trong vùng hóa trị và một nguyên tử acceptor bị ion hóa. Khi điện tử nhảy từ mức acceptor để tái hợp với lỗ trống, năng lượng giải phóng có thể dưới dạng bức xạ hoặc không bức xạ. - Chuyển dịch Free-Carrier: Một điện tử trong vùng dẫn hấp thụ một photon có thể nhảy lên mức năng lượng cao hơn trong vùng đó. Sau quá trình, điện tử phục hồi về mức năng lượng thấp trong vùng dẫn và giải phóng năng lượng dưới dạng phonon. Hình 1. Ba chuyển dịch điện tử trong bán dẫn khối. - Chuyển dịch phonon: Các photon năng lượng thấp có thể bị hấp thụ bởi dao động mạng và tạo ra các phonon. - Chuyển dịch excitonic: Một photon bị hấp thụ có thể tạo ra một exciton. Nó tương tự nguyên tử H, trong đó lỗ trống đóng vai trò proton. Lỗ trống và điện tử liên kết với nhau bằng lực Coulomb. Điện tử và lỗ trống có thể tái hợp và tạo ra photon, quá trình này gọi là quá trình hủy exciton.2. Chuyển dịch Band to Band trong bán dẫn khối* Bước sóng vùng cấm (Bandgap Wavelength)Các photon hấp thụ hoặc phát xạ trong chuyển dịch band-to-band có năng lượng thỏa mãnđiều kiện hν > Eg. Tần số tối thiểu của photon là νg = Eg/h, tương ứng với bước sóng cựcđại λg = c/νg = hc/Eg. Nếu năng lượng vùng cấm có đơn vị eV thì bước sóng vùng cấm cóđơn vị μm và được tính theo biểu thức sau: ?? = 1.24/??Mỗi loại bán dẫn có bước sóng và năng lượng vùng cấm đặc trưng. Hình 2. Bước sóng và năng lượng vùng cấm của một số chất bán dẫn.  Điều kiện hấp thụ và phát xạ. Khi hấp thụ photon có năng lượng thích hợp (hν > Eg hoặc λ < λg), điện tử từ vùng hóa trị sẽ được kích thích lên vùng cấm tạo ra cặp điện tử-lỗ trống. Điều này sẽ làm tăng các hạt mang điện tự do dẫn đến tăng độ dẫn điện của vật liệu. Như vậy, độ dẫn điện của vật liệu tỉ lệ với thông lượng photon tới. Điện tử phục hồi từ vùng dẫn về vùng hóa trị sẽ phát xạ photon tự phát hoặc cưỡng bức có năng lượng hν > Eg. Hiện tượng phát xạ tự phát là nguyên lý của diode phát quang (LED). Trong khi đó laser diode dựa trên nguyên lý phát xạ cưỡng bức. Các quá trình này được minh họa bằng sơ đồ như hình 3. Hình 3. a) Hấp thụ photon tạo ra cặp điện tử-lỗ trống. Nguyên lý này được sử dụng trong máy dò quang học; b) Sự tái hợp của cặp điện tử-lỗ trống sẽ phát xạ photon tự phát. LED hoạt động theo nguyên lý này; c) Sự tái hợp cặp điện tử-lỗ trống có thể xảy ra khi có một photon tới dẫn đến sự phát xạ cưỡng bức. Đây là nguyên lý hoạt động của laser diode. Bảo toàn năng lượng. Sự tách cặp hoặc tái hợp của cặp điện tử-lỗ trống giữa hai trạng thái có độ chênh lệch năng lượng hν tương ứng với sự hấp thụ hoặc phát xạ photon có năng lượng hν. Ta có điều kiện bảo toàn năng lượng: E2 – E1 = hν Bảo toàn động lượng. Động lượng cũng phải được bảo toàn trong quá trình hấp thụ hoặc phát xạ photon. p2 – p1 = hν/c = h/λ hoặc k2 – k1 = 2π/λ Động lượng của photon h/λ rất nhỏ so với động lượng của điện tử và lỗ trống. Nếu a là hằng số mạng tinh thể thì ta có 2π/λ Từ phương trình trên và mối liên hệ E-k, ta thu được giá trị năng lượng của các mức tương tác với photon tần số ν như sau: Mật độ trạng thái kết hợp quang học. Mật độ trạng thái với một photon năng lượng hν tương tác dưới điều kiện bảo toàn năng-xung lượng với các vùng bán dẫn, nó bao gồm mật độ trạng thái trong cả vùng dẫn và vùng hóa trị, được gọi là mật độ trạng thái kết hợp quang học. Nó được tính theo công thức sau: Phát xạ photon yếu trong bán dẫn indirect-bandgap. ...