MỞ ĐẦU Trong cải cách giáo dục hiện nay, việc điện tử hóa bài` giảng đang được huyến khích nhằm nâng cao chất lượng giảng đạy. Nằm trong xu hướng đó, để hỗ trợ tốt cho việc giảng dạy môn Quang ~ điện tử bán dẫn, đặc biệt là thực tập, chúng tôi đã tiến hành xây dựng phòng thí nghiệm thực tập Quang bán dẫn ảo, giúp sinh viên chuyên ngành có thể ứng ” A dụng ngay kiến thức vừa học vào thực nghiệmở những bài thực tập áo, khó c‹ œ thể thiết lập những bài thực tập thực vì rất tốn kém vật tư thiết bị, trong điều kiện trang thiết bị phòng thí nghiệm thực tế còn hạn chế. Phòng thí nghiệm ảo được bổ trí với giao điện đơn giản, bao gồm ba phần chính. Đó là một “Khe thiết bị" với đây đủ các thiết bị thí nghiệm như các loại nguồn sáng, máy đơn sắc, detector, các mẫu bán dẫn, Người sử dụng có thể trực tiếp lựa chọn dụng cụ phò hợp đưa vào “Afặt bằng bố trí thí nghiệm” để xây dựng hệ thí nghiệm cần thiết.
Muốn tra cứu thêm thông tin về các dụng cụ kế trên và các bài thí nghiệm, người sử dụng có thể vào “7w viện" liên kết trực tiếp với phòng thí nghiệm. Ở thư viện này, chúng tôi cố gắng cập nhật tốt nhất các thông tin về các vấn đề đã nêu trên. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng mô phỏng các hiệu ứng vật lý là cơ sở cho nguyên lý hoạt động của các dụng cụ , để giúp sinh viên hiểu thêm về một số thiết bị chính : nguồn sáng, máy đơn sắc, detector, cũng như mô phỏng các cơ ch% cn cơ bản trong mỗi phép đo. Phòng thí nghiệm tạo cho người sử dụng có câm giác (ảo) tự mình thiết lập hệ thí nghiệm và trực tiếp ẩo đạc Ở các dụng cụ và nhận được kết quả cuối cùng của phép đo.
Trong luận vấn này, chúng tôi thử thực hiện với ba phép đo Quang bán dẫn : hai phép đo truyền thống” là Truyền qua (Hấp thụ _Absortion), Quang phát quang (Photoliminescence) và một trong những phương pháp thực nghiệm mạnh để xác định trạng thái bề mặt bán dẫn là Quang phan xa (Photoreflectance). CHUGNG 1- TONG QUAN. 11 PHÉP ĐO QUANG TRUYEN THONG [1,5,15]. Như chúng ta đã biết, các hằng số quang, cũng như hệ số hấp thụ œ, truyền qua T, phản xạ R có liên hệ chặt chế với nhau.
Cá ba phương pháp Hấp thu -Truyền qua- Phản xạ vì thế có mối liên quan, đặc biệt bể sung cho nhau trong việc nghiên cứu tính chất quang của tính thể, Phép đo truyền qua, ta đo thành phần truyền qua, với các cơ chế xảy ra trong mẫu là hiện tượng hấp thu. Hấp thu riêng: Là sự hấp thụ xảy ra khi eleciron nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Quá trình chuyển mức phải tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng , Chuyển mức chỉ xây ra khi trạng thái mà điện tử chuyển đến còn trống. Chuyển mức có thể xây ra theo hai cơ chế khác nhau, a.Chuyến mức thẳng : Là chuyển mức mà trong đó xung lượng hay véc tơ sóng của electron không thay đổi và không có sự tham gia của phonon.
Chuyển mức thẳng xây ra khi cực tiểu vùng dẫn và cực đại của vùng hóa trị nằm tại cùng một điểm trong không gian k, Chuyển mức thẳng tuân theo các định luật bảo toàn : + Định luật bảo toàn xung lượng : Goi_k,. k, là véc tơ sóng trong trạng thái đầu(1) và cuối(2) Fy là vectd sóng của phonon. Theo bảo toàn xung lượng 1a có : hay 5ì = hk, = Py =hk bộ + Dink luật bảo toàn năng lượng : Đị+h@=E,. V1 Eị < Ev và E¿ 2 Ee, Nên photon muốn được hấp thụ phải có năng lượng fe thoả : E¡ -Eạ =ã@ > Eg=Ec-EVv + Tân số ngưỡng hấp thụ cơ bản là : v= AEg“h z “4 a ast ` ` s pA ` x a > + Xác xuất chuyển đời của clectron từ vàng hoá trị lên ving dan trong mét don vi thời gian là : mot 2 me’ A, Wve = 2 |Bye| (Ee — Ev — hv) 2m Véi Bye : 1a yeu t6 ma trận xác xuất chuyển đỡi.
Bye = le GF avy, pre = LY. el avy, py G+ ky -koyar. : 2 má 2MẾT Œ)<C2 tr ree? W0) en=C.e oe ỦY by Để bảo toàn xung lượng : Nhưng do bức xạ có bước sóng nằm từ hồng ngoại đến tử ngoại có Ẫ <<k, K, nên ta có quy tdc loc lua: Do năng lượng là hàm đơn tri theo # trong vùng Brillouin thứ nhất nên ta rút ra được : Chuyển mức thẳng chỉ xảy ra giữa các vùng năng lượng khác nhau. Số chuyển mức : Số chuyển mức trong đơn vị thời gian trong đơn vị thể tích bằng tích xác xuất chuyển mức với số trạng thái có thể thỏa mãn điểu kiện bảo toàn năng lượng khi chuyển mức và qui tắc Pauli.
Phân bố electron ở vùng dẫn : Tote = 3-4 vy kv Phân bé electron 6 ving hoá trị : f _ 1 v,kv ~ (Ev Ec)IKT , Trong yếu tố thé tich dr, =d°k Vùng hóa trị trạng thái electron bị chiếm là : 2 aay ky Vùng dan trang thai electron bi chiém 1a : 2 a Tức ke) 2 + Số chuyển mức trong đơn vị thể tích khi để ý đến phân bố electron và lễ trống là : 2 42 z me’ A°o ¢ 2 Nve=iho = l4 a>3 EL, f py lSft `. pe 5Brey \ dere an — 5(Ee ~ Ev. ~_ hy)by + Hé s& hdp the : Năng lượng bị hấp thụ/đơn vị thời gian Năng lượng tớ/đơn vị thời gian Nvc.hv Năng lượng ánh sáng tới 2#, a===sz——|BveÌ [a°š8(Ee = Ev_ hơ) 4x nT ne ° ~ (1.L1) cho ta thấy sự liên hệ giữa hệ số hấp thụ với cấu trúc vàng năng lượng của chất bản dẫn điện. Gọi ky là vectơ sóng ứng với điểm có hiệu năng lượng giữa các vùng là nhỏ nhất .Khi đó có thể phân biệt hai loại chuyển mức thẳng: Chuyển mức thẳng được phép : Tính toán cho thấy trong nhiều trường hợp yếu tố ma trận Bvc ít phụ thuộc thị Đà < o Khai triển Bk) theo công thức Taylor lân cận ko : ®e(E) = Bve(q)+ (Ê ~ Ñg)|V„ (Bve(Đ|| „_ „ (1.2) c6 dang sau: B tk) = Bho) Trường hợp này ta nói chuyén mitc thdng dugc phép tai k = k,.
Hệ số hấp thu trong trường hợp này : 2 a= 2 |Bycl (2u)°?(ha - Eg)'” nmˆe a ch 1/2 hay a = gle Fa) (1.3) ho Chuyển mức thẳng bị cấm : Khi Bvc(k,)=0.2) trở thành Bve(E) = (È-&) [VR[Bve(/)], _„ Ì Hệ số hấp thu trong trường hợp này : e = (2 52 (ha — Egy” =———.-\YkBvc(kÈ 2 z ed vet ly -ot “) ho _ Aho- Eg?” Hay OD (1. Xác định độ rộng vùng cấm Eg từ phổ hấp thụ [1,5].3) ta suy ra: Vho)=(a, oy’ = Aho ~ Eg) ~ (he ~ Eg) Thực nghiệm đo phổ ø, trên cơ sở phần xạ nhiều lần trong tinh thé: ha ¿ 44) (ad(ad), ) , =in-2-—-~2inGi-R,) a (-R,) Xác định hầm tuyến tính Y(i@} thì ta có thể xác định Eg trên cơ sở tuyến tính của FỢuø) như hình (1. (ady (adhoy’ , Hinh 1. Dạng phổ hấp thụ riêng.
Dang hàm tuyến tính Y(Xø) để xác định Eg.Chuyén nute nghiéng: Là chuyển mức mà trong đó xung lượng hay vectd sóng k của điện tử thay đối đáng kể, bắt buộc phải có sự tham gia của phonon dao động mang c6 véc tđ sóng Ion: + Dinh lu@t bdo toan vecto séng : ky + In £9 oy = ky Với kok, lân lượt là véctơ sóng ứng trạng thái ban đầu (1) có năng lượng E¡ và trạng thái sau (2) có năng lượng E;. Vì g << k, => ky Foy = k, pt Vay phonon tham gia phải có véc tơ sóng thỏa : Ton ~ Hk, —&) + Định luật bảo toàn năng lượng : lì thy TY = E, Vậy để photon được hấp thụ trong chuyển mức nghiêng là: WY ot >Akg+ AY on + Ngudng hấp thụ trong chuyển mức nghiêng là : Có hai quá trình chuyển mức nghiêng : Electron từ vùng hoá trị hấp thụ photon nhảy lên trạng thái trung gian ở vùng dẫn với xung lượng được bảo toàn. Sau đó từ trạng thái trung gian này electron chuyển về trạng thái cuối kèm theo sự hấp thụ hay bức xạ phonon. Quá trình này được biểu điễn qua hình 1.
AAs bvon h hv Hình 1. Mô hình chuyển mức Hình 1. Mô hình chuyển mức nghiêng (electron nằm đỉnh nghiêng (electron nằm sâu vùng hoá trị). vùng hoá trị).
10 Electron từ mức nằm sâu trong vùng hoá trị, sẽ chuyển thẳng vào trạng thái vùng dẫn không thay đổi véc tơ sóng. Sau đó trong vùng hoá trị còn lại một lỗ trống .Electron gần đỉnh vùng hoá trị sẽ chuyển vào tái hợp kèm theo bức xạ hoặc hấp thu phonon. Quá trình này được biểu diễn qua hình 1. Thời gian lưu lại của electron (hoặc lỗ trống) ở trạng thái trung gian rất ngắn vì vậy năng lượng của chúng không xác định.
Cho nên ở trạng thái trung gian năng lượng không bảo toàn .Điều kiện bảo toàn năng lượng chỉ được thỏa mãn trong toàn quá trình chuyển mức. + Xác suất chuyển đời : Wee = or ake |. ° H i vk) ~ 2 2 ale eke _R.Egy 4hOtk TRO, CV ky) ha]be eR! + Số chuyển mức: 2 2 N wae > la* iT ——a 2 3. Pe về ` Bx v Bx EB.
OLE ` g ` hằn aw 2 tứ _ N Ø là hãng số của k Si v) Bvc là yếu tố ma trận ít thay đổi theo È. Khai triển Bve theo Taylor lân cận #„, ta có đạng Bvc như sau : Bye(k} = Bvetk,) +( ~ ⁄ k ¡#ue()) (1.5) ik = 9 ⁄ Khi Bve(k,) #0 (1.5) trở thành : Bye(k) = Bye(ky) Trường hợp này ta có chuyển mức nghiêng được phép tại k=&.5) trở thành > co Byc(k) =(k - ñ)|V„Ive(Đ) F=k " Trường hợp này ta có chuyển mức nghiêng bị cấm. + Hệ số hấp thụ trong hai trường hợp: Chuyển mức nghiêng được phép : Số chuyển mức : 2 ne =D 32h m im *m* +) 3/2 Bi [ho — Eg +ko,P ve cy Suy ra hệ số hấp thụ : 2 A B | (+) By.{Œ œ=-— h > — ver (ho - Bg -ko,)? + Brel vel) ( h@ - Egg+k6,) + kØ,)° i P) l—exp(—~ Pp) exp(_-£)Ì—1 V6i A~Ne(m * m tì Dấu (+), (-) biểu thị cho quá trình kéo theo sự bức xạ hay hấp thụ photon. Chuyển mức nghiêng bị cấm : Biểu thức ø cũng có dạng tương tự như trên nhưng |Bve| được thay bằng đạo hàm bậc nhất của nó và thay sự phụ thuộc bình phương năng lượng bằng sự phụ thuộc lập phương năng lượng.TỰ NHIÊN THU ViEN 12 1.
Chuyển mức trong phạm vi một vùng [1,5].
