Luận văn Nghiên cứu chế tạo màng ZnO pha tap Al

Luận văn Thạc sĩ 2009 | 1 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc 1. Màng dẫn điện trong suốt ZnO:Al 1.1.Những đặc trưng cơ bản về màng mỏng ZnO: ZnO có tất cả 3 dạng cấu trúc: haxagonal wurtzite, zinc blende, rocksalt (hình I.1.1). Trong đó, haxagonal wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định nhất trong điều kiện nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh; zinc blende chỉ kết tinh được trên đế có cấu trúc lập phương và dạng rocksalt chỉ tồn tại ở áp suất cao [10]. ( (a) (b) (c) Cấu trúc haxagonal wurtzite (hình I.1.2) gồm hai mạng lục giác xếp chặt lồng vào nhau của cation Zn2+ và anion O2- dịch chuyển bởi chiều dài liên kết dọc theo trục c [5, 10]. Hình I.1.1: Các dạng cấu trúc của ZnO (a) Cấu trúc haxagonal wurtzite, (b) Cấu trúc zinc blende, (c) Cấu trúc rocksalt Hình I.1.2: Cấu trúc Wurtzite của ZnO CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Luận văn Thạc sĩ 2009 | 2 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Mỗi mạng con có 4 nguyên tử trên một ô đơn vị (hình I.1.3), mỗi nguyên tử của một loại (nhóm II) được bao bọc xung quanh bởi 4 nguyên tử của loại khác (nhóm IV) và ngược lại, tạo thành một khối tứ diện: Trong mỗi ô đơn vị của ZnO có chứa 2 nguyên tử Oxy và 2 nguyên tử Zn ở các vị trí Zn (0 0 0) và Zn (2/3, 1/3,1/2) ; O (0 0 u) và O (2/3, 1/3,1/2+u ). Với các thông số đặc trưng cho cấu trúc mạng tinh thể a = b = 0,3249 nm, c = 0,5205 nm 379,0 4 1 3 1 2 =+      = c a u Tinh thể ZnO có nhiệt độ nóng chảy cao (1.9750C), khối lượng riêng 5,606 g/cm3, không tan trong nước, không mùi. ZnO ở dạng bột có màu trắng, rất dễ tan trong dung dịch axít và tan được trong dung dịch kiềm. Ngoài ra, tinh thể ZnO còn có tính áp điện và nhiệt sắc. Theo lý thuyết, một vật liệu không thể vừa trong suốt vừa dẫn điện vì tính dẫn điện tỉ lệ thuận với nồng độ hạt dẫn tự do n, trong khi đó tính trong suốt lại tỉ lệ nghịch với n. Nhưng trên thực tế, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được hai loại vật liệu vừa trong suốt vừa dẫn điện là: polyme dẫn và Oxít trong suốt dẫn điện. ZnO nằm trong số ít những Oxít có đặc tính đặc biệt này. Nhưng nó chỉ có thể đạt được màng có độ dẫn điện và trong suốt cao bằng cách pha tạp thích hợp một cách có kiểm soát để tạo ra sự suy biến electron trong vật liệu có năng lượng vùng cấm rộng (Eg >3eV hay cao hơn). Hình I.1. 3: Ô đơn vị của ZnO Luận văn Thạc sĩ 2009 | 3 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Các chất thường sử dụng để pha tạp cho ZnO là Al, Li, N, …. Chúng sẽ đóng vai trò khác nhau trong quá trình tạo hạt tải [11, 12]. Do giới hạn của luận văn, các tính chất đặc trưng chi tiết của ZnO:Al được trình bày trong phần sau. 1.2. Sai hỏng trong tinh thể ZnO:Al Trong phần trên ta đã xét cấu trúc mạng tinh thể lý tưởng, tức là mạng trong đó toàn bộ các phần tử cấu tạo nên vật rắn nằm ở các vị trí nút mạng đều tuân theo quy luật đối xứng, tuần hoàn trong không gian tinh thể. Tuy nhiên, trong tinh thể thực luôn tồn tại các sai hỏng cấu trúc. Để hiểu rõ hơn về sự pha tạp Al vào mạng tinh thể ZnO và bản chất của việc tăng khả năng dẫn điện của màng ZnO:Al, ta xét sự tạo thành sai hỏng trong vật liệu. 1.2.1. Sai hỏng về mặt cấu trúc Trong tinh thể ZnO luôn có những nguyên tử (hoặc ion) có khả năng di chuyển ra khỏi vị trí nút mạng và đi vào vị trí xen kẽ giữa nút mạng, hoặc dời khỏi mạng tinh thể, để lại vị trí trống (nút khuyết) ở nút mạng cân bằng cũ. Có hai dạng sai hỏng điểm chủ yếu (hình I.1.4) là sai hỏng Frenkel và sai hỏng Schottky: • Sai hỏng Frenkel: Nguyên tử rời khỏi nút mạng và xen lẫn giữa mạng, để lại nút khuyết tại vị trí nút mạng (không có nguyên tử). • Sai hỏng Schottky: Nguyên tử dời khỏi mạng tinh thể, để lại nút khuyết ở nút mạng. Luận văn Thạc sĩ 2009 | 4 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc 1.2.2. Sai hỏng điện tử, sự tạo thành vật liệu bán dẫn Sai hỏng điện tử là sự khác biệt cấu trúc lớp vỏ điện tử ngoài cùng so với lớp vỏ liên kết bền vững, xảy ra khi các electron hoá trị bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn. Sự kích thích này có thể tạo một electron trong vùng dẫn hoặc một lỗ trống trong vùng hoá trị. Khi pha tạp Al vào mạng tinh thể ZnO, các ion dương Al 3+ và Zn 2+ có bán kính ion gần bằng nhau (0,53 A0 và 0,72 A0), do đó ion Al 3+ dễ dàng thâm nhập vào mạng lưới ZnO bằng cách thay thế ion Zn 2+ mà không phân thay đổi cấu trúc của đơn vị cấu thành. *2 3 0 2 12 2 2 2Zn Al O Al O O e→ + + + Như thế, mỗi ion Al 3+ khi thay thế vào vị trí của Zn 2+ trong mạng tinh thể ZnO sẽ cho một electron tự do, làm tăng nồng độ electron do đó làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Sai hỏng điện tử là hệ quả tất yếu của sai hỏng nguyên tử (hoặc ion) khi có lẫn tạp chất. Đồng thời, đối với ZnO không có tạp chất thì quá trình tạo sai hỏng trong mạng tinh thể là quá trình giải phóng một nguyên tử Oxy ở vị trí nút mạng. Tuy nhiên, mật độ của chúng khó kiểm soát được [5,10,11]. Hình I.1.4 : Sự sai hỏng điểm trong cấu trúc tinh thể Luận văn Thạc sĩ 2009 | 5 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Hơn nữa, việc giảm số lượng nút khuyết hoặc Oxy hóa do không khí cũng ảnh hưởng mạnh đến tính dẫn điện của ZnO tinh khiết. Những biến đổi đó được xem là do độ linh động của electron hơn là do mật độ hạt mang điện. Điều này gây ra bởi sự hấp phụ hóa học hoặc sự giải phóng Oxy từ biên hạt. Sự hấp phụ Oxy tại biên hạt tạo ra một lớp không gian mang điện tích dương dưới bề mặt của ZnO. Lớp này bắt giữ electron, dẫn đến việc giảm độ linh động và nồng độ electron và do đó làm giảm tính dẫn điện. Sự gia tăng nồng độ hạt tải trong màng ZnO pha tạp Al cũng liên quan đến việc mở rộng độ rộng vùng cấm, đó chính là hiệu ứng Moss-Burstein. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO:Al có dạng parabol như hình I.1.5 [5]. Hình I.1.5: Sự thay đổi độ rộng vùng cấm ZnO khi pha tạp Al Khi chưa pha tạp, vùng dẫn của ZnO hầu như không bị chiếm bởi điện tử nào. Do đó điện tử từ đỉnh vùng hóa trị có thể hấp thụ lượng tử ánh sáng có năng lượng Eg và chuyển mức thẳng lên đáy vùng dẫn. Tuy nhiên khi pha tạp Al làm tăng điện tử tự do, do Al chiếm dần các mức dưới cùng của vùng dẫn. Theo nguyên lí Pauli, hệ các fermion không cho phép tồn tại hơn một hạt trong một trạng thái lượng tử, do đó các electron ở đỉnh vùng hóa trị và lân cận quanh đó không thể nhảy lên chiếm các trạng thái tại đáy vùng dẫn – vốn đã có các electron dẫn, mà chỉ có các electron nằm xa đỉnh vùng hóa trị hơn mới có thể chuyển Luận văn Thạc sĩ 2009 | 6 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc mức thẳng lên chiếm các trạng thái trống trên vùng dẫn. Các electron này đòi hỏi lượng tử ánh sáng có năng lượng cao hơn, do đó độ rộng vùng cấm tăng lên. Độ tăng của độ rộng vùng cấm theo hiệu ứng Burnstein-Moss được tính bằng công thức (1.1): Với: 1 1 1 * * *vc e hm m m = + : khối lượng hiệu dụng rút gọn. en : nồng độ electron dư. 1.3. Tính chất dẫn điện của màng mỏng ZnO:Al 1.3.1. Sự dẫn điện của màng mỏng Nếu độ dày màng đủ lớn thì độ dẫn của chúng gần giống như độ dẫn của vật liệu khối. Theo định luật Ohm dưới dạng vi phân, dòng điện tỉ lệ với điện trường E theo biểu thức (1.2): j = σE (1.2) Trong đó độ dẫn điện σ tuân theo công thức (1.3): 2nτq σ = = nµq m Với n, µ là nồng độ và độ linh động của hạt tải. Từ đó, cho chúng ta thấy độ dẫn điện phụ thuộc vào hai yếu tố: nồng độ hạt tải và độ linh động. Và quá trình ủ nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến hai yếu tố trên. ( ) 3/22 * 3 2 evc BM G n m E pi      =∆
(1.1) (1.3) Luận văn Thạc sĩ 2009 | 7 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc 1.3.2. Ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt lên độ dẫn điện của màng ZnO:Al Màng ZnO tạo thành bằng phương pháp Sol-gel khi chưa ủ nhiệt có rất nhiều lỗ trống Oxy, do đó rất nhiều Zn thừa ra 02 electron. Các electron này đóng góp vào nồng độ hạt tải n và tham gia vào quá trình dẫn điện. Tuy nhiên, màng ZnO lúc này có vi cấu trúc rất không đồng nhất, các quá trình tán xạ xảy ra mạnh làm độ linh động µ của hạt tải không cao. Do đó độ dẫn điện (σ = nµq ) không lớn và kết quả là màng ZnO mới phủ có điện trở tương đối cao. Ngoài ra, cũng do vi cấu trúc của màng không đồng nhất và độ gồ ghề lớn mà màng tán xạ ánh sáng mạnh, nhất là ở vùng bước sóng ngắn, làm giảm độ trong suốt của màng.
Màng ZnO sau khi đã ủ nhiệt trong khí trơ (Nitơ…) hoặc chân không thì vi cấu trúc màng trở nên đồng nhất, tán xạ của điện tử giảm nên độ linh động µ tăng. Do đó độ dẫn điện (σ = nµq) tăng lên so với màng ZnO mới phủ.
Còn màng ZnO sau khi đã ủ nhiệt trong không khí, hệ số khuếch tán D của quá trình Oxy khuếch tán từ không khí vào màng tăng. Oxy tràn vào lấp các lỗ trống, do đó số Zn dư sẽ giảm, nồng độ hạt tải n giảm. Nhưng vi cấu trúc màng trở nên đồng nhất, tán xạ của điện tử giảm nên độ linh động µ tăng. Hiện tượng suy giảm nồng độ hạt tải và gia tăng độ linh động µ sẽ cạnh tranh nhau. Nếu lựa chọn nhiệt độ ủ thích hợp, sẽ hạn chế được sự giảm hạt tải và tăng được độ linh động µ, kết quả là độ dẫn điện (σ = nµq) tăng, màng sẽ vẫn dẫn điện tốt mà lại trong suốt. Do đó, việc lựa chọn “cửa sổ” nhiệt độ khi nung và môi trường khí trong lò nung là rất quan trọng [5,10,15]. 1.4. Tính chất quang của màng mỏng ZnO:Al ZnO là loại bán dẫn chuyển mức thẳng với độ rộng vùng cấm khá lớn (3,35 eV), tinh thể bất đẳng hướng có một trục quang học và có độ truyền qua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến. Do đó tinh thể ZnO là trong suốt, hấp thu riêng ở bước sóng lớn hơn 370nm, với chiết suất cỡ 2,008 nên độ truyền qua giảm mạnh khi bước sóng Luận văn Thạc sĩ 2009 | 8 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc nhỏ hơn 0,4 µm. Việc tăng hàm lượng pha tạp Al đóng vai trò nâng cao khả năng phản xạ, đồng thời giảm độ truyền qua trong vùng hồng ngoại [13]. 1.5. Một số ứng dụng của màng mỏng ZnO:Al Với các đặc trưng và tính chất như trên, màng mỏng ZnO:Al được ứng dụng rất nhiều trong khoa học và kỹ thuật [16]:
Màng dẫn điện trong suốt
Pin mặt trời (PMT)
Sensor khí
Điện trở biến đổi
…. Từ khi PMT ra đời, các nhà khoa học và nhà sản xuất trên thế giới đã và đang không ngừng nghiên cứu tìm ra giải pháp để nâng cao hiệu suất và giảm giá thành của PMT. Trong giới hạn luận văn này, màng mỏng ZnO:Al được ứng dụng trong pin mặt trời làm cửa sổ năng lượng và đồng thời làm điện cực. Hiệu suất một số cấu trúc PMT vô cơ với điện cực trên (top electrode) là ZnO:Al đã được khảo sát. Luận văn Thạc sĩ 2009 | 9 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc 2. Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời: Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Điều đó có nghĩa là, khi chất bán dẫn hấp thụ photon có năng lượng thích hợp sẽ sinh hạt tải (đối với bán dẫn vô cơ) hoặc các excition (đối với bán dẫn hữu cơ). Nhờ vào điện trường vùng nghèo của chuyển tiếp P- N, các hạt tải bị cuốn về các điện cực tương ứng (lỗ trống sẽ bị cuốn về phía P và electron sẽ bị cuốn về phía N) qua tải và tạo thành dòng điện. Ngược lại, đối với bán dẫn hữu cơ, năng lượng liên kết exciton lớn làm cho cặp electron và lỗ trống dịch chuyển đồng thời trong cấu trúc vật liệu, khó có khả năng phân ly trừ khi có điều kiện kích thích. Hình I.2.1: Nguyên lí hoạt động của PMT vô cơ Đó là sự chênh thế ở vùng tiếp giáp của bán dẫn aceptor và donor (ở pin nhị lớp) hay sự chênh lệch công thoát của hai điện cực (ở pin đơn lớp) đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân ly exciton. Tất nhiên, độ chênh này phải đủ lớn so với năng lượng liên kết. N P Kim loại TCO E  - - - - + + + + P N Luận văn Thạc sĩ 2009 | 10 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ photon sinh hạt tải (exciton), phân ly hạt tải và truyền hạt tải. Đây là những quá trình cơ bản trong PMT. 2.1. Hấp thụ photon, sinh hạt tải Trong PMT vô cơ, quá trình hấp thụ photon, sinh hạt tải là quá trình quan trọng nhất. Nó chỉ xảy ra khi động lượng và năng lượng được bảo toàn. Điều đó có nghĩa là năng lượng photon được hấp thụ phải lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg của bán dẫn và sự chuyển mức của các electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn chỉ xảy ra giữa hai trạng thái có cùng vectơ sóng k  . Vật liệu bán dẫn có thể được chia làm hai loại: bán dẫn chuyển mức trực tiếp và bán dẫn chuyển mức gián tiếp (Hình I.2.3) [17]. Hình I.2.2: Nguyên lí hoạt động của PMT hữu cơ đơn lớp + + ĐIỆN CỰC + - LUMO HOMO TCO + - + + Luận văn Thạc sĩ 2009 | 11 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Hình I.2.3: Giản đồ năng lượng của (a)bán dẫn trực tiếp,(b) bán dẫn gián tiếp. Bán dẫn chuyển mức trực tiếp là những chất bán dẫn mà cực tiểu vùng dẫn có cùng vị trí vectơ sóng k  với cực đại vùng hóa trị (như GaAs) (Hình I.2.3a). Hệ số hấp thụ của vật liệu chuyển mức trực tiếp được cho bởi công thức (1.4) [1, 2, 17]: ( ) ( )1/2gα hω hω - E∝ (1.4) Những chất bán dẫn có cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị không ở cùng vị trí vectơ sóng k  (như Silic) được xem là bán dẫn chuyển mức gián tiếp (Hình I.2.3b). Đối với loại bán dẫn này, ngoài việc sinh hạt tải khi hấp thụ một photon có năng lượng ω
≥ Eg thì quá trình này còn phải được hấp thụ hoặc phát xạ thêm một phonon (dao động mạng) với năng lượng Ω
. Các quá trình hấp thụ và phát xạ photon, phonon được mô tả như sau [17]: • Chất bán dẫn có thể hấp thụ đồng thời photon γ và phonon Γ: γ+ Γ  e + h pγ + pΓ = pe + ph e hω + Ω = E + E

• Hoặc là phát xạ phonon Γ: γ  e + h + Γ Luận văn Thạc sĩ 2009 | 12 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc pγ = pe + ph + pΓ ω
= Ee + Eh + Ω
Với: pγ, pΓ, pe, ph tương ứng là động lượng của photon γ, phonon Γ, electron và lỗ trống; Ee và Eh tương ứng là năng lượng của electron và lỗ trống. Hệ số hấp thụ α( ω
) của bán dẫn chuyển mức gián tiếp được xác định ở (1.5): ( ) ( )2α ω ω gE∝ − ± Ω


(1.5) Trong đó: dấu “+” biểu thị sự hấp thụ đồng thời photon và phonon, dấu “-” tương ứng với quá trình phát xạ phonon. Từ biểu thức (1.4) và (1.5), cho chúng ta thấy rằng, hệ số hấp thụ của bán dẫn chuyển mức gián tiếp nhỏ hơn so với vật liệu bán dẫn trực tiếp vì xác suất xảy ra quá trình hấp thụ phonon thích hợp trong tinh thể là rất thấp. Đây chính là nhược điểm của Silic so với các loại bán dẫn chuyển mức trực tiếp được dùng trong PMT. Vì lớp hấp thụ bằng vật liệu Silic phải dày hơn so với những vật liệu chuyển mức trực tiếp khác. Ngược lại sự dễ dàng sinh hạt tải trong bán dẫn vô cơ khi hấp thụ photon, hầu hết vật liệu hữu cơ chỉ hấp thụ một phần ánh sáng tới (khoảng 30%) do độ rộng vùng cấm quá rộng (thường lớn hơn 2.0eV). Vì thế, để tăng cường khả năng hấp thụ photon thì phải tăng độ dày của lớp bán dẫn nhưng như thế làm hạn chế khả năng phân ly của exciton (độ dày khuếch tán nhỏ hơn độ dày màng). Trong quá trình hấp thụ ánh sáng tới luôn có hiện tượng phản xạ ở mặt ngoài của linh kiện. Đó cũng là nguyên nhân làm giảm khả năng hấp thụ. Vì thế, nghiên cứu và sử dụng màng chống phản xạ cũng là một giải pháp làm tăng khả năng hấp thụ photon. Luận văn Thạc sĩ 2009 | 13 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc 2.2. Phân ly hạt tải: Sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon, lượng hạt tải sinh ra sẽ di chuyển về phía các điện cực. Đối với quá trình chuyển tiếp này, lớp tiếp xúc P-N đóng vai trò vô cùng quan trọng. 2.2.1. Chuyển tiếp P-N trong tối: Sự chênh lệch về nồng độ các hạt tải điện khi một bán dẫn loại P tiếp xúc với một bán dẫn loại N làm xảy ra các quá trình khuếch tán như sau: điện tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P và lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N. Kết quả là trong vùng N xuất hiện các ion đôno dương không được trung hòa và các ion acxepto âm trong vùng P không được trung hòa bởi lỗ trống tạo thành điện trường 0ε  hướng từ miền N sang miền P. Điện trường này hạn chế quá trình khuếch tán của các hạt tải điện cho nên đến một lúc nào đó hệ sẽ đạt tới trạng thái cân bằng. Khi đó, mức Fermi là hằng số trong toàn hệ (hình I.2.4) [1, 17]. Hiệu thế tiếp xúc ϕ và độ rộng vùng nghèo w được cho bởi công thức (1.6) và (1.7): D A 2 i n nkT ln e n φ = (1.6) 0 A D A D 2εε n +n w e n n φ   =     (1.7) Trong đó: ρ là mật độ điện tích k = 1,38.10-23W s/K là hằng số Boltzmann ni, nA, nD tương ứng là nồng độ hạt tải thuần, axepto và đôno ε, ε0 tương ứng là hằng số điện môi của chất bán dẫn và của chân không Luận văn Thạc sĩ 2009 | 14 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Hình I.2.4: Sự phân bố điện tích và năng lượng trong chuyển tiếp P-N ở điều kiện cân bằng khi chưa chiếu sáng. Ở điều kiện cân bằng nhiệt với môi trường (xét ở điều kiện bức xạ 300K), không có dòng điện tích nào có thể đi qua chuyển tiếp p-n nếu không có nguồn năng lượng kích thích từ bên ngoài. Điều này có nghĩa là: JQ = Je + Jh = 0 (1.8) Với JQ, Je, Jh tương ứng là mật độ dòng tổng cộng, mật độ dòng electron và mật độ dòng lỗ trống [17]. 2.2.2. Chuyển tiếp P-N khi được chiếu sáng Khi chuyển tiếp P-N được chiếu sáng thì mức Fermi sẽ “tách” thành hai mức EFC và EFV tương ứng được gọi là chuNn mức Fermi của điện tử và lỗ trống. Luận văn Thạc sĩ 2009 | 15 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Giả sử chuyển tiếp P-N được nối với hai điện cực và sự tái hợp tại hai bề mặt này rất lớn. Khi đó nồng độ electron tại tiếp xúc bên trái và lỗ trống tại tiếp xúc bên phải của chuyển tiếp P-N khi được chiếu sáng cũng bằng với nồng độ của chúng khi chưa chiếu sáng. Kết quả là hai chuNn mức Fermi EFC và EFV sẽ có cùng giá trị tại hai tiếp xúc, (EFt = EFC và EFp = EFV). Nhưng do electron là hạt tải thiểu số trong vùng P và lỗ trống là hạt tải thiểu số trong vùng N nên hai chuNn mức Fermi EFC và EFV của chuyển tiếp P-N trong trạng thái không cân bằng sẽ có dạng như trong hình I.2.5. Với qV là độ chênh lệch giữa hai chuNn mức Fermi, ε là điện trường tại vùng điện tích không gian trong điều kiện không cân bằng. Khi đó, nếu thế tiếp xúc của chuyển tiếp P-N có giá trị lớn hơn hoặc bằng thế chênh lệch V giữa hai chuNn mức Fermi EFC và EFV thì: EFt – EFp = EFC - EFV = qV (1.9) Trường hợp thứ hai, thế tiếp xúc ϕ của chuyển tiếp p-n có giá trị nhỏ hơn thế V giữa hai chuNn mức Fermi EFC và EFV. Lúc này EFt – EFp < EFC - EFV = qV như mô tả trong hình I.2.6 [17]. Hình I.2.5: Tiếp xúc P-N khi được chiếu sáng, trường hợp chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng. Luận văn Thạc sĩ 2009 | 16 HDKH: TS Trần Quang Trung HVTH: Dương Thị Thanh Trúc Hình I.2.6: Chuyển tiếp p-n khi chiếu sáng, trường hợp không chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng. Thế chênh lệch giữa hai đuôi vùng chính là thế mạch hở của PMT: EFt - EFp = qVoc. Trong trường hợp hóa năng chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng, nó cũng chính là thế chênh giữa hai chuNn mức Fermi [17, 18]. 2.2.3. Tiếp xúc dị chất: Tiếp xúc dị chất là tiếp xúc giữa hai loại bán dẫn có độ rộng vùng cấm Eg, ái lực điện tử χ và hằng số điện môi ε khác nhau. Khi đó, năng lượng giữa hai đáy vùng dẫn và hai đỉnh vùng hóa trị của chúng không liên tục mà bị gián đoạn tại mặt tiếp giáp. Cấu trúc này làm cho dòng điện bị mất mát bởi sự tái hợp bề mặt (tại mặt tiếp giáp của hai chất khác nhau luôn tồn tại những trạng thái bề mặt). Hình I.2.7 mô tả chuyển tiếp P-N của hai bán dẫn khác nhau khi chưa hình thành tiếp xúc và khi đã hình thành tiếp xúc dị chất [2, 17, 18]. Phần gián đoạn giữa hai đáy vùng dẫn và hai đỉnh vùng hóa trị được cho bởi công thức (1.10) và (1.11): 1 2 1 2 C C C∆E = E - E = χ - χ (1.10) 1 2 2 1 2 1 V V V g g∆E = E - E = χ - χ + E - E (1.11) Thế tiếp xúc trong trường hợp