Bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp khác nhau ra sao?

• Vùng cấm trực tiếp: rơi thẳng
• Vùng cấm gián tiếp: rơi chéo

Bạn sẽ học được gì

• Phân biệt vùng cấm trực tiếp với vùng cấm gián tiếp.
• Nói được vì sao electron ở vật liệu trực tiếp phát sáng dễ hơn.
• Hiểu vì sao silicon ít được dùng để làm LED.

Cần biết trước

Nên biết bán dẫn là vật liệu có electron nằm ở các mức năng lượng khác nhau. Không cần biết gì thêm; các từ mới được giải thích ngay khi gặp.

Vùng cấm trực tiếp là gì?

Vùng cấm trực tiếp là kiểu mà electron rơi xuống không phải đổi động lượng. Theo bài về vùng cấm của RP Photonics, ở vùng cấm trực tiếp, đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm tại cùng động lượng tinh thể, nhưng vẫn cách nhau về năng lượng.

Động lượng ở đây hiểu nôm na là "đà" của electron. Rơi xuống mà không phải đổi đà thì mọi thứ gọn gàng. RP Photonics cho biết ở vùng cấm trực tiếp, sự phát xạ thường xảy ra với năng lượng photon gần bằng năng lượng vùng cấm. Photon là một "gói" ánh sáng.

• Mức năng lượng cao của electron
• Mức năng lượng thấp
• Electron
• Ánh sáng phát ra

Vùng cấm gián tiếp khác ở chỗ nào?

Ở vùng cấm gián tiếp, electron vừa rơi vừa phải đổi đà. Cũng theo RP Photonics, ở vùng cấm gián tiếp cần thêm phonon trong quá trình hấp thụ và phát xạ để cung cấp phần động lượng electron cần đổi. Silicon là vật liệu thuộc loại này.

Năng lượng và động lượng đều phải được bảo toàn. Bài đó viết rằng không thể thỏa cả hai, trừ khi có thêm sự phát ra một phonon. Phonon là một lượng dao động của mạng nguyên tử trong tinh thể. Những quá trình có phonon vẫn có thể xảy ra nhưng với tốc độ thấp hơn nhiều, nên phát xạ ánh sáng ít có khả năng xảy ra hơn.

• Mức năng lượng cao, lệch sang bên
• Mức năng lượng thấp
• Electron
• Dao động nhiệt (phonon)

Khác biệt này dẫn tới điều gì khi chế tạo linh kiện?

Nó quyết định vật liệu nào hợp làm đèn. RP Photonics nêu vật liệu vùng cấm trực tiếp được ưa dùng cho điốt phát quang và điốt laser, còn vùng cấm gián tiếp gây khó khăn cho quang tử trên silicon. Bài đó lấy gali arsenua làm ví dụ vùng cấm trực tiếp và silicon làm ví dụ vùng cấm gián tiếp.

Bài đó còn cho biết vùng cấm gián tiếp của silicon làm nó phát sáng rất kém hiệu quả, nên không phù hợp làm vật liệu phát sáng cho LED và laser bán dẫn thông thường. Silicon cũng hấp thụ ánh sáng yếu gần mép vùng cấm, nên điốt quang và pin mặt trời cần lớp dày hơn.

• Đèn LED phát sáng
• Chip silicon

Ví dụ trong đời sống

Chiếc đèn LED nhỏ trên bộ sạc hay trên bảng điều khiển dùng chất bán dẫn có khả năng phát sáng tốt. Còn chip silicon bên trong điện thoại làm nhiệm vụ tính toán chứ không phát sáng ra ngoài. Đây là cách nhìn gọn để nhớ khác biệt; thực tế còn nhiều chi tiết về cách chế tạo từng loại linh kiện.

Hiểu lầm thường gặp

Silicon không bao giờ phát ra chút ánh sáng nào. Nguồn chỉ nói silicon phát sáng rất kém hiệu quả, nên không phù hợp làm vật liệu phát sáng cho LED và laser bán dẫn thông thường.

Vùng cấm gián tiếp là vật liệu xấu. Silicon là vật liệu gián tiếp và vẫn là nền của rất nhiều chip. Nó chỉ không hợp để phát sáng.

Phonon là ánh sáng. Phonon là dao động của mạng nguyên tử, còn photon mới là hạt ánh sáng.

Câu hỏi thường gặp

Vùng cấm trực tiếp khác gián tiếp ở điểm nào?

Ở vùng cấm trực tiếp, electron rơi xuống gần như không đổi động lượng. Ở vùng cấm gián tiếp, nó phải đổi động lượng đáng kể.

Silicon thuộc loại nào?

Silicon có vùng cấm gián tiếp.

Vì sao LED hay dùng vật liệu vùng cấm trực tiếp?

Vì vật liệu vùng cấm trực tiếp được ưa dùng cho điốt phát quang và điốt laser: việc phát sáng ở đó hiệu quả hơn.

Tóm tắt

• Vùng cấm trực tiếp: electron rơi xuống không đổi động lượng, dễ phát photon.
• Vùng cấm gián tiếp: electron phải đổi động lượng, cần thêm phonon.
• Vì vậy vật liệu trực tiếp hợp làm LED và laser, còn silicon thì kém phát sáng.