Hãy để có ánh sáng!

TIN KHOA HỌC

Hãy để có ánh sáng!

L. BELOPUKHOV

GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2014 đã thuộc về các nhà vật lý Nhật Bản Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura “vì đã phát minh ra đèn LED màu xanh lam hiệu quả, dẫn đến sự ra đời của các nguồn ánh sáng trắng sáng và tiết kiệm năng lượng”. Từ khóa “LED” cho biết phát minh này thuộc lĩnh vực công nghệ bán dẫn. Và những từ ngữ đơn giản và dễ hiểu khác phản ánh tầm quan trọng to lớn của thành tựu này đối với cuộc sống của chúng ta, hay nói theo di chúc của Alfred Nobel, thành tựu “mang lại lợi ích lớn nhất cho nhân loại”. Nhiều người đã làm việc trên đèn LED. Lần đầu tiên, sự phát sáng của một số chất bán dẫn tự nhiên được các kỹ sư vô tuyến ghi lại - vào năm 1907 bởi một nhân viên của công ty G. Marconi, Henry Round, và vào năm 1923 bởi Oleg Losev tại phòng thí nghiệm vô tuyến Nizhny Novgorod. Trong gần 40 năm, hiệu ứng này được gọi là “Ánh sáng Losev”. Nhưng chỉ sau khi lý thuyết lượng tử hiện đại của vật lý chất rắn ra đời vào giữa thế kỷ 20 thì hiện tượng này mới được hiểu rõ. Đèn LED phát ra ánh sáng đỏ đầu tiên được Nick Holonyak phát minh vào năm 1961 tại Hoa Kỳ và nhanh chóng được sử dụng trong các thiết bị chỉ báo và tín hiệu. Nhưng đèn LED màu đỏ đủ sáng ban đầu rất đắt tiền. Kể từ năm 1980, công việc vẫn tiếp tục ở một số quốc gia (Mỹ, Nhật Bản, Nga) để tạo ra đèn LED với đủ màu sắc của cầu vồng - từ đỏ đến xanh lam. Tuy nhiên, giá thành của chúng tiếp tục cao và hiệu suất của chúng không đủ để tạo ra các thiết bị chiếu sáng cạnh tranh với đèn sợi đốt hoặc đèn phóng điện. Khả năng thu được nhiều sắc thái ánh sáng đã được sử dụng rộng rãi trong thiết kế, trưng bày và đồ chơi đắt tiền. Nhưng hai nhóm nhà nghiên cứu Nhật Bản vẫn tiếp tục làm việc chăm chỉ để tạo ra đèn LED hiệu quả không phải để giải trí mà để chiếu sáng đường phố và các phòng. Khó khăn chính trong trường hợp này được thể hiện bằng nguồn đèn LED màu xanh lam đủ mạnh. Chỉ chúng, kết hợp với các nguồn màu đỏ, vàng và xanh lục đã được tạo sẵn, mới có thể cung cấp nguồn ánh sáng trắng. Chúng ta hãy nhớ lại các nguyên tắc cơ bản của lý thuyết chất bán dẫn, những nguyên tắc cần thiết để hiểu các quá trình trong đèn LED và

khó khăn mà các nhà nghiên cứu gặp phải. Chỉ cần xem xét các chất bán dẫn tinh thể trong đó các nguyên tử được kết nối với nhau bằng các cặp electron hóa trị chung (gọi là liên kết cộng hóa trị) là đủ. Ví dụ, các nguyên tố thuộc nhóm thứ tư của bảng tuần hoàn là silicon, germanium. Mỗi nguyên tử của các nguyên tố như vậy có 4 electron, trung bình chúng ở xa hạt nhân hơn các electron khác. Những electron này là electron hóa trị, tức là có khả năng liên kết với các nguyên tử lân cận. Khi các nguyên tử ở gần nhau, một mô hình đối xứng được thiết lập - các nguyên tử được kết nối với nhau bằng bốn cặp electron. Liên kết cộng hóa trị này khá mạnh, có nghĩa là electron hóa trị không thể nhận được một phần năng lượng nhỏ để thoát khỏi liên kết của nó. Theo vật lý trạng thái rắn lượng tử, một electron cộng hóa trị không thể, với sự tăng nhẹ năng lượng của nó, vẫn gắn một phần với nguyên tử. Nó chỉ có thể có hai trạng thái - bị ràng buộc mạnh mẽ hoặc tự do. Bất cứ điều gì khác đều bị thiên nhiên cấm (luật lượng tử). Do đó, năng lượng tối thiểu cần thiết để giải phóng một electron được gọi là khe năng lượng trong vật lý chất rắn. Một electron đôi khi có thể nhận được năng lượng như vậy từ một nguyên tử lân cận khi nguyên tử lân cận, trong chuyển động dao động của nó, có biên độ khác biệt đáng kể so với mức trung bình. Chuyển động dao động của các nguyên tử trong mạng tinh thể của vật rắn tồn tại ở bất kỳ nhiệt độ nào (theo lý thuyết lượng tử, thậm chí ở độ không tuyệt đối). Ở nhiệt độ khoảng 300 K (nhiệt độ phòng), năng lượng trung bình của chuyển động dao động của các nguyên tử là 0,025 eV. Và khoảng cách năng lượng trong chất bán dẫn lớn hơn ít nhất 50 lần. Để một electron hóa trị thu được năng lượng như vậy và trở nên tự do, một trong những nguyên tử lân cận phải trải qua một dao động rất mạnh, năng lượng của nó sẽ khác biệt đáng kể so với mức trung bình. Đây là một sự kiện cực kỳ hiếm nên có rất ít electron bị tách ra. Nhưng những electron này ít nhiều có khả năng chuyển động hỗn loạn tự do trong toàn bộ tinh thể. Và trong điện trường, chuyển động của chúng trở nên có định hướng, tương tự như chuyển động có hướng của các electron dẫn tự do trong kim loại. Tinh thể dẫn dòng điện, mặc dù nó khá yếu. Độ dẫn điện riêng của các chất đó nhỏ hơn $10^{12}$ lần so với độ dẫn điện (kim loại). Vì vậy, chúng được gọi là chất bán dẫn. Nhưng chất bán dẫn có một sự khác biệt rất quan trọng về chất so với kim loại - sự hình thành các “lỗ”. Vị trí trống trong cấu trúc liên kết, được hình thành sau khi giải phóng một trong các electron, không tồn tại lâu - nó được thay thế bằng một số electron hóa trị từ một trong các nguyên tử lân cận. Quá trình này có thể được lặp lại một lần nữa

Các kỹ sư vật lý Nhật Bản Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura

14

KVANT 2015/№1

và một lần nữa. Mỗi electron được giải phóng sẽ sinh ra một “căn hộ” được giải phóng - một lỗ trống trong cấu trúc hài hòa của liên kết cộng hóa trị. Sự chuyển động của các electron từ vị trí này sang vị trí khác là hỗn loạn - lỗ trống di chuyển hỗn loạn khắp tinh thể. Nhưng trong điện trường, những chuyển động này có tính định hướng. Sự chuyển động của không có điện tích âm tương đương với sự chuyển động của điện tích dương. Dòng điện tương ứng với chuyển động này là dòng điện tích dương - lỗ trống và độ dẫn điện đi kèm gọi là độ dẫn điện của lỗ trống. Số lượng lỗ trống tương ứng với số lượng electron được giải phóng, do đó độ dẫn điện tử và lỗ trống của chất bán dẫn có giá trị xấp xỉ nhau. Tổng độ dẫn điện này của chất bán dẫn tinh khiết được gọi là độ dẫn điện nội tại. Sự khác biệt giữa độ dẫn điện nội tại của chất bán dẫn và độ dẫn điện tử thuần túy của kim loại không chỉ về mặt định lượng. Độ dẫn điện của chất bán dẫn thay đổi hoàn toàn khác nhau, chẳng hạn như khi thay đổi nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, xác suất các electron tách khỏi liên kết nguyên tử tăng mạnh (theo cấp số nhân), nghĩa là nồng độ electron và lỗ trống tăng mạnh. Độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng theo cấp số nhân theo nhiệt độ, trong khi đối với kim loại khi đun nóng thì ngược lại, nó giảm (theo định luật tuyến tính). Rõ ràng, độ dẫn điện của chất bán dẫn có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của tạp chất lạ, và với sự trợ giúp của tạp chất, chất bán dẫn có thể bị “hư hỏng” một cách có chủ đích. Ví dụ, làm cho độ dẫn điện của nó gần như trở thành điện tử thuần túy - không tạo ra lỗ trống. Để làm điều này, bạn cần thêm một lượng được kiểm soát chặt chẽ của nguyên tố hóa trị năm - asen hoặc phốt pho - vào nguyên tố hóa trị bốn. Trong quá trình làm lạnh và kết tinh, các nguyên tử tạp chất sẽ được tạo thành cấu trúc của các nguyên tử hóa trị bốn, nhưng mỗi nguyên tử tạp chất sẽ có một electron thứ năm “mồ côi”. Trong điện trường, các electron này sẽ là các electron dẫn giống như các electron tự do của chất bán dẫn. Tuy nhiên, thứ nhất, sẽ có nhiều chúng hơn (thường là $10^{6}$ lần) và thứ hai, sẽ không có lỗ nào hình thành. Một chất bán dẫn tạp chất như vậy sẽ chỉ có độ dẫn điện tử gần như 100% và chỉ một phần nhỏ độ dẫn điện của lỗ trống. Nó được gọi là chất bán dẫn loại n (từ âm) và tạp chất được gọi là chất cho (cho). Nhưng bạn có thể làm ngược lại - thêm một hỗn hợp của nguyên tố hóa trị ba - gali hoặc indium - vào nguyên tố hóa trị bốn. Khi các nguyên tử của nó được tích hợp vào cấu trúc của các nguyên tử hóa trị bốn, chúng sẽ thiếu một electron để tạo thành bốn liên kết điện tử đôi với các nguyên tử lân cận - tạo thành lỗ trống. Giống như trong trường hợp độ dẫn nội tại, lỗ trống sẽ bắt đầu được thay thế bởi các electron của các nguyên tử lân cận và di chuyển khắp tinh thể. Trong điện trường, chuyển động này sẽ có bản chất là dòng điện tích dương. Một chất bán dẫn tạp chất như vậy sẽ chỉ có độ dẫn điện lỗ trống gần như 100% và chỉ một phần trăm – ​​độ dẫn điện tử. Nó được gọi là chất bán dẫn loại p (từ dương) và tạp chất được gọi là chất nhận (nhận). Ứng dụng chính của chất bán dẫn tạp chất là chế tạo các thiết bị bán dẫn dựa trên tính chất của lớp tiếp xúc p–n - sự tiếp xúc giữa chất bán dẫn loại n và loại p. Khi tiếp xúc, sự khuếch tán của các electron dẫn từ chất bán dẫn loại n vào vùng tiếp xúc và bắt đầu khuếch tán các lỗ trống từ chất bán dẫn loại p vào vùng tiếp xúc. Nhưng

quá trình khuếch tán nhanh chóng kết thúc - nó bị gián đoạn do thực tế là chất bán dẫn loại n, bị mất một số electron, thu được điện tích dương dư thừa và chất bán dẫn loại r thu được điện tích âm dư thừa. Một rào cản tiềm năng xuất hiện trên đường chuyển động tiếp theo của các electron và lỗ trống. Điện trường bên trong của rào cản này hướng từ chất bán dẫn loại n sang chất bán dẫn loại p, do đó ngăn cản sự chuyển động tiếp theo của các electron và lỗ trống. Do đó, tiếp điểm p–n thường được gọi là lớp chặn. Nhưng nếu tiếp điểm này được nối với nguồn dòng điện sao cho xuất hiện một điện trường trong lớp chặn, ngược hướng với trường bên trong của hàng rào điện thế (để làm được điều này, cực dương của nguồn dòng điện phải được nối với một chất bán dẫn loại p), thì hàng rào điện thế trên đường đi của điện tích sẽ yếu đi đáng kể. Một dòng điện sẽ chạy qua mạch, cường độ của nó sẽ tăng theo cấp số nhân khi điện áp đặt vào tăng. Ở cùng một điện áp, nó sẽ lớn hơn hàng nghìn lần so với dòng điện chạy qua một chất bán dẫn thuần túy (tinh khiết). Kết nối này của điểm nối pn được gọi là trực tiếp. Nếu nguồn hiện tại được kết nối theo hướng ngược lại, thì ngược lại, rào cản tiềm năng sẽ tăng lên và thực tế sẽ không có dòng điện qua vùng tiếp xúc (hay nói đúng hơn là nó sẽ rất yếu). Kết nối này được gọi là đảo ngược. Do đó, dòng điện chạy qua tiếp giáp p-n hầu như chỉ theo một hướng. Dòng điện xoay chiều được “chỉnh lưu” (trong trường hợp này, trong nửa chu kỳ của dòng điện hình sin xoay chiều, tiếp điểm không cho dòng điện đi qua). Tương tự với các ống vô tuyến đầu tiên xuất hiện vào đầu thế kỷ XX, thiết bị này được gọi là diode. Ưu điểm chính của bộ chỉnh lưu bán dẫn so với bộ chỉnh lưu ống là tính nhỏ gọn của chúng. Diode bán dẫn nhanh chóng trở nên phức tạp hơn với việc bổ sung các điện cực khác nhằm mục đích khuếch đại và tạo ra tín hiệu; sự kết hợp của các điểm nối p-n (được gọi là bóng bán dẫn) đã trở thành thành phần chính của mạch vô tuyến bán dẫn và nhiều thiết bị khác trong đó việc sử dụng ống vô tuyến rất khó hoặc thậm chí là không thể do kích thước lớn của chúng. Những người tạo ra các thiết bị bán dẫn đầu tiên, William Bradford Shockley, John Bardeen và Walter Hauser Brattain, đã trở thành người đoạt giải Nobel năm 1956 “vì nghiên cứu về chất bán dẫn và khám phá ra hiệu ứng bóng bán dẫn”. Cuộc cách mạng bán dẫn đã thay đổi bộ mặt nền văn minh nhân loại đến mức ngay cả những nhà văn khoa học viễn tưởng táo bạo nhất cũng không thể tưởng tượng được. Năm 1961, nghiên cứu bắt đầu về một tính chất khác của tiếp giáp p–n – sự phát ra ánh sáng của nó. Thật vậy, bức xạ điện từ sẽ phát sinh ở vùng tiếp xúc - sự ra đời của lượng tử năng lượng bức xạ. Thật vậy, khi một điểm nối p–n được nối trực tiếp với nguồn dòng điện, chuyển động mạnh trong vùng tiếp xúc của các electron tự do và các lỗ trống đối với nhau sẽ dẫn đến sự thay thế ngẫu nhiên (xác suất) các lỗ trống bằng các electron. Trong vật lý, quá trình này được gọi là sự tái hợp của electron và lỗ trống. Trong trường hợp này, electron đột ngột thu được thế năng âm (âm vì nó là năng lượng của lực hấp dẫn). Và cũng giống như trong quá trình tái hợp giữa electron và ion, một lượng tử bức xạ sẽ xuất hiện, năng lượng của nó bằng giá trị của năng lượng liên kết tiềm năng xuất hiện trong electron. Đây là quá trình ngược lại của quá trình giải phóng electron khi liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ. Do đó, lượng tử bức xạ sinh ra từ sự tái hợp của electron và lỗ trống có năng lượng bằng năng lượng vùng cấm.