Tinh thể tạo ra bất thường

31

Máy tạo tinh thể bất thường

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
I. V. KARPOVA

Hãy tưởng tượng một mục tiêu điện bao gồm một chip bán dẫn được chuẩn bị đặc biệt, một điện trở và nguồn điện áp DC (chẳng hạn như pin đèn pin) được mắc nối tiếp. Hóa ra trong những điều kiện nhất định, dao động điện có thể xảy ra trong mạch điện như vậy. Điều này lần đầu tiên được dự đoán về mặt lý thuyết và sau đó được xác nhận bằng thực nghiệm.

Các rung động có biên độ vài volt được phát hiện trong thí nghiệm; tần số rung dao động từ $10^2$ đến $10^7$ Hz. Mẫu phát laser là một thanh hình chữ nhật có kích thước mặt từ vài mm đến hàng chục micron, được cắt từ một tinh thể germanium hoặc silicon.

Đặc điểm là các rung động xảy ra trong các điều kiện chung nhất: ở nhiệt độ phòng, không có áp suất bổ sung, không có điện trường hoặc từ trường mạnh. Tất cả các tính năng chỉ liên quan đến thành phần của tinh thể. Những tính năng này là gì?

Người ta biết rằng trong chất bán dẫn, điện tích được truyền bởi hai loại chất mang: electron và lỗ trống, trước hết chúng khác nhau về dấu của điện tích và hướng chuyển động có trật tự trong điện trường. Electron và lỗ trống có thể ở hai trạng thái - tự do và ràng buộc. Sự chuyển từ trạng thái thứ nhất sang trạng thái thứ hai được gọi là sự tái hợp. Trong trường hợp này, sự chuyển tiếp của các hạt mang điện bị bắt bởi cái gọi là bẫy, thường đóng vai trò là các nguyên tử tạp chất hoặc các khuyết tật trong mạng tinh thể của chất bán dẫn. Bẫy thường mang điện nên rõ ràng là các electron và lỗ trống bị bắt bởi cùng một bẫy với xác suất khác nhau. Do đó, thời gian họ tham gia chuyển giao hiện tại (suốt đời) cũng không giống nhau. Vì vậy, nếu các tạp chất thích hợp được đưa vào tinh thể, sao cho thời gian tồn tại của các electron và lỗ trống, cũng như nồng độ của chúng, thỏa mãn một tỷ lệ nhất định, thì việc tạo ra dao động điện có thể xảy ra trong tinh thể. Hãy thử giải thích điều này.

Giả sử rằng ở đâu đó trong chất bán dẫn đã xuất hiện sự dao động (tính không đồng nhất) của mật độ electron. Vì toàn bộ chất bán dẫn trung hòa về điện nên điện tích âm thu được phải được bù bằng điện tích dương của dao động lỗ tương ứng. Hãy để các bẫy được đưa vào tinh thể sao cho hầu hết các lỗ trống dư thừa sẽ bị liên kết và các electron sẽ được tự do.

Nếu đặt một điện trường ngoài có hướng $E_0$ vào mẫu, nó sẽ phân cực sự dao động của lỗ trống và electron, do đó, tổng điện trường bị giảm đi

(xem hình). Chúng ta hãy đo khoảng cách các dòng lỗ tự do chảy vào và ra khỏi vùng dây điện trường. Dòng chảy của lỗ, tức là số lượng lỗ đi qua mỗi giây qua một đơn vị diện tích mặt cắt vuông góc với hướng của lỗ, bằng $q_p=n_pv$, trong đó $n_p$ là nồng độ của lỗ, $c$ là tốc độ của chúng. Trong tinh thể đồng nhất, nồng độ của các lỗ tự do luôn có hướng (tương tự như tốc độ định hướng của các lỗ tự do trong kim loại). Ở sườn bên trái của dây ruộng, lượng lỗ vào lớn hơn lỗ thoát ra nên lỗ sẽ tích tụ ở sườn trái, tức là sẽ mọc trên bẫy. Ở độ dốc bên phải của dây ruộng, số lỗ chảy vào ít hơn lỗ thoát ra, tức là ở đây lỗ sẽ được tạo ra từ bẫy. Như vậy dao động của lỗ sẽ dịch chuyển sang trái.

Khi xác định các điều kiện thì hóa ra (Cuối cùng, xem trang 40)