




Đề tài:


Giáo viên hướng dẫn:  !"#$%
Sinh viên thực hiện: &'"('%)%
Lớp: *+,,+
-./+,,0
123 45678


.9&:;<*=>%!!?9


 &@A@
 +,,+
 +,,+B+,,C
  /D%E/F%! %
Tên đề tài:
./G"%H)I%J
!!"#$%!"&'()
 &*+&, -'.
/012&*+&,#!
3!,4*567567899:
304*;97;;7899:
3565<#899:
!!=()

>&?,

K5L7@2*M
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555555555555555555555
55555555555555555555555555555
/NOJPPPPPPPPQRS%9!TUUUUUUPPV


355<#899:
!!=()
>&?,
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
K5L7@W1
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555

555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
555555555555555555555555555555555555555555555555555
5555555555555555555555555555
/NOJPPPPPPPPQRS%9!TUUUUUUPPV
6
355<#899:
!!.'!"
5555555555556
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
MỤC LỤC
MỤC LỤC 7
DANH MỤC HÌNH VẼ 9
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 11
LỜI NÓI ĐẦU 13
CHƯƠNG I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VẬT LÝ
BÁN DẪN 15
P:XY/D"RI%GZ%PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP [
;6;6;@'()&A6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666;B
;6;68@'()%C!666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666;:
;6;6D@'()%C!E6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666;F
P+.X\]^!I/%/DOX#=%_:XY`RI%GZ%PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP+
;686; G<%=H666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666668;
;6868 IJ!EK66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666668D
PaI9b"IX#c%!Hd9X#e%X#=%_:XY`RI%GZ%PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP+[
;6D6;L&?M@NOC66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666668B

;6D68?C!4.#$40666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666668P
CHƯƠNG II. CÁC NGUỒN QUANG CƠ BẢN 29
+P1.;!IXb"$%PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP +f
+P+/]X;!IXb"$%&g*PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP a+
8686;@&?Q 6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666D8
86868&3%RC406666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666DS
8686DTU V W,XY66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666DB
8686SZ(N W,XY66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666D:
+Pa&$\h#PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP af
86D6;@&?Q %,1[?'()66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666DF
86D68&3%RC40 W,%,1[?6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666SS
86D6DTU V W,%,1[?'()6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666S:
86D6SZ(N W,%,1[?6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666SF
CHƯƠNG III. MỘT SỐ NGUỒN QUANG MỚI 52
aP&$\h#H/i"!ej%Hek9Q"%$RYhY$\h#VPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP[+
D6;6;!!!"& &66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666B8
7
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
D6;68 =-4!\&=]6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666B8
D6;6D %C!%,1[?4!\&=]666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666BD
D6;6SZ(N W,%,1[?4!\&=]66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666B:
aP+&$\h#HI;l%9<9%!$%!BYX#$m$\XY$\h#PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP[0
D686; %C!%?,^,1K%,1[?66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666B:
D6868_,#([?%?,^,1K%,1[?66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666BF
D686DL&,` %?,^,1K%,1[?6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666aD
D686S,1[?!,!&#b,!?[66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666aB
D686B,1[?1H!+&,6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666aP
aPa&$\h#RZ(Yek%XEPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP C+
D6D6;&3%c')3%=Hd6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666P8
D6D68J @&#0')3%=HdC406666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666PD

D6D6DJ @&!\&')3!\&%=HdC406666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666PP
aPn&$\h#o'ORI%GZ%PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP Cf
D6S6;!"&1&@66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666:;
D6S68@&?Q (CC 6666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666:D
aP[g&Y$\h#PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP 0[
D6B6;!!!"& &66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666:B
D6B68TU Vef&$66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666:a
KẾT LUẬN 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89
aPPp$%$%qDX!]%X! %o%b"$%qX:;+q!-r"sXRt%Re"H/D%q-./q+,,aPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP0f
8
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp…………………… …… ……………9
Hình 1.2 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao……………………… …….…… … 10
Hình 1.3 Trạng thái điện tử- lỗ trống tương ứng với nhiệt độ…… …………………
10
Hình 1.4 Tinh thể chất bán dẫn loại N ở nhiệt độ t=300
0
K…………………… …….11
Hình 1.5Trạng thái điện tử - lỗ trống trong chất bán dẫn loại N
tương ứng với nhiệt độ t = 300
0
K…………………………… … …………
… 12
Hình 1.6 Tinh thể chất bán dẫn loại P ở nhiệt độ t=300
0
K………… ………………
13
Hình 1.7 Trạng thái điện tử- lỗ trống chất bán dẫn loại P

tương ứng với nhiệt độ…………………………………………… ……….………14
Hình 1.7 Sự kích thích điện tử vùng hóa sang vùng dẫn trong
sơ đồ năng lượng (a) và sự tập trung điện tử, lỗ trống (b)………… ……….15
Hình 1.8 Phân cực cho các lớp tiếp giáp……………………………… ………… … 17
Hình 1.9 Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và gián tiếp (b)…….… 18
Hình 1.10 Sơ đồ quá trình hấp thụ, phát xạ và phát xạ kích thích…………… ….…
19
Hình 1.11Giản đồ năng lượng của tiếp giáp P-N với bán dẫn suy biến………
… 21
Hình 2.1 Sơ đồ khối của bộ phát quang……………………………………… …… 22
Hình 2.2 Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ
chênh lệch: a) độ rộng vùng cấm và b) chiết suất……………………….…….25
Hình 2.3a Cấu trúc LED phát xạ mặt……………………………………………….……27
Hình 2.3b Cấu trúc LED phát xạ cạnh…………………………………………… …….27
Hình 2.4 Phản xạ toàn phần tại bề mặt ra của LED …………………………… ……28
Hình 2.5 Đặc tuyến P/I của LED ………………………………… ……………… … 29
Hình 2.6 Độ rộng phổ của LED…………………………………………………… ……
30
Hình 2.7 Laser bán dẫn miền tích cực………………………………………… … …. 34
Hình 2.8 Laser miền cộng hưởng dùng ống dẫn sóng …………………… …… ……
34
9
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
Hình 2.9 Laser dị thể vùi với lớp tích cực thẳng…………………………….…… …
35
Hình 2.10 Cấu trúc laser chiết suất yếu………………………………………………… 36
Hình 2.11 Cấu trúc Laser dị thể …………………………………………………………36
Hình 2.12 Buồng cộng hưởng của laser và các quá trình bên trong nó………….….38
Hình 2.13 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại vào mật độ………………………
… 39

Hình 2.14 Đặc tính suy hao và khuếch đại của laser……………………………….….40
Hình 2.15 Đặc trưng công suất ra phụ thuộc vào dòng kích thích
ở các nhiệt độ khác nhau của LD dải dị thể vùi…………………………………41
Hình 2.16 Độ rông phổ của laser bán dẫn……………………………………… …… 42
Hình 3.1 Kết cấu Laser DFB………………………………………………… …… … 46
Hình 3.2 Kết cấu laser DBR………………………………………………………
…… 47
Hình 3.3Laser bán dẫn có điều chỉnh ngoài khoang cộng hưởng…………… …49
Hình 3.4 Laser MAGIC……………………………………………………………….
…….50
Hình 3.5Bộ khuếch đại tự khóa mode sử dụng Ti:sapphire .……………………
… 59
Hình 3.6 Sơ đồ một laser sợi quang đơn giản………………………………… ….….61
Hình 3.7 Một laser femtosecond được bơm bởi Er đơn giản……………… …… 61
Hình 3.8 laser sợi quang DBR với độ rộng phổ hẹp…………………………
……….62
Hình 3.9 Đầu ra khi nguồn quang đi quang thấu kính và gương…………… …….62
Hình 3.10 Gương vòng sợi quang………………………………………………
…… 63
Hình 3.11 Mức Tm
3+
trong sợi ZBLAN………………………………………… …… 63
Hình 3.12 Laser sợi quang chuyển mạch Q được bơm bởi Erbium đơn giản… ….64
Hình 3.13 Các mức năng lượng rời rạc của laser QW……………………….……… 66
Hình 3.14 Bước sóng đầu ra của QW được điều chỉnh theo
độ dày lớp tích cực d…………………………………………………… ……… 67
Hình 3.15 Kết cấu laser một bẫy lượng tử có chiết suất bậc (a)
và chiết suất giảm (b)………………………………………………… …… … 69
Hình 3.16 So sánh hiện tượng di tần giữa laser thông thường và laser QW… ……69
Hình 3.17 Cấu trúc laser MQW với lớp vỏ có thể là chiết

10
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
suất giảm dần (a) hoặc nhảy bậc (b)……………………………………….……71
Hình 3.18 Laser tiêm tiếp giáp thuần GaAs với hốc Fabry-Perot……………………73
Hình 3.19Laser tiêm DH GaAs/AlGaAs…………………………………………
…… 76
Hình 3.20 Laser tiêm DH GaAs/AlGaAs vạch………………………………… …
….77
Hình 3.21Cấu trúc laser VCSEL………………………………………………… …… 78
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ
AR Anti - Reflection Coating Lớp chống phản xạ
AWG Arrayed-Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng dãy
BA Boost Amplifier Khuếch đại gốc
CW Continous Wave Sóng liên tục
DBR Distributed Bragg Reflection Phản xạ phân bố Bragg
DD Direct Detection Tách trực tiếp
DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố
DSF Dispersion-Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc
ECL External-cavity laser Laser hốc ngoài
EDFA Erbium Dopped Fibre Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha Ebrium
FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi
FP Fabry Perot Hốc cộng hưởng F-P
11
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
FSR Free Spectral Range Dải phổ tự do
GRIN Graded Refractive Index Thấu kính chiết suất giảm dần
LASER Light Amplified and Stimulated
Emission of Radiation
Khuếch đại ánh sáng bức xạ kích thích

LD Laser Diode Laser Điốt
LDA Laser Diode Amplifier Bộ khuếch đại diode Laser
LED Light Emitting Diode Điốt phát quang
MAGIC Multistripe Array Gratting
Integrated Cavity
Hốc cộng hưởng tích hợp cách tử đa dải
MEMS Microelectromechanical systems Hệ vi cơ điện tử
MQW Multi - Quantum Well Đa bẫy lượng tử
NZ-DSF Nonzero Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc khác không
OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen-rẽ quang
OC Optical Carrier Sóng mang quang
OEO Optical–Electronic–Optical Biến đổi quang-điện-quang
PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực
QW Quantum Well Bẫy lượng tử
SG-DBR Sampled-grating DBR Laser DBR cách tử đơn giản
SMF Single-Mode Fiber Sợi đơn mode chuẩn
SOA Semiconductor optical amplifier Bộ khuếch đại bán dẫn quang
SQW Single Quantum Well Đơn bẫy lượng tử
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích
SSG Supercycle Refracted Grating Lưới cách tử nhiểu xạ siêu chu kì
VCSEL Vertical-cavity surface-emitting
laser
Laser hốc ngoài phát xạ mặt
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép tách kênh theo bước sóng
12
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
LỜI NÓI ĐẦU
Theo xu thế chung của xã hội, nhu cầu của con người ngày càng phong phú và
phức tạp. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của tất cả các lĩnh vực về khoa
học, kỹ thuật và xã hội. Cùng với đó, mạng viễn thông cũng đòi hỏi phải phát triển

ngày càng cao để đáp ứng những thay đổi này. Trong viễn thông, thông tin quang
được xem là một trong những ngành mũi nhọn. Khi các hệ thống thông tin cáp sợi
quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn
quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông
ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Các hệ thống thông tin quang có
nhiều ưu điểm hơn các hệ thống truyền tải truyền thống như: băng tần rộng, có cự ly
thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiểu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông
tin cao. Ngoài ra, hệ thống thông tin quang còn có tiềm năng trong các hệ thông
thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ
viễn thông hiện tại và cả tương lai.
Một trong những yếu tố làm cho hệ thống thông tin quang có những ưu điểm
nổi trội đó chính là nguồn quang, một thành phần quan trọng trong hệ thống thông
tin quang. Đó là thiết bị tích cực ở phía phát. Với các hệ thống truyền tải tốc độ cao
thì các nguồn quang phải có quy định nghiêm ngặt về bước sóng phát, độ rộng phổ,
13
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
khả năng điều chỉnh bước sóng… Điều này thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại nguồn
quang với những đặc điểm cũng như ứng dụng khác nhau.
Với những nhận thức như trên, cùng với sự hướng dẫn của cô giáo Ngô Thu
Trang em đã tìm hiểu và thực hiên đồ án “một số nguồn quang mới”. Nội dung chính
của đồ án gồm ba chương:
• Chương I: Các khái niệm trong vật lý bán dẫn – Trình bày các khái niệm
trong vật lý bán dẫn và các quá trình đặc trưng của chất bán dẫn.
• Chương II: Các nguồn quang cơ bản – Trình bày khái niệm về bộ phát
quang và nguồn quang cơ bản là điốt phát quang và laser.
• Chương III: Một số nguồn quang mới – Tìm hiểu về các đặc điểm, tính
chất cũng như nguyên lý làm việc của một số nguồn quang mới như laser quang
điều hưởng hay nguồn quang đáp ứng nhanh.
Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ còn hạn chế nên đồ án của em còn
nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy, cô giáo cùng các

bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Ngô Thu Trang đã tận tình giúp đỡ em
trong suốt thời gian làm đồ án này cũng như các thầy cô trong bộ môn thông tin
quang và khoa viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đồ
án.
14
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
CHƯƠNG I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VẬT LÝ BÁN DẪN
1.1 Vật liệu bán dẫn
Trong chương I, em xin trình bày những khái niệm cơ bản trong vật lý bán
dẫn, như thế nào là vật lý bán dẫn, các vùng năng lượng, các quá trình hấp thụ, phát
xạ ánh sáng. Đây là những kiến thức cơ bản để tìm hiểu về nguồn phát quang.
1.1.1Chất bán dẫn thuần
Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể.
Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong chế tạo linh kiện điện tử là Silicium
(Si) và Germanium (Ge). Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có bốn điện tử ngoài
cùng kết hợp với bốn điện tử của bốn nguyên tử kế cận tạo thành bốn liên kết hóa trị.
Vì vậy ở nhiệt độ thấp thì Si và Ge là các chất cách điện (hình 1.1).
15
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới

Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện
tử và làm gãy một số liên kết hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có
thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các
liên kết hóa trị bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta có thể
nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị, như hình 1.2.
16
Điện tử trong
dải hóa trị
Liên kết hóa trị

Hình 1.1 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0.7eV đối với Ge và
1.12eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những
17
Điện tử tự do
trong dải dẫn điện
Liên kết hóa trị
bị gãy
Hình 1.2 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao
Lỗ trống trong dải
hóa trị
Dải dẫn điện
Mức fermi
Dải hóa trị
E
Điện tử
trong dải
dẫn điện
Lỗ trống
trong dải
hóa trị
Hình 1.3 Trạng thái điện tử- lỗ trống tương ứng với nhiệt độ
Ở nhiệt độ thấp (0
0
K)
Ở nhiệt độ cao (300
0
K)
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới

lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị. Ta nhận thấy số điện tử
trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hóa trị.
1.1.2 Chất bán dẫn loại N
Chất bán dẫn loại N là chất bán dẫn có được khi pha trộn một nguyên tố nhóm
V trong bảng hệ thống tuần hoàn như As, P, Sb … với một chất bán dẫn thuần.
Ta xét trường hợp pha tạp As với Si:
Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể
thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với bốn
điện tử của Si lân cận tạo thành bốn liên kết hóa trị, còn dư lại một điện tử của As.
Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các liên kết hóa trị đều có năng lượng
trong dải hóa trị, trừ những điện tử thừa của As không tạo liên kết hóa trị có năng
lượng E
d
nằm trong dải cấm và cách dải dẫn điện một khoảng năng lượng nhỏ chừng
0.05eV.

Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số liên kết hóa trị bị gãy, ta có những
lỗ trống trong dải hóa trị và những điện tử trong dải dẫn điện giống như trong trường
hợp của các chất bán dẫn thuần. Ngoài ra, các điện tử của As có năng lượng E
d
cũng
18
S
i
S
i
S
i
S
i

A
s
S
i
S
i
S
i
S
i
Hình 1.4 Tinh thể chất bán dẫn loại N ở nhiệt độ t=300
0
K
Điện tử thừa của As
trong dải cấm
Dải dẫn điện
Dải hóa trị t=0
0
K
Điện tử thừa trong As
Mức Fermi tăng
0.05eV
1.12 eV
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện. Vì thế
ta có thể coi như hầu hết các nguyên tử As đều bị ion hóa (vì khoảng năng lượng
giữa E
d
và dải dẫn điện rất nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lượng E
d

đều được tăng năng lượng để trở thành điện tử tự do như hình 1.5.
Gọi N
n
là mật độ điện tử trong vùng dẫn, P
n
là mật độ lỗ trống trong vùng hóa
trị thì N
n
>> P
n
tức là dòng điện trong bán dẫn loại N chủ yếu do điện tử tạo nên gọi
là hạt dẫn đa số còn lỗ trống gọi là hạt thiểu số.
1.1.3 Chất bán dẫn loại P
Chất bán dẫn loại P là chất bán dẫn có được khi pha trộn một nguyên tố thuộc
nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn như In, Ga, Al… với một chất bán dẫn
thuần.
Ta xét trường hợp pha trộn In với Si:
Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế
một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử In kết hợp với ba
điện tử của ba nguyên tử Si kế cận tạo thành ba liên kết hóa trị, còn một điện tử của
Si có năng lượng trong dải hóa trị không tạo một liên kết với In. Giữa In và Si này ta
có một trang thái năng lượng trống có năng lượng E
A
nằm trong dải cấm và cách dải
hóa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0.08eV.
19
E Dải dẫn điện
Hình 1.5 Trạng thái điện tử - lỗ trống trong chất
bán dẫn loại N tương ứng với nhiệt độ t = 300
0

K
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
Ở nhiệt độ thấp (T=0
0
K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong dải hóa
trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng
lượng và vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vượt dải
cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng E
A
.
Gọi N
p
là mật độ điện tử trong vùng dẫn, P
p
là mật độ lỗ trống trong vùng hóa
trị thì N
p
<< P
p
tức là dòng điện trong bán dẫn loại P chủ yếu do lỗ trống tạo nên gọi
là hạt dẫn đa số còn điện tử gọi là hạt thiểu số.
20
S
i
S
i
S
i
I
n

S
i
S
i
S
i
S
i
S
i
Hình 1.6 Tinh thể chất bán dẫn loại P ở nhiệt độ t=300
0
K
Liên kết hóa trị không
được thành lập
Lỗ trống
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới

1.2 Một số khái niệm trong vật lý bán dẫn
1.2.1Các vùng năng lượng
Trong quá trình nghiên cứu về vật liệu, trong các vật liệu bán dẫn tồn tại các
đặc tính vừa dẫn điện vừa cách điện. Tức là trong trường hợp này nó là vật liệu dẫn
điện nhưng trong trường hợp khác nó lại là vật liệu cách điện. Ở điều kiện bình
thường, hầu như vật liệu đều hấp thụ ánh sáng nhiều hơn phát xạ ánh sáng. Ở môi
trường hấp thụ nguyên tử có hai trạng thái là trạng thái đất (hay còn gọi là trạng thái
bền) và trạng thái kính thích tương ứng với mức năng lượng E
1
và E
2
. Nếu ánh sáng

tới có năng lượng photon hv bằng với sự chênh lệch năng lượng (Eg = E
2
-E
1
) thì
photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ và chuyển lên trạng thái kích thích. Sự phát xạ ánh
sáng có thể xảy ra thông qua hai quá trình gọi là bức xạ tự phát và bức xạ kích thích.
Với bức xạ tự phát các photon phát ra có hướng ngẩu nhiên và không có quan hệ về
pha giữa chúng. Ngược lại với bức xạ kích thích thì các photon phát ra sẽ có cùng
pha và cùng tần số theo các photon tín hiệu ánh sáng tới.
Ở mức nhiệt độ thấp, tinh thể bán dẫn thuần túy sẽ có vùng dẫn hoàn toàn
trống các điện tử và vùng hóa trị lại đầy các điện tử. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một
dải cấm năng lượng, vùng dải này không tồn tại một mức năng lượng nào cả. Khi
nhiệt độ tăng lên, một số các điện tử sẽ bị kích thích nhiệt và vượt qua dải cấm
(chẳng hạn như đối với Silic thì năng lượng này cỡ 1.1eV - đây chính là năng lượng
21
Dải dẫn điện
Dải hóa trị
E
Mức fermi giảm
0.08eV
1.12eV
Ở nhiệt độ thấp 0
0
K Ở nhiệt độ cao 300
0
K
Hình 1.7 Trạng thái điện tử- lỗ trống chất bán dẫn loại
P tương ứng với nhiệt độ
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới

dải cấm). Quá trình này xảy ra làm xuất hiện các điện tử tự do (kí hiệu là n) trong
vùng dẫn và khi các điện tử này dời đi sẽ để lại các lỗ trống tương ứng (kí hiệu là p).
Các điện tử tự do và lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu và vật liệu thể hiện tính dẫn
điện khi các điện tử trong vùng hóa trị đi vào các lỗ trống. Lúc này có thể coi như lỗ
trống cũng di chuyển, sự di chuyển này ngược chiều di chuyển của điện tử. Sự tập
trung của điện tử và lỗ trống được xem là sự tập trung bản chất bên trong, kí hiệu là
n
i
và được thể hiện bằng công thức sau:
n = p = n
i
= K.exp(-Eg/2k
β
T) (1-1)
Với K = 2(2πk
β
T/h
2
)
3/2
(m
e
m
h
)
3/4
Trong đó: Eg là độ rộng vùng cấm.
k
β
là hằng số Boltzman.

h là hằng số Plank.
m
e
, m
h
là khối lượng của điện tử và lỗ trống.
T là nhiệt độ tuyệt đối.
K là hằng số vật liệu.
22
b)a)
Eg= Ec - Ev
Ec
Ev
Phân bố mật độ
điện tử
Hình 1.7 Sự kích thích điện tử vùng hóa sang vùng dẫn trong sơ đồ năng
lượng (a) và sự tập trung điện tử, lỗ trống (b)
Điện tử Vùng dẫn
Chuyển
dich điện tử
Vùng
cấm
Vùng hóa trị
Lỗ trống
~2K
B
T
~2K
B
T

Phân bố mật
độ lỗ trống
Năng lượng
điện
tử
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
Có thể tăng tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn bằng cách pha thêm một lượng
nhỏ tạp chất thuộc các nguyên tố nhóm V (như P, As, Sb…) hoặc nhóm III (như Ga,
Al, In …). Khi được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm V, các điện tử tự do trong vùng
dẫn gia tăng, lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại N. Khi được
pha tạp bởi các nguyên tố nhóm III, các lỗ trống trong vùng hóa trị gia tăng, lúc này
vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại P. Tính dẫn điện của vật liệu bây
giờ tỷ lệ với sự tập trung hạt tải (các điện tử và lỗ trống).
Các vật liệu pha tạp như vậy dùng khá phổ biến trong viễn thông (đặc biệt là
trong các bộ thu phát quang), có thể kể ra rất nhiều loại vật liệu như: InP, InAs,
GaAs, GaAsP, InGaAsP… Bảng 1.1 tổng hợp một số vật liệu với các dải cấm và
bước sóng.
Loại vật liệu Tên vật liệu Dải cấm Bước sóng
Các vật liệu hai
thành phần
GaP (Gali – Phốt pho)
AlAs (Nhôm - Asen)
GaAs (Gali - Asen)
InP (Indi – Phốt pho)
InAs (Indi - Asen)
2.24 eV
2.09 eV
1.42 eV
1.33 eV
0.34 eV

0.55 µm
0.59 µm
0.87 µm
0.93 µm
3.60 µm
Các vật liệu nhiều
thành phần
AlGaAs (Nhôm-Gali-
Asen).
InGaAsP (Indi-Gali-
Asen-Phốt pho)
1.42 - 1.61 eV
0.74 -1.13 eV
0.77 - 0.87
µm
1.10 - 1.67
µm
Bảng 1.1 Dải cấm và bước sóng của một số vật liệu bán dẫn
1.2.2 Các tiếp giáp P-N
Lớp tiếp giáp P-N là vấn đề quan trọng nhất trong chế tạo nguồn quang. Lớp
tiếp giáp P-N được tạo nên nhờ tiếp xúc giữa bán dẫn loại P với bán dẫn loại N. Tiếp
giáp này sẽ có các đặc tính của bán dẫn loại P, loại N ngoài ra nó sẽ có thêm những
đặc tính riêng rất quan trọng trong vật liệu bán dẫn.
23
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
Khi tạo ra lớp tiếp giáp P-N thì các hạt tải đa số khuếch tán qua nó làm cho
các điện tử lấp vào các lỗ trống bên phía bán dẫn loại P của tiếp giáp và sinh ra các
lỗ trống bên phía bán dẫn loại N, điều này làm xuất hiện một trường điện đặt ngang
qua tiếp giáp. Trường này ngăn cản sự chuyển động của các điện tích khi cân bằng
được thiết lập. Do điện tử và lỗ trống tạo thành cấu trúc liên kết đồng hóa trị nên

vùng tiếp giáp không có các hạt tải di động, hay còn gọi là vùng nghèo.
Khi cấp một điện áp cho tiếp giáp này, cực dương nguồn nối với vật liệu N,
cực âm nối với vật liệu P thì tiếp giáp này được gọi là phân cực ngược (như hình
1.8c). Nếu phân cực ngược cho tiếp giáp P-N, vùng nghèo sẽ bị mở rộng ra về cả hai
phía. Điều này càng cản trở các hạt tải đa số tràn qua tiếp giáp. Tuy nhiên vẫn có
một số lượng nhỏ hạt tải thiểu số tràn qua tiếp giáp tại điều kiện nhiệt độ và điện áp
bình thường. Còn khi phân cực thuận cho tiếp giáp (cực âm nối với vật liệu N, còn
cực dương nối với vật liệu P như hình 1.8b) thì các điện tử vùng dẫn phía N và các
lỗ trống vùng hóa phía P lại được phép khuếch tán qua tiếp giáp nhờ lực điện trường
ngoài đủ lớn so với điện trường vùng nghèo. Lúc này việc kết hợp các hạt tải thiểu
số tăng lên. Các hạt tải tăng lên sẽ tái hợp với hạt tải đa số. Quá trình tái kết hợp các
hạt tải dư ra chính là cơ chế để phát ra ánh sáng.
24
Loại n Loại pLoại n Loại p
Loại n Loại p
Vùng nghèo
Tiếp giáp
P-N
Hình 1.8 Phân cực cho các lớp tiếp giáp
a) Tiếp giáp P-N
c) Phân cực ngượcb) Phân cực thuận
Đồ án tốt nghiệp Một số nguồn quang mới
Các chất bán dẫn thường được phân ra thành vật liệu có dải cấm trực tiếp và
dải cấm gián tiếp tùy theo dạng của dải cấm phụ thuộc vào động lượng k trong hình
1.9.
Quá trình tái kết hợp đơn giản nhất và dễ xảy nhất khi mà điện tử và lỗ trống
có cùng động lượng, trong trường hợp này ta có vật liệu dải cấm trực tiếp. Còn trong
vật liệu có dải cấm gián tiếp, các mức năng lượng nhỏ nhất ở vùng dẫn và lớn nhất ở
vùng hóa trị lại xảy ra tại các giá trị động lượng khác nhau. Như vậy việc tái kết hợp
ở đây cần phải có phần tử thứ ba để duy trì động lượng bởi vì động lượng photon là

rất nhỏ. Các phonon sẽ đáp ứng điều này.
1.3 Các quá trình đặc trưng trong vật lý bán dẫn
1.3.1Quá trình hấp thụ và phát xạ
Trong vật liệu, ở điều kiện bình thường có xảy ra các quá trình tương tác giữa
vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạ hay hấp
thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai mức năng
lượng E
1
và E
2
với E
2
> E
1
như hình 1.10 sau. Trong đó E
1
là trạng thái cơ sở hay
trạng thái bền còn E
2
là trạng thái kích thích.
25
Năng
lượng
vùng
cấm
trực
tiếp
Năng
lượng
vùng

cấm
gián
tiếp
X
(!?
Chuyển dịch điện tử
hf=E
dir
E
ind
hf=E
ind
-E
ph
Năng lượng
phonon E
ph
,g 'g
Hình 1.9 Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và gián tiếp (b)
Vùng dẫn Vùng dẫn
Vùng hóa trị Vùng hóa trị