Tinh thể silicon, electron và lỗ trống
Electron tự do
Electron nhận đủ năng lượng từ nhiệt thì rời covalent bond (liên kết cộng hóa trị), trở thành free electron (electron tự do).
Mỗi nguyên tử Si có 4 valence electron (electron hóa trị); mỗi liên kết giữ 2 electron.
Electron tự do không thuộc liên kết nào → đi khắp mạng.
Xem lời đọc
Một vài liên kết trong tinh thể bị bẻ. Mỗi nguyên tử silicon có bốn electron hóa trị, mỗi liên kết giữ hai electron, như nhãn trên hình. Bạn nhìn chấm xanh xem. Electron này đã rời liên kết, nên đi khắp tinh thể. Nó va chạm liên tục, nên đường đi quanh co. Còn các chấm vàng thì ở lại trong liên kết. Vậy chỗ liên kết vừa mất electron còn lại gì? Chỗ đó đang thiếu một electron.
Electron tự do không chuyển động thẳng: nó liên tục va chạm với dao động nhiệt của mạng nên đường đi quanh co, như vệt trên hình.
Hình phẳng chỉ giữ số liên kết, không biểu diễn góc cỡ 109,5° giữa các liên kết hay khoảng cách thật. Tinh thể silicon thật có cấu trúc kim cương ba chiều, mỗi nguyên tử ở tâm một tứ diện. Hai chấm giữa hai đường song song không biểu diễn quỹ đạo cổ điển của electron.
Lỗ trống
Liên kết thiếu một electron là một hole (lỗ trống), tương đương một hạt mang điện dương.
Electron của liên kết bên cạnh nhảy sang lấp chỗ trống.
Electron nhảy sang trái → lỗ trống dịch sang phải.
Xem lời đọc
Bạn nhìn vòng đỏ này. Liên kết ở đây thiếu mất một electron, và ta gọi chỗ thiếu đó là lỗ trống. Nó mang điện dương. Giờ để ý electron ở liên kết bên phải. Nó nhảy sang trái, đi vào chỗ trống. Liên kết bên phải thì lại thiếu một electron. Vậy lỗ trống đã dịch sang phải, đến đúng chỗ electron vừa rời đi. Electron đi một hướng, lỗ trống đi hướng ngược lại. Cứ thế, lỗ trống đi được qua tinh thể.
Mỗi lần electron liên kết nhảy, nó chỉ đi một khoảng cỡ độ dài liên kết và vẫn ở trong liên kết. Chỉ chỗ thiếu electron là đi xa.
Mô tả lỗ trống như một hạt mang điện dương là cách gọn để theo dõi chuyển động chung của nhiều electron liên kết. Hướng nhảy trên hình chỉ là một ví dụ.
Dòng điện của electron tự do và lỗ trống
Dưới điện trường, electron tự do chạy về cực +, lỗ trống dịch về cực −; cả hai cùng góp vào dòng điện.
Ở silicon, cùng điện trường, lỗ trống thường trôi chậm hơn electron tự do cỡ vài lần.
Nối nguồn → electron về cực + · lỗ trống về cực − → cùng góp dòng.
Xem lời đọc
Giờ ta nối nguồn vào hai đầu mạng. Điện trường đi từ cực dương sang cực âm. Electron tự do bị kéo về cực dương, sang trái. Còn lỗ trống thì sao? Các electron liên kết lần lượt nhảy sang trái, nên lỗ trống dịch sang phải, về cực âm. Ở silicon, cùng điện trường, lỗ trống thường trôi chậm hơn electron tự do cỡ vài lần. Hai loại hạt tải chạy ngược chiều nhau, nhưng cùng góp vào một dòng điện.
Electron mang điện âm đi ngược chiều điện trường; lỗ trống mang điện dương đi cùng chiều điện trường. Hai chuyển động ngược nhau nhưng tạo dòng điện quy ước cùng chiều, nên cộng lại.
Tốc độ trên hình chỉ cho thấy thứ tự, không theo tỉ lệ thật.
Sinh cặp electron–lỗ trống
generation (sinh hạt tải) bẻ một liên kết, tạo một electron–hole pair (cặp electron–lỗ trống).
Nhiệt sinh cặp thưa và ngẫu nhiên; ánh sáng đủ năng lượng sinh thêm.
Chiếu sáng → ánh sáng bẻ liên kết → thêm cặp electron + lỗ trống.
Xem lời đọc
Nhiệt không phải cách duy nhất để bẻ liên kết. Lúc đầu chỉ có nhiệt, và cặp mới sinh ra thưa thớt, ngẫu nhiên. Giờ ta chiếu sáng vào tinh thể. Ánh sáng có đủ năng lượng thì bẻ được một liên kết. Bạn thấy không, mỗi lần bẻ xuất hiện đúng một electron tự do và một lỗ trống. Cả hai ra đời cùng lúc, cùng chỗ. Chiếu sáng thì cặp mới xuất hiện nhiều hơn hẳn.
Mỗi photon được hấp thụ thường tạo một cặp, nếu có đủ năng lượng để bẻ liên kết. Photon không đủ năng lượng thì không tạo cặp trực tiếp. Ánh sáng nhìn thấy là ví dụ ánh sáng đủ năng lượng; ánh sáng hồng ngoại xa thì không đủ.
Trên hình, vị trí và thời điểm các cặp sinh ra là ngẫu nhiên; số cặp chỉ minh họa.
Tái hợp electron–lỗ trống
recombination (tái hợp) là electron tự do lấp vào lỗ trống, làm mất cả hai hạt tải.
Liên kết có đủ hai electron trở lại; năng lượng được giải phóng.
Electron rơi vào lỗ trống ở gần → liên kết đầy lại → cặp biến mất.
Xem lời đọc
Cặp hạt tải sinh ra thì cũng mất đi. Bạn nhìn electron xanh đang được đánh dấu. Có một lỗ trống đỏ nằm ở gần nó. Electron rơi vào chỗ trống đó của liên kết. Liên kết có đủ hai electron trở lại, và năng lượng được giải phóng. Electron tự do và lỗ trống cùng biến mất. Ta gọi đó là tái hợp. Nhưng nếu cặp cứ mất đi như vậy, vì sao tinh thể vẫn còn hạt tải?
Năng lượng giải phóng thành dao động của mạng (nhiệt) hoặc, hiếm hơn, thành ánh sáng. Ở silicon, tái hợp chủ yếu không phát sáng.
Hình đơn giản hóa: ở silicon, tái hợp thường xảy ra qua khuyết tật hoặc tạp chất, hình chỉ minh họa. Electron có thể lấp bất kỳ lỗ trống nào, không nhất thiết lỗ trống cùng sinh ra với nó.
Cân bằng giữa sinh và tái hợp
Khi không chiếu sáng, ở nhiệt độ xác định, tốc độ sinh bằng tốc độ tái hợp, nên số cặp gần như không đổi.
Từng cặp chỉ tồn tại một thời gian ngắn, nhưng cặp mới liên tục thay thế.
Sinh = tái hợp → số cặp dao động quanh một giá trị.
Xem lời đọc
Sinh và tái hợp diễn ra liên tục, ở khắp nơi trong tinh thể. Bạn nhìn bộ đếm. Nhiệt sinh thêm cặp mới, và những cặp cũ tái hợp. Từng cặp chỉ tồn tại một lúc, nhưng cặp mới luôn thay thế. Khi không chiếu sáng, ở một nhiệt độ xác định, tốc độ sinh bằng tốc độ tái hợp. Nên số cặp chỉ dao động quanh một giá trị. Đó là trạng thái cân bằng của hạt tải trong silicon tinh khiết.
Ở 300 K, khi không chiếu sáng (cân bằng nhiệt), nồng độ electron tự do trong silicon tinh khiết cỡ 1010 cm−3, và nồng độ lỗ trống cũng cỡ ấy (mỗi loại). Mật độ nguyên tử cỡ 5 × 1022 cm−3, nên cỡ năm nghìn tỉ nguyên tử mới có một electron tự do (và một lỗ trống). Số chấm trên hình chỉ minh họa.
Nhiệt độ tăng thì tốc độ sinh tăng nhanh, nên cân bằng ở số cặp lớn hơn.