Nghiên cứu sự hoạt Động và Ứng dụng của laser bán dẫn

Trong thời gian qua với sự phát triển nhanh chóng của ngành kỹ thuật điện tử nói chung trong đó kỹ thuật quang điện tử là một ứng dụng, Những mà trong thời gian ngắn trước đây người ta

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

HGMUIIE

ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP NGÀNH LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ HOẠT ĐỘNG VÀ UNG DUNG CUA LASER BAN DAN

GVHD: PHAN THANH VAN SVTH: DO BUI TRUNG THAO

<XLOO10O:

TP Hồ Chí Minh, thang 12/2000

Trường ĐHSPKT TPHCM ˆ T7 Thần văn tốt nghiệp

Neier alu au poat đông và ứng dng dla LAGER bin din : TC

ass

~ F852 BALHOC QUOC GIA THANH PHO HO CHi MINH

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT

KHOA DIEN œ£g»

BỘ MÔN: ĐIỆN KHÍ HÓA VÀ CUNG CẤP ĐIỆN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

`, 224:

NGHIÊN CỨU SỰ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA LASER BÁN DẪN

2⁄4 2⁄%4.2y 21x : Phan Thanh Vân

Sak Veen Tktic Hein : Đỗ Bùi Trung Thảo

Nien Khéa 1995 — 2000

LL01018

Trung DHSPKTTPHCM ˆ T1 ean van 104 nghigp

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ Và Tên Ninh Viên : Đỗ Bùi Trung Tháo

Nién khoa : 1995 ~ 2000

Miành : Điện Khí Hóa Và Cung Cấp Điện

ĐẦU ĐỀ LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU SỰ HOẠT ĐỘNG VÀ

ỨNG DỤNG CỦA LASER BÁN DẪN

Các số liệu ban đầu:

Nội dung và các phân thuyết minh tính toán:

Go bần ve và:đỗ (Í ássesaoaaDuasdaensa

Cán bộ hướng dẫn: Phan Thanh Vân

Ngày giao nhiệm vụ:

Ngày hoànthành nhiệm

Giáo viên hướng dẫn ký tên Thông qua bộ môn

(Ky va ghi rõ họ tên ) Ngày tháng năm2000

Trường ĐHSPKT TPHCM ” Anda vain dối nghiệp _NiễnU s/ loạt động tà ee

Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học SPKT TP.HCM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN: ĐIỆN KHÍ HÓA VÀ CUNG CẤP ĐIỆN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và lên sính viền Đổ Bùi Trung Tháo

Giáo viên hướng đâu: Phần Thành Vận

Trường ĐHSPKT TPHCM ˆ - : Luận văn tốt nghiệp

Nye clu au haat dng 12 ha arg cla LAGER ban “Š: :

Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Trường Đại Học SPKT TPHCM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN: ĐIỆN KHÍ HÓA VÀ CUNG CẤP ĐIỆN

NHÂN XÉT CỦA GIÁO VI

Hộ và tên sinh viên: bỗ Hùi Trung Tháo

Giao viên hướng đã

Trường ĐHSPKT TPHCM ” ee ˆ kuận văn tốt nghiệp

Can xin chin thanh edn tg od biel one

Thiy Phan Thanh Odu: Gidng vien thoa ogt Lj Tritdug Dai Hoge

Su (Pham Thanh Phe Hd Chi Minh — Nywet da tin tinh Inténg dén tgo- diéu kign thugn let cho em hodn Uuinh dé tai nay

Quy duiy cd Tring Baqi Ibge Su Pham Kj Thi trong nam nam qua da tin tinh gidug day em hoe tip va nim otng bitin tute cin thiét

uất

Tat ca ede ban sinh vién đã động oiêm limÍt thin va giip de dé agt kết quá tết

Sân, (Oiên Gluựe 26iện

DE Bai Fruny Théo

Đã từ lâu người ta biết đến sự phát sáng của mặt trời, các vì sao, các

ngọn lửa Với sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật có thể tạo ra những ánh sáng phục vụ cho đời sống xã hội một cách thiết thực Trong thời gian qua với sự

phát triển nhanh chóng của ngành kỹ thuật điện tử nói chung trong đó kỹ thuật

quang điện tử là một ứng dụng, Những mà trong thời gian ngắn trước đây người ta cồn cho là “Không thể thực hiện được” hay còn nằm trong “Một tương

lai xa” thì nay nó đã hiện thực một cách nhanh chóng đến ngạc nhiên, tiêu biểu cho sự kiến này là lình vực về J.ASER bán dẫn, Sư ra đời của LASER, được ứng dụng tông tãi tong tình vực nghiên cứu khoa học và một số ngành nghề trong,

đợi sông nhữ Tà tế, công nghệ thông tín, rong các nhá máy công nghiệp, nông

ng phản nào về tinh vue LASER ban dan,

toàn bộ tấp luận văn gồm 3 phần:

$* Phần L : Phần tổng quát,

Ph 1: LASER bán dẫn

Phần II: Ứng dụng của LASER bán dẫn trong thực tế

Trong thời gian học ở trường em xin chân thành cám ơn các quý thầy cô ở

?ng Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình chi

bảo trao đổi những kiến thức cho em và xin đặc biệt cắm ơn thầy Phan Thanh

Vân Giảng Viên Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hỗ Chí Minh đã tận tụy

hướng dẫn giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn

Với khả năng và tài liệu thông tin có hạn, thời gian không nhiều cuốn luận

văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong sự đóng góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn

Sinh Viên Thực Hiện

Đỗ bùi Trung Thảo

Tring DHSPKT TPHCM TT 7 buậnhiốinghiệp

_Ngiệt di) sử loa: đông tà: dịu Aru dúa LASEK bán dẫn ¡

MỤC LỤC

Trang Lời cảm tạ

Lời nói đầu

Phần I: phần tổng quát

i ử phát triển và phát minh ra LASER

1 Lie h sử phat trién ctia LASER

2./ Lich sử phát mình ra LASIk

1I./ SƠ lược về các mức năng lượng trong nguyên tử,

HỊL/ Cách tạo va tia LASER "

IV /Nguyên tắc hoạt đồng của tu | L.ASI: Bi

1

1I,/ Các mức năng lượng trong chất ban dai

1II/ Những điều kiện cơ bản của LASER bán dẫn

1V./ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

1./ Đặc tính kỹ thuật

2./ Sự lão hóa và chú ý sử dụng LASER bán dẫn

3./ Sự phát triển của LASER bán dãi

Phân III: Ứng dụng của LASER bán dẫn trong thực tế

A./ LASER bán dẫn trong dé dùng điện tử

B./LASER bán dẫn trong công nghệ thông tin

C./LASER bán dẫn dùng trong các máy Scanner

D./ LASER ban dan trong các máy in, máy photocopy

E./LASER bán dẫn ứng dụng trong y khoa

Trường ĐHSPKT TPHCM ” G8 ` luận văn lốt nghiệp

_Aghih ahi au beat déng A Ung ding La LASER bin din nh

PHẦN TỔNG QUÁT

Trường DASPKT TPHCM : ce Ludn van tot nghiệp Aghin du 2 beet: ding va Ung Ang cla LAGER ban dn : L/ LICH SU PHAT TRIEN VA PHAT MINH RA LASER:

1/ Lịch sử phát triển của LASER:

Đã nói đến ánh sáng thì loài người, ai cũng biết, nhưng bản chất của ánh

sáng là gì ? Để trả lời chính xác câu hỏi này thì phải trãi qua một thời gian làm

việc dài của các nhà Vật lý từ NEWTON, MAXWEL, cho đến EINSTEIN

ư cho biết chính xác “Anh sáng là những hạt lượng tử “photon” vừa

thạt vừa có bản chất sóng”

Nói đến tính chất sóng của ánh sáng tức là nói đến sóng điện từ, mà sóng điện từ được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật truyền thông Ban đầu người ta truyền thông tin bằng sóng Radio và nhận thấy rằng sóng có bước sóng dài Không thế truyền xã được, muốn truyền thông tin đi xa phấi dùng sóng có

bước sóng ngắn Tuy nhiên truyền thông tin băng sóng điện từ có nhiều hạn

chế như Không thể truyện tin trong những môi trưởng có bức xạ điện từ mạnh, phụ thuộc Vào thời Hết Người tạ tan một phương tiện khác để truyền dẫn thông

tín đồ TÀ ảnh sảng Ánh sàng được Huyền dẫn ưong một %Ji quang, khắc phục

gian như : không bị

n âm Irong các loại

€6 rất nhiều ưu điểm

dude nhieu ohio chem của sông điện từ truyền wong

ánh hướng của từ trường, uường điện từ, khong bi x

dnb sang do anh sang LASER được đặc biệt chú ý

Ea sẻ âm hiểu về ảnh sáng LASER sau day,

Từ L.ASER dược viết tắt từ các chữ cái đầu của cụm từ tiếng Anh là "Light

Amplification By Stimulated Emission of Radiation” c6 nghia la khuéch dai

ảnh sảng bằng bức xạ cắm ứng

Ý trưởng được hình thành trên ba yếu tố:

+ Khi nguyên tử thay đổi trạng thái mức năng lượng nó sẽ phát xạ năng lượng,

ngoài sự phát xạ tự phát còn có sự phát xạ cảm ứng Trong phát xạ cảm ứng,

photon mới sinh ra có cùng tần số, cùng pha với photon sinh ra nó

® Các photon mới sinh ra được lưu trữ trong buồng “cộng hưởng” và chúng

chuyển động qua lại nhiều lần tạo nên một luồng photon định hướng và có

Ngày nay tỉa LASER đã giúp ích rất nhiều cho các nhà nghiên cứu về các lĩnh

vực: khoa học kỹ thuật, đời sống xã hội

Trường ĐHSPKT TPHCM SẺ

apse M0118 m1

2./ Lịch sử phát minh tia sing LASER:

Vào cuối những năm 40 và đầu những năm 60 của thế kỷ XX, Vật lý học

đã đóng góp nhiều công trình khoa học to lớn cho con người, một trong những công trình đó là LASER

` Euận văn tối nghiệp

Những năm tháng đánh dấu chặng đường phát minh ra LASER:

e© Năm 1954 được xem là năm sinh của máy phát lượng tử, thực hiện được

công việc này là do các nhà bác học tên tuổi của Liên Xô và Mỹ nghiên cứu: hai nhà Vật lý Liên xô là BACOB (Basov) và TIPOXOPOB

(Prokhoroy) thude vin nghién city LEBEDEY da ché tao ra may phat lượng

ti (MASER) dufa wén su chuyén dich của điện tử giữa các mức năng lượng

e Nha Vat ly M¥ CHARLES TOWNES, thuộc viện kỹ thuật Massachusetts (MET) cho radii may phát lượng tứ (MASIEÓ dụng phân tử NHà

® Nan 1900 lan dav ten b My, THRODOKI: MAINMAN 6 cong ty Hughes

Nhetalt đã chế tạo dude tia LASIK từ chất rấn la Kubi (hong ngoc) Nam

1961 nhà vật lý Mỹ AFAVAN da san xual ra may phat LASER bang hén

hop kha Neon — Helium

¢ Nam 1962 = 1903 LASER ban dẫn ra đời

Nam 1964 giải Nobel về kỹ thuật LASER được trao cho BACOB, TIPRONOPOH và CHARLES TOWNES

LƯỢC VỀ CÁC MUC NĂNG LƯỢNG TRONG NGUYÊN TỪ :

Mỗi một electron của nguyên tử và phân tử có các mức năng lượng bất

Chúng ta xét một nguyên tử duy nhất, cô lập, giả sử chỉ có thể tổn tại ở

một trong hai trạng thái có năng lượng tương ứng là E¡ và Ea

Năng lượng của bức xạ điện từ thể hiện dưới dạng lượng tử hv, sự ảnh

hưởng qua lại giữa bức xạ sóng điện từ và năng lượng chỉ xảy ra khi điều kiện

sau đây có được:

hv=E¿- Ei (1)

Sự dịch chuyển của các electron giữa các mức năng lượng thường đi kèm

theo sự hấp thụ hay phát ra ánh sáng với độ dài sóng:

‘Tnidng DHSPRTTPHCM : TT TL Hiận văn tết nghiệp

- vy: Tan s6 anh sang (Hertz)

Dưới đây chúng ta sẽ xét ba loại dịch chuyển mức năng lượng của electon như ở hình (2):

Tương tác của vật chất với bức xạ trong các quá trình: (a) Hấp thụ; (b) Bức xạ

tự phát; (c) Bức xạ câm ứng Quá trình cuối càng (c) chính là cơ sở cho sự hoạt

động của LASER

Ở hình 2(a) cho thấy nguyên tử ban đầu ở trạng thái năng lượng thấp trong

hai trạng thái, có năng lượng E Chúng ta cũng giả thiết rằng có một phổ bức

xạ liên tục có mặt ở đó Nếu một photon có năng lượng là :

hv=E¿- Ei (1)

tương tác với nguyên tử đang xét thì photon sẽ biến mất và nguyên tử sẽ

chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn Chúng ta gọi quá trình quen thuộc

này là sự hấp thụ

Trong hình 2(b) nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và không có

một bức xạ nào ở đó Sau một khoảng thời gian sống trung bình + nào đó,

nguyên tử tự động chuyển sang trạng thái có năng lượng thấp hơn và quá trình

đó phát ra một photon có năng lượng hv chúng ta thường gọi quá trình này là sự

4

Thường ĐHSPKT TPHCM _ˆ nh ‘Luan văn tốt nghiệp:

Nghền c4 sự haat: Ông vÀ đi drg của LAGEE hấn dln a 3

bức xạ tự phát, vì nó không xảy ra dưới sự tác động của bên ngoài Anh sáng phát ra từ dây tóc phát nóng của bóng đèn điện thông thường chính là được phát

ra bằng cách này

Thông thường thời gian sống trung bình của các nguyên tử bị kích thích

trước khi xẩy ra bức xạ tự phát vào cỡ 10s Tuy nhiên có một số trạng thái có thời gian sống trung bình lâu hơn, cỡ 10s, chúng ta gọi các trạng thái này là

trạng thái siêu bên, chúng đóng vai trò căn bản trong sự hoạt động của LASER

Hình 2(c): Nguyên tử đang Ở trạng thái năng lượng mức cao, nhưng bây

giờ ở đó có mặt một phổ liên tục của bức xa kích thích Cũng như trong sự hấp

thụ photon có năng lượng tv (dược cho bởi biểu thức hv = Ea — E)) sẽ tương tác

ạng thái năng lượng

thấp hơn và phat ra mot photon, bay pid C6 hai photon đồng pha thay vì chỉ có

ấm ứng

tAa trong hình 26) hoạn toan đồng nhất với photon kích

với nguyên tử Kết quá là nguyên tử sẽ dí chuyển xuống

mat photon nut tie , day là bức Xã

Photon dine

thích, nó cô cùng năng lượng, cũng hướng, cũng phá Chúng tá có thể dé dang

tịnh dụng mắt hức xà cảm ứng như vậy sẽ kích thích rõệt phản ứng dây chuyển

eae qua tink wing ung Anh sing LASER dude tao ra bang cach nay gồm các

bức xã cảm ứng,

Với mắt số lượng lớn các nguyên tử ở trạng thái cán bằng, ở một nhiệt độ

Y nào đò, tạ có thé đặt câu hỏi có bao nhiêu nguyến tử ở mức náng lượng E¡ và

tử ở mức năng lượng E; ? Ludwio Bolứmann đã chứng tổ

tầng sở n, các nguyên tử ở mức năng lượng E; được cho bởi biểu thức:

trong đó C là một hằng số Để thấy điều này là hợp lý, với kT là năng lượng

chuyển động nhiệt trung bình của một nguyên tử ở nhiệt độ T và chúng ta thấy

rằng nếu nhiệt độ càng cao, thì càng có nhiều nguyên tử (n, càng lớn), xét trung

bình trong khoảng thời gian được “làm nhảy” lên mức năng lượng E„ bằng

năng lượng chuyển động nhiệt (do các va chạm giữa nguyên tử và nguyên tử), Nếu chúng ta áp dụng phương trình (3) cho hai mức năng lượng của hình (2) và chia cho nhau, hằng số C sẽ bị triệt tiêu và ta tìm được tỉ số giữa số lượng

nguyên tử n; ở mức năng lượng trên E; va số nguyên tử nị ở mức năng lượng

dưới E¡ như sau:

Thường ĐHSPKT TPHCM” Š ‘Luan van tot nghiép giôi dội sử hoạt: động 2 Ung ang cla LAGER bin dn

số nguyên tử ở mức năng lượng thấp Điều này lại cũng là hợp lý nếu độ cư trú của mức năng lượng chỉ được xác định bởi tác dụng của chuyển động nhiệt

t9ees9099 pc, _—— 98 sz,

Hinh 3

(a): Phân bố cân bằng nhiệt cầu các nguyên tử giữa hai trạng thái do chuyển

động nhiệt (by: Độ cư trá đảo ngược nhận được nhờ các kỹ thuật đặc biệt gọi là

bưm quang học Độ cứ trá đảo ngược là yếu tố cở bản đối với sự hoạt động của

LASER,

Nếu như chủng ta chiều tới tấp cde photon 06 nang ludng (Ey — Bị) đến vấc nguyên tử tiên hình (1ä), thì các photon sẽ biến mất do quá trình hấp thụ và

sẽ due phat va do hai qua winh bite xạ, Tuy nhiền, số đóng sẽ là sự hấp thụ

Để tạo tả LASER, chung ta

phải phát ra cdc photon cht khong phai hấp thụ

chúng, Như vậy, cách bố trí trên hình (3a) là không hoạt động được,

DE phat ra tia LASER, chting ta phải có bức xạ cảm ứng chiếm ưu thế Ta phải làm thể nào để số nguyên tử ở mức năng lượng cao lớn hơn số nguyên tử

ở mức nàng lượng thấp như được cho trên hình (3b) Sự đáo ngược độ cư trú

như thể không phù hợp với sự cân bằng nhiệt bình thường

1L CÁCH TẠO RA TIA LASER:

Năng lượng của bức xạ điện từ thể hiện dưới dạng lượng tử hv, sự ảnh hưởng qua lại giữa bức xạ năng lượng và vật chất (photon) chỉ xảy ra khi điều

kiện sau đây có được:

hviz= B;- By (5)

Sự dịch chuyển của các electron giữa các mức năng lượng thường đi kèm

theo sự hấp thụ hay phát ra ánh sáng, để tạo ra ta LASER phải có sự dịch

chuyển của electron để tạo ra năng lượng mà đối với sy phat ra tia LASER thi

phải có bức xạ cảm ứng

Khi một photon có năng lượng hv;¿ thích hợp (theo biểu thức 5) gặp phải

một nguyên tử bị kích thích ở trạng thái năng lượng cao, nó sẽ chịu tác động với

một xác suất rất lớn để phát ra một photon khác Một nguyên tử bị cưỡng bức dịch chuyển từ mức năng lượng cao E; xuống mức năng lượng thấp E¡ bởi một photon kich thích sẽ phát ra một photon, được gọi là photon cảm ứng Một tính chất quan trọng của bức xạ cảm ứng (Simulated emission) là cả hai photon có cùng pha, cùng tân số

Nigien city ar heat dong va Deca

Anh sáng do bức xạ cảm ứng phát sinh là ánh sáng có liên hệ về pha

(coherent light) cdn gọi là kết hợp và đơn sắc Đây là quá trình cơ ban trong

một máy phát tia LASER Bức xạ cẩm ứng còn gọi là bức xạ kích thích, cho khả năng khuếch đại quang tứ,

LASER gdm 3 phần chính là phân tử khuếch đai quang tử, phần tử lọc

sóng và bộ phản phán hỏi Hai bộ phân sau củng được hình thành bởi một buồng công hướng ĐéboL - Eabry, Hến trong buông cộng hưởng là một môi

Life Heh cức tuiải tường bạo rả các photon cám ứng) để tạo sự phẩn hồi quang học và dink hudag dong photon, Để hội tụ tia LASI:R phái dùng thấu kinh nhữ ở hình về Ð :

Hình 4

Sự hội tụ của tia LASER Sóng phẳng được đổi thành sóng cầu bởi một thấu kính

hội tụ Theo nguyên lý của quang học, ánh sáng này được hội tự tại tiêu điểm

hinh hoc F

Tia sáng LASER có bể rộng dãi tần số cực hẹp và phổ tần số của nó được

minh họa như ở hình vẽ (5) :

Sự pha tròn giữa các

buttc acing lchác nhau

Hình 5

Trường ĐHSPKT TPHCM i : : kuận văn tốt nghiệp _Ngiện dấu au boat dong v2 ting dng ala LAGER bén dn

Hon nifa, tia sing LASER được hội tụ bởi hệ thống thấu kính thích hợp thành một điểm cực nhồ, đây là một tính chất đặc sắc chỉ có ở tỉa LASER Tuy

nhiên do tia LASER phát ra từ một nguôn sáng có kích thước giới hạn nào đó, nên chùm tỉa sáng LASER sẽ có bê rộng, ta cần phải có một thấu kính hội tụ đặt vào bên trong cụm quang học

MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA TIA LASER:

Khác với bức xạ nhiệt bức xạ LASER là chùm tỉa phát xạ cảm ứng kết

hợp được khuếch đại và phát ra rất mạnh, Tit d6 tia LASER có các tinh chat

đặc trưng quan trong sau đầy:

©— Bức xà LASIR được phát ra thành một chùm tia rất hẹp Chùm tỉa này rất íL

bị phần kỳ theo khoảng cách truyền đi, Thí dụ môi chùm tia LASBR có bước

sóng 0,6án phẩt tá với dường kinh 2nm, sau khi truyễn đi được 10m chỉ nổ

tạ đến ‘nm

Nam 1960), người tạ làm một thí nghiệm chiếu mot chum tia LASER ra xa

40m và nhận được một vùng sáng có đường kính 4a, tức góc phân kỳ là:

12 a=

400.000

‘Tinh chat nay có ý nghĩa rất quan trọng trong do luting va thong tin

e Tia LASER có độ đơn sc nhé, tức là độ tỉnh khiết phổ rất cao Một vài số

liệu đặc trưng, so sánh tổng quát được cho ở bảng 1 Các LASER khả kiến

thông thường tần số v = 4.102710” HZ, có độ rộng dãi tin

Av = 10MH+IGHZ wong tng vdi độ rộng dãi tần tương đối

‘Tring DHSPKT TPHCM ˆ

Ngiện 2ñ 2 hoat: dong va ting dng cla LAGER ten

e Chim tia LASER cé thé héi tu vào một khu vực HẸP) có thiết diện ngang cỡ A2, do đó đạt được cường độ bức xạ cực kỳ cao Đều này minh họa trên hình

Giả xử chùm tia LASER có công suất P, có đường kính 2K, bước sóng A,

[là tiếu cự của thâu kính, người tá tính được điện ch thử hình tròn nhố nhất Asu, được chiếu xạ ở tiều điểm của thấu kính là:

Trong thực tế các LASER chỉ đạt được khoảng, m cường độ bức xạ cực

đại I„a„ được tính toán lý thuyết theo hệ thức (7)

Truong, ĐHŠPKT TPHCM ˆ Sẽ Luan vấn Tốt nghiệp Noten ctu at oat Aira a tha dg ota LAGER bán dt i

Gihi cha: “TASER chat mau, bom YAG”: LASER có mới trưởng kích hoạt là

chat miu vad ngudn bm la mot LASER Nd: YAG (Seodym: Yttrium —

Aimmuam — Granat) “LASER TEA — CO”: LASER khi CÓ; bình thường

i Khng thể làm việc ở áp suất trên 100 mbar, vi khi 46 sy phong dién khí

| Khong ổn định, hắc phục khó khăn này người ta đát lén các điện cực

ngàng một điện áp phóng điện dưới dạng xung điện áp ngắn Khi đó LASER

ệc ổn định được ở áp suất khí trên 1 bar TEA là tén viết tất của

cụm từ tiếng Anh “Transversaly excited atmospherie prcssurc” (“Ấp suất khí quyển kích thích ngang) Các hàm mũ (10): m (milli, 10”), ụ (micro, 10), n (nano, 10°), p (pico, 107), k (kilo, 10°), M (Mega, 10°), G (Giga, 10°), T

(Tera, 10), P (Peta, 10")

Bảng 2: So sánh cường độ bức xạ của một số nguồn phái tia LASER

Các LASER không những chỉ hoạt động như những nguồn bức xạ điện từ

đơn sắc ở chế độ liên tục (LASER CW, continuous wave LASER) mà còn là

những nguồn bức xạ có cường độ cao ở chế độ xung

Hiện nay người ta đã đạt được xung LASER “siêu ngắn” tới 6 fs

(femtosecond, 109), Độ dài trong không gian truyền của một xung LASER

như thế chỉ còn khoảng 2m tức là chỉ gồm có 3 lần bước sóng 620nm Xung này truyền đi trong một môi trường không khí chẳng hạn không phải là một tia

sáng nữa, mà là một xung điện từ truyền đi trong môi trường với vận tốc ánh

sáng

Trường ĐHSPKT TPHCM | luận văn tốt nghiệp Nghớt cú sự loạt dâng và dịg dung ala LAGER bén dẫn os

1V NGUYÊN TẮC HOAT DONG CUA TIA LASER:

s#+ Chọn chất làm môi trường phát sáng tùy theo màu sắc, bước sóng mà

ta gọi là môi trường hoạt tính Đây là bộ phận quyết định sự hình thành tia LASER

+* Kích thích các nguyên tử hay phân tử của môi trường hoạt tính bằng

phương pháp nào đó tùy theo từng loại môi trường, và điều kiện kỹ thuật gọi

là nguồn kích thích

s* Phải tạo ra mối liên hệ phản hồi Nghĩa là làm sao cho ánh sáng do các

nguyên tử phát ra được truyền đi truyền lại nhiều lần trong môi trường hoạt tính Vì khi tăng quảng đường trong môi trường hoạt tính thì độ khuếch đại

nh sáng

ăng lên, nói cách khác phải làm sao cho ánh sáng do các nguyên

tử phát ra đước hướng theo một phương xác định, ĐỂ thực hiện điều đó, trong máy phát ba LASIN người tá dụng hai gương phần xạ được gọi là

ng hướng, là mọt yêu tố cơ bán của máy phát [LASI:R Một gương

phần và hoàn toàn ảnh sáng, còn gương kỉa là gương bán mạ cho một phần

ánh sang niyền quá Như vậy photon nao bay theo hai trục của gương sẽ lam san sinh vO s6 nhiing photon phat xa cam ứng khác nhau, các photon này cũng bảy theo trục của gương, Nhờ buồng cộng hưởng ma trong moi trường hoạt tính sẽ tao nén thac photon, thac photon nay khi bay đến gương

bản mạ trong suốt một phần được phần xạ trổ lại rong môi trường hoạt tính, phần còn lại tuyền qua gương đi ra ngoài tao thanh chim tia LASER

Hình 7 sơ đồ khối hoạt động LASER

Môi trường hoạt tính

Trường ĐHSPKT TPHCM ‘ kuận văn tốt nghiệp Aghôy dúu sư họat động và: tạ dung của LAGEK bán dẫu

Phan photon bị phản xạ trổ lại sẽ được tăng lên và khi chúng bay đến gương phan xạ toàn phần, một phân bị gương hấp thụ, phan cn lai phan xạ trở

lại và bay theo hướng của chùm tia ban đầu, ta được một thác photon mới Như vậy hộp cộng hưởng không những chỉ làm cho máy phát tia LASBR hoạt động

mà còn có khả năng làm cho ánh sáng LASER có hướng phát ra xác định

Muốn cho LASER hoạt động liên tục cần phải chọn hệ số phản xạ của gương bán mạ trong suốt cho thích hợp để độ khuếch đại của các bức xạ cưỡng

bức luôn luôn lớn hơn một giá trị nào đó gọi là ngưỡng phát

iy ld sự hoạt động của ltai loại máy phát LASER:

ổ rất nhiều loại LASIR chúng ta sẽ mô tả loại điển hình trước hệt là LASIEER dùng bớm quang hoc LASER hoat dong dau tiên được thực hiện

bai Theodore Mainman nam 1960 đã sứ dụng tình thể Kubi như vật liệu để tạo

Hình 8: so dé ba mức- cơ sở hoạt động của LASER Trạng thái siêu bền E; có độ

cư trú lớn hơn nhiều so với trạng thái cơ bắn E;

1,/LASER dùng bơm quang học:

Hình (8) biểu diễn một cách khái lược phương pháp mà chúng ta thấy có thể tạo lập sự đảo ngược mức cư trú trong các mức năng lượng của nguyên tử để

máy phát tia LASER có thể hoạt động được Chúng ta giả sử hầu hết các

nguyên tử của vật liệu đều nằm ở trạng thái cơ bẩn có mức năng lượng E¡ Sau

đó chúng ta cung cấp năng lượng cho vật liệu để có nhiều nguyên tử nhảy lên

trạng thái kích thích Es Trong các bơm quang học, năng lượng cung cấp nói

trên được cấp từ một nguồn sáng có phổ liên tục bao xung quanh vật liệu phát

ra tia LASER Từ trạng thái E; nhiều nguyên tử nhanh chóng tự phát chuyển về trạng thái E; là một trạng thái siêu bển, tức là có thời gian sống trung bình tương đối dài đối với bức xạ tự phát Nếu các điều kiện trên thỏa mãn, trạng

thái E; có thể sẽ trở nên có độ cư trú cao hơn trạng thái E¡ và như vậy chúng ta

12

Trường DHSPKT TPHCM Thất văn tốt nghiệp

Nghi! du sự loạt: Big và ứng ưu của LAGEK hán dân š ị

đã thiết lập được sự đảo ngược độ cư trú Khi đó một photom có năng lượng thích hợp (hv = E¿ - Bị ) có thể kích thích gây ra một cơn thác lũ các bức xạ

cam ting từ trạng thái E; và như vậy chúng ta có tia sáng LASER

2./ LASER khí hêli - nêon:

Ở hình (9) cho thấy một loại LASER rất thường gặp trong các phòng thí nghiệm Ống phóng điện bằng thủy tỉnh chứa đầy một hổn hợp khí trơ

Hêli - Nêon với tỉ lệ 80% - 20%, trong đó khí Nêon là môi trường phát tia

LASER, Trong LASER khi Héli — NGon su ddo ngược độ cư trú được tạo ra

nhờ sự va chạm của các nguyễn tứ Heli va Néon,

Hình 9 các phần của máy phái tia LASER khí Héli-Néon

Hình (9) cho thấy sơ đổ đơn giản của máy phát tia LASER dùng khí Héli

- Néon, Chi ý rằng ở đây liên quan tới 4 mức năng lượng được ký hiệu là Eọ,

E¿, chứ không phải 3 mức như trong sơ đồ phát tia LASER ở hình (8) bơm ở đây được thực hiện bằng cách cho phóng điện qua hổn hợp khí

Hêli-Nêon Các electron và ion trong quá trình phóng điện này thường xuyên

va chạm với các nguyên tử Hêli làm cho nó chuyển lên mức năng lượng Ea ổ hình (10) Mức này là siêu bền, do đó sự bức xạ tự phát sẽ trở về trạng thái cơ

bản (mức Eo) xẩy ra rất chậm Mức năng lượng E¿ trong nguyên tử Hêli

(20,61eV) thật may mắn lại rất gần mức năng lượng E; trong nguyên tử Nêon (20,66eV), vi vay khi nguyên tử Hêli ở trạng thái siêu bền và nguyên tử Nêon ở

trạng thái cơ bản va chạm với nhau, năng lượng kích thích của nguyên tử Hêli thường xuyên được truyền cho nguyên tử Nêon Theo cách đó, mức E; ở hình (10) trở nên có độ cư trú cao hơn nhiều so với mức E; cũng trên hình (10) Sự đảo ngược độ cư trú này được duy trì vì tính siêu bền của mức Ea, được đãm bảo

sự cung cấp thường xuyên cửa các nguyên tử Nêon ở mức E¿ và các nguyên tử ở

mức E; phân rã rất nhanh về trạng thái cơ bản ở mức Eọ Bức xạ cầm ứng từ

mức E¿ về mức E¡ hoàn toàn chiếm ưu thế và ánh sáng LASER màu đỏ với

bước sóng 623,8nm được phát ra

13

của khi lê: sản Men Avda chung Hinh 10, Ben mid +

n trong cau nguyen tit Heli - Neon trong LASER He-Ne

Côn phải tiến hành nhiều bước nữa mới có thể ao ra dude mot chim tia LASER manh Phin isn cde photon cla bức xạ cảm ứng được tạo ra ban đầu trong ông phòng điện ở hình (9) lại không song song với trục đối xứng của ống

và xẻ nhanh chong bị thành ống hấp thụ, còn các photon cúa bức xạ cắm ứng

xong xong với trục đối xứng của ống ta có thể làm cho chúng chuyển động qua

lui nhiều lần qua ống phóng điện bằng cách phản xạ liền tiếp trên các gương

M, va My Mot phan tng day chuyén diễn ra rất nhanh theo hướng đó và đây

chính là nguyên nhân của tính song song của tia LASER Các gương M; và Mạ đều là gương lõm với các tiêu điểm nằm trùng với tâm của ống Gương M¡ được phủ một lớp màng mỏng bằng chất điện môi với độ dày được điều chỉnh chính xác để làm cho nó có độ phan xa gan như lý tưởng đối với bước sóng của tỉa sáng LASER Trái lại gương M; được bán mạ để hơi bị “rò”, một phần nhỏ tỉa

sáng LASER có thể thoát ra ngoài ở mỗi lần phản xạ để tạo thành tia LASER

mà ta sẽ sử dụng Cửa sổ W ở hình (9), hai đầu của ống phóng điện được đặt

nghiêng một góc ô; (góc Brewster) để giảm tới mức tối thiểu sự mất mát ánh sáng do phản xạ

Y CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BAN CUA CHUM TIA LASER

+ Tinh song song:

Trong máy phát LASER chỉ có những tỉa sáng tuyển dọc theo phương

của trục mới được khuếch đại đáng kể Chúng ta nghiên cứu trường hợp lý

tưởng, công nhận chỉ có tỉa sáng đi theo phương cửa trục mới được khuếch đại

Như vậy có thể xem tất cả các tỉa sáng rời khổi máy phát tia LASER đều truyền

theo phương song song với trục, chùm tia ta nhận được có độ phân kỳ bằng

không, có mặt sóng là mặt phẳng Trên thực tế không thể có được mà chùm tia

luôn luôn bị phân kỳ một góc tối thiểu là 6„¡„ được xác định bởi biểu thức :

14

Trường ĐHSPKT TPHCM ˆ : | Luận văn tốt nghiệp

Ngiền di) 2/ hoat ding va “pe areca LAGER bin “ng:

a 8min=

Trong 46 1a bước sóng của tia LASER phát ra và D là đường kính của

VI CAC UNG DUNG CUA TIA LASER:

Via LASER co tg dung rat quan Wong va rong rai trong nhiều lĩnh vực khác nhau của Khoa học công nghệ, Môi lĩnh vực ứng dụng khai thác một số

tỉnh nàng tâi việt của tia LASER, Sau đây ta sẽ néu một số ứng dung:

+ Ưng dụng trong đo lường:

Do cae chim tia LASER có độ đơn sắc cáo, cường đó rất mạnh và rất

mảnh vào Khoảng 10? mm nên được ứng dụng trong đo lưỡng rất chính xác, in

chụp và tạo ảnh

Để do những khoảng cách không lớn lắm người ta dùng giao thoa kế

Michclson với chùm tỉa LASER, từ các vân giao thoa nhận được ta xác định

được khoảng cách rất chính xác Đã có những giao thoa kế LASER chế tạo riêng để đo độ biến dạng của vỏ trái đất với độ chính xác 3.10” cm Còn để đo

những khoảng cách lớn người ta dùng nguyên tắc định vị bằng LASER (tương

tự RADAR): đo thời gian đi của tia LASER đến đối tượng, phản xạ trở lại máy phát, chia 2, sau đó nhân với vận tốc của ánh sáng Bằng cách này có thể đo

chính xác chiều rộng của một con sông, một vùng, biển, một khoảng cách trong

không trung, trong vũ trụ Nhờ tia LASER mà hiện nay khoảng cách giữa trái

đất và mặt trăng đang được kiểm tra định kỳ nhờ các gương phần xạ mà nhà du hành vũ trụ Niel Amstrong (Mỹ) đã đặt trên mặt trăng

bo) Ứng dụng trong công nghiệp:

Nhờ khả năng định hướng và hội tụ cao, tỉa LASER được dùng trong việc

gia công vật liệu như làm nóng chảy, hàn, cắt vật liệu và đặc biệt là khoan các

loại vật liệu trong suốt và gây khúc xạ đối với tia LASER Nếu sử dụng các phương tiện bình thường (như hàn hồ quang, ngọn lửa Oxy-Acêtylen, chùm tỉa electron) sẽ gia công không được hoặc rất khó khăn Ví dụ đục một lổ trong kim

cương phải mất một khồang thời gian lớn thì tia LASER hoàn thành công việc

1015

TringDHSPRTTPHCM ” = Ludin văn tốtnghiệp Nhhiền ai) 2U boat dong va ee

đó chỉ trong vòng vài phút Còn để khoan những lổ tỉnh (co vai jum) sử dụng các chùm tia LASER mạnh rất có hiệu quả Các chùm ta LASER mạnh được ứng

dụng rộng rãi nhất trong công nghệ vi điện tử để gia công các vi mạch

"Trong công nghệ may mặc, tỉa LASER được dùng trong các máy cắt vải,

Ung dung tia LAS

khoa để phẩu thuật không

ÿR trong y khoa: Tía LASER được ứng dụng trong y

gây cháy máu, phẩu thuật những bộ phận cần có các

dụng cụ tỉnh xắo như mắt, nảo bộ, tí

> ng dụng tỉa E.ÀSI2R cực mạnh để điều khiển phán ứng tổng hợp nhiệt hạch (LASER theumonuclear synthesis): Su phat triển các tia LASER

xung siếu ngắn đã tạo phương tiện thực nghiệm Uếp cán các lính vực mới của

vat ly, hoa học và sinh học, Công cuộc nghiền cứu này bất đầu tf những năm

1964 — 1961 được tiên hành rất mạnh mẽ cho đến nấy vã được coi là hướng

nghiên vữu rất có triển vọng, để thu được những phản ứng nhiệt hạch có điều

Khiên

> Ung dung tia LASER trong quân sự: LASER là ”nzưỡi trính sát” tính

tường, chính xác, đó là các máy đo cự ly và radar LASER (cấu tạo gồm một

mấy phát ánh sáng LASER, một máy thu ta LASER với các hệ thống quang

học, thiết bị chỉ thị và nguồn nuôi), ném bom chính xác nhờ có tia LASER

hướng dẫn Ứng dụng LASER trong việc điểu khiển máy bay cất cánh, hạ

cánh an toàn trong mọi thời tiết

* Ứng dụng LASER trong việc phục hồi các đài kỹ niệm và di tích lịch

sử: Các tượng đài, di tích lịch sử lâu ngày bị bụi bám, rong rêu phủ trong các khe hở, để rửa nó người ta chiếu tia LASER vào vết bẩn để làm bốc hơi chúng,

không gây hư hại đến bảo vật

16

Trường ĐHSPKTIPHCM : Euan van tất "hiệp hiên city sử hoat: déng vA thang cls LAGER bin : oe

* Tia LASER trong kỹ thuật toàn ký (Holography): Kỹ thuật nu hinh nổi nhằm thực hiện những ảnh có hình khối gần giống như thực, đã được tim ra

cách đây không lâu, song đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Cha để của

môn chụp ảnh toàn hình là Donic Grabor, người đã được giải Nobel nhờ lập ra môn chụp ảnh toàn hình năm 1947, Để tưởng nhớ ông, người ta đã tạo ra bức

chân dung nổi ba chiều của ông tại khu nhà thí nghiệm của hãng Stanford ở tiểu

bang Connecticut (Mỹ)

Kỹ thuật Halography thật sự đã gây ảnh hưởng lớn vào những năm 60 Khi tia LASER ra đời Các nhà bác học Mỹ và Liên xô đã ghi được những bức

ảnh toàn hình bằng ta LASER đó là 12.Hít (Mỹ), Iurí Đenhixuc (Liên xô), ngày

này kỹ thuật này được đùng hầu hết trong các ngành khoa học kỹ thuật và trong

các viên bảo làng Chúng ta đã biết với kỹ thuật chụp ảnh bình thường thì ảnh được hiện rà trên mất phẳng (hai chiếu) tức chúng tá chí thú được hình ảnh về biên độ ( độ sáng têu mà thỏi, Như vậy để có được ánh toan phần trong không

y chinh là mã của vật Để giải mã thì khong gi khác hơn là

ng LASER ban đầu là sóng tựa vä cũng phái chiếu dưới một óc nhĩ trong lúc chụp hình và hình ảnh hiện ra y như vật thật nằm trong

mim cạnh nhau, đã

dùng đụng nguồn

Không gian 3 chiều,

Vu CAC LOAI LASER:

Ta có nhiều loai LASER, tùy theo vật liệu tạo ra mà ta có tên gọi khác

nhau: LASER hồng ngọc, LASER khí, LASER bán dẫn

1./LASER hồng ngọc (Rubi):

Tinh thể Rubi gồm Oxit Nhôm (AL¿O;) pha trộn với crom (Cr) từ

0,03% + 1,05%, tức là cứ 2000 ion ALˆ* mới đưa vào một ion Cr”", với ba mức năng lượng của Crom ta có thể tạo ra một máy phát tia LASER

Trường ĐHŠPKT TPHCM a Luận văn tốt nghiệp Nhiệt dấu sử loạt AÊn và tha ding ala LAGER ven vấn E :

1 Thanh Rubi

2 Đèn phóng xung dùng khí Xênon

3 Gương phản xạ

4 Nguồn cao thế

Tinh thể Rubi có dạng hình trụ đường kính 0,4 + 2cm và chiểu dài từ

3 + 20cm Hai đầu của tinh thể Rubi là hai mặt song song vuông góc với trục

tỉnh thể và được đánh bóng rất kỹ (thay thế hai gương phẳng) Đèn phóng khí

có công suất cao dược gọi là bơm, thường có dạng xoắn bao quanh tỉnh thể

thời húïng phòng mỗi xung vào khoảng vai phấn nghìn giay

Náng lượng của môi xung đạt đến vài nghìn Joule Phần năng lượng Ớ vùng lục và lam của

quang pho sé kích thích nguyên tử Crom, chuyển từ trạng thái mức năng lượng thứ nhà sang trạng thái mức năng lượng thứ ba (E;) Phán cồn lại mất mát

do chuyển thành nhiệt Thời gian nguyên tử chuyển tif trang thai E> vé trang

thái mức năng lượng thứ hai (Es) là 10” + 10s, đời sống ở trạng thái này vào khoảng vài phần nghìn giây Độ dài sóng của may phat tia LASER dùng tỉnh

với nguyên tử Nêon là mức năng lượng có trạng thái siêu bền Các nguyên tử

Nêon đang ở mức năng lượng cao này có mật độ cư trú cao khi nhận được photon kích thích có năng lượng thích hợp, sẽ chuyển sang mức năng lượng thấp

hơn (E¡) và phát ra photon cảm ứng, các photon cảm ứng này kích thích tiếp các

18

Trường ĐHSPKT TPHCM: : Tuiận văn: tốt ti

Ngiệi dẦ! sử lọat: Jộng và: ứng dưy của LASEK bán dẫn lu

nguyên tử Nêon ở mức siêu bền và phát ra photon cầm ứng khác “phan ứng dây

chuyển xẩy ra và tia LASER được hình thành

® Vài số liệu đặc trưng:

—_ Chiều dài đèn phóng :100em

— Bán kính trong của ống chứa khí :1,5cm

LASER khi lam việc liên tục nên sự ứng dụng của máy phát quang học

này cổ nhiều thuận te

3/7 LASER ban dan:

Môi tường tạo ra L

ii quyết hai vấn để sau:

* phai ing electron trong miễn dẫn

* Su phan bo ning lượng electron phải như thế nào đó để cho số electron nim trong miễn dẫn lớn hơn số electron nằm trong miền hóa trị, lúc đó bán dẫn

có thể ứng dụng như một môi trường hoạt tính của LASER Để tạo nên một

sự dư thừa elecưon trong miễn dẫn, người ta có thế đát bán dẫn trong một

điện trường ngoài hoặc dùng electron bắn phá chất bán dẫn LASER bán dẫn đầu tiên hoạt động với Gali-Arsenic (Ga-As), nó cho lượng photon khá

lớn, đồng pha và khi dòng kích thích đủ lớn, bức xạ sẽ trở thành bức xạ cảm ứng, Các LASER bán dẫn hoạt động trong vùng sáng từ tử ngoại đến hồng ngoại và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

19

Trường ĐHSPKT TPHCM ạ ay văn tốt nghiệp Nghith atu eu boat dérg va pga cla LAGER bén dn ;

nguyên tử Nêon ở mức siêu bến và phát ra photon cam ing khác ‘phan ting day

chuyển xảy ra và tia LASER được hình thành

® Vài số liệu đặc trưng:

— Chiéu dai đèn phóng :100em

—_ Bán kính trong của ống chứa khí :1,5cm

LASER khi lầm việc liến tục nến sự ứng dụng của máy phát quang học

này có nhiều thuận Mi

3//1LANER bản đần:

Môi trường tạo và LASER là chất bán dẫn, chúng đư kích thích bởi điện

trường để tạo rà sự phát xạ cảm ứng rong chất bán dẫn Ta sẽ xét kỹ trong

phần sau đây

in giải quyết hai vấn để sau:

» Phải tăng electron wong mién dan

Sự phần bố năng lugng electron phẩi như thế nào đó để cho số electron nim

miễn dẫn lớn hơn số electron nằm trong miễn hóa trị lúc đó bán dẫn

ứng dụng như một môi trường hoạt tính của LASER Để tạo nên một

sự dư thừa electron trong miền dẫn, người ta có thể đặt bán dẫn trong một

điện trường ngoài hoặc dùng electron bắn phá chất bán dẫn LASER bán dẫn đầu tiên hoạt động với Gali-Arsenic (Ga-As), nó cho lượng photon khá lớn, đồng pha và khi dòng kích thích đủ lớn, bức xạ sẽ trổ thành bức xạ cảm ứng Các LASER bán dẫn hoạt động trong vùng sáng từ tử ngoại đến hồng

ngoại và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Trường DHSPK'T TPHCM ˆ ” ele | thân văn tốt nghiệp Nighitn ctu eu leat động Là ứng ding ola LAGER bin dan

Trường ĐHSPKT TPHCM Le

giật dñi sự loa dong rd ing cing của LAGER ban ih

1/ CAU TAO CUA LASER BAN DAN:

1./ Chat ban dfn: (Semiconductor)

Các nguyên tứ hóa tri 4 nhu Germani (Ge); Silic (Si) có tính bán dẫn

“Ge:1s° 2s” 2pŠ 3s? 3p”

%Sị;1s2 2g2 2p5 3s” 3p” 4s”3d'94p”,

Ta thay tang ngoài cùng của các nguyên tử này đều có 4 electron, nên cần

có thêm 4 electron nữa để đạt được cơ cấu bến, nghĩa là nó phải tạo thêm 4 nối

cộng hóa trị với 4 nguyên tử bên cạnh (mỗi nối cộng hóa trị có 2 electron dùng

chung cho cả 2 nguyên tử ) dược mô tả ở hình vẽ (13)

Ngày nay, chất cơ bắn dùng để chế tạo hầu hết các diode va transistor bán đân là Silie, Do đồ n với số clectron có trong vật dẫn nên ở

nhiệt độ phòng, đồng rất nhỏ và vật liệu bán din sẽ có điện trổ lớn

Vũng dân và vùng hóa tị của khối tính thể Sĩ được mồ tá ở hình (11):

Luan văn tốt nghiệp

Hinh 11

Ở nhiệt 46 0°K tat cả các nguyên tử đều không có chuyển động nhiệt, nên

các nối cộng hóa trị không thu được năng lượng dé ditt ndi, tao c4c electron tự

do Do trong tỉnh thể không có electron tự do nên chất bán dẫn ở 0°K là chất

điện môi hòan tòan

Ở nhiệt độ phòng, nhờ có dao động nhiệt của mạng tỉnh thể, nên các nối

cộng hóa trị có thể thu đủ năng lượng đứt ra và tạo ra electron tự do, tức electron di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để tham gia dẫn điện khi có

điện trường bên ngoài đặt vào, khi đó nó để lại 1 lổ trống trong vùng hóa trị Như vậy, nếu có một điện trường đặt lên chất bán dẫn như ở hình minh hoa:

21

Trường ĐH$PKT TPHCM : - kuận văn tốt nghiệp

Ngôn dau loạt động là ing ding ala LAGER Vin dan i

Các cleetron di chuyến từ cực ấm (-) sang cực dương (+) của nguồn điện

(electron dẫn điện trong vùng dẫn), các nối công hóa trị khác gần đó nếu thu

dive nang nding cân thiết thắng lực Hiến kết trong nối công hóa trị cũng có thể

đứt ra và election ora not cong hoa ui nay sé dé dang chiếm vị trí của lổ trống vita lio da trong ving hoa ui (lO bồng dẫn điện rong vung hóa trị), ta có thể

xem nh lố trông dì chuyển từ cực dương (+) sang cực ám (-) của nguồn điện

Các ckican dị chuyển ngược chiều điện trường và các lố trống có thể xem như

dị chuyển cùng chiều điện trường, dòng điện tổng cộng sẽ lá tng của 2 sự dịch chuyến của các clectron trong vùng dẫn và của các lố trống trong vũng hóa trị Chiếu đồng điện cùng chiều với điện trường, ngược chiếu dịch chuyển của các

“hiểu với chiêu chuyển dịch của các lổ trống

clevirion, và

Hình 12: Cấu trúc không gian của mạng tình thể bán dẫn

Đường đứt nét là biểu diễn các cạnh của tứ diện, đường liền nét đậm là biểu diễn các liên kết cộng hóa trị

2

Trường ĐHSEKT TPHCM” ˆ ` Luận văn tốt nghiệp

Cấu trúc mang tinh thé theo dạng kim cương như sau: bốn đỉnh của một tứ diện đều sẽ là bốn nút mạng, tâm của tứ diện sẽ là một nút mạng nữa và các

nguyên tử của chất bán dẫn sẽ nằm ở vị trí của các nút mạng này Nguyên tử ở

tâm sẽ liên kết với bốn nguyên tử ở đỉnh tứ diện theo liên kết cộng hóa trị, đó là

sơ lượt cấu trúc của một ô nguyên tố Nếu xếp các ô nguyên tố này lần lượt ra

theo cả 3 chiều, thì ta sẽ thấy được cấu trúc của toàn mạng tỉnh thể Để đơn giản ta có thể biểu diễn cá

khi muốn có điện tử dẫn thì ta phải kích thích để điện tử nhảy từ vùng hóa trị

lên vùng dẫn và tất nhiên sẽ để lại ở vùng hóa trị một lổ trống Khi điện tử trở

thành điện tử dẫn thì nguyên tử bị mất điện tử đó sẽ mang điện tích dương mà

ta gọi đó là “lổ trống” Đối với bán dẫn tỉnh khiết lý tưởng thì mức Fermi nằm ở

giữa dãi cấm (tuy nhiên mức Fermi có phụ thuộc vào nhiệt độ) Nhưng khi chất

bán dẫn mất tính lý tưởng của nó thì cấu trúc mạng và giản đồ năng lượng sẽ bị biến đổi, chẳng bạn khi bán dẫn có tạp chất, khi bị lệch mạng

£23