Hiệu ứng quang điện khảo sát đăc tuyến Vôn-Ampe của tế bào quang điện

Hiệu ứng quang điện khảo sát đăc tuyến Vôn-Ampe của tế bào quang điện

TẾ BÀO QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ

Lớp: Sư phạm Lí K31

MSSV 1050117

 Cần Thơ, 2009

 Phần A MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, con người đã đạt được nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật quan trọng Những thành tựu đáng chú ý đó là chế tạo thành công pin Mặt trời và các thiết bị điều khiển tự động như: thiết bị chống trộm, thiết bị báo cháy, các thiết bị đóng mở đèn tự động, các cửa tự động Tất cả các thiết bị này đã gây cho tôi một sự say mê tìm tòi: “tại sao người ta lại làm được như thế?” Và qua thời gian nghiên cứu học hỏi tôi đã biết được: người ta dựa vào hiện tượng quang điện để chế tạo ra các thiết bị hữu ích này Vì vậy, tôi đã quyết định

nghiên cứu về hiện tượng quang điện, và chọn đề tài “ hiện tượng quang điện_khảo

sát đặc tuyến Vôn_Ampe của tế bào quang điện” Qua đây tôi có thể hiểu sâu hơn,

tổng quát hơn về hiện tượng vật lý có nhiều ứng dụng này

II Mục đích nghiên cứu

- Thông qua việc nghiên cứu đề tài này giúp tôi có được kiến thức vững vàng hơn

về các lý thuyết liên quan đến hiệu ứng quang điện, đặc biệt là các lý thuyết về việc giải thích các định luật quang điện

- Giúp rèn luyện cho tôi có được kĩ năng thực hành và kĩ năng thiết kế chế tạo các bộ dụng cụ thí nghiệm, phục vụ đắc lực cho việc giảng dạy sau này một cách có hiệu quả và đạt kết quả cao nhất có thể được

III Các giả thuyết của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan đến thí nghiệm và một số lý thuyết khác liên quan Từ việc nghiên cứu lý thuyết đó, tôi đã phần nào nắm vững lý thuyết và đã đủ tự tin để tự thiết kế, chế tạo bộ dụng cụng thí nghiệm với tế bào quang điện

- Với bộ thí nghiệm này ta có thể kiểm nghiệm được sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện vào hiệu điện thế đặt vào tế bào quang điện, sự phụ thuộc của cường

độ dòng quang điện bão hòa, hiệu điện thế hãm vào công suất của nguồn sáng và vào từng bước sóng ánh sáng khác nhau Và đăc biệt là ta có thể tính lại được hằng số Plăng và kiểm nghiệm lại được các định luật quang điện

IV Các bước tiến hành

- Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết

- Bước 2: Chế tạo và lắp ráp bài thí nghiệm

- Bước 3: Tiến hành đo đạc, lấy số liệu thực nghiệm.

- Bước 4: Phân tích số liệu đo được

- Bước 5: Hoàn thành đề tài

V Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến hiện tượng quang điện như: Thuyết miền năng lượng, các thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm về hiện tương quang điện, các lý thuyết về việc giải thích hiện tượng quang điện, các loại tế bào quang điện, chất bán dẫn, quang bán dẫn

- Phương pháp thực nghiệm: thiết kế, chế tạo bài thí nghiệm với tế bào quang điện

Phần B CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I Thuyết miền năng lượng của vật rắn

Khái niệm tổng quát về cấu trúc miền Cấu trúc miền của các tinh thể (các vậtrắn) là cơ sở của phần lớn các quan niệm hiện đại về các cơ chế của những hiện tượngkhác trong các chất cách điện (điện môi), các chất bán dẫn điện và các chất dẫn điện(các kim loại) Trong những nét tổng quát nhất, quan niệm đó rút về một điều là, electron trong vật rắn có năng lượng thay đổi liên tục trong những khoảng xác định(E1min, E1max), (E2min, E2max), (E3min, E3max) ngăn cách nhau bởi những miền giá trị cấmcủa năng lượng Các khoảng những giá trị cho phép được gọi là vùng những giá trị cho phép của năng lượng, các khoảng năng lượng không được thực hiện trong các tinh thểđược gọi là vùng cấm Số các trạng thái khả dĩ trong các vùng cho phép là hữu hạn, do nguyên lý cấm của Pauli, số các trạng thái đó dẫn đến số hữu hạn các electron có năng lượng trong vùng đang xét Sự dời chuyển của êlectrôn từ vùng này sang vùng khácliên quan đến sự biến đổi năng lượng một vùng không nhỏ hơn bề rộng của vùng cấm

Sự dời chuyển có thể được thực hiện nhờ năng lượng của dao động nhiệt của mạng, nhờ sự chiếu sáng hay điện trường Về mặt lý thuyết, cấu trúc miền của các tinh thể cóthể xuất hiện khi giải phương trình Shrôdinger cho tinh thể sau một số sự đơn giản hóa

để đưa bài toán cho tinh thể về bài toán cho một hạt Xuất phát từ thưc nghiệm, người

ta cũng có thể đi tới cấu trúc miền Chẳng hạn các phổ hấp thụ của những vật rắn trong miền quang học và miền các tia Rơnghen mềm gồm các dải rộng riêng biệt Điều đónói lên các electron của vật rắn có thể chỉ hấp thụ một năng lượng không nhỏ hơn bề

rộng của vùng cấm, và không lớn hơn khoảng cách giữa đáy của một vùng này với lớptrên của vùng khác cao hơn.

I.1 Trong kim loại

Trong kim loại, sau khi tạo thành mạng tinh thể, từ các nguyên tử của kim loại đứt ra các electron liên kết yếu hơn với nguyên tử Các electron này trở thành các electron tự do Xuất phát từ quan niệm về các electron tự do Đrútđơ và Lorent đã hoàn chỉnh thuyết electron cổ điển Thuyết này giúp ta giải thích được tính dẫn điện của kim loại, nguyên nhân của điện trở, bản chất của nhiệt dung, độ dẫn điện, độ tự cảm và điện động lực của kim loại…Nhưng những gì mà thuyết electron mang lại chưa thật hoàn hảo Nó không giúp ta giải thích được sự khác biệt giữa kim loại, bán kim loại, bán dẫn và chất cách điện, sự xuất hiện của hằng số Hall và nhiều tính chất khác Điều này làm nảy sinh yêu cầu cần có một lý thuyết mới chặt chẽ hơn

Như ta biết mạng tinh thể có cấu trúc tuần hoàn nên thế năng của electron trong mạng cũng là một hàm tuần hoàn theo chu kì mạng Ví dụ, với mạng một chiều, thế năng có dạng như hình vẽ sau:

Chuyển động của electron trong một trường tuần hoàn tạo nên một cấu trúc mới về phổ năng lượng Việc giải thích phương trình Schrodinger với một thế năng tuần hoàn khá phức tạp, vượt ra ngoài phạm vi của vật lý đại cương Nhưng để hiểu những nét chính, chúng ta có thể suy luận như sau: xét một tinh thể có N nguyên tử giống nhau Giả sử ban đầu các nguyên tử này ở rất xa nhau (coi như không tương tác với nhau) Lúc đó mức năng lượng của electron trong mọi nguyên tử là giống nhau

Gọi gn là độ suy biến của mức n thì hệ gồm N nguyên tử trên có độ suy biến là N.gn Bây giờ ta cho các nguyên tử lại gần nhau để tạo thành tinh thể như nó tồn tại trên thực

tế, lúc đó các nguyên tử sẽ tương tác với nhau và các mức năng lượng trên sẽ tách ra,

độ suy biến giảm Do N là một số rất lớn (vào cỡ 1023 nguyên tử/cm3) nên khoảng tách giữa các mức là rất bé, ta có thể coi như là có một vùng năng lượng gần như liên tục

Để minh họa, ta xét hai nguyên tử và xét hai mức năng lượng 1s và 2s của chúng lúc hai nguyên tử lại gần nhau thì mỗi mức bị tách ra làm hai (hình 2.a), nếu có 6 nguyên

tử thì một mức bị tách ra làm 6 mức con (hình 2.b) Khi số nguyên tử N lớn (cỡ 1023nguyên tử/cm3) thì mỗi một mức ban đầu tách ra thành một vùng năng lượng gần như

1s

2sNăng lượng

Hình 2.a

Năng lượng

Khoảng cách nguyên tửHình 2.b

2P3S

Hình 2.c

liên tục (hình 2.c) Các vùng này gọi là vùng được phép Vùng có mức năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn, vùng có năng lượng thấp hơn gọi là hóa trị Giữa các vùng này có những khoảng trống, gọi là khe năng lượng (hay vùng cấm) trong đó không tồn tại trạng thái nào của electron và dĩ nhiên không có electron nào trong vùng đó Cũng có những miền trong đó có hai hay nhiều vùng năng lượng xen phủ nhau về mặt năng lượng Các vùng được phép có thể là vùng trống nếu như mọi mức năng lượng của nó chưa bị êlectron chiếm chỗ; cũng có thể là vùng đầy nếu như mọi mức năng lượng đều

bị electron chiếm chỗ; hoặc có thể là vùng chưa đầy nếu như có một số mức năng lượng ở phía trên trong vùng còn bị bỏ trống Hình 3 mô tả sơ đồ vùng năng lượng của tinh thể Natri, trong đó vùng chiếm đầy 3s chỉ mới choán đầy một nửa Các tính chất điện của một vật rắn phụ thuộc vào sự sắp xếp các vùng và các khe năng lượng, đồng thời cũng phụ thuộc vào việc các vùng đó được cư trú bởi các electron như thế nào

a Vùng hóa trị (valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng

lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

b Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện

tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tính dẫn

điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng c Vùng cấm (Forbidden band) hay

còn gọi là vùng trống năng lượng: Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không

có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bán dẫnpha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp)

Vùng hóa trị

Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

a Trong kim loại: vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm), do

đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện Ngay ở nhiệt độ thường các electron hóa trị dễ dàng di chuyển lên mức năng lượng cao hơn, rồi tới mức năng lượng cao hơn nữa từ miền hóa trị lên miền dẫn và trở thành electron

tự do Số lượng electron tự do rất lớn Do đó kim loại dẫn điện rất tốt

Hình 4 Các miền năng lượng của electron trong kim loại.

b Trong điện môi:

Miền cấm rộng cỡ 3eV trở lên Các electron hóa trị tạo nên liên kết chặt chẽ giữa các nguyên tử cạnh nhau Các liên kết này khó bị đứt nên khó tạo thành electron tự do.Theo thuyết miền năng lượng, tất cả các mức trong miền hóa trị đều bị chiếm,

tất cả các mức trong miền dẫn còn trống Muốn cho electron từ miền hóa trị vượt qua miền cấm đến miền dẫn thì phải cung cấp cho nó một động năng lớn Vì vậy ở nhiệt độ thường năng lượng chuyển động nhiệt không đủ để nó chuyển động lên miền dẫn Do đó, ở nhiệt độ thường điện môi là chất cách điện.

I.2 Trong chất bán dẫn: có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở không độ tuyệt

đối (0 K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử

sẽ nhận được năng lượng nhiệt (k B T với k B là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do

đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

E R

R

B

g o

2

exp

với: R0 là hằng số, E g là độ rộng vùng cấm Ngoài ra, tính dẫn điện của chất bán dẫn

có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ phôtôn, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn)

Một tính chất có tầm quan trọng thực tiễn của các chất bán dẫn là sự hưởng ứng của chúng đối với ánh sáng Các photon có ánh sáng với năng lượng lượng tử hf > Eg có thể kích thích các electron lên miền dẫn khi chúng bị hấp thụ do các va chạm quang điện Khi năng lượng của vật rắn tăng lên, chiều rộng của miền được phép (miền dẫn, miền hóa trị) tăng lên, còn chiều rộng của miền cấm giảm đi, Do đó, tính chất dẫn điện của kim loại, chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng Đặc điểm nổi bật của chất bán dẫn là điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng

Muốn cho electron chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn phải cung cấp cho electron một năng lượng tối thiểu bằng chiều rộng của miền cấm (vài eV) Để các electron di chuyển trong miền được phép chỉ cần một năng lượng nhỏ (khoảng 10-22 eV)

Các miền năng lượng được hình thành là do bên trong vật rắn có điện trường tuần hoàn Trường này tạo nên do các nút mạng tinh thể phân bố có trật tự trong không gian

II Dòng điện

Dòng điện là các dòng điện tích dịch chuyển có hướng, gồm có dòng điện dẫn, dòng điện đối lưu và dòng điện trong chân không

II.1 Dòng điện dẫn : là các dòng điện tích vi mô chuyển động ở bên trong một

vật vĩ mô đứng yên (chất rắn, chất lỏng hay chất khí)

II.2 Dòng điện đối lưu: là dòng các điện tích được mang đi cùng với các hạt

vĩ mô hay các vật chứa các điện tích đó.

II.3 Dòng điện trong chân khộng: là dòng các hát mang điện vi mô ( các iôn

hay các êlectrôn) chuyển động không phụ thuộc vào các vật vĩ mô ở trong chân không

 Cường độ dòng điện: Đại lượng i xác định bởi điện lượng dq đi qua tiết diện ngang của vật dẫn sau khoảng thời gian vô cùng nhỏ dt được gọi là cường độ dòng

 Mật độ dòng điện J là đại lượng đo bằng điện tích đi qua một đơn vị mặt của

vật dẫn trong một đơn vị thời gian

Mật độ dòng điện là một véc tơ vuông góc với mặt phẳng có dòng điện chạy qua

Về trị số:

S

i

j , trong đó S là tiết diện ngang của vật dẫn.

Ta quy ước lấy chiều dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương ( hay chiều ngược với chiều chuyển động của các điện tích âm)

III Bản chất của tia sáng

Thuyết hạt về ánh sáng được I Newton phát triển đầu tiên vào cuối thết kỉ thứ

XVII đã coi ánh sáng như dòng các hạt do nguồn sáng phát ra và lan truyền thẳng trong môi trường đồng chất Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng được thuyết đó giải thích bằng phương pháp cơ học Chẳng hạn như, sự phản xạ của hạt ánh sáng từ một tấm gương được so sánh với sự phản xạ của một quả cầu đàn hồi từ một thành nào đó, vì trong trường hợp này, góc phản xạ bằng góc tới, sự phản xạ ánh sáng được giải thích, là do các hạt của ánh sáng bị các hạt của môi trường thứ hai hút khi chúng chuyển từ môi trường này sang môi trường khác Khi đó các thành phần tiếp tuyến v1tvà v2t của vận tốc ánh sáng trong môi trường thứ nhất và thứ hai đều như nhau, còn các thành phần pháp tuyến khác nhau Vì v1t  v1sin it và

i n

(1962-Trong suốt thế kỉ XVIII, thuyết hạt của Niutơn đã thống trị trong khoa học Mãi đến khi thuyết sóng giải thích được hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ thì thuyết sóng mới có được vị trí xứng đáng của nó Cuối thế kỉ XIX, Moăcxoen đã thiết lập thuyết điện từ ánh sáng Theo ông sóng ánh sáng là sóng điện từ có tần số cao.Thuyết điện từ ánh sáng là một thuyết đúng đắn nhưng vẫn không thể giải thích được hiện tượng tán sắc ánh Do đó Lorenx đã đưa đưa ra thuyết êlêctrôn để giải thích hiện tượng này Thuyết êlêctrôn giải thích được một số hiện tượng như tán sắc, hấp thụ ánh sáng, nhưng không giải thích được các hiện tượng khác như sự phát xạ của vật đen tuyệt đối Để giải quyết khó khăn này, năm 1900 Plăng đã đưa

ra thuyết lượng tử Plăng Theo ông sự phát xạ ánh của vật không xảy ra một cách liên tục mà gián đoạn, nghĩa là thành từng phần năng lượng  xác định bởi:  hv

sáng và thuyết phôtôn được coi là hai thuyết đúng đắn về bản chất ánh sáng

IV Tế bào quang điện

IV.1 Tế bào quang điện

IV.1.1 Hiệu ứng quang điện (hiện tượng quang điện)

Heinrich Rudolf Hertz Alexander Stoletov

Hiệu ứng quang điện do Héc phát hiện ra đầu tiên 1887, sau đó việc nghiên cứu chi tiết hiện tượng đã được Xtô-lê-tốp (Stoletov) tiến hành vào những năm 1888-1889, rồi đến Lê-na (Lénard) năm 1889-1902 và nhiều nhà thực nghiệm khác vào những năm 90 của thế kỉ XIX Trong những thí nghiệm này người ta đã thu được dòng quang điện và đến đầu thế kỉ XX các định luật quang điện đã được thiết lập.

Hiệu ứng quang điện gồm có hai loại chính: hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng quang điện trong Ngoài ra còn có hiệu ứng quang điện của lớp chặn

- Hiệu ứng quang điện ngoài: hiện tượng ánh sáng có bước sóng thích hợp, khi chiếu vào kim loại, làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại, gọi là hiện tượng quang điện ngoài

- Hiệu ứng quang điện trong: do tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp các electron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn được tạo thành, kết quả là tính dẫn điện của vật được tăng lên

- Hiệu ứng quang điện của lớp chặn: thể hiện ở sự xuất hiện hiệu điện thế trên các vật bán dẫn đặt tiếp xúc nhau được chiếu sáng Hiệu ứng này được giải thích bởi cớ chế dẫn điện trong các vật bán dẫn Nếu một bán dẫn có tính dẫn bằng electron và một bán dẫn có tính dẫn bằng lỗ trống được đặt tiếp xúc nhau và bán dẫn có tính dẫn bằng lỗ trống được chiếu sáng, thì các electron của nó sau khi hấp thụ lượng tử ánh sáng sẽ chuyển sang bán dẫn có tính dẫn bằng electron, bán dẫn này được tích điện âm và bán dẫn kia được tích điện dương Một nguồn điện được tạo ra, thêm vào đó qua lớp chặn dòng quang điện đi theo hướng ngược với chiều dòng điện đi qua thiết bị đó, thiết bị này được dùng như một cái chỉnh lưu

Trong luận văn này phần lý thuyết thì ta nghiên cứu cả hai hiện tượng quang điện, còn phần thực nghiệm ta chỉ nghiên cứu phần hiện tượng quang điện ngoài, (nghiên cứu tác dụng của ánh sáng lên tế bào quang điện chân không)

Hiệu ứng quang điện hầu như không có quán tính, nghĩa là không có sự chậm trễ giữa lúc bắt đầu chiếu sáng và lúc xuất hiện các quang electron

IV.1.2 Thí nghiệm: Sơ đồ thí nghiệm thường dùng để nghiên cứu hiệu ứng

quang điện như hình vẽ Nó gồm một bóng đèn chân không cao (áp suất vào khoảng

10-6mmHg ) Trong bóng đèn có hai bản kim loại: bản dương cực A (anot) và bản âmcực K (catot ) Bản âm cực K làm bằng kim loại cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện Nhờ hai nguồn điện 1 và  2 (có các cực mắc đối nhau) và một biến trở R nối với

hai bản A và K như hình vẽ 23, ta có thể đặt bản A ở hiệu điện thế cao hơn bản K (hoặc ngược lại ) bằng cách dịch chuyển con chạy C trên biến trở R.

Cho một chùm ánh sáng tử ngoại (bước sóng ngắn ) chiếu qua nắp thạch anh N tới rọi trên mặt bản âm cực K Chùm ánh sáng này sẽ giải phóng các electron khỏi mặt bản

âm cực K, những electron này gọi là các quang electron Dưới tác dụng của điện trường giữa A và K, các quang electron sẽ chuyển động về dương cực A và tiếp tục đi vào trong mạch điện, tạo thành một dòng điện không đổi có chiều ngược lại gọi là dòng điện Cường độ dòng điện Ia đo bằng điện kế G, còn hiệu điện thế UAK = VA - Vkgiữa hai bản kim loại A và K được đo bằng vôn kế V

IV.1.3 Đường đặc trưng (đặc tuyến) vôn-ampe: khi nghiên cứu sự biến đổi

của cường độ dòng quang điện Ia theo hiệu điện thế UAK ta vẽ được đường cong biểu diễn Ia = f(UAK) gọi là đường đặc trưng vôn–ampe của kim loại K Ta nhận thấy, nếu

UAK tăng thì Ia cũng tăng theo Khi UAK lớn hơn một giá trị U1 nào đó ( UAK > U1 ), cường độ dòng quang điện Ia sẽ không tăng nữa và có giá trị không đổi bằng Ibh Giá trị

Ibh được gọi là cường độ của dòng quang điện bão hòa Nó đặc trưng cho tác dụng quang điện của một chùm ánh sáng nhất định đối với mỗi kim loại

IV.1.4 Sự hấp thụ phôtôn của các êletron:

Trong hiện tượng quang điện (ngoài), nói chung êlêctron chỉ hấp thụ một

phôtôn, do đó năng lượng của êlêctrôn tăng lên còn phôtôn thì “biến mất” Êlêctrôn chỉ

có thể hấp thụ hoàn toàn một phôtôn với điều kiện là êlêctrôn ở trạng thái liên kết (trong nguyên tử, phân tử hay trong vật rắn) Sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn bởi êlêctrôn

tự do là không thể xảy ra, là bị “cấm”, vì sẽ vi phạm các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng Sau đây ta sẽ chứng minh điều đó: Để cho đơn giản, giả sử rằng, trước khi hấp thụ phôtôn, êlêctrôn đứng yên Khi đó, áp dụng các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng cho các hạt tương tác (phôtôn và êlêctrôn) ta có, theo thuyết tương đối:

2 2 4 2 0

A Như vậy, để hiệu ứng quang điện ngoài có thể xảy ra, thì năng lượng của phôtôn

U= V A – V K

U 10

phải lớn hơn năng lượng ion hoá hay công thoát Năng lượng này thực ra chưa phải là lớn Với những phôtôn có năng lượng từ hàng chục đến hàng nghìn êlêctrôn vôn, xác suất của hiệu ứng quang điện giảm đi nếu năng lượng của phôtôn tiếp tục tăng.

Thế nhưng trong quang học phi tuyến (quang học phi tuyến là quang học

được khảo sát dưới tác dụng của các chùm ánh sáng có cường độ mạnh, ví dụ như chùm lade hay máy phát lượng tử…), thực nghiệm chứng tỏ rằng, giả định về sự hấp thụ một phôtôn bởi hệ nguyên tử hoặc phân tử hay vật rắn, chỉ đúng khi các chùm sáng yếu Còn khi rọi vào môi trường chùm sáng lade có công suất lớn thì có thể xảy ra sự hấp thụ nhiều phôtôn Hiện tượng hấp thụ nhiều phôtôn được biểu hiện dưới những dạng sau:

a) Khi một chùm sáng lade đủ mạnh có tần số  truyền qua môi trường mà nguyên tử (hoặc phân tử hay vật rắn của nó) có hai mức năng lượng thỏa mãn điều kiện: E2E1nh

Với n = 2,3…thì nguyên tử (hoặc phân tử hay vật rắn) có thể hấp thụ đồng thời hai, ba…phôtôn để chuyển từ trạng thái E1 lên trạng thái E2

Tất nhiên đối với một môi trường đã cho thì phải chọn tần số của lade thích hợp Còn khi tần số lade đã xác định thì phải chọn môi trường thích hợp để E2E1nhđược thỏa mãn Hiện tượng hấp thụ hai phôtôn được phát hiện khi chiếu bức xạ lade rubi với

1 2 1

còn hiệu ứng quang điện nhiều phôtôn lại có thể xảy ra ở tần số bé hớn tần số giới hạn quang điệnn lần (n là số phôtôn tham gia đồng thời vào một quá trình cơ bản).

IV.1.5 Các định luật quang điện:

Định luật I ( Định luật về giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện ) :

Đối với mỗi kim loại xác định, hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng

 của chùm ánh sáng rọi tới nó nhỏ hơn một giá trị xác định 0 gọi là “giới hạn quang điện” của kim loại đó

 <0

Giới hạn quang điện  0 phụ thuộc bản chất của kim loại được rọi sáng, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào trạng thái mặt ngoài của kim loại đó Nếu chùm ánh sáng tới có bước sóng không thích hợp ( > 0 ), thí dụ cường độ sáng rất mạnh, thì nó cũng không thể gây ra hiệu ứng quang điện

Định luật II ( Định luật Stoletop về dòng điện bão hòa ):

Cường độ dòng điện bão hòa Ibh (nghĩa là số electron được giải phóng khỏi kim loại trong một đơn vị thời gian ) tăng tỉ lệ thuận với cường độ sáng I của chùm ánh sáng rọi tới kim loại

Định luật III ( Định luật Anhxtanh về động năng cực đại của quang electron ):

Động năng cực đại của các quang electron tăng tỉ lệ với tần số  của chùm ánh sáng rọi tới nó và không phụ thuộc vào cường độ sáng I của chùm ánh sáng đó

IV.1.6 Giải thích các định luật quang điện

IV.1.6.1 Theo lý thuyết sóng (sự bất lực của thuyết điện từ về ánh sáng):

Theo thuyết điện từ về ánh sáng, năng lượng ánh sáng được truyền đi liên tục theo sóng ánh sáng và cường độ ánh sáng càng lớn thì năng lượng ánh sáng mang theo càng nhiều Như vậy, dù ánh sáng có bước sóng lớn thế nào đi nữa, nhưng nếu có cường độ lớn thì nó sẽ cung cấp được nhiều năng lượng cho electron và do đó sẽ giải phóng được electron khỏi kim loại Vì thế, thuyết điện từ không thể giải thích được tại sao có

“giới hạn quang điện”, cũng như không thể giải thích được tại sao có động năng cực đại ban đầu của các quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng rọi tới kim loại Hơn nữa, theo thuyết điện từ về ánh sáng, từ khi ánh sáng rọi tới kim loại đến khi có các quang electron đầu tiên xuất hiện phải mất một khoảng thời gian mấy chục phút Nhưng thí nghiệm chứng tỏ rằng, khoảng thời gian đó rất bé (không quá 10-

9giây) Đó là những bất lực của thuyết điện từ về ánh sáng trong việc giải thích hiện tượng quang điện.

IV.1.6.2 Theo lý thuyết hạt của Anhxtanh

IV.1.6.2.1 Thuyết lượng tử năng lượng của Plăng

Năm 1900, Plăng đưa ra giả thuyết: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên

tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng h; trong đó

 là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số

IV.1.6.2.2 Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein (Anhxtanh) (1905)

Dựa vào thuyết lượng tử năng lượng của Plăng Einstein đã phát triển thành

thuyết lượng tử ánh sáng (hay còn gọi là thuyết phôtôn), nội dung cơ bản như sau:

a) Chùm ánh sáng là một chùm các phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phôtôn

có năng lượng xác định   h  (Trong đó h=6,625.10-34J.s là hằng số Plăng, còn

 là tần số của sóng ánh sáng tương ứng với phôtôn đó) Cường độ của chùm sáng tỉ

lệ với số phôtôn phát ra trong một giây

b) Phân tử, nguyên tử, êlectron…phát xạ hay hấp thụ ánh sáng, cũng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn

c) Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không.Chú ý rằng, thuyết lượng tử ánh sáng không khẳng định rằng mọi năng lượng có tính gián đoạn, mà chỉ khẳng định rằng năng lượng ánh sáng do nguyên tử hoặc phân

tử hấp thụ hoặc phát xạ mới có tính gián đoạn mà thôi Còn động năng tịnh tiến của phân tử, nguyên tử và êlêctrôn vẫn có thể biến thiên những giá trị tuỳ ý, tức là vẫn liên tục Trong công thức Anhxtanh, ta cũng thấy rằng động năng của êlêctrôn luôn luôn nhỏ hơn lượng tử năng lượng   h

 Các thuộc tính của phôton:

Theo thuyết tương đối Anhxtanh, giữa năng lượng và khối lượng của phôton có hệ thức:   mc2 và năng lượng của phôton ứng với bức xạ điện từ đơn sắc tần số

 là:  h Từ đó suy ra khối lượng của phôton là: 





.2

h c

h c

m o   Đối với phôton v = c nên mo = 0, tức là đối với phôton thì khối lượng nghỉ bằng không.

Phôton luôn chuyển động với vận tốc c nên nó có xung lượng là:

c

h mc

 Công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện

Theo Anhxtanh, khi xảy ra hiệu ứng quang điện, mỗi êlectron của kim loại hấp thụ hoàn toàn một phôtôn và nhận thêm một năng lượng  h do phôtôn truyền qua Đối với các êlectron nằm sâu trong kim loại năng lượng  nhận được bị tiêu hao một phần A1 do va chạm với các hạt khác trong mạng tinh thể khi đi từ các lớp sâu ra mặt ngoài kim loại Một phần chuyển thành công thoát A để tách êlectron tách êlectron ra khỏi kim loại và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của quang êlectron

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

2

2

mV A A

Như vậy, các êlectron nằm càng sâu trong kim loại thì A1 càng lớn, do đó động năng ban đầu càng nhỏ Còn các êlectron ở ngay trên bề mặt kim loại thì A1 = 0 nên động năng ban đầu và vận tốc ban đầu của chúng lớn nhất, khi đó ta có:

2

max 2

o mV

A

h   , hay

2

max 2

o mV A

c

h  

 , hệ thức này chính là công thức Anhxtanh về hiện tượng quang điện

IV.1.6.2.3 Giải thích các định luật quang điện:

a) Giải thích định luật I (định luật về giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện): ở

trạng thái bình thường các electron bị “giam” trong kim loại Khi kim loại được rọi sáng, mỗi electron sẽ hấp thụ hoàn toàn một photon tới nó và nhận thêm năng lượng



  h của photon đó Nếu phần năng lượng  này lớn hơn công thoát A của electron, thì electron có thể được giải phóng khỏi kim loại Như vậy, điều kiện để hiệu ứng quang điện xảy ra là:



  h >A

Khi đó điều kiện (*) sẽ viết thành:

 Giá trị  0 chính là “giới hạn quang điện” và rõ ràng nó chỉ phụ thuộc vào công thoát A, tức là phụ thuộc vào bản chất của kim loại ta cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện

b) Giải thích định luật II (Định luật Stoletop về dòng quang điện bão hòa):

dòng quang điện sẽ trở nên bão hòa khi tất cả các quang electron trên được giải phóng khỏi bản kim loại âm cực K đều chuyển động hết về bản dương cực A Nhưng sốquang electron được giải phóng khỏi âm cực K tỉ lệ thuận với số photon bị hấp thụ; số photon này lại tỉ lệ thuận với số photon tới âm cực K Vì vậy, cường độ dòng quang điện bão hòa (bằng số electron được giải phóng khỏi âm cực K trong đơn vị thời gian)

sẽ tỉ lệ với số photon tới âm cực, tức là tỉ lệ thuận với cường độ sáng của chùm ánh sáng rọi tới bản kim loại âm cực K

c) Giải thích định luật III (Định luật Anhstanh về động năng ban đầu cực đại

của quang electron): Trong số các electron được giải phóng khỏi kim loại, có electron

ở sát ngay mặt ngoài kim loại, có electron ở sâu trong kim loại Đối với electron ở sát ngay mặt ngoài kim loại, năng lượng   h  mà electron hấp thụ được của photon dùng để sinh công thoát A, phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của electron

đó Đối với electron ở sâu trong kim loại, một phần năng lượng mà nó hấp thụ được của photon bị tiêu hao trong quá trình chạy từ trong ra ngoài mặt kim loại Do đó, động năng của nó khi thoát khỏi kim loại sẽ nhỏ hơn động năng ban đầu của electron

nói trên Như vậy các electron ở sát ngay mặt ngoài của kim loại, khi được giải phóng khỏi kim loại, sẽ có động năng ban đầu cực đại.

Khi đó, theo định luật bảo toàn năng lượng, động năng cực đại ban đầu của quang electron ( 2max

2

1

mv ) sẽ bằng hiệu số của năng lượng  hmà nó hấp thụ được của

phôtôn trừ đi công thoát A của nó khỏi mặt kim loại: mv2maxh A

21

Phương trình này được gọi là phương trình Anhstanh Nó chứng tỏ rằng, đối với mỗi kim loại xác định, động năng cực đại ban đầu của quang electron chỉ phụ thuộc vào tần

số  của chùm ánh sáng rọi tới mặt kim loại Kết quả tính toán được theo phương trình Anhstanh rất phù hợp với kết quả đo được bằng thực nghiệm

Như vậy, thuyết lượng tử ánh sáng của Anhstanh đã giải thích được hoàn toàn các định luật quang điện Ngược lại, việc giải thích thành công các định luật quang điện chứng

tỏ thuyết lượng tử ánh sáng của Anhstanh hoàn toàn đúng và nó đã đem lại cho chúng

ta thêm một quan niệm mới về bản chất ánh sáng: đó là tính chất hạt của ánh sáng.Ngoài hiện tượng quang điện, còn nhiều hiện tượng khác như hiệu ứng Compton, áp suất ánh sáng cũng là những hiện tượng thực nghiệm xác nhận rõ thêm bản chất hạt của ánh sáng

IV.2 Sự phát electron nhiệt

Êlectrôn thoát ra khỏi bề mặt vật rắn, ngoài hiện tượng quang điện thì nếu vậtđược nung nóng các êlectrôn cũng được giải phóng khỏi bề mặt kim loại, hiện tượngnày còn gọi là sự phát êlectrôn nhiệt

Trong chuyển động hỗn loạn ở bên trong nguyên tử, các êlectrôn riêng lẻ thu đượcđộng năng lớn hơn công thoát của êlectrôn khỏi kim loại và bị bứt khỏi kim loại Khi

đó kim loại tích điện dương và hút các êlectrtôn đã bay ra Do kết quả của hai quátrình: “sự bốc hơi” của các êlectrôn khỏi kim loại và sự “ngưng động” của các êlectrôn trong kim loại, nên có một nồng độ êlectrôn nào đó được hình thành ở phía trên kim loại Nồng độ đó rất nhỏ, không đáng kể ở các nhiệt độ thông thường và tăng đột ngộtkhi nhiệt độ tăng

Nếu kim loại được nung nóng là catốt của đèn chân không và hiệu điện thế tác dụng lên đèn bảo đảm cho tất cả các êlectrôn phát ra từ catốt đều bị điện trường hút về anốt, thì đặc trưng của các tính chất phát êlectrôn nhiệt của chất làm catốt là dòng phát xạ

ứng với mỗi cm2 của mặt bị nung nóng của vật, nghĩa là mật độ của dòng phát xạ khi bão hòa

Mật độ dòng phát xạ bão hòa j bhđược mô tả bởi công thức Dustman – Richardson:

kT A bh

khỏi kim loại, k là hằng sô Boltzmann

IV.3 Các loại tế bào quang điện

IV.3.1 Tế bào quang điện chân không và có khí:

Tế bào quang điện chân không và tế

bào quang điện có khí là loại tế bào quang

điện đơn giản nhất Nguyên tắc hoạt động

của chúng dựa trên hiện tượng, hiệu ứng

quang điện ngoài, tức là sự giải phóng các

electron khỏi mặt kim loại khi ta rọi một

chùm sáng thích hợp (  0 ) tới mặt kim

loại đó

a Tế bào quang điện chân không:

nó gồm một bóng đèn chân không (áp suất

khoảng 10-6mmHg) bằng thủy tinh hoặc

thạch anh, một phần mặt trong của bóng đèn

có phủ một lớp chất rất nhạy đối với ánh

sáng như xesi (Cs), natri (Na), kali (K), bạc (Ag),…dùng làm âm cực K phát ra các quang electron Chính giữa đèn là một vòng dây kim loại dùng làm dương cực A Âm cực K và dương cực A được nối với một nguồn điện  (bộ acqui ) và một microampe

kế dùng đo cường độ dòng quang điện Suất điện động của nguồn điện  phải đủ lớn

để tạo ra được dòng quang điện bão hòa Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác định bằng một đại lượng vật lý gọi là độ nhạy của tế bào quang điện Độ nhạy của tế bào quang điện có trị số bằng tỉ số giữa cường độ dòng quang điện bão hòa và quang thông của chùm ánh sáng rọi tới âm cực K Đơn vị của nó là microampe trên lumen



A K

A

+-

Hình 25

( A/ lm) Thông thường, tế bào quang điện chân không có độ nhạy rất nhỏ chỉ vào khoảng từ 1015 A/ lm.

b.Tế bào quang điện có khí: để tăng độ nhạy của tế bào quang điện, người ta

cho thêm khí trơ (thí dụ Ar chẳng hạn ) vào trong bóng đèn tới áp suất khoảng 0,011 mmHg để tạo thành tế bào quang điện có khí Trong tế bào quang điện có khí, các electron sơ cấp từ âm cực K phát ra sẽ ion hóa các nguyên tử khí trơ trên đường đi của chúng và làm xuất hiện các electron thứ cấp do ion hóa Các electron thứ cấp này trên đường đi về dương cực A lại ion hóa các nguyên tử khí trơ khác, do đó số electron sẽ tăng lên mãi và làm cho dòng quang điện trong tế bào có khí tiếp tục tăng mãi không bão hòa Độ nhạy của loại tế bào quang điện có khí này có thể đạt tới 100 A/ lm

IV.3.2 Tế bào nhân quang điện và ống nhân quang điện:

a Tế bào nhân quang điện ( một tầng ): sơ

đồ tế bào nhân quang điện ( một tầng ) như hình vẽ

(26) Các quang electron được giải phóng khỏi âm

cực K sẽ chuyển động về dương cực phụ A1 nhờ

trường tĩnh điện tạo bởi nguồn điện 1 Sau khi đập

vào dương cực phụ A1, các quang electron này sẽ làm

bật khỏi dương cực phụ A1 một số electron mới gọi là

electron thứ cấp

Những electron thứ cấp này sẽ chuyển động về

dương cực chính A ( có dạng một lưới kim loại ) nhờ

nguồn điện 2 và tạo thành dòng quang điện có

cường độ khá lớn

Độ nhạy của loại tế bào nhân quang điện ( một tầng )

này đạt tới giá trị từ 5001000A/ lm

b Ống nhân quang điện: Là một dụng cụ

khuếch đại electron bức xạ từ cathode nhờ một đèn

chân không có nhiều dương cực phụ được đặt ở

những điện thế khác nhau Nó gồm một bóng thủy tinh chân không trong có quang âm cực K ở điện thế thấp nhất và dương cực chính A ở điện thế cao nhất, còn có các điệncực trung gian K1, K2, K3… gọi là các cực phát ( hình 27) Hệu điện thế giữa K1, K2,

K3…A tăng dần theo cấp số cộng Hiệu điện thế giữa hai điện cực liên tiếp thường vàokhoảng 100 đến 200V

Giả sử một lượng tử ánh sáng  h rọi vào âm cực K làm bứt một êlectron Electron này được tăng tốc trong điện trường giữa K với K1 khi đến K1 nó đã có độngnăng đủ lớn để làm bật một số electron ra khỏi K1 Đây là hiện tượng phát xạ electron thứ cấp Các electron thứ cấp này lại được tăng tốc trong điện trường giữa K1 và K2, làm K2 bật ra một số electron thứ cấp lớn hơn Cứ như vậy mà số electron thứ cấpđược tăng lên gần như theo cấp số nhân Kết quả là từ một electron ban đầu ở K, ta cóthể nhận hàng triệu electron thứ cấp ở dường cực A Do đó ống nhân quang điện có tácdụng khuếch đại dòng quang điện, những ống nhân quang điện hiện đại có từ 15 đến

20 điện cực, sẽ có hệ số khuếch đại từ 106đến 107

IV.3.3 Tế bào quang điện trở (hay quang điện trở)

Tế bào quang điện trở là loại tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong, tức là hiện tượng khi ta rọi ánh sáng vào chất bán dẫn hay điện môi thì một

số electron sẽ được giải phóng khỏi các nguyên tử, trở thành các electron tự do ở lại trong các chất này và làm cho độ dẫn điện của các chất này tăng lên rất nhiều Hiện nay, tế bào quang điện trở được chế tạo được bằng chất chì sunfua, bit muyt sunfua, catmi sunfua…và được dùng làm các rơle quang điện

Việc chế tạo các quang điện trở rất đơn giản, không cần bóng đèn, cũng không cần

Điện kế

+ -

Hình 27

chất bán dẫn Trên mặt lớp bán dẫn này, có gắn các điện cực và tất cả quang điện trở được phủ một lớp sương trong suốt Khác với tế bào quang điện chân không, nó không

có dòng quang điện bão hòa Độ nhạy của quang điện trở lớn hơn độ nhậy của tế bào quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài từ một trăm đến một nghìn lần Mặt khác, nó có thể sử dụng đối với một khoảng rất rộng của bước sóng từ phạm vi hồng ngoại đến bức xạ Ronghen và gama Ngoài ra, tính chất của quang điện trở phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ

IV.3.4 Tế bào pin quang điện ( hay pin quang điện )

Tế bào pin quang điện là loại tế bào hoạt động dựa trên hiệu ứng pin quang điện, tức là hiệu ứng quang điện trong xảy ra ở lớp ngăn giữa bán dẫn và kim loại, hoặc ở lớp ngăn giữa bán dẫn loại p và bán dẫn loại n (đó là một hệ gồm hai mẫu bán dẫn loại

P và một lọai N được ghép sát nhau sau, khi có sự khuếch tán điện tử và lỗ trống lớp ghép nối xuất hiện điện trường phụ hướng từ lớp N (có nhiều lỗ trống khuếch tán qua) sang lớp P (có nhiều điện tử khuếch tán sang) không cho dòng điện đi qua khối N-P Khi có ánh sáng chiếu tới mẫu N các electron nhận được năng lượng và bức xạ điện tử liên tục tạo thành các electron tự do Khi nối cực P và N qua một thiết bị tiêu thụ điện

sẽ có một dòng điện qua dây dẫn từ P sang N Các e đi từ N qua R đến P để trung hoà với các lỗ trống) Do tác dụng chỉnh lưu của lớp ngăn các electron nhận được năng lượng của photon rọi tới pin quang điện chỉ chạy được qua lớp ngăn đó theo một chiều (từ kim loại sang bán dẫn, hoặc từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p) và làm xuất hiện một suất điện động Sơ đồ pin quang điện bán dẫn p-n như hình vẽ (hình 28) Nếu ta nối hai bán dẫn loại p và n bằng một dây dẫn, thì qua dây dẫn đó sẽ có một dòng điện chạy từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Hiện nay người ta đã chế tạo các loại pin quang điện đồng oxit, pin quang điện Selen, pin quang điện Silic, pin quang điện

Điện

kế

Bán dẫn loại pLớp ngăn p-nBán dẫn loại n I

Hình 28

N P

Gecmani Ưu điểm nổi bật của loại tế bào pin quang điện bán dẫn là nó có thể biến đổitrực tiếp năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng mà không cần nguồn điện bên ngoài Độ nhạy của loại tế bào pin quang điện này có thể đạt tới 1000 A/ lm Đặc biệt, một vài loại tế bào pin quang điện có thể rất nhạy đối với cả những bức xạ trong vùng hồng ngoại; do đó chúng đã được sử dụng trong kỹ thuật quân sự hiện đại.

IV.4 Ứng dụng của tế bào quang điện

IV.4.1 Tự động hóa bằng máy tiếp quang điện

Sơ đồ của máy tiếp quang điện như hình vẽ

Khi rọi chùm ánh sáng vào tế bào quang điện trong mạch điện của nó sẽ xuất hiện một dòng điện nhỏ I chạy qua điện trở R theo chiều từ M đến N và làm cho điện thế tại M lớn hơn điện thế tại N một lượng bằng RI Nếu ta quy ước điện thế ở âm cực K của đèn triot Y ( đèn khuếch đại ba cực ) bằng không thì trước khi rọi ánh sáng, điện thế ở lưới G là - Sau khi rọi ánh sáng, điện thế ở lưới G sẽ là - +RI, nghĩa là lớn hơn một chút Khi đó dòng điện I trong mạch của đèn triot sẽ tăng lên và làm cho nam châm điện C đủ sức hút được thanh kim loại T để ngắt mạch điện của máy D

Khi thôi không rọi ánh sáng vào tế bào quang điện đó nữa, điện thế lưới G lại trở về giá trị - như cũ Dòng điện I trong mạch của đèn triot Y lại giảm xuống, nam

châm C không đủ sức giữ thanh kim loại T nữa và nhả nó về điểm tiếp xúc P; mạch điện của máy D được đóng lại.Nhờ nguyên tắc hoạt động như trên, máy tiếp quang

I

N

Y

GK

P

+

+

điện ( còn gọi là role quang điện ) được dùng trong quá trình tự động hóa, thí dụ như:

tự động đếm số sản phẩm sản xuất ra đang chạy trên băng chuyển tự đông, đếm số người ra vào các phòng triển lãm,…

IV.4.2 Phát âm trong máy chiếu phim

Ở bên lề phim chiếu bóng, ta thấy một dãy có bề rộng và độ trong suốt thay đổi:

đó là “băng ghi âm” của phim Để phát lại băng ghi âm này, người ta dùng thiết bị có

tế bào quang điện như hình vẽ (30) Ánh sáng từ nguồn sáng S có cường độ không đổi phát ra được hệ thống thấu kính L1 và L2 tập trung lại trên băng ghi âm của phim

Sau khi truyền qua băng ghi âm (đang chuyển động) cường độ ánh sáng sẽ thay đổi theo những dao động âm ghi trên băng đó và đi vào tế bào quang điện Tế bào quang điện này sẽ biến đổi những dao động của cường độ ánh sáng tới nó thành những dao động điện Những dao động điện này được khuếch đại lên (qua máy khuếch đại), rồi được đưa ra loa Do đó ta có thể nghe được những dao động âm đã ghi trên băng ghi

âm của phim

IV.4.3 Biến năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng

Để đạt mục đích này, ta có thể dùng nhiều loại pin quang điện khác nhau, nhưng tốt nhất là loại pin quang điện bán dẫn silic, hiệu suất của nó có thể đạt tới

1415% Người ta đã tính được rằng: với mỗi mét vuông diện tích của pin quang điện

Máykhuếch đại

được ánh sáng mặt trời rọi tới, ta có thể nhận được một công suất điện khoảng 100 oát Như vậy, nếu lợp mái nhà bằng pin quang điện bán dẫn ta sẽ có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi trong gia đình như thắp sáng, chạy máy thu thanh, nấu cơm, dùng bàn là,…Hiện nay pin quang điện bán dẫn đã được dùng trên các vệ tinh nhân tạo, và các con tàu vũ trụ để cung cấp điện chạy các máy móc điều khiển và để phát các tín hiệu vô tuyến điện Trong tương lai, khi việc sử dụng các pin quang điện bán dẫn để biến năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng đã trở nên phổ biến trong đời sống thì chúng ta sẽ có một nguồn điện rất lớn vì Mặt trời là một nguồn năng lượng hầu như

vô tận

IV.5 Chất bán dẫn

IV.5.1 Chất bán dẫn tinh khiết ( chất bán dẫn thuần)

Trong chất bán dẫn tinh khiết, các electron và lỗ trống được tạo ra chỉ do sự đứt các liên kết Vì vậy, mật độ electron bằng với mật độ lỗ trống Dòng điện tạo ra bởi electron và lỗ trống

Electron và lỗ trống đều là hạt mang điện cơ bản là vì: Khi một electron nhận

Hình 7 Giản đồ mạng tinh thể Ge thuần.

1 Điện tử và lỗ trống trong vùng hóa trị

2 Điện tử trong vùng dẫn

miền hóa trị lên miền dẫn) thì nó chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn Khi nó rời khỏi,miền hóa trị hoàn toàn bị chiếm đầy, nó tạo thành một điện tích dương trong miền này

Ta xem như miền hóa trị xuất hiện thêm một mức năng lượng còn trống Mức năng lượng này gọi là lỗ dương (lỗ trống) Khi electron chuyển lên miền dẫn thì các electron trong miền này thay đổi trạng thái của mình tạo thành dòng điện, gọi là sự dẫn điện bằng electron Còn sự xuất hiện lỗ trống trong miền hóa trị làm các electron trong miền hóa trị nhảy vào lỗ trống đó và lại tạo ra một lỗ trống, tức là làm cho các electron này thay đổi trạng thái, mặc dù chúng không chuyển lên miền dẫn Sự chuyển động của các electron này (hay sự chuyển động của lỗ trống theo hướng ngược lại) gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống

Trong tự nhiên có nhiều chất bán dẫn Các chất bán dẫn thường dùng nhất là Gecmani (Ge) và Silic (Si) Khái niệm chất bán dẫn tinh khiết chỉ mang tính tương đối Thực tế chúng ít nhiều có lẫn tạp chất Đôi khi, người ta cố tình pha tạp chất vào chất bán dẫn để tạo ra một chất bán dẫn có lẫn tạp chất Bởi vì một số loại tạp chất có ảnh hưởng rất mạnh lên tính dẫn điện của một chất bán dẫn

IV.5.2 Chất bán dẫn pha tạp

IV.5.2.1 Chất bán dẫn loại n

Pha một lượng rất nhỏ asen (As) vào khối chất bán dẫn tinh khiết gecmani (Ge) Bán kính của nguyên tử As gần bằng bán kính nguyên tử Ge nên có thể thay thế một nguyên tử Ge trong mạng tinh thể As có hóa trị 5 Bốn điện tử của Ge tạo thành 4 liên kết hóa trị: Một electron của As bị các nguyên tử Ge xung quanh hút nên liên kết yếu với nguyên tử của nó (năng lượng liên kết giảm 256 lần, chỉ còn khoảng 0,15 eV).Khi tăng nhiệt độ của tinh thể thì electron thừa này sẽ tách khỏi As trở thành electron

tự do Khi đó, nguyên tử As trở thành ion dương gắn chặt vào mạng tinh thể, không tham gia dẫn điện

Theo thuyết miền năng lượng, ở nhiệt độ thấp các nối hóa trị đều có năng lượng nằm trong miền hóa trị Chỉ có electron thừa của As có năng lượng ED nằm trong miền cấm và cách đáy miền dẫn một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,015 eV Miền này gọi

là miền tạp chất

Các mức năng lượng nằm trong miền tạp chất gọi là mức cho Các nguyên tử tạp chất gọi là các nguyên tử cho (đôno) Năng lượng cần thiết để lấy electron thừa ra khỏi nguyên tử nhỏ hơn năng lượng của miền cấm nhiều Như vậy ta cần năng lượng ít hơn năng lượng miền cấm để đưa các electron này lên miền dẫn Ngay ở nhiệt độ thường, các electron trong miền tạp chất dễ dàng nhảy lên miền dẫn để tham gia sự dẫn điện Tuy nhiên, các electron này không tạo ra lỗ trống trong miền hóa trị nên

●

● 2

Hình 8 Giản đồ mạng tinh thể Ge có pha tạp chất nhóm V (As)

1 Đono bị ion hóa

2 Điện tử thừa: dễ bứt ra

nồng độ electron lớn hơn nồng độ lỗ trống Hạt mang điện cơ bản là electron, nên sự dẫn điện gọi là sự dẫn điện bằng electron Chất bán dẫn có số electron trong miền dẫn nhiều hơn số lỗ trống trong miền hóa trị gọi là chất bán dẫn loại n.

IV.5.2.2 Chất bán dẫn loại p

Pha một lượng rất nhỏ indi (In) vào khối bán dẫn gecmani (Ge) tinh khiết Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Ge nên một nguyên tử In có thể thay thế một nguyên tử Ge Do In có hóa trị 3 nên để liên kết với 4 nguyên tử Ge nó phải nhận thêm 1 electron từ nguyên tử Ge kế cạnh (ta có thể xem như In mang một lỗ trống) Một electron của Ge sẽ tham gia vào liên kết nếu nhận đủ nằn lượng cần

thiết (khoảng 0,015eV) Khi đó, tại chỗ mà nó vừa rời khỏi lại bị một electron hóa trị

Ge nhảy vào và chiếm chỗ tạo nên lỗ trống

Theo thuyết miền năng lượng, ở nhiệt độ thấp các electron đều có năng lượng nằm trong miền hóa trị Một electron của Ge có electron nằm trong miền hóa trị nhưng không tạo nối với In Giữa In và Ge này ta có một trạng thái năng lượng trống có năng

lượng EA nằm trong dãy cấm và cách đỉnh miền hóa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,015eV Miền năng lượng này cũng gọi là miền tạp chất Các mức năng lượng

Hình 10 Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge pha tạp chất nhóm III (In).

1.Axepto bị ion hóa 2 Lỗ trống thừa: dễ bị đứt

nằm trong miền này gọi là các mức nhận Các nguyên tử tạp chất gọi là nguyên tử nhận (acxepto).

Năng lượng cần thiết để lắp chỗ trống nhỏ hơn năng lượng cần thiết để đưa electron vượt miền cấm Khi tăng nhiêt độ tinh thể sẽ có một số electron trong dãy hóa trị nhận năng lượng và vượt dãy cấm lên dãy dẫn điện Đồng thời ngay ở nhiệt độ thường các electron hóa trị của dãy hóa trị có đủ năng lượng để nhảy lên miền cấm Các quá trình này làm xuất hiện lỗ trống trong miền hóa trị nhưng không tạo ra electron dẫn Như vậy nồng độ lỗ trống lớn hơn nồng độ electron Hạt mang điện cở bản là lỗ trống Sự dẫn điện này gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống Chất bán dẫn có số lỗ trống trong dãy hóa trị nhiều hơn số electron trong dãy dẫn điện gọi là chất bán dẫn loại p

IV.5.2.3 Lớp chuyển tiếp p_n

Ta xét xem có hiện tượng gì xảy ra khi đưa chất bán dẫn loại n tiếp xúc với chất bán dẫn loại p Phần lớn các dụng cụ bán dẫn thường bao gồm các miền loại p và loại

n nối tiếp nhau Lớp chuyển tiếp giữa hai miền đó tạo ra đặc trưng điện có ích

Đặt hai bán dẫn loại n và loại p tiếp xúc nhau Các electron khuếch tán từ vùng

n sang vùng p Đồng thời các lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n Trong khi di chuyển, các electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau Tại mặt phân cách hình thành một lớp mỏng gọi là lớp chuyển tiếp p_n

Ở gần lớp chuyển tiếp chất bán dẫn loại n xuất hiện một lớp điện tích dương và năng lượng electron của lớp này giảm Ở chất bán dẫn loại p xuất hiện một lớp điện tích âm và năng lượng electron của lớp này tăng

Ở gần lớp chuyển tiếp p_n mật độ điện tích đa số giảm đi, bé hơn mật độ pha tạp Ở các vị trí cố định, điện tích của tạp chất không bị trung hòa hình thành một miền

tử nhận trong vùng p và ion dương của nguyên tử cho trong vùng n tạo ra một điện trường Etx tại nơi tiếp xúc chống lại sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số nhưng lại tăng cường sự di chuyển của hạt dẫn thiểu số Etx có chiều từ n sang p.

Gọi ic là dòng điện tạo nên do các hạt mang điện cơ bản (electron và lỗ trống), ichướng từ p sang n Dưới tác dụng của điện trường Etx các hạt mang điện không cơ bản rơi từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp, tạo thành dòng điện ik ngược chiều với dòng điện khuếch tán ic sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu

i = ic= ik= 0

Lúc đó ta có trạng thái cân bằng nhiệt

Để giữ được cân bằng, thông lượng tổng cộng của lỗ trống và electron phải bằng không Thông lượng khuếch tán của mỗi loại phần tử tải điện của lớp chuyển tiếp p_n đúng bằng và ngược với thông lượng của mỗi phần tử tải điện do điện trường gây ra.Thông lượng tổng cộng các lỗ trống:

dx

dE P q dx

 n: nồng độ electron

 p: nồng độ lỗ trống

 Dp: Hệ số khuếch tán của lỗ trống

 Dn: hệ số khuếch tán của electron

 µn: độ linh động của electron

 µp: độ linh động của lỗ trống

 k: hằng số Boltzmam

 EF: mức Fecmi

Theo lý thuyết thống kê Fecmi_Dirac xác suất mà một trạng thái điện tử có năng lượng

E bị chiếm bởi 1 electron:

kT E

Hình 14 Mức Fecmi trong mô hình những mức năng lượng của lớp chuyển tiếp p_n.

Hình 12: sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p_n