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

KHOA SƯ PHẠMBỘ MƠN VẬT LÍ

ĐỀ TÀI:

HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

KHẢO SÁT ĐẶC TUYẾN VÔN_AMPE CỦA TẾ BÀO QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

 Phần A MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài

Ngày nay, với tiến vượt bậc khoa học kỹ thuật, người đạt nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật quan trọng Những thành tựu đáng ý chế tạo thành cơng pin Mặt trời thiết bị điều khiển tự động như: thiết bị chống trộm, thiết bị báo cháy, thiết bị đóng mở đèn tự động, cửa tự động Tất thiết bị gây cho tơi say mê tìm tịi: “tại người ta lại làm thế?” Và qua thời gian nghiên cứu học hỏi biết được: người ta dựa vào tượng quang điện để chế tạo thiết bị hữu ích Vì vậy, tơi định

nghiên cứu tượng quang điện, chọn đề tài “ tượng quang điện_khảo

sát đặc tuyến Vôn_Ampe tế bào quang điện” Qua tơi hiểu sâu hơn,

tổng qt tượng vật lý có nhiều ứng dụng này.

II Mục đích nghiên cứu

- Thơng qua việc nghiên cứu đề tài giúp tơi có kiến thức vững vàng lý thuyết liên quan đến hiệu ứng quang điện, đặc biệt lý thuyết việc giải thích định luật quang điện

- Giúp rèn luyện cho tơi có kĩ thực hành kĩ thiết kế chế tạo dụng cụ thí nghiệm, phục vụ đắc lực cho việc giảng dạy sau cách có hiệu đạt kết cao được.

III Các giả thuyết đề tài

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

- Với thí nghiệm ta kiểm nghiệm phụ thuộc cường độ dòng quang điện vào hiệu điện đặt vào tế bào quang điện, phụ thuộc cường độ dòng quang điện bão hòa, hiệu điện hãm vào công suất nguồn sáng vào bước sóng ánh sáng khác Và đăc biệt ta tính lại số Plăng kiểm nghiệm lại định luật quang điện.

IV Các bước tiến hành

- Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết.

- Bước 2: Chế tạo lắp ráp thí nghiệm.

- Bước 3: Tiến hành đo đạc, lấy số liệu thực nghiệm - Bước 4: Phân tích số liệu đo được

- Bước 5: Hồn thành đề tài.

V Phương pháp nghiên cứu

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

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

Phần B CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I Thuyết miền lượng vật rắn

Khái niệm tổng quát cấu trúc miền Cấu trúc miền tinh thể (các vật rắn) sở phần lớn quan niệm đại chế tượng khác chất cách điện (điện môi), chất bán dẫn điện chất dẫn điện (các kim loại) Trong nét tổng quát nhất, quan niệm rút điều là, electron vật rắn có lượng thay đổi liên tục khoảng xác định (E1min, E1max), (E2min, E2max), (E3min, E3max) ngăn cách miền giá trị cấm lượng Các khoảng giá trị cho phép gọi vùng giá trị cho phép lượng, khoảng lượng không thực tinh thể gọi vùng cấm Số trạng thái vùng cho phép hữu hạn, nguyên lý cấm Pauli, số trạng thái dẫn đến số hữu hạn electron có lượng vùng xét Sự dời chuyển êlectrôn từ vùng sang vùng khác liên quan đến biến đổi lượng vùng không nhỏ bề rộng vùng cấm Sự dời chuyển thực nhờ lượng dao động nhiệt mạng, nhờ chiếu sáng hay điện trường Về mặt lý thuyết, cấu trúc miền tinh thể xuất giải phương trình Shrơdinger cho tinh thể sau số đơn giản hóa để đưa toán cho tinh thể toán cho hạt Xuất phát từ thưc nghiệm, người ta tới cấu trúc miền Chẳng hạn phổ hấp thụ vật rắn miền quang học miền tia Rơnghen mềm gồm dải rộng riêng biệt Điều nói lên electron vật rắn hấp thụ lượng khơng nhỏ bề

rộng vùng cấm, không lớn khoảng cách đáy vùng với lớp vùng khác cao hơn.

I.1 Trong kim loại

Trong kim loại, sau tạo thành mạng tinh thể, từ nguyên tử kim loại đứt electron liên kết yếu với nguyên tử Các electron trở thành electron tự Xuất phát từ quan niệm electron tự Đrútđơ Lorent hoàn chỉnh thuyết electron cổ điển Thuyết giúp ta giải thích tính dẫn điện kim loại, nguyên nhân điện trở, chất nhiệt dung, độ dẫn điện, độ tự cảm điện động lực kim loại…Nhưng mà thuyết electron mang lại chưa thật hồn hảo Nó khơng giúp ta giải thích khác biệt kim loại, bán kim loại, bán dẫn chất cách điện, xuất số Hall nhiều tính chất khác Điều làm nảy sinh yêu cầu cần có lý thuyết chặt chẽ hơn.

Như ta biết mạng tinh thể có cấu trúc tuần hồn nên electron mạng hàm tuần hoàn theo chu kì mạng Ví dụ, với mạng chiều, có dạng hình vẽ sau:

Chuyển động electron trường tuần hoàn tạo nên cấu trúc phổ lượng Việc giải thích phương trình Schrodinger với tuần hoàn phức tạp, vượt phạm vi vật lý đại cương Nhưng để hiểu nét chính, suy luận sau: xét tinh thể có N nguyên tử giống Giả sử ban đầu nguyên tử xa (coi không tương tác với nhau) Lúc mức lượng electron nguyên tử giống nhau.

Gọi gn độ suy biến mức n hệ gồm N nguyên tử có độ suy biến N.gn Bây ta cho nguyên tử lại gần để tạo thành tinh thể tồn thực tế, lúc nguyên tử tương tác với mức lượng tách ra, độ suy biến giảm Do N số lớn (vào cỡ 1023 nguyên tử/cm3) nên khoảng tách mức bé, ta coi có vùng lượng gần liên tục Để minh họa, ta xét hai nguyên tử xét hai mức lượng 1s 2s chúng lúc hai nguyên tử lại gần mức bị tách làm hai (hình 2.a), có ngun tử mức bị tách làm mức (hình 2.b) Khi số nguyên tử N lớn (cỡ 1023 nguyên tử/cm3) mức ban đầu tách thành vùng lượng gần

liên tục (hình 2.c) Các vùng gọi vùng phép Vùng có mức lượng cao gọi vùng dẫn, vùng có lượng thấp gọi hóa trị Giữa vùng có khoảng trống, gọi khe lượng (hay vùng cấm) khơng tồn trạng thái electron dĩ nhiên khơng có electron vùng Cũng có miền có hai hay nhiều vùng lượng xen phủ mặt lượng Các vùng phép vùng trống mức lượng chưa bị êlectron chiếm chỗ; vùng đầy mức lượng bị electron chiếm chỗ; vùng chưa đầy có số mức lượng phía vùng cịn bị bỏ trống Hình mơ tả sơ đồ vùng lượng tinh thể Natri, vùng chiếm đầy 3s chốn đầy nửa Các tính chất điện vật rắn phụ thuộc vào xếp vùng khe lượng, đồng thời phụ thuộc vào việc vùng cư trú electron nào.

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

lượng, vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử khơng linh động.

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

tử linh động (như điện tử tự do) điện tử vùng điện tử dẫn, có nghĩa chất có khả dẫn điện có điện tử tồn vùng dẫn Tính dẫn

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

còn gọi vùng trống lượng: Là vùng nằm vùng hóa trị vùng dẫn, khơng có mức lượng điện tử khơng thể tồn vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, xuất mức lượng vùng cấm (mức pha tạp).

Khoảng cách đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị gọi độ rộng vùng cấm, hay lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất dẫn điện khơng dẫn điện.

Như vậy, tính dẫn điện chất rắn tính chất chất bán dẫn lý giải cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng lượng sau:

a Trong kim loại: vùng dẫn vùng hóa trị phủ lên (khơng có vùng cấm),

đó ln ln có điện tử vùng dẫn mà kim loại luôn dẫn điện Ngay nhiệt độ thường electron hóa trị dễ dàng di chuyển lên mức lượng cao hơn, tới mức lượng cao từ miền hóa trị lên miền dẫn trở thành electron tự Số lượng electron tự lớn Do kim loại dẫn điện tốt.

Hình Các miền lượng electron kim loại.

b Trong điện môi:

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

tất mức miền dẫn trống Muốn cho electron từ miền hóa trị vượt qua miền cấm đến miền dẫn phải cung cấp cho động lớn Vì nhiệt độ thường lượng chuyển động nhiệt khơng đủ để chuyển động lên miền dẫn Do đó, nhiệt độ thường điện mơi chất cách điện.

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

đối (0 K), mức Fermi nằm vùng cấm, có nghĩa tất điện tử tồn vùng hóa trị, chất bán dẫn khơng dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, điện tử

sẽ nhận lượng nhiệt (kB.T với kB số Boltzmann) lượng chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, có số điện tử nhận lượng lớn lượng vùng cấm nhảy lên vùng dẫn chất rắn trở thành dẫn điện Khi nhiệt độ tăng lên, mật độ điện tử vùng dẫn tăng lên, đó, tính dẫn điện chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Một cách gần đúng, viết phụ thuộc điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ sau:

với: R0 số, Eg độ rộng vùng cấm Ngồi ra, tính dẫn điện chất bán dẫn thay đổi nhờ kích thích lượng khác, ví dụ ánh sáng Khi chiếu sáng, điện tử hấp thu lượng từ phơtơn, nhảy lên vùng dẫn lượng đủ lớn Đây nguyên nhân dẫn đến thay đổi tính chất chất bán dẫn tác dụng ánh sáng (quang-bán dẫn).

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

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

Các miền lượng hình thành bên vật rắn có điện trường tuần hồn Trường tạo nên nút mạng tinh thể phân bố có trật tự khơng gian

II Dịng điện

Dịng điện dịng điện tích dịch chuyển có hướng, gồm có dịng điện dẫn, dịng điện đối lưu dịng điện chân khơng.

II.1 Dịng điện dẫn : dịng điện tích vi mơ chuyển động bên

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

II.2 Dịng điện đối lưu: dịng điện tích mang với hạt vĩ mơ hay vật chứa điện tích đó.

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

hay êlectrôn) chuyển động không phụ thuộc vào vật vĩ mơ chân khơng.

 Cường độ dịng điện: Đại lượng i xác định điện lượng dq qua tiết diện ngang vật dẫn sau khoảng thời gian vơ nhỏ dt gọi cường độ dịng

điện:

dtdq

Nếu sau khoảng thời gian tuỳ ý, điện tích qua tiết diện ngang vật dẫn nhau, dịng điện gọi dịng điện khơng đổi (về độ lớn chiều

và kí hiệu chữ I.

 Mật độ dịng điện J đại lượng đo điện tích qua đơn vị mặt của

vật dẫn đơn vị thời gian.

Mật độ dịng điện véc tơ vng góc với mặt phẳng có dịng điện chạy qua

Về trị số:

Si

j , S tiết diện ngang vật dẫn.

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

III Bản chất tia sáng

Thuyết hạt ánh sáng I Newton phát triển vào cuối thết kỉ thứ

XVII coi ánh sáng dòng hạt nguồn sáng phát lan truyền thẳng môi trường đồng chất Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng thuyết giải thích phương pháp học Chẳng hạn như, phản xạ hạt ánh sáng từ gương so sánh với phản xạ cầu đàn hồi từ thành đó, trường hợp này, góc phản xạ góc tới, phản xạ ánh sáng giải thích, hạt ánh sáng bị hạt môi trường thứ hai hút chúng chuyển từ môi trường sang môi trường khác Khi thành phần tiếp tuyến v1tvà v2t vận tốc ánh sáng môi trường thứ thứ hai nhau, thành phần pháp tuyến khác Vì v1t v1sinit

Thuyết hạt ánh sáng khơng thể giải thích tượng nhiễu xạ, giao thoa, phân cực ánh sáng đễn kỉ XIX

Thuyết sóng ánh sáng lần nhà vật lý Hà Lan Chistian Huygens (1962-1965) đề xuất, ơng cho ánh sáng sóng đàn hồi truyền mồi trường ête Ête môi trường đặc biệt chiếm đầy khoảng không gian bên vật chúng.

Trong suốt kỉ XVIII, thuyết hạt Niutơn thống trị khoa học Mãi đến thuyết sóng giải thích tượng giao thoa, nhiễu xạ thuyết sóng có vị trí xứng đáng Cuối kỉ XIX, Moăcxoen thiết lập thuyết điện từ ánh sáng Theo ơng sóng ánh sáng sóng điện từ có tần số cao Thuyết điện từ ánh sáng thuyết đắn khơng thể giải thích tượng tán sắc ánh Do Lorenx đưa đưa thuyết êlêctrơn để giải thích tượng Thuyết êlêctrơn giải thích số tượng tán sắc, hấp thụ ánh sáng, khơng giải thích tượng khác phát xạ vật đen tuyệt đối Để giải khó khăn này, năm 1900 Plăng đưa

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

v tần số phát xạ, h số Plăng

Năm 1905 Anhxtanh phát triển thuyết lượng tử Plăng thành thuyết lượng tử ánh sáng hay gọi thuyết phơtơn Theo Anhxtanh, khơng phải có phát xạ mà cịn có hấp thụ lan truyền ánh sáng xảy dạng lượng tử ánh sáng riêng biệt, gọi lượng tử ánh sáng hay phôtôn

Thuyết phôtôn khác với thuyết hạt Niutơn chỗ thuyết phơtơn cịn giữ khái niệm sóng: lượng tử ánh sáng phơtơn biểu diễn theo tần só sóng theo hệ thức  hv Như vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt, hay nói cách khác có lưỡng tính sóng-hạt Thuyết phơtơn giải thích hàng loạt tượng mà thuyết điện từ ánh sáng tỏ bất lực (như phát xạ, hấp thụ ánh sáng, tượng quang điện, huỳnh quang…), thuyết phôtôn không phủ nhận thuyết điện từ ánh sáng Ngày nay, thuyết điện từ ánh

sáng thuyết phôtôn coi hai thuyết đắn chất ánh sáng

IV Tế bào quang điệnIV.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 Héc phát 1887, sau việc nghiên cứu chi tiết tượng Xtô-lê-tốp (Stoletov) tiến hành vào năm 1888-1889, đến Lê-na (Lénard) năm 1889-1902 nhiều nhà thực nghiệm khác vào năm 90 kỉ XIX Trong thí nghiệm người ta thu dòng quang điện đến đầu kỉ XX định luật quang điện thiết lập.

Hiệu ứng quang điện gồm có hai loại chính: hiệu ứng quang điện hiệu ứng quang điện Ngoài cịn có hiệu ứng quang điện lớp chặn.

- Hiệu ứng quang điện ngồi: tượng ánh sáng có bước sóng thích hợp, chiếu vào kim loại, làm bật electron khỏi bề mặt kim loại, gọi tượng quang điện ngoài.

- Hiệu ứng quang điện trong: tác dụng ánh sáng có bước sóng thích hợp electron dẫn lỗ trống bán dẫn tạo thành, kết tính dẫn điện vật tăng lên.

- Hiệu ứng quang điện lớp chặn: thể xuất hiệu điện vật bán dẫn đặt tiếp xúc chiếu sáng Hiệu ứng giải thích cớ chế dẫn điện vật bán dẫn Nếu bán dẫn có tính dẫn electron bán dẫn có tính dẫn lỗ trống đặt tiếp xúc bán dẫn có tính dẫn lỗ trống chiếu sáng, electron sau hấp thụ lượng tử ánh sáng chuyển sang bán dẫn có tính dẫn electron, bán dẫn tích điện âm bán dẫn tích điện dương Một nguồn điện tạo ra, thêm vào qua lớp chặn dịng quang điện theo hướng ngược với chiều dòng điện qua thiết bị đó, thiết bị dùng chỉnh lưu.

Trong luận văn phần lý thuyết ta nghiên cứu hai tượng quang điện, phần thực nghiệm ta nghiên cứu phần tượng quang điện ngoài, (nghiên cứu tác dụng ánh sáng lên tế bào quang điện chân không).

Hiệu ứng quang điện khơng có qn tính, nghĩa khơng có chậm trễ lúc bắt đầu chiếu sáng lúc xuất quang electron.

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

quang điện hình vẽ Nó gồm bóng đèn chân khơng cao (áp suất vào khoảng 10-6mmHg ) Trong bóng đèn có hai kim loại: dương cực A (anot) âm cực K (catot ) Bản âm cực K làm kim loại cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện Nhờ hai nguồn điện 1  2 (có cực mắc đối nhau) biến trở R nối với

hai A K hình vẽ 23, ta đặt A hiệu điện cao K (hoặc ngược lại ) cách dịch chuyển chạy C biến trở R.

Cho chùm ánh sáng tử ngoại (bước sóng ngắn ) chiếu qua nắp thạch anh N tới rọi mặt âm cực K Chùm ánh sáng giải phóng electron khỏi mặt âm cực K, electron gọi quang electron Dưới tác dụng điện trường A K, quang electron chuyển động dương cực A tiếp tục vào mạch điện, tạo thành dịng điện khơng đổi có chiều ngược lại gọi dòng điện Cường độ dòng điện Ia đo điện kế G, hiệu điện UAK = VA - Vk hai kim loại A K đo vôn kế V.

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

của cường độ dòng quang điện Ia theo hiệu điện UAK ta vẽ đường cong biểu diễn Ia = f(UAK) gọi đường đặc trưng vôn–ampe kim loại K Ta nhận thấy, UAK tăng Ia tăng theo Khi UAK lớn giá trị U1 ( UAK > U1 ), cường độ dịng quang điện Ia khơng tăng có giá trị không đổi Ibh Giá trị Ibh gọi cường độ dịng quang điện bão hịa Nó đặc trưng cho tác dụng quang điện chùm ánh sáng định kim loại.

IV.1.4 Sự hấp thụ phôtôn êletron:

Trong tượng quang điện (ngồi), nói chung êlêctron hấp thụ

phơtơn, lượng êlêctrơn tăng lên cịn phơtơn “biến mất” Êlêctrơn hấp thụ hồn tồn phơtơn với điều kiện êlêctrôn trạng thái liên kết (trong nguyên tử, phân tử hay vật rắn) Sự hấp thụ hoàn tồn phơtơn êlêctrơn tự khơng thể xảy ra, bị “cấm”, vi phạm định luật bảo toàn lượng động lượng Sau ta chứng minh điều đó: Để cho đơn giản, giả sử rằng, trước hấp thụ phôtôn, êlêctrôn đứng n Khi đó, áp dụng định luật bảo tồn lượng động lượng cho hạt tương tác (phơtơn êlêctrơn) ta có, theo thuyết

tương ứng lượng xung lượng phơtơn, cịn p động lượng êlêctrôn sau hấp thụ phôtôn, m0 c2 lượng nghỉ êlêctrôn từ hai phương trình ta suy ra: 2422

Dễ dàng thấy đẳng thức vừa tìm khơng với tần số  khác khơng Do đó, ta phải kết luận hiệu ứng quang điện phôtôn tương tác với êlêctrôn liên kết Sự liên kết êlêctrôn nguyên tử đặc trưng lượng ion hố ngun tử, cịn ngun tử đặc trưng cơng A Như vậy, để hiệu ứng quang điện ngồi xảy ra, lượng phôtôn

phải lớn lượng ion hố hay cơng Năng lượng thực chưa phải lớn Với phơtơn có lượng từ hàng chục đến hàng nghìn êlêctrơn vơn, xác suất hiệu ứng quang điện giảm lượng phôtôn tiếp tục tăng.

Thế quang học phi tuyến (quang học phi tuyến quang học

được khảo sát tác dụng chùm ánh sáng có cường độ mạnh, ví dụ chùm lade hay máy phát lượng tử…), thực nghiệm chứng tỏ rằng, giả định hấp thụ phôtôn hệ nguyên tử phân tử hay vật rắn, chùm sáng yếu Cịn rọi vào mơi trường chùm sáng lade có cơng suất lớn xảy hấp thụ nhiều phôtôn Hiện tượng hấp thụ nhiều phôtôn biểu dạng sau:

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

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

Tất nhiên mơi trường cho phải chọn tần số lade thích hợp Cịn tần số lade xác định phải chọn mơi trường thích hợp để E2E1nhđược thỏa mãn Hiện tượng hấp thụ hai phôtôn phát chiếu xạ lade rubi với

 0,693 lên tinh thể CaF2, thấy ánh sáng thoát từ tinh thể ngồi xạ0,693m cịn có xạ có bước sóng 0,425m.

b) Khi chiếu chùm sáng trắng qua mơi trường mà xảy hấp thụ phôtôn h0, thỏa mãn hệ thứcE2 E1 h0, chiếu chùm sáng trắng chùm lade đủ mạnh tần số  qua mơi trường đó, chùm ánh sáng bị hấp thụ hoàn toàn hai tần số 1 0 với 1 0 Như vậy, có mặt phơtơn hcủa chùm sáng mạnh, phân tử (hoặc nguyên tử hay vật rắn) môi trường hấp thụ đồng thời hai phơtơn có tần số khác  1thoả mãn hệ thức:

c) Bằng thực nghiệm quan sát hiêu ứng quang điện nhiều phôtôn ion hóa nhiều phơtơn chiếu sáng mơi trường chùm ánh sáng đủ mạnh có tần số  tương đối thấp Hiệu ứng quang điện thường (hiệu ứng quang điện phôtôn) quan sát tần số phôtôn lớn tần số giới hạn  đó,

cịn hiệu ứng quang điện nhiều phơtơn lại xảy tần số bé hớn tần số giới hạn quang điệnn lần (n số phôtôn tham gia đồng thời vào trình bản).

IV.1.5 Các định luật quang điện:

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

Đối với kim loại xác định, hiệu ứng quang điện xảy bước sóng

 chùm ánh sáng rọi tới nhỏ giá trị xác định 0 gọi “giới hạn quang điện” kim loại đó.

 <0

Giới hạn quang điện  0 phụ thuộc chất kim loại rọi sáng, ngồi cịn phụ thuộc vào trạng thái mặt ngồi kim loại Nếu chùm ánh sáng tới có bước sóng khơng thích hợp ( > 0 ), thí dụ cường độ sáng mạnh, khơng thể gây hiệu ứng quang điện.

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

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

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

Động cực đại quang electron tăng tỉ lệ với tần số  chùm ánh sáng rọi tới khơng phụ thuộc vào cường độ sáng I chùm ánh sáng đó.

IV.1.6 Giải thích định luật quang điện

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

Theo thuyết điện từ ánh sáng, lượng ánh sáng truyền liên tục theo sóng ánh sáng cường độ ánh sáng lớn lượng ánh sáng mang theo nhiều Như vậy, dù ánh sáng có bước sóng lớn nữa, có cường độ lớn cung cấp nhiều lượng cho electron giải phóng electron khỏi kim loại Vì thế, thuyết điện từ khơng thể giải thích có “giới hạn quang điện”, khơng thể giải thích có động cực đại ban đầu quang electron không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng rọi tới kim loại Hơn nữa, theo thuyết điện từ ánh sáng, từ ánh sáng rọi tới kim loại đến có quang electron xuất phải khoảng thời gian chục phút Nhưng thí nghiệm chứng tỏ rằng, khoảng thời gian bé (khơng 10

-9giây) Đó bất lực thuyết điện từ ánh sáng việc giải thích tượng quang điện.

IV.1.6.2 Theo lý thuyết hạt Anhxtanh

IV.1.6.2.1 Thuyết lượng tử lượng Plăng

Năm 1900, Plăng đưa giả thuyết: Lượng lượng mà lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hồn tồn xác định h;

 tần số ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; h số.

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

Dựa vào thuyết lượng tử lượng Plăng Einstein phát triển thành

thuyết lượng tử ánh sáng (hay cịn gọi thuyết phơtơn), nội dung sau:

a) Chùm ánh sáng chùm phôtôn (các lượng tử ánh sáng) Mỗi phơtơn có lượng xác định h (Trong h=6,625.10-34J.s số Plăng,

 tần số sóng ánh sáng tương ứng với phơtơn đó) Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát giây.

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

c) Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s chân không Chú ý rằng, thuyết lượng tử ánh sáng khơng khẳng định lượng có tính gián đoạn, mà khẳng định lượng ánh sáng nguyên tử phân tử hấp thụ phát xạ có tính gián đoạn mà thơi Cịn động tịnh tiến phân tử, nguyên tử êlêctrôn biến thiên giá trị tuỳ ý, tức liên tục Trong công thức Anhxtanh, ta thấy động êlêctrôn luôn nhỏ lượng tử lượng   h

 Các thuộc tính phơton:

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

 là:  h Từ suy khối lượng phơton là: 

 Công thức Anhxtanh tượng quang điện

Theo Anhxtanh, xảy hiệu ứng quang điện, êlectron kim loại hấp thụ hoàn toàn phôtôn nhận thêm lượng  h phôtôn truyền qua Đối với êlectron nằm sâu kim loại lượng  nhận bị tiêu hao phần A1 va chạm với hạt khác mạng tinh thể từ lớp sâu mặt ngồi kim loại Một phần chuyển thành cơng thoát A để tách êlectron tách êlectron khỏi kim loại phần lại chuyển thành động ban đầu quang êlectron Theo định luật bảo toàn lượng ta có:

Như vậy, êlectron nằm sâu kim loại A1 lớn, động ban đầu nhỏ Còn êlectron bề mặt kim loại A1 = nên động ban đầu vận tốc ban đầu chúng lớn nhất, ta có: Anhxtanh tượng quang điện.

IV.1.6.2.3 Giải thích định luật quang điện:

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

trạng thái bình thường electron bị “giam” kim loại Khi kim loại rọi sáng, electron hấp thụ hoàn tồn photon tới nhận thêm lượng

h photon Nếu phần lượng  lớn cơng A electron, electron giải phóng khỏi kim loại Như vậy, điều kiện để hiệu ứng quang điện xảy là:

h >A

 Giá trị  0 “giới hạn quang điện” rõ ràng phụ thuộc vào cơng A, tức phụ thuộc vào chất kim loại ta cần nghiên cứu hiệu ứng quang điện.

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

dòng quang điện trở nên bão hòa tất quang electron giải phóng khỏi kim loại âm cực K chuyển động hết dương cực A Nhưng số quang electron giải phóng khỏi âm cực K tỉ lệ thuận với số photon bị hấp thụ; số photon lại tỉ lệ thuận với số photon tới âm cực K Vì vậy, cường độ dòng quang điện bão hòa (bằng số electron giải phóng khỏi âm cực K đơn vị thời gian) tỉ lệ với số photon tới âm cực, tức tỉ lệ thuận với cường độ sáng chùm ánh sáng rọi tới kim loại âm cực K.

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

của quang electron): Trong số electron giải phóng khỏi kim loại, có electron sát mặt ngồi kim loại, có electron sâu kim loại Đối với electron sát mặt kim loại, lượng h mà electron hấp thụ photon dùng để sinh cơng A, phần lại chuyển thành động ban đầu electron Đối với electron sâu kim loại, phần lượng mà hấp thụ photon bị tiêu hao trình chạy từ ngồi mặt kim loại Do đó, động khỏi kim loại nhỏ động ban đầu electron

nói Như electron sát mặt kim loại, giải phóng khỏi kim loại, có động ban đầu cực đại.

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

2 1

mv ) hiệu số lượng  hmà hấp thụ phơtơn trừ cơng A khỏi mặt kim loại: mv2maxh A

2 1

Phương trình gọi phương trình Anhstanh Nó chứng tỏ rằng, kim loại xác định, động cực đại ban đầu quang electron phụ thuộc vào tần số  chùm ánh sáng rọi tới mặt kim loại Kết tính tốn theo phương trình Anhstanh phù hợp với kết đo thực nghiệm.

Như vậy, thuyết lượng tử ánh sáng Anhstanh giải thích hồn tồn định luật quang điện Ngược lại, việc giải thích thành cơng định luật quang điện chứng tỏ thuyết lượng tử ánh sáng Anhstanh hồn tồn đem lại cho thêm quan niệm chất ánh sáng: tính chất hạt ánh sáng Ngồi tượng quang điện, cịn nhiều tượng khác hiệu ứng Compton, áp suất ánh sáng tượng thực nghiệm xác nhận rõ thêm chất hạt ánh sáng.

IV.2 Sự phát electron nhiệt

Êlectrôn khỏi bề mặt vật rắn, ngồi tượng quang điện vật nung nóng êlectrơn giải phóng khỏi bề mặt kim loại, tượng cịn gọi phát êlectrơn nhiệt

Trong chuyển động hỗn loạn bên nguyên tử, êlectrôn riêng lẻ thu động lớn cơng êlectrơn khỏi kim loại bị bứt khỏi kim loại Khi kim loại tích điện dương hút êlectrtôn bay Do kết hai q trình: “sự bốc hơi” êlectrơn khỏi kim loại “ngưng động” êlectrôn kim loại, nên có nồng độ êlectrơn hình thành phía kim loại Nồng độ nhỏ, khơng đáng kể nhiệt độ thông thường tăng đột ngột nhiệt độ tăng.

Nếu kim loại nung nóng catốt đèn chân không hiệu điện tác dụng lên đèn bảo đảm cho tất êlectrôn phát từ catốt bị điện trường hút anốt, đặc trưng tính chất phát êlectrơn nhiệt chất làm catốt dòng phát xạ

ứng với cm2 mặt bị nung nóng vật, nghĩa mật độ dòng phát xạ

trong B số, T nhiệt độ tuyệt đối catốt, Ath cơng êlectrơn

khỏi kim loại, k sô Boltzmann

IV.3 Các loại tế bào quang điện

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

Tế bào quang điện chân khơng tế bào quang điện có khí loại tế bào quang điện đơn giản Nguyên tắc hoạt động chúng dựa tượng, hiệu ứng quang điện ngồi, tức giải phóng electron khỏi mặt kim loại ta rọi chùm sáng thích hợp (  0 ) tới mặt kim loại đó.

a Tế bào quang điện chân khơng:

nó gồm bóng đèn chân không (áp suất khoảng 10-6mmHg) thủy tinh thạch anh, phần mặt bóng đèn có phủ lớp chất nhạy ánh

sáng xesi (Cs), natri (Na), kali (K), bạc (Ag),…dùng làm âm cực K phát quang electron Chính đèn vòng dây kim loại dùng làm dương cực A Âm cực K dương cực A nối với nguồn điện  (bộ acqui ) microampe kế dùng đo cường độ dòng quang điện Suất điện động nguồn điện  phải đủ lớn để tạo dòng quang điện bão hòa Cường độ dòng quang điện bão hòa xác định đại lượng vật lý gọi độ nhạy tế bào quang điện Độ nhạy tế bào quang điện có trị số tỉ số cường độ dịng quang điện bão hịa quang thơng chùm ánh sáng rọi tới âm cực K Đơn vị microampe lumen

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

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

cho thêm khí trơ (thí dụ Ar chẳng hạn ) vào 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, electron sơ cấp từ âm cực K phát ion hóa ngun tử khí trơ đường chúng làm xuất electron thứ cấp ion hóa Các electron thứ cấp đường dương cực A lại ion hóa ngun tử khí trơ khác, số electron tăng lên làm cho dòng quang điện tế bào có khí tiếp tục tăng khơng bão hịa Độ nhạy loại tế bào quang điện có khí đạt tới 100A/lm.

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

a Tế bào nhân quang điện ( tầng ): sơ

đồ tế bào nhân quang điện ( tầng ) hình vẽ (26) Các quang electron giải phóng khỏi âm cực K chuyển động dương cực phụ A1 nhờ trường tĩnh điện tạo nguồn điện 1 Sau đập vào dương cực phụ A1, quang electron làm bật khỏi dương cực phụ A1 số electron gọi electron thứ cấp

Những electron thứ cấp chuyển động

dương cực A ( có dạng lưới kim loại ) nhờ nguồn điện 2 tạo thành dịng quang điện có cường độ lớn.

Độ nhạy loại tế bào nhân quang điện ( tầng ) đạt tới giá trị từ 5001000A/lm.

b Ống nhân quang điện: Là dụng cụ

khuếch đại electron xạ từ cathode nhờ đèn chân khơng có nhiều dương cực phụ đặt

những điện khác Nó gồm bóng thủy tinh chân khơng có quang âm cực K điện thấp dương cực A điện cao nhất, cịn có điện cực trung gian K1, K2, K3… gọi cực phát ( hình 27) Hệu điện K1, K2,

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

Giả sử lượng tử ánh sáng  h rọi vào âm cực K làm bứt êlectron Electron tăng tốc điện trường K với K1 đến K1 có động đủ lớn để làm bật số electron khỏi K1 Đây tượng phát xạ electron thứ cấp Các electron thứ cấp lại tăng tốc điện trường K1 K2, làm K2 bật số electron thứ cấp lớn Cứ mà số electron thứ cấp tăng lên gần theo cấp số nhân Kết từ electron ban đầu K, ta nhận hàng triệu electron thứ cấp dường cực A Do ống nhân quang điện có tác dụng khuếch đại dòng quang điện, ống nhân quang điện đại có từ 15 đến 20 điện cực, 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 loại tế bào quang điện hoạt động dựa hiệu ứng quang điện trong, tức tượng ta rọi ánh sáng vào chất bán dẫn hay điện mơi số electron giải phóng khỏi nguyên tử, trở thành electron tự lại chất làm cho độ dẫn điện chất tăng lên nhiều Hiện nay, tế bào quang điện trở chế tạo chất chì sunfua, bit muyt sunfua, catmi sunfua…và dùng làm rơle quang điện.

Việc chế tạo quang điện trở đơn giản, khơng cần bóng đèn, không cần

chất bán dẫn Trên mặt lớp bán dẫn này, có gắn điện cực tất quang điện trở phủ lớp sương suốt Khác với tế bào quang điện chân khơng, khơng có dịng quang điện bão hịa Độ nhạy quang điện trở lớn độ nhậy tế bào quang điện dựa hiệu ứng quang điện ngồi từ trăm đến nghìn lần Mặt khác, sử dụng khoảng rộng bước sóng từ phạm vi hồng ngoại đến xạ Ronghen gama Ngồi ra, tính chất quang điện trở phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.

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

Tế bào pin quang điện loại tế bào hoạt động dựa hiệu ứng pin quang điện, tức hiệu ứng quang điện xảy lớp ngăn bán dẫn kim loại, lớp ngăn bán dẫn loại p bán dẫn loại n (đó hệ gồm hai mẫu bán dẫn loại P lọai N ghép sát sau, có khuếch tán điện tử lỗ trống lớp ghép nối xuất điện trường phụ hướng từ lớp N (có nhiều lỗ trống khuếch tán qua) sang lớp P (có nhiều điện tử khuếch tán sang) khơng cho dịng điện qua khối N-P Khi có ánh sáng chiếu tới mẫu N electron nhận lượng xạ điện tử liên tục tạo thành electron tự Khi nối cực P N qua thiết bị tiêu thụ điện có dịng điện qua dây dẫn từ P sang N Các e từ N qua R đến P để trung hoà với lỗ trống) Do tác dụng chỉnh lưu lớp ngăn electron nhận lượng photon rọi tới pin quang điện chạy qua lớp ngăn theo chiều (từ kim loại sang bán dẫn, từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p) làm xuất suất điện động Sơ đồ pin quang điện bán dẫn p-n hình vẽ (hình 28) Nếu ta nối hai bán dẫn loại p n dây dẫn, qua dây dẫn có dịng điện chạy từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Hiện người ta chế tạo loại pin quang điện đồng oxit, pin quang điện Selen, pin quang điện Silic, pin quang điện

Gecmani Ưu điểm bật loại tế bào pin quang điện bán dẫn biến đổi trực tiếp lượng ánh sáng Mặt trời thành điện mà khơng cần nguồn điện bên ngồi Độ nhạy loại tế bào pin quang điện đạt tới 1000A/lm Đặc biệt, vài loại tế bào pin quang điện nhạy xạ vùng hồng ngoại; chúng sử dụng kỹ thuật quân đại.

IV.4 Ứng dụng tế bào quang điện

IV.4.1 Tự động hóa máy tiếp quang điện

Sơ đồ máy tiếp quang điện hình vẽ

Khi rọi chùm ánh sáng vào tế bào quang điện mạch điện xuất dịng điện nhỏ I chạy qua điện trở R theo chiều từ M đến N làm cho điện M lớn điện N lượng RI Nếu ta quy ước điện âm cực K đèn triot Y ( đèn khuếch đại ba cực ) khơng trước rọi ánh sáng, điện lưới G - Sau rọi ánh sáng, điện lưới G - +RI, nghĩa lớn chút Khi dịng điện I mạch đèn triot tăng lên làm cho nam châm điện C đủ sức hút kim loại T để ngắt mạch điện máy D.

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

châm C không đủ sức giữ kim loại T nhả điểm tiếp xúc P; mạch điện máy D đóng lại.Nhờ nguyên tắc hoạt động trên, máy tiếp quang

điện ( gọi role quang điện ) dùng trình tự động hóa, thí dụ như: tự động đếm số sản phẩm sản xuất chạy băng chuyển tự đơng, đếm số người vào phịng triển lãm,…

IV.4.2 Phát âm máy chiếu phim

Ở bên lề phim chiếu bóng, ta thấy dãy có bề rộng độ suốt thay đổi: “băng ghi âm” phim Để phát lại băng ghi âm này, người ta dùng thiết bị có tế bào quang điện hình vẽ (30) Ánh sáng từ nguồn sáng S có cường độ khơng đổi phát hệ thống thấu kính L1 L2 tập trung lại băng ghi âm phim

Sau truyền qua băng ghi âm (đang chuyển động) cường độ ánh sáng thay đổi theo dao động âm ghi băng vào tế bào quang điện Tế bào quang điện biến đổi dao động cường độ ánh sáng tới thành dao động điện Những dao động điện khuếch đại lên (qua máy khuếch đại), đưa loa Do ta nghe dao động âm ghi băng ghi âm phim.

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

Để đạt mục đích này, ta dùng nhiều loại pin quang điện khác nhau, tốt loại pin quang điện bán dẫn silic, hiệu suất đạt tới 1415% Người ta tính rằng: với mét vng diện tích pin quang điện

được ánh sáng mặt trời rọi tới, ta nhận cơng suất điện khoảng 100 oát Như vậy, lợp mái nhà pin quang điện bán dẫn ta có đủ điện để thỏa mãn tiện nghi gia đình thắp sáng, chạy máy thu thanh, nấu cơm, dùng bàn là,…Hiện pin quang điện bán dẫn dùng vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ để cung cấp điện chạy máy móc điều khiển để phát tín hiệu vô tuyến điện Trong tương lai, việc sử dụng pin quang điện bán dẫn để biến lượng ánh sáng Mặt trời thành điện trở nên phổ biến đời sống có nguồn điện lớn Mặt trời nguồn lượng 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, electron lỗ trống tạo đứt liên kết Vì vậy, mật độ electron với mật độ lỗ trống Dịng điện tạo

Hình Giản đồ mạng tinh thể Ge thuần.

1 Điện tử lỗ trống vùng hóa trị Điện tử vùng dẫn

miền hóa trị lên miền dẫn) chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn Khi rời khỏi, miền hóa trị hồn tồn bị chiếm đầy, tạo thành điện tích dương miền Ta xem miền hóa trị xuất thêm mức lượng trống Mức lượng gọi lỗ dương (lỗ trống) Khi electron chuyển lên miền dẫn electron miền thay đổi trạng thái tạo thành dịng điện, gọi dẫn điện electron Còn xuất lỗ trống miền hóa trị làm electron miền hóa trị nhảy vào lỗ trống lại tạo lỗ trống, tức làm cho electron thay đổi trạng thái, chúng không chuyển lên miền dẫn Sự chuyển động electron (hay chuyển động lỗ trống theo hướng ngược lại) gọi dẫn điện lỗ trống.

Trong tự nhiên có nhiều chất bán dẫn Các chất bán dẫn thường dùng Gecmani (Ge) Silic (Si) Khái niệm chất bán dẫn tinh khiết mang tính tương đối Thực tế chúng nhiều có lẫn tạp chất Đơi khi, người ta cố tình pha tạp chất vào chất bán dẫn để tạo chất bán dẫn có lẫn tạp chất Bởi số loại tạp chất có ảnh hưởng mạnh lên tính dẫn điện chất bán dẫn.

IV.5.2 Chất bán dẫn pha tạp

IV.5.2.1 Chất bán dẫn loại n

Pha lượng nhỏ asen (As) vào khối chất bán dẫn tinh khiết gecmani (Ge) Bán kính nguyên tử As gần bán kính ngun tử Ge nên thay nguyên tử Ge mạng tinh thể As có hóa trị Bốn điện tử Ge tạo thành liên kết hóa trị: Một electron As bị nguyên tử Ge xung quanh hút nên liên kết yếu với nguyên tử (năng lượng liên kết giảm 256 lần, khoảng 0,15 eV) Khi tăng nhiệt độ tinh thể electron thừa tách khỏi As trở thành electron tự Khi đó, nguyên tử As trở thành ion dương gắn chặt vào mạng tinh thể, không tham gia dẫn điện.

Theo thuyết miền lượng, nhiệt độ thấp nối hóa trị có lượng nằm miền hóa trị Chỉ có electron thừa As có lượng ED nằm miền cấm cách đáy miền dẫn khoảng lượng nhỏ chừng 0,015 eV Miền gọi miền tạp chất.

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

Hình Giản đồ mạng tinh thể Ge có pha tạp chất nhóm V (As) Đono bị ion hóa

Điện tử thừa: dễ bứt ra.

nồng độ electron lớn nồng độ lỗ trống Hạt mang điện electron, nên dẫn điện gọi dẫn điện electron Chất bán dẫn có số electron miền dẫn nhiều số lỗ trống miền hóa trị gọi chất bán dẫn loại n.

IV.5.2.2 Chất bán dẫn loại p

Pha lượng nhỏ indi (In) vào khối bán dẫn gecmani (Ge) tinh khiết Bán kính nguyên tử In gần bán kính ngun tử Ge nên ngun tử In thay nguyên tử Ge Do In có hóa trị nên để liên kết với nguyên tử Ge phải nhận thêm electron từ nguyên tử Ge kế cạnh (ta xem In mang lỗ trống) Một electron Ge tham gia vào liên kết nhận đủ nằn lượng cần

thiết (khoảng 0,015eV) Khi đó, chỗ mà vừa rời khỏi lại bị electron hóa trị Ge nhảy vào chiếm chỗ tạo nên lỗ trống.

Theo thuyết miền lượng, nhiệt độ thấp electron có lượng nằm miền hóa trị Một electron Ge có electron nằm miền hóa trị khơng tạo nối với In Giữa In Ge ta có trạng thái lượng trống có

lượng EA nằm dãy cấm cách đỉnh miền hóa trị khoảng lượng nhỏ chừng 0,015eV Miền lượng gọi miền tạp chất Các mức lượng

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

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

nằm miền gọi mức nhận Các nguyên tử tạp chất gọi nguyên tử nhận (acxepto).

Năng lượng cần thiết để lắp chỗ trống nhỏ lượng cần thiết để đưa electron vượt miền cấm Khi tăng nhiêt độ tinh thể có số electron dãy hóa trị nhận lượng vượt dãy cấm lên dãy dẫn điện Đồng thời nhiệt độ thường electron hóa trị dãy hóa trị có đủ lượng để nhảy lên miền cấm Các trình làm xuất lỗ trống miền hóa trị khơng tạo electron dẫn Như nồng độ lỗ trống lớn nồng độ electron Hạt mang điện cở lỗ trống Sự dẫn điện gọi dẫn điện lỗ trống Chất bán dẫn có số lỗ trống dãy hóa trị nhiều số electron dãy dẫn điện gọi chất bán dẫn loại p.

IV.5.2.3 Lớp chuyển tiếp p_n

Ta xét xem có tượng xảy đưa chất bán dẫn loại n tiếp xúc với chất bán dẫn loại p Phần lớn dụng cụ bán dẫn thường bao gồm miền loại p loại n nối tiếp Lớp chuyển tiếp hai miền tạo đặc trưng điện có ích.

Đặt hai bán dẫn loại n loại p tiếp xúc Các electron khuếch tán từ vùng n sang vùng p Đồng thời lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n Trong di chuyển, electron lỗ trống tái hợp với Tại mặt phân cách hình thành lớp mỏng gọi lớp chuyển tiếp p_n

Ở gần lớp chuyển tiếp chất bán dẫn loại n xuất lớp điện tích dương lượng electron lớp giảm Ở chất bán dẫn loại p xuất lớp điện tích âm lượng electron lớp tăng.

Ở gần lớp chuyển tiếp p_n mật độ điện tích đa số giảm đi, bé mật độ pha tạp Ở vị trí cố định, điện tích tạp chất khơng bị trung hịa hình thành miền

tử nhận vùng p ion dương nguyên tử cho vùng n tạo điện trường Etx nơi tiếp xúc chống lại khuếch tán hạt dẫn đa số lại tăng cường di chuyển hạt dẫn thiểu số Etx có chiều từ n sang p.

Gọi ic dịng điện tạo nên hạt mang điện (electron lỗ trống), ic hướng từ p sang n Dưới tác dụng điện trường Etx hạt mang điện không rơi từ mức lượng cao sang mức lượng thấp, tạo thành dòng điện ik ngược chiều với dòng điện khuếch tán ic cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu i = ic= ik= 0

Lúc ta có trạng thái cân nhiệt.

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

 n: nồng độ electron  p: nồng độ lỗ trống

 Dp: Hệ số khuếch tán lỗ trống  Dn: hệ số khuếch tán electron  µn: độ linh động electron  µp: độ linh động lỗ trống  k: số Boltzmam

 EF: mức Fecmi.

Theo lý thuyết thống kê Fecmi_Dirac xác suất mà trạng thái điện tử có lượng E bị chiếm electron:

Hình 14 Mức Fecmi mơ hình mức lượng lớp chuyển tiếp p_n.

Hình 12: sơ đồ mức lượng vùng dẫn vùng hóa trị

Tương ứng với điện trường Etx ta có điện Utx hai bên mối nối rào điện (còn gọi điện tiếp xúc) Thông thường:

Utx= 0,7V chất bán dẫn Ge Utx= 0,3V chất bán dẫn Si

Độ lớn rào điện phụ thuộc vào chiều điện trường đặt vào hai bán dẫn.

Trường hợp chiều điện trường ngược với chiều điện trường Etx lớp chuyển tiếp Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại n cực dương vào chất bán dẫn loại p ( phân cực nghịch )

Hàng rào hạ xuống nơi tiếp xúc nghĩa lượng electron chất bán dẫn loại n tăng chất bán dẫn loại p giảm Như có nhiều hạt mang điện vượt qua rào thế, dòng ic tăng ik khơng thay đổi Dịng điện tổng cộng nơi tiếp xúc i = ic- ik có chiều từ p sang n, i tăng hiệu điện tăng.

Trường hợp chiều điện trường trùng với chiều điện trường lớp chuyển tiếp p_n Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại p cực dương vào chất bán dẫn loại n (phân cực thuận) Electron bán dẫn loại n lỗ trống bán dẫn loại p bị “hút” lại phía điện cực, khiến cho bờ miền điện tích khơng gian xuất ion lấn sâu vào bán dẫn n p Độ cao hàng rào tăng lên dịng điện khơng

Hình 15: sơ đồ mức lượng vùng dẫn vùng hóa trị lớp chuyển tiếp p_n phân cực nghịch.

thể qua lớp tiếp xúc Dòng điện qua lớp tiếp xúc dòng ik bé Dòng điện tổng cộng i có chiều từ p sang n khơng phụ thuộc vào hiệu

Như lớp chuyển tiếp p_n có tính chất chỉnh lưu: cho dịng điện theo chiều Bằng kỹ thuật Epitaxi người ta chế tạo lớp chuyển tiếp p_n (mối nối p_n) mô tả sau:

Trước tiên người ta dùng thân Si_n+, (nghĩa pha nhiều phân tử cho)

Hình 16: sơ đồ mức lượng vùng dẫn vùng hóa trị lớp chuyển tiếp p_n phân cực thuận.

Trên thân ta phủ lớp cách điện SiO2 lớp vecni nhạy sáng

Song, người ta đặt lên lớp vecni mặt nạ lỗ trống dùng xạ để chiếu lên mặt nạ Vùng vecni bị chiếu sáng rửa lớp axit chừa phần Si_n+ Phần lại phủ vecni.

Xuyên qua phần không phủ vecni, người ta cho khuếch tán nguyên tử acxepto vào thân Si_n+ để biến vùng thành Si_p Sau cùng, người ta phủ nối p_n có

V Quang bán dẫn

V.1 Dụng cụ quang bán dẫn: Là loại dụng cụ bán dẫn có

thể biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện ngược lại từ lượng điện thành lượng ánh sáng Các dụng cụ quang bán dẫn chia làm ba nhóm:

- Nhóm 1: Dụng cụ bán dẫn điện phát quang: biến đổi lượng điện thành lượng ánh sáng (điôt phát quang) Hoạt động dựa hiệu ứng phát quang.

- Nhóm 2: Dụng cụ bán dẫn quang điện: Biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện (tế bào quang điện) điều chế tín hiệu điện tín hiệu ánh sáng (điện trở quang) Hoạt động dựa hiệu ứng quang dẫn hiệu ứng quang áp.

- Nhóm 3: Dụng cụ bán dẫn kết hợp quang điện: kết hợp hai hiệu ứng phát quang quang dẫn quang áp

Trong luận văn khảo sát dụng cụ quang bán dẫn thuộc nhóm 2.

V.2 Hiệu ứng quang áp: Hiệu ứng quang áp tượng xuất điện

động hai cực lớp chuyển tiếp p_n chiếu sáng.

Khi ánh sáng chiếu vào thỏa h EP nối p_n hấp thụ ánh sáng gây phát xạ điện tử _lỗ trống Tại nơi tiếp xúc chất bán dẫn loại p có khơng cân nồng độ hạt dẫn: điện tử bị trường tiếp xúc lớp chuyển tiếp p_n sang phía bán dẫn n, cịn lỗ trống bị trường cản lại Tại nới tiếp xúc hình thành tích tụ điện tích: âm phía n dương phía p.

- Nếu khơng nối hai đầu p_n với mạch ngồi tích tụ tăng lên Những hạt dẫn đa số hình thành hấp thụ ánh sáng trung hòa với hạt dẫn thiểu số miền điện tích khơng gian (miền điện tích hai mối nối) Do đó, điện tiếp xúc giảm làm gia tăng khuếch tán hạt dẫn đa số qua mối nối Điều kiện cân bị phá vỡ Nhưng dòng khuếch tán hạt dẫn đa số dòng di chuyển ngược lại hạt dẫn sinh hấp thụ ánh sáng điều kiện cân lặp lại

Thế hiệu tiếp xúc có giá trị: U = Utx - U

Trong đó:

Utx: hiệu tiếp xúc vốn có lớp chuyển tiếp.

U: điện tạo hạt dẫn phát sinh trình hấp thụ ánh sáng, gọi suất điện động quang điện.

U< Utx

- Nếu nối hai đầu p_n với mạch ngồi mạch xuất dịng điện I có chiều từ p qua mạch vào n.

Dựa vào hiệu ứng quang áp người ta chế tạo quang điốt.

V.3 Quang Diôt: Điôt nối p_n Tùy theo mật độ tạp chất pha vào chất bán dẫn ban đầu, tùy theo phân cực điôt số yếu tố khác mà ta có nhiều loại điôt khác tùy vào ứng dụng cụ thể.

V.3.1 Cấu trúc quang diôt:

Cực quang diôt bán dẫn Ge loại n Phiến bán dẫn gắn với điện cực đặt vỏ kim loại, cửa sổ làm vật liệu suốt cho ánh sáng qua, đặt đối diện với phiến bán dẫn.

6: Cửa sổ suốt

Tần số hoạt động quang điôt lên đến hàng ngàn MHz.

V.3.2 Đặc tuyến Volt_Ampe quang điôt chiếu sáng

Người ta thiết kế sơ đồ để khảo sát đặc tuyến V_I quang điôt sau:

Gắn vào hai phía p n hai điện cực Trong điện cực phía p suốt để ánh sáng qua Mach nối với điện trở Rt.

Khi phân cực nghịch, hạt dẫn thiểu số qua lớp tiếp xúc tạo dòng điện nghịch Io, nên I hướng với Io Dòng Io tạo điện áp UR điện trở Rt có chiều dương hướng phía bán dẫn p Điện áp làm giảm hiệu điện tiếp xúc đồng thời làm xuất dòng chảy ngược hướng với Io Dòng chảy mạch xác định:

Với U = UR = I Rt ta viết lại:

Ta có đặc tuyến V_I sau:

Khi không chiếu sang (=0), quang điôt giống điơt thường Khi mạch ngồi ngắn