xác định hằng số planck bằng tế bào quang điện và đèn led

ˆ Hiện tượng quang điện trong: dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, cácelectron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn được tạo thành, kết quả là tính dẫn điện của vậtdẫn được tăng

Lời cảm ơn

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay tác giả xin chân thành cảm ơn cha mẹ, gia đình,thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện khóa luậnnày Tác giả xin bày tỏ lòng trân trọng và cảm ơn đến:

Cô Nguyễn Thị Hảo đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi rất nhiều trong quá trình tìm hiểu vàthực hiện khóa luận, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời gian để đọc và sửa chữa khóaluận cho tôi

Thầy Nguyễn Hoàng Long và thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang đã hỗ trợ và giúp

đỡ nhiệt tình, tạo mọi điều kiện để tôi có được các thiết bị, dụng cụ để thực hiện thí nghiệm.Thầy Trần Tuấn Anh, giảng viên trường Đại học Sư phạm kĩ thuật đã tạo điều kiện tốtnhất để tôi được tiếp cận và thực hiện các thí nghiệm tại trường

Cô Phan Thị Ngọc Loan đã nhiệt tình giải đáp những vấn đề mà tôi thắc mắc trongquá trình thực hiện khóa luận này

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời tri ân đến các thầy cô khoa Lý đã giảng dạy, truyền đạt nhữngkiến thức và kinh nghiệm cho tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi cũng xin gửi lời biết ơn đến Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chính Minh đãtạo cho tôi có một môi trường học tập và rèn luyện một cách thuận lợi và tốt nhất

Cám ơn tất cả các bạn đã thăm hỏi tôi, động viên tôi hoàn thành đề tài

Mục lục

1.1 Tế bào quang điện 4

1.2 Hiện tượng quang điện 4

1.3 Thí nghiệm hiện tượng quang điện 5

1.3.1 Thí nghiệm của Hertz về hiện tượng quang điện (1887) 5

1.3.2 Thí nghiệm với tế bào quang điện 6

1.4 Các định luật về hiện tượng quang điện 9

1.5 Giải thích các định luật quang điện 9

1.5.1 Sự bất lực của lý thuyết sóng điện từ 9

1.5.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein 10

1.6 Khối lượng nghỉ và động lượng của photon 12

2 Thực hành 13 2.1 Mục đích 13

2.2 Tóm tắt lý thuyết 13

2.3 Thực hành thí nghiệm 14

2.3.1 Dụng cụ 14

2.3.2 Thiết bị đo 15

2.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị 16

2.3.4 Phương pháp đo 16

2.4 Trình tự thực hành 16

2.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm 16

2.4.2 Xác định hằng số Planck 17

2.5 Xử lý số liệu và kết quả 18

2.5.1 Xác định giá trị Uh của từng màu khác nhau 18

2.5.2 Xác định hằng số Planck 19

II Đo hằng số Planck bằng đèn LED 23 3 Cơ sở lý thuyết 24 3.1 Sự dẫn điện trong bán dẫn 24

3.1.1 Chất bán dẫn điện thuần 24

3.1.2 Chất bán dẫn pha tạp 26

3.1.3 Tiếp xúc n - p Diode bán dẫn 28

3.2 Giới thiệu về LED 30

3.3 Nguyên lý làm việc của LED 31

4 Thực hành 33 4.1 Mục đích 33

4.2 Tóm tắt lý thuyết 33

4.2.1 Giao thoa cho hệ vân tròn Newton 33

4.2.2 Xác định hằng số Planck bằng LED 34

4.3 Thực hành thí nghiệm 36

4.3.1 Dụng cụ 36

4.3.2 Trình tự thực hành 39

4.3.3 Xử lý số liệu và kết quả thí nghiệm 40

B Tài liệu thực hành đo hằng số Planck bằng đèn LED 59

C Mẫu báo cáo thực hành đo hằng số Planck bằng đèn LED 68

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 Hiệu điện thế hãm ứng với từng bước sóng 18

Bảng 2.2 Giá trị hằng số Planck 19

Bảng 2.3 Số liệu tuyến tính hóa 21

Bảng 3.1 Điện thế ngưỡng của một số LED 32

Bảng 4.1 Số liệu đo được từ LED đỏ 41

Bảng 4.2 Số liệu đo được từ LED màu lục 41

Bảng 4.3 Số liệu đo được từ LED màu lam 42

Bảng 4.4 Hệ số a và b sau khi khớp hàm phần tuyến tính của đường đặc tuyến Vôn - Ampe 43

Bảng 4.5 Giá trị Ung của các đèn LED 45

Bảng 4.6 Số liệu tuyến tính hóa của đèn LED màu đỏ 45

Bảng 4.7 Số liệu tuyến tính hóa của đèn LED màu lục 46

Bảng 4.8 Số liệu tuyến tính hóa của đèn LED màu lam 48

Bảng 4.9 Giá trị Ung của các đèn LED tính bằng cách lập bảng 50

Bảng 4.10 Giá trị hằng số Plack đo được từ các đèn LED 51

Bảng A.1 Số liệu đèn LED màu đỏ 56

Bảng A.2 Số liệu đèn LED màu lục 57

Bảng A.3 Số liệu đèn LED màu lam 58

Bảng C.1 Số liệu đo được từ LED màu đỏ 69

Bảng C.2 Số liệu đo được từ LED màu lục 69

Bảng C.3 Số liệu đo được từ LED màu lam 69

Bảng C.4 Kết quả đo bước sóng ánh sáng của các đèn LED 69

Bảng C.5 Số liệu đèn LED màu đỏ 70

Bảng C.6 Số liệu đèn LED màu lục 70

Bảng C.7 Số liệu đèn LED màu lam 70

Bảng C.8 Giá trị Ung của các đèn LED 70

Bảng C.9 Giá trị Ung của các đèn LED 71

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Thí nghiệm của Hezt về hiện tượng quang điện 6

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện 6

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào hiệu điện thế UAK 7

Hình 2.1 Các kính lọc màu có ghi sẵn giá trị bước sóng trong thiết bị đo 15

Hình 2.2 Thiết bị đo hiệu ứng quang điện 15

Hình 2.3 Đồ thị của biểu diễn độ lớn Uh theo tần số 18

Hình 2.4 Các giá trị thu được sau khi khớp hàm Uh theo ν 22

Hình 3.1 Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0K) - bán dẫn thuần 24

Hình 3.2 Tinh thể chất bán dẫn thuần ở nhiệt độ cao (T =300K) 25

Hình 3.3 Sự dẫn điện của tinh thể chất bán dẫn thuần 26

Hình 3.4 Tinh thể bán dẫn pha tạp loại n 26

Hình 3.5 Tinh thể bán dẫn pha tạp loại p 27

Hình 3.6 Sơ đồ mắc thuận của diode 29

Hình 3.7 Sơ đồ mắc nghịch của diode 29

Hình 3.8 Đặc tuyến Vôn - Ampe của lớp tiếp xúc p - n 30

Hình 3.9 Sự chuyển dời của hạt mang điện và lỗ trống qua lớp tiếp xúc p - n và cấu tạo của LED 31

Hình 4.1 Sơ đồ giao thoa hệ vân tròn Newton 33

Hình 4.2 Tiếp xúc p - n và vùng điện tích không gian 35

Hình 4.3 Sự dẫn điện của bán dẫn p - n khi được phân cực thuận 35

Hình 4.4 Sự phát xạ năng lương của LED 35

Hình 4.5 Thiết bị đo bước sóng bằng vân tròn Newton 36

Hình 4.6 Đồng hồ vạn năng DT - 9205A+ và một số thông số kĩ thuật về thiết bị 37

Hình 4.7 Thiết bị thực hành thí nghiệm đo hằng số Planck bằng đèn LED 38

Hình 4.8 Vị trí các vân tối của vân tròn Newton 39

Hình 4.9 Mạch điện đo hiệu điện thế ngưỡng của LED 40

Hình 4.10 Bảng kết quả sau khi khớp hàm của LED đỏ 42

Hình 4.11 Kết quả thu được sau khi khớp hàm đối với LED màu đỏ 43

Hình 4.12 LED màu đỏ 44

Hình 4.13 LED màu lục 44

Hình 4.14 LED màu lam 44

Hình B.1 Minh họa giao thoa vân tròn Newton 60

Hình B.2 61

Hình B.3 Cấu tạo đèn LED 62

Hình B.4 Sự dẫn điện của LED 62

Trong thời gian qua, bản thân tôi cũng được học nhiều môn thực hành sau khi đã hoànthành các môn đại cương Tất cả các môn thực hành đó đều đem lại sự đam mê và thích thúcho bản thân tôi và để lại nhiều ấn tượng sâu sắc.Từ đó tôi rút ra kết luận rằng phương phápthực nghiệm có vai trò rất quan trọng trong quá trình giảng dạy.

Trong chương trình Vật lý phổ thông hiện hành, các tác giả đã đưa vào sách giáo khoaVật lý 12 một phần rất căn bản của vật lý lượng tử, có thể kể đến như là “Hiện tượng quangđiện” hay “Quang phổ vạch của Hydro” Hằng số Planck đã được đề cập đến khi học sinh họctới những phần này Sâu hơn nữa, khi được tiếp cận đến vật lý lượng tử, hằng số Planck xuấthiện như là một điều tất yếu, nó mô tả mối quan hệ giữa năng lượng trong một lượng tử bức

xạ điện từ và tần số bức xạ đó

Hằng số Planck có vai trò quan trọng trong vật lý lượng tử Mặc dù giá trị hằng số Planck cógiá trị rất nhỏ, h = 6.62607 × 10−34J.s nhưng ta vẫn có thể thực hiện các thí nghiệm với nhữngphương pháp khác nhau để kiểm chứng Tôi xin đề cập đến hai phương pháp:

1 Dựa trên hiện tượng quang điện

2 Dựa sự phát photon của đèn LED

Hai phương pháp khác nhau để thực hiện hai thí nghiệm với cùng một mục đích Mỗiphương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế Tùy vào mục đích mà ta có thể đưa vào giảngdạy ở những đối tượng khác nhau, với những yêu cầu khác nhau Dụng cụ quan trọng khi thựchiện thí nghiệm đối với phương pháp 1 là tế bào quang điện, còn đối với phương pháp 2 làđèn LED Từ những lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài: “XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLANCKBẰNG TẾ BÀO QUANG ĐIỆN VÀ ĐÈN LED”

Mục tiêu của khóa luận là xác định được hằng số Planck bằng hai phương pháp khác nhau.Thông qua đó, tôi sẽ đánh giá độ chính xác kết quả Từ đó, tôi sẽ gợi ý phạm vi ứng dụng đểphát huy được điểm mạnh và hạn chế điểm yếu của từng phương pháp Để thực hiện được mụctiêu trên, những công việc cụ thể cần thực hiện trong khóa luận này là:

1 Hệ thống hóa kiến thức về “Hiện tượng quang điện” và “Linh kiện bán dẫn”, cụ thể ở đây

là diode phát quang (LED)

2 Từ những kiến thức trên, tiến hành thực hiện các thí nghiệm để thu các số liệu

3 Tiến hành xử lý số liệu thí nghiệm và thu được kết quả

4 Đánh giá kết quả của từng phương pháp

Nội dung khóa luận bao gồm 2 phần với cấu trúc như nhau Phần I bao gồm chương 1 vàchương 2, phần này trình bày về phương pháp đo hằng số Planck dựa vào hiện tượng quangđiện Phần II bao gồm chương 3 và chương 4, phần này trình bày về phương pháp đo hằng sốPlanck bằng đèn LED Cụ thể là:

ˆ Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang điện Hiện tượng quang điện baogồm hiện tượng quang điện ngoài và hiện tượng quang điện trong Trong giới hạn của đềtài, tôi chỉ trình bày chủ là hiện tượng quang điện ngoài, phù hợp với phần thực nghiệmđược trình bày ở chương 2

ˆ Chương 2 trình bày phần thực nghiệm khi đo hằng số Planck bằng phương pháp hiệntượng quang điện Tôi sẽ nêu mục đích của thí nghiệm và tóm tắt lý thuyết trước khi bắtđầu thực hành Tiếp theo, tôi sẽ trình bày phần thực hành bao gồm trình tự thực hành,

xử lý số liệu ra để dẫn đến kết quả và đánh giá kết quả thu được

ˆ Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết về linh kiện bán dẫn, chủ yếu là sự dẫn điện của bándẫn, bao gồm bán dẫn thuần, bán dẫn loại n, bán dẫn loại p và tiếp xúc n-p Ngoài ra,tôi còn giới thiệu về đèn LED và nguyên tắc hoạt động của đèn LED

ˆ Chương 4 trình bày phần thực nghiệm khi đo hằng số Planck bằng đèn LED Tôi sẽ nêumục đích của thí nghiệm và tóm tắt lý thuyết trước khi bắt đầu thực hành Tiếp theo,tôi sẽ trình bày phần thực hành bao gồm trình tự thực hành, xử lý số liệu ra để dẫn đếnkết quả và đánh giá kết quả thu được

Kết luận và hướng phát triển là phần cuối cùng của khóa luận Trong phần này tôi sẽtrình bày tóm tắt các kết quả thu được khi thực hiện khóa luận cũng như đề ra hướng pháttriển cho đề tài này

Phần I

Đo hằng số Planck dựa vào hiện tượng

quang điện

Chương 1

Cơ sở lý thuyết

1.1 Tế bào quang điện

Tế bào quang điện là dụng cụ chính dùng để khảo sát hiện tượng quang điện Đó là mộtbóng trong suốt không cản tia tử ngoại, bên trong hầu như là chân không và gồm có:

ˆ Một catod K (bản âm cực) là một lớp kim loại tinh chất mà ta muốn khảo sát

ˆ Một anod A (bản dương cực) là một thanh kim loại (có thể là một vòng kim loại).Anode A được nối với một điện thế cao hơn điện thế của cathode C Do đó, khi rọi mộtchùm tia sáng thích hợp, làm bật ra các electron thì những electron này bị hút về phía anodtạo thành một dòng electron dịch chuyển [7]

1.2 Hiện tượng quang điện

Hiện tượng quang điện do Hertz phát hiện ra đầu tiên 1887, sau đó việc nghiên cứu chitiết hiện tượng được Stoletov tiến hành vào những năm 1888-1889, rồi đến Lénard năm 1889 -

1902 và nhiều nhà thực nghiệm khác vào những năm 90 của thế kỉ XIX [3][7] Trong những thínghiệm này người ta đã thu được dòng quang điện và đến đầu thế kỉ XX các định luật quangđiện đã được thiết lập

Hiện tượng quang điện gồm có hai loại chính: Hiện tượng quang điện ngoài và hiện tượngquang điện trong Ngoài ra còn có hiện tượng quang điện của lớp chặn [3]

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

ˆ Hiện tượng quang điện trong: dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, cácelectron dẫn và lỗ trống trong bán dẫn được tạo thành, kết quả là tính dẫn điện của vậtdẫn được tăng lên

ˆ Hiện tượng quang điện của lớp chặn: thể hiện ở sự xuất hiện hiệu điện thế trên các vậtbán dẫn đặt tiếp xúc nhau được chiếu sáng Hiệu ứng này được giải thích bởi cơ 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 trốngđược chiếu sáng, thì các electron của nó sau khi hấp thụ lượng tử ánh sáng sẽ chuyểnsang bán dẫn có tính dẫn bằng electron, bán dẫn này được tích điện âm và bán dẫn kiađược tích điện dương Một nguồn điện được tạo ra, thêm vào đó qua lớp chặn dòng quangđiện đi theo hướng ngược với chiều dòng điện đi qua thiết bị đó, thiết bị này được dùngnhư một cái chỉnh lưu

Hiệu ứng quang điện hầu như không có quán tính, nghĩa là không có sự chậm trễ giữa lúcbắt đầu chiếu sáng và lúc xuất hiện các quang electron [3]

1.3 Thí nghiệm hiện tượng quang điện

Dùng một bản P bằng kẽm và gắn với một bình điện nghiệm như hình 1.1 Tích điện vàobình Rọi vào bản P một chùm tia sáng giàu tia tử ngoại (hồ quang), ta thấy kết quả như sau[7]:

ˆ Nếu bình điện nghiệm được tích điện dương thì sự chiếu sáng trên không gây ra một tácdụng nào đối với điện tích của bình : f vẫn tách khỏi E như cũ

ˆ Nếu bình điện nghiêm được tích điện âm, ta thấy f khép lại khá nhanh, chứng tỏ điệntích của bình điện nghiệm, cũng như của bản P giảm đi và triệt tiêu Điều này chứng tỏbình đã phóng điện

Bây giờ lại tích điện âm vào bản P và bình điện nghiệm nhưng đặt giữa nguồn sáng vàbản P một bản thủy tinh (bản này có tính chất hấp thụ tia tử ngoại) Ta thấy sự phóng điệnkhông xảy ra : f và E vẫn đẩy nhau

Từ thí nghiệm này, người ta kết luận: Ánh sáng tử ngoại khi chiếu tới bản kẽm đã làm bật racác electron ở bản P, do đó điện tích âm ở bản P và ở bình giảm đi và triệt tiêu

Hiện tượng như trên gọi là hiện tượng quang điện ngoài Vậy hiện tượng quang điện ngoài

là hiện tượng ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại

Hình 1.1: Thí nghiệm của Hezt về hiện tượng quang điện [7]

1.3.2.1 Bố trí thí nghiệm

Sơ đồ thí nghiệm thường dùng để nghiên cứu hiệu ứng quang điện như hình 1.2 Nó gồmmột bóng đèn chân không cao (áp suất vào khoảng 10−6 mmHg ) Trong bóng đèn có hai bảnkim loại: bản dương cực A (anod) và bản âm cực K (catod ) Bản âm cực K làm bằng kim loạicần nghiên cứu hiệu ứng quang điện Nhờ hai nguồn điện ε1 và ε2 (có các cực mắc đối nhau)

và một biến trở R nối với hai bản A và K như hình vẽ, ta có thể đặt bản A ở hiệu điện thế caohơn bản K (hoặc ngược lại) bằng cách dịch chuyển con chạy trên biến trở R

Hình 1.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng quang điện [4]

Cho một chùm ánh sáng tử ngoại (bước sóng ngắn) chiếu tới 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 chuyểnđộng 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 quang điện [3][4][7] Cường độ dòng điện Ia đo bằng điện kế G,còn hiệu điện thế UAK = VA− VK giữa hai bản kim loại A và K được đo bằng vôn kế V

1.3.2.2 Tiến hành thí nghiệm

Đầu tiên ta đặt UAK > 0: Khi không có ánh sáng chiếu vào, trong mạch không có dòngđiện (kim điện kế không lệch) Khi chiếu ánh sáng có tần số thích hợp vào quang catod thìtrong mạch xuất hiện dòng điện (kim điện kế bị lệch), điều này chứng tỏ đã có các electronbứt ra khỏi quang catod và dưới tác dụng của điện trường, các electron bị kéo về anod, do đótrong mạch xuất hiện dòng điện Dòng điện này được gọi là dòng quang điện[4][7]

Bây giờ cho UAK thay đổi và đo sự biến thiên của cường độ dòng quang điện theo hiệuđiện thế UAK, ta được đường cong a trên hình Sau đó tăng gấp đôi cường độ ánh sáng và lặplại thí nghiệm, ta được đường cong b (hình 1.3)[4]

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào hiệu điện thế UAK [4]

1.3.2.3 Kết quả thí nghiệm

Ta thấy rằng khi tăng UAK thì dòng I tăng theo Nếu tiếp tục tăng UAK thì I đạt đến mộtgiá trị không đổi gọi là dòng bão hòa I0[4][7] Ta có thể hiểu điều này như sau: Hiệu điện thế

UAK dương có tác dụng kéo các electron phát ra từ quang catod về anod Khi UAK càng lớn thì

số electron tạo ra ở catod về được anod càng nhiều và dòng quang điện càng lớn Đến một lúc,khi mọi quang electron phát ra ở catod đều tập trung ở anod thì dù có tăng UAK thì dòng điệncũng không thể tăng thêm nữa Khi đó ta có dòng bão hòa Như vậy cường độ dòng điện bãohòa tỉ lệ số quang electron phát ra So sánh các giá trị I0 tương ứng với trường hợp a và b ta

thấy khi cường độ ánh sáng tăng gấp đôi thì cường độ dòng bão hòa tăng gấp đôi: I02= 2I01.Nghĩa là cường độ của dòng quang điện bão hòa tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới Nói cách khác,

số quang electron phát ra tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới [3][4][7]

Ngoài ra, ta thấy hiệu điện thế bằng không vẫn có dòng quang điện Khi UAK âm ứng vớigiá trị UAK = −Uh thì dòng quang điện triệt tiêu, Uh được gọi là hiệu điện thế hãm Ý nghĩacủa hiệu điện thế hãm là như sau [4]: Bức xạ chiếu vào quang catod đã cung cấp năng lượnglàm cho các electron bứt ra khỏi kim loại và cung cấp cho mỗi electron một động năng banđầu K0 nào đó Nhờ có động năng này, các electron có thể chuyển động đến anod khi không

có điện trường (UAK = 0) hoặc ngay cả khi điện trường có tác dụng chống lại sự chuyển động(UAK < 0) Giá trị UAK = −Uh ứng với khi các electron có động năng ban đầu cực đại K0 maxvừa đúng bị hãm bởi điện trường [3][4]

Có thể tính được K0 max thông qua Uh bằng cách sau Theo định luật bảo toàn năng lượngthì tổng động năng và thế năng của electron trong điện trường là không đổi Ban đầu khi mớixuất hiện, nó có động năng cực đại là K0 max và thế năng Wt= −eVK= 0 (chọn VK= 0) Sau

đó khi đi đến anod (có điện thế VA = −Uh), electron có thế năng Wt = −e (−Uh) = eUh vàđộng năng lúc này bằng không Vậy ta có:

K0 max+ 0 = 0 + eUh

hay

K0 max = eUh (1.1)Như vậy, Bằng cách đo Uh, có thể xác định được động năng ban đầu cực đại của chúng[4].Công thức (2.6) cho thấy động năng ban đầu cực đại của electron K0 max tỉ lệ với hiệu điệnthế hãm Uh Từ đồ thị ta thấy hiệu điện thế hãm Uh không phụ thuộc cường độ ánh sáng tới

Do đó, động năng ban đầu cực đại của electron không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới.Điều này là vấn đề khó hiểu nếu giải thích theo quan điểm sóng ánh sáng [2]

Bây giờ ta cho thay đổi tần số ν của ánh sáng chiếu vào và đo sự phụ thuộc của Uh theotần số ν, ta được kết quả như hình 1.5 Ta thấy Uh là một hàm tuyến tính của tần số ánh sángđến Nghĩa là theo (2.6), động năng ban đầu cực đại của electron là một hàm tuyến tính theotần số ánh sáng Tần số mà tại đó hiệu điện thế hãm Uh = 0 gọi là tần số ngưỡng và kí hiệu

là ν0 Ý nghĩa của nó như sau: Khi ánh sáng đến có tần số nhỏ hơn ν0, dù ta đặt Uh = 0 (cácelectron không bị cản trở chuyển động), cũng không có dòng điện trong mạch Nghĩa là không

có quang electron xuất hiện Vậy khi ánh ánh đến có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng thì hiệntượng quang điện không xảy ra Bước sóng λ0 ứng với tần số ngưỡng ν0 gọi là giới hạn quangđiện của kim loại phụ thuộc vào bản chất kim loại[3][7]

Ta có thể tóm tắt các kết quả thực nghiệm như sau [2][3][4][7]:

ˆ Số quang electron phát ra tỉ lệ cường độ ánh sáng tới

ˆ Động năng ban đầu cực đại của quang electron không phụ thuộc cường độ mà phụ thuộctần số ánh sáng (là hàm tuyến tính của tần số ánh sáng kích thích)

ˆ Khi ánh sáng tới có tần số nhỏ hơn tần số ngưỡng hay bước sóng ánh sáng kích thích lớnhơn giới hạn quang điện thì hiện tượng quang điện không xảy ra

1.4 Các định luật về hiện tượng quang điện

Từ các kết quả thí nghiệm về hiện tượng quang điện, người ta rút ra được ba định luật [2][3] [4] [7]

ˆ Định luật thứ nhất (định luật về giới hạn quang điện): Hiện tượng quang điện chỉ xảy

ra khi ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn hay bằng giới hạn quang điện (λ ≤ λ0)

ˆ Định luật thứ hai (định luật về cường độ dòng quang điện bão hòa): Khi xảy ra hiệntượng quang điện, cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sángkích thích (I0 ∼ Ias)

ˆ Định luật thứ ba (định luật về động năng ban đầu cực đại): Khi xảy ra hiện tượngquang điện, động năng ban đầu cực đại của các quang electron không phụ thuộc vàocường độ của ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích

và bản chất của kim loại dùng làm catod

1.5 Giải thích các định luật quang điện

Theo thuyết điện từ về ánh sáng, năng lượng ánh sáng được truyền đi liên tục theo sóngánh sáng và cường độ ánh sáng càng lớn thì năng lượng ánh sáng mang theo càng nhiều Nhưvậy, dù ánh sáng có bước sóng lớn thế nào đi nữa, nhưng nếu có cường độ lớn thì nó sẽ cungcấp được nhiều năng lượng cho electron và do đó sẽ giải phóng được electron khỏi kim loại[2]

Vì thế, thuyết điện từ không thể giải thích được tại sao có “giới hạn quang điện”, cũng nhưkhông thể giải thích được tại sao có động năng cực đại ban đầu của các quang electron khôngphụ 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 10−9 giây) [4] Đó là những bất lực của thuyết điện từ về ánh sáng trong việc giảithích hiện tượng quang điện.

1.5.2.1 Lý thuyết lượng tử năng lượng của Planck

Năm 1900, Planck đưa ra giả thuyết: Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hayphân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hν; trong đó ν là tần sốcủa ánh sáng bị hấp thụ hay được phát ra; còn h là một hằng số [4]

1.5.2.2 Lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein

Năm 1905, để giải thích các kết quả thực nghiệm về hiện tượng quang điện, Einstien đãđẩy mạnh ý tưởng lượng tử hóa năng lượng và nêu giả thuyết[4]

ˆ Năng lượng của ánh sáng tập trung thành những bó có kích thước rất nhỏ và lan truyềnvới vận tốc bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c, những bó này được gọi là photon(hay lượng tử ánh sáng), năng lượng của mỗi photon của ánh sáng đơn sắc tần số ν tỉ lệvới tần số này qua hằng số Planck

trong đó h = 6.625 × 10−34Js là hằng số Planck

ˆ Cường độ của một chùm sáng tỉ lệ với mật độ photon trong chùm

ˆ Nguyên tử hay phân tử vật chất hấp thụ ánh sáng theo từng photon riêng biệt

ˆ Vận tốc ánh sáng trong chân không là tuyệt đối, c = 3 × 108 m/s, không phụ thuộc vàonguồn phát hay máy thu

Như vậy, Einstien đã hình dung một chùm sáng như một chùm các hạt nhỏ li ti Nănglượng của mỗi hạt tỉ lệ với tần số của ánh sáng sáng, E = hν Khi đó, năng lượng của chùmánh sáng gửi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền trong một giây (cường

độ ánh sáng) sẽ bằng số hạt đi qua diện tích trong một giây (N ) nhân với năng lượng của mỗihạt (hν) Nghĩa là:

Cường độ sáng = N hν

Einstein đã áp dụng các giả thuyết trên đã giải thích hiện tượng quang điện.Khi nhậnphoton có năng lượng là hν, một electron bị bứt khỏi bề mặt kim loại, động năng của nó là

K0 = hν − W

trong đó, W là công cần thiết để bứt một electron khỏi nguyên tử bề mặt kim loại Các electrontrong nguyên tử ở các mức khác nhau thì có công bứt electron W khác nhau Các electron ởmức ngoài cùng của các nguyên tử trên bề mặt kim loại có W nhỏ nhất là A, A được gọi làcông thoát Đối với electron có công thoát A sẽ có động năng ban đầu lớn nhất:

K0 max = hν − A

hay

Công thức (1.3) gọi là công thức Einstein

1.5.2.3 Giải thích hiện tượng quang điện trên cơ sở thuyết lượng tử ánh sáng

Vấn đề cường độ: Khi ta tăng cường độ ánh sáng lên hai lần thì số photon trong chùm sángtăng lên hai lần, do đó số quang electron và dòng quang điện bão hòa cũng tăng gấp hai lần.Nhưng khi đó năng lượng của mỗi photon không tăng [4], do đó động năng mà các electron thuđược không phụ thuộc và cường độ ánh sáng

Vấn đề tần số: Nếu cho K0max = 0 trong công thức (1.3), ta được:

Vấn đề thời gian: Do năng lượng của ánh sáng được tập trung trong các photon, nên khihấp thụ một photon có năng lượng lớn hơn công thoát, electron có khả năng bật ra tức thì khỏimặt kim loại [4].

1.6 Khối lượng nghỉ và động lượng của photon

Giả thuyết của Einstein cho thấy photon có tính chất như một hạt và mang năng lượng

hν, chuyển động với vận tốc ánh sáng trong chân không Khi một hạt chuyển động, nó sẽ cómột động lượng lượng nào đó Do đó, photon cũng sẽ có động lượng Để tìm động lượng photon,

ta phải tìm khối lượng nghỉ của nó [7] Để tìm khối lượng nghỉ này ta phải xuất phát từ côngthức tổng quát cho năng lượng toàn phần của một hạt có khối lượng nghỉ m0 chuyển động vớivận tốc v là:

Electron trong kim loại muốn thoát ra ngoài kim loại phải có năng lượng ít nhất bằngcông thoát A của electron đối với kim loại đó Bình thường, động năng chuyển động nhiệt củacác electron đều nhỏ hơn A Khi bức xạ điện từ thích hợp chiếu tới, các electron tự do trongkim loại sẽ hấp thụ photon Mỗi một photon có năng lượng ε = hν Năng lượng này một phầnchuyển thành công thoát A và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của electronquang Động năng ban đầu này càng lớn khi electron càng gần bề mặt kim loại và kết quả làđộng năng ban đầu sẽ cực đại với các quang electron ở sát bề mặt kim loại Theo định luật bảotoàn năng lương ta có [11]:

ε = hν = A + mv

2 0max

Khi chiếu vào catod ánh sáng có bước sóng thích hợp thì trong mạch xuất hiện dòng quangđiện Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì phải đặt vào giữa anod và catod mộthiệu điện thế hãm Sự tồn tại của hiệu điện thế hãm chứng tỏ rằng khi bật ra khỏi mặt kimloại, các electron quang có một vận tốc ban đầu v0 Điện trường cản mạnh đến một mức nào đóthì ngay cả những electron có vận tốc ban đầu lớn nhất v0max cũng không bay được đến anod.Lúc đó dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn và công của điện trường hãm có giá trị đúng bằng

động năng ban đầu cực đại của quang electron:

Hình 2.1: Các kính lọc màu có ghi sẵn giá trị bước sóng trong thiết bị đo

Hình 2.2: Thiết bị đo hiệu ứng quang điện [11]

1 Đồng hồ chỉ thị dòng điện và hiệu điện thế

2 Chuyển mạch thay đổi giữa hai kiểu làm việc của đồng hồ

ˆ Đo dòng điện (Current)

ˆ Đo hiệu điện thế (Voltage)

3 Chuyển mạch chọn thang đo dòng điện

ˆ Vị trí x1 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10−6 A

ˆ Vị trí x0.1 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10−7 A

ˆ Vị trí x0.01 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10−8 A

ˆ Vị trí x0.001 đo cường độ dòng quang điện có giá trị 10−9 A

4 Chuyển mạch chọn cường độ sáng của đèn chiếu, có 3 vị trí:

ˆ Vị trí đèn sáng mạnh (STRONG)

ˆ Vị trí ngắt điện đèn chiếu sáng (OFF)

ˆ Vị trí đèn sáng yếu (WEAK).

5 Núm điều chỉnh hiệu điện thế một chiều cung cấp cho mạch điện của tế bào quang điện,thay đổi từ 0 đến ± 15 V

6 Chuyển mạch thay đổi chiều điện áp đặt vào mạch điện của tế bào quang điện

7 Công tắc nguồn, có 2 vị trí : bật điện (ON) và tắt điện (OFF)

8 Đèn báo hiệu

9 Hộp kín, bên trong có tế bào quang điện

10 Đèn chiếu sáng, có hai chế độ làm việc (sáng mạnh, sáng yếu) và có thể trượt dọc theoray để thay đổi khoảng cách đến tế bào quang điện

Khi đèn chiếu vào tế bào quang điện thông qua kính lọc màu Electron ở bề mặt kim loạicủa cathod tế bào quang điện sẽ bứt ra và di chuyển từ cathod sang anod tạo thành dòngquang điện Dòng quang điện ban đầu được đo bằng cách áp một hiệu điện thế thuận vào tếbào quang điện và điều chỉnh điện áp là 0V Để triệt tiêu dòng điện này, ta đặt một hiệu điệnthế ngược vào tế bào quang điện Điện trường ngoài sẽ ngăn cản sự chuyển động của electron

từ cathod về anod cho đến khi không còn electron nào đến anod Khi đó, dòng quang điện đã

bị triệt tiêu và hiệu điện thế lúc này được gọi là hiệu điện thế hãm

Xác định hiệu điện thế hãm ứng với những ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu vào

tế bào quang điện (bằng cách thay các kính lọc màu khác nhau) và sử dụng biểu thức (2.5) đểxác định hằng số Planck

2.4 Trình tự thực hành

ˆ Chuyển mạch (4) bật về vị trí WEAK (đèn sáng yếu)

ˆ Nới lỏng ốc giữ đèn chiếu sao cho có thể dịch chuyển đèn chiếu nhẹ nhàng giữa đườngray để thay đổi khoảng cách giữa đèn chiếu và tế bào quang điện Đặt đèn chiếu ở vị trí15cm.

ˆ Cắm phích lấy điện vào ổ điện 220V Bật công tắc nguồn (7) sang vị trí ON : đèn chiếu(10) phát sáng, báo hiệu máy đã sẵn sàng hoạt động Quan sát bóng đèn chiếu được thắpsáng (yếu)

ˆ Tháo nắp che tế bào quang điện và thay nó bằng kính lọc sắc màu đỏ

ˆ Bật công tắc, cường độ sáng (4) về các vị trí OFF, WEAK, STRONG để kiểm tra cácchế độ hoạt động của đèn chiếu

ˆ Đặt đèn chiếu ở vị trí r = 25 cm

ˆ Chuyển mạch thang đo dòng điện (3) đặt ở vị trí x0.01 hoặc x0.001

ˆ Lắp kính lọc sắc màu đỏ (bước sóng λ = 635 nm) vào cửa sổ của tế bào quang điện

ˆ Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) về vị trí tận cùng trái (hiệu điện thế đặt vào haicực của tế bào quang điện bằng 0 V)

ˆ Gạt chuyển mạch (2) về vị trí CURRENT để đo dòng quang điện ban đầu

ˆ Gạt chuyển mạch chiều dòng điện (6) về vị trí có dấu - (đảo chiều điện áp đặt giữa haicực của tế bào quang điện để tạo ra hiệu điện thế hãm)

ˆ Xoay nhẹ núm điều chỉnh điện áp (5) để tăng dần hiệu thế hãm cho đến khi cường độdòng quang điện giảm tới giá trị bằng 0

ˆ Gạt chuyển mạch (2) về vị trí VOLTAGE để đọc giá trị của hiệu điện thế hãm Uh và ghivào bảng cùng với giá trị bước sóng λ tương ứng

ˆ Lần lượt thay kính lọc sắc đỏ bằng kính lọc sắc cam (λ = 570 nm), kính lọc sắc vàng(λ = 540 nm), kính lọc sắc lục (λ = 500 nm) và kính lọc sắc lam (λ = 460 nm), rồi lặp lạicác bước thí nghiệm trên với mỗi kính lọc sắc đã cho Đọc và ghi các kết quả thí nghiệmvào bảng

2.5 Xử lý số liệu và kết quả

Bảng 2.1: Hiệu điện thế hãm ứng với từng bước sóng

Hình 2.3: Đồ thị của biểu diễn độ lớn Uh theo tần số

Đồ thị hình 2.3 khảo sát hiệu điện thế hãm Uh theo từng bước sóng λ khác nhau Từ đồthị ta nhận thấy độ lớn của hiệu điện thế hãm tăng tỉ lệ theo tần số Cụ thể là hiệu điện thếhãm tăng tuyến tính với tần số của ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện

2.5.2 Xác định hằng số Planck

Từ công thức (2.5), ta có thể xác định hằng số Planck bằng cách xác định giá trị của từngcặp hiệu điện thế hãm và tần số ánh sáng tương ứng từ bảng 2.1 Khi đó, ta thu được bảng giátrị của hằng số Planck ứng với từng cặp tương ứng (bảng 2.2)

Bảng 2.2: Giá trị hằng số PlanckSTT Cặp màu Giá trị hằng số Planck (×10−34J.s)

Giá trị lý thuyết của hằng số Planck là: hLT= 6.62607 × 10−34 J.s

Để tính so với giá trị lý thuyết δh ta dùng công thức:

hLT =

6.68557 × 10−34− 6.62607 × 10−34

6.62607 × 10−34 = 0.899%

Ta thấy, sai số tuyệt đối ∆¯h = 0.0595×10−34J.s là khá nhỏ và sai số tương đối σ = 0.899%khá nhỏ Do đó, kết quả thí nghiệm có thể chấp nhận được

Ngoài việc xác định hằng số Planck theo hiệu điện thế hãm và tần số ánh sáng tương ứng nhưtrên, ta cũng có thể xác định giá trị hằng số Planck theo đồ thị đường thực nghiệm của hiệuđiện thế hãm theo tần số từ hình 2.3

Công thức (2.4) mô tả sự phụ thuộc của hiệu điện hãm vào tần số và nó có dạng là mộthàm tuyến tính y = a + bx Đồ thị của dạng hàm này là một đường thẳng tuyến tính Từ đồ

thị, ta có thể xác định hằng số Planck theo hai cách: thứ nhất là xác định giá trị của hệ số góc

b, thứ hai là khớp hàm dạng tuyến tính Cụ thể như sau:

Cách 1: Hệ số góc b bằng tan của của góc hợp bởi đường thẳng và trục hoành Dựa vàohai điểm trên đồ thị ta có thể tính được hệ số góc b bằng cách: Ta chọn hai điểm (Uh; ν) bất

kì, ở đây tôi chọn tại vị trí của màu đỏ và màu lam tương ứng điểm có tọa độ (Uh1; ν1) = (0.28;4.7244) và (Uh5; ν5) = (1.01; 6.5217) Khi đó, hệ số góc được xác định là:

tan α = Uh5− Uh1

ν5− ν1 =

1.01 − 0.286.5217 × 1014− 4.7244 × 1014 = 0.4062 × 10−14

Ta thấy, sai số của h là khá nhỏ nên giá trị này chấp nhận được

Cách 2: Với số liệu thu được ở bảng 2.1, ta tiến hành khớp hàm dạng tuyến tính bằngphương pháp chi bình phương tối thiểu [5]

Hàm khớp dạng tuyến tính:

y = a + bx

Từ thực nghiệm, ta có dãy giá trị đo (y1, y2, , yn) tương ứng với theo giá trị đo (x1, x2, , xn).Dựa trên số liệu thực nghiệm ta đi xác định các hệ số a, b sao cho độ lệch giữa trị đo yi và trịkhớp y (xi) là nhỏ nhất

Hàm cơ hội cực đại:

P (a, b) =Y√1

2πexp

 12

X[yi− y (xi)]2



Để P (a, b) nhận giá trị cực đại thì

χ2 =X[yi− y (xi)]2 =X(yi− a − bxi)2

đạt giá trị cực tiểu Khi đó ∂χ

Ở đây, y và x tương ứng với hiệu điện thế hãm Uh và tần số ν

Bảng 2.3: Số liệu tuyến tính hóa

x (×1014 Hz) y (V) xy (×1014 Hz.V) x2 (Hz ×1028)4.7244 0.28 1.322832 22.319965.2632 0.47 2.473704 27.701275.5556 0.61 3.388916 30.86469

6.62607 × 10−34 = 0.845%

Ta thấy, sai số của h cũng là khá nhỏ nên giá trị này cũng chấp nhận được Tuy nhiên,ngoài cách giải hệ phương trình (2.6) để thu được a và b, ta cũng có thể phần mềm hỗ trợ dùng

để khớp hàm Ở đây, tôi dùng phần mềm Origin Với dữ liệu từ bảng 2.1, ta dùng phần mềmOrigin khớp hàm thu được bảng giá trị như hình 2.4

Trong đó, Equation là dạng hàm được khớp; Residual Sum of square là tổng bình phương

độ lệch; pearson’s r là hệ số tương quan, Adj R-Square là hệ số xác định Tôi quan tâm đếnvùng màu đỏ trên bảng kết quả, Intercept là giá trị của hệ số a và Slope là giá trị của hệ số b.Ngoài ra, bảng kết quả còn thể hiện sai số của hệ số ở cột bên cạnh tương ứng Như vậy, tôi đọcđược các giá trị kết quả khớp hàm y = a + bx là: hệ số a = −1.66973 với sai số ∆a = 0.05456

Hình 2.4: Các giá trị thu được sau khi khớp hàm Uh theo ν

và hệ số b = 0.41007 với sai số ∆b = 0.00966 Ta thấy, bằng cách giải hệ phương trình haydùng phần mêm hỗ trợ, ta đều thu được kết quả như nhau Từ bảng số liệu trên, ta tính đượcgiá trị của h là:

6.62607 × 10−34 = 0.845%

Việc xác định hằng số Planck bằng cách này rất tiện lợi khi ta có nhiều số liệu, nó làmcho việc tính toán trở nên đơn giản hơn

Như vậy, các giá trị của hằng số Planck đo được là gần đạt đến giá trị chính xác, có sai

số là do sai số chủ yếu là sai số dụng cụ, đặc biệt là bước sóng của kính lọc màu Tuy nhiên,nhìn chung sai số là khá nhỏ, nên các số liệu trên đều có thể chấp nhận được

Phần II

Đo hằng số Planck bằng đèn LED

Hình 3.1: Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0K) - bán dẫn thuần [6]

Cũng giống như chất điện môi, miền được phép cao nhất do các electron hóa trị chiếm giữgọi là “miền hóa trị” Miền được phép cao hơn bị bỏ trống hoàn toàn được gọi là “miền dẫn”,

bề rộng của “miền cấm”, giữa miền hóa trị và miền dẫn là khá nhỏ, chỉ từ 0.7 eV – 1.1 eV [6]

Ở điều kiện bình thường và không được chiếu sáng thì các electron miền hóa trị không thểnào nhận đủ năng lượng để vượt qua miền cấm lên miền dẫn Các electron hóa trị của nguyên

tử nào thì ở nguyên tại nguyên tử đó

Nếu cung cấp cho electron hóa trị thêm một năng lượng bằng cách: chiếu sáng hoặc nung

ở nhiệt độ lớn hơn 80◦C Khi đó electron nhận đủ năng lượng, dễ dàng vượt qua miền cấm lênmiền miền dẫn trở thành các electron dẫn (hình 3.2) [6][8] Trên miền dẫn còn rất nhiều vị trí

bị bỏ trống, nên ở nhiệt độ phòng bình thường, các electron trong miền dẫn dễ dàng di chuyển

từ mức năng lượng này sang vị trí của các mức năng lượng bị bỏ trống, có nghĩa là chúng cóthể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác

ˆ Khi chưa có điện trường ngoài, các electron dẫn chuyển động nhiệt hỗn loạn theo cácphương khác nhau, không tạo thành dòng điện

ˆ Khi có điện trường ngoài tác dụng lên electron dẫn nên ngoài chuyển động nhiệt thìchúng còn tham gia chuyển động có hướng, ngược chiều điện trường ngoài tạo thànhdòng điện

Hình 3.2: Tinh thể chất bán dẫn thuần ở nhiệt độ cao (T =300K) [6]

Ở miền hóa trị, tại các vị trí mà các electron chuyển lên vùng dẫn để lại các lỗ trống mangđiện dương, gọi tắc là lỗ trống [6] Ở điều kiện thường, các electron khác trong miền hóa trị dễdàng nhận đủ năng lượng chuyển đến chiếm lỗ trống Tại vị trí nó vừa rời khỏi sẽ để lại một lỗtrống mới Như vậy, ta thấy các lỗ trống dễ dàng di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tửkhác trong mạng tinh thể của bán dẫn

ˆ Khi chưa có điện trường, các lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn theo các phương khácnhau nên không tạo thành dòng điện

ˆ Khi có điện trường, ngoài chuyển động nhiệt thì lỗ trống còn tham gia chuyển động cóhướng, cùng chiều điện trường ngoài tạo thành dòng điện

Kết luận

ˆ Ở điều kiện thường, không cần chiếu sáng, bán dẫn thuần là chất điện môi tốt

ˆ Khi cung cấp cho chất bán dẫn một năng lượng bằng việc chiếu sáng hay nung nóng hơn

80◦C thì bán dẫn thuần là chất dẫn điện tốt

ˆ Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn thuần là dòng chuyển dời có hướng của các

electron (ngược chiều điện trường ngoài) và các lỗ trống (cùng chiều điện trường ngoài)dưới tác dụng của điện trường (hình 3.3).

Hình 3.3: Sự dẫn điện của tinh thể chất bán dẫn thuần [6]

3.1.2.1 Bán dẫn loại n

Bán dẫn loại n là bán dẫn thuần có hóa trị IV pha thêm 0.15% một chất có hóa trị V Giả

sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V trong bảng phân loại tuần hoàn nhưArsenic (As), Photpho (P), Antimony (Sb) Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kínhnguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể Bốn electron của

As kết hợp với electron Si lân cận tạo thành bốn nối hóa trị, còn dư lại một electron của As(hình 3.4) Do đó, năng lượng liên kết giữa nó và hạt nhân giảm 256 lần Ở nhiệt độ thường,bán dẫn trở thành chất dẫn điện tốt [6]

Hình 3.4: Tinh thể bán dẫn pha tạp loại n [6]

Theo thuyết miền năng lượng thì làm xuất hiện một miền tạp chất nằm bên dưới miền

dẫn và cách miền dẫn 0.015 eV được chiếm đầy các electron hóa trị thứ 5.

Ở nhiệt độ thường, các electron ở miền tạp chất dễ dàng nhận đủ năng lượng chuyển lênmiền dẫn tạo thành electron dẫn [6] Các electron dẫn này dễ dàng di chuyển đến các mức nănglượng còn trống ở miền dẫn, có nghĩa là các electron dễ dàng di chuyển từ nguyên tử này sangnguyên tử khác

ˆ Khi chưa có điện trường, các electron chuyển động nhiệt hỗn loạn theo các phương khácnhau nên không tạo thành dòng điện

ˆ Khi có điện trường, ngoài chuyển động nhiệt thì lỗ electron còn tham gia chuyển động cóhướng, cùng chiều điện trường ngoài tạo thành dòng điện

Kết luận

ˆ Điều kiện thường, bán dẫn loại n là chất dẫn điện tốt

ˆ Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn loại n là dòng chuyển dời có hướng của cácelectron dẫn dưới tác dụng điện trường ngoài

3.1.2.2 Bán dẫn loại p

Bán dẫn loại p là bán dẫn tinh khiết có hóa trị IV pha thêm 0.15% một chất có hóa trị III(B) Nguyên tử B có 3 electron hóa trị, có 3 cặp electron dùng chung nên thiếu 1 electron hóatrị (hình 3.5) Năng lượng liên kết giữa electron và hạt nhân giảm xuống Ở nhiệt độ thường,bán dẫn p trở thành chất dẫn điện tốt [6]

Hình 3.5: Tinh thể bán dẫn pha tạp loại p [6]

Theo thuyết miền năng lượng thì làm xuất hiện một miền tạp chất nằm bên trên miềnhóa trị và cách miền hóa trị 0.015 eV Lúc đầu, miền tạp chất bị bỏ trống hoàn toàn, miềnhóa trị lấp đầy bởi các electron hóa trị

Ở nhiệt độ thường, các electron hóa trị dễ dàng chuyển lên chiếm chỗ tạp chất Tại vị trí

mà chúng vừa rời khỏi sẽ để lại lỗ trống Các electron khác trong miền hóa trị lại chuyển đếnchiếm chỗ lỗ trống để lại các lỗ trống mới Các lỗ trống di chuyển trong mạng tinh thể của chấtbán dẫn

ˆ Khi chưa có điện trường, các lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn theo các phương khácnhau không tạo thành dòng điện

ˆ Khi có điện trường, ngoài chuyển động nhiệt thì lỗ trống còn tham gia chuyển động cóhướng, cùng chiều điện trường ngoài tạo thành dòng điện

Kết luận

ˆ Điều kiện thường, bán dẫn loại p là chất dẫn điện tốt

ˆ Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn loại p là dòng chuyển dời có hướng của các

lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngoài

Khi cho chất bán dẫn n tiếp xúc bán dẫn p thì electron dẫn trong miền dẫn của bán dẫnloại n dễ dàng khuếch tán sang bán dẫn p Dòng khuếch này được gọi là dòng cơ bản Sau mộtthời gian, có một số electron dẫn di chuyển ngược từ bán dẫn p sang bán dẫn n gọi là dòngkhông cơ bản [1][6]

Đối với bán dẫn lại p thì lỗ trống từ bán dẫn p ở miền hóa trị cũng dễ dàng khuếch tánsang bán dẫn n gọi là dòng cơ bản Sau một thời gian, có một số lỗ trống di chuyển ngược từbán dẫn n sang bán dẫn p gọi là dòng không cơ bản

Ban đầu, dòng cơ bản lớn hơn rất nhiều so với dòng không cơ bản nên bán dẫn p thừaelectron nên bán dẫn p tích điện âm tăng lên Lỗ trống ở bán dẫn n tăng lên nên bán dẫn ntích điện dương tăng lên Kết quả là tạo ra một lớp điện tích âm ở bán dẫn p và một lớp điệntích dương ở bán dẫn n Tại vị trí tiếp xúc, chúng tạo thành một điện trường tiếp xúc hướng

từ n sang p gọi Etx và một hiệu điện thế gọi Utx Sau một thời gian nhất định thì dòng cơbản giảm, dòng không cơ bản tăng lên đến khi dòng không cơ bản bằng dòng cơ bản thì điệntrường tiếp xúc được xác định, hiệu điện thế xác định Độ lớn của hiệu điện thế tiếp xúc phụthuộc vào cách chế tạo tiếp xúc p – n [1]

Khi đặt điện trường ngoài vào tiếp xúc p – n, có hai cách mắc:

ˆ Mắc thuận (hình 3.6)

Hình 3.6: Sơ đồ mắc thuận của diode [1]

- Khi đó, điện trường ngoài qua tiếp xúc n – p hướng từ p sang n, ngược chiều điệntrường tiếp xúc, làm triệt tiêu điện trường tiếp xúc

- Thực tế, các electron dẫn ở miền tiếp di chuyển về cực dương, còn các lỗ trống ởmiền tiếp xúc di chuyển về cực âm nên hầu như không còn điện tích ở miền tiếp xúc

- Đồng thời, electron dẫn của bán dẫn n dễ dàng qua miền tiếp xúc về cực dươngcủa nguồn và lỗ trống của bán dẫn p cũng dễ dàng cho dòng điện chạy qua Trongtrường hợp này, có sự dẫn điện bằng electron dẫn và lỗ trống

ˆ Mắc ngược (hình 3.7)

Hình 3.7: Sơ đồ mắc nghịch của diode [1]

- Khi đó, điện trường ngoài cùng chiều điện trường tiếp xúc Điện trường tại khu vựctiếp xúc tăng lên rất mạnh, nó ngăn không cho dòng cơ bản đi qua miền tiếp xúc.Đồng thời, làm cho dòng không cơ bản tăng lên rất nhiều Hình thành một lớp điệntích âm ở bán dẫn p và một lớp lỗ trống ở bán dẫn n ngay tại miền tiếp xúc Lớpđiện tích này hoàn toàn ngăn cản không cho dòng cơ bản qua miền tiếp xúc Do đó,bán dẫn p không có electron vượt qua miền tiếp xúc, bán dẫn n không có lỗ trốngvượt qua miền tiếp xúc Vì vậy, tiếp xúc n – p không cho dòng điện đi qua

Kết luận: Tiếp xúc n – p chỉ cho dòng điện một chiều đi qua từ bán dẫn p sang bán dẫn

n Từ thực nghiệm ta vẽ được đặc tuyến Vôn - Ampe như hình 3.8

Hình 3.8: Đặc tuyến Vôn - Ampe của lớp tiếp xúc p - n [1]

3.2 Giới thiệu về LED [14]

LED (Light Emitting Didode) hay còn được gọi là diode phát quang là linh kiện bán dẫnquang điện tử Nó có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiện tượng tái hợp xảy ra trong tiếpxúc p – n Tùy theo vật liệu chế tạo mà ta có bước sóng bức xạ ra ở các vùng bước sóng khácnhau

Chất bán dẫn của LED được làm từ một miếng tinh thể cực mỏng Vỏ bao bọc chất bándẫn được làm trong suốt Hai chân bọc chì được kéo ra khỏi lớp bao bọc epoxy Chất bán dẫn

có hai cực p và n được chia bởi một mối nối Cực p mang điện tích dương, cực n mang điệntích âm (electron ) Mối nối p – n nằm giữa cực p và cực n

Loại bức xạ ánh sáng nhìn thấy gọi là LED chỉ thị LED chỉ thị có ưu điểm là tần số hoạtđộng cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp khi bắt đầu làm việc LEDkhông cần kính lọc mà vẫn cho ra màu sắc LED chỉ thị rất rõ khi trời tối Tuổi thọ của LEDkhoảng 100 ngàn giờ

Vật liệu chế tạo LED là các nguyên tử nhóm III và V: GaAs, GaP, GaAsP đây là nhữngvật liệu tái hợp trực tiếp Nồng độ hạt dẫn của P và N rất cao nên điện trở của chúng rất nhỏ

Do đó khi mắc LED phải mắc nối tiếp với một điện trở hạn dòng

3.3 Nguyên lý làm việc của LED

LED hoạt động dựa trên nguyên lý phát sáng khi có hiện tượng tái hợp electron và lỗtrống ở vùng chuyển tiếp p – n LED sẽ phát quang khi được phân cực thuận [14], nghĩa là biếnđổi năng lượng điện thành năng lượng quang Cường độ phát quang tỉ lệ với dòng qua LED.Khi phân cực thuận các hạt dẫn đa số sẽ di chuyển về phía bán dẫn bên kia

Hình 3.9: Sự chuyển dời của hạt mang điện và lỗ trống qua lớp tiếp xúc p - n và cấu tạo củaLED [8]

Hình 3.9 cho thấy LED được cấu tạo từ một mối nối bán dẫn p-n, khi chất bán dẫn Siliconcho pha Indium (có 3 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một nối thiếuđiện tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng ta sẽ có chân bán dẫn loại p và khi cho pha với photpho(có 5 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta cóchân bán dẫn loại n [15] Khi được phân cực thuận, khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống

tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các electron tự do) thì các

lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêmcác electron (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p mang điện tích âm (thiếu

lỗ trống và thừa electron) trong khi khối n mang điện tích dương (thiếu electron và thừa lỗtrống)

Ở vị trí tiếp giáp, một số electron bị lỗ trống hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có

xu hướng kết hợp với nhau tạo thành nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóngnăng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó) Electron từ bên

n sẽ khuếch tán sang p và lỗ trống bên p sẽ khuếch tán sang n Trong quá trình di chuyểnchúng sẽ tái hợp với nhau và phát ra các photon

Tóm lại, khi lớp tiếp xúc p-n được cho phân cực thuận với nguồn pin ngoài, một dòng điệnkích thích khi đi qua mối nối bán dẫn sẽ tạo các dao động của các electron và các dao động

này sẽ phát ra sóng điện từ trường đó chính là các tia sáng Thông thường, LED có 2 chân gọi

là chân âm cực hay catod (do chân này cho nối vào cực âm của pin) và chân dương cực hayanod (do chân này cho nối vào cực dương của pin) Khi ta cho dòng điện chạy qua một LED

nó sẽ phát ra chùm tia sáng, và để có điểm sáng đủ mạch thì ta dùng vật liệu nhựa trong suốtlàm kính hội tụ

Tùy theo mức năng lượng phát ra cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau(tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụthuộc và cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn

LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn diode thông thường, trong khoảng 1.5V

- 3V Nhưng điện thế phân cực ngược ở LED thì không cao Do đó LED dễ bị hư hỏng do điệnthế ngược gây ra Mỗi loại LED có điện thế ngưỡng khác nhau (bảng 3.1)

Bảng 3.1: Điện thế ngưỡng của một số LED [14]

Loại LED Điện thế ngưỡng (V)