Đặc tuyến Vôn - Ampe của tế bào quang điện trong hiệu ứng quang điện

Tế bào quang điện 1 Tế bào quang điện

• Giải thích các định luật quang điện

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. 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. Như vậy, do sự có mặt của phôtôn hcủa chùm sáng mạnh, phân tử (hoặc nguyên tử hay vật rắn) của môi trường đã hấp thụ đồng thời hai phôtôn có tần số khác nhau  và 1thoả mãn hệ thức:. c) Bằng thực nghiệm đã quan sát được hiêu ứng quang điện nhiều phôtôn và sự ion hóa nhiều phôtôn khi chiếu sáng môi trường bằng những chùm ánh sáng đủ mạnh và có tần số  tương đối thấp.

1.6.2.1 Thuyết lượng tử năng lượng của Plăng

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

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

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.

1.6.2.3 Giải thích các định luật quang điện

• Các loại tế bào quang điện
• Ứng dụng của tế bào quang điện
• Chất bán dẫn

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. 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. 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.

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. 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. 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.

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. 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. 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.

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. 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. 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 vớidòng điện khuếch tán ic sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu.

Quang bán dẫn

• Hiệu ứng quang áp : Hiệu ứng quang áp là hiện tượng xuất hiện thế điện động trên hai cực của lớp chuyển tiếp p_n khi được chiếu sáng
• Hiệu ứng quang dẫn
• Điện trở quang

Tùy theo mật độ tạp chất pha vào chất bán dẫn thuần ban đầu, tùy theo sự phân cực của điôt và một số yếu tố khác nữa mà ta có nhiều loại điôt khác nhau tùy vào ứng dụng cụ thể. + Nếu điện trường trong miền điện tích không gian đủ lớn, electron và lỗ trống tạo thành đã có một động năng khá lớn trước khi va chạm với mạng, làm đứt các liên kết Si_Si và tạo ra các electron và lỗ trống mới. Khi chiếu sáng vật rắn, photon có năng lượng hν tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ, sau đó chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, làm xuất hiện lỗ trống mang điện dương h+ở vùng hóa trị.

Trong bán dẫn loại n, điện tử là hạt dẫn cơ bản, còn lỗ trống là hạt dẫn không cơ bản, mật độ điện tử nn gần bằng mật độ tạp chất nguyên tử donor ND được pha vào bán dẫn tinh khiết. Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc với nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử p_n thì do sự chênh lệch về mặt độ các hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại, từ p sang n. Điện trường tổng hợp E = E0 + ETX trên lớp tiếp xúc rất lớn, hàng rào thế năng bị nâng lên, do vậy ngăn cản không cho dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp Phân cực ngược lớp tiếp xúc p_n, tức là nối cực âm của nguồn ngoài vào bán dẫn n, cực dương vào bán dẫn p.

Điện trường tổng hợp E = E0 + ETX < EKT trên lớp tiếp xúc rất nhỏ, hàng rào thế năng bị giảm lên hoặc bị khử hoàn toàn, do vậy dòng các hạt tải điện cơ bản có mật độ lớn qua lớp tiếp xúc tăng lên rất nhanh theo hiệu điện thế ngoài. Tóm lại, ở trạng thái không chiếu sáng, lớp tiếp xúc p_n là một phần tử thụ động, không tạo ra năng lượng và có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện qua khi phân cực thuận nó. Dưới tác dụng của các photon ánh sáng, các cặp điện tử-lỗ trống được tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc ETX nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc về các phía đối diện và tạo ra một suất điện động quang điện.

Suất điện động quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc p_n khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn, vào nhiệt độ lớp tiếp xúc và vào bước sóng và cường độ ánh sáng tới.

PHẦN C. THỰC HÀNH