V S= IDR S= 0.RS =
a. Cấu tạo b Ký hiệu.
7.1.1 Sự phát xạ ánh sáng
Có ba quá trình cơ bản tơng tác giữa photon và điện tử trong chất rắn: sự hấp thụ, sự phát xạ tự nhiên và sự phát xạ kích thích. Chúng ta sử dụng một sơ đồ đơn giản để miêu tả các quá trình này trên hình 2. Xét hai mức năng lợng E1 và E2 của một nguyên tử, với E1 tơng ứng với trạng thái mức không (ground) và E2 tơng ứng một trạng thái mức cao (đ đã ợc kích thích). Mọi sự chuyển đổi bất kỳ giữa hai trạng thái đều có liên quan đến sự phát xạ hoặc hấp thụ của một photon với tần số ν12 đợc xác định theo công thức hν12= E2 - E1. Tại nhiệt độ phòng, hầu hết các nguyên tử trong chất rắn ở trạng thái mức không. Trạng thái này bị thay đổi khi một photon có năng l- ợng đúng bằng hν12 chiếu vào. Nguyên tử ở trạng thái E1 hấp thụ photon sẽ chuyển lên trạng thái E2. Sự thay đổi trạng thái năng lợng đó gọi là quá trình hấp thụ, nh trong hình 2a. Trạng thái bị kích thích của nguyên tử không ổn định, chỉ sau một thời gian ngắn, không có bất kỳ một kích thích từ bên ngoài nào, nó vẫn tạo một sự chuyển dịch về trạng thái không, đồng thời phát ra photon với năng lợng bằng chính hν12. Quá trình này đợc gọi là sự phát xạ tự nhiên (hình 2b). Khi một photon với năng lợng hν12
tác động vào một nguyên tử, trong khi nó vẫn đang ở trạng thái kích thích (hình 2c), nguyên tử bị kích thích, tạo một chuyển dịch về trạng thái không và phát ra photon có năng lợng hν12. Quá trình này đợc gọi là quá trình phát xạ kích thích. Sự phát xạ kích thích phát ra ánh sáng đơn sắc do mỗi photon có một năng lợng chính xác hν12 và h- ớng tính cao do tất cả photon phát ra đồng pha.
Quá trình hoạt động của LED là phát xạ tự nhiên; của Laser là phát xạ bị kích thích; còn của bộ thu quang và pin mặt trời là quá trình hấp thụ.
Giả thiết rằng mật độ tức thời của E1 và E2 tơng ứng là n1 và n2. Dới điều kiện cân bằng nhiệt và điều kiện (E1 - E2) > 3kT, mật độ này tuân theo phân bố Boltzmann:
kT h kT E E e e n n ( )/ / 1 2 = − 2− 1 = − ν12 (2)
Giỏo trỡnh Linh kiện Điện Tử Đại học Cụng Nghiệp Hà Nội
Dấu mũ âm chỉ ra rằng n2 < n1 trong điều kiện cân bằng nhiệt; nghĩa là hầu hết các điện tử đều ở mức năng lợng thấp hơn.
Hình 2. Các quá trình chuyển mức cơ bản giữa hai mức năng lợng
Trong trạng thái ổn định, mức phát xạ kích thích và mức phát xạ tự nhiên phải cân bằng với mức hấp thụ để duy trì hằng số mật độ n1 và n2 không đổi. Mức phát xạ kích thích tỷ lệ thuận với mật độ năng lợng của trờng photon ρ(hν12) hay tổng năng l- ợng trong trờng phát xạ trên một đơn vị thể tích thì ứng với một đơn vị tần số. Vì thế, mức phát xạ kích thích đợc xác định bằng B21n2ρ(hν12), trong đó n2 là số lợng điện tử ở mức cao và B12 là hằng số tỷ lệ. Mức phát xạ tự nhiên chỉ tỷ lệ với mật độ của mức cao, đợc xác định bằng A21n2 trong đó A21 là hằng số. Mức hấp thụ tỷ lệ với mật độ điện tử tại mức thấp tới ρ(hν12), đợc xác định bằngB12n1ρ(hν12) trong đó B12 là hằng số tỷ lệ. Nh vậy, để có trạng thái ổn định thì cần phải thoả m n:ã
Mức phát xạ kích thích + Mức phát xạ tự nhiên= hấp thụ Hay ) ( 12 2 21n ρ hν B +A21n2=B12n1ρ(hν12) (3) Từ phơng trình (3) rút ra đợc:
Mức phát xạ kích thích / Mức phát xạ tự nhiên = ( 12) 21 21 ρ hν A B (4)
Để tăng cờng phát xạ kích thích/phát xạ tự nhiên, chúng ta phải tạo đợc mật độ năng lợng trờng photon ρ(hν12)rất lớn. Để đạt đợc mật độ này, ngời ta sử dụng một hốc cộng hởng quang (tham khảo mục 7.3) nhằm tăng cờng trờng photon. Từ phơng trình (3) và lý luận cũng rút ra đợc: Mức phát xạ kích thích / Mức hấp thụ = 1 2 12 21 n n B B (5)
Nếu mức phát xạ kích thích của các photon nhiều hơn sự hấp thụ của các photon, chúng ta phải có mật độ điện tử trong mức cao lớn hơn trong mức thấp. Điều kiện này đợc gọi là sự đảo lộn mật độ (population inversion), dới điều kiện cân bằng vẫn có hiện tợng đảo ngợc này. Chúng ta sẽ xem xét nhiều cách khác nhau để có đợc mật độ năng lợng trờng photon lớn và đạt đợc sự đảo lộn mật độ, để có đợc sự phát xạ kích thích trội hơn cả sự phát xạ tự nhiên và sự hấp thụ.