CHƯƠNG 3 : BỘ PHÁT QUANG
3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN
3.1.1. Mức năng lượng (Energy Level)
Quá trình biến đổi năng lượngđiện thành ánh sáng và ngược lại trong các linh kiện biếnđổi quang điện có thể được giải thích dựa trên tính chất hạt của ánh sáng và tính chất lượng tử củavật chất.
Theo tính chất hạt của ánh sáng, ánh sáng bao gồm nhiều hạt gọi là photon. Mỗi photon mang một năng lượng nhất định được xác định bằng công thức sau:
Eph = hf (3.1)
Trong đó, h là hằngsố Plank (h= 6,625x10-34J.s); f là tần số của photon ánh sáng. Năng lượng của ánh sáng bằng tổng năng lượng của các photon (Nph):
Eánh sáng = Nph x Eph (3.2)
Theo tính chất lượng tử của vật chất, vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử. Mỗi nguyên tử gồm có một hạt nhân, mang điện tích dương, được bao quanh bởi các điện tử (electron), mang điện tích âm. Các điện tử này quay quanh hạt nhân theo các quỹ đạo ổn định (hình 3.1) và mang một mức năng lượngnhất định [1].
Hình 3.1. Mô hình một nguyên tử với các điện tử quay hạt nhân với các quỹđạo ổn định
Các mức năng lượng này là không liên tục.Một điện tử chỉ có thể mang một trong các mức năng lượng rời rạc này. Khi điện tử thay đổi trạng thái năng lượng thì nó sẽ chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi quay quanh hạt nhân. Trạng thái năng lượng của điện tử trong một nguyên tử được minh hoạ qua biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram) như hình 3.2.
Hình 3.2. Biểu đồ mức năng lượng (energy level diagram)
Trong biểu đồ mức năng lượng, trạng thái năng lượng thấp nhất của điện tử được gọi là trạng thái nền (ground state) E0. Đây là trạng thái ổn định của điện tử. Các trạng thái năng lượng cao hơn của điện tử được gọi là các trạng thái kích thích (excited state) được biểu diễn bằng các mức năng lượng E1, E2, E3, … Các mức năng lượng này không liên tục và cách nhau một khoảng năng lượng được gọi là dải cấm năng lượng (energy gap) ΔEij = Ej – Ei(i,j = 0,1,2,3 …). Như vậy, năng lượng một điện tử có thể là E0, E1, E2 … chứ không nằm giữa các mức nănglượng này.
Mật độ điện tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau phụ thuộcvào nhiệt độ và có thểđược biểudiễn bằng hàm phân bố Boltzmann [2]:
(3.3) Trong đó, Ni và N0 là mật độ điện tử ở mức nănglượng Ei và mức năng lượng nền E0, ΔEi là độ chênh lệch năng lượng giữa Ei và E0; kB= 1,38.10-23 (J/oK) là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độtuyệt đối (oK).
Lưu ý rằng phân bốnày xảy ra khi “cân bằng về nhiệt”.
Một số nhận xét rút ra từ hàm phân bố Boltzmann: - Mật độ điện tử ở trạng thái năng lượng thấp cao hơn so với mật độ điện tử ở trạng thái năng lượng cao: Ni > Nj (với i 0o K, các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng do nhiệt độ cung cấp (năng lượng nhiệt) và thay đổitrạng thái nănglượng, chuyển từ mức năng lượng E0 lên các mức năng lượng cao hơn. Số điện tử ở các mức năng lượng kích thích tăng lên khi nhiệt độ tăng lên. Mật độ điện tử ở các mức năng lượng khác nhau ổnđịnh khi cân bằng về nhiệt vì đồng thời với quá trình hấp thụ năng lượng của điện tử (làm tăng mật độ điện tử ở các mức năng lượng cao và giảm mật độđiện tử ở mức nền) là quá trình trở về trạng thái năng lượng nền ban đầu của các điện tử khi ở các mức năng lượng cao. Hiện tượng này xảy ra vì trạng thái nền là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Các điện tử khi ở các trạng thái năng lượng kích thích luôn có xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp hơn sau một khoảng thời gian duy trì ở trạng thái kích thích. Khoảng thời gian này được gọi là thời gian sống (lifetime) của điện tử. Thời gian sống thay đổi tùy theo loại vật chất, thông thường trong khoảng vài nano giây đến vài micro giây. Khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn, theo định luật bảo tòan năng lượng,nó sẽ giải phóng một phần năng lượng bằng đúng độ chênh lệch giữa hai mức năng lượng. Năng lượng được giải tỏa này có thể ở dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. Quá trình này diễn ra tự nhiên và ngẫu nhiên vì đây là bản chất tự nhiên của vật chất.