Bài giảng Quang điện tử (Bản đầy đủ)

213 trang ngocly 250

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Quang điện tử (Bản đầy đủ)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_quang_dien_tu_ban_day_du.pdf

Nội dung text: Bài giảng Quang điện tử (Bản đầy đủ)

Bài giảng Quang điện tử
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Chƣơng 1 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN 1.1 Ánh sáng 1.1.1. Tính chất vật lý của ánh sáng Bằng phương pháp toán học, Macxoen đã chứng minh rằng điện từ trường do một điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng tại một điểm sinh ra sẽ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng. Sóng đó được gọi là sóng điện từ. Người ta nói rằng điện tích dao động đã bức xạ ra sóng điện từ. Nếu xét theo một phương truyền Ox, sóng điện từ là sóng ngang có thành phần điện dao động theo phương thẳng đứng và thành phần từ dao động theo phương nằm ngang. Hình 1.1. Sóng điện từ lan truyền trong không gian Tần số sóng điện từ bằng tần số của điện tích dao động và vận tốc của nó trong chân không bằng vận tốc ánh sáng trong chân không. Năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của tần số. Ngày nay, người ta đã biết rằng sóng điện từ có đầy đủ các tính chất như sóng cơ học, nhưng sóng cơ học, truyền đi trong những môi trường đàn hồi, còn sóng điện từ thì tự nó truyền đi mà không cần nhờ đến sự biến dạng của một môi trường đàn hồi nào cả, vì vậy nó truyền được cả trong chân không. Ánh sáng khả kiến dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm). "Ánh sáng lạnh" là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím. "Ánh sáng nóng" là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ. Ánh sáng có quang phổ trải đều từ đỏ đến tím là ánh sáng trắng, ánh sáng có bước sóng tập trung tại vùng quang phổ rất hẹp gọi là "ánh sáng đơn sắc". 1
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.2. Phân loại Sóng điện từ Ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng nhìn thấy được chiếm một phần rất nhỏ trong phổ sóng điện từ. 1.1.2. Bƣớc sóng và màu sắc ánh sáng Đo bước sóng của những ánh sáng đơn sắc khác nhau bằng phương pháp giao thoa, người ta thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng hoàn toàn xác định. Chẳng hạn: ánh sáng màu đỏ ở đầu của dải màu liên tục có bước sóng: . ánh sáng màu tím ở cuối của dải màu liên tục có bước sóng: Ánh sáng vàng do đèn hơi natri phát ra có bước sóng: . Như vậy, ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một bước sóng xác định. Màu ứng với ánh sáng đó gọi là màu đơn sắc hay màu quang phổ. Thực ra, những ánh sáng đơn sắc có bước sóng lân cận nhau thì gần như có cùng một màu. Vì vậy, người ta đã phân định ra trong quang phổ liên tục những vùng màu khác nhau: Vùng đỏ có bước sóng từ: Vùng da cam và vàng có bước sóng từ: (Vùng da cam và Vùng vàng) Vùng lục có bước sóng từ: Vùng lam - chàm có bước sóng từ: (Vùng lam- chàm) Vùng tím có bước sóng từ: Ngoài các màu đơn sắc, còn có các màu không đơn sắc, là hỗn hợp của nhiều màu đơn sắc với những tỉ lệ khác nhau. 2
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.3. màu sắc và bước sóng của ánh sáng 1. Tia hồng ngoại Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy dược có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ . Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ. Tia hồng ngoại do các vật bị nung nóng phát ra. Vật có nhiệt độ thấp chỉ phát ra được các tia hồng ngoại. Chẳng hạn như thân thể người ở nhiệt độ chỉ phát ra các tia hồng ngoại trong đó mạnh nhất là các tia có bước sóng ở vùng . Vật có nhiệt độ bắt đầu phát ra ánh sáng màu đỏ tối nhưng mạnh nhất vẫn là các tia hồng ngoại ở vùng bước sóng . Trong ánh sáng mặt trời, có khoảng 50% năng lượng của chùm sáng là thuộc về các tia hồng ngoại. Nguồn phát tia hồng ngoại thường dùng là các bóng đèn có dây tóc bằng vonfram nóng sáng công suất từ 250W đến 1000W. Nhiệt độ dây tóc bóng đèn đó vào khoảng . Tác dụng nổi vật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt. Ngoài ra, tia hồng ngoại cũng có tác dụng lên một loại kính ảnh đặc biệt gọi là kính ảnh hồng ngoại. Nếu chụp ảnh các đám mây bằng kính ảnh hồng ngoại thì ảnh các đám mây sẽ nổi lên rất rõ rệt. Đó là các đám mây chứa hơi nước ít hay nhiều sẽ hấp thụ các tia hồng ngoại yếu hay mạnh rất khác nhau. Ứng dụng quan trọng nhất của các tia hồng ngoại là dùng để sấy hoặc sưởi. Trong công nghiệp, người ta dùng tia hồng ngoại để sấy khô các sản phẩm sơn (như vỏ ôtô, vỏ tủ lạnh v.v ) hoặc các hoa quả như chuối, nho v.v Trong y học, người ta dùng đèn hồng ngoại để sưởi ấm ngoài da cho máu lưu thông được tốt. 3
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 2. Tia tử ngoại Tia tử ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng tím . Tia tử ngoại có bản chất là sóng điện từ. Mặt Trời là một nguồn phát tia tử ngoại rất mạnh. Khoảng 9% công suất của chùm ánh sáng mặt trời là thuộc về các tia tử ngoại. Các hồ quang điện cũng là những nguồn phát tia tử ngoại mạnh. Trong các bệnh viện và phòng thí nghiệm, người ta dùng các đèn thuỷ ngân làm nguồn phát các tia tử ngoại. Ngoài ra những vật nung nóng trên cũng phát ra tia tử ngoại rất mạnh. Tia tử ngoại bị thuỷ tinh, nước v.v hấp thụ rất mạnh. Thạch anh thì gần như trong suốt đối với các tia tử ngoại có bước sóng nằm trong vùng từ ( gọi là vùng tử ngoại gần ). Tia tử ngoại có tác dụng rất mạnh lên kính ảnh. Nó có thể làm cho một số chất phát quang. Nó có tác dụng iôn hoá không khí. Ngoài ra, nó còn có tác dụng gây ra một số phản ứng quang hoá, phản ứng quang hợp v.v Tia tử ngoại có một số tác dụng sinh học. Trong công nghiệp, người ta sử dụng tia tử ngoại để phát hiện các vết nứt nhỏ, vết xước trên bề mặt các sản phẩm tiện. Muốn vậy, người ta xoa trên bề mặt sản phẩm một lớp bột phát quang rất mịn. Bột sẽ chui vào các khe nứt, vết xước. Khi đưa sản phẩm vào chùm tử ngoại, các vết đó sẽ sáng lên. Trong y học, người ta dùng tia tử ngoại để chữa bệnh còi xương. 3. Tia X Năm 1895, nhà bác học Rơn-ghen (Roentgen), người Đức, nhận thấy rằng khi cho dòng tia catốt trong ống tia catốt đập vào một miếng kim loại có nguyên tử lượng lớn như bạch kim hoặc vonfram thì từ đó sẽ phát ra một bức xạ không nhìn thấy được. Bức xạ này đi xuyên qua thành thuỷ tinh ra ngoài và có thể làm phát quang một số chất hoặc làm đen phim ảnh. Người ta gọi bức xạ này là tia X Khi mới được phát hiện, người ta tưởng lầm tia X là một dòng hạt nào đó. Tuy nhiên, khi cho tia X đi qua điện trường và từ trường mạnh thì nó không bị lệch đường. Như vậy, tia X không mang điện. Tia X là một loại sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại. Bước sóng của tia X nằm trong khoảng từ (tia X mềm). Tia X có những tính chất và công dụng sau Tính chất nổi bật của tia X là khả năng đâm xuyên. Nó truyền qua được những vật chắn sáng thông thường như giấy, bìa, gỗ. Nó đi qua kim loại khó khăn hơn. Kim loại có khối lượng riêng càng lớn thì khả năng cản tia X của 4
Chương 1: Các kiến thức cơ bản nó càng mạnh. Chẳng hạn, tia X xuyên qua dễ dàng một tấm nhôm dầy vài cm, nhưng lại bị lớp chì dầy vài mm cản lại. Vì vậy, chì được dùng làm các màn chắn bảo vệ trong kĩ thuật kỹ thuậtRơnghen. Nhờ khả năng đâm xuyên mạnh mà tia X được dùng trong y học để chiếu điện, chụp điện, trong công nghiệp để dò các lỗ hổng khuyết tật nằm bên trong các sản phẩm đúc. Tia X có tác dụng rất mạnh lên kính ảnh, nên nó được dùng để chụp điện. Tia X có tác dụng làm phát quang một số chất. Màn huỳnh quang dùng trong việc chiếu điện là màn có phủ một lớp platinocyanua bary. Lớp này phát quang màu xanh lục dưới tác dụng của tia X. Tia X có khả năng ion hoá các chất khi. Người ta lợi dụng đặc điểm này để làm các máy đo liều lượng tia X. Tia X có tác dụng sinh lý. Nó có thể huỷ hoại tế bào, giết vi khuẩn. Vì thế tia X dùng để chữa những ung thư nông, gần ngoài da. Hình 1.4. Ứng dụng sóng điện từ. 1.1.3. Các hiện tƣợng quang hình học Ánh sáng nói riêng, các bức xạ điện từ nói chung dù ở bất kỳ tần số nào đều có tốc độ truyền như nhau trong môi trường chân không: 299 792,5 km/s # 300 000 km/s Tuy nhiên, ở trong môi trường khác tốc độ truyền ánh sáng sẽ thay đổi Môi trường chân không và không khí : 300 000 km/s Môi trường nước : 225 000 km/s Thuỷ tinh : 200 000 km/s 5
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 1. Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng Hình 1.5. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Khúc xạ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau. Mở rộng ra, đây là hiện tượng đổi hướng đường đi của bức xạ điện từ, khi lan truyền trong môi trường không đồng nhất 2. Hiện tƣợng tán sắc Hình 1.6. Hiện tượng tán sắc Ánh sáng trắng là tổng hợp của rất nhiều tia sáng, mỗi tia sáng tương ứng với các độ dài sóng điện từ khác nhau và có màu sắc khác nhau. Tia sáng có sóng điện từ ngắn càng dễ bị khúc xạ. Như vậy có nghĩa là ánh sáng xanh dễ bị khúc xạ hơn so với ánh sáng đỏ Lăng kính là một dụng cụ quang học, sử dụng để khúc xạ, phản xạ và tán xạ ánh sáng sang các màu quang phổ (như màu sắc của cầu vồng). Lăng kính thường được làm theo dạng kim tự tháp đứng, có đáy là hình tam giác. Tia sáng đi từ một môi trường (như môi trường không khí) sang một môi trường khác (như tthuỷtinh trong lăng kính), nó sẽ bị chậm lại, và giống như kết quả, nó sẽ hoặc bị cong (khúc xạ) hoặc bị phản xạ hoặc đồng thời xảy ra cả hai hiện tượng trên. Góc mà tia sáng hợp với trục thẳng góc tại điểm mà tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là góc tới, và góc tạo ra ở đầu bên 6
Chương 1: Các kiến thức cơ bản kia, qua quá trình khúc xạ được gọi là góc ló. Tương tự, tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là tia tới và tia sáng đi ra ngoài lăng kính được gọi là tia ló. Các lăng kính phản xạ được sử dụng để phản xạ ánh sáng, ví dụ như các ống nhòm, vì, nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, chúng dễ dàng được sử dụng hơn là các gương. Các lăng kính tán sắc được sử dụng để chia ánh sáng thành các thành phần quang phổ màu, bởi vì độ khúc xạ của chúng phụ thuộc vào bước sóng của tia sáng (hiện tượng tán sắc); khi một tia sáng trắng đi vào trong lăng kính, nó có một góc tới xác định, trải qua quá trình khúc xạ, và phản xạ bên trong lăng kính, dẫn đến việc tia sáng bị bẻ cong, hay gập khúc, và vì vậy, màu sắc của tia sáng ló sẽ khác nhau. Ánh sáng màu xanh có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng màu đỏ và vì vậy nó cong hơn so với ánh sáng màu đỏ. Cũng có loại lăng kính phân cực, nó có thể chia ánh sáng thành các thành phần phân cực khác nhau. 1.1.4. Lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng Nguyên tử gồm: Hạt nhân ( điện tích +Z) gồm: -27 -19 Proton (p), mp =1,672. 10 kg, tích điện dương + 1,602. 10 C. -27 Nơtron(n), mn = 1,675. 10 kg, không mang điện . Hạt nhân của các nguyên tố đều bền (trừ các nguyên tố phóng xạ). -31 -19 Electron(e) ,me = 9,1. 10 kg , tích điện âm - 1,602. 10 C. Trong bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH), số TT nguyên tố = điện tích hạt nhân = số e. 1. Hiện tƣợng quang điện Ánh sáng là một sóng điện từ lan truyền trong chân không với vận tốc c = 3.108m/s, được đặc trưng bằng bước sóng l hay tần số dao động ν = c/l Thuyết sóng của ánh sáng giải thích được những hiện tượng liên quan với sự truyền sóng như giao thoa và nhiễu xạ nhưng không giải thích được những dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ và sự phát ra ánh sáng khi đi qua môi trường vật chất. Năm 1900, M.Planck đưa ra giả thuyết: “ Năng lượng của ánh sáng không có tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử. Một lượng tử của ánh sáng (photon) có năng lượng là E=hν Trong đó E là năng lượng của photon ν : tần số bức xạ h = 6,626 .10-34 J.s - hằng số Planck. 7
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Năm 1905, Anhstanh đã dựa vào thuyết lượng tử đã giải thích thỏa đáng hiện tượng quang điện. Bản chất của hiện tượng quang điện là các kim loại kiềm trong chân không khi bị, khi bị chiếu sáng sẽ phát ra các electron; năng lượng của các electron đó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Anhstanh cho rằng khi được chiếu tới bề mặt kim loại, mỗi photon với năng lượng hν sẽ truyền năng lượng cho kim loại. Một phần năng lượng E0 được dùng để làm bật electron ra khỏi nguyên tử kim loại và phần còn lại sẽ trở thành động năng của electron Những bức xạ có tần số bé hơn tần số giới hạn sẽ không gây ra hiện tượng quang điện. Sử dụng công thức trên ta có thể tính được vận tốc của electron bật ra trong hiện tượng quang điện. 2. Mô hình nguyên tử Bohr Trong nguyên tử mỗi electron quay xung quanh nhân chỉ theo những quỹ đạo tròn đồng tâm có bán kính xác định. Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định của electron. Quỹ đạo gần nhân nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất, quỹ đạo càng xa nhân ứng với mức năng lượng càng cao. Khi e chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng. Khi e chuyển từ quỹ đạo có mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao hơn thì nó hấp thụ năng lượng. Khi electron chuyển từ một mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp hơn thì xảy ra sự phát xạ năng lượng. Năng lượng của bức xạ hấp thụ hoặc giải phóng là Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy tử mức năng lượng thấp lên mức 8
Chương 1: Các kiến thức cơ bản năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể tạo ra hay hấp thụ các photon. Tập hợp các photon này tạo ra ánh sáng. 1.7. Minh hoạ tượng trưng 1 photon Bước sóng ( màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức. 3. Lƣỡng tính sóng hạt của các hạt vi mô Mô hình trên đều không giải thích được 1 số vấn đề thực nghiệm đặt ra. Nguyên nhân là do: - Không đề cập đến tính chất sóng của electron - Do đó coi quỹ đạo chuyển động của electron trong nguyên tử là quỹ đạo tròn có bán kính xác định. Năm 1924 nhà vật lý học người Pháp Louis De Broglie đã đưa ra giả thuyết: mọi hạt vật chất chuyển động đều có thể coi là quá trình sóng được đặc trưng bằng bước sóng l và tuân theo hệ thức Trong đó m - Khối lượng của hạt, kg v - Vận tốc chuyển động của hạt , m/s h - Hằng số Planck, h= 6,63.10-34 J.s Đối với hạt vĩ mô: m khá lớn (h =const) l khá nhỏ -> tính chất sóng có thể bỏ qua. 9
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Đối với hạt vi mô : m nhỏ (h =const) l khá khá lớn -> không thể bỏ qua tính chất sóng. Ví dụ : Một hạt có khối lượng m = 0,3 kg, vận tốc chuyển động V= 30m/s thì l của hạt là? Giải: Áp dụng hệ thức Louis De Broglie l của hạt vô cùng nhỏ nên bỏ qua tính chất sóng của hạt. 10
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 4. Nguyên lý bất định Heisenberg Không thể xác định đồng thời chính xác cả toạ độ và vận tốc của hạt, do đó không thể vẽ được chính xác quỹ đạo chuyễn động của hạt. Đây là hệ thức bất định Heisenberg Trong đó Δx Độ bất định (sai số) về toạ độ theo phương x Δvx Độ bất định (sai số) về vận tốc theo phương x Nếu Δx càng nhỏ thì Δvx càng lớn, nghĩa độ bất định về toạ độ càng nhỏ thì độ bất định về vận tốc càng lớn. Từ đây rút ra một kết luận quan trọng là không thể dùng cơ học cổ điễn để mô tả một cách chính xác quỹ đạo chuyển động của hạt vi mô như thuyết của Bohr mà phải sử dụng một môn khoa học mới là cơ học lượng tử. 1.1.5. Ánh sáng laser Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích" hoặc "khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức". Tính chất Trong thực tế, Laser là sự tạo ra một chùm hạt photon được phát xạ thỏa mản các điều kiện sau đây Tất cả các photon phát ra đều có cùng bước sóng giống nhau.(ta gọi đây là sự đơn sắc) Tất cả các photon đều có cùng pha dao động. Nói cách khác là các photon phải được tạo ra vào cùng một thời điểm như nhau. Tất cả các photon đều cùng phân cực theo một phương . Sự khác nhau giữa ánh sáng thƣờng và ánh sáng Laser Ánh sáng laser gồm nhiều photon cùng một tần số, đồng pha và bay gần như song song với nhau, nên có cường độ rất cao và chiều dài đồng pha của chùm sáng lớn. Tia laser thông dụng có thể có chiều dài đồng pha cỡ vài chục cm . Các tính chất này rất quý cho nhiều ứng dụng thực nghiệm. 11
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 1.2. Bản chất của sự nhìn thấy Chúng ta nhìn thấy được mọi vật xung quanh là do nguồn sáng chiếu vào vật đó rổi phản xạ vào mắt ta, nên ta thấy được vật đó. Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người. 1.2.1. Cấu tạo của mắt Mắt giống như một máy ảnh. Nó có chức năng tạo ra một ảnh thật, nhỏ hơn vật, trên một lớp tế bào nhậy với ánh sáng, để từ đó tạo ra những tín hiệu thần kinh, đưa lên não. Tuy nhiên hệ thống quang học của mắt phức tạp hơn hệ thống quang học của máy ảnh rất nhiều. Bộ phận chính của mắt là một thấu kính hội tụ, trong suốt, mềm, gọi là thuỷ tinh thể. Độ cong của hai mặt thuỷ tinh thể có thể thay đổi được nhờ sự co giãn của cơ đỡ nó. Hình 1.8. Cấu tạo sơ lược mắt Đằng trước thuỷ tinh thể là một chất lỏng trong suốt, có chiết suất n = 1,333 gọi là thuỷ dịch. Đằng sau thuỷ tinh thể cũng là một chất lỏng trong suốt khác, có chiết suất n = 1,333, gọi là dịch thuỷ tinh. Mặt ngoài cùng của mắt là một màng mỏng trong suốt, cứng như sừng, gọi là giác mạc. Thành trong của mắt, phần đối diện với thuỷ tinh thể, gọi là võng mạc. Nó đóng vai trò như một màn ảnh, tại đó có các tế bào nhạy sáng, nằm ở đầu các dây thần kinh thị giác. 12
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Trên võng mạc, có một vùng nhỏ màu vàng, rất nhạy với ánh sáng, nằm gần giao điểm V của trục chính của mắt với võng mạc. Vùng này gọi là điểm vàng. Dưới điểm vàng một chút có điểm mù M là điểm hoàn toàn không nhạy sáng, vì tại đó các dây thần kinh phân nhánh và không có đầu dây thần kinh thị giác. Sát mặt trước của thuỷ tinh thể có một màng không trong suốt, màu đen (hoặc xanh hay nâu) gọi là màng mống mắt (hay lòng đen). Giữa màng mống mắt có một lỗ tròn nhỏ gọi là con ngươi. Tuỳ theo cường độ của chùm ánh sáng tới mà đường kính của con ngươi sẽ tự động thay đổi, để điều chỉnh chùm sáng chiếu vào võng mạc. ở ngoài nắng, con ngươi thu nhỏ lại; trong phòng tối, nó mở rộng ra. Một đặc điểm rất quan trọng về mặt cấu tạo của mắt là: độ cong ( do đó, tiêu cự) của thuỷ tinh thể có thể thay đổi được. Trong khi đó, khoảng cách từ quang tâm của thuỷ tinh thể đến võng mạc (d’ = OV) lại luôn luôn không đổi (d’ = 2,2cm). Võng mạc người được chia làm 2 lớp (xét về mặt chức năng) gồm lớp tế bào cảm nhận ánh sáng và lớp tế bào dẫn truyền xung thần kinh. Về tế bào học, võng mạc người chỉ có 2 loại tế bào: Tế bào gậy và tế bào nón. Hình 1.9. Phân bố các tế bào que và tế bào nón trong võng mạc Tế bào gậy có chức năng xác định về cấu trúc, hình thể vật , những hình ảnh trong tối. Có từ 75-150 triệu Rất nhạy cảmvới ánh sáng Cảm nhận trên dải rộng Ánh sáng ban ngày và đêm 13
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Cung cấp khả năng nhìn đêm Cảm nhận độ chói (cườngđộsáng) Độ phân giải cao Hình 1.10. Độ nhạy sáng của tế bào que và tế bào nón Tế bào nón có chức năng xác định rõ về màu sắc, độ sắc nét. Trong đó, tế bào nón lại được phân thành 3 loại, nhận cảm màu sắc ánh sáng tương ứng với 3 vùng quang phổ khác nhau Có từ 6-7 triệu Tập trung chủ yếu tại điểm vàng tại trung tâm võng mạc Cảm nhận trên dải hẹp Độ phân giải thấp Có 3 loại tế bào nón cảm nhận các tần số cảm nhận màu sắc 460 nm ( xanh lam ), 575 nm ( xanh lục), 625 nm ( đỏ) Chỉ có khả năng nhìn ban ngày Có 3 loại tế bào nón cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau). Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên những cảm giác màu sắc. Tế bào cảm giác màu đỏ và màu lục có phổ hấp thụ rất gần nhau, do vậy mắt người phân biệt được rất nhiều màu nằm giữa màu đỏ và lục (màu vàng, màu da cam, xanh nõn chuối, ). Tế bào cảm giác màu lục và màu lam có phổ hấp thụ nằm xa nhau, nên mắt người phân biệt về các màu xanh không tốt. Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình, người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của người. 14
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.11. Các tế bào nón hấp thụ các phổ Si(λ) có đỉnh tại các bước sóng 1.2.2. Các thuộc tính mô tả màu sắc Các màu được phân biệt dựa theo các thuộc tính: độ sáng, sắc độ, và độ bão hòa màu Độ sáng: đặc trưng cho độ rọi cảm nhận Đặc trưng màu ( Chrominance ) o Sắc độ( Hue ) . Là thuộc tính liên quan tới bước sóng chủ yếu trong hỗn hợp các bước sóng ánh sáng. . Đặc trưng cho màu sắc chủ đạo được người quan sát cảm nhận o Độ bão hòa ( Saturation ) . Đặc trưng cho độ thuần khiết tương đối . Phụ thuộc vào độ rộng của phổ ánhsáng . Thẻ hiện lượng màu trắng được trộnvới sắc độ o Hue và độ bão hòa gọi là đặc trưng màu( chromaticity ) 15
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 24-bit RGB color cube RGB safe color cube Hình 1.12. Sự biểu diễn màu sắc Hầu hết mắt của các sinh vật nhạy cảm với bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong khoảng từ 300 nm đến 1200 nm. Khoảng bước sóng này trùng khớp với vùng phát xạ có cường độ mạnh nhất của Mặt Trời. Các loài vật trên Trái Đất tiến hoá để thu nhận vùng bức xạ tự nhiên mạnh nhất đem lại lợi thế sinh tồn cho chúng. 16
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.13. Sự cảm nhận sai độ tương phản và hình dáng kích thước của mắt 17
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 1.3. Góc khối 1.3.1. Khái niệm góc khối Hình 1.14. Góc khối Đơn vị đo góc khối là góc khối trương tại tâm của một hình cầu có bán kính r theo một phần trên bề mặt của hình cầu có diện tích r². Như vậy ta có 4π Sterađian trong hình cầu 1.3.2. Góc trông vật và năng suất phân li của mắt Góc trông vật AB có dạng một đoạn thẳng đặt vuông góc với trục chính của mắt, là góc tạo bởi hai tia sáng đi từ hai đầu A và B của vật qua quang tâm O của mắt. Muốn phân biệt được hai điểm A và B thì không những hai điểm đó phải nằm trong giới hạn nhìn rõ của mắt, mà góc trông đoạn AB phải đủ lớn. Thực vậy, khi đoạn AB ngắn lại, góc trông đoạn AB giảm đi, hai ảnh A’ và B’ của chúng trên võng mạc sẽ tiến lại gần nhau. Khi hai ảnh A’, B’ nằm trên cùng một đầu tế bào nhạy ánh sáng thì ta không còn phân biệt được hai điểm A và B nữa. Do đó, người ta gọi năng suất phân li của mắt là góc trông nhỏ nhất giữa hai điểm A và B mà mắt còn có thể phân biệt được hai điểm đó. Lúc đó hai ảnh A’ và B’ của chúng nằm tại hai tế bào nhạy sáng cạnh nhau trên võng mạc. Năng suất phân li của mắt phụ thuộc vào từng con mắt. Phép đo đạc thống kê cho ta kết quả 1.3.3. Sự lƣu ảnh trên võng mạc Sau khi tắt ánh sáng kích thích trên võng mạc, phải mất một khoảng thời gian cỡ 0,1s, võng mạc mới hồi phục lại như cũ. Trong khoảng thời gian đó, cảm giác sáng chưa bị mất và người quan sát vẫn còn thấy hình ảnh của vật. Đó là sự lưu ảnh trên võng mạc. Hiện tượng này được sử dụng trong chiếu bóng, trong vô tuyến truyền hình 1.4. Trắc quang 18
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 1.4.1. Quang phổ 1. Quang phổ liên tục Nếu nguồn là một bóng đèn có dây tóc nóng sáng thì qua lăng kính ta thấy có một dải sáng có màu biến đổi liên tục từ đỏ đến tím. Đó là quang phổ liên tục của ngọn đèn Các vật rắn, lỏng hoặc khí có tỉ khối lớn khi bị nung nóng sẽ phát ra quang phổ liên tục. Mặt Trời là một khối khí có tỉ khối lớn phát sáng. Quang phổ của ánh sáng mặt trời là quang phổ liên tục. Trong quang phổ liên tục các vạch màu cạnh nhau nằm sát nhau đến mức chúng nối liền với nhau tạo nên một dải màu liên tục. Hình 1.15. Bước sóng tia hồng ngoại phát ra giảm khi nhiệt độ các vật bị nung nóng tăng. Một đặc điểm quan trọng của quang phổ liên tục là nó không phụ thuộc thành phần cấu tạo của nguồn sáng, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn sáng. Một miếng sắt và một miến sứ đặt trong lò, nung đến cùng một nhiệt độ sẽ cho hai quang phổ liên tục rất giống nhau. Ở nhiệt độ , vật bắt đầu phát sáng đỏ, nhưng rất yếu, nên mắt chưa cảm nhận được và vật vẫn tối. Nhiệt độ càng cao, miền phát sáng của vật càng mở rộng về phía ánh sáng có bước sóng ngắn của quang phổ liên tục. Các dây tóc bóng đèn có nhiệt độ khoảng từ 2500 K đến 3000K phát sáng khá mạnh ở vùng ánh sáng nhìn thấy và cho một quang phổ liên tục có đủ màu sắc từ đỏ đến tím. ánh sáng của các bóng đèn này là ánh sáng trắng. Nhiệt độ của bề mặt Mặt Trời khoảng 6000K. Vùng sáng mạnh của quang phổ liên tục của Mặt Trời nằm lân cận bước sóng , ánh sáng mặt trời là ánh sáng trắng. 19
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Hình 1.16. Phổ mặt trời Trên bầu trời có các ngôi sao màu sáng xanh. Nhiệt độ của các ngôi sao này càng cao hơn nhiệt độ của Mặt Trời rất nhiều. Người ta lợi dụng đặc điểm trên để xác định nhiệt độ của các vật phát sáng do nung nóng như nhiệt độ của dây tóc bóng đèn, hồ quang, lò cao, Mặt Trời, các sao v.v Muốn đo nhiệt độ của một vật bị nung nóng sáng, người ta so sánh độ sáng của vật đó với độ sáng của một dây tóc bóng đèn ở một vùng bước sóng nào đó (thường là đỏ). Nhiệt độ của dây tóc bóng đèn ứng với những độ sáng khác nhau đã hoàn toàn biết trước. 2. Quang phổ vạch phát xạ. Chiếu một chùm tia sáng do một đèn phóng điện chứa khí loãng (đèn hơi thuỷ ngân, đèn hyđrô, đèn natri v.v ) phát ra vào khe của một máy quang phổ, ta sẽ thu được trên tấm kính của buồng ảnh một quang phổ phát xạ của chất khí hoặc hơi kim loại đó. Quang phổ này bao gồm một hệ thống những vạch mầu riêng rẽ nằm trên một nền tối và gọi là quang phổ vạch. Quang phổ vạch phát xạ do các khí hay hơi ở áp suất thấp bị kích thích phát sáng ra. Có thể kích thích cho một chất khí phát sáng bằng cách đốt nóng hoặc bằng cách phóng một tia lửa điện qua đám khí hay hơi đó v.v Thực nghiệm cho thấy quang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố khác nhau thì rất khác nhau về số lượng các vạch quang phổ, vị trí các vạch, màu sắc các vạch và độ sáng tỉ đối của các vạch đó. 20
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Như vậy, mỗi nguyên tố hoá học ở trạng thái khí hay hơi nóng sáng dưới áp suất thấp cho một quang phổ vạch riêng, đặc trưng cho nguyên tố đó. 3. Quang phổ vạch hấp thụ Chiếu một chùm sáng trắng do một đèn có dây tóc nóng sáng phát ra vào khe của một máy quang phổ ta thu được một quang phổ liên tục trên tấm kính của buồng ảnh. Nếu trên đường đi của chùm sáng ta đặt một ngọn đèn có hơi natri nung nóng thì trong quang phổ liên tục nói trên xuất hiện một vạch tối (thực ra là hai vạch tối nằm sát cạnh nhau) ở đúng vị trí của vạch vàng trong quang phổ phát xạ của natri. Đó là quang phổ hấp thụ của natri. Nếu thay hơi natri bằng hơi kali thì trên quang phổ liên tục xuất hiện những vạch tối ở đúng chỗ những vạch màu của quang phổ phát xạ của kali. Đó là quang phổ hấp thụ của kali. Quang phổ của Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất là quang phổ hấp thu. Bề mặt của Mặt Trời (quang cầu) phát ra một quang phổ liên tục. ánh sáng từ quang cầu đi qua lớp khí quyển của Mặt Trời đến Trái Đất cho ta một quang phổ hấp thụ của khí quyển đó. Điều kiện để thu được quang phổ hấp thụ là nhiệt độ của đám khí hay hơi hấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng phát ra quang phổ liên tục. 4. Hiện tƣợng đảo sắc các vạch quang phổ Có một hiện tượng đặc biệt liên hệ giữa quang phổ vạch hấp thụ và quang phổ vạch phát xạ của cùng một nguyên tố: hiện tượng đảo sắc. Hiện tượng này xảy ra như sau Giả sử đám hơi hấp thụ ở trong thí nghiệm trên được nung nóng đến nhiệt độ mà chúng có thể phát sáng, tuy nhiệt độ này vẫn còn thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng trắng. Trên kính ảnh của máy quang phổ, ta thu được quang phổ hấp thụ của đám hơi đó. Bây giờ ta đột nhiên tắt nguồn sáng trắng đi. Ta sẽ thấy biến mất nền quang phổ liên tục trên kính ảnh, đồng thời những vạch đen của quang phổ hấp thụ trở thành những vạch màu của quang phổ vạch phát xạ của chính nguyên tố đó. Đó là hiện tượng đảo sắc của vạch quang phổ. Thí dụ: trong quang phổ hấp thụ của hơi natri có một vạch đen kép nằm đúng vị trí của hai vạch vàng của natri. Vậy, ở một nhiệt độ nhất định, một đám hơi có khả năng phát ra những ánh sáng đơn sắc nào thì nó cũng có khả năng hấp thụ những ánh sáng đơn sắc đó. Quang phổ vạch hấp thụ của mỗi nguyên tố cũng có tính chất đặc trưng riêng cho nguyên tố đó. Vì vậy, cũng có thể căn cứ vào quang phổ vạch hấp 21
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản thụ để nhận biết sự có mặt của nguyên tố đó trong các hỗn hợp hay hợp chất. Đó là nội dung của phép phân tích quang phổ hấp thụ. Nhờ có việc phân tích quang phổ hấp thụ của Mặt Trời mà người ta đã phát hiện ra hêli ở trên Mặt Trời, trước khi tìm thấy nó ở Trái Đất. Ngoài ra người ta còn thấy có mặt của rất nhiều nguyên tố trong khí quyển Mặt Trời như hiđrô, natri, canxi, sắt v.v 5. Phép phân tích quang phổ và tiện lợi của phép phân tích quang phổ Phép phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa vào việc nghiên cứu quang phổ gọi là phép phân tích quang phổ. Trong phép phân tích quang phổ định tính, người ta chỉ cần biết sự có mặt của các thành phần khác nhau trong mẫu mà người ta cần nghiên cứu. Phép phân tích quang phổ định tính thì đơn giản và cho kết quả nhanh hơn các phép phân tích hoá học. Trong phép phân tích quang phổ định lượng, người ta cần biết cả nồng độ của các thành phần trong mẫu. Phép phân tích quang phổ hết sức nhạy. Người ta có thể phát hiện được một nồng độ rất nhỏ của chất trong mẫu (thường vào khoảng 0,002%). Nhờ phép phân tích quang phổ mà người ta đã biết được thành phần cấu tạo và nhiệt độ của các vật ở rất xa như Mặt Trời và các sao. 1.4.2. Khái niệm quang trắc Các hệ đo ánh sáng dựa trên cơ sở mô phỏng đáp ứng của mắt người với ánh sáng. Trắc quang là phép đo các đại lượng liên quan với ánh sáng trong vùng 400-700 nm. Phép trắc quang và quang kế sử dụng các đại lượng và đơn vị khác với bức xạ kế. Các hệ trắc quang dựa trên cơ sở các bộ thu có đáp ứng với năng lượng bức xạ theo kiểu như đáp ứng của mắt người. Người ta dùng một số rất lớn dữ liệu thống kê để tạo ra đường cong chuẩn mô tả đáp ứng phổ của mắt, gọi là đường quan sát chuẩn (hay đường đặc trưng cho quan sát chuẩn) (Standard observer curve hay Luminosity curve for the Standard observer) hay còn gọi là đường cong CIE (“Commision International de l’Eclairage” của Hội đồng “International Commision on Illumination”). 22
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Hình 1.17. đường quan sát chuẩn Lưu ý trên đồ thị đường cong chuẩn (độ trưng tương đối phụ thuộc bước sóng). Bước sóng 555nm là sáng nhất .Một nguồn có thể bức xạ một năng lượng bức xạ như nhau ở 555nm và 610nm, sẽ có độ sáng 0,5 khi hoạt động ở 610nm so với độ sáng 1 khi hoạt động ở 555 nm BẢNG ĐỘ TRƢNG TƢƠNG ĐỐI η (η = 1 Tại bƣớc sóng 555 nm) Bƣớc Độ Bƣớc Độ sóng trƣng sóng trƣng (nm) tƣơng (nm) tƣơng đối đối 410 0,001 570 0,952 420 0,004 585 0,870 430 0.012 595 0,757 443 0,023 600 0,631 450 0,038 610 0,503 460 0,060 621 0,381 470 0,091 630 0,265 480 0,193 640 0,175 490 0,208 650 0,107 500 0,323 660 0,061 510 0,503 670 0,032 520 0,710 680 0,017 530 0,862 690 0,008 540 0,954 700 0,004 550 0,995 710 0,002 560 0,995 720 0,001 23
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Dòng công suất quang được đo theo Lumen và ký hiệu F . Lumen có V nghĩa tương tự như đơn vị của công suất Watt nhưng dùng trong vùng bước sóng khả kiến Quan hệ giữa dòng công suất bức xạ và dòng công suất quang F = 683[lm/W].Φ η V e Với F : Dòng quang (lumen) V Φ : Dòng bức xạ (Watt) e 683 lm/W : Hằng số vật lý η : Độ trưng tương đối ở bước sóng đang xét Các đặc trƣng cơ bản: Năng lượng quang trưng (Luminous Energy): Q lumen.second (lm.s) v Dòng quang trưng: F = dQ /dt lumen (lm) v v 2 Mật độ dòng quang trưng chiếu xạ : E = dF /dA lm/m v v 2 Kích thích quang trưng: M = dF /dA lm/m v v 2 Cường độ sáng): I = dF /dω =E .R lm/sr v v v ω góc đặc ( góc khối) Sr (SteRadian) 2 Độ quang trưng-Luminance L = dF / (dω.dA.cosθ) lm/sr.m v v Độ quang trưng-Luminance L của một nguồn có cường độ I tại vị trí của v (θ) đầu thu L = I /a cosθ v (θ) t I : Cường độ bức xạ, là hàm số theo θ (góc giữa tia tới và pháp tuyến của (θ) diện tích bị chiếu xạ) a : Diện tích của nguồn bức xạ. t 1.4.3. Các đơn vị đo bức xạ Các khái niệm cơ bản 24
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Radiant energy (năng lượng bức xạ) Q Joule e (J) Radiant Flux (dòng bức xạ) Φ = (dQ /dt)| Watt e e qua diện tích dA (W) Flux density (mật độ dòng quang tới /đvdt) 2 còn gọi là irradiance (độ rọi năng lượng): H = d Φ /dA (W/m ) e e Radiant Emittance (độ trưng năng lượng) là mật độ dòng kích thích trên bề mặt của nguồn được kiểm tra: 2 M = d Φ /dA (W/m ) e e Radiant Intensity (cường độ bức xạ) I = d Φ /dω (W/sr) e e 2 với dω = dA/R Steradian (sr) 2 Chú ý trường hợp nguồn điểm đẳng hướng I = Φ /4π = H R . e e e Radiance (công suất bức xạ trên đơn vị góc đặc và trên đơn vị diện tích) Lλ = d Φe/dωdAcosθ (W/sr.m2) Spectral Radiant Power (công suất bức xạ trên đơn vị bước sóng): Φλ = dQe/dλ (W/nm) Spectral Emittance (phổ kích thích, độ rọi phổ) Wλ = dMe/ dλ (W/m2.nm) Spectral Radiant Intensity: I = dI / dλ λ e (W/sr.nm) 2 Spectral Radiance L = dL / dλ (W/sr.m .nm) λ e Đơn vị ánh sáng và bức xạ điện từ có liên quan 1 năng jun J 1J = 1N.1m = 1m2.kg.s-2 lượng bức xạ 25
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 2 công suất oát W 1W = 1J/1s = 1m2.kg.s-3 bức xạ (thông lượng bức xạ) 3 cường độ oát W/sr Oát trên steradian là cường độ bức xạ bức xạ trên của một nguồn điểm phát đều thông lượng sterad bức xạ 1 oát trong góc khối 1 steradian. ian 1W/sr = 1m2.kg.s-3 4 độ chói oát W/(sr. Oát trên steradian mét vuông là độ chói năng trên m2) năng lượng theo một hướng đã cho tại một lượng sterad điểm trên bề mặt có cường độ bức xạ của ian phân tố bề mặt ấy là 1 oát trên steradian và mét diện tích hình chiếu của phân tố lên mặt vuôn phẳng vuông góc với hướng trên là 1 mét g vuông. 1W/(sr.m2) = 1kg.s-3 5 năng suất oát W/m2 Oát trên mét vuông là năng suất bức xạ bức xạ trên tại một điểm trên bề mặt có thông lượng mét bức xạ từ một phân tố diện tích 1 mét vuôn vuông của bề mặt này là 1 oát. g 1W/m2=1kg.s-3 6 độ rọi oát W/m2 Oát trên mét vuông là độ rọi năng năng trên lượng ở một điểm trên bề mặt có thông lượng mét lượng bức xạ 1 oát chiếu lên phân tố diện vuôn tích 1 mét vuông của bề mặt đó. g 1W/m2=1kg.s-3 7 cường độ cande cd Candela là cường độ sáng theo một sáng la phương xác định của một nguồn phát ra bức xạ đơn sắc có tần số 540 x 1012 héc và có cường độ bức xạ theo phương đó là 1/683 oát trên steradian (CGPM lần thứ 16, 1979). Đơn vị cơ bản. 26
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 8 độ chói cande cd/m2 Canđela trên mét vuông là độ chói của la một nguồn phẳng 1 mét vuông có cường độ trên sáng 1 candela đo theo phương vuông góc mét với nguồn. vuôn 1cd/m2 = 1m-2.cd g 9 quang lume lm Lumen là quang thông do một nguồn thông n sáng điểm cường độ 1 candela phát đều trong góc khối 1 steradian. 1lm = 1cd.1sr = 1cd 10 lượng lume lm.s Lumen giây là lượng sáng của quang sáng n giây thông 1 lumen tính trong thời gian 1 giây. 1lm.s = 1cd.s lume lm.h 1lm.h = 3 600 lm.s n giờ 11 năng suất lume lm/m2 Lumen trên mét vuông là năng suất phát sáng n trên phát sáng của một nguồn hình cầu có diện (độ trưng) mét tích mặt ngoài 1 mét vuông phát ra một vuôn quang thông 1 lumen phân bố đều theo mọi g phương. 1lm/m2 = 1m-2.cd 12 độ rọi lux lx Lux là độ rọi của một mặt phẳng nhận quang thông 1 lumen phân bố đều trên diện tích 1 mét vuông của mặt đó. 1lx = 1lm/1m2 = 1m-2.cd 13 lượng rọi lux lx.s Lux giây là lượng rọi ứng với độ rọi 1 giây lux trong thời gian 1 giây. 1lx.s = 1m-2.s.cd lux lx.h 1lx.h = 3 600 lx.s giờ 14 độ tụ một m-1 Một trên mét là độ tụ của một hệ quang (quang trên có tiêu cự 1 mét trong môi trường chiết lực) mét suất bằng 1. 1m-1 = 1m-1 27
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản điôp dp Điôp là tên gọi khác của đơn vị một trên mét. 1dp = 1m-1 28
Chương 2: Bán dẫn Chương 2 BÁN DẪN 2.1 . Lý thuyết dải năng lượng 2.1.1 Mức năng lượng và dải năng lượng Ta biết rằng vật chất đƣợc cấu tạo từ những nguyên tử (đó là thành phần nhỏ nhất của nguyên tố mà còn giữ nguyên tính chất của nguyên tố đó). Theo mô hình của nhà vật lý Anh Rutherford (1871-1937), nguyên tử gồm có một nhân mang điện tích dƣơng (Proton mang điện tích dƣơng và Neutron trung hoà về điện) và một số điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động chung quanh nhân và chịu tác động bởi lực hút của nhân. Nguyên tử luôn luôn trung hoà điện tích, số electron quay chung quanh nhân bằng số proton chứa trong nhân - điện tích của một proton bằng điện tích một electron nhƣng trái dấu). Điện tích của một electron là -1,602.10-19 C (Coulomb), điều này có nghĩa là để có đƣợc 1 Coulomb điện tích phải có 6,242.1018 electron. điện tích của điện tử có thể đo đƣợc trực tiếp nhƣng khối lƣợng của điện tử không thể đo trực tiếp đƣợc. Tuy nhiên, ngƣời ta có thể đo đƣợc tỉ số giữa điện tích và khối lƣợng (e/m), từ đó suy ra đƣợc khối lƣợng -31 của điện tử là mo=9,1.10 Kg v2 mm /1 e 0 c2 Đó là khối lƣợng của điện tử khi nó chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng (c=3.108 m/s). Khi vận tốc điện tử tăng lên, khối lƣợng của điện tử đƣợc tính theo công thức Lorentz-Einstein: Mỗi điện tử chuyển động trên một đƣờng tròn và chịu một gia tốc xuyên tâm. Theo thuyết điện từ thì khi chuyển động có gia tốc, điện tử phải phát ra năng lƣợng. Sự mất năng lƣợng này làm cho quỹ đạo của điện tử nhỏ dần và sau một thời gian ngắn, điện tử sẽ rơi vào nhân. Nhƣng trong thực tế, các hệ thống này là một hệ thống bền theo thời gian. Do đó, giả thuyết của Rutherford không đứng vững. Nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr (1885- 1962) đã bổ túc bằng các giả thuyết sau: Có những quỹ đạo đặc biệt, trên đó điện tử có thể di chuyển mà không phát ra năng lƣợng. Tƣơng ứng với mỗi quỹ đạo có một mức năng lƣợng nhất định. Ta có một quỹ đạo dừng. 1
Chương 2: Bán dẫn Khi điện tử di chuyển từ một quỹ đạo tƣơng ứng với mức năng lƣợng w1 sang quỹ đạo khác tƣơng ứng với mức năng lƣợng w2 thì sẽ có hiện tƣợng bức xạ hay hấp thu năng lƣợng. Tần số của bức xạ (hay hấp thu) này là ww f 21 h Trong đó, h=6,62.10-34 J.s (hằng số Planck). Trong mỗi quỹ đạo dừng, moment động lƣợng của điện tử bằng bội số của h 2 Moment động lƣợng: h m v r n n 2 Hình 2.1. Mô hình nguyên tử hydro Với giả thuyết trên, ngƣời ta đã dự đoán đƣợc các mức năng lƣợng của nguyên tử hydro và giải thích đƣợc quang phổ vạch của Hydro, nhƣng không giải thích đƣợc đối với những nguyên tử có nhiều điện tử. Nhận thấy sự đối tính giữa sóng và hạt, Louis de Broglie (Nhà vật lý học Pháp) cho rằng có thể liên kết mỗi hạt điện khối lƣợng m, chuyển động với vận tốc v một bƣớc sóng h = mv 2
Chương 2: Bán dẫn Trong khi giải phƣơng trình Schrodinger để tìm năng lƣợng của những điện tử trong một nguyên tử duy nhất, ngƣời ta thấy rằng mỗi trạng thái năng lƣợng của electron phụ thuộc vào 4 số nguyên gọi là 4 số nguyên lƣợng Số nguyên lƣợng xuyên tâm (Số nguyên lƣợng chính). Xác định kích thƣớc của quỹ đạo n=1,2,3, 7 Số nguyên lƣợng phƣơng vị: (Số nguyên lƣợng phụ). Xác định hình thể quỹ đạo l=1,2,3, ,n-1 Số nguyên lƣợng từ. Xác định phƣơng hƣớng của quỹ đạo ml=0, l, , l Số nguyên lƣợng Spin. Xác định chiều quay của electron 1 m s 2 Trong một hệ thống gồm nhiều nguyên tử, các số nguyên lƣợng tuân theo nguyên lý ngoại trừ Pauli. Nguyên lý này cho rằng: trong một hệ thống không thể có 2 trạng thái nguyên lƣợng giống nhau, nghĩa là không thể có hai điện tử có 4 số nguyên lƣợng hoàn toàn giống nhau. 2.1.2 Phân bố điện tử trong nguyên tử theo năng lượng Tất cả các nguyên tử có cùng số nguyên lƣợng chính n hợp thành một tầng có tên là K,L,M,N,O,P,Q ứng với n=1,2,3,4,5,6,7. Ở mỗi tầng, các điện tử có cùng số l tạo thành các phụ tầng có tên s, p, d, f tƣơng ứng với l =0,1,2,3 Tầng K (n=1) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử. Tầng L (n=2) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử và một phụ tầng p có tối đa 6 điện tử. Tầng M (n=3) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử) và một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử). Tầng N (n=4) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử), một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) và một phụ tầng f (tối đa 14 điện tử). Nhƣ vậy: Tầng K có tối đa 2 điện tử. Tầng L có tối đa 8 điện tử. Tầng M có tối đa 18 điện tử. 3
Chương 2: Bán dẫn Tầng N có tối đa 32 điện tử. Các tầng O,P,Q cũng có 4 phụ tầng và cũng có tối đa 32 điện tử. Ứng với mỗi phụ tầng có một mức năng lƣợng và các mức năng lƣợng đƣợc xếp theo thứ tự nhƣ sau: Hình 2.2. Phân bố điện tử trong nguyên tử theo năng lượng Khi không bị kích thích, các trạng thái năng lƣợng nhỏ bị điện tử chiếm trƣớc (gần nhân hơn) khi hết chỗ mới sang mức cao hơn (xa nhân hơn). Thí dụ: nguyên tử Na có số điện tử z=11, có các phụ tầng 1s,2s,2p bị các điện tử chiếm hoàn toàn nhƣng chỉ có 1 điện tử chiếm phụ tầng 3s. Cách biểu diễn 4
Chương 2: Bán dẫn Hình 2.3. . Mô hình nguyên tử Na, Si, Ge Lớp bão hoà: Một phụ tầng bão hoà khi có đủ số điện tử tối đa. Một tầng bão hoà khi mọi phụ tầng đã bão hoà. Một tầng bão hoà rất bền, không nhận thêm và cũng khó mất điện tử. Tầng ngoài cùng: Trong một nguyên tử, tầng ngoài cùng không bao giờ chứa quá 8 điện tử. Nguyên tử có 8 điện tử ở tầng ngoài cùng đều bền vững (trƣờng hợp các khí trơ). Các điện tử ở tầng ngoài cùng quyết định hầu hết tính chất hoá học của một nguyên tố. 2.1.3. Dải năng lượng (Energy bands) Những công trình khảo cứu ở tia X chứng tỏ rằng hầu hết các chất bán dẫn đều ở dạng kết tinh. Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn đƣợc giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lƣợng. Nhƣ ta biết, điện tử tổn tại trong nguyên tử trên những mức năng lƣợng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhƣng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lƣợng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lƣợng và sẽ có ba vùng chính. 5
Chương 2: Bán dẫn Ta khảo sát một tinh thể bất kỳ, năng lƣợng của điện tử đƣợc chia thành từng dải. Dải năng lƣợng cao nhất bị chiếm gọi là dải hoá trị, dải năng lƣợng thấp nhất chƣa bị chiếm gọi là dải dẫn điện. Khoảng cách hai dải năng lƣợng này gọi là dải cấm. Vùng hóa trị (valence band): Là vùng có năng lƣợng thấp nhất theo thang năng lƣợng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lƣợng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (nhƣ các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lƣợng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lƣợng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lƣợng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Hình 2.4. Dải năng lượng Nhƣ vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lƣợng nhƣ sau Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện. Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận đƣợc năng lƣợng nhiệt (kB.T với kB là hằng số Boltzmann) nhƣng năng lƣợng này chƣa đủ để điện tử vƣợt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số 6
Chương 2: Bán dẫn điện tử nhận đƣợc năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Ta có 3 trƣờng hợp tóm tắt sau -19 Dải cấm có độ cao khá lớn (EG >5eV)(1eV=1,602.10 J). Đây là trƣờng hợp của các chất cách điện. Thí dụ nhƣ kim cƣơng có EG =7eV, SiO2 EG=9eV. Dải cấm có độ cao nhỏ (EG <5eV). Đây là trƣờng hợp chất bán dẫn điện. Thí dụ: Germanium có EG =0,75eV, Silicium có EG =1,12eV, Galium Arsenic có EG =1,4eV Dải hoá trị và dải dẫn điện chồng lên nhau, đây là trƣờng hợp của chất dẫn điện. Thí dụ nhƣ đồng, nhôm 7
Chương 2: Bán dẫn Hình 2.5. Độ dẫn điện phụ thuôc vào dải cấm Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, nhờ sự cung cấp nhiệt năng, điện tử trong dải hoá trị tăng năng lƣợng. Trong trƣờng hợp (a), vì EG lớn, điện tử không đủ năng lƣợng vƣợt dải cấm để vào dải dẫn điện. Nếu ta cho tác dụng một điện trƣờng vào tinh thể, vì tất cả các trạng thái trong dải hoá trị điều bị chiếm nên điện tử chỉ có thể di chuyển bằng cách đổi chỗ cho nhau. Do đó, số điện tử đi, về một chiều bằng với số điện tử đi, về theo chiều ngƣợc lại, dòng điện trung bình triệt tiêu. Ta có chất cách điện. Trong trƣờng hợp (b), một số điện tử có đủ năng lƣợng sẽ vƣợt dải cấm vào dải dẫn điện. Dƣới tác dụng của điện trƣờng, các điện tử này có thể thay đổi năng lƣợng dễ dàng vì trong dải dẫn điện có nhiều mức năng lƣợng trống để tiếp nhận chúng. Vậy điện tử có năng lƣợng trong dải dẫn điện có thể di chuyển theo một chiều duy nhất dƣới tác dụng của điện trƣờng, ta có chất bán dẫn điện. Trong trƣờng hợp (c) cũng giống nhƣ trƣờng hợp (b) nhƣng số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn làm cho sự di chuyển mạnh hơn, ta có kim loại hay chất dẫn điện. 2.2 . Sự dẫn điện trong bán dẫn 2.2.1. Chất bán dẫn điện (Semiconductor) 1. chất bán dẫn điện thuần (Pure semiconductor ) Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể. Hai chất bán dẫn đƣợc dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo 8
Chương 2: Bán dẫn thành 4 liên kết hoá trị. Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện. Hình 2.6. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 0 0K) Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lƣợng một số điện tử và làm gãy một số nối hoá trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dƣới tác dụng của điện trƣờng. Tại các nối hoá trị bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phƣơng diện năng lƣợng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lƣợng các điện tử trong dải hoá trị. Hình 2.7. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 3000K) Khi năng lƣợng này lớn hơn năng lƣợng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử có thể vƣợt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lƣợng trống) trong dải hoá trị). Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hoá trị. 9
Chương 2: Bán dẫn Nếu ta gọi n là mật độ điện tử có năng lƣợng trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống có năng lƣợng trong dải hoá trị. Ta có n=p=ni Khi T tăng thì ni tăng. Hình 2.8. Tinh thể chất bán dẫn Ta gọi chất bán dẫn có tính chất n = p là chất bán dẫn thuần. Thông thƣờng ngƣời ta gặp nhiều khó khăn để chế tạo chất bán dẫn loại này. 2. Chất bán dẫn ngoại lai hay có chất pha (Doped/Extrinsic Semiconductor) Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor) Hình 2.9. Tinh thể Si Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân loại tuần hoàn nhƣ As (Arsenic), Photpho (p), Antimony (Sb). Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hoá trị, Còn dƣ lại một điện tử của As. Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hoá trị đều có năng lƣợng trong dải hoá trị, trừ những điện tử thừa của As không tạo nối hoá trị có năng lƣợng ED nằm 10
Chương 2: Bán dẫn trong dải cấm và cách dẫy dẫn điện một khoảng năng lƣợng nhỏ chừng 0,05eV. Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hoá trị bị gãy, ta có những lỗ trống trong dải hoá trị và những điện tử trong dải dẫn điện giống nhƣ trong trƣờng hợp của các chất bán dẫn thuần. Ngoài ra, các điện tử của As có năng lƣợng ED cũng nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử có năng lƣợng trong dải dẫn điện. Vì thế ta có thể coi nhƣ hầu hết các nguyên tử As đều bị Ion hoá (vì khoảng năng lƣợng giữa ED và dải dẫn điện rất nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lƣợng ED đều đƣợc tăng năng lƣợng để trở thành điện tử tự do. Hình 2.10. tăng nhiệt độ Nếu ta gọi ND là mật độ những nguyên tử As pha vào (còn gọi là những nguyên tử cho donor atom). Ta có: n = p + ND Với n mật độ điện tử trong dải dẫn điện. p mật độ lỗ trống trong dải hoá trị. 2 Ngƣời ta cũng chứng minh đƣợc: n.p = n i (n < p) n I mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trƣớc khi pha. Chất bán dẫn nhƣ trên có số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trống trong dải hoá trị gọi là chất bán dẫn loại N. Chất bán dẫn loại P Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, ta pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III nhƣ Indium (In), Galium (Ga), nhôm (Al), Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử In kết hợp với 11
Chương 2: Bán dẫn ba điện tử của ba nguyên tử Si kế cận tạo thành 3 nối hoá trị, còn một điện tử của Si có năng lƣợng trong dải hoá trị không tạo một nối với Indium. Giữa In và Si này ta có một trang thái năng lƣợng trống có năng lƣợng EA nằm trong dải cấm và cách dải hoá trị một khoảng năng lƣợng nhỏ chừng 0,08eV. Hình 2.11. Tinh thể chất bán dẫn loại P Ở nhiệt độ thấp (T=0 0K), tất cả các điện tử đều có năng lƣợng trong dải hoá trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hoá trị nhận năng lƣợng và vƣợt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vƣợt dải cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lƣợng EA. Hình 2.12. tăng nhiệt độ chất bán dẫn loại P Nếu ta gọi NA là mật độ những nguyên tử Indium pha vào (còn đƣợc gọi là nguyên tử nhận), ta cũng có: p = n + NA p: mật độ lỗ trống trong dải hoá trị. n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện. 12
Chương 2: Bán dẫn Ngƣời ta cũng chứng minh đƣợc: 2 n.p = n i (p > n) ni là mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trƣớc khi pha. Chất bán dẫn nhƣ trên có số lỗ trống trong dải hoá trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện đƣợc gọi là chất bán dẫn loại P. Nhƣ vậy, trong chất bán dẫn loại p, hạt tải điện đa số là lỗ trống và hạt tải điện thiểu số là điện tử. Chất bán dẫn hỗn hợp Ta cũng có thể pha vào Si thuần những nguyên tử cho và những nguyên tử nhận để có chất bán dẫn hỗn hợp. Hình sau là sơ đồ năng lƣợng của chất bán dẫn hỗn hợp. Hình 2.13. Dải năng lượng Chất bán dẫn hỗn hợp Trong trƣờng hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta có: n+NA = p+ND 2 n.p = n i Nếu ND > NA => n > p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại N. Nếu ND n < p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại P. 2.2.2 Dẫn suất của chất bán dẫn 13
Chương 2: Bán dẫn Hình 2.15. những điện tử di chuyển trong tinh thể Dƣới tác dụng của điện trƣờng, những điện tử có năng lƣợng trong dải dẫn điện di chuyển tạo nên dòng điện In, nhƣng cũng có những điện tử di chuyển từ một nối hoá trị bị gãy đến chiếm chỗ trống của một nối hoá trị đã bị gãy. Những điện tử này cũng tạo ra một dòng điện tƣơng đƣơng với dòng điện do lỗ trống mang điện tích dƣơng di chuyển ngƣợc chiều, ta gọi dòng điện này là Ip. Hình sau đây mô tả sự di chuyển của điện tử (hay lỗ trống) trong dải hoá trị ở nhiệt độ cao. Vậy ta có thể coi nhƣ dòng điện trong chất bán dẫn là sự hợp thành của dòng điện do những điện tử trong dải dẫn điện (đa số đối với chất bán dẫn loại N và thiểu số đối với chất bán dẫn loại P) và những lỗ trống trong dải hoá trị (đa số đối với chất bán dẫn loại P và thiểu số đối với chất bán dẫn loại N). Hình 2.16. Dòng điện trong chất bán dẫn Dƣới tác dụng của điện trƣờng, các điện tử và lỗ trống di chuyển với vận tốc trung bình vn = .n.E và vp = p.E. Tƣơng ứng với những dòng điện này, ta có những mật độ dòng điện J, Jn, Jp sao cho: J = Jn+Jp Jn = n.e.vn = n.e..n.E. 14
Chương 2: Bán dẫn Jn Mật độ dòng điện trôi của điện n là độ linh động của điện tử n là mật độ điện tử trong dải dẫn điện Jp = n.e.vp = n.e..p.E. Jp Mật độ dòng điện trôi của lỗ p là độ linh động của lỗ trống p là mật độ lỗ trống trong dải hoá trị). Nhƣ vậy: J=e.(n..n+p..p).E. Theo định luật Ohm, ta có: J = .E => = e.(n..n+p.. p) đƣợc gọi là dẫn suất của chất bán dẫn. Trong chất bán dẫn loại N, ta có n >> p nên  n..n.e. Trong chất bán dẫn loại P, ta có p >> n nên  p.. p.e. 2.3 . Hiện tượng quang điện 2.3.1. Thí nghiệm Hecxơ Năm 1887, nhà bác học Hecxơ ngƣời Đức đã làm thí nghiệm sau: chiếu một chùm ánh sáng do một hồ quang phát ra vào một tấm kẽm tích điện âm, gắn trên một điện nghiệm (có thể thay điện nghiệm bằng tĩnh điện kế). Ông thấy hai lá của điện nghiệm cụp lại. Điều đó chứng tỏ tấm kẽm đã mất điện tích âm. Hình 2.17. Tinh thể 15
Chương 2: Bán dẫn Nếu tấm kẽm tích điện dƣơng thì không có hiện tƣợng gì xảy ra. Hiện tƣợng cũng xảy ra tƣơng tự nếu thay tấm kẽm bằng các tấm đồng, nhôm, bạc, niken v.v Nếu dùng một tấm thuỷ tinh không màu chắn chùm tia hồ quang thì hiện tƣợng trên không xảy ra. Ta biết rằng thuỷ tinh hấp thụ mạnh các tia tử ngoại. Nhiều thí nghiệm tƣơng tự đã đƣa ta đến kết luận: Khi chiếu một chùm sáng thích hợp (có bước sóng ngắn) vào mặt một tấm kim loại thì nó làm cho các electrôn ở mặt kim loại đó bị bật ra. Đó là hiện tượng quang điện. Thực ra, khi chiếu ánh sáng tử ngoại vào tấm kẽm tích điện dƣơng thì vẫn có êlectrôn bị bật ra. Tuy nhiên, chúng lập tức bị hút trở lại, nên điện tích của tấm kẽm coi nhƣ không thay đổi. 2.3.2. Tế bào quang điện Tế bào quang điện là một bình chân không nhỏ trong đó có hai điện cực: anốt A và catốt K. Anốt( anôt) là một vòng dây kim loại. Catốt ( catôt) có dạng một chỏm cầu làm bằng kim loại (mà ta cần nghiên cứu) phủ ở thành trong của tế bào. Ánh sáng do một hồ quang phát ra, đƣợc chiếu qua một kính lọc F để lọc lấy một thành phần đơn sắc nhất định, chiếu vào catốt K. Ta thiết lập giữa anốt và catốt một điện trƣờng nhờ bộ acquy E. Hiệu điện thế U giữa A và K có thể thay đổi (về độ lớn và về dấu) nhờ thay đổi vị trí của chốt cắm C trên bộ nguồn. Một vôn kế V dùng để đo hiệu điện thế U và một miliampe kế nhạy G để đo cƣờng độ dòng điện chạy qua tế bào quang điện. Điện trở trong của các acquy rất nhỏ so với điện trở của tế bào quang điện. 16
Chương 2: Bán dẫn Hình 2.18. Tế bào quang điện Khi chiếu vào catốt ánh sáng có bƣớc sóng ngắn thì trong mạch xuất hiện dòng điện mà ta gọi là dòng quang điện. Trong tế bào quang điện, dòng quang điện có chiều từ anốt sang catốt. Nó là dòng các êlectrôn quang điện bay từ catốt sang anốt dƣới tác dụng của điện trƣờng giữa anốt và catốt. Nghiên cứu sự phụ thuộc của hiện tƣợng quang điện vào bƣớc sóng của ánh sáng kích thích (ánh sáng chiếu vào catốt) ngƣời ta thấy: đối với mỗi kim loại dùng làm catốt, ánh sáng kích thích phải có bƣớc sóng nhỏ hơn một giới hạn nào đó thì mới gây ra đƣợc hiện tƣợng quang điện. Nếu ánh sáng kích thích có bƣớc sóng lớn hơn thì dù chùm ánh sáng có mạch cũng không gây ra hiện tƣợng quang điện. Sau khi chiếu ánh sáng vào catốt để gây ra hiện tƣợng quang điện, ngƣời ta nghiên cứu sự phụ thuộc của cƣờng độ dòng quang điện I vào hiệu điện thế UAK giữa anốt và catốt. đƣờng cong đồ thị này gọi là đƣờng đặc trƣng von-ampe của tế bào quang điện. Thoạt tiên khi tăng thì dòng quang điện tăng. Khi đạt đến một giá trị nào đó thì cƣờng độ dòng quang điện đạt đến giá trị bão hoà . Sau đó giá trị của cƣờng độ dòng quang điện sẽ không đổi dù có tăng . Nghiên cứu sự phụ thuộc của cƣờng độ dòng quang điện bão hoà vào cƣờng độ của chùm ánh sáng kích thích, ta thấy tỉ lệ thuận với cƣờng độ sáng kích thích 17
Chương 2: Bán dẫn Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì phải đặt giữa anốt và catốt một hiệu điện thế âm nào đó ( ). đƣợc gọi là hiệu điện thế hãm. Giá trị của ứng với giao điểm của đƣờng đặc trƣng vôn- ampe của tế bào quang điện với trục hoành. Thí nghiệm cho thấy giá trị của hiệu điện thế hãm ứng với mỗi kim loại dùng làm catốt hoàn toàn không phụ thuộc vào cƣờng độ của chùm sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bƣớc sóng của chùm sáng kích thích đó. Nếu hai chùm sáng kích thích 1 và 2, đơn sắc, có cùng bƣớc sóng, thì các đƣờng đặc trƣng von-ampe 1 và 2 sẽ cắt trục tại cùng một điểm 2.3.3 Các định luật quang điện a) Định luật quang điện thứ nhất Đối với mỗi kim loại dùng làm catốt có một bước sóng giới hạn nhất định gọi là giới hạn quang điện. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng của ánh sáng kích thích nhỏ hơn giới hạn quang điện ( ). Giá trị giới hạn quang điện của một số kim loại (tính ra ) đƣợc cho Bạc 0,26, Canxi 0,45, Đồng 0,30, Natri 0,50, Kẽm 0,35, Kali 0,55, Nhôm 0,36, Xedi 0,66. Ta thấy ánh sáng nhìn thấy đƣợc chỉ có khả năng gây ra đƣợc hiện tƣợng quang điện ở canxi và các kim loại kiềm. b) Định luật quang điện thứ hai Với ánh sáng kích thích có bước sóng thoả mãn định luật quang điện thứ nhất thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ của chùm sáng kích thích. c) Định luật quang điện thứ ba Sự tồn tại của hiệu điện thế hãm chứng tỏ rằng khi bật ra khỏi mặt kim loại, các êlectrôn quang điện có một vận tốc ban đầu . Điện trƣờng cản mạnh đến mức độ nào đó thì ngay cả những êlectrôn có vận tốc ban đầu lớn nhất cũng không bay đến đƣợc anốt. Lúc đó dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn và công của điện trƣờng cản có giá trị đúng bằng động năng ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện. Từ sự nghiên cứu thực nghiệm giá trị của mà ta đã trình bày ở bài trƣớc, ta rút ra định luật sau 18
Chương 2: Bán dẫn Động năng ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện không phụ thuộc vào cường độ của chùm sáng kích thích, mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và bản chất kim loại dùng làm catốt. 2.3.4 Thuyết lượng tử a) Các định luật quang điện hoàn toàn mâu thuẫn với tính chất sóng của ánh sáng. Thực vậy, theo thuyết sóng, khi ánh sáng chiếu vào mặt catốt, điện trƣờng biến thiên trong sóng ánh sáng sẽ làm cho các electrôn trong kim loại dao động. Cƣờng độ của chùm sáng kích thích càng lớn. thì điện trƣờng đó càng mạnh và nó làm cho êlectrôn dao động càng mạnh. Đến mức độ nào đó thì electrôn sẽ bị bật ra, tạo thành dòng quang điện. Do đó, bất kì chùm sáng nào cũng có thể gây ra hiện tƣợng quang điện, miễn là nó có cƣờng độ đủ lớn và động năng ban đầu cực đại của êlectrôn quang điện phải phụ thuộc vào cƣờng độ của chùm sáng kích thích. b) Ta chỉ có thể giải thích đƣợc các định luật quang điện, nếu thừa nhận một thuyết mới gọi là thuyết lƣợng từ do nhà bác học Plăng (Planck) ngƣời Đức, đề xƣớng vào năm 1900. Theo thuyết lƣợng tử: Những nguyên tử hay phân tử vật chất không hấp thụ hay bức xạ ánh sáng một cách liên tục, mà thành từng phần riêng biệt, . Mỗi phần có mang một năng lượng hoàn toàn xác định được gọi là lượng tử ánh sáng, có độ lớn là , trong đó, là tần số của ánh sáng mà nó phát ra, còn là một hằng số gọi là hằng số Plăng. Mỗi phần đó gọi là một lƣợng tử năng lƣợng Ta thấy mỗi lƣợng tử ánh sáng rất nhỏ, mỗi chùm sáng dù yếu cũng chứa một số rất lớn lƣợng tự ánh sáng. Do đó, ta có cảm giác chùm sáng là liên tục. Khi ánh sáng truyền đi, các lƣợng tử ánh sáng không bị thay đổi, không phụ thuộc khoảng cách tới nguồn sáng, dù nguồn đó là một ngôi sao nằm cách xa ta hàng triệu năm ánh sáng. 2.3.5 Giải thích các định luật quang điện bằng thuyết lượng tử Nhà bác học Anhxtanh (Einstein), ngƣời Đức, là ngƣời đầu tiên vận dụng thuyết lƣợng tử để giải thích các định luật quang điện. Ông coi chùm sáng nhƣ một chùm hạt và gọi mỗi hạt là một phôtôn. Mỗi phôtôn ứng với một lƣợng tử ánh sáng. Theo Anhxtanh, trong hiện tƣợng quang điện có sự hấp thụ hoàn toàn phôtôn chiếu tới. Mỗi phôtôn bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lƣợng của nó 19
Chương 2: Bán dẫn cho một êlectron. Đối với các electron nằm ngay trên bề mặt kim loại thì phần năng lƣợng này sẽ đƣợc dùng vào hai việc Cung cấp cho êlectrôn đó một công A để nó thắng đƣợc các lực liên kết trong tinh thể và thoát ra ngoài. Công này gọi là công thoát. Cung cấp cho êlectrôn đó một động năng ban đầu. So với động năng ban đầu mà các êlectrôn nằm ở các lớp sâu thu đƣợc khi bị bứt ra thì động năng ban đầu này là cực đại (8-1) Đây là công thức Anhxtanh về hiện tƣợng quang điện. Đối với các electron nằm ở các lớp sâu bên trong mặt kim loại thì trƣớc khi đến bề mặt kim loại, chúng đã chạm với các ion của kim loại và mất một phần năng lƣợng. Do đó động năng ban đầu của chúng nhỏ hơn động năng ban đầu cực đại nói ở trên. Công thức (8-1) cho thấy động năng ban đầu cực đại của các êlectrôn quang điện chỉ phụ thuộc tần số (hay bƣớc sóng ) của ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại dùng làm catốt (K) mà không phụ thuộc vào cƣờng độ của chùm sáng kích thích. Đó chính là nội dung của định luật quang điện thứ ba. Công thức (8-1) còn cho thấy: nếu năng lƣợng của phôtôn nhỏ hơn công thoát thì nó không thể làm cho êlectron bật ra khỏi catốt và hiện tƣợng quang điện sẽ không xẩy ra. Ta có Đặt (8-2) chính là giới hạn quang điện của kim loại. Bất đẳng thức (8-2) biểu thị định luật quang điện thứ nhất. Cuối cùng, ta giải thích định luật quang điện thứ hai nhƣ sau Với chùm sáng có khả năng gây ra hiện tƣợng quang điện thì số êlectrôn quang điện bị bật ra khỏi catốt trong đơn vị thời gian tỉ lể thuận với số phôtôn đến đập vào mắt catốt trong thời gian đó. Mặt khác, số phôtôn này lại tỉ lệ thuận với cƣờng độ của chùm sáng; còn cƣờng độ dòng quang điện bão hoà lại tỉ lệ thuận với số êlectrôn quang điện bị bật ra khỏi catốt trong đơn vị thời gian. Vì vậy, cƣờng độ của dòng quang điện bão hoà sẽ tỉ lệ thuận với cƣờng độ của chùm sáng kích thích. 20
Chương 2: Bán dẫn 2.3.6 Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng Ánh sáng nhìn thấy cũng nhƣ các tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, đều là các sóng điện từ có bƣớc sóng khác nhau. Ngƣời ta nói chúng có cùng bản chất điện từ Ta lại thấy ánh sáng có tính chất hạt (tính chất lƣợng tử). Vậy, ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt. Ngƣời ta nói: ánh sáng có lƣỡng tính sóng - hạt. Những sóng điện từ có bƣớc sóng càng ngắn thì phôtôn ứng với chúng có năng lƣợng càng lớn. Thực nghiệm cho thấy tính chất hạt của chúng thể hiện càng đậm nét, tính chất sóng càng ít thể hiện. Ta có thể coi những tác dụng sau đây là những biểu hiện của tính chất hạt: khả năng đâm xuyên, tác dụng quang điện, tác dụng ion hoá, tác dụng phát quang. Ngƣợc lại, những sóng điện từ có bƣớc sóng càng dài thì phôtôn ứng với chúng có năng lƣợng càng nhỏ. Thực nghiệm cho thấy: tính chất hạt của chúng càng khó thể hiện, tính chất sóng của chùng càng dễ bộc lộ. Ta dễ dàng quan sát thấy hiện tƣợng giao thoa, hiện tƣợng tán sắc của các sóng đó. 2.3.7 Hiện tượng quang dẫn Một số chất bán dẫn là chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện khi bị chiếu sáng. Hiện tƣợng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi bị chiếu sáng gọi là hiện tƣợng quang dẫn. Trong hiện tƣợng quang điện, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào catốt của tế bào quang điện thì êlectrôn sẽ bị bật ra khỏi catốt. Vì vậy, hiện tƣợng này còn gọi là hiện tƣợng quang điện ngoài.( hay hiện tƣợng quang điện bên ngoài) Trong hiện tƣợng quang dẫn, mỗi phôtôn của ánh sáng kích thích khi bị hấp thụ sẽ giải phóng một electrôn liên kết để nó trở thành một êlectrôn tự do chuyển động trong khối chất bán dẫn đó. Các electrôn liên kết khi đƣợc giải phóng, sẽ để lại một “lỗ trống” mang điện dƣơng. Những lỗ trống này cũng có thể chuyển động tự do từ nút mạng này sang nút mạng khác và cũng tham gia vào quá trình dẫn điện. Hiện tƣợng giải phóng êlectrôn liên kết để cho chúng trở thành các êlectrôn dẫn gọi là hiện tƣợng quang điện bên trong. Vì năng lƣợng cần thiết để giải phóng một êlectrôn liên kết chuyển nó thành êlectrôn dẫn không lớn lắm, nên để gây ra hiện tƣợng quang dẫn, không đòi hỏi phôtôn phải có năng lƣợng lớn. Rất nhiều chất quang dẫn hoạt động đƣợc với ánh sáng hồng ngoại. Thí dụ: có giới hạn quang dẫn là . Ta hiểu giới hạn quang dẫn của một chất là bƣớc sóng dài nhất của ánh sáng 21
Chương 2: Bán dẫn có khả năng gây ra hiện tƣợng quang dẫn ở chất đó. Đây là một lợi thế của hiện tƣợng quang dẫn so với hiện tƣợng quang điện. 2.3.8 Quang trở (LDR) Cấu tạo Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS chẳng hạn) (1) phủ trên một tấm nhựa cách điện (2). Có hai điện cực (3) và (4) gắn vào lớp chất bán dẫn đó Nối một nguồn khoảng vài vôn với quang trở thông qua một miliampe kế. Ta thấy khi quang trở đƣợc đặt trong tối thì trong mạch không có dòng điện. Khi chiếu quang trở bằng ánh sáng có bƣớc sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn của quang trở thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch. Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng nói trên. Đo điện trở của quang trở CdS, ngƣời ta thấy: khi không bị chiếu sáng, điện trƣờng của nó vào khoảng ; khi bị chiếu sáng, điện trở của nó chỉ còn khoảng . Ngày nay, quang trở đƣợc dùng thay cho các tế bào quang điện trong hầu hết các mạch điều khiển tự động. 2.3.9 Pin quang điện: Pin quang điện là một nguồn điện trong đó quang năng đƣợc biến đổi trực tiếp thành điện năng. Pin hoạt động dựa vào hiện tƣợng quang điện bên trong xẩy ra trong một chất bán dẫn. Ta hãy xét một pin quang điện đơn giản. Pin đồng oxit (h.8.6) Pin có một điện cực bằng đồng. Trên bản đồng này có phủ một lớp đồng oxit . Ngƣời ta phun một lớp vàng rất mỏng trên mặt lớp để làm điện cực thứ hai. Lớp vàng này mỏng đến mức cho ánh sáng truyền qua đƣợc. ở chỗ tiếp xúc giữa và hình thành một lớp có tác dụng đặc biệt: nó chỉ cho phép êlectrôn chạy qua nó theo chiều từ sang . Khi chiếu một chùm sáng có bƣớc sóng thích hợp vào mặt lớp thì ánh sáng sẽ giải phóng các êlectrôn liên kết trong thành electrôn dẫn. Một phần các êlectrôn này khuếch tán sang cực . Cực thừa êlectrôn nên nhiễm điện âm. nhiễm điện dƣơng. Giữa hai điện cực của pin hình thành một suất điện động. Nếu nối hai điện cực với nhau bằng một dây dẫn thông qua một điện kế, ta sẽ thấy có một dòng điện chạy trong mạch theo chiều từ sang . 22
Chương 2: Bán dẫn Ngoài pin quang điện đồng oxit, còn có rất nhiều loại pin quang điện khác, phổ biến nhất là pin sêlen. Ngày nay, các pin quang điện có rất nhiều ứng dụng. Các pin mặt trời ở các máy tính bỏ túi, trên các vệ tinh nhân tạo v.v đều là pin quang điện. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. SÁCH LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ (THẦY DƢƠNG MINH TRÍ). 2. TÀI LIỆU CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ (THS. TRẦN THỊ CẨM). 3. 4. 5. dien_573.html. 6. 7. www.wikipedia.org. Và một số tài liệu tham khảo khác. 23
Chương 3: Led_Light emitting diode Chương 3 LED-LIGHT EMITTING DIODE 3.1. Giới thiệu về Diode phát quang - LED (Light Emitting Diode) Điôt phát quang là linh kiện bán dẫn quang điện tử. Nó có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiện tượng tái hợp xảy ra trong tiếp xúc P-N. Điốt phát quang thường được gọi tắt là LED do viết tắt từ các từ tiếng Anh: Light- Emitting Diode. Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sáng bức xạ ra ở các vùng bước sóng khác nhau. Chất bán dẫn của LED được làm từ một miếng tinh thể cực mỏng. Vỏ bao bọc chất bán dẫn được làm trong suốt (nhưng thường là có màu sắc). Hai chân bọc chì được kéo đưa ra khỏi lớp bao bọc epoxy. Chất bán dẫn có 2 cực p và n đươc chia bởi một mối nối. Cực p mang điện tích dương; cực n mang điện tích âm (electron).Mối nối p-n nằm giữa cực p và cực n. Loại bức xạ ra ánh sáng nhìn thấy gọi là LED chỉ thị. LED chỉ thị có ưu điểm là tần số hoạt động cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp khi bắt đầu làm việc. LED không cần kính lọc mà vẫn cho ra màu sắc. LED chỉ thị rất rõ khi trời tối. Tuổi thọ của LED khoảng 100 ngàn giờ. Hình 3.1. Cấu tạo và ký hiệu LED Vật liệu chế tạo LED là các nguyên tử nhóm III và V: GaAs, GaP, GaAsP đây là những vật 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. 3.2. Nguyên lý làm việc và cấu tạo của LED Dựa trên hiệu ứng phát sáng khi có hiện tượng tái hợp điện tử và lỗ trống ở vùng chuyển tiếp P – N. LED sẽ phát quang khi được phân cực thuận, nghĩa là biến đổi 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. 1
Chương 3: Led_Light emitting diode 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 điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương ( thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống ). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hoà. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng ( hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó ). Tuỳ theo mức năng lượng giải phóng 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 phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. Điện tử từ bên N sẽ khuếch tán sang P và lỗ trống bên P sẽ khuếch tán sang N. Trong quá trình di chuyển chúng sẽ tái hợp với nhau và phát ra các photon. Tùy theo mức năng lượng giải phóng 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 phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3 V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó, LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra. Loại LED Điện thế phân cực thuận Đỏ 1,4 - 1,8V Vàng 2 - 2,5V Xanh lá cây 2 - 2,8V Hình 3.2. Điện thế phân cực thuận của LED Đặc tuyến V- A của LED giống như của diode thông thường Điện áp phân cực thuận UD =1,6 - 3 V; điện áp phân cực ngược Ung = 3 – 5 V; dòng ID khoảng vài chục mA 2
Chương 3: Led_Light emitting diode Hình 3.3. Đặc tuyến Von-Ampe của LED Để tăng cường tính định hướng cho LED, người ta thường cấu tạo LED với một lỗ cho ánh sáng đi qua. Có hai loại LED là SLED (LED phát xạ mặt) và ELED (LED phát xạ cạnh). Dưới đây là hình minh hoạ cho việc lấy ánh sáng ra của một SLED. Hình 3.4. Cấu tạo SLED Tham số của LED * Nhiệt độ Khoảng nhiệt độ làm việc của LED : - 60 0C đến +80 0C LED rất nhạy với nhiệt độ. Nhiệt độ càng tăng bước sóng của LED càng ngắn (bước sóng giảm 0,02 μm– 0,009 μm / 0C).và điện áp phân cực cho điôt có thể bị giảm (khoảng từ 1,3 mV đến 2,3 mV/ 0C). Độ rộng vùng cấm của các vật liệu càng lớn thì năng lượng được giải phóng ra càng lớn và bức xạ được phát ra có bước sóng càng ngắn. 3
Chương 3: Led_Light emitting diode Nhiệt độ tăng cường độ bức xạ quang giảm (1% / 0C) * Công suất phát xạ vài trăm mW đến vài W * Vật liệu Về nguyên tắc tất cả các chuyển tiếp P – N đều có khả năng phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận nhưng chỉ có một số loại vật liệu tái hợp trực tiếp mới cho hiệu suất tái hợp cao. Các LED truyền thống được làm từ các loại nguyên liệu chất bán dẫn vô cơ, sản xuất những màu sau đây: Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) — red and infrared Aluminium gallium phosphide (AlGaP) — green Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) — high-brightness orange-red, orange, yellow, and green Gallium arsenide phosphide (GaAsP) — red, orange-red, orange, and yellow Gallium phosphide (GaP) — red, yellow and green Gallium nitride (GaN) — green, pure green (or emerald green), and blue also white (if it has an AlGaN Quantum Barrier) Indium gallium nitride (InGaN) — 450–470 nm — near ultraviolet, bluish-green and blue Silicon carbide (SiC) as substrate — blue Silicon (Si) as substrate — blue (under development) Sapphire (Al2O3) as substrate — blue Zinc selenide (ZnSe) — blue Diamond (C) — ultraviolet Aluminium nitride (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN), aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) — near to far ultraviolet (down to 210 nm) Với sự thay đổi đa dạng của màu sắc, những LED đa màu có thể được thiết kế để sản xuất những mẫu mới lạ. Một số loại LED thông dụng 4
Chương 3: Led_Light emitting diode Hình 3.4. Vật liệu của LED Phân loại và ứng dụng của LED LED bức xạ ánh sáng nhìn thấy được sử dụng trong báo hiệu, màn hình, quảng cáo còn LED bức xạ ánh sáng trong vùng hồng ngoại dùng trong các hệ thống thông tin quang hoặc các hệ thống tự động điều khiển hoặc bảo mật. Để việc sử dụng được đơn giản và gọn nhẹ người ta thường ghép nhiều LED với nhau, nếu ghép các cực anot với nhau thì các đầu điều khiển đi vào các catot (điều khiển bằng xung âm) và LED gọi là anot chung. Nếu ghép các cực catot với nhau thì cực điều khiển đi vào anot (điều khiển bằng xung dương) và LED gọi là catot chung. Người ta thường tạo LED theo các cấu trúc sau LED đơn LED đôi LED 7 đoạn. Đây là một tổ hợp gồm có 7 LED được đấu nối với nhau theo hình số 8 dùng để hiện thị các số thập phân từ 0 đến 9. Băng chiếu sáng LED: Đây là tập hợp nhiều LED thành một chuỗi với mạch tổ hợp hoặc không có mạch tổ hợp bên trong. 5
Chương 3: Led_Light emitting diode Hình 3.5. Các loạiLED 3.3. LED hồng ngoại (Infrared LED, IR LED) Đối với các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s cùng sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μW, các điôt phát quang bán dẫn thường dùng làm các nguồn sáng. Hồng ngoại ít bị suy giảm khi qua khói bụi và chất bán dẫn nên LED hồng ngoại có hiệu suất cao 3.3.1. Cấu tạo Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản là giống các LED chỉ thị. Chỉ có một điểm khác biệt là một mặt của bán dẫn được mài nhẵn làm gương phản chiếu để đưa ánh sáng ra khỏi LED theo một chiều với độ tập trung cao. 6
Chương 3: Led_Light emitting diode Do đặc điểm cấu tạo đặc biệt nên LED hồng ngoại tạo ra ánh sáng nằm trong vùng hồng ngoại. Ngoài ra, những tia có hướng đi vào trong lớp bán dẫn sẽ gặp gương phản chiếu và bị phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng một hướng. Việc này sẽ tăng hiệu suất một cách đáng kể cho LED. Tia hồng ngoại có khả năng xuyên qua chất bán dẫn tốt hơn so với ánh sáng nhìn thấy nên hiệu suất phát của LED hồng ngoại cao hơn rất nhiều so với LED phát ánh sáng màu. Hình 3.6. Cấu tạo LED hồng ngoại bước sóng 980nm Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1,43 eV tương ứng với bức xạ bước sóng khoảng 900nm. Hình 3.7. Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bước sóng 950 nm Trong GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lưỡng tính với tạp chất Silic là GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N được hình thành. Tuỳ theo nồng độ pha tạp chất Silic ta có bức xạ với bước sóng phù hợp với các điểm cực đại 7
Chương 3: Led_Light emitting diode của các detector ( LED thu). Mặt dưới của LED được mài nhẵn tạo thành một gương phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N. 3.3.2. Nguyên lý làm việc Hình sau mô tả sơ đồ nguyên lý đấu nối LED hồng ngoại trong mạch điện. Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý của LED hồng ngoại Khi phân cực thuận cho điôt, các hạt dẫn đa số sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P-N, chúng tái hợp với nhau và phát ra bức xạ hồng ngoại. Các tia hồng ngoại bức xạ ra theo nhiều hướng khác nhau. Những tia hồng ngoại có hướng đi vào trong các lớp chất bán dẫn, gặp gương phản chiếu sẽ được phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng hướng với các tia khác. Điêù này làm tăng hiệu suất của LED. Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống như ánh sáng nhìn thấy, nghĩa là nó có khả năng hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại rất khác ánh sáng nhìn thấy ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đó có chất bán dẫn. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn LED chỉ thị vì tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để ra ngoài. Tuổi thọ của LED hồng ngoại dài đến 100 000 giờ. LED hồng ngoại không phát ra ánh sáng nhìn thấy nên rất có lợi trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý. 3.3.3. LED hồng ngoại cấu trúc đặc biệt Để truyền dẫn trong sợi quang đạt hiệu quả người ta sử dụng các loại LED hồng ngoại có độ sáng phát ra cao, có thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao, đó là LED cấu trúc dị thể kép. Đây là cấu trúc được sử dụng rất rộng rãi hiện nay. Hình sau biểu diễn một LED cấu trúc dị thể kép (double heterostructure) bởi vì có hai lớp hợp kim Ga1-xAlxAs loại N và P đều có độ rộng vùng cấm lớn hơn độ rộng vùng cấm của lớp tích cực Ga1-yAlyAs loại N, cũng có nghĩa 8
Chương 3: Led_Light emitting diode là chiết suất của hai lớp này nhỏ hơn chiết suất của lớp tích cực (trong đó % phân tử lượng x > y). Bằng phương pháp cấu trúc Sandwich của các lớp hợp kim tổng hợp khác nhau, cả 2 loại hạt dẫn và trường ánh sáng được giam giữ lại trong trung tâm của lớp tích cực, (xem hình b). Đồng thời sự khác nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam giữ trường ánh sáng trong lớp tích cực ở trung tâm (xem hình c). Sự giam giữ hạt dẫn và ánh sáng ở trong lớp tích cực đã làm tăng độ bức xạ và hiệu suất quang lượng tử. Hình 3.9. a/ Mặt cắt của LED cấu trúc dị thể kép loại GaAlAs với x>y b/ Giản đồ năng lượng của vùng tích cực và hàng rào thế năng của điện tử và lỗ trống c/ Sự thay đổi chiết suất trong các lớp dị thể Hai dạng cơ bản của LED được dùng cho sợi quang là bức xạ bề mặt (còn gọi là bức xạ Burrus) và bức xạ cạnh. 9
Chương 3: Led_Light emitting diode Trong bức xạ bề mặt, mặt phẳng của vùng tích cực bức xạ ánh sáng vuông góc với trục x của sợi quang như mô tả trong hình sau. Trong cấu trúc này một "cái giếng" được khắc qua phần chất nền của LED, sau đó sợi quang được gắn chặt vào để nhận ánh sáng bức xạ ra. Diện tích vòng tròn tích cực trong bề mặt bức xạ trên thực tế có đường kính 50μm và bề dày đến 2,5μm. Phổ bức xạ cơ bản là đẳng hướng với độ rộng chùm tia nửa công suất 1200.Phổ đẳng hướng này từ một bức xạ bề mặt được gọi là phổ Lambe, trong đó độ phát sáng ở mọi hướng đều bằng nhau, nhưng công suất giảm đi theo hàm cosθ, với θ là góc giữa hướng chiếu ánh sáng và đường vuông góc với bề mặt. Do vậy công suất giảm xuống 50% so với trị số đỉnh của nó khi θ = 600, 0 để tổng độ rộng chùm tia nửa công suất là 120 . Hình 3.10. Mặt cắt của LED bức xạ bề mặt. Vùng tích cực được giới hạn bởi một đường tròn có diện tích tương ứng với mặt cắt đầu lõi của sợi quang Hình 3.11. Cấu trúc của LED dị thể kép bức xạ cạnh. Chùm tia ra là Lambe ở 0 bề mặt của tiếp xúc P-N (θ// = 120 ) và hướng vuông góc với tiếp xúc P-N là 0 θ⊥ = 30 . 10
Chương 3: Led_Light emitting diode LED bức xạ cạnh được mô tả ở hình trên gồm một vùng tiếp xúc tích cực và hai lớp dẫn ánh sáng. Cả hai lớp dẫn quang đều có chiết suất thấp hơn của vùng tích cực nhưng cao hơn chiết suất của các vật liệu xung quanh. Cấu trúc này tạo ra một kênh dẫn sóng hướng bức xạ ánh sáng theo hướng lõi sợi quang. Để ghép khít lõi sợi quang đường kính từ 50μm đến 100μm, băng truyền tiếp xúc đối với bức xạ cạnh có chiều rộng là 50μm đến 70μm. Chiều dài của vùng tích cực khoảng từ 100μm đến 150μm. Phổ bức xạ của LED bức xạ cạnh định hướng tốt hơn so với bức xạ bề mặt, như biểu diễn trong hình (8- 13). Ở bề mặt song song với tiếp xúc, mà tại đó không có hiệu ứng dẫn sóng, thì chùm tia bức xạ là phổ Lambe với độ rộng nửa- công suất của θ// = 1200. Trong bề mặt vuông góc với tiếp xúc, bằng việc chọn độ dày của ống dẫn 0 sóng, độ rộng chùm tia nửa- công suất θ⊥ được tạo ra nhỏ hơn 25 đến 35 . 3.3.4. Các mạch lái LED hồng ngoại Hình 3.12. Các mạch lái LED hồng ngoại 11
Chương 3: Led_Light emitting diode 3.3.5. LED hồng ngoại LD271 LD 271, LD 271 H LD 271 L, LD 271 HL GaAs-IR-Lumineszenzdiode GaAs Infrared Emitter Features GaAs infrared emitting diode, fabricated in a liquid phase epitaxy process High reliability High pulse handling capability long leads Available in groups Same package as SFH 300, SFH 203 Applications IR remote control of hi-fi and TV-sets, video tape recorders, dimmers Remote control of various equipment Photointerrupters 12
Chương 3: Led_Light emitting diode Hình 3.13. Các thông số kỹ thuật LD 271 Hình 3.14. Tính chất phổ của LD 271 13
Chương 3: Led_Light emitting diode Hình 3.15. Tính chất điện của LD 271 Hình 3.16. Góc phát xạ của LD 271 3.3.6. Ứng dụng LED hồng ngoại có nhiều ứng dụng trong việc truyền dữ liệu bằng vô tuyến hay cáp quang , mạch diều khiển từ xa ( Remote) , đo khoảng cách 14
Chương 3: Led_Light emitting diode Hình 3.17. Minh họa đo khoảng cách 15
Chương 3: Led_Light emitting diode 3.3.7. LED 7 đoạn 1. Cấu trúc và mã hiển thị dữ liệu trên LED 7 đoạn Hình 3.18. Minh họa Dạng LED 7 đoạn Hình 3.19. Minh họa Dạng LED 7 đoạn Anode chung Đối với dạng LED anode chung, chân COM phải có mức logic 1 và muốn sáng LED thì tương ứng các chân a – f, dp sẽ ở mức logic 0. Hình 3.20. Minh họa Bảng mã cho LED Anode chung (a là MSB, dp là LSB) 16
Chương 3: Led_Light emitting diode Hình 3.21. Minh họa Bảng mã cho LED Anode chung (a là LSB, dp là MSB) 2. Hiển thị số liệu dạng số Dùng phương pháp quét Khi kết nối chung các đường dữ liệu của LED 7 đoạn (hình vẽ), ta không thể cho các LED này sáng đồng thời (do ảnh hưởng lẫn nhau giữa các LED) mà phải thực hiện phương pháp quét, nghĩa là tại mỗi thời điểm chỉ sáng một LED và tắt các LED còn lại. Do hiện tượng lưu ảnh của mắt, ta sẽ thấy các LED sáng đồng thời. Hình 3.22. Minh họa phương pháp quét 17
Chương 3: Led_Light emitting diode Dùng phương pháp chốt Khi thực hiện tách riêng các đường dữ liệu của LED, ta có thể cho phép các LED sáng đồng thời mà sẽ không có hiện tượng ảnh hưởng giữa các LED. IC chốt cho phép lưu trữ dữ liệu cho các LED có thể sử dụng là 74LS373, 74LS374. Hình 3.23. Minh họa phương pháp chốt 3. Hiển thị số liệu dạng tương tự ICL7106, ICL7107, ICL7107S 31/2 Digit, LCD/LED Display, A/D Converters The Intersil ICL7106 and ICL7107 are high performance, low power, 31/2 digit A/D converters. Included are seven segment decoders, display drivers, a reference, and a clock. The ICL7106 is designed to interface with a liquid crystal display (LCD) and includes a multiplexed backplane drive; the ICL7107 will directly drive an instrument size light emitting diode (LED) display. The ICL7106 and ICL7107 bring together a combination of high accuracy, versatility, and true economy. It features autozero to less than 10μV, zero drift of less than 1μV/oC, input bias current of 10pA (Max), and rollover error of less than one count. True differential inputs and reference are useful in all systems, but give the designer an uncommon advantage when measuring load cells, strain gauges and other bridge type transducers. Finally, the true economy of single power supply operation (ICL7106), enables a high performance panel meter to be built with the addition of only 10 passive components and a display. 18
Chương 3: Led_Light emitting diode 19
Chương 3: Led_Light emitting diode 20
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ Chương 4 CÁC DỤNG CỤ PHÁT HIỆN BỨC XẠ 4.1. Đặc tính chung Ánh sáng là 1 dạng của bức xạ điện từ có dải bước sóng từ 0,001 nm đến 1cm hoặc dãi tần số rất cao, 1014 1015Hz. Sự thay đổi trạng thái năng lượng trong nguyên tử và phân tử là nguồn gốc của các bức xạ ánh sáng đó. Các ánh sáng được chia thành 3 vùng là Độ dài bước sóng từ Vùng cực tím 100 nm - 380 nm Độ dài bước sóng từ Vùng ánh sáng nhìn thấy 380 đến 780 nm Độ dài bước sóng từ Vùng hồng ngoại 780 nm đến 1 mm Hình 4.1. Phổ của bức xạ điện từ Đặc điểm của mắt người là nhìn thấy các sóng điện từ thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy. Mắt người không chỉ phân biệt được độ sáng yếu hay mạnh, mà còn phân biệt được từng bước sóng riêng biệt gọi là độ cảm màu của mắt. Nhưng trong kỹ thuật chỉ dùng khái niệm bước sóng chứ không dùng khái niệm màu sắc, và ngay cả tần số cũng ít dùng.Các bước sóng trong thông tin quang hiện nay nằm ở vùng hồng ngoại nên khái niệm màu sắc càng không có ý nghĩa. 1
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ 4.2. Các linh kiện thu quang (hiệu ứng quang điện bên trong) Bộ thu quang là phần tử có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện dựa trên nguyên lý biến đổi quang điện. Nghĩa là, biến đổi năng lượng quang thành năng lượng điện. Khi các nguyên tử được cung cấp năng lượng dưới dạng năng lượng quang thích hợp, các điện tử ở lớp ngoài cùng của chúng có thể bật ra thành điện tử tự do. Bằng cách dùng điện trường ngoài để thu nhận các điện tử này ta sẽ có dòng điện ở mạch ngòai gọi là dòng quang điện có độ lớn phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào Tuỳ theo mục đích sử dụng và cấu trúc mà có nhiều loại bộ thu quang khác nhau, vì thế đặc tính của chúng cũng khác nhau. 4.2.1. Điện trở quang Hình 4.2. Điện trở quang Điện trở quang là một linh kiện bán dẫn thụ động, không có lớp tiếp xúc P-N. Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang thường là Cadmium Sulfid (CdS), Cadmium Selenid (CdSe), Sulfid kẽm (ZnS) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác. Tất cả các vật liệu này được gọi là vật liệu bán dẫn nhạy quang. 1. Cấu tạo Điện trở quang gồm một lớp vật liệu bán dẫn nhạy quang rải lên một tấm vật liệu cách điện và 2 chân dẫn điện. Để chống ẩm người ta bọc bên ngoài quang trở một lớp sơn chống ẩm trong suốt với vùng ánh sáng hoạt động của nó. Tất cả được bọc trong một vỏ bằng chất dẻo có cửa sổ cho ánh 2
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ sáng đi qua. 2. Nguyên lý làm việc Hình 4.3. Nguyên lý làm việc Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu bán dẫn nhạy quang với năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu, do quá trình hấp thụ quang năng, từng cặp điện tử- lỗ trống mới xuất hiện. Do vậy, nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn tăng lên, làm độ dẫn điện của nó tăng, hay nói cách khác là điện trở của chất bán dẫn giảm xuống. Độ dẫn điện được tạo ra khi được chiếu ánh sáng là  0 F trong đó 0 - là độ dẫn điện khi chưa chiếu sáng. F - độ dẫn điện được tạo ra do ánh sáng  q   p F n p ở đây Δn = Δp - nồng độ điện tử bằng nồng độ lỗ trống mới sinh ra. Dòng điện quang được tính theo công thức: I ph q p(n  p )Ewd w.d là tiết diện của lớp bán dẫn nhạy quang, E là cường độ điện trường. Qua công thức trên ta thấy độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn có thể thay đổi được khi ta thay đổi nồng độ hạt dẫn và độ linh động hiệu dụng của điện tử và lỗ trống. Như vậy, khi ta thay đổi cường độ chiếu sáng lên điện trở quang thì cường độ dòng điện trong mạch cũng thay đổi theo. Các điện trở quang có khả năng khuếch đại dòng điện lên đến 105 lần hoặc hơn nữa. Tuy nhiên, các giá trị này chỉ phù hợp khi cường độ ánh sáng không thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi chậm. Khi tần số biến điệu, cường độ ánh sáng tăng thì hệ số khuếch đại của điện trở quang giảm. Khả 3
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ năng đáp ứng tần số của điện trở quang thấp, thường đạt từ vài chục Hz đến vài KHz. Hình 4.4. Độ nhạy quang 3. Các tham số chính của điện trở quang Điện dẫn suất p là hàm số của mật độ năng lượng quang  khi độ dài bước sóng không đổi p = p( ) khi  = const Độ nhạy tương đối của điện trở quang S () là tỉ số giữa điện dẫn suất thay đổi theo bước sóng p  và điện dẫn suất cực đại p.max khi mật độ năng lượng quang  không đổi  () S() p   Pmax Vận tốc làm việc là thời gian hồi đáp của một điện trở quang khi có sự thay đổi từ sáng sang tối hay từ tối sang sáng. Với cường độ ánh sáng mạnh, điện trở quang làm việc nhanh hơn. Điện trở quang làm việc chậm hơn khi trời lạnh và cất giữ trong bóng tối. Hệ số nhiệt của điện trở quang: Hệ số nhiệt của điện trở quang tỉ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng. Do đó, để giảm bớt sự thay đổi trị số của điện trở quang theo nhiệt độ, điện trở quang cần được cho hoạt động ở mức chiếu sáng tối đa. Điện trở tối Rd : Điện trở tối là điện trở trong bóng tối của điện trở quang. Điện trở tối là tham số quan trọng, nó cho ta biết "dòng điện rò" lớn nhất đối với một điện thế trên điện trở quang. Điện thế hoạt động: Tuỳ theo cấu trúc mặt nạ của điện trở quang mà có các điện thế làm việc khác nhau. Điện thế này có thể lên tới 0,5 Kv/mm. Điện thế hoạt động cao nhất đo được khi điện trở quang hoạt động trong bóng tối. Khi sử dụng điện trở quang cần chọn giá trị điện áp cung cấp sao cho tối ưu đối với mạch điện mà không làm hỏng điện trở quang. Công suất tiêu tán cao nhất: Khi điện trở quang hoạt động cần phải giữ 4
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ cho nhiệt độ của nó thấp hơn một nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ cho phép của điện trở quang thường giới hạn từ - 400C đến +750C. 4.2.2. Photodiode – Diode quang 1. Khái niệm chung Khi chiếu sáng một tiếp xúc P-N thì trên nó sẽ xuất hiện một điện áp. Tuỳ theo chức năng và cấu trúc có thể chia điôt quang thành nhiều loại như sau Điôt quang loại tiếp xúc P-N. Điôt quang loại PIN. Điốt quang thác (APD). Một số đặc điểm của điôt quang là rất tuyến tính, ít nhiễu, dải tần số làm việc rộng, nhẹ, có độ bền cơ học cao và tuổi thọ cao. Điôt quang không nhạy bằng điện trở quang loại CdS nhưng nó làm việc nhanh gấp nhiều lần. Hình 4.5. Diode quang 2. Vật liệu cơ bản Hiện nay, để truyền dẫn tín hiệu quang theo 3 cửa sổ suy hao nhỏ nhất của sợi quang, người ta chú ý đến các điôt quang làm việc ở hai vùng bước sóng: Vùng bước sóng từ 0,85 đến 0,9 μm. Vùng bước sóng từ 1,3 đến 1,6 μm. Trong vùng bước sóng thứ nhất từ 0,85 đến 0,9 μm, thì vật liệu chế tạo điôt quang được chọn là Silic vì Silic có độ nhạy cao với bước sóng quanh 0,85 μm. Độ rộng vùng cấm của silic là EG = 1,1eV và bằng năng lượng quang cần hấp thụ, ta có C EG hv h  và sẽ có bước sóng cắt là: λP = 1,1μm. Trong vùng bước sóng thứ hai từ 1,3 đến 1 dẫn có độ rộng vùng cấm hẹp hơn với EG < 0,95 eV người ta thường chọn 5
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ vật liệu bán dẫn được chế tạo từ các liên kết III-V như GaAs, InP, InAs và GaSb Ngoài ra, người ta cũng chú ý đến liên kết II-VI như PbSnSe và CdHgTe. Nhờ thay đổi hàm lượng phù hợp trong cấu trúc HgxCd1-xTe có thể chế tạo được các điôt quang làm việc ở bước sóng 1,3 m đến 1,55 m. Thực tế đã có loại điôt quang thác APD thử nghiệm chế tạo từ vật liệu Hg0,4Cd0,6Te. 2. Điôt quang loại tiếp xúc P-N Hình 4.6. Cấu tạo của điôt quang loại tiếp xúc P-N (a) và phân bố dải năng lượng của tiếp xúc P-N (b). Cấu tạo Điôt quang gồm có một tiếp xúc P-N. Bề dày của lớp tiếp xúc là w. Hai phần bán dẫn P+ và N+ có nồng độ tạp chất cao. Điốt có một cửa sổ để chiếu ánh sáng vào. Hai chân anôt A và catôt K là kim loại được nối tới các phần bán dẫn. Nguyên lý làm việc Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý đấu nối điôt quang 6
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ Điôt quang được cấp nguồn ECC sao cho tiếp xúc P-N phân cực ngược để tạo ra một điện trường dịch chuyển các hạt dẫn thiểu số sẽ được sinh ra dưới tác dụng của ánh sáng. Do đó, khi chưa có tác dụng ánh sáng thì trong điôt thu quang chỉ có dòng điện ngược (dòng điện tối hay dòng rò) rất nhỏ. Khi cho ánh sáng chiếu vào, do quá trình hấp thụ, trong bán dẫn xuất hiện từng cặp điện tử - lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống này dưới tác động của điện trường ở tiếp xúc P-N phân cực ngược sẽ chuyển động trôi qua tiếp xúc P-N và tạo nên dòng điện gọi là dòng quang điện. Linh kiện cần có độ nhạy cao vì nó sẽ cho dòng điện quang cao hơn đối với cùng công suất quang chiếu vào. Tần số và cường độ của dòng quang điện hoàn toàn do tần số và cường độ của ánh sáng kích thích quyết định. Điôt quang loại tiếp xúc P-N có vùng điện tích không gian hẹp, ánh sáng được hấp thụ phần lớn ở trong vùng bán dẫn loại P và N. Như vậy hiệu suất lượng tử thấp và tốc độ đáp ứng thấp. Để tăng hiệu suất lượng tử hóa và độ nhạy người ta chế tạo điôt quang có vùng điện tích không gian rộng hơn. Đó là điôt quang loại PIN và điôt quang thác APD. 3. Điôt quang loại PIN: Cấu tạo Điôt quang loại PIN gồm một lớp bán dẫn N+ có nồng độ tạp chất cao làm nền, trên đó phủ một lớp bán dẫn nguyên tính I (Intrinsic), rồi đến lớp bán dẫn loại P+ có nồng độ tạp chất cao. Do đó điôt có tên gọi là điôt P-I-N. Bên trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là điện cực vòng Anôt để ánh sáng có thể thâm nhập vào miền bán dẫn I. Trên lớp bán dẫn P có phủ một lớp mỏng chống phản xạ quang để tránh tổn thất ánh sáng chiếu vào. Nguyên lý hoạt động Điện áp cung cấp cho điôt phân cực ngược dọc theo linh kiện, vì vậy lớp I bị nghèo hoàn toàn trong suốt thời gian hoạt động của nó. Khi ánh sáng đi vào lớp bán dẫn P+, trường hợp lý tưởng mỗi photon sẽ sinh ra trong miền P+, I hoặc N+ một cặp điện tử- lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống vừa sinh ra sẽ được điện trường mạnh hút về hai phía điện cực, tạo ra một dòng điện ở mạch ngoài và trên tải Rt thu được một điện áp U Ra. Trên thực tế, một phần ánh sáng vào bị tổn thất do phản xạ. Lớp chống phản xạ tạo cho linh kiện có thể đạt hiệu suất tới 80%. Đối với silic, hệ số phản xạ ánh sáng Rf hầu như là 30%. 7
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ Khả năng thâm nhập ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước sóng. Vì thế lớp bán dẫn P+ không được quá dày. Xác suất tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống trong miền I tăng lên theo độ dày của miền này, do đó miền I càng dày càng đạt hiệu suất lượng tử hóa cao. Nhưng nếu độ rộng của lớp I tăng lên thì thời gian trôi qua nó chậm hơn và làm chậm tốc độ chuyển mạch. Hình 4.8. Hoạt động của điôt quang PIN a/ Mô hình cấu tạo của điôt PIN b/ Giản đồ năng lượng khi phân cực ngược c/ Đặc tính phát sinh hạt dẫn Trong điôt PIN không có khuếch đại và hiệu suất cực đại là đơn vị, 8
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ độ rộng băng tần có thể giới hạn bởi hằng số thời gian điện dung - điện trở ngoài. Trên thực tế, độ rộng băng có thể đạt 10 GHz. Điôt quang loại PIN có dòng điện tối rất nhỏ nên tiếng ồn thấp hơn so với điện trở quang. Vì nguyên nhân này, điôt PIN là bộ tách quang thông dụng trong các hệ thống thông tin quang. 4. Điôt quang thác (APD) Để tăng độ nhạy của điôt quang, người ta có thể sử dụng hiệu ứng giống như hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện. Cấu tạo của điôt quang sẽ có dạng đặc biệt đó là điôt quang với hiệu ứng quang thác APD - Avalanche Photodiodes. Điôt quang thác giống như điôt PIN trừ điện áp phân cực lớn hơn nhiều để tạo ra sự nhân thác lũ về hạt dẫn và như vậy APD có khuếch đại dòng điện bởi sự ion hoá do va chạm và nhân hạt dẫn. Cấu tạo Hình 4.9. Cấu tạo và sự phân bố điện trường trong điôt quang thác APD. Như hình vẽ, lớp bán dẫn nguyên tính I trong điôt P-I-N được thay bằng một lớp bán dẫn P có nồng độ tạp chất thấp. Như vậy, miền bán dẫn P tạo thành miền trôi và là nơi sinh ra các cặp điện tử- lỗ trống. Điện trường do điện áp phân cực ngược bên ngoài đặt vào thay đổi theo các lớp bán dẫn dọc theo điôt. Trong vùng trôi điện trường tăng chậm, nhưng trong vùng tiếp xúc P-N+ thì tăng nhanh và tạo ra miền thác tại vùng này. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của APD cơ bản giống như điôt P-I-N. Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong hình trên. Theo sơ đồ này, điôt quang thác được phân cực ngược nhờ nguồn UCC , và tín hiệu điện được lấy ra trên tải Rt. Khi chiếu ánh sáng vào, sẽ xuất hiện thêm các cặp điện- lỗ trống mới 9
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ trong miền trôi (bán dẫn P). Dưới tác động của điện trường, các điện tử trong miền P sẽ dịch chuyển đến vùng thác của tiếp xúc P-N+ và rơi vào vùng có điện trường mạnh nên được tăng tốc. Các điện tử có tốc độ lớn này sẽ va chạm vào các nguyên tử khác để tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống mới. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng ion hóa do va chạm. Do đó, dòng điện qua điôt APD tăng nhanh như được khuếch đại lên với hệ số khuếch đại M. Hệ số khuếch đại (hay còn gọi là hệ số nhân) phụ thuộc vào điện áp phân cực cho điôt và nó có thể đạt tới 200 lần. Xem hình dưới. Hình 4.10. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại dòng điện M của điôt quang APD silic vào điện áp phân cực UCC ở các bước sóng khác nhau tại nhiệt độ trong phòng. Hệ số nhân M cũng có thể tính theo công thức IM 1 M ph n I ph 1 V Vdt Trong đó: IM - là giá trị trung bình của dòng điện nhân tổng tại đầu ra. Iph - là dòng quang điện sơ cấp chưa được nhân, xác định theo công thức trên. Vdt - điện áp đánh thủng tại giá trị M xác định. n – luỹ thừa, là hằng số vật liệu có giá trị từ 2,5 đến 7. V = V0 – IMRM 10
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ o V0 là điện áp phân cực ngược cho điốt; o RM là điện trở nối tiếp của điốt quang và điện trở tải của mạch tách quang o IM là dòng điện nhân ở đầu ra của APD. Ta thấy điôt APD cần có điện áp phân cực lớn hơn nhiều so với điôt loại P-I-N. Nếu thời gian cho quá trình ion hóa trong miền thác càng dài thì hệ số khuếch đại M càng lớn, song tốc độ trôi qua miền thác sẽ chậm đi. Các xung cũng sẽ bị dãn rộng ra và hạn chế độ rộng băng tần B. Để đánh giá khả năng làm việc của APD, người ta định nghĩa tích số độ khuếch đại và độ rộng băng do quá trình thác là 1 M phB (27) 2  Trong đó:  là thời gian giữa 2 quá trình va chạm của điện tử với các nguyên tử. Sự tăng hệ số khuếch đại có thể đạt được khi tích hệ số khuếch đại - độ rộng băng tần đạt 100 GHz hoặc hơn. Thông thường, các APD cho phép đạt độ rộng băng trên 1GHz với giá trị Mph lớn. Để ổn định giá trị Mph, ta cần cấp một điện áp nguồn lớn và ổn định về nhiệt do đó chi phí để đảm bảo chế độ làm việc cho APD lớn hơn nhiều so với điôt loại P-I-N. Trong điôt APD silic, ion hoá do va chạm bởi điện tử khoảng 50 lần lớn hơn lỗ trống và do đó nó cho tỉ lệ tín hiệu / tiếng ồn tốt nhất. 5. Các đặc tính và tham số của điôt quang Hiệu suất lượng tử hóa η là tỉ số giữa số lượng các đôi điện tử- lỗ trống sinh ra trên số photon có năng lượng hν đi đến và nó được tính theo công thức sau I ph q  P0 hv Trong đó Iph là dòng quang điện trung bình sinh ra do công suất quang trung bình P0 đi tới điôt quang. Trên điôt thực tế hiệu suất lượng tử hóa η = (30 - 95)%. Độ nhạy của điốt quang S: (hay hệ số chuyển đổi) Độ nhạy chỉ rõ giá trị dòng quang điện sinh ra trên đơn vị công suất ánh sáng đi đến điôt. Nó liên hệ với hiệu suất lượng tử hóa theo công thức: I ph q S P0 hv Trong các điôt quang loại P-I-N, độ nhạy là hàm của bước sóng được mô 11
Chương 4: Các dụng cụ phát hiện bức xạ tả ở hình dưới Trong hầu hết các photođiôt, độ nhạy là một hàm tuyến tính với công suất quang. Có nghĩa là, dòng quang điện IPh tỉ lệ thuận trực tiếp với công suất quang P0 chiếu vào cấu kiện tách quang, cũng như vậy, độ nhạy S là hằng số tại một bước sóng đã cho. Tuy nhiên, hiệu suất lượng tử hóa không phải là hằng số tại tất cả các bước sóng vì nó thay đổi theo năng lượng photon. Dẫn đến độ nhạy là hàm của bước sóng và vật liệu bán dẫn. Hình 4.11. So sánh giữa hiệu suất lượng tử và độ nhạy như một hàm của bước sóng cho điôt quang loại P-I-N đối với các vật liệu khác nhau. Tạp âm của bộ tách quang Trong các hệ thống thông tin sợi quang, nhìn chung photođiôt được yêu cầu để tách các tín hiệu quang rất yếu. Việc tách các tín hiệu quang yếu nhất có thể yêu cầu bộ tách quang và mạch khuếch đại tiếp theo của nó phải tối ưu sao cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) được duy trì. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) tại đầu ra của một bộ thu quang được xác định như sau S Công suất tín hiệu dòng quang điện N Công suất tạp âm Diode quang + Công suất tạp âm mạch khuếch đại Thời gian hồi đáp Thời gian hồi đáp của điốt quang được biểu thị bằng thời gian lên và thời gian xuống của tín hiệu tách quang trên lối ra khi điôt quang được chiếu sáng bằng bức xạ quang đầu vào. Thời gian lên được đo từ 10% đến 90% sườn lên của xung ra và thời gian xuống cũng được đo như vậy. 12