Bài giảng Vật lý đại cương - Chương: Bán dẫn & Máy phát lượng - Đỗ Ngọc Uấn

Bμi giảng Vật lý đại c−ơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội
bán dẫn & Máy phát
l−ợng tử
1. Dẫn điện của tinh thể bán dẫn
Vùng năng l−ợng:
Si 4 điện tử hoá trị
Vùng Dẫn
Vùng Hoá trị
Eg
T=0K kBT > Eg
kT2
E
ii
g
e~pn
−=
Lỗ: Trạng thái trống trong vùng hoá trị điền đầy
gần hết:
0e;kk;
;vv;mm
heheh
eheh
>−=ε−=ε
=−=
rr
rr
Eg
εk
k
2. Bán dẫn tạp chất
Liên kết đồng hoá trị
1 nguyên tử dùng chung 8 điện
tử hoá trị với 4 nguyên tử khác: 
Si, Ge, C mạng kim c−ơng
kT2
E
2/1
d
d
eNn
−=
As+ -
Tạp thuộc nhóm 5:
P, as, Sb
V Dẫn
V Hoá trị
mức donor Ed
B- +
Tạp thuộc nhóm 3:
B, Al, Ga, In
V dẫn
V Hoá trị
mức Acceptor Ea
kT2
E
2/1
a
a
eNp
−=
3. Chuyển
tiếp p-n
p
εF1
εF2
n
- +
- +
- +
V ΔV= (εF2 - εF1)/e
]1)
kT
eV.[exp(II 0 −=
V
Hiệu ứng chỉnh l−u
Thế nghịch: p(-) n(+)
Thế thuận: p(+) n(-)
e
h
Dòng phát sinh có Jng của điện
tử từ n -> p tái hợp với lỗ
→ Dòng tái hợp có Jnr
Jng+ Jnr=0
Jnr(Vngh)=Jnr(0).exp(-e|V|/kBT)
Jng(Vngh)=Jng(0).
Jnr(Vth)=Jnr(0).exp(e|V|/kBT)
Jng(Vth)=Jng(0).
Jng+ Jnr≠0
Jng+ Jnr≠0
p n
ΔV= (εF2 - εF1)/e- +
- +
- +
e
h
Chiếu ánh sáng phù hợp lên chuyển tiếp p-n
Lỗ (h) vμ điện tử (e) sinh ra.
=> Dòng quang điện => Pin mặt trời
Điện tử bị đẩy về bên phải (thế d−ơng)
Lỗ bị đẩy về bên trái (thế âm)
Pin mặt trời
Đèn điện tử 3 cực
~
K A
L−ới
Điện áp trên l−ới thay đổi ít
-> số điện tử từ K->A thay đổi mạnh 
-> dòng qua điện trở thay đổi mạnh
n p n
+ - - +
+ - - +
dòng lỗ
dòng điện tử
B
UBC
IB
IE
IC
UBE
ΔUBE==> ΔIB
==> ΔIE -->ΔIC
- + - + IE = IB + IC với IB << IC
B
C
I
I
Δ
Δ=β
Hệ số khuyếch
đại dòng
l−ới
4. Transitor
E C
B
n-p-n
E C
B
p-n-p
C
+ ΔUBE
+ ΔIB
+ ΔIE
+ ΔIC
+ ΔUBC
dòng dò
E
5. Hiệu ứng nhiệt điện
- -
++
p e
-
+
n h
T1 T2
T1 < T2
e vμ h khuếch tán
sang phía bên kia
phụ thuộc vμo
nhiệt độ
Sự xuất hiện Suất điện động do chênh
lệch nhiệt độ gọi lμ hiện t−ợng nhiệt điện
6. LASER (Light Amplification by Stimulated 
Emission of Radiation)
6.1. Phát xạ tự nhiên: Độc
lập với nhau, không có kết
hợp về pha, định h−ớng vμ độ
phân cực
kích thích
E2
E1
Thời gian hệ ở trạng thái kích
thích Δt~h/ ΔE ~ 10-8 -10-9s
phát xạ
hν=E2-E1
hν=E2-E1
phát xạ
kích thích
6.2. Phát xạ cảm ứng: Khi có
kích thích từ bên ngoμi bức
xạ cảm ứng có cùng h−ớng, 
cùng tần số, độ phân cực, 
E2
E1
kết hợp triệt để giữa phát xạ vμ kích thích
6.3. Trạng thái hệ
Nguyên tử = hạt; Mức năng
l−ợng E2>E1. N-tổng số hạt của
hệ
kT
E
1
1
e~N
−
kT
E
2
2
e~N
−
E
N0
E2
E1
N2 N1
kT
EE
1
2
12
e~
N
N −−
Xác suất hấp thụ kT
E
11
1
e~N~P
−
kT
E
22
2
e~N~P
−
Tại T=300K, ν =3.1014Hz tức λ=10-6m thì
P2/P1=e
-48<<1
Muốn P1=P2 (phát xạ cảm ứng= hấp thụ cảm
ứng) thì T=∞ vì E2>E1
Xác suất phát xạ từ mức E2
Để đảo đ−ợc mật độ hạt thì trạng thái cân bằng
nhiệt động bị phá vỡ
6.4. Trạng thái đảo mật độ hạt, 
phân bố Bolztman mở rộng
Để có phát xạ cảm ứng thì P2 >P1 hay N2 >N1
kT
EE
1
2
1
2
12
e
N
N
P
P −−== 0kT
EE
N
Nln 12
1
2 >−−=
Nên T<0
kT
EE
1
2
12
e
N
N −−=Phân bố mở
rộng
Boltzman
T>0 cân bằng nhiệt động lực
T<0 đảo mật độ hạt
Môi tr−ờng đảo mật độ hạt lμ môi tr−ờng kích
hoạt
Hấp thụ ánh sáng bởi môi tr−ờng
hấp thụ: bức xạ
truyền qua suy giảm
E2
E1
hν=E2-E1
Phát xạ cảm ứng: bức xạ
truyền qua mạnh lên
phát xạ
hν=E2-E1
kích thích
E2
E1
x'
0 e.II
α−=I0 I
x
α’>0 hấp thụ ánh sáng
α’<0 c−ờng độ ánh sáng tăng
theo bề dầy của môi tr−ờng. Số
photon tăng thác lũ
Môi tr−ờng kích hoạt có trạng thái đảo mật độ
hạt N2>>N1x
0 e.II
α=I0 I x Biểu thức c−ờng độ bức xạ
cộng h−ởng
Bộ cộng h−ởng - Hiệu ứng Laser
- Môi tr−ờng kích hoạt khí, lỏng hoặc rắn
- Cơ chế bơm năng l−ợng cung cấp cho môi
tr−ờng
- Bộ cộng h−ởng khuyếch đại chùm bức xạ
truyền qua
G−ơng
phản xạ
100%
G−ơng phản
xạ 50%
L
2
nL λ=
Môi tr−ờng
kích hoạt Máy phát Laser:
6.5. Cơ chế bơm - Phát xạ cộng
h−ởng
E2
E1
hν=E2-E1
Thời gian sống ở mức E3 , E4 cỡ 10
-8-10-9s vμ
nhảy xuống mức E2 ->môi tr−ờng ở trạng thái
đảo mật độ N2>>N1.
bơm lên mức E3 , E4 bằng
các ph−ơng pháp: Chiếu
chùm ánh sáng mạnh vμo
MT rắn, lỏng; Phóng điện
trong khí, bán dẫn
Thời gian sống ở mức E2
cỡ 10-3s vμ nhảy xuống
mức E1 khi có kích thích
Phát xạ cộng h−ởng: Laser phát ra
E4
E3
6.6. LASER hồng ngọc
λ=692.7nm
694.3nm
II
I
III
Cr+++
Mức cơ bản
(10-7 s) τI & τII
<< τIII (10-3s)
Al2O3 pha tạp 0.03-0.05% Cr2O3
LASER xung : Khi từ trạng thái III nhảy về
trạng thái cơ bản phát ra chớp sáng loé.
V
Neon 
xanh
6.7. LASER Hêli-Neon
90%He+10%Ne
áp suất cỡ 1.1mmHg
eV
19.81 He (I) vađập Ne(II)
Ne(IV)
Ne(III)
LASER bán dẫn
V dẫn
V Hoá trị
mức donor E2
mức Acceptor E1
p
n
Đảo mật độ giữa vùng hoá trị vμ vùng dẫn
λ=632.8nm
hν=En-Eh
Đảo mật độ giữa Ne(IV) vμ Ne(III)
6.8. Các tính chất −u việt của Laser
1. Tính định h−ớng cao: ở nhiệt độ phòng độ
mở 0.01o
2. Tính kết hợp cao: Hiệu pha trong khoảng hai
thời điểm luôn không đổi, độ đơn sắc cao Δ λ ~
(10-18 -10-20)m. Δν/ν ~ 10-15
3. Tính kết hợp không gian cao: trong khoảng
cách ΔL=100km giữa hai điểm hiệu pha không
đổi. C−ờng độ ánh sáng cực lớn E~107V/m 
công suất đạt 1012W.
4. Hiệu suất: Heli-Neon 1%, CO2-N đạt 10-
20%, Bán dẫn 40-100%
5. Bức xạ c−ờng độ cao ở chế độ liên tục,
6.9. ứng dụng của LASER
a, Trong kỹ thuật đo l−ờng chính xác, in chụp vμ
tạo ảnh: ảnh vết sáng trên mặt trăng của tia laser 
nhỏ hơn của vết do sóng điện từ cùng điều kiện
5000 lần
Điều khiển từ xa
Bom laser
c=(299792458±1)m/s
Điều biên AM, Điều tần FM, Chế độ xung cực
ngắn 6.10-15s(femtosecond)
b, Tạo ảnh 3 chiều honogram
nguồn laser g−ơng B
g−ơng A Phim
c, Kỹ thuật thông tin
•Góc mở nhỏ, tần số cao (= 106 tần số VT)-
>200kênh TH
•Truyền l−ợng thông tin lớn, tốc độ cao theo cáp
quang
d, C−ờng độ lớn 1017W/cm2: ứng dụng trong kỹ
thuật gia công vật liệu, vi phẫu thuật
e, Trong các ngμnh khoa học kỹ thuật khác, nh−
vật lý:
•Nhiệt độ cao: tập trung năng l−ợng trên λ2
•Kích thích vμ chọn lọc trong phản ứng hoá học
với sự tham gia của đồng vị nhất định
•Trong sinh học: chiếu rọi các tế bμo cỡ
micromet
•Tần số cao dùng tách các đồng vị phóng xạ
f, Quan sát sự chuyển dời nhiều photon
i
f
ωh
hấp thụ một
photon
i
m
f
f
1ωh
2ωh
hấp thụ hai
photon
qua trạng thái
trung gian m; Δt 
~10-8s
Photon thứ 2 kịp
đến nâng lên
mức f 
i
m
f
2ω
1 ω
Δt ~10-15s
trạng thái trung gian
m
không quan sát
đ−ợc
photon thứ 2 đến
trong khoảng Δt 
~10-15s
g, Quang học phi tuyến: Khi chiếu laser vμo
chất điện môi gây ra véc tơ phân cực:
...EEEP 33
2
21 +χ+χ+χ=
có thể tạo ra tia laser có b−ớc sóng bằng 1/2 
b−ớc sóng tia sơ cấp ứng với tia hoạ ba
tsinEE 0 ω=
rr
)kxt(sinE)kxtsin(EP 220201x −ωχ+−ωχ=
sóng lan truyền với: tần số bằng tần số kích thích
Véc tơ phân cực không đổi
Sóng hoạ ba thứ 2 có tần số gấp đôi tần số sóng
kích thích
)kx2t2(cosE
2
1E
2
1)kxtsin(EP 2202
2
0201x −ωχ+χ+−ωχ=