Đề tài Hiệu ứng quang điện khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của tế bào quang điện

bào quang điện chân không và tế bào quang điện có khí là loại tế bào quang điện đơn giản nhất. Nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên hiện tượng, hiệu ứng quang điện ngoài, tức là sự giải phóng các electron khỏi mặt kim loại khi ta rọi một chùm sáng thích hợp ( 0  ) tới mặt kim loại đó. a. Tế bào quang điện chân không: nó gồm một bóng đèn chân không (áp suất khoảng 10-6mmHg) bằng thủy tinh hoặc thạch anh, một phần mặt trong của bóng đèn có phủ một lớp chất rất nhạy đối với ánh sáng như xesi (Cs), natri (Na), kali (K), bạc (Ag),…dùng làm âm cực K phát ra các quang electron. Chính giữa đèn là một vòng dây kim loại dùng làm dương cực A. Âm cực K và dương cực A được nối với một nguồn điện  (bộ acqui ) và một microampe kế dùng đo cường độ dòng quang điện. Suất điện động của nguồn điện  phải đủ lớn để tạo ra được dòng quang điện bão hòa. Cường độ dòng quang điện bão hòa được xác định bằng một đại lượng vật lý gọi là độ nhạy của tế bào quang điện. Độ nhạy của tế bào quang điện có trị số bằng tỉ số giữa cường độ dòng quang điện bão hòa và quang thông của chùm ánh sáng rọi tới âm cực K. Đơn vị của nó là microampe trên lumen  A K A +- Hình 25 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM21 ( lmA / ). Thông thường, tế bào quang điện chân không có độ nhạy rất nhỏ chỉ vào khoảng từ 1015 lmA/ . b.Tế bào quang điện có khí: để tăng độ nhạy của tế bào quang điện, người ta cho thêm khí trơ (thí dụ Ar chẳng hạn ) vào trong bóng đèn tới áp suất khoảng 0,01 1 mmHg để tạo thành tế bào quang điện có khí. Trong tế bào quang điện có khí, các electron sơ cấp từ âm cực K phát ra sẽ ion hóa các nguyên tử khí trơ trên đường đi của chúng và làm xuất hiện các electron thứ cấp do ion hóa. Các electron thứ cấp này trên đường đi về dương cực A lại ion hóa các nguyên tử khí trơ khác, do đó số electron sẽ tăng lên mãi và làm cho dòng quang điện trong tế bào có khí tiếp tục tăng mãi không bão hòa. Độ nhạy của loại tế bào quang điện có khí này có thể đạt tới 100 lmA / . IV.3.2 Tế bào nhân quang điện và ống nhân quang điện: a. Tế bào nhân quang điện ( một tầng ): sơ đồ tế bào nhân quang điện ( một tầng ) như hình vẽ (26). Các quang electron được giải phóng khỏi âm cực K sẽ chuyển động về dương cực phụ A1 nhờ trường tĩnh điện tạo bởi nguồn điện 1 Sau khi đập vào dương cực phụ A1, các quang electron này sẽ làm bật khỏi dương cực phụ A1 một số electron mới gọi là electron thứ cấp Những electron thứ cấp này sẽ chuyển động về dương cực chính A ( có dạng một lưới kim loại ) nhờ nguồn điện 2 và tạo thành dòng quang điện có cường độ khá lớn. Độ nhạy của loại tế bào nhân quang điện ( một tầng ) này đạt tới giá trị từ 500 1000 lmA/ . b. Ống nhân quang điện: Là một dụng cụ khuếch đại electron bức xạ từ cathode nhờ một đèn chân không có nhiều dương cực phụ được đặt ở những điện thế khác nhau . Nó gồm một bóng thủy tinh chân không trong có quang âm cực K ở điện thế thấp nhất và dương cực chính A ở điện thế cao nhất, còn có các điện cực trung gian K1, K2, K3… gọi là các cực phát ( hình 27). Hệu điện thế giữa K1, K2, 12 A A1 K + - + - Hình 26 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM22 K3…A tăng dần theo cấp số cộng. Hiệu điện thế giữa hai điện cực liên tiếp thường vào khoảng 100 đến 200V. Giả sử một lượng tử ánh sáng  h rọi vào âm cực K làm bứt một êlectron. Electron này được tăng tốc trong điện trường giữa K với K1 khi đến K1 nó đã có động năng đủ lớn để làm bật một số electron ra khỏi K1. Đây là hiện tượng phát xạ electron thứ cấp. Các electron thứ cấp này lại được tăng tốc trong điện trường giữa K1 và K2, làm K2 bật ra một số electron thứ cấp lớn hơn. Cứ như vậy mà số electron thứ cấp được tăng lên gần như theo cấp số nhân. Kết quả là từ một electron ban đầu ở K, ta có thể nhận hàng triệu electron thứ cấp ở dường cực A. Do đó ống nhân quang điện có tác dụng khuếch đại dòng quang điện, những ống nhân quang điện hiện đại có từ 15 đến 20 điện cực, sẽ có hệ số khuếch đại từ 106 đến 107 . IV.3.3 Tế bào quang điện trở (hay quang điện trở) Tế bào quang điện trở là loại tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong, tức là hiện tượng khi ta rọi ánh sáng vào chất bán dẫn hay điện môi thì một số electron sẽ được giải phóng khỏi các nguyên tử, trở thành các electron tự do ở lại trong các chất này và làm cho độ dẫn điện của các chất này tăng lên rất nhiều. Hiện nay, tế bào quang điện trở được chế tạo được bằng chất chì sunfua, bit muyt sunfua, catmi sunfua…và được dùng làm các rơle quang điện. Việc chế tạo các quang điện trở rất đơn giản, không cần bóng đèn, cũng không cần chân không. Thông thường, quang điện trở là một bản thủy tinh có quét một lớp mỏng Quang âm cực 1 2 3 4 5 6 A K Điện kế +- Hình 27 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM23 chất bán dẫn. Trên mặt lớp bán dẫn này, có gắn các điện cực và tất cả quang điện trở được phủ một lớp sương trong suốt. Khác với tế bào quang điện chân không, nó không có dòng quang điện bão hòa. Độ nhạy của quang điện trở lớn hơn độ nhậy của tế bào quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài từ một trăm đến một nghìn lần. Mặt khác, nó có thể sử dụng đối với một khoảng rất rộng của bước sóng từ phạm vi hồng ngoại đến bức xạ Ronghen và gama. Ngoài ra, tính chất của quang điện trở phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. IV.3.4 Tế bào pin quang điện ( hay pin quang điện ) Tế bào pin quang điện là loại tế bào hoạt động dựa trên hiệu ứng pin quang điện, tức là hiệu ứng quang điện trong xảy ra ở lớp ngăn giữa bán dẫn và kim loại, hoặc ở lớp ngăn giữa bán dẫn loại p và bán dẫn loại n (đó là một hệ gồm hai mẫu bán dẫn loại P và một lọai N được ghép sát nhau sau, khi có sự khuếch tán điện tử và lỗ trống lớp ghép nối xuất hiện điện trường phụ hướng từ lớp N (có nhiều lỗ trống khuếch tán qua) sang lớp P (có nhiều điện tử khuếch tán sang) không cho dòng điện đi qua khối N-P. Khi có ánh sáng chiếu tới mẫu N các electron nhận được năng lượng và bức xạ điện tử liên tục tạo thành các electron tự do. Khi nối cực P và N qua một thiết bị tiêu thụ điện sẽ có một dòng điện qua dây dẫn từ P sang N. Các e đi từ N qua R đến P để trung hoà với các lỗ trống). Do tác dụng chỉnh lưu của lớp ngăn các electron nhận được năng lượng của photon rọi tới pin quang điện chỉ chạy được qua lớp ngăn đó theo một chiều (từ kim loại sang bán dẫn, hoặc từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p) và làm xuất hiện một suất điện động. Sơ đồ pin quang điện bán dẫn p-n như hình vẽ (hình 28). Nếu ta nối hai bán dẫn loại p và n bằng một dây dẫn, thì qua dây dẫn đó sẽ có một dòng điện chạy từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n. Hiện nay người ta đã chế tạo các loại pin quang điện đồng oxit, pin quang điện Selen, pin quang điện Silic, pin quang điện Điện kế Bán dẫn loại p Lớp ngăn p-n Bán dẫn loại n I Hình 28 N P Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM24 Gecmani. Ưu điểm nổi bật của loại tế bào pin quang điện bán dẫn là nó có thể biến đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng mà không cần nguồn điện bên ngoài. Độ nhạy của loại tế bào pin quang điện này có thể đạt tới 1000 lmA / . Đặc biệt, một vài loại tế bào pin quang điện có thể rất nhạy đối với cả những bức xạ trong vùng hồng ngoại; do đó chúng đã được sử dụng trong kỹ thuật quân sự hiện đại. IV.4 Ứng dụng của tế bào quang điện IV.4.1 Tự động hóa bằng máy tiếp quang điện Sơ đồ của máy tiếp quang điện như hình vẽ. Khi rọi chùm ánh sáng vào tế bào quang điện trong mạch điện của nó sẽ xuất hiện một dòng điện nhỏ I chạy qua điện trở R theo chiều từ M đến N và làm cho điện thế tại M lớn hơn điện thế tại N một lượng bằng RI. Nếu ta quy ước điện thế ở âm cực K của đèn triot Y ( đèn khuếch đại ba cực ) bằng không thì trước khi rọi ánh sáng, điện thế ở lưới G là - . Sau khi rọi ánh sáng, điện thế ở lưới G sẽ là - +RI, nghĩa là lớn hơn một chút. Khi đó dòng điện I trong mạch của đèn triot sẽ tăng lên và làm cho nam châm điện C đủ sức hút được thanh kim loại T để ngắt mạch điện của máy D. Khi thôi không rọi ánh sáng vào tế bào quang điện đó nữa, điện thế lưới G lại trở về giá trị - như cũ. Dòng điện I trong mạch của đèn triot Y lại giảm xuống, nam châm C không đủ sức giữ thanh kim loại T nữa và nhả nó về điểm tiếp xúc P; mạch điện của máy D được đóng lại.Nhờ nguyên tắc hoạt động như trên, máy tiếp quang I N Y G K P C T + - +-+- M R + - O  A D Hình 29 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM25 điện ( còn gọi là role quang điện ) được dùng trong quá trình tự động hóa, thí dụ như: tự động đếm số sản phẩm sản xuất ra đang chạy trên băng chuyển tự đông, đếm số người ra vào các phòng triển lãm,… IV.4.2 Phát âm trong máy chiếu phim Ở bên lề phim chiếu bóng, ta thấy một dãy có bề rộng và độ trong suốt thay đổi: đó là “băng ghi âm” của phim. Để phát lại băng ghi âm này, người ta dùng thiết bị có tế bào quang điện như hình vẽ (30). Ánh sáng từ nguồn sáng S có cường độ không đổi phát ra được hệ thống thấu kính L1 và L2 tập trung lại trên băng ghi âm của phim. Sau khi truyền qua băng ghi âm (đang chuyển động) cường độ ánh sáng sẽ thay đổi theo những dao động âm ghi trên băng đó và đi vào tế bào quang điện. Tế bào quang điện này sẽ biến đổi những dao động của cường độ ánh sáng tới nó thành những dao động điện. Những dao động điện này được khuếch đại lên (qua máy khuếch đại), rồi được đưa ra loa. Do đó ta có thể nghe được những dao động âm đã ghi trên băng ghi âm của phim. IV.4.3 Biến năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng Để đạt mục đích này, ta có thể dùng nhiều loại pin quang điện khác nhau, nhưng tốt nhất là loại pin quang điện bán dẫn silic, hiệu suất của nó có thể đạt tới 1415%. Người ta đã tính được rằng: với mỗi mét vuông diện tích của pin quang điện Máy khuếch đại Hình 30 L1 L2 Nguồn sáng Phim chiếu bóng Tế bào quang điện loa Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM26 được ánh sáng mặt trời rọi tới, ta có thể nhận được một công suất điện khoảng 100 oát. Như vậy, nếu lợp mái nhà bằng pin quang điện bán dẫn ta sẽ có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi trong gia đình như thắp sáng, chạy máy thu thanh, nấu cơm, dùng bàn là,…Hiện nay pin quang điện bán dẫn đã được dùng trên các vệ tinh nhân tạo, và các con tàu vũ trụ để cung cấp điện chạy các máy móc điều khiển và để phát các tín hiệu vô tuyến điện. Trong tương lai, khi việc sử dụng các pin quang điện bán dẫn để biến năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng đã trở nên phổ biến trong đời sống thì chúng ta sẽ có một nguồn điện rất lớn vì Mặt trời là một nguồn năng lượng hầu như vô tận. IV.5 Chất bán dẫn IV.5.1 Chất bán dẫn tinh khiết ( chất bán dẫn thuần) Trong chất bán dẫn tinh khiết, các electron và lỗ trống được tạo ra chỉ do sự đứt các liên kết. Vì vậy, mật độ electron bằng với mật độ lỗ trống. Dòng điện tạo ra bởi electron và lỗ trống. Electron và lỗ trống đều là hạt mang điện cơ bản là vì: Khi một electron nhận được năng lượng kích hoạt (năng lượng tối thiểu cần cung cấp để electron chuyển từ 2 ○ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● 1 Hình 7. Giản đồ mạng tinh thể Ge thuần. 1. Điện tử và lỗ trống trong vùng hóa trị 2. Điện tử trong vùng dẫn Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM27 miền hóa trị lên miền dẫn) thì nó chuyển từ miền hóa trị lên miền dẫn. Khi nó rời khỏi, miền hóa trị hoàn toàn bị chiếm đầy, nó tạo thành một điện tích dương trong miền này. Ta xem như miền hóa trị xuất hiện thêm một mức năng lượng còn trống. Mức năng lượng này gọi là lỗ dương (lỗ trống). Khi electron chuyển lên miền dẫn thì các electron trong miền này thay đổi trạng thái của mình tạo thành dòng điện, gọi là sự dẫn điện bằng electron. Còn sự xuất hiện lỗ trống trong miền hóa trị làm các electron trong miền hóa trị nhảy vào lỗ trống đó và lại tạo ra một lỗ trống, tức là làm cho các electron này thay đổi trạng thái, mặc dù chúng không chuyển lên miền dẫn. Sự chuyển động của các electron này (hay sự chuyển động của lỗ trống theo hướng ngược lại) gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống. Trong tự nhiên có nhiều chất bán dẫn. Các chất bán dẫn thường dùng nhất là Gecmani (Ge) và Silic (Si). Khái niệm chất bán dẫn tinh khiết chỉ mang tính tương đối. Thực tế chúng ít nhiều có lẫn tạp chất. Đôi khi, người ta cố tình pha tạp chất vào chất bán dẫn để tạo ra một chất bán dẫn có lẫn tạp chất. Bởi vì một số loại tạp chất có ảnh hưởng rất mạnh lên tính dẫn điện của một chất bán dẫn. IV.5.2 Chất bán dẫn pha tạp IV.5.2.1 Chất bán dẫn loại n Pha một lượng rất nhỏ asen (As) vào khối chất bán dẫn tinh khiết gecmani (Ge). Bán kính của nguyên tử As gần bằng bán kính nguyên tử Ge nên có thể thay thế một nguyên tử Ge trong mạng tinh thể. As có hóa trị 5. Bốn điện tử của Ge tạo thành 4 liên kết hóa trị: Một electron của As bị các nguyên tử Ge xung quanh hút nên liên kết yếu với nguyên tử của nó (năng lượng liên kết giảm 256 lần, chỉ còn khoảng 0,15 eV). Khi tăng nhiệt độ của tinh thể thì electron thừa này sẽ tách khỏi As trở thành electron tự do. Khi đó, nguyên tử As trở thành ion dương gắn chặt vào mạng tinh thể, không tham gia dẫn điện. Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM28 Theo thuyết miền năng lượng, ở nhiệt độ thấp các nối hóa trị đều có năng lượng nằm trong miền hóa trị. Chỉ có electron thừa của As có năng lượng ED nằm trong miền cấm và cách đáy miền dẫn một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,015 eV. Miền này gọi là miền tạp chất. Các mức năng lượng nằm trong miền tạp chất gọi là mức cho. Các nguyên tử tạp chất gọi là các nguyên tử cho (đôno). Năng lượng cần thiết để lấy electron thừa ra khỏi nguyên tử nhỏ hơn năng lượng của miền cấm nhiều. Như vậy ta cần năng lượng ít hơn năng lượng miền cấm để đưa các electron này lên miền dẫn. Ngay ở nhiệt độ thường, các electron trong miền tạp chất dễ dàng nhảy lên miền dẫn để tham gia sự dẫn điện. Tuy nhiên, các electron này không tạo ra lỗ trống trong miền hóa trị nên ● ● 2 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge As ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● 1 Hình 8. Giản đồ mạng tinh thể Ge có pha tạp chất nhóm V (As) 1. Đono bị ion hóa 2. Điện tử thừa: dễ bứt ra. ● ● ● ● ● ● ED=0,015 eV Hình 8. Các mức năng lượng trong bán dẫn loại n. Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM29 nồng độ electron lớn hơn nồng độ lỗ trống. Hạt mang điện cơ bản là electron, nên sự dẫn điện gọi là sự dẫn điện bằng electron. Chất bán dẫn có số electron trong miền dẫn nhiều hơn số lỗ trống trong miền hóa trị gọi là chất bán dẫn loại n. IV.5.2.2 Chất bán dẫn loại p Pha một lượng rất nhỏ indi (In) vào khối bán dẫn gecmani (Ge) tinh khiết. Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Ge nên một nguyên tử In có thể thay thế một nguyên tử Ge. Do In có hóa trị 3 nên để liên kết với 4 nguyên tử Ge nó phải nhận thêm 1 electron từ nguyên tử Ge kế cạnh (ta có thể xem như In mang một lỗ trống). Một electron của Ge sẽ tham gia vào liên kết nếu nhận đủ nằn lượng cần thiết (khoảng 0,015eV). Khi đó, tại chỗ mà nó vừa rời khỏi lại bị một electron hóa trị Ge nhảy vào và chiếm chỗ tạo nên lỗ trống. Theo thuyết miền năng lượng, ở nhiệt độ thấp các electron đều có năng lượng nằm trong miền hóa trị. Một electron của Ge có electron nằm trong miền hóa trị nhưng không tạo nối với In. Giữa In và Ge này ta có một trạng thái năng lượng trống có năng lượng EA nằm trong dãy cấm và cách đỉnh miền hóa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,015eV. Miền năng lượng này cũng gọi là miền tạp chất. Các mức năng lượng Hình 10. Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge pha tạp chất nhóm III (In). 1.Axepto bị ion hóa. 2. Lỗ trống thừa: dễ bị đứt 2 ● ● ● ● ● ● ● ● 1 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ○ ● ● ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge In ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM30 nằm trong miền này gọi là các mức nhận. Các nguyên tử tạp chất gọi là nguyên tử nhận (acxepto). Năng lượng cần thiết để lắp chỗ trống nhỏ hơn năng lượng cần thiết để đưa electron vượt miền cấm. Khi tăng nhiêt độ tinh thể sẽ có một số electron trong dãy hóa trị nhận năng lượng và vượt dãy cấm lên dãy dẫn điện. Đồng thời ngay ở nhiệt độ thường các electron hóa trị của dãy hóa trị có đủ năng lượng để nhảy lên miền cấm. Các quá trình này làm xuất hiện lỗ trống trong miền hóa trị nhưng không tạo ra electron dẫn. Như vậy nồng độ lỗ trống lớn hơn nồng độ electron. Hạt mang điện cở bản là lỗ trống. Sự dẫn điện này gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống. Chất bán dẫn có số lỗ trống trong dãy hóa trị nhiều hơn số electron trong dãy dẫn điện gọi là chất bán dẫn loại p. IV.5.2.3 Lớp chuyển tiếp p_n Ta xét xem có hiện tượng gì xảy ra khi đưa chất bán dẫn loại n tiếp xúc với chất bán dẫn loại p. Phần lớn các dụng cụ bán dẫn thường bao gồm các miền loại p và loại n nối tiếp nhau. Lớp chuyển tiếp giữa hai miền đó tạo ra đặc trưng điện có ích. Đặt hai bán dẫn loại n và loại p tiếp xúc nhau. Các electron khuếch tán từ vùng n sang vùng p. Đồng thời các lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n. Trong khi di chuyển, các electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau. Tại mặt phân cách hình thành một lớp mỏng gọi là lớp chuyển tiếp p_n. Ở gần lớp chuyển tiếp chất bán dẫn loại n xuất hiện một lớp điện tích dương và năng lượng electron của lớp này giảm. Ở chất bán dẫn loại p xuất hiện một lớp điện tích âm và năng lượng electron của lớp này tăng. Ở gần lớp chuyển tiếp p_n mật độ điện tích đa số giảm đi, bé hơn mật độ pha tạp. Ở các vị trí cố định, điện tích của tạp chất không bị trung hòa hình thành một miền điện tích không gian cố định. Tại gần bề măt tiếp xúc sẽ còn lại các ion âm của nguyên ●○ ● ●● EA= 0,015 eV Hình 11. Các mức năng lượng trong chất bán dẫn loại p Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM31 tử nhận trong vùng p và ion dương của nguyên tử cho trong vùng n tạo ra một điện trường Etx tại nơi tiếp xúc chống lại sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số nhưng lại tăng cường sự di chuyển của hạt dẫn thiểu số. Etx có chiều từ n sang p. Gọi ic là dòng điện tạo nên do các hạt mang điện cơ bản (electron và lỗ trống), ic hướng từ p sang n. Dưới tác dụng của điện trường Etx các hạt mang điện không cơ bản rơi từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp, tạo thành dòng điện ik ngược chiều với dòng điện khuếch tán ic sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu. i = ic= ik= 0 Lúc đó ta có trạng thái cân bằng nhiệt. Để giữ được cân bằng, thông lượng tổng cộng của lỗ trống và electron phải bằng không. Thông lượng khuếch tán của mỗi loại phần tử tải điện của lớp chuyển tiếp p_n đúng bằng và ngược với thông lượng của mỗi phần tử tải điện do điện trường gây ra. Thông lượng tổng cộng các lỗ trống: dx dE P qdx dE P kT D F Fp pp P  1 Thông lượng electron: dx dE n qdx dE n KT D F Fn Fn n  1 ic Etx P n - + - + - + - ik Hình 13: lớp chuyển tiếp p_n ở trạng thái cân bằng Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM32 Với:  n: nồng độ electron  p: nồng độ lỗ trống  Dp: Hệ số khuếch tán của lỗ trống  Dn: hệ số khuếch tán của electron  µn: độ linh động của electron  µp: độ linh động của lỗ trống  k: hằng số Boltzmam  EF: mức Fecmi. Theo lý thuyết thống kê Fecmi_Dirac xác suất mà một trạng thái điện tử có năng lượng E bị chiếm bởi 1 electron: kT EE F e Ef    1 1 )( Mức Fecmi là trạng thái năng lượng mà ở đó xác suất chiếm trạng thái năng lượng bởi 1 electron đúng bằng 1/2 f(E)= ½ DF Ec Ev Hình 14. Mức Fecmi trong mô hình những mức năng lượng của lớp chuyển tiếp p_n. Hình 12: sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p_n. EgEF P n- + - + - + P n Vùng hóa trị Vùng dẫn Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM33 Tương ứng với điện trường Etx ta có một điện thế Utx hai bên mối nối là rào điện thế (còn gọi là điện thế tiếp xúc). Thông thường: Utx= 0,7V nếu chất bán dẫn là Ge Utx= 0,3V nếu chất bán dẫn là Si Độ lớn của rào điện thế phụ thuộc vào chiều của điện trường ngoài đặt vào hai bán dẫn. Trường hợp chiều của điện trường ngoài ngược với chiều của điện trường Etx ở lớp chuyển tiếp. Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại n và cực dương vào chất bán dẫn loại p ( phân cực nghịch ) Hàng rào thế hạ xuống tại nơi tiếp xúc nghĩa là năng lượng electron trong chất bán dẫn loại n tăng và trong chất bán dẫn loại p giảm. Như vậy có nhiều hạt mang điện cơ bản vượt qua rào thế, dòng ic tăng trong khi ik không thay đổi. Dòng điện tổng cộng tại nơi tiếp xúc i = ic- ik có chiều từ p sang n, i tăng khi hiệu điện thế tăng. Trường hợp chiều điện trường ngoài trùng với chiều của điện trường lớp chuyển tiếp p_n. Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại p và cực dương vào chất bán dẫn loại n (phân cực thuận). Electron trong bán dẫn loại n và lỗ trống trong bán dẫn loại p bị “hút” lại phía điện cực, khiến cho tại bờ miền điện tích không gian xuất hiện những ion mới lấn sâu vào bán dẫn n và p. Độ cao hàng rào thế tăng lên và dòng điện không Hình 15: sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p_n khi phân cực nghịch. EgEF P n Vùng hóa trị Vùng dẫn -+ P n+ - + - + - Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM34 thể đi qua lớp tiếp xúc được. Dòng điện đi qua lớp tiếp xúc chỉ còn dòng ik rất bé. Dòng điện tổng cộng i có chiều từ p sang n và không phụ thuộc vào thế hiệu. Như vậy lớp chuyển tiếp p_n có tính chất chỉnh lưu: nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều. Bằng kỹ thuật Epitaxi người ta chế tạo ra lớp chuyển tiếp p_n (mối nối p_n) được mô tả như sau: Trước tiên người ta dùng một thân Si_n+, (nghĩa là pha khá nhiều phân tử cho). Si_n+ - + - + - + - + - + p n ik Hình 16: sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p_n khi phân cực thuận. EgEF P n Vùng hóa trị Vùng dẫn +- P n- + - + - + Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM35 Trên thân này ta phủ một lớp cách điện SiO2 và một lớp vecni nhạy sáng Song, người ta đặt lên lớp vecni một mặt nạ lỗ trống rồi dùng một bức xạ để chiếu lên mặt nạ. Vùng vecni bị chiếu sáng có thể rửa được bằng một lớp axit và chừa ra một phần Si_n+. Phần còn lại vẫn còn được phủ vecni. Xuyên qua phần không phủ vecni, người ta cho khuếch tán các nguyên tử acxepto vào thân Si_n+ để biến một vùng này thành Si_p. Sau cùng, người ta phủ một nối p_n có mặt nối giữa vùng p và n+ thẳng. Si_n+ SiO2 Si_n+ SiO2SiO2 phần SiO2 bị rửa mất p Si_n anod catod Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM36 V. Quang bán dẫn V.1 Dụng cụ quang bán dẫn: Là loại dụng cụ bán dẫn trong đó có thể biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện hoặc ngược lại từ năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Các dụng cụ quang bán dẫn chia làm ba nhóm: - Nhóm 1: Dụng cụ bán dẫn điện phát quang: biến đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng (điôt phát quang). Hoạt động dựa trên hiệu ứng phát quang. - Nhóm 2: Dụng cụ bán dẫn quang điện: Biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện (tế bào quang điện) hoặc điều chế tín hiệu điện bằng tín hiệu ánh sáng (điện trở quang). Hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn và hiệu ứng quang áp. - Nhóm 3: Dụng cụ bán dẫn kết hợp quang điện: kết hợp cả hai hiệu ứng phát quang và quang dẫn hoặc quang áp. Trong luận văn này chỉ khảo sát các dụng cụ quang bán dẫn thuộc nhóm 2. V.2 Hiệu ứng quang áp: Hiệu ứng quang áp là hiện tượng xuất hiện thế điện động trên hai cực của lớp chuyển tiếp p_n khi được chiếu sáng. Khi ánh sáng chiếu vào thỏa h PE thì nối p_n hấp thụ ánh sáng gây ra sự phát xạ điện tử _lỗ trống. Tại nơi tiếp xúc chất bán dẫn loại p có sự không cân bằng nồng độ hạt dẫn: điện tử bị trường tiếp xúc của lớp chuyển tiếp p_n cuốn sang phía bán dẫn n, còn lỗ trống bị trường này cản lại. Tại nới tiếp xúc hình thành sự tích tụ điện tích: âm ở phía n và dương ở phía p. p nEtx - ED + Ev EF Ec Ea Hình 17. Giản đồ năng lượng của lớp chuyển tiếp p_n được chiếu sáng.  Lu