bán dẫn và máy phát lượng tử

Bi giảng Vật lý đại cơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Trờng ĐH Bách khoa H nội
b¸n dÉn & M¸y ph¸t
l−îng tö
1. Dẫn điện của tinh thể bán dẫn
Vùng năng lợng:
Si 4 điện tử hoá trị
Vùng Dẫn
Vùng Hoá trị
E
g
T=0K
k
B
T> E
g
kT2
E
ii
g
e~pn

=
Lỗ: Trạng thái trống trong vùng hoá trị điền đầy
gần hết:
0e;kk;
;vv;mm
heheh
eheh

>==
=

=
rr
r
r
E
g

k
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 cơng
kT2
E
2/1
d
d
eNn

=
As
+
-
Tạp thuộc nhóm 5:
P, as, Sb

V Dẫn
V Hoá trị
mức donor
E
d
B
-
+
Tạp thuộc nhóm 3:
B, Al, Ga, In
V dẫn
V Hoá trị
mức Acceptor
E
a
kT2
E
2/1
a
a
eNp

=
3. Chuyển
tiếp p-n
p

F1

F2

n
-+
-+
-+
V
V= (
F2
-
F1
)/e
]1)
kT
eV
.[exp(II
0
=
V
Hiệu ứng chỉnh lu
Thế nghịch: p(-) n(+)
Thế thuận: p(+) n(-)
e
h
Dòng phát sinh có J
ng
của điện
tử từ n -> p tái hợp với lỗ
Dòng tái hợp có J
nr
J
ng

+ J
nr
=0
J
nr
(V
ngh
)=J
nr
(0).exp(-e|V|/k
B
T)
J
ng
(V
ngh
)=J
ng
(0).
J
nr
(V
th
)=J
nr
(0).exp(e|V|/k
B
T)
J
ng

(V
th
)=J
ng
(0).
J
ng
+ J
nr
0
J
n
g
+ J
nr
0
p n
V= (
F2
-
F1
)/e
-+
-+
-+
e
h
Chiếu ánh sáng phù hợp lên chuyển tiếp p-n
Lỗ (h) v điện tử (e) sinh ra.
=> Dòng quang điện => Pin mặt trời

Điện tử bị đẩy về bên phải (thế dơng)
Lỗ bị đẩy về bên trái (thế âm)
Pin mặt trời
§Ìn®iÖnt
ö
3 c
ù
c
~
K
A
L−íi
§iÖn ¸p trªn l−íi thay ®æi Ýt
-> sè ®iÖn tö tõ K->A thay ®æi m¹nh
-> dßng qua ®iÖn trë thay ®æi m¹nh
n
p
n
+ - - +
+ - - +
dßng lç
dßng ®iÖn tö
B
U
BC
I
B
I
E
I

C
U
BE
ΔU
BE
==> ΔI
B
==> ΔI
E
>ΔI
C
- + - +
I
E
= I
B
+ I
C
víi I
B
<< I
C
B
C
I
I
Δ
Δ
=β
HÖ sè khuyÕch

®¹i dßng
l−íi
4. Transitor
E
C
B
n-p-n
E
C
B
p-n-p
C
+ ΔU
BE
+ ΔI
B
+ ΔI
E
+ ΔI
C
+ ΔU
BC
dßng dß
E
5. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn

++
p e
-
+

n h
T
1
T
2
T
1
< T
2
e vμ h khuÕch t¸n
sang phÝa bªn kia
phô thuéc vμo
nhiÖt ®é
Sù xuÊt hiÖn SuÊt ®iÖn ®éng do chªnh
lÖch nhiÖt ®é gäi lμ hiÖn t−îng nhiÖt ®iÖn
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 hớng v độ
phân cực
kích thích
E
2
E
1
Thời gian hệ ở trạng thái kích
thích t~h/ E ~ 10
-8
-10

-9
s
phát xạ
h=E
2
-E
1
h=E
2
-E
1
phát xạ
kích thích
6.2. Phát xạ cảm ứng: Khi có
kích thích từ bên ngoi bức
xạ cảm ứng có cùng hớng,
cùng tần số, độ phân cực,
E
2
E
1
kết hợp triệt để giữa phát xạ v kích thích
6.3. Tr¹ng th¸i hÖ
Nguyªn tö = h¹t; Møc n¨ng
l−îng E
2
>E
1
. N-tæng sè h¹t cña
hÖ

kT
E
1
1
e~N
−
kT
E
2
2
e~N
−
E
N
0
E
2
E
1
N
2
N
1
kT
EE
1
2
12
e~
N

N
−
−
X¸c suÊt hÊp thô
kT
E
11
1
e~N~P
−
kT
E
22
2
e~N~P
−
T¹i T=300K, ν =3.10
14
Hz tøc λ=10
-6
m th×
P
2
/P
1
=e
-48
<<1
Muèn P
1

=P
2
(ph¸t x¹ c¶m øng= hÊp thô c¶m
øng) th× T=∞ v× E
2
>E
1
X¸c suÊt ph¸t x¹ tõ møc E
2
Để đảo đợc 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 P
2
>P
1
hay N
2
>N
1
kT
EE
1
2
1
2
12
e
N

N
P
P


==
0
kT
EE
N
N
ln
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 trờng đảo mật độ hạt l môi trờng kích
hoạt
Hấp thụ ánh sáng bởi môi trờng
hấp thụ: bức xạ
truyền qua suy giảm
E
2
E
1
h=E
2
-E
1
Phát xạ cảm ứng: bức xạ
truyền qua mạnh lên
phát xạ
h=E
2
-E
1
kích thích
E
2
E
1

x'
0
e.II

=
I
0
I
x
>0 hấp thụ ánh sáng
<0 cờng độ ánh sáng tăng
theo bề dầy của môi trờng. Số
photon tăng thác lũ
Môi trờng kích hoạt có trạng thái đảo mật độ
hạt N
2
>>N
1
x
0
e.II

=
I
0
I
x
Biểu thức cờng độ bức xạ
cộng hởng
Bộ cộng hởng - Hiệu ứng Laser

-Môitrờng kích hoạt khí, lỏng hoặc rắn
-Cơchếbơmnănglợng cung cấp cho môi
trờng
-Bộcộnghởng khuyếch đại chùm bức xạ
truyền qua
Gơng
phản xạ
100%
Gơng phản
xạ 50%
L
2
nL

=
Môi trờng
kích hoạt
Máy phát Laser:
6.5. Cơ chế bơm - Phát xạ cộng
hởng
E
2
E
1
h=E
2
-E
1
Thời gian sống ở mức E
3

, E
4
cỡ 10
-8
-10
-9
s v
nhảy xuống mức E
2
->môi trờng ở trạng thái
đảo mật độ N
2
>>N
1.
bơm lên mức E
3
, E
4
bằng
các phơng pháp: Chiếu
chùm ánh sáng mạnh vo
MT rắn, lỏng; Phóng điện
trong khí, bán dẫn
Thời gian sống ở mức E
2
cỡ 10
-3
s v nhảy xuống
mức E
1

khi có kích thích
Phát xạ cộng hởng: Laser phát ra
E
4
E
3
6.6. LASER hång ngäc
λ=692.7nm
694.3nm
II
I
III
Cr
+++
Møc c¬ b¶n
(10
-7
s) τ
I
& τ
II
<< τ
III
(10
-3
s)
Al
2
O
3

pha t¹p 0.03-0.05% Cr
2
O
3
LASER xung : Khi tõ tr¹ng th¸i III nh¶y vÒ
tr¹ng th¸i c¬ b¶n ph¸t ra chíp s¸ng loÐ.
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 E
2
mức Acceptor E
1
p
n
Đảo mật độ giữa vùng hoá trị v vùng dẫn
=632.8nm
h=E
n
-E

h
Đảo mật độ giữa Ne(IV) v Ne(III)
6.8. Các tính chất u việt của Laser
1. Tính định hớng cao: ở nhiệt độ phòng độ
mở 0.01
o
2. Tính kết hợp cao: Hiệu pha trong khoảng hai
thời điểm luôn không đổi, độ đơn sắc cao ~
(10
-18
-10
-20
)m. / ~ 10
-15
3. Tính kết hợp không gian cao: trong khoảng
cách L=100km giữa hai điểm hiệu pha không
đổi. CờngđộánhsángcựclớnE~10
7
V/m
công suất đạt 10
12
W.
4. Hiệu suất: Heli-Neon 1%, CO
2
-N đạt 10-
20%, Bán dẫn 40-100%
5. Bức xạ cờng độ cao ở chế độ liên tục,
6.9. ứng dụng của LASER
a, Trong kỹ thuật đo lờng chính xác, in chụp v
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=(2997924581)m/s
Điều biên AM, Điều tần FM, Chế độ xung cực
ngắn 6.10
-15
s(femtosecond)
b, T¹o ¶nh 3 chiÒu honogram
nguån laser
g−¬ng B
g−¬ng A
Phim
c, Kỹ thuật thông tin
Góc mở nhỏ, tần số cao (= 10
6
tầnsốVT)-
>200kênh TH
Truyền lợng thông tin lớn, tốc độ cao theo cáp
quang
d, Cờng độ lớn 10
17
W/cm
2
: ứng dụng trong kỹ
thuật gia công vật liệu, vi phẫu thuật
e, Trong các ngnh khoa học kỹ thuật khác, nh
vật lý:
Nhiệt độ cao: tập trung năng lợng trên

2
Kích thích v chọn lọc trong phản ứng hoá học
với sự tham gia của đồng vị nhất định
Trong sinh học: chiếu rọi các tế bocỡ
micromet
Tần số cao dùng tách các đồng vị phóng xạ
f, Quan s¸t sù chuyÓn dêi nhiÒu photon
i
f
ω
h
hÊp thô mét
photon
i
m
f
f
1
ω
h
2
ω
h
hÊp thô hai
photon
qua tr¹ng th¸i
trung gian m; Δt
~10
-8
s

Photon thø 2 kÞp
®Õnn©nglªn
møc f
i
m
f
2
ω
1
ω
Δt ~10
-15
s
tr¹ng th¸i trung gian
m
kh«ng quan s¸t
®−îc
photon thø 2 ®Õn
trong kho¶ng Δt
~10
-15
s
g, Quang häc phi tuyÕn: Khi chiÕu laser vμo
chÊt ®iÖn m«i g©y ra vÐc t¬ ph©n cùc:
EEEP
3
3
2
21
+χ+χ+χ=

cã thÓ t¹o ra tia laser cã b−íc sãng b»ng 1/2
b−íc sãng tia s¬ cÊp øng víi tia ho¹ ba
tsinEE
0
ω=
r
r
)kxt(sinE)kxtsin(EP
2
2
0201x
−ωχ+−ωχ=
sãng lan truyÒn víi: tÇn sè b»ng tÇnsèkÝchthÝch
VÐct¬ph©ncùckh«ng ®æi
Sãng ho¹ ba thø 2 cã tÇn sè gÊp ®«i tÇnsèsãng
kÝch thÝch
)kx2t2(cosE
2
1
E
2
1
)kxtsin(EP
2
2
02
2
0201x
−ωχ+χ+−ωχ=