Vật lý đại cương - Bài giảng bán dẫn và máy phát lượng tử phần 1 pps

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