Bài giảng Vật lí đại cương 3 - Bán dẫn và máy phát lượng tử - 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=