Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 8: Bán dẫn và máy phát lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn

Bμi gi¶ng VËt lý ®¹i c−¬ng T¸c gi¶: PGS. TS §ç Ngäc UÊn ViÖn VËt lý kü thuËt Tr−êng §H B¸ch khoa Hμ néi b¸n dÉn & M¸y ph¸t l−îng tö 1. DÉn ®iÖn cña tinh thÓ b¸n dÉn Vïng n¨ng l−îng: Si 4 ®iÖn tö ho¸ trÞ Vïng DÉn Vïng Ho¸ trÞ Eg T=0K kBT > Eg kT2 E ii g e~pn −= Lç: Tr¹ng th¸i trèng trong vïng ho¸ trÞ ®iÒn ®Çy gÇn hÕt: 0e;kk; ;vv;mm heheh eheh >−=ε−=ε =−= rr rr Eg εk k 2. B¸n dÉn t¹p chÊt Liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ 1 nguyªn tö dïng chung 8 ®iÖn tö ho¸ trÞ víi 4 nguyªn tö kh¸c: Si, Ge, C m¹ng kim c−¬ng kT2 E 2/1 d d eNn −= As+ - T¹p thuéc nhãm 5: P, as, Sb V DÉn V Ho¸ trÞ møc donor Ed B- + T¹p thuéc nhãm 3: B, Al, Ga, In V dÉn V Ho¸ trÞ møc Acceptor Ea kT2 E 2/1 a a eNp −= 3. ChuyÓn tiÕp p-n p εF1 εF2 n - + - + - + V ΔV= (εF2 - εF1)/e ]1) kT eV.[exp(II 0 −= V HiÖu øng chØnh l−u ThÕ nghÞch: p(-) n(+) ThÕ thuËn: p(+) n(-) e h Dßng ph¸t sinh cã Jng cña ®iÖn tö tõ n -> p t¸i hîp víi lç → Dßng t¸i hîp cã 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 ChiÕu ¸nh s¸ng phï hîp lªn chuyÓn tiÕp p-n Lç (h) vμ ®iÖn tö (e) sinh ra. => Dßng quang ®iÖn => Pin mÆt trêi §iÖn tö bÞ ®Èy vÒ bªn ph¶i (thÕ d−¬ng) Lç bÞ ®Èy vÒ bªn tr¸i (thÕ ©m) Pin mÆt trêi §Ìn ®iÖn tö 3 cùc ~ 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 UBC IB IE IC UBE ΔUBE==> ΔIB ==> ΔIE -->ΔIC - + - + IE = IB + IC víi IB << IC 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 + ΔUBE + ΔIB + ΔIE + ΔIC + ΔUBC dßng dß E 5. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn - - ++ p e - + n h T1 T2 T1 < T2 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. Ph¸t x¹ tù nhiªn: §éc lËp víi nhau, kh«ng cã kÕt hîp vÒ pha, ®Þnh h−íng vμ ®é ph©n cùc kÝch thÝch E2 E1 Thêi gian hÖ ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch Δt~h/ ΔE ~ 10-8 -10-9s ph¸t x¹ hν=E2-E1 hν=E2-E1 ph¸t x¹ kÝch thÝch 6.2. Ph¸t x¹ c¶m øng: Khi cã kÝch thÝch tõ bªn ngoμi bøc x¹ c¶m øng cã cïng h−íng, cïng tÇn sè, ®é ph©n cùc, E2 E1 kÕt hîp triÖt ®Ó gi÷a ph¸t x¹ vμ kÝch thÝch 6.3. Tr¹ng th¸i hÖ Nguyªn tö = h¹t; Møc n¨ng l−îng E2>E1. N-tæng sè h¹t cña hÖ 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 −− X¸c suÊt hÊp thô kT E 11 1 e~N~P − kT E 22 2 e~N~P − T¹i T=300K, ν =3.1014Hz tøc λ=10-6m th× P2/P1=e -48<<1 Muèn P1=P2 (ph¸t x¹ c¶m øng= hÊp thô c¶m øng) th× T=∞ v× E2>E1 X¸c suÊt ph¸t x¹ tõ møc E2 §Ó ®¶o ®−îc mËt ®é h¹t th× tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng bÞ ph¸ vì 6.4. Tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t, ph©n bè Bolztman më réng §Ó cã ph¸t x¹ c¶m øng th× P2 >P1 hay N2 >N1 kT EE 1 2 1 2 12 e N N P P −−== 0kT EE N Nln 12 1 2 >−−= Nªn T<0 kT EE 1 2 12 e N N −−=Ph©n bè më réng Boltzman T>0 c©n b»ng nhiÖt ®éng lùc T<0 ®¶o mËt ®é h¹t M«i tr−êng ®¶o mËt ®é h¹t lμ m«i tr−êng kÝch ho¹t HÊp thô ¸nh s¸ng bëi m«i tr−êng hÊp thô: bøc x¹ truyÒn qua suy gi¶m E2 E1 hν=E2-E1 Ph¸t x¹ c¶m øng: bøc x¹ truyÒn qua m¹nh lªn ph¸t x¹ hν=E2-E1 kÝch thÝch E2 E1 x' 0 e.II α−=I0 I x α’>0 hÊp thô ¸nh s¸ng α’<0 c−êng ®é ¸nh s¸ng t¨ng theo bÒ dÇy cña m«i tr−êng. Sè photon t¨ng th¸c lò M«i tr−êng kÝch ho¹t cã tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t N2>>N1x 0 e.II α=I0 I x BiÓu thøc c−êng ®é bøc x¹ céng h−ëng Bé céng h−ëng - HiÖu øng Laser - M«i tr−êng kÝch ho¹t khÝ, láng hoÆc r¾n - C¬ chÕ b¬m n¨ng l−îng cung cÊp cho m«i tr−êng - Bé céng h−ëng khuyÕch ®¹i chïm bøc x¹ truyÒn qua G−¬ng ph¶n x¹ 100% G−¬ng ph¶n x¹ 50% L 2 nL λ= M«i tr−êng kÝch ho¹t M¸y ph¸t Laser: 6.5. C¬ chÕ b¬m - Ph¸t x¹ céng h−ëng E2 E1 hν=E2-E1 Thêi gian sèng ë møc E3 , E4 cì 10 -8-10-9s vμ nh¶y xuèng møc E2 ->m«i tr−êng ë tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é N2>>N1. b¬m lªn møc E3 , E4 b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p: ChiÕu chïm ¸nh s¸ng m¹nh vμo MT r¾n, láng; Phãng ®iÖn trong khÝ, b¸n dÉn Thêi gian sèng ë møc E2 cì 10-3s vμ nh¶y xuèng møc E1 khi cã kÝch thÝch Ph¸t x¹ céng h−ëng: Laser ph¸t ra E4 E3 6.6. LASER hång ngäc λ=692.7nm 694.3nm II I III Cr+++ Møc c¬ b¶n (10-7 s) τI & τII << τIII (10-3s) Al2O3 pha t¹p 0.03-0.05% Cr2O3 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 Hªli-Neon 90%He+10%Ne ¸p suÊt cì 1.1mmHg eV 19.81 He (I) va®Ëp Ne(II) Ne(IV) Ne(III) LASER b¸n dÉn V dÉn V Ho¸ trÞ møc donor E2 møc Acceptor E1 p n §¶o mËt ®é gi÷a vïng ho¸ trÞ vμ vïng dÉn λ=632.8nm hν=En-Eh §¶o mËt ®é gi÷a Ne(IV) vμ Ne(III) 6.8. C¸c tÝnh chÊt −u viÖt cña Laser 1. TÝnh ®Þnh h−íng cao: ë nhiÖt ®é phßng ®é më 0.01o 2. TÝnh kÕt hîp cao: HiÖu pha trong kho¶ng hai thêi ®iÓm lu«n kh«ng ®æi, ®é ®¬n s¾c cao Δ λ ~ (10-18 -10-20)m. Δν/ν ~ 10-15 3. TÝnh kÕt hîp kh«ng gian cao: trong kho¶ng c¸ch ΔL=100km gi÷a hai ®iÓm hiÖu pha kh«ng ®æi. C−êng ®é ¸nh s¸ng cùc lín E~107V/m c«ng suÊt ®¹t 1012W. 4. HiÖu suÊt: Heli-Neon 1%, CO2-N ®¹t 10- 20%, B¸n dÉn 40-100% 5. Bøc x¹ c−êng ®é cao ë chÕ ®é liªn tôc, 6.9. øng dông cña LASER a, Trong kü thuËt ®o l−êng chÝnh x¸c, in chôp vμ t¹o ¶nh: ¶nh vÕt s¸ng trªn mÆt tr¨ng cña tia laser nhá h¬n cña vÕt do sãng ®iÖn tõ cïng ®iÒu kiÖn 5000 lÇn §iÒu khiÓn tõ xa Bom laser c=(299792458±1)m/s §iÒu biªn AM, §iÒu tÇn FM, ChÕ ®é xung cùc ng¾n 6.10-15s(femtosecond) b, T¹o ¶nh 3 chiÒu honogram nguån laser g−¬ng B g−¬ng A Phim c, Kü thuËt th«ng tin • Gãc më nhá, tÇn sè cao (= 106 tÇn sè VT)- >200kªnh TH • TruyÒn l−îng th«ng tin lín, tèc ®é cao theo c¸p quang d, C−êng ®é lín 1017W/cm2: øng dông trong kü thuËt gia c«ng vËt liÖu, vi phÉu thuËt e, Trong c¸c ngμnh khoa häc kü thuËt kh¸c, nh− vËt lý: • NhiÖt ®é cao: tËp trung n¨ng l−îng trªn λ2 •KÝch thÝch vμ chän läc trong ph¶n øng ho¸ häc víi sù tham gia cña ®ång vÞ nhÊt ®Þnh • Trong sinh häc: chiÕu räi c¸c tÕ bμo cì micromet • TÇn sè cao dïng t¸ch c¸c ®ång vÞ phãng x¹ f, Quan s¸t sù chuyÓn dêi nhiÒu photon i f ωh hÊp thô mét photon i m f f 1ωh 2ωh hÊp thô hai photon qua tr¹ng th¸i trung gian m; Δt ~10-8s Photon thø 2 kÞp ®Õn n©ng lªn møc f i m f 2ω 1 ω Δt ~10-15s tr¹ng th¸i trung gian m kh«ng quan s¸t ®−îc photon thø 2 ®Õn trong kho¶ng Δt ~10-15s g, Quang häc phi tuyÕn: Khi chiÕu laser vμo chÊt ®iÖn m«i g©y ra vÐc t¬ ph©n cùc: ...EEEP 33 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= rr )kxt(sinE)kxtsin(EP 220201x −ωχ+−ωχ= sãng lan truyÒn víi: tÇn sè b»ng tÇn sè kÝch thÝch VÐc t¬ ph©n cùc kh«ng ®æi Sãng ho¹ ba thø 2 cã tÇn sè gÊp ®«i tÇn sè sãng kÝch thÝch )kx2t2(cosE 2 1E 2 1)kxtsin(EP 2202 2 0201x −ωχ+χ+−ωχ=