Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 3: Bán dẫn và máy phát lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn (Phần 1)

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 3: Bán dẫn và máy phát lượng tử - Đỗ Ngọc Uấn (Phần 1)

1. 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
2. bán dẫn & Máy phát l−ợng tử
3. 1. Dẫn điện của tinh thể bán dẫn Vùng năng l−ợng: Vùng Dẫn Si 4 điện tử hoá trị Eg E − g Vùng Hoá trị 2 kT ni= p i ~ e T=0K kB E T>g Lỗ: Trạng thái trống trong ùngv hoá trị điền đầy gần hết: ε r r k mh= m− e ; h v= e v ; E r r g k ε =h −; ke ε h = k e ; − e h 0 >
4. 2. Bán dẫn tạp chất E − d Liên kết đồng hoá trị 2/1 2 kT 1 nguyên tử dùng chung 8 điệnn= Nd e tử hoá trị với 4 nguyên tử khác: Si, Ge, C mạng kim c−ơng Tạp thuộc nhóm 5: V Dẫn Ed As+ - P, as, Sb mức donor V Hoá trị Tạp thuộc nhóm 3: V dẫn - + B B, Al, Ga, In mức Acceptor E Ea − a V Hoá trị 2/1 2 kT p= Na e
5. 3. Chuyển Dòng phát sinh có Jng của điện tiếp p-n e tử từ n -> p tái hợp với lỗ p ε F2 → Dòng tái hợp có Jnr ε n F1 h J + J =0 V -+ΔV= (εF2 - εF1)/e ng nr -+ Jnr(Vngh)=Jnr(0).exp(-e|V|/kBT) -+ Jng(Vngh)=Jng(0). Jng+ Jnr≠0 eV Thế nghịch: p(-) n(+) I = I0.[exp( ) −1] Thế thuận: p(+) n(-) kT Jnr(Vth)=Jnr(0).exp(e|V|/kBT) Jng(Vth)=Jng(0). V Jng+ Jnr≠0 Hiệu ứng chỉnh l−u
6. Pin mặt trời e p n h -+ΔV= (εF2 - εF1)/e -+ -+ Chiếu ánh sáng phù hợp lên chuyển tiếp p-n Lỗ (h) vμ điện tử (e) sinh ra. Lỗ bị đẩy về bên trái (thế âm) Điện tử bị đẩy về bên phải (thế d−ơng) => Dòng quang điện => Pin mặt trời
7. Đènđiệntử 3 cực L−ới K A ~ Điện áp trên l−ới thay đổi ít -> số điện tử từ K->A thay đổi mạnh -> dòng qua điện trở thay đổi mạnh
8. 4. Transitor dòng điện tử E l−ới C + - - + n p n + - - + IC + ΔIC dòng lỗ dòng dò ΔUBE==> ΔIB IE + ΔIE B ==> ΔIE >ΔIC IB + ΔIB - + - + IE = IB + IC với IB << IC UBE + ΔUBE UBC+ ΔUBC Hệ số khuyếch đại dòng E C E C ΔI β = C B B ΔI B n-p-n p-n-p
9. 5. Hiệu ứng nhiệt điện p e - T1 < T2 T1 T2 + ++ e vμ h khuếch tán n h 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
10. 6. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 6.1. Phát xạ tự nhiên: Độc E2 hν=E2-E1 lập với nhau, không có kết E1 hợp về pha, định h−ớng vμ độkích thích phát xạ phân cực Thời gian hệ ở trạng thái kích thích Δt~h/ ΔE ~ 10-8 -10-9s E2 6.2. Phát xạ cảm ứng: Khi có hν=E2-E1 kích thích kích thích từ bên ngoμi bức E xạ cảm ứng có cùng h−ớng, phát xạ 1 cùng tần số, độ phân cực, kết hợp triệt để giữa phát xạ vμ kích thích
11. 6.3. Trạng thái hệ E EE− N − 2 1 Nguyên tử = hạt; Mức năng 2~ e kT E N1 l−ợng E2>E1. N-tổng số hạt của 2 E1 hệ E E − 1 − 2 0 N2 N1 kT kT N N ~ e N2 ~ e 1 E − 1 Xác suất hấp thụP ~ N ~kT e 1 1 E − 2 kT Xác suất phát xạ từ mức EP2 ~2 N 2 ~ e Tại T=300K, ν =3.1014Hz tức λ=10-6m thì -48 P2/P1=e E1
12. 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 EE− − 2 1 N EE− P2 N 2 kT ln 2= −2 1> 0 = =e N kT P1 N1 1 Nên T 0 cân bằng nhiệt động lực Boltzman T<0 đảo mật độ hạt Để đảo đ−ợc mật độ hạt thì trạng thái cân bằng nhiệt động bị phá vỡ