Bài giảng Vật lý đại cương 3 - Bài: Bán dẫn và máy phát lượng tử

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 3 - Bài: Bán dẫn và máy phát lượng tử

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
13. Môi tr−ờng đảo mật độ hạt lμ môi tr−ờng kích hoạt E2 hν=E2-E1 hấp thụ: bức xạ E1 truyền qua suy giảm E hν=E -E 2 Phát xạ cảm ứng: bức xạ 2 1 kích thích truyền qua mạnh lên E phát xạ 1 Hấp thụ ánh sáng bởi môi tr−ờng α’>0 hấp thụ ánh sáng I I − αx' 0 I= I0 . e α’<0 c−ờng độ ánh sáng tăng x theo bề dầy của môi tr−ờng. Số photon tăng thác lũ
14. Môi tr−ờng kích hoạt có trạng thái đảo mật độ hạt N2>>N1 I0 I αx Biểu thức c−ờng độ bức xạ Ix = I0 . e cộng h−ởng Bộ cộng h−ởng - Hiệu ứng Laser λ G−ơng L L = n phản xạ Môi tr−ờng G−ơng phản 2 Máy phát Laser: 100% kích hoạt xạ 50% -Môitr−ờng kích hoạt khí, lỏng hoặc rắn -Cơchếbơmnăngl−ợng cung cấp cho môi tr−ờng -Bộcộngh−ởng khuyếch đại chùm bức xạ truyền qua
15. 6.5. Cơ chế bơm - Phát xạ cộng bơm lên mức E , E bằng h−ởng E4 3 4 E các ph−ơng pháp: Chiếu 3 E2 chùm ánh sáng mạnh vμo ν h =E2-E1 MT rắn, lỏng; Phóng điện E1 trong khí, bán dẫn Phát xạ cộng h−ởng: Laser phát ra -8 -9 Thời gian sống ở mức E3 , E4 cỡ 10 -10 s vμ nhảy xuống mức E2 ->môi tr−ờng ở trạng thái đảo mật độ N2>>N1. Thời gian sống ở mức E2 cỡ 10-3s vμ nhảy xuống mức E1 khi có kích thích
16. 6.6. LASER hồng ngọc Al2O3 pha tạp 0.03-0.05% Cr2O3 λ=692.7nm II Neon 694.3nm Cr+++ xanh I III -7 (10 s) τI & τII -3 V << τIII (10 s) Mức cơ bản LASER xung : Khi từ trạng thái III nhảy về trạng thái cơ bản phát ra chớp sáng loé.
17. 6.7. LASER Hêli-Neon eV 19.81 He (I) vađập Ne(II) 90%He+10%Ne Ne(IV) áp suất cỡ 1.1mmHg Ne(III) Đảo mật độ giữa Ne(IV) vμ Ne(III) λ=632.8nm LASER bán dẫn V dẫn mức donor E2 p hν=En-Eh n mức Acceptor E1 V Hoá trị Đảo mật độ giữa vùng hoá trị vμ vùng dẫn
18. 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 Δλ~ (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−ờngđộánhsángcựclớnE~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,
19. Điều biên AM, Điều tần FM, Chế độ xung cực ngắn 6.10-15s(femtosecond) 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 c=(299792458±1)m/s Điều khiển từ xa Bom laser
20. b, Tạo ảnh 3 chiều honogram g−ơng A Phim nguồn laser g−ơng B
21. c, Kỹ thuật thông tin • Góc mở nhỏ, tần số cao (= 106 tầnsốVT)- >200kênh TH •Truyềnl−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
22. •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 bμocỡ micromet • Tần số cao dùng tách các đồng vị phóng xạ
23. f, Quan sát sự chuyển dời nhiều photon f f f ω hω2 2 m hω m Δt ~10-15s ω ω h 1 1 i i f i hấp thụ mộthấp thụ hai trạng thái trung gian photon photon m qua trạng thái không quan sát trung gian m; Δt đ−ợc ~10-8s photon thứ 2 đến Photon thứ 2 kịp trong khoảng Δt đếnnânglên ~10-15s mức f
24. g, Quang học phi tuyến: Khi hiếuc laser vμo chất điện môi gây ra véc tơ phân ực:c 2 3 P= χ E1 + χ E 2 +3 E χ + có thể tạo ra tia laser có b−ớc sóng bằng 1/2 b−ớc sóng tiar sơ cấpr ứng với tia hoạ ba E= E0 sin ω t 2 2 P E=x sin( χ 1 t 0 ω kx − )2 + 0 E χ ω sin − ( t kx ) 1 1 P= χ E sin( ω − t + kxEE χ)2 cos +2 (2 χ ω 2 t − 2 kx ) x 1 0 2 2 0 2 2 0 sóng lan truyền ới: tầnv sốhbằng c í h ht c í ốk ns ầ t c ự nc â h ơp ctkhông é V đổi Sóng hoạ ba thứ 2 có tần số gấp đôig n ó ốs ns ầ t kích thích