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
Vïng DÉn
1. DÉn ®iÖn cña tinh thÓ b¸n dÉn
Eg
E
Vïng Ho¸ trÞ
−
g kT2
n
e~p
=
i
i
kBT > Eg
T=0K
εk
Vïng n¨ng l−îng: Si 4 ®iÖn tö ho¸ trÞ
Lç: Tr¹ng th¸i trèng trong vïng ho¸ trÞ ®iÒn ®Çy gÇn hÕt: m −=
=
h
h
Eg
k
r v;m e r k;
0
−=
>
h
e
r ;v e r e;k e
h
ε−=ε h
−
E d kT2
=
2/1 eNn d
2. B¸n dÉn t¹p chÊt
V DÉn
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
møc donor
As+
-
V Ho¸ trÞ
B- +
V dÉn møc Acceptor
Ed T¹p thuéc nhãm 5: P, as, Sb
−
V Ho¸ trÞ
Ea
2/1 eNp
=
a
T¹p thuéc nhãm 3: B, Al, Ga, In E a kT2
e
3. ChuyÓn tiÕp p-n
εF2 n
p εF1
h - +
Dßng ph¸t sinh cã Jng cña ®iÖn tö tõ n -> p t¸i hîp víi lç → Dßng t¸i hîp cã Jnr
V
- +
Jng+ Jnr=0 ΔV= (εF2 - εF1)/e
- +
.[exp(
I
I
]1) −
=
0
Jnr(Vngh)=Jnr(0).exp(-e|V|/kBT) Jng(Vngh)=Jng(0).
V
Jng+ Jnr≠0 eV kT
ThÕ nghÞch: p(-) n(+) ThÕ thuËn: p(+) n(-) Jnr(Vth)=Jnr(0).exp(e|V|/kBT) Jng(Vth)=Jng(0).
HiÖu øng chØnh l−u Jng+ Jnr≠0
e
n
p
h - +
Pin mÆt trêi
- +
- +
ΔV= (εF2 - εF1)/e
ChiÕu ¸nh s¸ng phï hîp lªn chuyÓn tiÕp p-n Lç (h) vμ ®iÖn tö (e) sinh ra. Lç bÞ ®Èy vÒ bªn tr¸i (thÕ ©m) §iÖn tö bÞ ®Èy vÒ bªn ph¶i (thÕ d−¬ng)
=> Dßng quang ®iÖn => Pin mÆt trêi
§Ìn ®iÖn tö 3 cùc
L−íi
K
A
~
§iÖn ¸p trªn l−íi thay ®æi Ýt -> sè ®iÖn tö tõ K->A thay ®æi m¹nh -> dßng qua ®iÖn trë thay ®æi m¹nh
4. Transitor
- +
dßng ®iÖn tö E C
n
n
IC
+ ΔIC
l−íi + - p
+ - dßng lç IE + ΔIE
+ ΔIB
ΔUBE==> ΔIB
- + dßng dß B IB - + - +
==> ΔIE -->ΔIC IB << IC IE = IB + IC víi
E
C
E
C
C
=β
I I
UBE UBC + ΔUBE + ΔUBC
B
B n-p-n
B p-n-p
HÖ sè khuyÕch ®¹i dßng Δ Δ
5. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn
- -
p e
- T1 +
++
T2
n h
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)
E2
hν=E2-E1
E1
kÝch thÝch
ph¸t x¹
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
E2
hν=E2-E1
kÝch thÝch
E1
ph¸t x¹
Thêi gian hÖ ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch Δt~h/ ΔE ~ 10-8 -10-9s
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,
kÕt hîp triÖt ®Ó gi÷a ph¸t x¹ vμ kÝch thÝch
E
−
2
EE − 2 1 kT
e~
N N
1
E2 E1
−
−
N2 N1
0
N
E 2 kT
E 1 kT
e~N 2
e~N 1
−
E 1 kT
6.3. Tr¹ng th¸i hÖ Nguyªn tö = h¹t; Møc n¨ng l−îng E2>E1. N-tæng sè h¹t cña hÖ
e~N~P 1
1
−
E 2 kT
e~N~P 2
2
X¸c suÊt hÊp thô
X¸c suÊt ph¸t x¹ tõ møc E2 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
−
E
E
1
2
2
EE − 2 1 kT
ln
−=
>
e
=
=
− 2 kT
1
N N
1
0 Nªn T<0
−
2
EE − 2 1 kT
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 N P 2 N P 1
e
N N
1
Ph©n bè më réng Boltzman
= T>0 c©n b»ng nhiÖt ®éng lùc T<0 ®¶o mËt ®é h¹t
§Ó ®¶o ®−îc mËt ®é h¹t th× tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng bÞ ph¸ vì
E2
hν=E2-E1
E1
M«i tr−êng ®¶o mËt ®é h¹t lμ m«i tr−êng kÝch ho¹t
E2
hν=E2-E1 kÝch thÝch
hÊp thô: bøc x¹ truyÒn qua suy gi¶m
E1
ph¸t x¹
Ph¸t x¹ c¶m øng: bøc x¹ truyÒn qua m¹nh lªn
x'
α−
I
I0
I
=
0 e.I
x
HÊp thô ¸nh s¸ng bëi m«i tr−êng
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
I
I0
M«i tr−êng kÝch ho¹t cã tr¹ng th¸i ®¶o mËt ®é h¹t N2>>N1 x α
I
=
0 e.I
x
L
nL =
λ 2
M¸y ph¸t Laser:
M«i tr−êng kÝch ho¹t
G−¬ng ph¶n x¹ 50%
G−¬ng ph¶n x¹ 100% - 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
BiÓu thøc c−êng ®é bøc x¹ céng h−ëng Bé céng h−ëng - HiÖu øng Laser
E4 E3
E2
hν=E2-E1
6.5. C¬ chÕ b¬m - Ph¸t x¹ céng h−ëng
E1
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
Ph¸t x¹ céng h−ëng: Laser ph¸t ra 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. Thêi gian sèng ë møc E2 cì 10-3s vμ nh¶y xuèng møc E1 khi cã kÝch thÝch
6.6. LASER hång ngäc
II
λ=692.7nm 694.3nm
Cr+++
I
Al2O3 pha t¹p 0.03-0.05% Cr2O3
III
V
(10-7 s) τI & τII << τIII (10-3s)
Neon xanh
Møc c¬ b¶n
LASER xung : Khi tõ tr¹ng th¸i III nh¶y vÒ tr¹ng th¸i c¬ b¶n ph¸t ra chíp s¸ng loÐ.
eV
19.81 He (I) va®Ëp Ne(II)
Ne(IV)
90%He+10%Ne
Ne(III)
¸p suÊt cì 1.1mmHg
6.7. LASER Hªli-Neon
λ=632.8nm
§¶o mËt ®é gi÷a Ne(IV) vμ Ne(III)
V dÉn
møc donor E2
p n
hν=En-Eh
møc Acceptor E1
V Ho¸ trÞ
LASER b¸n dÉn
§¶o mËt ®é gi÷a vïng ho¸ trÞ vμ vïng dÉn
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,
§iÒu biªn AM, §iÒu tÇn FM, ChÕ ®é xung cùc ng¾n 6.10-15s(femtosecond)
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
c=(299792458±1)m/s §iÒu khiÓn tõ xa
Bom laser
b, T¹o ¶nh 3 chiÒu honogram
Phim g−¬ng A
g−¬ng B
nguån laser
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
f
f
2ω
2ωh
m
ωh
Δt ~10-15s
m
1ω
i
1ωh f
i hÊp thô mét photon
tr¹ng th¸i trung gian m kh«ng quan s¸t ®−îc photon thø 2 ®Õn trong kho¶ng Δt ~10-15s
i hÊp thô hai photon qua tr¹ng th¸i trung gian m; Δt ~10-8s Photon thø 2 kÞp ®Õn n©ng lªn møc f
f, Quan s¸t sù chuyÓn dêi nhiÒu photon
2
3
P
E
E
...
χ+
χ=
χ+
+
1
2
E 3 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
2
2
E
(
)kx
r r EE = t sin( −ω
χ=
t ω E χ+
t −ω
P x
1
0
2
0
2
2
2
E
E
sin(
)kx
E
cos
t2(
)kx2
χ=
t −ω
−ω
0
2
P x
1
0
0
2
sin 0 )kx 1 χ+ 2
sin 1 χ+ 2
g, Quang häc phi tuyÕn: Khi chiÕu laser vμo chÊt ®iÖn m«i g©y ra vÐc t¬ ph©n cùc:
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
