Hiệu ứng quang điện khảo sát đặc tuyến vôn ampe của tế bào quang điện

Silic (Si). Khái niệm chất bán dẫn tinh khiết chỉ mang tính tương đối. Thực tế chúng ít nhiều có lẫn tạp chất. Đôi khi, người ta cố tình pha tạp chất vào chất bán dẫn để tạo ra một chất bán dẫn có lẫn tạp chất. Bởi vì một số loại tạp chất có ảnh hưởng rất mạnh lên tính dẫn điện của một chất bán dẫn. IV.5.2 Chất bán dẫn pha tạp IV.5.2.1 Chất bán dẫn loại n Pha một lượng rất nhỏ asen (As) vào khối chất bán dẫn tinh khiết gecmani (Ge). Bán kính của nguyên tử As gần bằng bán kính nguyên tử Ge nên có thể thay thế một nguyên tử Ge trong mạng tinh thể. As có hóa trị 5. Bốn điện tử của Ge tạo thành 4 liên kết hóa trị: Một electron của As bị các nguyên tử Ge xung quanh hút nên liên kết yếu với nguyên tử của nó (năng lượng liên kết giảm 256 lần, chỉ còn khoảng 0,15 eV). Khi tăng nhiệt độ của tinh thể thì electron thừa này sẽ tách khỏi As trở thành electron tự do. Khi đó, nguyên tử As trở thành ion dương gắn chặt vào mạng tinh thể, không tham gia dẫn điện. Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM28 Theo thuyết miền năng lượng, ở nhiệt độ thấp các nối hóa trị đều có năng lượng nằm trong miền hóa trị. Chỉ có electron thừa của As có năng lượng ED nằm trong miền cấm và cách đáy miền dẫn một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,015 eV. Miền này gọi là miền tạp chất. Các mức năng lượng nằm trong miền tạp chất gọi là mức cho. Các nguyên tử tạp chất gọi là các nguyên tử cho (đôno). Năng lượng cần thiết để lấy electron thừa ra khỏi nguyên tử nhỏ hơn năng lượng của miền cấm nhiều. Như vậy ta cần năng lượng ít hơn năng lượng miền cấm để đưa các electron này lên miền dẫn. Ngay ở nhiệt độ thường, các electron trong miền tạp chất dễ dàng nhảy lên miền dẫn để tham gia sự dẫn điện. Tuy nhiên, các electron này không tạo ra lỗ trống trong miền hóa trị nên ● ● 2 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge As ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● 1 Hình 8. Giản đồ mạng tinh thể Ge có pha tạp chất nhóm V (As) 1. Đono bị ion hóa 2. Điện tử thừa: dễ bứt ra. ● ● ● ● ● ● ED=0,015 eV Hình 8. Các mức năng lượng trong bán dẫn loại n. Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM29 nồng độ electron lớn hơn nồng độ lỗ trống. Hạt mang điện cơ bản là electron, nên sự dẫn điện gọi là sự dẫn điện bằng electron. Chất bán dẫn có số electron trong miền dẫn nhiều hơn số lỗ trống trong miền hóa trị gọi là chất bán dẫn loại n. IV.5.2.2 Chất bán dẫn loại p Pha một lượng rất nhỏ indi (In) vào khối bán dẫn gecmani (Ge) tinh khiết. Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Ge nên một nguyên tử In có thể thay thế một nguyên tử Ge. Do In có hóa trị 3 nên để liên kết với 4 nguyên tử Ge nó phải nhận thêm 1 electron từ nguyên tử Ge kế cạnh (ta có thể xem như In mang một lỗ trống). Một electron của Ge sẽ tham gia vào liên kết nếu nhận đủ nằn lượng cần thiết (khoảng 0,015eV). Khi đó, tại chỗ mà nó vừa rời khỏi lại bị một electron hóa trị Ge nhảy vào và chiếm chỗ tạo nên lỗ trống. Theo thuyết miền năng lượng, ở nhiệt độ thấp các electron đều có năng lượng nằm trong miền hóa trị. Một electron của Ge có electron nằm trong miền hóa trị nhưng không tạo nối với In. Giữa In và Ge này ta có một trạng thái năng lượng trống có năng lượng EA nằm trong dãy cấm và cách đỉnh miền hóa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,015eV. Miền năng lượng này cũng gọi là miền tạp chất. Các mức năng lượng Hình 10. Giản đồ mạng tinh thể bán dẫn Ge pha tạp chất nhóm III (In). 1.Axepto bị ion hóa. 2. Lỗ trống thừa: dễ bị đứt 2 ● ● ● ● ● ● ● ● 1 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ○ ● ● ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge In ● ●Ge Ge ● ●● ● ● ●● ●Ge Ge ● ●Ge Ge Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM30 nằm trong miền này gọi là các mức nhận. Các nguyên tử tạp chất gọi là nguyên tử nhận (acxepto). Năng lượng cần thiết để lắp chỗ trống nhỏ hơn năng lượng cần thiết để đưa electron vượt miền cấm. Khi tăng nhiêt độ tinh thể sẽ có một số electron trong dãy hóa trị nhận năng lượng và vượt dãy cấm lên dãy dẫn điện. Đồng thời ngay ở nhiệt độ thường các electron hóa trị của dãy hóa trị có đủ năng lượng để nhảy lên miền cấm. Các quá trình này làm xuất hiện lỗ trống trong miền hóa trị nhưng không tạo ra electron dẫn. Như vậy nồng độ lỗ trống lớn hơn nồng độ electron. Hạt mang điện cở bản là lỗ trống. Sự dẫn điện này gọi là sự dẫn điện bằng lỗ trống. Chất bán dẫn có số lỗ trống trong dãy hóa trị nhiều hơn số electron trong dãy dẫn điện gọi là chất bán dẫn loại p. IV.5.2.3 Lớp chuyển tiếp p_n Ta xét xem có hiện tượng gì xảy ra khi đưa chất bán dẫn loại n tiếp xúc với chất bán dẫn loại p. Phần lớn các dụng cụ bán dẫn thường bao gồm các miền loại p và loại n nối tiếp nhau. Lớp chuyển tiếp giữa hai miền đó tạo ra đặc trưng điện có ích. Đặt hai bán dẫn loại n và loại p tiếp xúc nhau. Các electron khuếch tán từ vùng n sang vùng p. Đồng thời các lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n. Trong khi di chuyển, các electron và lỗ trống có thể tái hợp với nhau. Tại mặt phân cách hình thành một lớp mỏng gọi là lớp chuyển tiếp p_n. Ở gần lớp chuyển tiếp chất bán dẫn loại n xuất hiện một lớp điện tích dương và năng lượng electron của lớp này giảm. Ở chất bán dẫn loại p xuất hiện một lớp điện tích âm và năng lượng electron của lớp này tăng. Ở gần lớp chuyển tiếp p_n mật độ điện tích đa số giảm đi, bé hơn mật độ pha tạp. Ở các vị trí cố định, điện tích của tạp chất không bị trung hòa hình thành một miền điện tích không gian cố định. Tại gần bề măt tiếp xúc sẽ còn lại các ion âm của nguyên ●○ ● ●● EA= 0,015 eV Hình 11. Các mức năng lượng trong chất bán dẫn loại p Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM31 tử nhận trong vùng p và ion dương của nguyên tử cho trong vùng n tạo ra một điện trường Etx tại nơi tiếp xúc chống lại sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số nhưng lại tăng cường sự di chuyển của hạt dẫn thiểu số. Etx có chiều từ n sang p. Gọi ic là dòng điện tạo nên do các hạt mang điện cơ bản (electron và lỗ trống), ic hướng từ p sang n. Dưới tác dụng của điện trường Etx các hạt mang điện không cơ bản rơi từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp, tạo thành dòng điện ik ngược chiều với dòng điện khuếch tán ic sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu. i = ic= ik= 0 Lúc đó ta có trạng thái cân bằng nhiệt. Để giữ được cân bằng, thông lượng tổng cộng của lỗ trống và electron phải bằng không. Thông lượng khuếch tán của mỗi loại phần tử tải điện của lớp chuyển tiếp p_n đúng bằng và ngược với thông lượng của mỗi phần tử tải điện do điện trường gây ra. Thông lượng tổng cộng các lỗ trống: dx dE P qdx dE P kT D F Fp pp P  1 Thông lượng electron: dx dE n qdx dE n KT D F Fn Fn n  1 ic Etx P n - + - + - + - ik Hình 13: lớp chuyển tiếp p_n ở trạng thái cân bằng Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM32 Với:  n: nồng độ electron  p: nồng độ lỗ trống  Dp: Hệ số khuếch tán của lỗ trống  Dn: hệ số khuếch tán của electron  µn: độ linh động của electron  µp: độ linh động của lỗ trống  k: hằng số Boltzmam  EF: mức Fecmi. Theo lý thuyết thống kê Fecmi_Dirac xác suất mà một trạng thái điện tử có năng lượng E bị chiếm bởi 1 electron: kT EE F e Ef    1 1 )( Mức Fecmi là trạng thái năng lượng mà ở đó xác suất chiếm trạng thái năng lượng bởi 1 electron đúng bằng 1/2 f(E)= ½ DF Ec Ev Hình 14. Mức Fecmi trong mô hình những mức năng lượng của lớp chuyển tiếp p_n. Hình 12: sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p_n. EgEF P n- + - + - + P n Vùng hóa trị Vùng dẫn Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM33 Tương ứng với điện trường Etx ta có một điện thế Utx hai bên mối nối là rào điện thế (còn gọi là điện thế tiếp xúc). Thông thường: Utx= 0,7V nếu chất bán dẫn là Ge Utx= 0,3V nếu chất bán dẫn là Si Độ lớn của rào điện thế phụ thuộc vào chiều của điện trường ngoài đặt vào hai bán dẫn. Trường hợp chiều của điện trường ngoài ngược với chiều của điện trường Etx ở lớp chuyển tiếp. Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại n và cực dương vào chất bán dẫn loại p ( phân cực nghịch ) Hàng rào thế hạ xuống tại nơi tiếp xúc nghĩa là năng lượng electron trong chất bán dẫn loại n tăng và trong chất bán dẫn loại p giảm. Như vậy có nhiều hạt mang điện cơ bản vượt qua rào thế, dòng ic tăng trong khi ik không thay đổi. Dòng điện tổng cộng tại nơi tiếp xúc i = ic- ik có chiều từ p sang n, i tăng khi hiệu điện thế tăng. Trường hợp chiều điện trường ngoài trùng với chiều của điện trường lớp chuyển tiếp p_n. Ta đặt cực âm vào chất bán dẫn loại p và cực dương vào chất bán dẫn loại n (phân cực thuận). Electron trong bán dẫn loại n và lỗ trống trong bán dẫn loại p bị “hút” lại phía điện cực, khiến cho tại bờ miền điện tích không gian xuất hiện những ion mới lấn sâu vào bán dẫn n và p. Độ cao hàng rào thế tăng lên và dòng điện không Hình 15: sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p_n khi phân cực nghịch. EgEF P n Vùng hóa trị Vùng dẫn -+ P n+ - + - + - Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM34 thể đi qua lớp tiếp xúc được. Dòng điện đi qua lớp tiếp xúc chỉ còn dòng ik rất bé. Dòng điện tổng cộng i có chiều từ p sang n và không phụ thuộc vào thế hiệu. Như vậy lớp chuyển tiếp p_n có tính chất chỉnh lưu: nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều. Bằng kỹ thuật Epitaxi người ta chế tạo ra lớp chuyển tiếp p_n (mối nối p_n) được mô tả như sau: Trước tiên người ta dùng một thân Si_n+, (nghĩa là pha khá nhiều phân tử cho). Si_n+ - + - + - + - + - + p n ik Hình 16: sơ đồ các mức năng lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị trong lớp chuyển tiếp p_n khi phân cực thuận. EgEF P n Vùng hóa trị Vùng dẫn +- P n- + - + - + Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM35 Trên thân này ta phủ một lớp cách điện SiO2 và một lớp vecni nhạy sáng Song, người ta đặt lên lớp vecni một mặt nạ lỗ trống rồi dùng một bức xạ để chiếu lên mặt nạ. Vùng vecni bị chiếu sáng có thể rửa được bằng một lớp axit và chừa ra một phần Si_n+. Phần còn lại vẫn còn được phủ vecni. Xuyên qua phần không phủ vecni, người ta cho khuếch tán các nguyên tử acxepto vào thân Si_n+ để biến một vùng này thành Si_p. Sau cùng, người ta phủ một nối p_n có mặt nối giữa vùng p và n+ thẳng. Si_n+ SiO2 Si_n+ SiO2SiO2 phần SiO2 bị rửa mất p Si_n anod catod Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM36 V. Quang bán dẫn V.1 Dụng cụ quang bán dẫn: Là loại dụng cụ bán dẫn trong đó có thể biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện hoặc ngược lại từ năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Các dụng cụ quang bán dẫn chia làm ba nhóm: - Nhóm 1: Dụng cụ bán dẫn điện phát quang: biến đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng (điôt phát quang). Hoạt động dựa trên hiệu ứng phát quang. - Nhóm 2: Dụng cụ bán dẫn quang điện: Biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện (tế bào quang điện) hoặc điều chế tín hiệu điện bằng tín hiệu ánh sáng (điện trở quang). Hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn và hiệu ứng quang áp. - Nhóm 3: Dụng cụ bán dẫn kết hợp quang điện: kết hợp cả hai hiệu ứng phát quang và quang dẫn hoặc quang áp. Trong luận văn này chỉ khảo sát các dụng cụ quang bán dẫn thuộc nhóm 2. V.2 Hiệu ứng quang áp: Hiệu ứng quang áp là hiện tượng xuất hiện thế điện động trên hai cực của lớp chuyển tiếp p_n khi được chiếu sáng. Khi ánh sáng chiếu vào thỏa h PE thì nối p_n hấp thụ ánh sáng gây ra sự phát xạ điện tử _lỗ trống. Tại nơi tiếp xúc chất bán dẫn loại p có sự không cân bằng nồng độ hạt dẫn: điện tử bị trường tiếp xúc của lớp chuyển tiếp p_n cuốn sang phía bán dẫn n, còn lỗ trống bị trường này cản lại. Tại nới tiếp xúc hình thành sự tích tụ điện tích: âm ở phía n và dương ở phía p. p nEtx - ED + Ev EF Ec Ea Hình 17. Giản đồ năng lượng của lớp chuyển tiếp p_n được chiếu sáng.  Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM37 - Nếu không nối hai đầu p_n với mạch ngoài thì sự tích tụ này tăng lên. Những hạt dẫn đa số mới hình thành do hấp thụ ánh sáng trung hòa với các hạt dẫn thiểu số trong miền điện tích không gian (miền điện tích giữa hai mối nối). Do đó, điện thế tiếp xúc giảm làm gia tăng sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số qua mối nối. Điều kiện cân bằng bị phá vỡ. Nhưng khi dòng khuếch tán của các hạt dẫn đa số bằng dòng di chuyển ngược lại của các hạt dẫn sinh ra đã hấp thụ ánh sáng thì điều kiện cân bằng được lặp lại. Thế hiệu tiếp xúc bây giờ có giá trị: U = Utx - U Trong đó: Utx: thế hiệu tiếp xúc vốn có của lớp chuyển tiếp. U : điện thế tạo ra bởi các hạt dẫn mới phát sinh trong quá trình hấp thụ ánh sáng, gọi là suất điện động quang điện. U < Utx - Nếu nối hai đầu p_n với mạch ngoài thì trong mạch xuất hiện dòng điện I có chiều từ p qua mạch ngoài vào n.    h eI  Trong đó:   h : số lượng photon được hấp  : Số lượng tử đầu ra (số cặp hạt dẫn)  : Hệ số góp hạt dẫn Đặt:   h e K  : hệ số tỉ lệ   KI  Dựa vào hiệu ứng quang áp người ta chế tạo ra các quang điốt. V.3 Quang Diôt: Điôt cơ bản là một nối p_n. Tùy theo mật độ tạp chất pha vào chất bán dẫn thuần ban đầu, tùy theo sự phân cực của điôt và một số yếu tố khác nữa mà ta có nhiều loại điôt khác nhau tùy vào ứng dụng cụ thể. V.3.1 Cấu trúc của quang diôt: Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM38 Cực nền của quang diôt là bán dẫn Ge loại n. Phiến bán dẫn này được gắn với một điện cực và được đặt trong vỏ kim loại, cửa sổ làm bằng vật liệu trong suốt cho ánh sáng đi qua, đặt đối diện với phiến bán dẫn. 1: phiến Ge 2: giá đỡ tinh thể 3: chât cách điện 4: giá kim loại 5: vỏ 6: Cửa sổ trong suốt Tần số hoạt động của quang điôt lên đến hàng ngàn MHz. V.3.2 Đặc tuyến Volt_Ampe của quang điôt khi được chiếu sáng Người ta thiết kế một sơ đồ để khảo sát đặc tuyến V_I của quang điôt như sau: - + I Rt PN Hình 19. Sơ đồ để khảo sát đặc tuyến V_I của quang điôt. Hình 18. Cấu trúc của quang điôt. 1 2 3 4 5 6 Kí hiệu Sơ đồ mạch Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM39 Gắn vào hai phía p và n hai điện cực. Trong đó điện cực phía p trong suốt để ánh sáng đi qua. Mach ngoài được nối với điện trở Rt. Khi phân cực nghịch, các hạt dẫn thiểu số đi qua lớp tiếp xúc tạo ra dòng điện nghịch Io, nên I cùng hướng với Io. Dòng Io tạo ra điện áp UR trên điện trở Rt có chiều dương hướng về phía bán dẫn p. Điện áp này làm giảm hiệu điện thế tiếp xúc đồng thời làm xuất hiện dòng chảy ngược hướng với Io. Dòng chảy ở mạch ngoài được xác định: Với U = UR = I. Rt ta có thể viết lại: Ta có đặc tuyến V_I sau: Khi không chiếu sang ( =0), quang điôt giống như điôt thường. Khi mạch ngoài ngắn mạch ( Rt = 0) thì ta có: I = I = S      1kT qU oo eIII      1kT tqIR oo eIII )10(1ln      o o R I II q kT U 3 0 I I0 I U Hình 20. Đặc tuyến Volt_Ampe của quang 2 1 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM40 Ứng với U = 0, nếu   1223 thì đặc tuyến cắt trục hoành tại những điểm bằng nhau. Nếu hở mạch đầu ra(I=0) thì ta có      oI s q kT U  1ln  Suất điện động hở mạch xuất hiện trên hai cực của quang điôt tỉ lệ với cường độ chiếu sáng theo hàm Logarit. Trong trường hợp này điện áp xuất hiện trên hai cực của quang điôt gọi là suất điện động quang của quang điôt. V.3.3 Hiện tượng thác lũ Quang điôt được dùng trong các mạch điều khiển để đóng mở mạch điện (dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào và ngưng khi tối). Thế nhưng thực tế cho thấy khi đặt vào điôt một thế hiệu đủ lớn thì điôt sẽ dẫn điện theo chiều ngược lại. Hiện tượng này gọi là sự đánh thủng lớp chuyển tiếp. Ta nghiên cứu sự đánh thủng lớp chuyển tiếp qua cơ chế đánh thủng kiểu thác. Quá trình đánh thủng kiểu thác được minh họa sơ lược như sau: - Bước 1: Sự tạo thành electron_lỗ trống do nhiệt. + Nếu điện trường trong miền điện tích không gian không quá cao, quá trình này tạo một dòng ngược. + Nếu điện trường trong miền điện tích không gian đủ lớn, electron và lỗ trống tạo thành đã có một động năng khá lớn trước khi va chạm với mạng, làm đứt các liên kết Si_Si và tạo ra các electron và lỗ trống mới. 3’ 2’ Điện trường 1 3 2 Hình 21: Minh họa hiện tượng thác lũ Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM41 - Bước 2 và 2’: electron và lỗ trống thu được động năng. - Bước 3: biểu diễn sự va chạm của electron. Electron chuyển động nhanh sẽ truyền động năng của nó cho electron trong vùng hóa trị, làm cho electron này chuyển lên miền dẫn. - Bước 3’: Biểu diễn sự va chạm của electron giống như bước 3. Quá trình 3 và 3’ tạo ra cặp electron và lỗ trống mới. Toàn bộ electron và lỗ trống đó được tăng tốc bởi điện trường mạnh trong miền điện tích không gian. Các electron_lỗ trống được tạo ra có khả năng tạo ra các cặp electron và lỗ trống mới khác. Quá trình tiếp tục như thế. Quá trình này gọi là quá trình thác (hiện tượng thác lũ). Điện trường cần thiết để quá trình thác xảy ra gọi là điện trường tới hạn Eth. Trong quá trình thác đòi hỏi phải có một quá trình gia tốc cho các hạt dẫn khến chúng đạt tới tốc độ nhất định. Nó phụ thuộc vào miền điện tích không gian, vì miền điện tích không gian càng rộng thì quá trình va chạm càng nhiều. Nếu làm tăng số hạt dẫn trong bán dẫn thì hiện tượng sớm xảy ra hoặc xảy ra mãnh liệt hơn. Do số hạt dẫn tăng, sự ion hóa do va chạm tăng. Với hiệu ứng quang điện, quang điôt cho một hiệu điện thế khi được chiếu sáng. Vì vậy, nó có thể làm việc mà không cần điện áp bên ngoài. Tuy nhiên, thời gian lên và sự tuyến tính của quang điôt có thể tốt hơn nếu nó làm việc với một điện áp ngược. (Thời gian lên và thời gian cần thiết để tín hiệu từ 10% lên đến 90% của đỉnh). Tuy nhiên với điện áp ngược quang điôt cũng có những bất lợi: - Gia tăng dòng tối của điôt. - Nâng cao biên độ tiếng ồn. - Nếu điện áp ngược quá lớn có thể làm hỏng điôt. Như vậy quang điôt làm việc không tốt với ánh sáng yếu. V.4 Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn là sự thay đổi độ dẫn xuất của bán dẫn khi chiếu lên nó một chùm tia sáng ở một nhiệt độ cố định. Đối với chất bán dẫn tinh khiết, khi chưa chiếu sáng, độ dẫn xuất cân bằng có giá trị:  Ponoo pne   no, po: nồng độ electron và lỗ trống µn, µp: độ linh động của electron và lỗ trống. σo : dẫn suất tối. Nếu đặt một hiệu điện thế vào chất bán dẫn thì σo sẽ tạo ra dòng điện gọi là dòng tối It. Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM42 Khi chiếu sáng do hiện tượng hấp thụ, nồng độ electron và lỗ trống tăng lên. Gọi on , op là độ tăng electron và lỗ trống. Độ dẫn suất lúc này: ])()[( pppnne oonoo   Độ dẫn suất sáng: )..( pno pne    Gia số điện tử: Npn  Với α: hệ số hấp thụ. β: số cặp hạt dẫn. N: số lượng photon tác dụng lên một đơn vị diện tích bán dẫn trong một giây. Khi chiếu hoặc tắt chùm tia sáng vào bán dẫn nồng độ hạt dẫn tăng/giảm từ từ theo quy luật hàm mũ: Chiếu : )1()( / teNtn  Tắt:  /)( tNetn  Như vậy, khi được chiếu sáng độ dẫn suất của chất bán dẫn tăng theo quy luật hàm mũ (do nồng độ hạt tăng) Ứng dụng hiệu ứng quang dẫn này người ta chế tạo ra điện trở quang. Điện trở quang là một loại bán dẫn mà điện trở của nó biến đổi tùy theo ánh sáng chiếu vào. V.4.1 Hiệu ứng quang dẫn trên hai mức năng lượng Xét một hệ hai mức năng lượng E1 và E2 (E1 < E2). Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp E1. Khi hệ được chiếu sáng, lượng tử ánh sáng có năng lượng hν bị điện tử hấp thụ và nó chuyển lên mức năng lượng cao E2. Phương trình cân bằng năng lượng có dạng: hν = E1 – E2. Đối với vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên các điện tử vành ngoài nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp nhất bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị Eν. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM43 hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn Ec. Cách ly giữa vùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm có độ rộng Eg, trong đó không có mức năng lượng nào cho phép nào của điện tử. Khi chiếu sáng vật rắn, photon có năng lượng hν tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ, sau đó chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, làm xuất hiện lỗ trống mang điện dương h+ ở vùng hóa trị. Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ được diễn tả như sau: Điều kiện để có thể tạo ra cặp điện tử - lỗ trống: hν  Eg = E2 – E1. Suy ra: bước sóng giới hạn λc λc (μm) = EE hc c  = gE hc Trong thực tế các điện tử và lỗ trống đều tham gia quá trình hồi phục: điện tử e- giải phóng năng lượng để chuyển tới bờ vùng dẫn, còn lỗ trống h+ tới vùng hóa trị. Quá trình hồi phục chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 – 10-1 giây và gây ra dao động mạng (phonon). Năng lượng tổn hao do quá trình hồi phục là: (hν – Eg). Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng hν và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử -lỗ trống, tức là tạo ra một hiệu điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện được xác định bởi công thức: η =    0 0 0 0 )( )(    d hc J dJE c g J0 (λ): là mật độ photon có bước sóng λ J0 (λ)dλ: là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ đến λ+dλ E2 E1 hν Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM44  hc : là năng lượng của phton. Tử số là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ từ photon Mẫu số là tổng năng lượng của photon tới hệ. Năng lượng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện do các nguyên nhân sau: - Các photon có năng lượng hν < Eg không bị điện tử hấp thụ để tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, mà truyền qua vật rắn. - Do quá trình hồi phục, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng hν – Eg. - Do quá trình tái hợp điện tử -lỗ trống V.4.2 Hiệu ứng quang dẫn trên lớp tiếp xúc p_n Trong bán dẫn loại n, điện tử là hạt dẫn cơ bản, còn lỗ trống là hạt dẫn không cơ bản, mật độ điện tử nn gần bằng mật độ tạp chất nguyên tử donor ND được pha vào bán dẫn tinh khiết. Ngược lại trong bán dẫn loại p, lỗ trống là hạt dẫn cơ bản, mật độ lỗ trống pp gần bằng mật độ nguyên tử tạp chất acceptor NA được pha vào bán dẫn tinh khiết. Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất donor và acceptor vào bán dẫn tinh khiết đã làm xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm: các mức tạp donor nằm sát dưới đáy vùng dẫn Ec trong bán dẫn loại n. Ngược lại, các mức tạp acceptor lại nằm sát đỉnh vùng hóa trị trong bán dẫn loại p. Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc với nhau, tạo ra một tiếp xúc điện tử p_n thì do sự chênh lệch về mặt độ các hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại, từ p sang n. Sự khuếch tán này làm cho bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phía bán dẫn p đối diện tích điện âm. Trong miền tiếp xúc hình thành một điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn n sang p ngăn cản các quá trình khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Sự hình thành điện trường tiếp xúc dẫn đến sự tạo thành hàng rào thế năng ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM45 điện cơ bản qua lớp tiếp xúc. Khi đạt trạng thái cân bằng, điện trường và hiệu điện thế tiếp xúc sẽ đạt giá trị ổn định phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ của lớp tiếp xúc và có thể biểu diễn bằng công thức sau: Utx = q kT ln 2 i pn n pn = q kT ln 2 i ad n NN Và thế năng tiếp xúc: qUtx = kT ln 2 i pn n pn Vì n i 2 = nn. pn = pp. np qUtx = kT ln p n n n = kT ln n p p p trong đó ni là mật độ điện tử trong bán dẫn chưa pha tạp chất T là nhiệt độ lớp tiếp xúc pn k là hằng số Bônzơman q là điện tích của điện tử Độ dày của lớp tiếp xúc W được xác định theo công thức: W = Wn + Wp = da txda NNq UNN 2 0 )(2  ε0, ε là hằng số điện và hằng số điện môi của bán dẫn Wn, Wp là độ dày lớp tiếp xúc phía bán dẫn n và p. V.4.3 Đặc trưng Vôn – Ampe tối Xét tính chất của lớp tiếp xúc khi chưa được chiếu sáng. Phân cực thuận lớp tiếp xúc p_n, tức là nối cực dương của nguồn ngoài vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p. Khi đó điện trường ngoài E0 và điện trường tiếp xúc ETX cùng chiều. Điện trường tổng hợp E = E0 + ETX trên lớp tiếp xúc rất lớn, hàng rào thế năng bị nâng lên, do vậy ngăn cản không cho dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp Phân cực ngược lớp tiếp xúc p_n, tức là nối cực âm của nguồn ngoài vào bán dẫn n, cực dương vào bán dẫn p. Khi đó điện trường ngoài E0 và điện trường tiếp xúc ETX ngược chiều nhau. Điện trường tổng hợp E = E0 + ETX < EKT trên lớp tiếp xúc rất nhỏ, hàng rào thế năng bị giảm lên hoặc bị khử hoàn toàn, do vậy dòng các hạt tải điện cơ bản có mật độ lớn qua lớp tiếp xúc tăng lên rất nhanh theo hiệu điện thế ngoài. Đường cong khi lớp tiếp xúc không được chiếu sáng được gọi là đường đặc trưng tối Vôn – Ampe của lớp tiếp xúc và nó được mô tả: Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM46 Id = Is[exp kT qV -1] Tóm lại, ở trạng thái không chiếu sáng, lớp tiếp xúc p_n là một phần tử thụ động, không tạo ra năng lượng và có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện qua khi phân cực thuận nó. Đường đặc trưng Vôn – Ampe tối là đường đặc trưng của điôt bán dẫn thông thường. V.4.4 Đường đặc trưng Vôn – Ampe sáng – sự tạo ra dòng quang điện Chiếu sáng lớp tiếp xúc p_n. Dưới tác dụng của các photon ánh sáng, các cặp điện tử-lỗ trống được tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc ETX nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc về các phía đối diện và tạo ra một suất điện động quang điện. Suất điện động quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc p_n khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn, vào nhiệt độ lớp tiếp xúc và vào bước sóng và cường độ ánh sáng tới. Hiện tượng xuất hiện suất điện động quang điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p_n khi chiếu sáng được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Dòng tổng cộng qua lớp tiếp xúc p_n khi đặt một nguồn thế ngoài V được biểu diễn bởi tổng đại số của dòng quang điện Iph và dòng điôt Id như sau: I = Iph – Id = Iph - Is[exp kT qV - 1] Với Iph = qK   dJ c )( 0 0 dòng quang điện Iph tỷ lệ với tổng phôtôn bị hấp thụ. Đặc trưng tối Đặc trưng sáng ISC VOCO V I Phân cực ngược Phân cực thuận a b Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM47 Đường đặc trưng I = f(V) gọi là đường đặc trưng Vôn – Ampe sáng của lớp tiếp xúc bán dẫn p_n. V.5 Điện trở quang: V.5.1 Cấu tạo: Ngày nay điện trở quang được cấu tạo rât đa dạng. Một trong các dạng đó là: V.5.2 Đặc tuyến volt_Ampe: là đường thẳng. Khi không chiếu sáng ( = 0) dòng điện chảy qua điện trở gọi là dòng tối It (do hạt dẫn phát sinh dưới tác dụng của nhiệt độ). Khi chiếu sáng, điện áp dòng tăng. Dòng điện lúc này gọi là dòng tổng cộng Dòng sáng (dòng quang điện): Is = Itg - It I It U T0 T2 T3 T3 > T2 > T1 T1 1 2 3 4 5 Hình 22. Cấu trúc của điện trở quang. 1: Chất cách điện 2: phiến bán dẫn. 3: tiếp xúc kim loại. 4: vỏ. 5: vật liệu trong suốt. Kí hiệu Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM48 V.5.3 Đặc tuyến năng lượng dòng sáng: Khi năng lượng sáng chiếu vào là nhỏ thì I, quan hệ tuyến tính, Nhưng khi  lớn thì I,  quan hệ phi tuyến. Vì năng lượng sáng tăng thì nồng độ hạt dẫn tăng, dẫn tới tốc độ tái hợp tăng. Do đó, dòng tăng chậm lại. V.5.4 Đặc tuyến điện trở: Mô tả quan hệ giữa điện trở và năng lượng chùm sáng chiếu vào. Quan hệ này là tuyến tính. V.5.5 Các tham số của điện trở quang: -Độ nhạy của quang trở: Phụ thuộc vào vật liệu làm lớp nhạy sáng: U I s   - Điện trở tối: là điện trở khi  =0 (RT: từ 1 đến hàng chục MΩ) - Tần số giới hạn: là tần số mà tại đó độ nhạy sáng giảm xuống 2 so với giá trị lúc bình thường. Đối với điện trở quang, tần số giới hạn: 103 đến 104 Hz. - Chùm sáng ngưỡng: là chùm sáng có năng lượng cực tiểu chiếu vào điện trở quang làm cho tín hiệu vượt lên trên miền nhiễu. - Hệ số nhiệt dòng sáng, được tính: const T T IT       1 CoT /1010: 43   R  I  U=const Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM49 PHẦN C. THỰC HÀNH. I. Mục đích Khảo sát sự biến thiên của cường độ dòng quang điện theo hiệu điện thế UAK đặt vào tế bào quang điện. Khảo sát sự phụ thuộc của dòng quang điện bão hòa theo bước sóng ánh sáng. Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thế hãm vào công suất nguồn sáng. Từ đó kiểm nghiệm lại các định luật quang điện của Anhxtanh. II. Dụng cụ 1. Tế bào quang điện chân không: là một bình bằng thạch anh đã hút hết không khí, bên trong có hai điện cực: anôt là một dây kim loại; catôt có dạng lá kim loại mỏng uốn thành nửa hình trụ. 2. Kính lọc sắc: là một hệ thống gồm bốn kính lọc sắc với các màu: đỏ, cam, vàng và lam. 3. Nguồn sáng: là một bóng đèn 12V-35W (đèn xe Honda), có gắn một chụp đèn dùng để hội tụ ánh sáng, phía trước chụp đèn có gắn một một mặt nạ màu đen có khoét một lỗ nhỏ cho vừa đủ lượng ánh sáng đi vào tế bào quang điện. 4. Giá quang học: là một giá có hình chữ nhật (được làm từ các ống nhựa PVC) trên giá có gán chặt các nguồn sáng, tế bào quang điện, và kính lọc sắc. 5. Ampe kế: chỉnh ở giai đo 50µA để đo cường độ dòng quang điện. 6. Hai nguồn điện: một máy dùng để cung cấp hiệu điện thế đặt vào tế bào quang điện, và một máy dùng để cung cấp điện cho nguồn sáng. 7. Một hộp đen: chụp lên hệ thống nguồn sáng, kính lọc sắc và tế bào quang điện, có tác dụng hạn chế ánh sáng từ bên ngoài lọt vào, hoặc các ánh sáng tán xạ của nguồn sáng, để làm cho thí nghiệm được chính xác hơn. III. Thực hành III.1 Cơ sở lý thuyết III.1.1 Ta tìm hiểu một số đại lượng trắc quang liên quan đến nguồn sáng và vật được chiếu sáng.  Quang thông: Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM50 Quang thông cho một chùm sáng gửi tới diện tích dS là một đại lượng đặc trưng cho phần năng lượng của chùm sáng gây ra cảm giác sáng, có giá trị bằng phần năng lượng gây ra cảm giác sáng gởi tới diện tích dS trong một đơn vị thời gian. Ngoài ra người ta còn định nghĩa sau: “Quang thông là đại lượng đặc trưng cho cường độ của cảm giác sáng mà chùm sáng có công suất và bước sóng xác định gây trên mắt ta. Quang thông được tính bằng tích giữa dòng quang năng ứng với bước sóng λ và hàm kiến thị ứng với bước sóng đó. Công thức: dF = k.Φ(λ).dEλ Trong đó: dEλ = eλd λ Hay: dF = k. Φ(λ). eλd λ Với k là hệ số tỉ lệ.  Góc khối: Góc khối nhìn thấy diện tích dS từ điểm O là phần không gian giới hạn bởi hình nón có đỉnh tại O và các đường sinh tựa trên chu vi của dS. Góc khối được đo bằng phần diện tích của mặt cầu có bán kính bằng 1 đơn vị giới hạn bởi hình nón. Mối liên hệ giữa góc khối dΩ và dS. 2 1 rdS d o   coscos dSdS dS dS o o   Cường độ sáng: là đại lượng đặc trưng cho khả năng phát sáng của nguồn theo một phương đã cho, có giá trị bằng quang thông của nguồn sáng gửi đi trong một đơn vị góc khối theo phương đó. Công thức: o dSo αr dΩ 2 cos. r dS d  Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM51   d dF I  Độ dọi: (độ rọi): là đại lượng đặc trưng cho độ sáng của vật được soi. Đó chính là quang thông tới trên một đơn vị diện tích của vật được chiếu sáng. Công thức: dS dF A  2 cos r I dS Id A  Ta thấy cường độ sáng của vật được soi sáng (độ dọi) tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nó đến nguồn sáng. Khi tiến hành thí nghiệm để xác định sự phân bố năng lượng bức xạ theo bước sóng ở một nhiệt độ cho trước, người ta thấy rằng cực đại của năng suất bức xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối được xác định bởi bước sóng λm và dịch chuyển về phía bước sóng ngắn khi nhiệt độ tăng. Trong thí nghiệm này vật được chiếu sáng là tế bào quang điện và nguồn sáng là bóng đèn. Ta thấy cường độ sáng mà tế bào quang điện nhận được phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn sáng tới tế bào quang điện và phụ thuộc vào công suất của nguồn sáng.  Trong thí nghiệm, do ta có nguồn cung cấp điện cho nguồn sáng có bộ phận xác định được cường độ dòng điện và hiệu điện thế, nên ta hoàn toàn xác định được công suất do nguồn sáng phát ra. Do đó ta không khảo sát sự phụ phụ thuộc của cường độ sáng chiếu vào tế bào quang điện vào khoảng cách giữa nguồn sáng và tế bào quang điện mà chỉ khảo sát sự thay đổi của công suất của nguồn sáng. III.1.2. Tế bào quang điện a) Để nghiên cứu hiện tượng quang điện ngoài, người ta dùng tế bào quang điện chân không. Cấu tạo của nó gồm một bóng thuỷ tinh được hút chân không tới khoảng 10-6 ÷ 10-8 mmHg, bên trong có hai điện cực: anốt A là một vòng dây kim loại đặt ở giữa, catốt K là lớp chất nhạy quang (ví dụ: xesi antimon…) phủ trên một nửa mặt phía trong bóng thủy tinh. Anốt A nối với cực dương và catốt K nối với Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM52 cực âm của nguồn điện một chiều U. Hiệu điện thế UAK giữa Anốt A và catốt K được đo bằng vôn kế V và có thể thay đổi nhờ một biến trở R ( còn gọi là chiết áp). Khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp có bước sóng λ ≤ λ0 vào catốt K trong mạch điện của tế bào quang điện xuất hiện dòng quang điện có cường độ I. Cường độ dòng điện I tăng dần theo hiệu điện thế UAK , cho tới khi UAK > Ubh thì cường độ I không tăng nữa và đạt giá trị không đổi Ibh gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa. Cường độ dòng quang điện bão hoà Ibh tăng tỉ lệ với cường độ của chùm sáng thích hợp chiếu vào catốt K. b) Với chùm ánh sáng thích hợp λ ≤ λ0 chiếu vào catốt K, ta nhận thấy: - Khi UAK > 0 và càng tăng thì số quang êlectrôn chuyển động từ catốt K về anốt A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ dòng quang điện I càng tăng. - Khi UAK > Ubh thì toàn bộ số quang êlectrôn thoát khỏi catốt K trong mỗi đơn vị thời gian đều bị hút về anốt A, do đó cường độ I của dòng quang điện không tăng nữa và đạt giá trị bão hoà Ibh. - Nếu cường độ chùm sáng thích hợp chiếu vào catốt K càng mạnh thì số phôtôn đến đập vào catốt K trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó, số quang êlectrôn thoát khỏi catốt K và chuyển động về anốt A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ dòng quang điện bão hoà Ibh càng lớn. c) Khi UAK = 0, một số quang êlectrôn có động năng cực đại 2 2 maxmv đủ lớn vẫn có thể bay từ catốt K sang anốt A để tạo thành dòng điện cường độ I0 ≠ 0 khá nhỏ. Muốn làm cho dòng quang điện triệt tiêu (I0 = 0), ta phải đặt vào hai cực AK của tế bào quang điện một hiệu điện thế hãm Uh có giá trị âm (Uc = - UAK < 0), sao cho công cản giữa điện trường giữa anốt A và catốt K có trị số bằng động năng cực đại của quang êlectrôn: 2 2 maxmveU  (1) Ở đây e = 1,6.10-19 C là điện tích của êlectrôn. So sánh công thức (1) với công thức Anhxtanh: 2 2 maxmvAh   (2), ta được: AheU   (3). Với các ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là: 1 và 2 thì hiệu điện thế hãm có giá trị tương ứng là Uh1 và Uh2 sao cho: AheUh  11  ; AheUh  22  Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM53 Từ đó ta suy ra được giá trị của hằng số Plăng: 21 21    hh UUeh (4). III.2 Thực hành Phương án: Đặt nguồn sáng cách tế bào quang điện một khoảng cách xác định (khoảng 20 cm), kính lọc sắc được đặt vào khoảng giữa của tế bào quang điện và nguồn sáng, thay đổi công suất nguồn sáng bằng cách vặn núm xoay trên máy cung cấp dòng điện cho nguồn sáng. Ta thay đổi công suất P bằng cách thay đổi hiệu điện thế U (U= 8V, 9V và 10V), sau đó ghi nhận giá trị của cường độ dòng điện và hiệu điện thế đặt vào nguồn sáng.  Các số liệu thực nghiệm đo được Ta thấy rằng đối với một màu nhất định của kính lọc sắc thì giá trị của bước sóng không có một giá trị hoàn toàn xác định mà nằm trong khoảng hai giá trị, ví dụ như màu đỏ: mđ  76.064.0  , màu cam: mc  650,0590,0  … Do đó để thực hiện được trong việc xử lí số liệu thực nghiệm ta chọn bước sóng nhỏ nhất trong khoảng đó; Ví dụ: maxmin   ta chọn λ = λmin vì theo công thức của hiện tượng quang điện: heUA hc h   , thì đối với một kim loại nhất định dùng làm catôt của tế bào quang điện, công thoát A có giá trị hoàn toàn xác định, do đó nếu bước sóng λ càng ngắn thì giá trị của hiệu điện thế hãm Uh càng lớn. Nên khi chọn λ = λmin thì ta sẽ có giá trị Uh lớn nhất khi đó tất cả các electron bức ra từ catôt sẽ bị hãm hoàn toàn. Từ: heUA hc h   A hc o  (*)1 1 hc eU h o     Với: h = 6,625.10-34J.s là hằng số Plăng. Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM54 c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không. - Màu đỏ: m 760,0640,0  ; m 7,0 , + Uh = - 0,1V + md  640,0 - Màu cam: m 650,0590,0  ; m 620,0 , + Uh = - 0,2V + mc  590,0 - Màu vàng: m 600,0570,0  ; m 585,0 , + Uh = - 0,3V + mv  570,0 - Màu lam: m 510,0450,0  ; m 480,0 , + Uh = - 0,7V + m 450,0 Ta xác định xem kim loại dùng làm catôt là kim loại gì, bằng cách ta xác định giới hạn quang điện λo và công thoát A của kim loại đó, từ các số liệu thực nghiệm đo được.  Từ các giá trị của Uh và λ kết hợp với công thức (*) ở trên ta tính được các giá trị của giới hạn quang điện đối với từng màu sắc như sau: - Màu đỏ: λo = 0,675μm - Màu cam: λo = 0,652 μm - Màu vàng: λo = 0,661 μm - Màu lam: λo = 0,634μm Giá trị trung bình của các giá trị giới hạn quang điện trên là: mo  656,0  Ta tìm công thoát A đối với từng màu sắc ánh sáng khác nhau, sau đó ta lấy giá trị trung bình của giá trị công thoát A. - Ađỏ = )(10.44,2910.675,0 10.3.10.625,6 20 6 834 0 J hc đ     Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM55 - Acam = )(10.48,3010.652,0 10.3.10.625,6 20 6 834 0 J hc c     - Avàng = )(10.10,3010.661,0 10.3.10.625,6 20 6 834 0 J hc V     - Alam = )(10.35,3110.634,0 10.3.10.625,6 20 6 834 0 J hc lam     Từ các giá trị của A ta xác định giá trị trung bình của A: )(10.34,30 20 JAA tb  Vậy, từ giá trị trung bình của giới hạn quang điện và giá trị trung bình của công thoát , ta có thể kết luận rằng kim loại dùng làm catôt của tế bào quang điện trong thí nghiệm đã thực hiện là kim loại kiềm Xesi (Cs), có giới hạn quang điện là: mo  660,0 Với giá trị của giới hạn quang điện vừa xác định và dựa vào công thức: A hc o  ta xác định được giá trị thực của công thoát A của kim loại dùng làm catôt của tế bào quang điện dùng trong thí nghiệm: J hc A o 20 6 834 10.11,30 10.660,0 10.3.10.625,6      Từ giá trị của công thoát A ta xác định được các giá trị theo lý thuyết của hiệu điện thế hãm đối với từng màu sắc ánh sáng nhất định. Theo công thức: heUA hc   , ta tính được các giá trị Uh theo lý thuyết đối với từng màu sắc ánh sáng khác nhau. Giá trị thực nghiệm (đo được) Giá trị theo lý thuyết - Màu đỏ: Uh = - 0.1V - Màu cam: Uh = - 0.2V - Màu vàng: Uh = - 0.3V - Màu lam: Uh = - 0.8V - Màu đỏ : Uh = - 0,06 V - Màu cam: Uh = - 0,22 V - Màu vàng: Uh = - 0,30 V - Màu lam: Uh = - 0,88 V Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM56 Nhận xét : từ bảng số liệu trên ta nhận thấy giá trị thực nghiệm đo được gần đạt được giá trị chính xác, có sai số là do chủ quan của người đọc, điều kiện làm thí nghiệm chưa thật hoàn hảo và một sai số khách quan không thể khống chế được là do độ chia nhỏ nhất của máy đo hiệu điện thế, chỉ có khả năng đo giá trị nhỏ nhất đến phần chục, không thể đo đến phần trăm, mà giá trị theo lý thuyết lại đạt đến giá trị phần trăm ( ví dụ như đối với màu đỏ: giá trị lý thuyết là Uh = - 0,06 V trong khi giá trị đo được chỉ có thể đọc đến giới hạn nhỏ nhất là: Uh = 0,1 V). Bảng số liệu: Với: Uđ: là hiệu điện thế của nguồn sáng. Iđ: Cường độ dòng điện của nguồn sáng . UAK: Hiệu thế giữa hai đầu anôt và catôt của tế bào quang điện. Iqđ: Cường độ dòng quang điện đo được. - Ta khảo sát các đường biểu diễn: I = f(UAK); Ibh = f(λ); Uh = f(P). 1. Khảo sát đặc tuyến vôn-ampe: I = f(UAK), đối với từng màu sắc khác nhau. a. Màu đỏ: Uh= - 0.1V , m0,640  đ Uđ (V) 8,0 Iđ (A) 2,02 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 Iqđ ( A ) 0,1 0,15 0,25 0,3 0,4 0,6 0,75 0,75 0,75 Uđ (V) 9,0 Iđ (A) 2,16 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 Iqđ ( A ) 0,15 0,25 0,5 0,7 0,8 1,0 1,0 1,0 1,0 Uđ (V) 10 Iđ (A) 2,29 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 Iqđ ( A ) 0,25 0,5 0,75 0,9 1,0 1,2 1,25 1,25 1,25 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM57 Màu đỏ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -5 0 5 10 15 20 25 Uak Iq d Iqd b. Màu cam: 0 , 5 9 0c m  , Uh= - 0,2V Uđ (V) 8,0 Iđ (A) 2,03 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 Iqđ ( A ) 0,25 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 2,25 2,25 2,25 Uđ (V) 9,0 Iđ (A) 2,17 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 Iqđ ( A ) 0,3 1,25 2,0 2,25 2,5 3,0 3,25 3,5 3,5 Uđ (V) 10 Iđ (A) 2,3 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 Iqđ ( A ) 0,75 1,75 2,75 3,25 3,75 4,25 4,75 5 5 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM58 Màu Cam 0 1 2 3 4 5 6 -5 0 5 10 15 20 25 Uak Iq d Iqd c. Màu vàng: 0 , 5 7 0v m  , Uh= - 0,3V Uđ (V) 8,0 Iđ (A) 2,03 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Iqđ ( A ) 0,75 1,75 3,1 3,8 4,25 5,5 5,75 6,0 6,0 6,0 6,0 Uđ (V) 9,0 Iđ (A) 2,17 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Iqđ ( A ) 1,0 2,75 4,75 5,9 6,75 8,1 9,1 9,75 9,75 9,75 9,75 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM59 Màu Vàng 0 2 4 6 8 10 12 14 16 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Uak Iq d Iqd d. Màu lam: m0,450 lam , Uh= - 0,8V Uđ (V) 10 Iđ (A) 2,3 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Iqđ ( A ) 1,25 3,75 6,0 8,1 9,75 12,1 13,75 14,25 14,5 14,75 14,75 Uđ (V) 8,0 Iđ (A) 2,02 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Iqđ ( A ) 0,5 1,75 2,5 3,0 3,5 4,25 5,0 5,1 5,1 5,1 5,1 Uđ (V) 9,0 Iđ (A) 2,17 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Iqđ ( A ) 1,0 2,3 4,0 5,0 5,8 7,25 8,25 8,75 8,75 8,75 8,75 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM60 Màu Lam 0 2 4 6 8 10 12 14 16 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Uak Iq d Iqd Đồ thị đường đặc trưng vôn-ampe theo lý thuyết: Uđ (V) 10 Iđ (A) 2,29 UAK (V) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Iqđ ( A ) 1,25 3,25 5,5 7,25 8,75 11,25 13 13,5 13,75 14 14 O Ibh3 Ibh2 Ibh1 UAK I U Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM61 Nhận xét: - Ta nhận thấy đồ thị đường đặc trưng vôn-ampe theo lý thuyết và theo thực nghiệm có độ uốn cong gần như nhau, do đó ta có thể kết luận rằng, kết quả thí nghiệm gần như chính xác, có sai số là do chủ quan người đọc số liệu trên dụng cụ đo và sai số một phần nhỏ do dụng cụ đo, điều kiên thí nghiệm trong phòng không hoàn toàn tối. - Đồ thị trong khoảng từ Uh tới tọa độ O không có độ công rõ nét : một phần do kim loại dùng làm catôt của tế bào quang điện là Xesi(Cs) có giới hạn quang điện trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nên hiệu điện thế hãm dùng để triệt tiêu dòng quang điện nhỏ, nên tỉ lệ xích chia trên đồ thị không thật hoàn hảo, do đó dẫn đến đường cong vôn-ampe không thấy rõ như trong lý thuyết và do ta không thể đọc được các giá trị nhỏ hơn và rất gần nhau, cho nên đồ thị không có đường cong thật rõ nét. 2. Khảo sát độ lớn của cường độ dòng quang điện bão hòa theo từng màu sắc ánh sáng khác nhau (từng bước sóng khác nhau) Ibh = f(λ), với công suất nguồn sáng được giữ không đổi. Cụ thể là ta giữ công suất P = 23 W (U = 10 V, I = 2,3 A) Trong đồ thị, theo thứ tự từ dưới lên trên là các đường ứng với bước sóng của ánh sáng màu đỏ, cam, vàng lam. Bảng số liệu đo được: Uđ (V) 10 Iđ(A) 2,3 UAK (v) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Màu đỏ Iqđ ( A ) 0,25 0,5 0,75 0,9 1,0 1,2 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 UAK (v) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Màu cam Iqđ ( A ) 0,75 1,75 2,75 3,25 3,75 4,25 4,75 5 5 5 5 Màu vàng UAK (v) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM62 Iqđ ( A ) 1,25 3,75 6,0 8,1 9,75 12,1 13,75 14,25 14,5 14,75 14,75 UAK (v) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 5,0 10 15 20 25 30 Màu lam Iqđ ( A ) 1,25 3,25 5,5 7,25 8,75 11,25 13 13,5 13,75 14 14 Ibh theo bước sóng 0 2 4 6 8 10 12 14 16 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Uak Iq d Iqd Nhận xét: Từ đồ thị ta nhận thấy với một công suất P xác định của nguồn sáng, thì đối với từng màu sắc khác nhau thì cường độ dòng quang điện bão hoà có giá trị khác nhau (màu lam có cường độ lớn nhất, tiếp theo là màu vàng, màu cam và cuối cùng là màu đỏ có cường độ dòng quang điện nhỏ nhất). 3. Khảo sát sự biến thiên của Uh theo giá trị của công suất P của nguồn sáng (Uh = f(P)): Đối với các màu sắc khác nhau thì đồ thị của Uh theo P là tương tự nhau, nên ở đây ta có thể chọn màu vàng để khảo sát. - Màu vàng: m 600,0570,0  , Uh= - 0.3V Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM63 Uh theo P 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0 5 10 15 20 25 P U h Uh Nhận xét: Từ đồ thị ta nhận thấy rằng độ lớn của hiệu điện thế hãm Uh giữa hai đầu UAk, không phụ thuộc vào công suất của nguồn sáng. Đồ thị là một đường thẳng song song với trục P, cắt trục Uh tại vị trí hU = 0,3V. Uđ (V) 6 7 8 9 10 Iđ (A) 1,71 1,87 2,03 2,17 2,3 Pđ (W) 10,26 12,6 16,24 19,53 23 hU (v) 0,3 0,.3 0,.3 0,.3 0,.3 Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM64 Phần D. KẾT LUẬN Như vậy, qua quá trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về đề tài “ hiệu ứng quang điện_khảo sát đặc tuyến Vôn_Ampe của tế bào quang điện” tôi đã có cơ hội đào sâu hơn về các kiến thức liên quan đến hiện tượng quang điện, có thêm được nhiều kinh nghiệm trong việc tự mình thiết kế chế tạo bộ dụng cụ thí nghiệm phục vụ đắc lực cho công tác giảng dạy sau này. Và điều đó giúp tôi có đủ tự tin ,vững vàng hơn trong việc nỗ lực phấn đấu vì mục đích trở thành giáo viên thực sự có năng lực trong ở trường phổ thông trong tương lai. Thông qua thí nghiệm này giúp tôi có thể kiểm nghiệm lại được một số nội dung về hiện tượng quang điện: - Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện vào hiệu điện thế giữa hai đầu Anôt và Catôt của tế bào quang điện. - Số phôtôn phát ra trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với công suất của nguồn sáng. - Kiểm nghiệm lại được các định luật quang điện. Trong quá trình tiến hành thí nghiệm tôi đã tìm được các nguyên nhân, hạn chế và các tác nhân bên ngoài làm ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm, từ đó tôi đã tìm biện pháp khác phục giúp cho kết quả thí nghiệm được chính xác hơn, như việc gắn mặt nạ trước nguồn sáng, dùng hộp đen che ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào, với cùng một công suất đã định trước, tôi đã điều chỉnh sao cho cường độ sáng chiếu vào tế bào quang điện là lớn nhất rồi mới tiến hành đo đạc lấy số liệu. Ngoài ra với dụng cụ thí nghiệm về tế bào quang điện này, chúng ta có thể dùng trong thực hành vật lý đại cương cho các sinh viên đại học hoặc các học sinh ở trường phổ thông, để kiểm chứng lại các định luật quang điện và các hiện tượng có liên quan đến hiệu ứng quang điện. Tôi đã cố hết sức để hoàn thành luận văn này, nhưng đây là luận văn đầu tiên của tôi, chắc không tránh khỏi mắc nhiều sai sót, mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến cho tôi. Hướng mở rộng của đề tài: Dựa vào hiệu ứng quang điện, người ta chế tạo ra các thiết bị có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như Pin Mặt trời và các thiết bị điều khiển tự động. Điều này đã tạo cho tôi cũng như các bạn khác, một hướng nghiên cứu mới: nghiên cứu về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của Pin Mặt trời và các thiết bị điều khiển tự động. Đặc biệt là chế tạo ra Luận văn tốt nghiệp Ngành Sư Phạm Vật Lý GVHD: PHẠM VĂN TUẤN SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẢM65 các thiết bị điều khiển tự động; và các thiết bị sử dụng năng lượng ánh sáng Mặt trời phục vụ cho nhu cầu sống của con người, cũng như trong việc giảng dạy sau này. Trong sự nỗ lực cố gắng để hoàn thành đề tài này đã rèn luyện cho tôi, tính kiên trì, nhẫn nại, tính cẩn thận trong việc tiến hành thí nghiệm cũng như việc tìm hiểu về các vấn đề liên quan đến đề tài, và đó chính là một đức tính không thể thiếu của một người học Vật lý. Với đức tính đó, cũng như việc hoàn thành đề tài luận văn này giúp tôi hoàn toàn có đủ tự tin trong việc tiếp tục nghiên cứu khoa học, tiếp tục công hiến cho khoa học cũng như trong việc làm khoa học trong tương lai của mình.