Chương 4 - Linh kiện quang điện tử

Linh kiện quang điện tử I. khái niệm chung về kỹ thuật quang điện tử 1. Định nghĩa Quang điện tử là những hiệu ứng t-ơng hỗ giữa bức xạ ánh sáng và mạch điện tử. Bức xạ ánh sáng là 1 dạng của bức xạ điện từ có dải b-ớc sóng từ 0,001 nm đến 1cm. Sự thay đổi trạng thái năng l-ợng trong nguyên tử và phân tử là nguồn gốc của các bức xạ ánh sáng đó. Các bức xạ quang đ-ợc chia thành 3 vùng là: Vùng cực tím Vùng ánh sáng nhìn thấy Vùng hồng...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 4 - Linh kiện quang điện tử Ch−¬ng IV: Linh kiÖn quang ®iÖn tö Ch−¬ng IV Linh kiÖn quang ®iÖn tö I. kh¸i niÖm chung vÒ kü thuËt quang ®iÖn tö 1. §Þnh nghÜa Quang ®iÖn tö lµ nh÷ng hiÖu øng t−¬ng hç gi÷a bøc x¹ ¸nh s¸ng vµ m¹ch ®iÖn tö. Bøc x¹ ¸nh s¸ng lµ 1 d¹ng cña bøc x¹ ®iÖn tõ cã d¶i b−íc sãng tõ 0,001 nm ®Õn 1cm. Sù thay ®æi tr¹ng th¸i n¨ng l−îng trong nguyªn tö vµ ph©n tö lµ nguån gèc cña c¸c bøc x¹ ¸nh s¸ng ®ã. C¸c bøc x¹ quang ®−îc chia thµnh 3 vïng lµ: Vïng cùc tÝm §é dµi b−íc sãng tõ 100 nm ®Õn 380 nm Vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy §é dµi b−íc sãng tõ 380 ®Õn 780 nm Vïng hång ngo¹i §é dµi b−íc sãng tõ 780 nm ®Õn1 mm 2. Ph©n lo¹i linh kiÖn quang ®iÖn tö Gåm 2 lo¹i linh kiÖn lµ linh kiÖn b¸n dÉn vµ linh kiÖn kh«ng b¸n dÉn. * Linh kiÖn b¸n dÉn quang ®iÖn tö lµ nh÷ng linh kiÖn thÓ r¾n ®−îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu b¸n dÉn nh− ®iÖn trë quang, diode quang, transistor quang, LED, PiN, Laser, APD … * Linh kiÖn kh«ng b¸n dÉn quang ®iÖn tö lµ sîi quang, mÆt chØ thÞ tinh thÓ láng LCD, èng nh©n quang … II. c¸c linh kiÖn ph¸t quang 1. Nguyªn lý bøc x¹ Hai tiªn ®Ò cña Bohr: * Tiªn ®Ò vÒ tr¹ng th¸i dõng: nguyªn tö chØ tån t¹i ë nh÷ng tr¹ng th¸i cã møc n¨ng l−îng x¸c ®Þnh, gäi lµ c¸c tr¹ng th¸i dõng. Trong c¸c tr¹ng th¸i dõng nguyªn tö kh«ng bøc x¹. * Tiªn ®Ò vÒ sù bøc x¹ vµ hÊp thô n¨ng l−îng cña nguyªn tö: tr¹ng th¸i dõng cã møc n¨ng l−îng cµng thÊp th× cµng bÒn v÷ng. Khi nguyªn tö ë c¸c tr¹ng th¸i dõng cã n¨ng l−îng lín bao giê còng cã xu h−íng chuyÓn sang tr¹ng th¸i dõng cã møc n¨ng 114 CÊu kiÖn ®iÖn tö Ch−¬ng IV: Linh kiÖn quang ®iÖn tö l−îng nhá h¬n. HÖ qu¶ rót ra tõ hai tiªn ®Ò trªn lµ: trong tr¹ng th¸i dõng cña nguyªn tö, ®iÖn tö chØ chuyÓn ®éng quang h¹t nh©n theo nh÷ng quü ®¹o cã b¸n kÝnh hoµn toµn x¸c ®Þnh gäi lµ c¸c quü ®¹o dõng. §iÒu nµy cho thÊy khi cung cÊp cho nguyªn tö mét n¨ng l−îng nµo ®ã th× ®iÖn tö sÏ hÊp thô n¨ng l−îng nµy vµ nh¶y lªn møc n¨ng l−îng cao h¬n. Tuy nhiªn, nÕu quü ®¹o cµng xa h¹t nh©n th× thêi gian tån t¹i ë quü ®¹o nµy cµng ng¾n vµ cã xu h−íng trë vÒ quü ®¹o gÇn h¹t nh©n theo c¸ch nh¶y th¼ng hoÆc nh¶y tõng b−íc. a. Sù bøc x¹ ¸nh s¸ng kh«ng kÕt hîp (bøc x¹ tù ph¸t) Nh− ®· nãi ë trªn nÕu c¸c ®iÖn tö trë vÒ møc n¨ng l−îng c¬ b¶n tõ c¸c møc n¨ng l−îng cao theo c¸ch nh¶y th¼ng hoÆc nh¶y tõng b−íc qua c¸c tr¹ng th¸i dõng trung gian th× ¸nh s¸ng do chóng bøc x¹ ra sÏ lµ ¸nh s¸ng tæng hîp. NghÜa lµ c¸c xung ¸nh s¸ng nµy kh«ng cïng pha vµ tÇn sè, ta nãi nguyªn tö ®· bøc x¹ ra ¸nh s¸ng kh«ng kÕt hîp (®©y chÝnh lµ nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña LED). b. Sù bøc x¹ ¸nh s¸ng kÕt hîp (bøc x¹ kÝch thÝch) Khi c¸c nguyªn tö tån t¹i trong cïng mét m¹ng tinh thÓ th× chóng ¶nh h−ëng lÉn nhau, do ®ã kh¸i niÖm møc n¨ng l−îng cã thÓ thay b»ng kh¸i niÖm d¶i n¨ng l−îng. Sù dÞch chuyÓn tõ tr¹ng th¸i n¨ng l−îng nµy sang tr¹ng th¸i n¨ng l−îng kh¸c cã thÓ bÞ cÊm nhiÒu, cÊm Ýt hay cÊm h¼n. XÐt tr−êng hîp cña Laser hång ngäc C¸c ®iÖn tö cã 3 møc n¨ng l−îng E1, E2, E3. Trong ®ã E1 lµ møc n¨ng l−îng c¬ b¶n. E2 lµ møc n¨ng l−îng æn ®Þnh (thêi gian tån t¹i ®iÖn tö ë møc nµy lµ 10-2s). E3 lµ møc n¨ng l−îng cao (thêi gian ®iÖn tö tån t¹i ë ®©y chØ lµ 10-8s) nªn khi bÞ kÝch thÝch lªn møc nµy th× ®iÖn tö nhanh chãng nh¶y xuèng E2. Nh− vËy khi cã n¨ng l−îng cung cÊp thÝch hîp ®−a vµo m¹ng tinh thÓ th× ®iÖn tö E3 E2 E1 Tr¹ng th¸i b×nh th−êng Tr¹ng th¸i kÝch thÝch §¶o mËt ®é tÝch luü sÏ tËp trung ë møc E2 (E1 → E2; E1 → E3 → E2). NghÜa lµ trong nguyªn tö x¶y ra hiÖn t−îng ®¶o mËt ®é tÝch luü (®iÖn tö b×nh th−êng tËp trung ë E1 nay chuyÓn sang tËp trung ë E2) NÕu ngÉu nhiªn x¶y ra mét qu¸ tr×nh bøc x¹ cña mét ®iÖn tö bÞ kÝch thÝch nµo ®ã th× sÏ cã hiÖu øng d©y chuyÒn x¶y ra. Së dÜ vËy lµ do khi chuyÓn tõ E2 vÒ E1 ®iÖn tö nµy sÏ bøc x¹ ra mét dao ®éng ng¾n, dao ®éng nµy lan truyÒn vµ t¸c ®éng tíi c¸c ®iÖn tö kh¸c vµ lµm chóng còng bøc x¹. TÇn sè cña bøc x¹ ®−îc x¸c ®Þnh bëi møc chªnh lÖch n¨ng l−îng gi÷a E2 vµ E1. Do ®ã cã thÓ coi r»ng c¸c ®iÖn tö n»m cïng møc n¨ng l−îng CÊu kiÖn ®iÖn tö 115 Ch−¬ng IV: Linh kiÖn quang ®iÖn tö E2 ®−îc ®iÒu h−ëng ë cïng mét tÇn sè vµ pha trïng víi tÇn sè vµ pha cña ¸nh s¸ng kÝch thÝch. Tøc lµ ¸nh s¸ng ph¸t ra lµ ¸nh s¸ng kÕt hîp. Ng−êi ta gäi ®©y lµ hiÖn t−îng khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng nhê bøc x¹ c−ìng bøc. Nguyªn lý nµy cßn gäi lµ nguyªn lý Fabry – Perot, vµ LASER chÝnh lµ linh kiÖn cã nguyªn t¾c ho¹t ®éng dùa vµo nguyªn lý nµy. Trªn thùc tÕ n¨ng l−îng dïng ®Ó kÝch thÝch cho c¸c qu¸ tr×nh ®· ph©n tÝch ë trªn lµ n¨ng l−îng ®iÖn tr−êng vµ ng−êi ta gäi ®ã lµ nguyªn lý biÕn ®æi ®iÖn / quang. NghÜa lµ tõ n¨ng l−îng ®iÖn chuyÓn thµnh n ...