Chương 3 Nguồn quang

1 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS CHƯƠNG 3 NGUỒN QUANG 2 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS NỘI DUNG CHƯƠNG 3 1. Các vấn đề cơ bản của Vật lý Bán dẫn Các dải năng lượng Vật liệu nguyên chất & Vật liệu ngoại lai Các tiếp giáp pn 2. Light-Emitting Diodes 3. Laser Diodes 3 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Thiết bị phát quang có chức năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phát tín hiệu quang vào sợi quang để thực hiện truyền dẫn thông tin. Thành phần chủ yếu là nguồn phát quang, có 2 loại: Điốt phát quang LED Light-emitting diode Điốt laze bán dẫn LD Laser Diode 4 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS CÁC DẢI NĂNG LƯỢNG Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng lượng tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron bên ngoài có mức năng lượng cao hơn electron ở phía trong. Khi có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron có thể nhảy tửmức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Theo giả thuyết của Albert Einstein , các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sángÆ Bước sóng của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức. 5 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS Khái niệm cơ bản 1 6 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS 7 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS QUÁ TRÌNH HẤP THỤ gEh == νε E1 = EV = năng lượng vùng hóa trị E2 = EC = năng lượng vùng dẫn Eg = EC – EV = năng lượng dải trống Quá trình hấp thụ: khi ánh sáng tới có năng lượng photon → photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ, nguyên tử nhảy từ E1 lên E2 và được coi đang ở trạng thái kích thích. νh ).(10.626,6 34 sJh h −= = νε 8 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS QUÁ TRÌNH PHÁT XẠ Các nguyên tử ởmức E2 thường có xu hướng quay về mức E1, và phát ra photon. Quá trình phát xạ tự phát: Photon phát ra có hướng ngẫu nhiên và không có quan hệ về pha giữa chúng Quá trình phát xạ kích thích: Khi có photon đập vào nguyên tử ở trạng thái kích thích→ phát ra photon có cùng tần số và pha theo các photon tín hiệu ánh sáng tới. νh νh νh 9 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS 9 10 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS CHẤT BÁN DẪN Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện (Conductor) và chất cách điện (Insulator). Các chất bán dẫn thông thường là silíc (Si), germani (Ge) (nhóm 4). 11 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS BIỂU ĐỒ DẢI NĂNG LƯỢNG CỦA TINH THỂ THUẦN 12 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS CHẤT BÁN DẪN LOẠI “n” VÀ “p” Tăng tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn bằng cách pha thêm tạp chất: Khi pha thêm các nguyên tố nhóm 5 (P, As, Sb,…) → electron tự do trong vùng dẫn gia tăng → gọi là bán dẫn tạp chất loại donor hay bán dẫn loại n. Khi pha thêm các nguyên tố nhóm 3 (Ga, Al, In,…) → lỗ trống trong vùng hóa trị gia tăng→ gọi là bán dẫn tạp chất loại acceptor hay bán dẫn loại p. P – Phosphorus As – Arsenic Sb – Antimony Ga – Gallium Al – Aluminium In - Indium 13 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS CHẤT BÁN DẪN LOẠI “n” 14 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS CHẤT BÁN DẪN LOẠI “p” 15 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS VẬT LIỆU NGUYÊN CHẤT – VẬT LIỆU NGOẠI LAI Vật liệu nguyên chất: không chứa tạp chất Vật liệu ngoại lai: có chứa tạp chất Sau khi quá trình phát nhiệt hay quá trình tái kết hợp xảy ra, ở trạng thái cân bằng nhiệt, 2 dạng vật liệu trên luôn có: Vật liệu (bán dẫn) ngoại lai có hai loại hạt mang điện: Hạt mang đa số: các e trong bd loại n, các lỗ trống trong bd loại p Hạt mang thiểu số: các lỗ trống trong bd loại n, các e trong bd loại p Hoạt động của các thiết bị bán dẫn chủ yếu dựa trên sự bơm và trích của các hạt mang thiểu số 2 inpn = 16 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS TIẾP GIÁP PN 17 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS TRẠNG THÁI PHÂN CỰC NGƯỢC 18 (09/2009) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ELECTRONICS & TELECOMMUNICATIONS TRẠNG THÁI PHÂN CỰC THUẬN Quá trình tái hợp các hạt mang điện là cơ chế phát ra ánh sáng