HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG.
Chất quang dẫn và hiện tượng quang điện trong
– Chất quang dẫn là chất bán dẫn có tính chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện khi bị chiếu sáng thích hợp như Si, Ge, PbS,…
– Hiện tượng quang điện trong hay còn gọi là hiện tượng quang dẫn (HTQD) là hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời giải phóng các lỗ trống tự do.
Electron quang dẫn thoát ra để lại lỗ trống, lỗ trống cũng tham gia dẫn điện. Khi dừng chiếu sáng, tái hợp, không dẫn điện nữa.
– Giới hạn quang dẫn: Mỗi bán dẫn cũng đặc trưng bởi ${{\lambda }_{o}}$ gọi là giới hạn quang dẫn (GH quang điện trong), HTQD chỉ xảy ra khi $\lambda \le {{\lambda }_{o}}$.
Năng lượng cần thiết để giải phóng electron khỏi liên kết trong chất bán dẫn thường nhỏ hơn công thoát A của electron từ mặt kim loại nên giới hạn quang điện của các chất bán dẫn nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại.
Bảng: Giới hạn quang điện của một số chất bán dẫn:
|
Bán dẫn |
Ge |
Si |
PbS |
GdS |
PbSe |
|
${{\lambda }_{o}}$ |
1,88$\mu m$ |
1,1$\mu m$ |
4,14$\mu m$ |
0,90$\mu m$ |
5,65$\mu m$ |
– Giải thích HTQD bằng thuyết lượng tử: Khi không bị chiếu sáng các electron trong chất quang dẫn liên kết với các nút mạng tinh thể và hầu như không có các electron tự do. Khi bị chiếu sáng, mỗi photon của ánh sáng kích thích sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho một electron liên kết làm cho electron giải phóng ra khỏi liên kết trở thành electron tự do đồng thời để lại một lỗ trống. Cả electron và lỗ trống đều tham gia vào quá trình dẫn điện nên nó trở lên dẫn điện tốt.
– So sánh hiện tượng quang điện trong (HTQD) và hiện tượng quang điện ngoài (HTQĐ):
|
Giống nhau |
+) Đều là xảy ra khi có kích thích của phôtôn ánh sáng. +) Điều kiện để có hiện tượng là $\lambda \le {{\lambda }_{o}}$. |
|
|
Khác nhau |
Hiện tượng quang điện ngoài (HTQĐ) |
Hiện tượng quang điện trong (HTQD) |
|
+) Các quang e bị bật ra khỏi kim loại. |
+) Các electron liên kết bị bứt ra vẫn ở trong khối bán dẫn. |
|
|
+) Chỉ xảy ra với kim loại. |
+) Chỉ xảy ra với chất bán dẫn. |
|
|
+) Giới hạn quang điện ${{\lambda }_{o}}$ nhỏ thường thuộc vùng tử ngoại trừ kiềm và kiềm thổ. |
+) Giới hạn quang điện ${{\lambda }_{o}}$ dài (lớn hơn của kim loại), thường nằm trong vùng hồng ngoại. |
|
Ứng dụng của hiện tượng quang dẫn.
Quang điện trở.
– Khái niệm: Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn và có giá trị điện trở giảm mạnh khi chiếu sáng.
– Cấu tạo: Quang điện trở gồm một lớp bán dẫn mỏng được phủ lên một tấm nhựa cách điện có hai điện cực:
1 – Lớp bán dẫn
2 – Đế cách điện
3 – Các điện cực
4 – Dây dẫn
5 – Điện kế
6 – Nguồn điện
– Hoạt động:
Nối một nguồn điện khoảng vài vôn vào quang trở.
Khi chưa chiếu sáng không có dòng điện trong mạch.
Khi chiếu ánh sáng thích hợp, trong mạch có dòng điện.
– Ứng dụng: Thay thế cho các tế bào quang điện trong các thiết bị điều khiển từ xa.
Pin mặt trời (Pin quang điện).
– Khái niệm: Là một loại nguồn điện trong đó quang năng biến đổi trực tiếp thành điện năng.
– Cấu tạo: Gồm một điện cực bằng đồng bên trên phủ lớp $C{{u}_{2}}O$.
Trên lớp $C{{u}_{2}}O$ ta phun một lớp vàng mỏng làm điện cực thứ hai. Chỗ tiếp xúc giữa $C{{u}_{2}}O$ và Cu hình thành một lớp đặc biệt chỉ cho các e di chuuyển $C{{u}_{2}}O$ từ sang Cu.
– Hoạt động: Khi pin quang điện được chiếu bằng ánh sáng thích hợp, ở lớp $C{{u}_{2}}O$các e liển kết được giải phóng khuếch tán sang Cu.
Kết quả lớp $C{{u}_{2}}O$ thiếu e tích điện dương, lớp Cu thừa e tích điện âm. Giữa chúng hình thành một suất điện động.
Nếu nối vào mạch ngoài thông qua một điện kế ta thấy có dòng điện chạy từ $C{{u}_{2}}O$ sang Cu.
– Ứng dụng:
Dùng làm nguồn điện trong máy tính, vệ tinh nhân tạo,…
Là một loại nguồn điện sạch.
