Lý 12 Bài 31: Hiện tượng quang điện trong

a. Chất quang dẫn

• Bán dẫn: 2 loại: loại p và loại n.

• Chất bán dẫn: GE, Si, CdS, PbS,...

⇒ Chất quang dẫn là chất bán dẫn khi không bị chiếu sáng sẽ dẫn điện kém và dẫn điện rất tốt khi được chiếu sáng thích hợp.

b. Hiện tượng quang điện trong

Định nghĩa: Hiện tượng quang điện trong là hiện tượng tạo thành các lectron và lỗ trống trong khối chất bán dẫn khi có ánh sáng thích hợp \((\lambda \leq \lambda _0)\) chiếu vào.

• Quang điện trở là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Nó được cấu tạo gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.

• Điện trở của quang điện trở có thể thay đổi từ vài MΩ khi không được chiếu sáng xuống đến vài chục Ω khi được chiếu ánh sáng thích hợp.

- Pin quang điện là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.

- Hiệu suất của pin quang điện chỉ vào khoảng trên dưới 10%.

- Cấu tạo và hoạt động:

• Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p. Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này đóng vai trò các điện cực.

• Giữa bán dẫn loại n và bán dẫn loại p hình thành một lớp tiếp xúc p-n. Lớp này ngăn không cho electron khuếch tán từ n sang p và lỗ trống khuếch tán từ p sang n. Vì vậy, người ta gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn.

• Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện vào lớp kim loại mỏng trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp electron và lỗ trống. Electron dễ dàng qua lớp chặn xuống bán dẫn loại n còn lỗ trong thì bị giữ lại trong lớp p. Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin.

• Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V.

- Ứng dụng: Pin quang điện được ứng dụng trong: 

• Nguồn điện ở vùng sâu, vùng xa.

• Nguồn điện trong máy tính bỏ túi.

• Nguồn điện ở các tàu vũ trụ,...

• Ứng dụng trong các máy đo ánh sáng.

Một bộ pin quang điện gồm nhiều pin mắc nối tiếp. Diện tích tổng cộng của các pin là 0,4 m². Dòng ánh sáng chiếu vào bộ pin có cường độ 1000 W/m². Khi cường độ dòng điện mà bộ pin cung cấp cho mạch ngoài là 2,5A thì điện áp đo được hai cực của bộ pin là 20 V. Hiệu suất của bộ pin là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Hiệu suất của bộ pin là:

\(H = \frac{{{P_t}}}{{{P_s}}} = \frac{{UI}}{{{I_s}S}} = \frac{{20.2,5}}{{1000.0,4}} = 0,125 = 12,5\% \)

Một chất bán dẫn có giới hạn quang dẫn là 5 µm. Biết tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.10⁸ m/s và hằng số Plank là 6,625.10^-34 Js. Tính năng lượng kích hoạt của chất đó.

Hướng dẫn giải

Năng lượng kích hoạt của chất đó là:

\(\varepsilon = \frac{{hc}}{\lambda } = \frac{{{{6,625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}}{{{{5.10}^{ - 6}}{{.1,6.10}^{ - 19}}}} \approx 0,25\,eV \)

Câu 1: Gọi c là vận tốc ánh sáng trong chân không, v là vận tốc ánh sáng trong chất phát quang. Muốn một chất phát quang phát ra bức xạ có bước sóng λ, cần chiếu vào chất đó bức xạ có có tần số bao nhiêu?

Câu 2: Giới hạn quang dẫn của chất CdS là 0,9 μm. Năng lượng tối thiểu của photon ánh sáng có thể gây ra hiện tượng quang dẫn CdS là bao nhiêu?

Câu 3: Một chất quang dẫn có giới hạn quang dẫn là 4 μm. Năng lượng kích hoạt của chất đó là 

Câu 4: Một chất bán dẫn có giới hạn quang dẫn là 10 µm. Biết tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.10⁸ m/s và hằng số Plank là 6,625.10^-34 Js. Tính năng lượng kích hoạt của chất đó.

Câu 5: Trong hiện tượng quang dẫn, năng lượng cần thiết để giải phóng một êlectron liên kết thành êlectron dẫn gọi là năng lượng kích hoạt. Biết năng lượng kích hoạt của PbS là 0,3 eV, lấy h = 6,625.10^-34 J.s, c = 3.10⁸ m/s, e = 1,6.10^-19 C, giới hạn quang dẫn của PbS là bao nhiêu?

Câu 1: Quang dẫn có giới hạn quang dẫn 4,8.10¹⁴ Hz. Chiếu vào chất bán dẫn đó lần lượt các chùm bức xạ đơn sắc có tần số f₁ = 4,5.10¹⁴ Hz; f2 = 5,0.10¹³ Hz; f₃ = 6,5.10¹³ Hz; f₁ = 6,0.10¹⁴ Hz thì hiện tượng quang dẫn xảy ra với bức xạ nào?

A. Chùm bức xạ 1

B. Chùm bức xạ 2

B. Chùm bức xạ 3

B. Chùm bức xạ 4

Câu 2: Một bộ pin quang điện gồm nhiều pin mắc nối tiếp. Diện tích tổng cộng của các pin là 20 m². Dòng ánh sáng chiếu vào bộ pin có cường độ 500 W/m². Khi cường độ dòng điện mà bộ pin cung cấp cho mạch ngoài là 2,5 A thì điện áp đo được hai cực của bộ pin là 20 V. Hiệu suất của bộ pin là:

A. 43,6%.      B. 14,25%.

C. 12,5%.      D. Đáp án khác.

Câu 3: Chọn phát biểu đúng.

A. Chất quang dẫn là những kim loại dẫn điện tốt khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.

B. Trong hiện tường quang điện trong, chỉ có các êlectron dân tham gia vào quá trình dẫn điện.

C. Điện trở suất của chất quang dẫn tăng khi được chiếu sáng thích hợp.

D. Pin quang điện biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.

Câu 4: Quang điện trở là:

A. điện trở có giá trị bằng 0 khi được chiếu sáng.

B. điện trở có giá trị không đổi khi thay đổi bước sóng ánh sáng chiếu tới.

C. điện trở có giá trị giảm khi được chiếu sáng.

D. điện trở có giá trị tăng khi được chiếu sáng.

Câu 5: Chọn phát biểu đúng về hiện tượng quang dẫn:

A. Trong hiện tượng quang dẫn, các êlectron bị bứt ra khoỉ khối kim loại khi được chiếu sáng thích hợp.

B. Trong hiện tượng quang dẫn, độ dẫn điện của khối chất bán dẫn giảm khi được chiếu ánh sáng thích hợp.

C. Trong hiện tượng quang dẫn, điện trở của khối chất bán dẫn giảm khi được chiếu ánh sáng thích hợp.

D. Hiện tượng quang dẫn có thể xảy ra đối với cả kim loại và bán dẫn

Qua bài giảng này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như : 

• Nêu được định nghĩa về hiện tượng quang điện trong và vận dụng để giải thích được hiện tượng quang dẫn.

• Trình bày được định nghĩa,cấu tạo và chuyển vận của quang điện trở và pin quang điện.