Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng quang điện trong vật lý 12 lý thuyết và ứng dụng chi tiết
Hiện tượng quang điện trong là nội dung quan trọng trong chương lượng tử ánh sáng của Vật lý 12, gắn liền với nhiều ứng dụng thực tiễn như pin quang điện. Bài viết này giúp bạn hiểu rõ bản chất và cách vận dụng nhanh trong ôn thi THPT Quốc gia.
A. Hiện tượng quang điện trong là gì?
Khi rọi sáng một số chất bán dẫn, các electron bị bứt ra không thoát ra ngoài mà vẫn nằm trong chất bán dẫn, đồng thời với electron bứt ra còn xuất hiện “lỗ trống”. Khi đó, khối bán dẫn xét toàn bộ vẫn trung hòa về điện, nhưng mật độ các hạt tải diện và độ linh hoạt của chúng đã thay đổi. Như vậy, dưới tác dụng của ánh sáng, đặc tính dẫn điện của bán dẫn đã bị thay đổi: độ dẫn điện tăng và điện trở giảm. Đó là hiệu ứng quang điện trong (hay hiện tượng quang dẫn).
B. Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong
Định luật về giới hạn quang điện vẫn đúng trong trường hợp hiện tượng quang điện trong, tức là:
- Năng lượng photon của ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng càn thiết để giải phóng electron liên kết thành các electron dẫn (A): 
- Bước sóng của ánh sáng kích thích λ phải nhỏ hơn hoặc bằng một bước sóng giới hạn λ0 đối với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn λ0 này được gọi là giới hạn quang dẫn :
Giới hạn quang dẫn của đa số các chất bán dẫn đều ở trong miền hồng ngoại, do đó chỉ cần dùng ánh sáng kích thích là ánh sáng nhìn thấy là đủ để xảy ra hiện tượng quang dẫn.
C. Quang điện trở
Dựa trên hiện tượng quang dẫn, người ta chế tạo các dụng cụ gọi là quang điện trở (LDR).
Khi lớp bán dẫn chưa được rọi sáng, trong mạch có dòng điện rất bé gọi là dòng tối. Giá trị của nó phụ thuộc vào điện trở thuần (thường lên tới vài Mega Ôm) của quang điện trở và hiệu điện thế giữa hai điện cực.
Khi lớp bán dẫn được rọi sáng bằng ánh sáng thích hợp, độ dẫn điện của nó tăng lên, dòng quang điện tăng lên theo cường độ chùm sáng tới và hiệu điện thế giữa hai điện cực, điện trở của quang điện trở giảm xuống còn vài chục Ôm. Độ nhạy của quang điện trở lớn hơn độ nhạy của tế bào quang điện chân không hàng nghìn lần. Quang điện trở không có dòng bão hòa và có quán tính khá lớn (10-3 ÷ 10-5s).
D. Pin quang điện
Trong trường hợp các bán dẫn không đồng nhất, ngoài sự thay đổi độ dẫn còn xảy ra sự tạo hiệu điện thế. Hiện tượng này được gọi là quang ganvanic. Nó được ứng dụng để chế tạo các pin quang điện. Đó là các dụng cụ bán dẫn có thể hoạt động khi được rọi sáng mà không cần hiệu điện thế ngoài, cho phép biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.
Pin quang điện gồm hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau: một bán dẫn loại p (hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống) và một bán dẫn loại n (hạt tải điện chủ yếu là electron).
Giữa lớp p và lớp n hình thành một lớp đặc biệt gọi là lớp chặn có tác dụng ngăn không cho electron di chuyển từ lớp bán dẫn n sang lớp bán dẫn p. Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt lớp p thì trong lớp này xuất hiện nhiều electron dẫn, chúng ngay lập tức khuếch tán sang lớp n khiến lớp p nhiễm điện dương, lớp n nhiễm điện âm. Nối hai điện cực của pin quang điện với mạch ngoài thì mạch ngoài có dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Suất điện động của mỗi tế bào pin quang điện từ 0,5V đến 0,8V nên người ta phải ghép rất nhiều tế bào pin quang điện với nhau để tạo thành bộ để có hiệu điện thế và cường độ dòng điện đủ lớn để sử dụng.
Loại pin quang điện được sử dụng rất phổ biến hiện nay là pin mặt trời dùng lớp chuyển tiếp nSi và pSi. Pin mặt trời được dùng làm nguồn điện cho các thiết bị trên mặt đất (bơm nước, thắp sáng, sưởi ấm…) và đặc biệt trên các thiết bị vũ trụ. Hiệu suất của pin mặt trời có thể đạt tới 20%. Hiệu suất này đang ngày càng tăng với nhằm làm giảm giá thành pin mặt trời và đưa vào sử dụng rộng rãi nguồn năng lượng sạch này.
-----------------------------------------------
Nắm vững hiện tượng quang điện trong sẽ giúp bạn phân biệt rõ với quang điện ngoài và xử lý hiệu quả các dạng bài tập liên quan. Đây là phần kiến thức quan trọng giúp bạn nâng cao điểm số.
