CHƯƠNG 5: DETECTOR GHI NHẬN BỨC XẠ

Trang 3



bức xạ trong bất kỳ hệ thống ghi nhận nào và liên quan đến quá trình thống kê phân

rã hoạt độ phóng xạ.



5.1. CÁC NGUYÊN TẮC GHI NHẬN

Hiện nay, có hai phương pháp ghi nhận bức xạ chính sử dụng các detector, đó

là dựa vào sự ion hóa của chất khí (detector tỉ lệ và G-M), các tinh thể được kích

thích do sự phát quang (detector nhấp nháy) hoặc sự ion hóa của vật rắn (detector

bán dẫn). Nguyên tắc của sự ion hóa trong chất bán dẫn thì tương tự như trong chất

khí, ngoại trừ, điện tích được di chuyển nhờ các electron và proton trong tinh thể

thay vào đó là các electron và các ion dương trong nguyên tử khí. Các chất bán dẫn

ngày càng được sử dụng rộng rãi nhất trong detector ghi nhận bức xạ khi công nghệ

ngày càng phát triển.

Các hệ thống đo hoạt độ phóng xạ dạng xung, mà đầu ra của detector được

xem như một chuỗi tín hiệu điện độc lập trong thời gian ấn định. Mỗi tín hiệu đặc

trưng cho sự tương tác của một đơn vị bức xạ với detector. Hệ thống không tín hiệu

thì thông thường được sử dụng trong những thiết bị đo bức xạ loại khảo sát và

không được sử dụng rộng rãi cho việc đo hạt nhân phóng xạ, được xem như một hệ

thống phát hiện ở mức trung bình.

Các phương pháp đo hoạt độ phóng xạ hiện đại không chỉ xác định số bức xạ

ghi nhận được trên đơn vị thời gian (tốc độ đếm) nhưng ngoài ra chúng còn cho

phép tách các bức xạ theo loại và năng lượng ở những mức độ khác nhau. Các hệ

thống với sự phân giải năng lượng được gọi là phổ kế và có thể dùng đo bức xạ tia

alpha, beta và gamma, phổ kế tia gamma thì sử dụng đặc biệt cho sự phân tích hạt

nhân phóng xạ. Trong phổ kế tia gamma, sự khuếch đại của mỗi tín hiệu điện thì

tương ứng với năng lượng tia gamma còn lại trong detector. Thiết bị phân loại (kỹ

thuật phân tích biên độ xung) có thể tách các loại xung nhờ biên độ và tần số.

Kỹ thuật phân tích biên độ xung đa kênh, hoạt động trong sự liên kết với thiết

bị biến đổi số tương tự (ADC), một thiết bị lưu trữ phù hợp (bộ nhớ) và sự cung cấp

thiết bị dữ liệu thông thường được sử dụng để phân tích hỗn hợp phức tạp của hạt



Trang 4



nhân phóng xạ phát tia gamma mà không cần sự phân tích hóa học của hỗn hợp

nguyên tố. Khi được yêu cầu phân tích nhiều loại nguyên tố cùng lúc, thông tin

trong bộ nhớ được máy tính xử lý dữ liệu một cách hoàn chỉnh. Sự ghi nhận đặc

tính điện của các bức xạ đặc biệt từ nhiều hạt nhân phóng xạ riêng biệt cũng có thể

được thực hiện nhờ sử dụng phép đo trùng hợp ngẫu nhiên. Đối với một sự kiện

được thu nhận khi một hạt nhân phóng xạ riêng biệt phân rã. Sự ảnh hưởng của hai

bức xạ liên tiếp và đồng thời phải được khảo sát trong một thời gian xác định trước.

Thông thường hai ghi nhận có thể là một tia beta và tia gamma theo sau như trong

2.3-m



28



Al, hai tia gamma liên tiếp như trong 60Co hoặc hai photon phân rã xảy ra



trong bất kỳ sự phát positron nào. Vì vậy, hạt nhân phóng xạ phù hợp nhất cho sự

đo lường bằng phương pháp ngẫu nhiên thì thông thường cũng được sử dụng cho sự

phân rã hóa học phức tạp hơn. Hệ thống này được bàn luận trong chương 6.



5.2. DETECTOR CHỨA KHÍ

Detector ghi nhận bức xạ chứa khí là một trong những loại cũ nhất của

detector ghi nhận bức xạ có thể sử dụng được và vẫn được sử dụng một cách rộng

rãi. Các loại detector bao gồm buồng ion hóa, buồng tỉ lệ, ống G-M. Các loại

detector này có đặc điểm chung là một buồng chứa khí với điện cực ở giữa, cách

nhiệt với thành buồng. Một điện thế cung cấp cho điện cực ở giữa tạo ra một trường

tĩnh điện ngang qua buồng. Do đó, các cặp ion là kết quả từ sự bức xạ ion hóa được

gia tốc hướng về các điện cực. Sơ đồ hệ thống của cửa sổ cuối đặc trưng cho

detector G-M và ống tỉ lệ được trình bày trong hình 5.1.

Sự tập trung các ion đã gây ra sự ion hóa các nguyên tử khí trong buồng tạo ra

một tín hiệu điện. Tín hiệu này có thể gồm các electron tự do hoặc các cặp ion, đó là

các electron và các ion dương. Trạng thái của các electron tự do và các ion dương

phụ thuộc vào tính chất của khí trong buồng và điện thế cung cấp. Vì thậm chí sự

dịch chuyển ion trong chất khí tương đối chậm so với sự dịch chuyển các electron,

các detector thu nhận tín hiệu ion để cho sự tập trung nhanh của các electron.



Trang 5



Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống của các Detector ion hóa khí: (a) Buồng tỉ lệ dòng

khí. (b) Ống G-M cửa sổ cuối [From Bernard G. Harvey, Introduction to

Nuclear Physic and Chemistry, 2nd Ed (Prentice-Hall Inc, Englwood Cliffs,

N. J, 1969) By permission of the publisher]



Điều đó được ghi chú trong phần 4.3.2, rằng độ hụt trung bình theo năng lượng của

một hạt tích điện trong sự ion hóa nguyên tử khí khoảng 34 eV/ip. Vì vậy, nếu tổng

năng lượng của một hạt beta được dùng cho sự ion hóa kích thích trong detector

chứa khí thì số hạt electron tạo ra sẽ là:



n=



Eβ (ev)

34



Nếu tổng các hạt electron này được tích tụ tại điện cực ở giữa thì điện tích sẽ

là:

Q = en = 1.6. 10-19n (C)

Nếu N(hạt/giây) được dừng lại hoàn toàn trong detector dẫn đến cường độ

dòng sẽ là:

I = QN = 1.6.10-19nN (A)

Ví dụ, một nguồn beta có N=100 (hạt/giây) đi vào detecter với năng lượng

trung bình là 1 MeV. Sẽ tạo ra một cường độ dòng là



Trang 6



I = 1,6.10-19.106/34.102 = 4,7.10-13 A.

Như vậy, cường độ dòng dễ dàng được đo nhờ một thiết bị đo điện. Thiết bị đo

điện gồm nhiều loại có thể đo cường độ dòng trong phạm vi từ 10 -8 đến 10-14 (A) và

là những thiết bị đọc thông thường cho buồng ion hóa loại dòng trung bình.

Giả sử, số hạt electron đã tập trung trong buồng ion hóa thì tương ứng với số

hạt như thế đã dừng trong buồng trên một đơn vị thời gian. Tuy nhiên, số hạt

electron tồn tại đã tập trung nhiều với điện thế cung cấp cho buồng. Tại điện thế

thấp sự tích điện tại điện cực đối lập với sự mất dần của các cặp ion bằng sự kết

hợp, biến thành nguyên tử trung hòa. Tại điện thế cao, sự ion hóa sơ cấp các

electron tự do là nguyên nhân để bức xạ đạt động năng đủ trong suốt quá trình gia

tốc chúng hướng tới điện cực làm phát sinh những hạt electron thứ cấp (cái thêm

vào để tích điện) quá trình này được gọi là khuếch đại khí.

Mối quan hệ giữa số hạt electron đã tập trung trên sự kiện hoặc biên độ xung

và điện thế cung cấp trong một buồng đặc trưng hình trụ được mô tả trong hình 5.2

cho hạt alpha và hạt beta. Giới hạn điện thế thích hợp được chia thành 5 miền. Hai

miền đầu thiết lập phạm vi của sự ion hóa sơ cấp hoặc ion hóa đơn. Trái lại, miền

tập trung.



Biên độ xung tương đối



cuối thứ 3 bao phủ vùng khuếch đại khí mà các electron thứ cấp thêm vào điện tích



Điện thế cung cấp

Hình 5.2: Kích thước tương đối của biên độ xung trong buồng ion hóa như một

hàm đặc trưng của điện áp cung cấp cho hạt alpha và beta



Trang 7



Trong miền tái hợp, vận tốc trung bình của các ion đã gia tốc hướng về điện

cực tăng lên cùng với điện thế, thời gian sử dụng cho sự tái hợp giảm và hiệu suất

của điện tích tăng. Do vậy, chiều cao tín hiệu đi ra tăng với điện thế cung cấp.

Trong miền bão hòa, sự tái hợp yếu hơn trở nên không đáng kể vì thời gian

cần thiết cho sự tập trung của tất cả các ion trong buồng trở nên rất ngắn. Điện tích

tập trung được xác định bởi (2) và độ cao xung tỉ lệ với năng lượng bức xạ đã sử

dụng trong buồng. Vì sự còn lại của năng lượng đàn hồi cùng số cặp ion được tích

tụ. Do vậy, độ cao tín hiệu không phụ thuộc vào điện thế cung cấp. Ngoài ra, miền

này được gọi là miền buồng ion hóa, do tại điện thế này, dòng bão hòa tương ứng

với năng lượng trung bình còn lại trong buồng ion hóa. Buồng ion hóa hoạt động

như một hệ thống detector ghi nhận bức xạ mức trung bình. Cũng thế, do quãng

đường hạt alpha tương đối ngắn, thậm chí trong chất khí buồng ion hóa có thể được

sử dụng kết hợp với một kỹ thuật phân tích độ cao xung như phổ kế hạt alpha. Điều

đó cũng không liên quan đến sự đo lường của những hạt nhân phóng xạ vì thế

buồng ion hóa thường không được sử dụng trong kỹ thuật phân tích kích hoạt.

Hai miền đầu này được trình bày trong hình 5.2 là các miền ion hóa đơn giản.

Khi điện thế cung cấp một trường vượt quá mức trong khoảng 200V/cm, điện tích

tích tụ được tăng lên nhờ quá trình khuếch đại khí, trong đó, các electron gia tốc đạt

động năng phù hợp để tạo ra sự ion hóa nhờ va chạm. Hệ số nhân trong miền tỉ lệ

tăng nhanh với điện thế cung cấp tăng. Do đó, nó không phụ thuộc vào sự ion hóa

ban đầu, kích thước xung vẫn tương ứng với cường độ còn lại ban đầu. Tuy nhiên,

khi điện thế tiếp tục được tăng sang miền giới hạn tỉ lệ, mật độ của điện tích thứ cấp

làm cản trở quá trình khuếch đại. Sự khác nhau trong độ cao tín hiệu ra không còn tỉ

lệ với sự ion hóa ban đầu nữa. Mối quan hệ giữa độ cao xung và năng lượng bị khử

chậm.

Trong miền G-M, detector tạo ra một xung liên tục vì độ lớn của điện tích tích

tụ trở nên độc lập với sự ion hóa sơ cấp. Một hạt anpha và một hạt beta phát ra cùng

một kích thước xung cuối, bất chấp số ion hóa sơ cấp đã tạo ra trong ống G-M. Vì

vậy, ống G-M không hiệu quả cho kỹ thuật phân tích biên độ xung nhưng bởi vì nó



Trang 8



tương đối đơn giản và tín hiệu ra với biên độ lớn, nó vẫn là một detector có ích cho

kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố hóa học riêng lẻ.

Khi điện thế qua một detector chứa khí được tăng lên đều, buồng hoạt động

như một ống tiếp tục phóng điện có thể sử dụng cho sự ghi nhận bức xạ. Sự hoạt

động kéo dài của buồng chứa khí trong miền phóng điện có thể nguy hiểm, ảnh

hưởng đến tính hiệu quả của buồng như một thiết bị ghi nhận bức xạ.

5.2.a. Buồng Tỉ Lệ:

Buồng tỉ lệ đã trở thành loại thông dụng nhất của detector cho việc đo hoạt độ

phóng xạ beta trong mẫu chất rắn hoặc khí. Buồng tỉ lệ kết hợp ưu thế của buồng

ion hóa trong sự duy trì tỉ lệ giữa tín hiệu ra và sự ion hóa sơ cấp và ống G-M trong

sự đạt được một xung đủ mạnh khuếch đại khi cho mỗi sự kiện đã tìm ra. Nhiều ống

đếm tỉ lệ thương mại có thể dùng được. Chúng thông thường chứa một ống detector

dạng hình chuông, đã mô tả trong hình 5.1a, thông qua một máy đếm dòng khí.

Thông thường khí được coi là hỗn hợp của 10% methane và 90% Argon. Hỗn hợp

khí đặc biệt này được xem như một sự trung hòa tốt giữa khí Argon tinh khiết và

khí Mathane tinh khiết. Khí Argon tinh khiết không thích hợp với hệ đếm khí vì sự

tồn tại của một trạng thái kích thích lâu dài của các ion mà nó gây ra xung sau và

nồng độ cao hơn của Methane yêu cầu sự hoạt động ở điện thế lên tới 4000V. Tất cả

những điều trên được trình bày trong hình 5.2. Những khí khác đều tốt nhưng đắt

hơn. Các mẫu đếm thông thường được đặt trong một vài dạng hình đĩa hoặc mảnh

kim loại tròn và được đặt dưới cửa mỏng của ống đếm. Các detector có thể dùng

được với độ dày cửa phía cuối mỏng bằng 80 µg/cm2. Như thế những cửa siêu

mỏng (theo hình 4.6) cho phép hạt beta năng lượng xấp xỉ 0.1 MeV đi vào với một

sự giảm cường độ chỉ 50% vì sự phát hạt beta năng lượng rất thấp như 14C (Eβmax =

0.156 MeV) và 3H (Eβmax = 0.018MeV). Buồng tỉ lệ không cửa (ví dụ mẫu được đặt

trực tiếp trong buồng đếm) có thể được sử dụng. Nhiều vấn đề liên quan tới cửa sổ

cuối của các mẫu đếm chất rắn trong mảnh kim loại tròn được ôn lại trong phần

6.32. Ống đếm tỉ lệ được sử dụng cho việc đo hoạt độ phóng xạ của các mức rất



Trang 9



thấp. Điều đó đã tìm trong các mẫu môi trường hoặc trong các mẫu hoạt độ phóng

xạ gần giới hạn nhạy cảm.

Thuật ngữ đếm “phông thấp” thường ám chỉ các hệ thống mà mức đếm phông

bình thường được giảm đáng kể. Các nguồn đếm phông sơ khai phù hợp đến từ bức

xạ vũ trụ bao gồm sự bức xạ hạt mang điện, tia gamma thứ cấp và neutron và đến từ

các bức xạ gamma và beta từ những nguyên vật liệu có tính phóng xạ trưng bày

trong phòng thí nghiệm và detector và các vật che chắn. Những nguồn này được

giảm trong các hệ thống đếm tỉ lệ phông thấp nhờ vật liệu che chắn phóng xạ tự do

dày bao quanh detector và quanh lớp bảo vệ bên trong của detector, mà hoạt động

trong bộ phận đối trùng phùng của detector chuẩn, một tia vũ trụ năng lượng cao mà

xuyên qua vật che chắn và gây ra sự ion hóa trong detector mẫu cũng sẽ gây ra sự

ion hóa trong một detector chắn. Các xung được tạo ra nhờ hai detector, khử lẫn

nhau và sự kiện trong detector chính thì không được ghi nhận. Chỉ các sự kiện đó



Tốc độ đếm



mà xảy ra độc lập với detector chính được đếm.



Điện thế cung

cấp(V)

Hình 5.3:Đường cong plateau cho hạt alpha và hạt beta trong



ống đếm tỉ lệ dòng khí



Trang 10



Một ưu thế thêm của buồng tỉ lệ là nó có khả năng đo các bức xạ anpha và beta

một cách độc lập, thậm chí, khi các bức xạ đến từ cùng mẫu. Khả năng này là kết

quả từ sự khác nhau trong sự ion hóa đặc biệt của hạt anpha và beta, như trình bày

trong hình 5.2. Trong miền tỉ lệ, kích thước xung phụ thuộc đáng kể vào điện thế

cung cấp, nhờ sự phân biệt kích thước xung, tốc độ đếm của một loại bức xạ đã cho

có thể được tạo ra không phụ thuộc điện thế cung cấp trên vùng điện thế nhỏ (∼200300V). Vùng điện thế này được gọi là vùng plateau của detector (xảy ra ở khoảng

1000V cho bức xạ anpha và khoảng 2000V cho bức xạ beta). Điện thế hoạt động

của máy đếm được đặt tại một giá trị thích hợp trong vùng này. Với việc điều chỉnh

điện thế, tốc độ đếm của một mẫu có tính phóng xạ được tạo ra không phụ thuộc sự

thay đổi nhỏ trong đường hiệu điện thế. Một đường cong plateau đặc trưng cho một

ống đếm tỉ lệ loại dòng được nhìn thấy trong hình 5.3. Để đếm bức xạ hạt anpha,

máy đếm này sẽ được hoạt động tại một điện thế khoảng 1000V. Tổng số đếm tại

1600V gồm có sự đóng góp từ cả bức xạ anpha và beta. Để đạt được tốc độ đếm của

hoạt độ riêng của beta, tốc độ đếm của bức xạ anpha (được xác định nhờ sự mở

rộng miền plateau anpha tới 1600V với việc sử dụng sự phát hạt anpha) sẽ được trừ

từ tổng số đếm.

5.2.b. Ống Đếm G-M

Ống G-M được sử dụng nhiều nhờ sự đơn giản của detector ghi nhận bức xạ.

Một số sự điều chỉnh hệ thống đếm cần thiết cho sự hoạt động ổn định của detector.

Tuy nhiên, ống G-M đã dần dần được thay thế bởi các loại detector khác vì giới hạn

bên trong của nó thường quá tải, lợi thế của sự đơn giản trong quá trình hoạt động,

đặc biệt cho sự ứng dụng kỹ thuật phân tích hạt nhân phóng xạ. Ấy thế mà, các ống

đếm G-M tiếp tục tồn tại trong nhiều phòng thí nghiệm và cho dù sự hiệu chỉnh máy

đếm đã cần thiết đối với chúng, sẽ tiếp tục cung cấp những phép đo chính xác cho

nhiều thiết bị đo hoạt độ phóng xạ, đặc biệt khi phân ly hóa học là một phần của quá

trình.

Lợi thế của ống G-M là nó có độ nhạy cao, nó có thể phản hồi với nhiều loại

bức xạ, đa dạng cả về kích thước lẫn hình dạng, tín hiệu của đầu ra lớn, và chi phí



Trang 11



thấp về lĩnh vực điện từ học. Mẫu phổ biến nhất được sử dụng trong các phòng thí

nghiệm kích hoạt phóng xạ và hóa học phóng xạ là ống G-M cửa sổ cuối với tính

kinh tế sử dụng một cái giá để giữ những mẫu với những khoảng cách cố định với

cửa sổ, trình bày trong hình 5.1b. Chúng thường được đặt ở trong một lõi chì hoặc

lõi thép với một cửa để đưa mẫu vào sắp xếp trong một cái giá. Hệ thống điện gồm

có một nguồn điện áp cao, một bộ tách sóng, một bộ phận đếm và một đồng hồ đo

thời gian. Toàn bộ hệ thống này được gọi là ống đếm G-M.

Đặc trưng tốc độ đếm của ống đếm G-M đơn giản hơn so với đặc trưng này

của ống đếm tỷ lệ, vì xung của ống G-M về bản chất là độc lập với sự ion hóa sơ

cấp là tác nhân gây ra các xung. Miền plateau của một ống G-M tốt là khoảng 300V

và sự tăng tốc độ đếm với điện áp được cung cấp thường tăng ít hơn 3%/100V.

Một trong những đặc trưng giới hạn tổng quát của ống đếm G-M là thời gian

khôi phục tương đối dài phụ thuộc vào máy đếm để phân biệt được khoảng thời

gian giữa hai lần phóng điện liên tiếp bên trong ống. Thời gian “chết” này (khoảng

250.10-6 giây so với khoảng 0,5.10-6 giây cho một máy đếm tỉ lệ) dẫn đến sự chồng

chéo đáng kể các sự kiện ion hóa (sự trùng hợp ngẫu nhiên) nó lần lượt dẫn đến sự

giảm tốc độ đếm đáng kể đối với những mẫu phóng xạ mạnh hơn. Ảnh hưởng này

trở nên quan trọng hơn khi tốc độ đếm vượt quá 10 4 cpm. Sự hiệu chỉnh để giảm

“thời gian chết” có thể được quyết định từ thời gian phân giải τ. Nếu n là tốc độ

đếm thực với τ = 0 và m là tốc độ đếm quan sát được, khi đó:



n=



m

1 − mτ



Ví dụ, cho một ống đếm có thời gian phân giải của nó là 250.10 -6 giây một

mẫu với tốc độ đếm thu được m = 525 cps sẽ có một tốc độ đếm thực



n=



5.25 ×102

= 605

1 − (5.25 ×102 × 250 ×10−6 )



cps



Tốc độ đếm thu được thấp hơn 13%. Trong ống đếm tỉ lệ, độ hụt tương ứng sẽ

nhỏ hơn 0.03%. Ống đếm G-M có điểm chung với ống đếm tỉ lệ cần để xác định

toàn bộ hiệu suất cho mẫu đếm dưới ống đếm cửa số cuối để thay đổi tốc độ đếm đo



Trang 12



được thành tốc độ phân hủy tuyệt đối cho nuclit phóng xạ. Toàn bộ hiệu suất của hệ

thống detector cửa sổ cuối phụ thuộc vào nhiều nhân tố trong đó bao gồm detector,

một vài linh kiện máy đếm và chính nguồn của nó.



5.3. DETECTOR NHẤP NHÁY

Điểm chú ý của Detector nhấp nháy là nó đóng góp một phần quan trọng trong

sự phát triển ngành phân tích kích hoạt phóng xạ, nó cũng là một trong những loại

Detector cũ nhất được dùng trong đo lường bức xạ. Kính nhấp nháy được phát triển

năm 1908, là dựa trên sự phát huỳnh quang khi hạt alpha tác động vào một màng

mỏng tinh thể kẽm sunfua. Sự tương tác được quan sát với một kính hiển vi trong

một phòng tối bằng “máy đếm nhân tạo” tốc độ đếm của máy này bị giới hạn,

khoảng 60 nhấp nháy trên một phút. Sự phát triển của máy đếm điện tử hoặc những

máy đếm gộp trong những năm 1930 đã làm cho máy đếm bằng hình ảnh lỗi thời.

Ống nhân quang xuất hiện trong những năm 1940 khởi đầu cho máy đếm nhấp nháy

hiện đại. Detector nhấp nháy đã trở nên quan trọng cho việc đo phổ tia gamma, đặc

biệt trong phân tích kích hoạt phóng xạ, với việc phát hiện ra những tinh thể với mật

độ cao đặc trưng nhạy với bức xạ Gamma và sự phát triển đồng thời các thiết bị đo

điện tử, các thiết bị này nó có thể tách và chọn xung điện bằng biên độ (chiều cao

xung).

5.3.a. Nguyên Tắc Ghi Nhận Nhấp Nháy

Detector nhấp nháy phụ thuộc vào đặc tính của những tinh thể rắn, nó có thể

tiêu hao năng lượng bởi sự ion hóa và sự kích thích dưới dạng phát quang. Sự phát

xạ của ánh sáng nhìn thấy hoặc tia tử ngoại nói chung là dưới dạng huỳnh quang

(với thời gian sống khoảng 10-8 giây) hoặc hiện tượng lân quang (có bước sóng dài

hơn với thời gian sống khoảng 10-4 giây). Tinh thể nhấp nháy có thể bao gồm những

hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ. Sự phát sáng của hợp chất hữu cơ (ví dụ như antraxen)

là một đặc tính cố hữu của phân tử hữu cơ, trong khi hợp chất vô cơ, sự phát sáng là

một đặc tính của trạng thái kết tinh. Vì hầu hết các detector nhấp nháy được dùng

cho quang phổ bức xạ được làm bằng tinh thể vô cơ, sự tìm hiểu của chúng ta bị

giới hạn trong những tinh thể như vậy. Lý thuyết dải bước sóng trong giới hạn nhất



Trang 13



định của chất rắn được phát biểu năm 1928 được áp dụng cho tính dẫn điện của kim

loại, chất bán dẫn và chất cách điện kết tinh. Sự phân loại này nói chung được tạo

bởi sự khác biệt về điện trở suất. các giá trị gần đúng được cho trong bảng 5.1.

Bảng 5.1: Điện trở của vật rắn

Chất



Điện trở suất



Vật dẫn.



~10–5



Chất bán dẫn.



10–2 tới 109



Chất cách điện.



1014 tới 1022



Lý thuyết về chất rắn coi sự phân chia cơ lượng tử trong một mạng tinh thể về

các mức năng lượng điện bên trong và bên ngoài của nguyên tử liên kết. Mặc dù các

electron bên trong liên kết chặt chẽ với hạt nhân nguyên tử, các electron phía ngoài

(electron hóa trị) chịu ảnh hưởng của các nguyên tử ở gần đủ để tạo thành một dãy

các dải năng lượng “chấp nhận” liên tục bị tách bởi vùng giá trị năng lượng “lượng

tử bị cấm”. Một sơ đồ biểu diễn sự phân loại vùng năng lượng điện tử trong một

chất cách điện tinh thể ion được trình bày trong hình 5.4. Ở trạng thái cơ bản của

tinh thể, vùng hóa trị bị lấp đầy hoàn toàn bởi các electron, trong khi đó vùng dẫn

điện thì trống. Sự phân chia lượng tử về mặt năng lượng giữa hai vùng được gọi là

vùng năng lượng trống EG và về mặt lý thuyết, nó là năng lượng tối thiểu cần cho sự

ion hóa của một electron từ vùng hóa trị tới vùng dẫn điện. Trong tinh thể của vật

liệu cách điện thì khoảng cách năng lượng là khá lớn nghĩa là số electron trong

vùng dẫn điện ở nhiệt độ phòng là không đáng kể. Sự di chuyển của một electron từ

vùng hóa trị đến vùng bán dẫn tạo ra một “lỗ trống” trong vùng hóa trị và tạo ra cặp

electron-lỗ trống. Khi electron và lỗ trống không còn liên kết với nguyên tử, cả hai

có thể di chuyển tự do qua mạng tinh thể và tạo nên tính dẫn điện trong tinh thể.



Hình 5.4. Vùng năng lượng điện tử trong ion tinh thể cách điện.