BÀI 17: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Chất bán dẫn và tính chất
+ Chất bán dẫn là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như mộ chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng.
+ Tính chất:
- Điện trở suất nằm trung gian giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất của điện môi. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của bán dẫn tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm (sự dẫn điện riêng của chất bán dẫn).
- Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất.
- Điện trở suất của bán dẫn cũng giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác.
2. Hạt tải điện trong chất bán dẫn. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
- Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng các êlectron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.
- Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn là do dòng êlectron chuyển động có hướng sinh ra.
- Phân loại: Dựa vào hạt tải điện trong chất bán dẫn ta chia bán dẫ làm hai loại:
- Bán dẫn loại n
- Bán dẫn loại p
Phân loại | Bán dẫn loại n | Bán dẫn loại p |
Định nghĩa | Là chất bán dẫn mà hạt tải điện trong đó mang điện âm. | Là chất bán dẫn mà hạt tải điện trong đó mang điện dương |
Hạt tải điện | êlectron | lỗ trống |
Tạp chất | Tạp chất cho (đôno): sinh ra êlectron dẫn, thường là những nguyên tố có 5 êlectron hóa trị như P, As,... | Tạp chất nhận (axepto): nhận êlectron và sinh ra lỗ trống, thường là những nguyên tố có 3 êlectron hóa trị như B, Al,... |
- Tạp chất cho (đôno) và tạp chất nhận (axepto):
- Bán dẫn chứa đôno (tạp chất cho) là loại n, có hạt tải điện chủ yếu là êlectron. Tạp chất đôno sinh ra êlectron dẫn nhưng không sinh ra lỗ trống.
- Bán dẫn chứa axepto (tạp chất nhận) là loại p, có hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống. Tạp chất axepto sinh ra lỗ trống nhưng không sinh ra êlectron tự do.
3. Lớp chuyển tiếp p – n
Định nghĩa: lớp chuyển tiếp p – n là chỗ tiếp xúc của miền mang tính dẫn p và miền mang tính dẫn n được tạo ra trên một tinh thể bán dẫn.
+ Lớp nghèo
- Tại lớp chuyển tiếp p – n, có sự nối lại liên kết của êlectron và lỗ trống làm mất đi các hạt tải điện gọi là lớp nghèo.
- Tại lớp nghèo, phía bán dẫn n có các ion đôno tích điện dương, phía bán dẫn p có các ion axepto tích điện âm. Điện trở của lớp nghèo rất lớn.
+ Dòng điện qua lớp nghèo
- Dòng điện qua lớp nghèo chỉ chạy từ miền p sang miền n, ta gọi lớp chuyển tiếp p – n có tính chỉnh lưu. Dòng điện qua được lớp nghèo (từ p sang n) là chiều thuận, chiều kia là chiều ngược.
- Tính chỉnh lưu: Tính chất của một phần tử điện chỉ cho dòng điện đi theo một chiều.
+ Hiện tượng phun hạt tải điện
- Hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác là hiện tượng xảy ra khi hạt tải điện đi vào lớp nghèo có thể đi tiếp sang miền đối diện.
4. Điôt bán dẫn và mạch chỉnh lưu dùng điôt bán dẫn
- Điôt bán dẫn là một lớp chuyển tiếp p – n.
- Vì dòng điện chủ yếu chỉ chạy qua điôt theo chiều từ p đến n nên khi nối nó vào mạch điện xoay chiều, dòng điện cũng chỉ chạy theo một chiều, ta nói điôt có tính chỉnh lưu.
- Điôt được dùng để lắp mạch chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, biến mạch xoay chiều thành mạch một chiều.
5. Tranzito lưỡng cực n – p – n. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
- Hiệu ứng tranzito: là hiệu ứng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB.
|  |
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Phần này chủ yếu là lí thuyết và bài tập định tính giải thích các hiện tượng liên quan đến dòng điện trong chất bán dẫn, do đó các em cần nắm vững và vận dụng linh hoạt các kiến thức ở mục A vào từng câu hỏi cụ thể.
C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 103 SGK Vật Lí 11):
So sánh điện trở suất của germani tinh khiết, germani pha tạp gali với tỉ lệ 10-6 % và 10-3 % ở nhiệt độ phòng với điện trở suất của kim loại.
Trả lời:
So sánh điện trở suất của germani pha tạp gali ở các nồng độ khác nhau ở nhiệt độ phòng với điện trở suất của các kim loại.
Nồng độ tạp | 0% | 10-6 % | 10-3 % | Kim loại |
Điện trở suất (W.m) | 0,5 | 0,01 | 10-4 | 10-8 |
Vậy ở nhiệt độ phòng, điện trở suất của germani tinh khiết > germani pha tạp gali với tỉ lệ 10-6 % > germani pha tạp gali với tỉ lệ 10-3 % > điện trở suất của kim loại.
Câu C2 (trang 103 SGK Vật Lí 11):
Vì sao ở hai bên lớp nghèo lại có ion dương và ion âm?
Trả lời:
- Tại lớp chuyển tiếp p-n, có sự khuếch tán êlectron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n.
- Khi êlectron gặp lỗ trống, chúng liên kết và một cặp êlectron và lỗ trống biến mất. Ở lớp chuyển tiếp p-n hình thành lớp nghèo(không có hạt tải điện).
- Khi đó, ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion đôno tích điện dương, còn về phía bán dẫn loại p có các axepto tích điện âm. Điện trở của các lớp nghèo rất lớn.
Câu C3 (trang 105 SGK Vật Lí 11):
Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền n mỏng kẹp giữa hai miền p có thể gọi là tranzito được không?
Trả lời:
Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền n mỏng kẹp giữa hai miền p có thể gọi là tranzito p-n-p.
D. CÂU HỎI – BÀI TẬP
Bài 1 (trang 106 SGK Vật Lí 11):
Tính chất điện của bán dẫn và kim loại khác nhau như thế nào?
Lời giải:
Kim loại | Bán dẫn tinh khiết |
| Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron | Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron và lỗ trống |
| Điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng | Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng |
Bài 2 (trang 106 SGK Vật Lí 11):
Điểm khác nhau chính giữa nguyên tử đôno và axepto đối với silic là gì?
Lời giải:
- Nguyên tử đôno là nguyên tử khi pha thêm tạp chất có 5 êlectron hóa trị, nhiều hơn silic 1 êlectron, làm cho nguyên tử đôno có hạt tải điện chủ yếu là êlectron.
- Nguyên tử axepto là nguyên tử pha tạp thêm tạp chất có 3 êlectron hóa trị, ít hơn silic 1 êlectron, muốn liên kết với silic, nó phải lấy một êlectron hóa trị của silic, tạo ra lỗ trống, vì vậy hạt tải điện của nó chủ yếu là lỗ trống.
Bài 3 (trang 106 SGK Vật Lí 11):
Mô tả cách sinh ra êlectron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n và p?
Lời giải:
- Bán dẫn tinh khiết: Một êlectron bị đứt ra khỏi liên kết trở nên tự do và thành hạt tải điện (êlectron dẫn). Chỗ liên kết bị đứt thiếu 1 êlectron nên mang điện dương gọi là lỗ trống.
- Bán dẫn loại n: Pha tạp thêm chất có 5 êlectron hóa trị vào những chất có chứa 4 êlectron hóa trị. Điều này làm cho êlectron bị thừa ra tạo thành êlectron tự do làm hạt tải điện cho chất bán dẫn.
- Bán dẫn loại p: Pha tạp thêm chất có 3 êlectron hóa trị vào chất có 4 êlectron hóa trị (Silic). Muốn chúng liên kết với nhau thì chất pha tạp phải lấy một êlectron của Si làm xuất hiện một lỗ trống. Vì vậy hạt tải điện trong bán dẫn loại p chủ yếu là lỗ trống.
Bài 4 (trang 106 SGK Vật Lí 11):
Dòng điện chỉ chạy qua lớp chuyển tiếp p-n theo chiều nào?
Lời giải:
Dòng điện chỉ chạy qua lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từ p sang n.
Bài 5 (trang 106 SGK Vật Lí 11):
Khi nào thì một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n trên một đơn tinh thể được xem là một tranzito n-p-n?
Lời giải:
Một lớp bán dẫn p kẹt giữa hai lớp bán dẫn n trên một đơn tinh thể được xem là một tranzito n-p-n khi bề dày của lớp p rất nhỏ hơn bề dày của hai lớp n kệp hai bên nó.
Bài 6 (trang 106 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu nào dưới đây là chính xác?
Người ta gọi silic là chất bán dẫn vì
A. nó không phải là kim loại , cũng không phải là điện môi.
B. hạt tải điện trong đó cá thể là êlectron và lỗ trống.
C. điện trở suất của nó rất nhạy cảm với nhiệt độ, tạp chất và các tác nhân ion hóa khác.
D. cả ba lí do trên.
Lời giải: Chọn D.
Người ta gọi silic là chất bán dẫn vì:
- Nó không phải là kim loại, cũng không phải là điện môi.
- Hạt tải điện trong đó có thể là êlectron và lỗ trống.
- Điện trở suất của nó rất nhạy cảm với nhiệt độ, tạp chất và tác nhân ion hóa khác.
Bài 7 (trang 106 SGK Vật Lí 11):
Phát biểu nào dưới đây về tranzito là chính xác
A. Một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n là một tranzito n-p-n.
B. Một lớp bán dẫn n mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn p không thể xem là một tranzito.
C. Một lớp bán dẫn p mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn n luôn có khả năng khuếch đại.
D. Trong tranzito n-p-n, bao giờ mật độ hạt tải điện miền êmitơ cũng cao hơn miền bazơ.
Lời giải: Chọn D.
Trong tranzito n-p-n, bao giờ mật độ hạt tải điện miền êmitơ cũng cao hơn miền bazơ.
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài dòng điện trong chất bán dẫn do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc bác bạn học tập vui vẻ.