- Giải Vật Lí Lớp 11
- Sách Giáo Khoa Vật Lý 11
- Giải Sách Bài Tập Vật Lí Lớp 11
- Sách Giáo Viên Vật Lí Lớp 11
- Giải Vật Lí Lớp 11 Nâng Cao
- Sách Giáo Viên Vật Lí Lớp 11 Nâng Cao
- Sách Bài Tập Vật Lí Lớp 11
- Sách Bài Tập Vật Lí Lớp 11 Nâng Cao
Ảnh bên trình bày các lĩnh kiện bán dẫn : điôt, tranzito, vi mạch. húng co mạt trong moi thiết bị diện tử dùng trong đời sống và trong khoa học, kĩ thuật. Do những tính chất đặc biệt như thế nào mà chất bản dân (bán dãn) được sử dụng rộng rai như vậy ?Điên mô1Bandan Kim loaHình 23.1. Điện trở suất của kim loại, bán dẫn, điện môipBan dảm tình khietO THình 23.2 Điện trở suất của kim loại và bán dẫn tinh khiết phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ,114* c Θ 剧**●属 *鲁1. Tính chất điện của bán dẫn a). Bán dẫn điển hình và được dùng phổ biến nhất là silic (Si). Ngoài ra, còn có các bán dẫn đơn chất khác như Ge, Se, các bán dẫn hợp chất như GaAs, CđTè, ZnS,…, nhiều ôxit, sunfua, Selenua, telurua. và một số chất pôlime. b) Bán dẫn có những tính chất khác biệt so với kim loại. • Điện trở suất p của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi (Hình 23.1). • Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (Hình 232). Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện rất kém (giống như điện môi), còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt (giống như kim loại). • Tính chất điện của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất có mặt trong tinh thể. 2. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết • Ta hãy xét trường hợp bán dẫn điển hình là Si. Nếu trong mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử là Si, thì ta gọi đó là bán dẫn tinh khiết. Silic là nguyên tố có hoá trị 4, tức là lớp electron ngoài cùng của nguyên tử Si có bốn électron (Hình 233). Trong tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử lân cận thông qua các liên kết8- WL11 – NC – e. cộng hoá trị. Như vậy, xung quanh mỗi nguyên tử Si có tám êlectron, tạo thành lớp electron đầy (Hình 23.4). Do đó, liên kết giữa các nguyên tử trong tinh thể Si rất bền vững. • Ở nhiệt độ thấp, gần 0K, các electron hoá trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng. Do đó, trong tỉnh thể không có hạt tải điện tự do, bán dẫn Si không dẫn điện. Ở nhiệt độ tương đối cao, nhờ dao động nhiệt của các nguyên tử, một số electron hoá trị thu thêm năng lượng và được giải phóng khỏi các liên kết, trở thành các électron tự do. Chúng có thể tham gia vào sự dẫn điện giống như electron dẫn trong kim loại. Trong bài này, electron tự do được gọi là êlectron. Đồng thời, khi một êlectron bứt khỏi liên kết, thì một liên kết bị trống xuất hiện. Người ta gọi nó là lỗ trống. Lỗ trống mang một điện tích nguyên tố dương, vì liên kết thiếu êlectron. Một êlectron ở mối liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết bị trống, và tạo thành lỗ trống ở vị trí khác, tức là lỗ trống cũng có thể dịch chuyển trong tinh thể. Vậy, ở nhiệt độ cao, có sự phát sinh ra các cặp êlectron – lỗ trống (Hình 23.5). Bên cạnh đó luôn xảy ra quá trình tái hợp electron – lỗ trống, trong đó mộtêlectron tự do chiếm một mối liên kết bị trống và trở lại thành êlectron liên kết. Quá trình này làm mất đi đồng thời một ềlectron tự do và một lỗ trống (một cặp electron – lỗ trống). Ở một nhiệt độ xác định, có sự cân bằng giữa quá trình phát sinh và quá trình tái hợp. • Khi có điện trường đặt vào, êlectron chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động thuận chiều điện trường, gây nên dòng điện trong bán dẫn.o Hình 23,3 Nguyên tử Si CÖ bốn ễlectron hoá trị Ở giữa là hạt nhân, xung quanh là các lớp electron bên trong. Ngoài cùng là bốn electron hoá trị.Hình 23.4 Trong tinh thể Sĩ ở nhiệt độ rất thấp, không có hạt mang điện tự do.Mỗi đoạn thẳng biểu thị mộtliên kết giữa hai nguyên tử, do một electron thực hiện.LÖ trÔngHình 23.5. Trong tinh thể Si ở nhiệt độ tương đối cao, CÔ Sự phát Sinh cap électron — Iô trông.Hình tròn màu xanh biểu thị êlectron tự do, vòng tròn rỗng biểu thị lỗ trống.115 Giải thích vì sao điện trở suất của kim loại và bán dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ theo cách khác nhau, như thấy ở Hình 23.2.30Hình 23.6 Quang diện trở bán dẫn,116Vậy, dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỏ trống. Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và số lổ frống bằng nhau. Nói chính xác hơn, trong bán dẫn tinh khiết, mật độ electron và mật độ lỗ trống bằng nhau. Sự dẫn điện trong trường hợp này gọi là sự dẫn điện riêng của bán dẫn. Bán dẫn tinh khiết còn được gọi là bán dẫn loại i • Nhiệt độ càng cao thì số electron và lỗ trống càng lớn. Do đó, độ dẩn điện của bán đản tinh khiết fảng khi nhiệt độ tăng. Ở nhiệt độ phòng, bán dẫn Si tinh khiết dẫn điện kém, vì có rất ít êlectron tự do và lỗ trống. Người ta ứng dụng sự phụ thuộc mạnh của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ để làm nhiệt điện trở bán dẫn. Đó là dụng cụ gồm một mẫu bán dẫn nối với hai dây dẫn. Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ, để điều chỉnh và khống chế nhiệt độ. • Cặp electron – lỗ trống còn phát sinh khi ta chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào bán dẫn. Do đó, điện trở suất của bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Đó là hiện tượng quang dẫn. Hiện tượng này được ứng dụng để làm quang điện trở bán dẫn (Hình 23.6): điện trở của nó giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào tăng.3. Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chấtNếu bán dẫn Si có pha tạp chất, tức là ngoài các nguyên tử Si, còn có các nguyên tử khác, thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều. Chỉ cần một lượng rất nhỏ tạp chất (với tỉ lệ vài phần triệu), độ dẫn điện của bán dẫn có thể tăng hàng vạn, hàng triệu lần. Khi đó, cùng với sự dẫn điện riêng, còn có sự dẫn điện do tạp chất.a). Bán dẫn loại n Giả sử trong mạng tỉnh thể Si có lẫn một nguyên tử phôtpho (P), Nguyên tử P có năm êlectron ở lớp ngoài (Hình 23,7a), trong đó bốn electron tham gia liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử Si ở xung quanh. Êlectron còn lại liên kết yếu với nguyên tử P nên ngay ở nhiệt độ thấp, nó đã có thể dễ dàng bứt khỏi nguyên tử P và trở thành êlectron tự do (Hình 23.7b). Nguyên tử Ptrở thành mộtion dương, nằm tại nút mạng. Như vậy, tạp chất P đã tạo nên thêm các electron dẫn, mà không làm tăng thêm số lỗ trống. Do đó, bán dẫn Si pha P có số electron dẫn nhiều hơn số lỗ trống, tức là mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống. Ta gọi electron là hạt tải điện cơ bản hay đa số lỗ trống là hạt tải điện không Cơ bản hay thiểu số. Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn electron hay bán dẫn loại n. b) Bán dẫn loại p Nếu tạp chất là nguyên tố hoá trị 3 như bo (B) (Hình 23,8a), thì còn thiếu một electron để tạo thành liên kết giữa nguyên tử B với bốn nguyên tử Si lân cận. Một electron ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết này và tạo thành lỗ trống. Còn nguyên tử B thì trở thành một ion âm nằm ở nút mạng (Hình 23,8b).Tạp chất B pha vào bán dẫn Si đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số êlectron dẫn, tức là mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron. Lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản (hay thiểu số). Đó là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p.Nếu ta pha hai loại tạp chất, chẳng hạn cả P và B, vào bán dẫn Si, thì bán dẫn này có thể là loạip hay loại n, tuỳ theo tỉ lệ giữa hai lượng tạp chất.Như vậy, bằng cách chọn loại tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn và có tính dẫn điện mong muốn. Đây chính là một tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng.Hình 23.7. Tạp chất P tạo thêm ềlectron tự do.Hình 23.8 Tạp chất B tạo thêm |ỗ trống.117 a)-b) E. Hình 23,9 Sự hình thành lớp chuyển tiёрp-n.Trong thực tế, lớp chuyển tiếp p-71 được tạo thành khi người ta pha các tạp chất một cách thích hợp vào các phân khác nhau của một mẫu dån.Lớp này còn được gọi là lớp nghèo hạf fải điện, hay gọi tắt là1184. Lớp chuyển tiếp p-n a) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n Lớp chuyển tiếp p-n được hình thành khi ta cho hai mẫu bán dẫn khác loại, loại p và loại n, tiếp xúc Với nhau (xem Hình 23.9). Khi có sự tiếp xúc, lỗ trống và êlectron khuếch tán từ mẫu p sang mẫu n và ngược lại. Tuy nhiên, do Ở bán dẫn p, lỗ trống là hạt tải điện đa số, nên dòng khuếch tán từ bán dẫn p sang n chủ yếu là dòng lỗ trống. Lỗ trống từ p sang n tái hợp với êlectron tự do. Do đó, ở phía bán dẫn n gần mặt phân cách hai mẫu bán dẫn, không còn hạt tải điện tự do nữa. Ở đó chỉ có các ion tạp chất mang điện dương. Tương tự, từ phía n sang phía Ð, dòng khuếch tán chủ yếu là electron. Phíap, gần mặt phân cách hai mẫu, có các ion tạp chất mang điện âm. Kết quả của sự khuếch tán là ở mặt phân cách giữa hai mẫu bán dẫn, bên phía bán dẫn n có một lớp điện tích dương, bên phía bán dẫn p có một lớp điện tích âm. Tại đó xuất hiện một điện trường trong E, , hướng từ phía n sang p, có tác dụng ngăn cản Sự khuếch tán các hạt mang điện đa số (và thúc đẩy sự khuếch tán các hạt thiểu số). Cường độ của điện trường E. tăng dần, làm cho dòng khuếch tán các hạt tải điện đa số giảm dần. Sự khuếch tán dừng lại khi cường độ điện trường này đạt giá trị ổn định. Ta nói rằng ở chỗ tiếp xúc hai loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n. Lớp chuyển tiếp có điện trở lớn, vì ở đó hầu như không có hạt tải điện tự do. b) Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n • Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương của nguồn nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n, như trên Hình 23.10. Điện trường ngoài Fin do nguồn điện gây ra ngược chiều với điện trường trong E. của lớp chuyển tiếp, làm yếu điện trường trong. Do đó,dòng chuyển dời của các hạt tải điện đa số được tăng cường, gây nên dòng điện I có cường độ lớn chạy theo chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Đó làdòng điện thuận, được gây nên bởi hiệu điện thếthuận của nguồn điện. Dòng này tăng nhanh khi hiệu điện thế U tăng. Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận, còn gọi là lớp chuyển tiếp p-n được phản Cực thuận. Như vậy, khi lớp chuyển tiếp được phân cực thuận, các hạt tải điện đa số Ở hai phía đều đi đến lớp chuyển tiếp và vượt qua lớp này, gây nên sự phun lỗ trống vào bán dẫn loại n, và phun électron vào bán dân loại p. • Ta đổi cực của nguồn điện mắc vào mẫu bán dẫn, tức là mắc cực dương vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p (Hình 23.11). Điện trường ngoài IË, cùng chiều với điện trường trong Et. Vì thế, chuyển dời của các hạt tải điện đa số hoàn toàn bị ngăn cản. Qua lớp chuyển tiếp, chỉ có dòng các hạt tải điện thiểu số, gây nên dòng điện 1 chạy từ phía n sang phíap, có cường độ nhỏ và hầu như không thay đổi khi ta tăng hiệu điện thế U. Đó là dòng điện ngược, do hiệu điện thế ngược của nguồn gây nên. Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược (hay phán Cực ngượC). • Như vậy, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận (từ p sang n) có cường độ lớn, dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều ngược có cường độ rất nhỏ. Lớp chuyển tiếp p-n dân điện tốt theo một chiếu, từ p sang n. Lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉnh lưu. c) Đặc tuyến vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n Khảo sát sự biến thiên của cường độ dòng điện theo hiệu điện thế, có thể thu được đường đặc trưng Vôn-ampe, còn gọi là đặc tuyến Vôn-ampe, của lớp chuyển tiếp p-n như trên Hình 23.12. Tính chất của lớp chuyển tiếp p-n được ứng dụng trong nhiều dụng cụ bán dẫn như điôt, tranzito…- – E. ,EحیHình 23.10. Lớp chuyển tiếp p-n mắc vào nguồn điện theo chiều thuận. Điện trường ngoài E. ngược chiều với điện trường trong E. Dòng điện thuận (/h) có cường độ lớn chạy từ p sang n,- H- E. – E.Hình 23,11. Lớp chuyển tiếp p-n mắc vào nguồn điện theo chiều ngượcĐiện trường ngoài E, cùng chiều với điện trường trong E. – Dòng điện ngược ling có cường độ rất nhỏ, chạy turn sang p.нinh 23.12 Dӑс tшуёn vбn-атре cüa löp chuyén tiépp-n. ” Dòng điện thuận có cường độ lớn và tăng nhanh theo hiệu điện thế thuận. Dòng điện ngược rất nhỏ và ít phụ thuộc hiệu điện thế.119 Hãy nêu sự khác nhau về tính chất điện giữa kim loại và bán dẫn tinh khiết2. Có những loại bán dẫn nào ? Trong mỗi loại bán dẫn đó, các hạt tải điện là những loại nào, có số lượng ra Sao Và được tạo thành như thế nào ?3. Hãy giải thích. Sự hình thành lớp Chuyển tiếp p-n. Vì sao ta nói lớp chuyển tiếp p-n. Có tính chất Chỉnh lưu ? 4. Hãy giải thích hình dạng của đưỞng đặc trưng Vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n.57. BÂI TÂP1. Tim Câu đúng. A. Trong bán dẫn, mật độ electron luôn luôn bằng mật độ lỗ trống. B. Nhiệt độ Càng CaO, bán dẫn dẫn điện Càng tốt C. Bán dẫn loạip tích điện dương. Vì mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ êlectron, D. Bá ܜܚA1 ܢܝܚܝ ܢܚܐ ܬܐ . . ܗܘ ܬܝܬܐ ܗܘ ܩܪܳܝ ܓ݁ܳܩܰܝܢܝ ܕܝ |Oai, g bá رJA ܀ 4 ܝܗܘܕܝܐ ܐܝܩܟܩ1 ↓ܗܘ ܕܝܐܲ ܘ݇Ai ±iAܐܶܡܰܬ݂ܝ ܐܶܣܰܝ4 ܗܘ CÖn trong kim loại Chỉ Có một loại 2. Chọn Câu đúng. A. Điện trở của lớp Chuyển tiếp p-n là nhỏ, khi lớp chuyển tiếp được mắc vào nguồn điện theo Chiều ngược. B. Nhiệt độ Càng CaO, tính chỉnh lưu của lớp Chuyển tiếp p-n càng kém, C. Khi lớp chuyển tiếp p-n được hình thành thì luôn có dÔng điện chạy theo chiếu từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n, do sự khuếch tán của các hạt tải điện Cơ bản mạnh hơn so với sự khuếch tán của Các hạt tải điện không Cơ bản. D. Khi lớp Chuyển tiếp p-n được hình thành thì luôn có dòng l — . “ܢ l 1 ܝܬ ܐܦܝ ܢܝ ܠܝđiện từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại ển động củ .ܥܝܬܐ – ܬܐ äide le. Ở nhiệt độ phòng, trong bán dẫn Si tinh khiết số cặp electron – lỗ trống bằng 10°13’số nguyên tử Si. Nếu ta pha P vào Si Với tỉ lệ một phần triệu, thì số hạt tải điện tăng lên bao nhiều lần ?312O