Lý 11 Bài 17: Dòng điện trong chất bán dẫn

- Có những loại vật liệu không thể xem là kim loại hoặc chất điện môi, đó là chất bán dẫn.

• Điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị nằm trong khoảng trung gian giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất của điện môi. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm. Ta gọi đó là sự dẫn nhiệt riêng của chất bán dẫn. Điều này ngược lại với sự phụ thuộc của điện trở suất của các kim loại vào nhiệt độ.

• Điện trở suất của chất bán dẫn rất nhạy cảm với tạp chất. Chỉ cần một lượng tạp chất nhỏ (khoảng 10^-6% đến 10^-3%) cũng đủ làm điện trở suất của nó ở lân cận nhiệt độ phòng giảm rất nhiều lần. Lúc này, ta nói sự dẫn điện cuả chất bán dẫn là dẫn điện tạp chất.
• Điện trở suất của chất bán dẫn cũng giảm đáng kể khi nó bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hoá khác.

1.2. Hạt tải điện trong chất bán dẫn, bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

a) Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

Để hiểu được tính chất điện của chất bán dẫn, trước hết cần xác định hạt tải điện trong chất bán dẫn mang điện tích gì. Có thể lấy một thỏi bán dẫn và giữ một đầu ở nhiệt độ cao, một đầu ở nhiệt độ thấp. Chuyển động nhiệt có xu hướng đẩy hạt tải điện về phía đầu lạnh, nên đầu lạnh sẽ tích điện cùng dấu với hạt tải điện.

b) Electron và lỗ trống

• Trong cả hai loại bán dẫn p và n, thực ra dòng điện đều do chuyển động của êlectron sinh ra. Khi tạo thành tinh thể silic, mỗi tinh thể silic có bốn êlectron hoá trị nên vừa đủ để tạo ra bốn liên kết với bốn nguyên tử lân cận.
• Các êlectron hoá trị đều bị liên kết, nên không tham giá vào việc dẫn điện.
• Khi một êlectron bị rứt khỏi mối liên kết, nó trở nên tự do và thành hạt tải điện gọi là êlectron dẫn, hay gọi tắt là êlectron. Chỗ liên kết đứt sẽ thiếu một êlectron nên mang điện dương. Khi một êlectron từ mối liên kết của nguyên tử silic lân cận chuyển tới đấy thì mối liên kết đứt sẽ di chuyển ngược lại. Chuyển động của êlectron liên kết bây giờ có thể xem như chuyển động của một điện tích dương theo chiều ngược. Nó cũng được xem là hạt tải điện mang điện dương và gọi là lỗ trống.

=> Vậy, 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.

c) Tạp chất cho (dono) và tạp chất nhận (axepto)

• Hạt tải điện trong bán dẫn loại n chủ yếu là êlectron. Ta gọi là tạp chất cho (đôno)
• Hạt dẫn điện trong bán dẫn loại p chủ yếu là lỗ trống. Ta gọi là tạp chất nhận (axepto)

Lớp chuyển tiếp p-n là chổ tiếp xúc của miền mang tính dẫn p và miền mang tính dẫn n được tạo ra trên 1 tinh thể bán dẫn

a) Lớp nghèo

• Miền bán dẫn loại p hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống.

• Miền bán dẫn loại n hạt tải điện chủ yếu là electron tự do.

⟹ Tại lớp chuyển tiếp p- n electron tự do và lỗ trống trà trộn vào nhau

• Khi electron gặp lỗ trống (nơi liên kết thiếu electron), nó sẽ nối lại liên kết và một cặp electron–lỗ trống bị biến mất.

• Ở lớp chuyển tiếp p- n, sẽ hình thành một lớp không có hạt tải điện được gọi là lớp nghèo.

• Ở lớp chuyển tiếp p- n (lớp nghèo), về phía bán dẫn n có các ion đôno tích điện dương, về phía bán dẫn P có các ion axepto tích điện âm.

• Điện trở của lớp nghèo rất lớn.

b) Dòng điện chạy qua lớp nghèo

- Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn p sang bán dẫn N thì:

• Lỗ trống trong bán dẫn p sẽ chạy theo cùng chiều điện trường vào lớp nghèo.

• Electron trong bán dẫnn sẽ chạy ngược chiều điện trường vào lớp nghèo.

- Lúc này lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy, sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền bán dẫn P sang miền bán dẫn n.

- Quy ước:

• Chiều dòng điện qua lớp nghèo từ p sang n: chiều thuận.

• Chiều dòng điện không qua lớp nghèo từ n sang p: chiều ngược.

c) Hiện tượng phun hạt tải điện

• Khi dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp p- n theo chiều thuận, các hạt tải điện đi vào lớp nghèo có thể đi tiếp sang miền đối diện. Ta nói có hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác.

• Tuy nhiên, chúng không thể đi xa quá khoảng 0,1mm, vì cả hai miền p và n úc này đều có electron và lỗ trống nên chúng dễ gặp nhau và biến mất từng cặp

• Cấu tạo Điôt bán dẫn: Khi đã có được hai chất bán dẫn loại p và loại n, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp p-n ta được một điôt bán dẫn. 

• Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn n khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống tạo thành lớp ion trung hòa điện, lớp này là miền cách điện.

• Chiều dòng điện đi qua Điôt và kí hiệu Điôt: 

a) Hiệu ứng tranzito

- Xét một tinh thể bán dẫn trên đó có tạo ra một miền p, và hai miền n1 và n2. Mật độ electron trong miền n2 rất lớn so với mật độ lỗ trống trong miền p. Trên các miền này có hàn các điện cực C, B, E. Điện thế ở các cực E, B, C giữ ở các giá trị VE = 0, VB vừa đủ để lớp chuyển tiếp p-n2 phân cực thuận, VC có giá trị tương đối lớn (cở 10V).

- Giả sử miền p rất dày, n₁ cách xa n₂

•   Lớp chuyển tiếp n₁-p phân cực ngược, điện trở RCB giữa C và B rất lớn.

•   Lớp chuyển tiếp p-n₂ phân cực thuận nhưng vì miền p rất dày nên các electron từ n₂ không tới được lớp chuyển tiếp p-n₁, do đó không ảnh hưởng tới RCB.

- Giả sử miền p rất mỏng, n₁ rất gần n₂

•   Đại bộ phận dòng electron từ n₂ phun sang p có thể tới lớp chuyển tiếp n1-p, rồi tiếp tục chạy sang n₁ đến cực C làm cho điện trở RCB giảm đáng kể.

•   Hiện tượng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB gọi là hiệu ứng tranzito.

- Vì đại bộ phận electron từ n2 phun vào p không chạy về B mà chạy tới cực C, nên ta có  \({I_B} <  < {\rm{ }}{I_E}\) và \({I_C} \approx {I_E}\) . Dòng IB nhỏ sinh ra dòng IC lớn, chứng tỏ có sự khuếch đại dòng điện

b) Tranzito lưỡng cực n-p-n

- Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n1 và n2 gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n.

- Tranzito có ba cực:

• Cực góp hay là côlectơ (C).

• Cực đáy hay cực gốc, hoặc bazơ (B).

• Cực phát hay Emitơ (E).

• Ứng dụng phổ biến của tranzito là để lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử.

Câu 1: Phát biểu nào sau đây về tranzito là chính xác?

A. Một lớp bán dẫn loại p kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n là tranzito n-p-n

B. Một lớp bán dẫn loại n mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại p không thể xem là tranzito

C. Một lớp bán dẫn loại p mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại 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.

Hướng dẫn giải

Trong tranzito n-p-n, bao giờ mật độ hạt tải điện miền êmitơ cũng cao hơn miền bazơ.

⇒ Chọn đáp án D

Câu 2: 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 có 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 hoá khác.

D. Cả ba lí do trên

Hướng dẫn giải

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 các tác nhân ion hoá khác.

⇒ Chọn đáp án D

Câu 1: Khi nào thì một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n trên một tinh thể được xem là một tranzito n-p-n?

Câu 2: Khi nào thì một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n trên một tinh thể được xem là một tranzito n-p-n?

Câu 3: Mô tả cách sinh ra electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n và p.

Câu 4: Điểm khác nhau chính giữa nguyên tử đôno và axepto đối với Silic là gì?

Câu 5: Tính chất điện của bán dẫn và kim loại khác nhau như thế nào?

Câu 1: Câu nào dưới đây nói vé tính chất của các chất bán dẫn là không đúng ?

A. Điện trở suất của bán dẫn siêu tinh khiết ở nhiệt độ thấp có giá trị rất lớn.

B. Điện trở suất của bán dãn tăng nhanh khi nhiệt độ tăng, nên hệ số nhiệt điện trở của bán dẫn có giá trị dương.

C. Điện trở suất của bán dẫn giảm nhanh khi đưa thêm một lượng nhỏ tạp chất (10^-6% - 10^-3) vào trong bán dẫn.

D. Điện trở suất của bán dẫn giảm nhanh khi nhiệt độ tăng, nên hệ số nhiệt điện trở của bán dẫn có giá trị âm.

Câu 2: Câu nào dưới đây nói về các loại chất bán dẫn là không đúng?

A. Bán dẫn tinh khiết là loại chất bán dẫn chỉ chứa các nguyên tử của cùng một nguyên tố hoá học và có mật độ êlectron dẫn bằng mật độ lỗ trống.

B. Bán dẫn tạp chất là loại chất bán dẫn có mật độ nguyên tử tạp chất lớn hơn rất nhiều mật độ các hạt tải điện.

C. Bán dẫn loại n là loại chất bán dẫn có mật độ các êlectron dẫn lớn hơn rất nhiều mật độ lỗ trống.

D. Bán dẫn loại p là loại chất bán dẫn có mật độ lỗ trống lớn hơn rất nhiều mật độ êlectron dẫn.

Câu 3: Câu nào dưới đây nói về các hạt tải điện trong chất bán dẫn là đúng ?

A. Các hạt tải điện trong chất bán dẫn loại n chỉ là các êlectron dẫn.

B. Các hạt tải điện trong chất bán dẫn loại p chỉ là các lỗ trống.

C. Các hạt tải điện trong chất bán dần luôn bao gồm cả êlectron dẫn và lỗ trống.

D. Cả hai loại hạt tải điện gồm êlectron dẫn và lỗ trống đều mang điện âm.

Câu 4: Câu nào dưới đây nói về tạp đôno và tạp axepto trong bán dẫn là không đúng ?

A. Tạp đôno là nguyên tử tạp chất làm tăng mật độ êlectron dẫn.

B. Tạp axepto là nguyên tử tạp chất làm tăng mật độ lỗ trống.

C. Trong bán dẫn loại n, mật độ êlectron dẫn tỉ lệ với mật độ tạp axepto. Trong bán dẫn loại p, mật độ lỗ trống dẫn tỉ lệ với mật độ tạp đôno.

D. Trong bán dẫn loại n, mật độ êlectron dẫn tỉ lệ với mật độ tạp đôno. Trong bán dẫn loại p, mật độ lỗ trống dẫn tỉ lệ với mật độ tạp axepto.

Câu 5: Câu nào dưới đây nói về lớp chuyển tiếp p-n là không đúng ?

A. 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.

B. Tại lớp chuyển tiếp p-n, do quá trình khuếch tán và tái hợp của các êlectron và lỗ trống nên hình thành một lớp nghèo hạt tải điện và có điện trở rất lớn.

C. Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion axepto tích điện dương, về phía bán dẫn p có các ion đôno tích điện âm.

D. Lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉ cho dòng điện chạy qua nó theo một chiều nhất định từ miền p sang miền n nên được sử dụng làm điôt bán dẫn.

Qua bài giảng Dòng điện trong chất bán dẫn này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như :

• Trả lời được các câu hỏi: Chất bán dẫn là gì ? Nêu những đặc điểm của chất bán dẫn. Từ đó rút ra bản chất dòng điện trong chất bán dẫn

• Nắm được cấu tạo và công dụng của Tranzito n-p-n.

• Vận dụng được các kiến thức để giải thích các hiện tượng liên quan