Vật lý 11 Bài 17: Dòng điện trong chất bán dẫn


Trong công nghiệp cũng như trong đời sống, các linh kiện bán dẫn có mặt khắp nơi ,vì vậy việc nghiên cứu về bán dẫn và các linh kiện bán dẫn là rất cần thiết.

Bài học hôm nay giúp ta có những kiến thức cơ bản về loại chất này. Mời các em cùng tìm hiểu nội dung Bài 17: Dòng điện trong chất bán dẫn.

Qua đó, các em sẽ có thêm những kiến thức nhất định về hai loại linh kiện bán dẫn quen thuộc là điôt tran-zi-to có trong các vi mạch điện tử mà ta thường gặp trong đời sống. Chúc các em học tốt !

Tóm tắt lý thuyết

1.1. Chất bán dẫn và tính chất

  • Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện. Chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động như một chất dẫn điện ở nhiệt độ cao.

  • Nhóm vật liệu bán dẫn tiêu biểu là gecmani và silic.

    • 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.

    • Điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh khi pha một ít tạp chất.

    • Điện trở của bán dẫn giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác

Điện trở suất của kim loại và bán dẫn tinh khiết phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ.

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

1.2.1. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

  • Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n.

  • Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p.

1.2.2. Electron và lỗ trống

  • Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.

  • Dòng điện trong bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường

1.2.3. Tạp chất cho (dono) và tạp chất nhận (axepto)

  • Khi pha tạp chất là những nguyên tố có năm electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này cho tinh thể một electron dẫn. Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno. Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron.

  • Khi pha tạp chất là những nguyên tố có ba electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto. Bán dẫn có pha axepto là bán dẫn loại p, hạt tải điện chủ yếu là các lỗ trống

1.3. Lớp chuyển tiếp p-n

  • 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

1.3.1. 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.

1.3.2. 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 dẫn N 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.

1.3.3. 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 lúc này đều có electron và lỗ trống nên chúng dễ gặp nhau và biến mất từng cặp

1.4. Điôt bán dẫn và mạch chỉnh lưu dùng điôt bán dẫn

  • 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: 

1.5. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của tranzito lưỡng cực n-p-n

1.5.1. 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

1.5.2. 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.

Bài tập minh họa

Bài 1

Phát biểu nào dưới đây 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 electron 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.

Hướng dẫn giải

  • Chọn đáp án D. Cả 3 lí do trên.

Bài 2

Bán dẫn loại n là gì?

  A. Bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích dương.

  B. Bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích âm.

  C. Bán dẫn pha tạp chất trong đó chứa các ion trung hòa điện.

  D. Cả ba ý trên.

Hướng dẫn giải

  • Chọn đáp án B

    • Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n hay bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích âm.

Bài 3

Bán dẫn loại P là gì?

  A. Bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích dương.

  B. Bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích âm.

  C. Bán dẫn pha tạp chất trong đó chứa các ion trung hòa điện.

  D. Cả ba ý trên.

Hướng dẫn giải

  • Chọn đáp án A

    • Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p hay bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích dương.

Câu 4:

Chất bán dẫn có những loại hạt tải điện nào?

  A. Electron

  B. Lỗ trống.

  C. Electron và lỗ trống

  D. Electron và ion

Hướng dẫn giải

  • Chọn đáp án C

    • Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.

3. Luyện tập Bài 17 Vật lý 11

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

  • Cấu tạo và công dụng của Tranzito n-p-n.

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

3.1. Trắc nghiệm

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật lý 11 Bài 17 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

    • 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.
    • 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
    • A. Electron
    • B. Lỗ trống.
    • C.  Electron và lỗ trống
    • D. Electron và ion
    • A. Bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích dương.
    • B. Bán dẫn pha tạp chất trong đó hạt tải điện chính mang điện tích âm.
    • C. Bán dẫn pha tạp chất trong đó chứa các ion trung hòa điện.
    • D. Cả ba ý trên.

Câu 5- Câu 11: Xem thêm phần trắc nghiệm để làm thử Online 

3.2. Bài tập SGK và Nâng cao 

Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật lý 11 Bài 17 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Bài tập 1 trang 106 SGK Vật lý 11

Bài tập 2 trang 106 SGK Vật lý 11

Bài tập 3 trang 106 SGK Vật lý 11

Bài tập 4 trang 106 SGK Vật lý 11

Bài tập 5 trang 106 SGK Vật lý 11

Bài tập 6 trang 106 SGK Vật lý 11

4. Hỏi đáp Bài 17 Chương 3 Vật lý 11

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!

  • Như ta đã biết, ở những nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, một số kim loại chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Có thể dùng cách hạ nhiệt độ để có được gecmani và silic siêu dẫn không?

    Theo dõi (0) 1 Trả lời
  • Cần lắm mn ơi, giúp em bài này với !!!

    Một điốt bán dẫn có lớp tiếp xúc p−n  dày 10−4cm . Khi không có điện trường ngoài. Giữa hai mặt của lớp tiếp xúc, người ta đo được hiệu điện thế 0,4V 
    a)  Giải thích hiện tượng.
    b)  Tính độ lớn của cường độ điện trường tạo ra bên trong lớp tiếp xúc này

    Theo dõi (0) 1 Trả lời
  • Giúp mình vs nhé !!!

    Hãy viết công thức điện dẫn suất của bán dẫn riêng Silic (Si) . Cho biết e là độ lớn điện tích của êlectron và lỗ trống, n,μn  là mật độ và độ linh động của êlectron, p,μp  là mật độ và độ linh động của lỗ trống.

    Theo dõi (0) 1 Trả lời

-- Mod Vật Lý 11 HỌC247

Được đề xuất cho bạn