Giáo án Dòng điện trong chất bán dẫn

 Chương III  Bài 23: VẤN ĐỀ ĐẶT RA Tính chất điện của bán dẫn Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất Lớp chuyển tiếp p – n      Tính chất điện của bán dẫn Chất bán dẫn ( Semiconductor ) là vật liệu trung gian giữa chất cách điện và chất đại diện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động như một chất dẫn điện ở nhiệt độ phòng Chất bán dẫn là gì? Bán dẫn tinh khiết Kim loại T  Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn nhiệt rất kém. ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt.  Tính dẫn điện của chất bán dẫn: 1015 1020 105 1010 100 10-10 10-5 Kim loại Bán dẫn Điện môi  Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi CÂU HỎI: C1 Vì sao điện trở suất của kim loại và bán dẫn lại phụ thụôc vào nhiệt độ theo cách khác nhau? Đáp án: Kim loại có sẵn một số hạt tải điện tự do, đó là electron. Do đó, ở nhiệt độ bình thường, kim loại có khả năng dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng cao, số hạt tải điện tự do tăng dần => điện trở suất tăng dần. Tuy nhiên, chất bán dẫn ở nhiệt độ bình thường không có hạt tải điện tự do, chúng hầu như không dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng cao, chất bán dẫn hình thành hai loại hạt tải điện tự do. Do đó, số hạt tải điện tự do tăng đột ngột => điện trở suất của chúng giảm đột ngột. Bán dẫn tinh khiết Kim loại T  Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết Bán dẫn tinh khiết thường gặp là: Si, Ge, C,… Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Mô hình mạng tinh thể Silic Ở nhiệt độ thấp, gần 0 K, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng. => Không có các electron tự do Si Si Si Si Si Si Si Si Si Khi nhiệt độ tăng cao Vậy, ở nhiệt độ cao luôn có sự phát sinh các cặp electron – lỗ trống. Số electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau. E Si Si Si Si Si Si Si Si Si Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn Các electron chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trừơng. => Gây nên dòng điện trong chất bán dẫn.  Vậy, dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống. Bán dẫn tinh khiết gọi là bán dẫn loại i, ở bán dẫn tinh khiết, số electron bằng số lỗ trống.  Độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng, giảm khi nhiệt độ giảm.  Điện trở suất của bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Đó là hiện tượng quang dẫn. NHẬN XÉT:  Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất  Nếu bán dẫn Silic có pha tạp chất, tức là ngoài các nguyên tử Silic, còn các nguyên tử khác, thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều.  Bán dẫn có tạp chất được chia làm 2 loại: Bán dẫn loại n. Bán dẫn loại p.  Bán dẫn có tạp chất thường gặp là: GaAs, CdTe, ZnS…, nhiều ôxit, sunfua, selenua, telurua…, và một số chất polime. a) Bán dẫn loại n: Giả sử trong mạng tinh thể Silic có lẫn một nguyên tử phôtpho (P). Si P Electron dư trong nguyên tử Phôtpho liên kết yếu với nguyên tử Phôtpho. P:1s22s22p63s23p3 Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất P: Si P Si Si Si Si Si Si Si + Electron dư thừa dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử  Như vậy, tạp chất P đã tạo thêm các electron tự do, mà không làm tăng thêm số 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. NHẬN XÉT: b) Bán dẫn loại p: Giả sử trong mạng tinh thể Silic có lẫn một nguyên tử Bo (B). B:1s22s22p63s23p1 Si B Lỗ trống tạo nên do nguyên tử Bo thiếu 1 electron liên kết với 1 nguyên tử Silic lân cận Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất B: Si B Si Si Si Si Si Si Si - Một electron ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết trống này và tạo thành 1 lỗ trống mới.  Như vậy, tạp chất B pha vào bán dẫn Silic đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số electron dẫn.  Ta gọi lỗ trống là hạt tải điện cơ bản hay đa số, electron là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số.  Bán dẫn như vậy gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p. NHẬN XÉT: Nếu pha 2 loại tạp chất, chẳng hạn cả P và B, vào bán dẫn Silic, thì bán dẫn này có thể là bán dẫn loại p hay loại n, tùy theo tỷ lệ giữa 2 loại 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. Đây chính là tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng.  Lớp chuyển tiếp p – n a) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n: b) Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p – n: c) Đặc tuyến vôn – ampe của lớp chuyển tiếp p – n: a) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n: n p + + + + + + + + - - - - - - - - Et Chỗ tiếp xúc hai loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p – n. Lớp này còn được gọi là lớp nghèo hạt tải điện, gọi tắt là lớp nghèo. b) Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p – n:  Trường hợp 1: cực dương nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n. n p (+) ( - ) Et En Ith Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p – n mắc theo chiều thuận, còn gọi là lớp chuyển tiếp p – n được phân 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 vược qua lớp này, gây nên sự phun lỗ trống vào bán dẫn loại n, và phun electron vào bán dẫn loại p. Kết luận:  Trường hợp 2: cực dương nối với bán dẫn n, cực âm nối với bán dẫn p. n p ( - ) (+) Et En Ing Đây là trường hợp lớp chuyển tiếp p – n mắc theo chiều ngược, còn gọi là lớp chuyển tiếp p – n được phân cực ngược. Như vậy, 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. Kết luận: => Lớp chuyển tiếp p – n dẫn điện tốt theo 1 chiều, 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: I U DIODE BÁN DẪN 1.Công dụng: Dùng để chế tạo ra các linh kiện bán dẫn và IC 2.Định nghĩa: Là chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. 3.Cấu tạo: a.Chất bán dẫn tinh khiết: Là những chất có lớp điện tử hóa trị bằng 4 như Si,Ge b.Chất bán dẫn loại N: Khi cho một ít tạp chất có hóa trị 5 vào chất bán dẫn tinh khiết ta được chất bán dẫn loại N             c.Chất bán dẫn loại P: Khi cho một ít tạp chất có hóa trị 3 vào chất bán dẫn tinh khiết ta được chất bán dẫn loại P                       Nhận biết một số diode: Diode chỉnh lưu : Diode ổn áp: Diode phát quang: Diode xung:    Bài tập. Câu 3 Câu 1 Câu 2 Câu 4 Câu 5 Tìm câu đúng: Trong chất bán dẫn, mật độ electron luôn bằng mật độ lỗ trống . Nhiệt độ càng cao, bán dẫn dẫn nhiệt càng tốt. Bán dẫn loại p tích điện dương vì mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron. Bán dẫn có điện trở xuất cao hơn kim loại, vì trong bán dẫn có 2 loại hạt tải điện trái dấu. a) b) c) d) ĐÁP ÁN: Tìm câu đúng: Điện trở của lớp chuyển tiếp p – n nhỏ, khi lớp chuyển tiếp được mắc vào nguồn điện theo chiều ngược. Khi lớp chuyển tiếp p - n hình thành thì luôn có dòng điện chạy theo chiều từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n, do sự khếch tán của các hạt tải điện cơ bản mạnh hơn sự khếch tán của các hạt tải địên không cơ bản,. Nhiệt độ càng cao, tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p - n càng kém. Khi lớp chuyển tiếp p - n hình thành thì luôn có dòng điện từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, do điện trường trong lớp chuyển tiếp thúc đẩy chuyển động của các hạt tải điện thiểu số. a) b) c) d) ĐÁP ÁN: Ở nhiệt độ phòng, trong bán dẫn Si tinh khiết, số cặp electrong – 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 địên tăng lên bao nhiêu lần? 5.106 lần 6.105 lần 5,3.105 lần 6,7.106 lần a) b) c) d) ĐÁP ÁN: Câu nào dưới đây nói về phân loại chất bán dẫn là không đúng? Bán dẫn riêng là bán dẫn hoàn toàn tinh khiết, trong đó mật độ electron tự do bằng mật độ lỗ trống Bán dẫn tạp chất là bán dẫn trong đó các hạt tải điện chủ yếu được tạo ra bởi các nguyên tử tạp chất Bán dẫn loại n là bán dẫn trong đó mật độ lỗ trống lớn hơn rất nhiều mật độ electron tự do Bán dẫn loại p là bán dẫn trong đó mật độ electron tự do nhỏ hơn rất nhiều mật độ lỗ trống. a) c) d) ĐÁP ÁN: b) Câu nào dưới đây nói về chất bán dẫn là không đúng? Bán dẫn là chất trong đó các electron hoá trị liên kết tương đối chặt với lõi nguyên tử của chúng Bán dẫn không thể xem là kim loại hay chất cách điện Trong bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống Chất bán dẫn có khe năng lượng rất lớn và rất khó tạo ra các hạt tải điện a) b) c) d) ĐÁP ÁN: Cám ơn thầy và các bạn đã theo dõi bài thuyết trình của tổ 2