chương 5 dòng điện trong kim lại dòng điện trong chất bán dẫn

DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN... DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN I.. Theo định luật này thì động năng trung bình c

Trang 1

BÀI BÁO CÁO NHÓM 01

CHƯƠNG 5 DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

Trang 2

A DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

I Bản chất dòng điện trong kim loại

a Cấu tạo của kim loại:

Mạng tinh thể lục phương:

Thuộc loại này có các kim loại : Be, Mg, Zn,

Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN

Trang 3

Mạng tinh thể lập phương tâm diện:

Thuộc loại này có các kim loại : Cu, Ag, Au, Al,

Trang 4

Mạng tinh thể lập phương tâm khối:

Thuộc loại này có các kim loại : Li, Na, K, Mo,

Trang 5

Trang 6

Mô hình mạng tinh thể đồng.

Trang 7

Mô hình sợi dây đồng và các

electron tự do bên trong

Trang 8

b Tính chất điện của kim loại:

- Kim loại là chất dẫn điện tốt

- Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm

- Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt

- Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ

Trang 9

c Bản chất của dòng điện trong kim loại:

Trang 10

c Bản chất của dòng điện trong kim loại:

 Kết luận: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng

chuyển dời có hướng của các electron tự do

Trang 11

II Nội dung thuyết electron cổ điển:

a

Các electron tự do và ion dương ở nút mạng trong kim loại

Trang 12

II Nội dung thuyết electron cổ điển:

b Chất khí electron trong kim loại tuân theo định luật của khí lý tưởng trong đó có định luật phân bố đều năng lượng theo các bậc

tự do Theo định luật này thì động năng trung bình của một

electron có giá trị: W = 3/2KT

Dựa vào Thuyết này để tìm ra định luật Ohm, định luật

Joule-Lenz và giải thích tính dẫn điện của kim loại, nguyên nhân gây ra điện trở, điện trở suất, sự biến đổi của điện trở khi nhiệt

độ tăng Tuy nhiên, Thuyết này không giải thích được một số kết quả vì không phù hợp với thực nghiệm.

Trang 13

Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp Xúc

chúng xuất hiện hiệu

điện thế Hiệu điện

thế đó chính là hiệu

điện thế tiếp xúc

Có 2 loại hiệu điện thế tiếp xúc:

Hiệu điện thế tiếp xúc trong

Hiệu điện thế tiếp xúc ngoài

Trang 14

(1

’)(1’)

Hiệu điện thế tiếp xúc trong

Trang 15

II) Công thoát

Xét một thanh kim loại ở trạng thái bình thường, các e chuyển động hỗn loạn trong kim loại Trong đó có một số e

có vận tốc chuyển động nhiệt lớn hơn nên thoát khỏi bề mặt kim loại Lúc này bề mặt kim loại mang điện(+) có tác dụng hút e trở lại

Các e tạo thành đám mây mỏng khoảng 10-8 m bao quanh kim loại Hai lớp điện tích tạo thành lớp điện kép gây

ra điện trường vecto E có hướng từ trong ra Điện trường này ko cho e thoát ra Muốn e thoát ra phải tốn một công để thắng công lực điện trường

Công này phải lớn hơn hoặc bằng công của 1 e ở bề mặt thoát khỏi kim loại gọi là công thoát e

Trang 16

Trang 17

III) Hiệu điện thế tiếp xúc trong

Hai kim loại 1 và 2 tiếp xúc nhau thì giữa chúng xuất hiện một hiệu điện thế tiếp xúc gọi là hiệu điện thế tiếp xúc trong

Giả sử hai kim loại cùng nhiệt độ, n1, n2 là nồng độ các hạt mang điện tự do (xấp xỉ bằng mật độ nguyên tử) Do chuyển động nhiệt, các electron khuếch tán cho nhau

Trang 18

U’12

+ + + +

- - -

n

k: hằng số BolzmanT: nhiệt độ tuyệt đối

e = 1,6.10-19 CThông thường: U’12: 10-3 – 10-2 V

Trang 19

Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp XúcIII) Hiệu điện thế tiếp xúc ngoài

U

2

+ Giả sử hai kim loại I và II đặt xa nhau,

A1, A2 là công thoát 2 kim loại đó (AI>AII), nếu xem hiệu điện thế bên ngoài kim loại bằng 0

Điện thế trong kim loại I:

Điện thế trong kim loại II:

1 1

A e

2 2

A e

Trang 20

I II U

Ta có: U’12 = V’1 – V’2Mà:

Trang 21

Tóm lại: Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế tiếp xúc ngoài là do công thoát của electron trong các kim loại khác nhau và hiệu điện thế tiếp xúc ngoài giữa 2 kim loại cùng nhiệt độ khi tiếp xúc nhau bằng hiệu công thoát của electron trong hai kim loại đó chia cho e

Trang 22

Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp XúcV) Hệ quả:

Nếu có 3 kim loại tiếp xúc nhau ta có hiệu điện thế tiếp xúc ngoài:

Trang 23

Nếu nhiều kim loại tiếp xúc nhau tạo thành mạch kín cùng nhiệt độ T

Trang 24

) (

ln

2

1 2

1 1

2 2

2

1 1

' 21

'

n

n T

T e

k n

n e

kT n

n e

kT U

U

T2

2

1 2

1 ) ln

(

n

n T

T e

Trang 25

Bài 3: Ứng dụng

mA

o4-4

Gồm hai dây dẫn bằng kim loại khhác nhau nối dính hai đầu vào nhau tạo thành mạch kín Trên đó người ta mắc thêm một nhiệt kế

2 Đo nhiệt độ:

a Cấu tạo cặp nhiệt điện

Trang 26

Bài 3: ỨNG DỤNG

b Thí nghiệm:

- Một mối nối nhúng vào nước đấ đang tan

- Mối nối càn lại nung trên ngọn lửa

mA

o 4 -4

2 Đo nhiệt độ:

Trang 27

Bài 3: Ứng dụng

Nhận xét

- Dòng điện chạy trong mạch là dòng nhiệt điện

- Suất điện động gây ra dòng nhiệt điện gọi là suất động nhiệt điện:

 1 2  1 T2

C

T T

Trang 28

Cặp nhiệt điện được dùng trong nhiệt kế điện tử đo được nhiệt độ cao với độ

chính xác lớn

Trang 29

B DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT RẮN

 Chuyển động của electron trong nguyên tử cô lập

 Sự chuyển động của electron trong mạng tinh thể

 Giải thích tính dẫn điện của kim loại, điện môi,bán dẫn

BÀI 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

 Sơ lược - đặc điểm

Trang 30

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG

TRONG VẬT RẮN

Trong cơ học lượng tử, mỗi electron trong nguyên tử chỉ có thể chuyển động ở những trạng thái xác định gọi là trạng thái lượng tử Ở trạng thái ấy electron có một số đặc điểm:

 Do electron chuyển động quanh hạt nhân nên có mômen động lượng quỹ đạo

 Do electron chuyển động quanh trục của nó nên có mômen động lượng riêng gọi là Spin (được biễu diển bằng )

1 Chuyển động của electron trong nguyên tử cô lập

Trang 31

2 Sự chuyển động của electron trong mạng tinh thể

Ứng với mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập bây giờ xuất hiện n mức năng lượng nằm sát nhau gọi là miền năng lượng

 Sơ đồ electron trong mạng tinh thể gồm nhiều miền năng lượng Ta gọi các miền này là miền năng lượng được phép

E

hình 5.9

Trang 32

hình 5.10

Giữa 2 miền năng lượng được phép là miền cấm electron không có giá trị ở miền này

Chính cách phân bố electron ở miền năng lượng được phép

và bề rộng miền năng lượng cấm cho phép ta phân biệt được vật dẫn, điện môi hay chất bán dẫn

E

miền trống

miền đầy

Trang 33

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG TRONG

Trang 34

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG

không thu thêm năng lượng và

không chuyển động có hướng tạo

Trang 35

LƯỢNG TRONG VẬT RẮN

c Bán dẫn

Bề rộng của miền năng lượng

cấm Eg nhỏ hơn 3eV Nếu ở

nhiệt độ bình thường một số

electron do chuyển động có

thể nhận thêm năng lượng và

nhảy lên mức năng lượng cao

hơn ở miền trống Do tác

động của điện trường

electron ở miền ấy tiếp tục

nhận năng lượng vượt qua

Trang 36

LƯỢNG TRONG VẬT RẮN

Kết luận: vì vậy với chất bán dẫn ở nhiệt độ thường

electron ở miền trống ít nên dẫn điện kém, khi nhiệt độ tăng

các electron ở miền trống tăng chất bán dẫn trở thành dẫn

điện tốt

Trang 38

b Tính chất.

Tính dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài như: nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, điện trường, từ trường……khác hẳn kim loại và điện môi

Vd: Si ρ=600Ωm (t=25m (t=25̊ C); ρ=0,001Ωm (t=25m (t=700̊ C)

Trang 40

BÀI 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT

BÁN DẪN

- Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ:

+ Khi nhiệt độ thấp điện trở suất rất lớn, tính dẫn điện của bán dẫn kém

+ Khi nhiệt độ cao điện trở suất rất nhỏ, tính dẫn điện của bán dẫn tăng

- Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi bị pha tạp chất

Ví dụ: Chẳng hạn khi pha Bo 10-5 vào Silic điện trở suất giảm

1000 lần

c Điện trở suất (ρ)

Trang 41

d Chất bán dẫn rất phổ biến trong đời sống.

Trang 42

Ta xét trường hợp bán dẫn điển hình là Si Nếu mạng

tinh thể chỉ có một loại nguyên tử Si, thì ta gọi đó là bán

dẫn tinh khiết.

b Sự dẫn điện trong chất bán dẫn

-Có 2 cách:

+Sự dẫn điện bằng electron ở miền dẫn

+Sự dẫn điện bằng lỗ dương ở miền đầy

Trang 44

Mô hình mạng tinh thể Silic

Ở nhiệt độ thấp, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử

ở nút mạng

Không có các eletron tự do

Si

Si Si Si

Trang 45

Khi nhiệt độ tăng cao

Ở nhiệt độ cao luôn có sự phát sinh các cặp electron-lỗ trống.

Số eletron và số lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau.

Si Si

Si

Trang 46

Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn

Các eletron chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường

=> Gây nên dòng điện trong chất bán dẫn.

Si Si

Si

E

Trang 47

=>Tóm lại: đối với chất bán dẫn, sự dẫn điện chủ yếu là các e và các lỗ dương.

BÀI 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT

BÁN DẪN

Trang 48

BÀI 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN

DẪN CÓ PHA TẠP CHẤT

1 Chất bán dẫn loại n

Khi pha một lượng rất bé chất

có hóa trị 5 vào trong chất bán dẫn tinh khiết ta được bán dẫn loại n Chẳng hạn pha As vào Ge, Ge có 32 e trong đó có 4e hóa trị, chúng liên kết với 5e cua As làm cho tầng ngoài cùng có 9e và chúng không bền, e thứ 9 liên kết yếu với hạt nhân

G e

G e -

A s

Trang 49

Thực nghiệm và lý thuyết đã xác nhận năng lượng liên kết giảm đi 265 lần Chỉ cần một năng lượng 0,015eV cũng đủ để nó trở thành e tự do và chuyển động có hướng tạo thành dòng điện Khi đó, nguyên

tử As trở thành ion dương liên kết trong mạng tinh thể không tham gia dẫn điện

E

0,015eV

Miền tạp chất

Trang 50

Miền tạp chất cách miền dẫn 0,015eV nên ở nhiệt

độ thường các elecctron ở miền tạp chất dễ dàng nhảy lên miền dẫn và trở thành electron tự do

Như vậy đối với chất bán dẫn loại n thì các electron dẫn xem như hạt mang điện cơ bản còn lỗ trống trong miền đầy là hạt không cơ bản hay hạt thiểu số

Trang 51

2 Chất bán dẫn loại p

Khi pha một lượng rất nhỏ chất có hóa trị 3 vào

Si hay Ge ta được bán dẫn loại p

Ví dụ khi pha In vào

Si, In có 3 e hóa trị liên kết với 4 nguyên tử Si kế cận, In thiếu 1 e ở tầng ngoài( không bền) và có

xu hướng nhận thêm 1 e

để trở thành ion âm

Si Si

In

+

-

-ion âm

Trang 52

Khi nhận thêm 1e người ta nhận thấy xuất hiện

lỗ trống dương gần đấy với mức năng lượng vào khoảng 0,015eV

Dưới tác dụng của điện trường các electron ở miền đầy dịch chuyển tương ứng với các lỗ trống cùng chiều điện trường

E

0,015eV

 Như vậy, với chất bán dẫn loại p thì sự dẫn điện chủ yếu do

lỗ trống, ta gọi là hạt cơ bản và e là hạt thiểu số hay không cơ bản

Trang 55

Nếu tiếp tục tăng điện

áp nguồn thì dòng qua

Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng(vẫn giữ ở mức 0,7V)

Trang 56

3 Phân cực nghịch

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt(bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Trang 57

Diode trong kĩ thuật nắn điện

Trang 58

Diode trong ổn áp

Tiêu đề	Dòng điện trong kim loại và dòng điện trong chất bán dẫn
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật Lý
Thể loại	Báo cáo nhóm
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	1,27 MB