Khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn Si a Cấu tạo bán dẫn Si : Lớp êlectron ngoài cùng của nguyên tử Si có bốn êlectron Trong tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử nguyên tử
Trang 1Tiết :
Bài 43 - 44 :
I MỤC TIÊU :
Hiểu được các tính chất điện đặc biệt của bán dẫn làm cho nó được xếp vào một loại vật dẫn riêng, khác với các vật dẫn quen thuộc là kim loại
Hiểu được các hạt tải điện là electron tự do và lỗ trống là cơ chế tạo thành các hạt tải điện đó trong bán dẫn tinh khiết
Hiểu được tác dụng của vật chất có thể làm thay đổi một cách cơ bản tính chất điện của bán dẫn Bằng cách pha tạp chất thích hợp, người ta có thể tạo nên bán dẫn loại n và loại p và nồng độ hạt tải mong muốn
Hiểu được sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n và giải thích được tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p – n
II PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY : Phương pháp thực nghiệm và nêu vấn đề
III THIẾT BỊ , ĐỒ DÙNG DẠY HỌC : Tranh vẽ và mô hình thí nghiệm chất bán dẫn
IV TIẾN TRÌNH GIẢNG DẠY
Phân phối
thời gian
Phần làm việc của Giáo Viên
Hoạt đông của học sinh Ghi chú
1 Kiểm tra
bài cũ và
kiến thức cũ
liên quan
với bài mới
(3’)
1 Trả lời câu hỏi SGk
2 Làm bài tập SBTVL 11
Kiểm tra và đánh giá
2 Nghiên
cứu bài mới
I Tính chất điện của bán dẫn
a Giới thiệu
Bán dẫn điển hình và được dùng phổ biến nhất là silic (Si) Ngoài ra, còn có các bán dẫn đơn chất khác như
Tính chất điện của bán dẫn
Gv : Cho học sinh thấy rõ các tính chất đặc trưng của bán dẫn và sự khác biệt của bán
Cá nhân suy nghĩ.
Ghi nhớ.
Trang 2Ge, Se, các bán dẫn hợp chất nhu GaAs, CdTe,ZnS …
Nhiều ôxit, sunfua, sêlenua, telurua…
b Tính chất khác biệt so với kim loại.
Điện trở suất ρ của bán dẫn có giá trị trung gian
giữa kim loại và điện môi (hình 43,1)
Điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ
tăng (hình 43.2) 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 phu thuộc rất mạnh vào
các tạp chất có mặt trong tinh thể
II Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết :
1 Cấu tạo : Chất bán dẫn có cấu tạo sao cho trong
mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử
2 Khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn Si
a Cấu tạo bán dẫn Si : Lớp êlectron ngoài cùng của
nguyên tử Si có bốn êlectron Trong tinh thể, mỗi
nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử nguyên tử lân
cận thông qua các liên kết cộng hoá trị Như vậy, xung
quanh mỗi nguyên tử Si có tám êlectron, tạo thành lớp
êlectron đầy ⇒ liên kết giữa các nguyên tử trong tinh
thể Si rất bền vững
b Sự hình thành các hạt mạng điện
♦ Hạt mang điện tự do :
- Ở nhiệt độ thấp, các liên kết cộng hóa trị trong mạng
tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết rất bền nên không có
hạt mang điện tự do
- Ở nhiệt độ cao, một số liên kết cộng hóa trị trong mạng
tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết bị phá vỡ, giải phóng
dẫn so với vật liệu điện đã quen thuộc như kim loại ,điện môi
Cần nhấn mạnh sự giảm rõ rệt của điện trở suất bán dẫn khi nhiệt độ tăng và ảnh hường mạnh của tạp chất ( loại tạp chất và lượng tạp chất) lên tính chất dẫn điện của bán dẫn (loại hại tải điện và số lượng hạt tải, điện trở suất…) Cần nêu các tính chất này để chuẩn bị cho việc giải thich chúng trong các phần sau
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết Khi khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn,cầm làm cho học sinh hiểu trong bán dẫn có hai loại hạt tải điện, đó là electron tự do và lỗ trống Cơ chế hình thành các hạt tải điện trong bán dẫn cần được làm rõ, vì đây chính là nguồn gốc của sự khác biệt của bán dẫn và kim loại
Bán dẫn mà ta xét là những vật rắn có cấu tạo tinh thể Căn cứ vào cấu tạo tinh thể của bán dẫn silic, có thể thấy là ở nhiệt độ thấp, electron bị liên kết chặt chẽ với nguyên tử và do đó không có electron tự do; vì vậy bán dẫn là một điện môi Ơû đây có thể liên hệ với các kiến thức hoá học : Khi lớp điện tử ngoài cùng là lớp đầy, thì nguyên tử rất khó tham gia các phản ứng hóa học, tức là ít có khả năng mất bớt hay nhận thêm electron Chính sự kết hợp của
T
p
O
Bán dẫn
Kim loại
Điện trở suất của kim loại và bán dẫn phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ
Nguyên tử Si có bốn êlectron hóa trị
Tinh thể Si ở nhiệt độ rất thấp thì không có hạt mang diện tự do
Si
Si
Si
Si
Tinh thể Si ở nhiệt độ tương đối cao có sự phát sinh êlectron - lỗ trống
Si
Si
Si
Si
Lỗ trống
êlectron tự do
Trang 3một số electron và để lại một số lỗ trống mang điện tích
dương
Kết luận : Ở nhiệt độ cao hạt mang điện tự do trong
chất bán dẫn tinh khiết là electron và lỗ trống mang
điện tích dương
♦ Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết :
-Khi không có điện trường ngoài đặt vào tinh thể bán
dẫn : các electron và lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn
loạn ⇒ trong bán dẫn không có dòng điện
- Khi có điện trường ngoài đặt vào tinh bán dẫn : các
electron chuyển động ngược chiều điện trường, còn lỗ
trống chuyển động theo chiều điện trường ⇒ trong bán
dẫn có dòng điện
Kết luận : Dòng điện trong bán dẫn tinh khiết là
dòng chuyển dời có hướng đồng thời của các electron
và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngoài
III Sự dẫn điện của bán dẫn chứa tạp chất
a Bán dẫn loại n :
Giả sử pha vào tinh thể silic một lượng rất nhỏ các
nguyên tử P Nguyên tử P có 5 electron ở lớp ngoài
cùng, 4 electron trong số đó tham gia vào liên kết cộng
hóa trị với 4 nguyên tử silic ở gần còn electron thứ 5 của
P thì liên kết rất yếu với hạt nhân và dễ dàng tách khỏi
nguyên tử để trở thành electron tự do
Kết quả :
- Mật độ electron rất lớn so với mật độ lỗ trống ⇒ bán
dẫn loại n
- Trong bán dẫn loại n hạt mang điện cơ bản là electron,
còn lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản
các nguyên tử silic thành tinh thể Si thông qua các mối liện kế cộng hóa trị đã tạo nên tính huống là quanh mỗi nguyên tử Si dường như có 8 electron, tức là có một lớp electron đầy
Muốn bực electron ra khỏi nguyên tử để thành eclectron tự do, tham giavào sự dẫn điện, thì cần tốn năng lượng Có thể tăng năng lượng bằng cách tăng nhiệt độ của tinh thể, tức là làm tăng nội năng của nó
Do vậy, khi nhiệt độ trên OK, đã có một vài eclectron thu được năng lượng cần thiết Nhiệt độ càng cao, càng có nhiều electron thoát khỏi liện kết
Khái niệm vể lỗ trống làn đầu tiên được học sinh biết đến Cách giải thích như trong SGK về sự tạo thành lỗ trống là một là một cách giải thích đơn giản, giúp cho học sinh dể hình dung ( Muốn giải thích đày đủ chính xác về lỗ trống, cần sử dụng
lí thuyết dãy năng lượng) Học sinh cần thấy là trong bán dẫn tinh khiết, mỗi khi có một electron tự do được tạo thành thì cũng có một lỗ trống xuất hiện Vì thế ta nói có sự phát sinh các cặp electron – lỗ trống
Qúa trình ngược lại là sự tái hợp, làm mất
đi từng cặp electron lỗ trống Ở mỗi nhiệt độ, có sự cân bằng động giữa sự phát sinh
Suy nghĩ và thảo luận nhóm.
Cá nhân xây dựng bài học Thảo luận nhóm và trả lời.
Tạp chất P tạo thêm êlectron
Si
Si
P +
Si
êlectron tự do
Trang 4
b Bán dẫn loại p :
Giả sử pha vào tinh thể silic một lượng rất nhỏ các
nguyên tử B Nguyên tử B có 3 electron ở lớp ngoài
cùng, 3 electron này tham gia vào liên kết cộng hóa trị
với 3 nguyên tử silic ở gần Vậy nguyên tử B còn thiếu 1
electron để tham gia vào liên kết với nguyên tử silic ở
gần Do đó nó sẽ chiếm 1 electron của 1 nguyên tử gần
nhất, electron vừa đi ra đã để lại sau nó 1 lỗ trống
Kết quả :
- Mật độ lỗ trống rất lớn so với mật độ electron ⇒ bán
dẫn loại p
- Trong bán dẫn loại p, hạt mang điện cơ bản là lỗ trống
còn electron là hạt mang điện không cơ bản
IV Lớp tiếp xúc giữa 2 loại bán dẫn p và n :
a Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n
Khi có 2 loại bán dẫn p và n đặt tiếp xúc nhau thì có sự
khuyếch tán electron tự do từ phần bán dẫn n sang p và
lỗ trống khuyếch tán từ phần bán dẫn p sang n, kết quả
là ở mặt phân cách giữa 2 bán dẫn hình thành một lớp
tiếp xúc tích điện dương về phía bán dẫn n và tích điện
âm về phía bán dẫn p Do đó trong lớp tiếp xúc có điện
trường E hướng từ n sang p làm ngăn cản sự khuyếch tán
của các hạt mang điện Do có sự khuyếch tán nói trên
nên số hạt mang điện cơ bản ở sát hai bên của lớp tiếp
xúc giảm đi nên điện trở của lớp tiếp xúc rất lớn
b Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n :
- Khi nối bán dẫn loại p vào cực dương, bán dẫn loại n
vào cực âm của nguồn điện Điện trường E do nguồn
điện tạo ra hướng từ p sang n làm cho hạt mang điện cơ
và tái hợp, làm cho số cặp electron – lỗ trống Trong bán dẫn có một giá trị xác định ( người ta hay nói là mật độ cặp electron – lỗ trống, tức là số cặp trong một đơn vị thể tích bán dẫn, có giá trị xác định) Nhiệt độ càng cao, số electron và lỗ trống càng lớn, do đó điện trở suất càng nhỏ, bán dẫn dẫn điện càng tốt Có thể sự dụng công thức (25.5) về mật độ dòng điện để nói rõ hơn về điều này Nếu đặt một hiệu điện thế xác định vào mẫu bán dẫn, thì khi nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải điện n0 tăng lên mạnh làm j tăng mạnh, ứng với điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh Nếu xét như vậy với kim loại, thì khi nhiệt độ tăng, nồng độ electron tự do
n0 không đổi, nhưng u lại giảm vì va chạm của electron với các nút mạng tinh thể tăng lên ; kết qủa là j giảm, ứng với điện trở suất của kim loại tăng lên ;kết qủa là j giảm, ứng với điêd5n trở suất của kim loại tăng lên.đây cũng là câu trả lời cho H1
Neuá chiếu ánh sáng thích hợp vào bán dẫn, ta có thể cung cấp năng lượng đủ để tạo thành cặp electron – lỗ trống Như vậy, ánh sáng làm tăng nhiệt độ hạt tải điện, và làm tăng độ dẫn điện của bán dẫn
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất đối với tính chất dẫn điện của bán dẫn : Tạp
Tạp chất B tạo thêm lỗ trống
Si
Si
B -
Si
Lỗ trống
Ghi nhớ.
Theo dõi SGK và trả lời câu hỏi.
Tham gia đóng góp xây dựng bài.
Trang 5bản di chuyển qua lớp tiếp xúc, nên có dòng điện thuận
qua lớp tiếp xúc
- Khi nối bán dẫn loại n vào cực dương, bán dẫn loại p
vào cực âm của nguồn điện Điện trường E do nguồn
điện tạo ra hướng từ n sang p làm cho hạt mang điện cơ
bản không di chuyển qua lớp tiếp xúc, chỉ có hạt mang
điện không cơ bản đi qua lớp tiếp xúc tạo ra dòng điện
có cường độ rất nhỏ gọi là dòng điện ngược
Kết luận : Lớp tiếp xúc p-n chỉ dẫn điện theo một chiều
từ p sang n Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n
Et
chất làm thay đổi loại hạt tải điện cơ bản trong bán dẫn và nồng độ hạt tải điện cơ bản trong bán dẫn và nồng độ hạt tải điện
Do hiểu được cơ chế của hiện tượng này, nên trong kỹ thuật, người ta có thể chủ động pha các tạp chất thích hợp để thu được các bán dẫn có tính chất mong muốn
Khi tạp chất có mặt trong tinh thể, tính chất liên kết của nguyên tử hợp chất khác với liên kết của các nguyên tử bán dẫn chủ Điều đó có thể dẫn đến sự tạo thành điện tử electron tự do hoặc lỗ trông tùy theo loại tạp chất Tong SGK, ta xét hai trường hợp điển hình và hay gặp nhất đó là bán dẫn Si pha với P với B từ đây, GV làm cho học sinh hiểu được rằng, tạp chất làm hình thành các hạt tải chỉ thuộc một loại, mà không phải là cặp electron lỗ trống như trong bán dẫn tinh khiết
Cần chú ý rằng trong các trương hợp thông thường, khi ta xét ở nhiệt độ phòng, thì trong bán dẫn đã có electron tự do và lỗ trống được tạo thành, gây nên sự dẫn điện riêng của bán dẫn Tuy nhiên, với bán dẫn
Si thì ở nhiệt độ phòng, nồng độ electron rỗng và nồng độ do sự dẫn điện riêng là rất thấp Chính vì vậy mà chỉ cần một lượng tạp chất rất nhò, thì số hạt tải một số nào đó tăng lên nhiều lần so với số hạt tải
Ghi nhớ.
Ghi nhớ.
Ghi nhớ.
Trang 6
Lớp chuyển tiếp p – n mắc vào nguồn điện theo chiều thuận
Et
En
c Đặc trưng vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n
Khảo sát sự biến thiên của cường độ dòng điện theo
hiệu điện thế, ta có thể thu được đường đặc trưng vôn
ampe của lớp chuyển tiếp p-n như trên hình 43.10
loại loại đó trong sự dẫn điện riêng Kết qủa là số hạt tải loại này lớn hơn rất nhiều
so với loại hạt tải trái dấu với nó, và trở thành hạt tải điện đa số Để hiễu về điều này một cách định lượng, có thể sử dụng và khai thác bài tập 1
Lớp chuyển tiếp p – n Khi khảo sát sự hình thành lớp chuyểp tiếp
p – n, cẩn đặc biệt nhấn mạnh đến sự khác nhau về nồng độ electron và lỗ trống ở hai bên lớp chuyển tiếp Chính sự chênh lệch nồng độ đã dẫn đến sự khếch tán ưu tiên của mỗi loại hạt tải theo một chiều : lỗ trống từ phía bán dẫn p sang phía n, electron từ phía n sang phía p sự khếch tán theo chiều ngược nhau của hai loại mang điện tích trái dấu dẫn đến sự hình thành điện trường trong Et ở lớp chuyển tiếp, có tác dụng ngăn cản sự khếch tán
Điện trường tron đạt giá trị ổn định khi hai
xu hướng cân bằng nhau
Ơû hai bên lớp chuyển tiếp được mắc vào nguồn điện ngoài, trạng thái cân bằng bị thay đổi Nếu lớp chuyển tiếp được phân cực thuận, sự chuyển động của các hạt tải
cơ bản qua lớp chuyển tiếp được tăng cường, tạo nên dòng điện thuận có cường độ lớn Nếu lớp chuyển tiếp được phân cực ngược, sự chuyển động của các hạt tải cơ
Xem SGK.
Trang 7Tính chất của lớp chuyển tiếp p-n được ứng dụng trong nhiều dụng cụ bán dẫn như điôt, tranzito…Ï
I
O
U
bản qua lớp chuyển tiếp được tăng cường, nhưng cường độ dòng điện ngược là rất nhỏ Vậy lớp chuyển tiếp chỉ dẫn điện một cách đáng kể theo nột chiều
Khi giảng về đường đặc trưng Vôn – Ampe, của lớp chuyển tiếp p – n, cần giải thích cho học sinh biết nó cho ta những thông tin gì về độ lớn và chiều của dòng điện qua lớp chuyển tiếp, qua đó nói về tác dụng chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp Có thể cho học sinh biết qua về cách xác định đường đặc trưng Vôn – Ampe bằng thực nghiệm Điều này sẽ được tìm hiểu kĩ hơn và được thực hiện trong bài thực hành bài 46
3 Củng cố
bài giảng
Dặn dò của
học sinh
(5’)
Yêu cầu nhắc lại : Nhấn mạnh các nội dung quan trọng Trả lời câu hỏi và làm bài tập SGK Chuẩn bị bài mới” Dụng cụ bán dẫn “
HS tư lưc