Bài 43 - 44 : DÒNG ĐIỆN TRONG BÁN DẪN ppsx

Khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn Si a Cấu tạo bán dẫn Si : Lớp êlectron ngồi cùng của nguyên tử Si cĩ bốn êlectron Trong tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử nguyên tử

Tiết :

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

Phần làm việc của Giáo Viên Phân phối

thời gian

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 Ge, Se, các bán dẫn hợp chất nhu GaAs, CdTe,ZnS … Nhiều ôxit, sunfua, sêlenua, telurua…

b Tính chất khác biệt so với kim loại

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 dẫn so với vật liệu điện đã quen thuộc như kim loại ,điện môi

Cần nhấn mạnh sự giảm rõ rệt của điện trở

Cá nhân suy nghĩ

Ghi nhớ

 Điện trở suất  của bán dẫn cĩ giá trị trung gian giữa

kim loại và điện mơi (hình 43,1)

 Điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng

(hình 43.2) Do đĩ ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện rất

kém (giống như điện mơi), cịn 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 cĩ mặt trong tinh thể

II Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết :

1 Cấu tạo : Chất bán dẫn cĩ cấu tạo sao cho trong mạng

tinh thể chỉ cĩ một loại nguyên tử

2 Khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn Si

a Cấu tạo bán dẫn Si : Lớp êlectron ngồi cùng của

nguyên tử Si cĩ bốn êlectron Trong tinh thể, mỗi nguyên

tử Si liên kết với bốn nguyên tử nguyên tử lân cận thơng

qua các liên kết cộng hố trị Như vậy, xung quanh mỗi

nguyên tử Si cĩ 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 hĩa trị trong mạng tinh

thể của chất bán dẫn tinh khiết rất bền nên khơng cĩ hạt

mang điện tự do

- Ở nhiệt độ cao, một số liên kết cộng hĩa trị trong mạng

tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết bị phá vỡ, giải phĩng

một 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

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 cĩ hai loại hạt tải điện, đĩ 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 cĩ cấu tạo tinh thể Căn cứ vào cấu tạo tinh thể của bán dẫn silic, cĩ thể thấy là ở nhiệt độ thấp, electron bị liên kết chặt chẽ với nguyên tử

và do đĩ khơng cĩ electron tự do; vì vậy bán dẫn là một điện mơi Ơû đây cĩ thể liên hệ với các kiến thức hố học : Khi lớp điện tử ngồi cùng là lớp đầy, thì nguyên tử rất khĩ tham gia các phản ứng hĩa học, tức là ít cĩ khả năng mất bớt hay nhận thêm electron

Chính sự kết hợp của các nguyên tử silic thành tinh thể Si thơng qua các mối liện kế cộng hĩa trị đã tạo nên tính huống là quanh mỗi nguyên tử Si dường như cĩ 8 electron, tức là cĩ một lớp electron đầy

Muốn bực electron ra khỏi nguyên tử để thành eclectron tự do, tham giavào sự dẫn

T

p

O

Bá n dẫ n

Kim loại

Điệ n trở suấ t củ a kim loại và bá n dẫ n phụ thuộ c khá c nhau và o nhiệ t độ

Nguyê n tử Si có bố n ê lectron hó a trị

Tinh thể Si ở nhiệ t độ rấ t thấ p thì khô ng có hạt mang diệ n tự do

Si

Si

Si

Si

Tinh thể Si ở nhiệ t độ tương đố i cao có sự phá t sinh ê lectron - lỗ trố ng

Si

Si

Si

Si

Lỗ trố ng

ê lectron tự do

 Bản chất dịng điện trong chất bán dẫn tinh khiết :

-Khi khơng cĩ điện trường ngồi đặt vào tinh thể bán

dẫn : các electron và lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn

 trong bán dẫn khơng cĩ dịng điện

- Khi cĩ điện trường ngồi đặt vào tinh bán dẫn : các

electron chuyển động ngược chiều điện trường, cịn lỗ

trống chuyển động theo chiều điện trường  trong bán

dẫn cĩ dịng điện

 Kết luận : Dịng điện trong bán dẫn tinh khiết là dịng

chuyển dời cĩ hướng đồng thời của các electron và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngồi

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 cĩ 5 electron ở lớp ngồi cùng,

4 electron trong số đĩ tham gia vào liên kết cộng hĩa trị

với 4 nguyên tử silic ở gần cịn 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,

cịn lỗ trống là hạt mang điện khơng cơ bản

b Bán dẫn loại p :

Giả sử pha vào tinh thể silic một lượng rất nhỏ các nguyên

tử B Nguyên tử B cĩ 3 electron ở lớp ngồi cùng, 3

electron này tham gia vào liên kết cộng hĩa trị với 3

nguyên tử silic ở gần Vậy nguyên tử B cịn thiếu 1

electron để tham gia vào liên kết với nguyên tử silic ở gần

Do đĩ nĩ sẽ chiếm 1 electron của 1 nguyên tử gần nhất,

điện, thì cần tốn năng lượng Cĩ thể tăng năng lượng bằng cách tăng nhiệt độ của tinh thể, tức là làm tăng nội năng của nĩ Do vậy, khi nhiệt độ trên OK, đã cĩ một vài eclectron thu được năng lượng cần thiết

Nhiệt độ càng cao, càng cĩ nhiều electron thốt 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 cĩ một electron

tự do được tạo thành thì cũng cĩ một lỗ trống xuất hiện Vì thế ta nĩi cĩ 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,

cĩ sự cân bằng động giữa sự phát sinh và tái hợp, làm cho số cặp electron – lỗ trống

Trong bán dẫn cĩ một giá trị xác định ( người ta hay nĩi là mật độ cặp electron – lỗ trống, tức là số cặp trong một đơn vị thể tích bán dẫn, cĩ giá trị xác định) Nhiệt độ càng cao, số electron và lỗ trống càng lớn, do đĩ điện trở suất càng nhỏ, bán dẫn dẫn điện càng tốt Cĩ thể sự dụng cơng thức (25.5) về mật độ dịng điện để nĩi 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

Suy nghĩ và thảo luận nhĩm

Cá nhân xây dựng bài học

Thảo luận nhĩm và trả lời

Tạp chấ t P tạo thê m ê lectron

Si

Si

P +

Si

ê lectron tự do

electron vừa đi ra đã để lại sau nĩ 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

cịn electron là hạt mang điện khơng cơ bản

IV Lớp tiếp xúc giữa 2 loại bán dẫn p và n :

a Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n

Khi cĩ 2 loại bán dẫn p và n đặt tiếp xúc nhau thì cĩ 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 đĩ trong lớp tiếp xúc cĩ điện trường E

hướng từ n sang p làm ngăn cản sự khuyếch tán của các hạt

mang điện Do cĩ sự khuyếch tán nĩi 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 Dịng 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 bản di

chuyển qua lớp tiếp xúc, nên cĩ dịng 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 khơng

di chuyển qua lớp tiếp xúc, chỉ cĩ hạt mang điện khơng cơ

bản đi qua lớp tiếp xúc tạo ra dịng điện cĩ cường độ rất

nhỏ gọi là dịng điện ngược

Kết luận : Lớp tiếp xúc p-n chỉ dẫn điện theo một chiều từ

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 khơng 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 cĩ 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 cĩ tạp chất đối với tính chất dẫn điện của bán dẫn : Tạp 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 cĩ thể chủ động pha các tạp chất thích hợp để thu được các bán dẫn

cĩ tính chất mong muốn

Khi tạp chất cĩ 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

đĩ cĩ thể dẫn đến sự tạo thành điện tử electron tự do hoặc lỗ trơng tùy theo loại tạp chất Tong SGK, ta xét hai trường hợp điển hình và hay gặp nhất đĩ là bán dẫn Si pha với P với B từ đây, GV làm cho học sinh

Tạp chấ t B tạo thê m lỗ trố ng

Si

Si

B -

Si

Lỗ trố ng

Ghi nhớ

Theo dõi SGK và trả lời câu hỏi

Tham gia đĩng gĩp xây dựng bài

p sang n Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết

Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n

Et

Lớp chuyển tiếp p – n mắc vào nguồn điện theo chiều thuận

Et

En

hiểu được rằng, tạp chất làm hình thành các hạt tải chỉ thuộc một loại, mà khơng phải là cặp electron lỗ trống như trong bán dẫn tinh khiết

Cần chú ý rằng trong các trương hợp thơng thường, khi ta xét ở nhiệt độ phịng, thì trong bán dẫn đã cĩ 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 phịng, 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 nhị, thì số hạt tải một số nào đĩ tăng lên nhiều lần so với số hạt tải loại loại đĩ 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 nĩ, và trở thành hạt tải điện đa số

Để hiễu về điều này một cách định lượng, cĩ 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 Et

ở lớp chuyển tiếp, cĩ tác dụng ngăn cản sự

Ghi nhớ

Ghi nhớ

Ghi nhớ

Xem SGK

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

Tính chất của lớp chuyển tiếp p-n được ứng dụng trong nhiều dụng cụ bán dẫn như điôt, tranzito…Ï

I

O

U

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 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

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

(5’)