Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

Chương III
BÀI 23


DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
VẤN ĐỀ ĐẶT RA
Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn có những tính chất đặc biệt gì?
Phân loại chất bán dẫn
Lớp chuyển tiếp p – n
Câu hỏi và bài tập
I. Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn ( Semiconductor) 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.
II. Tính chất của chất bán dẫn
1. Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi.
Điện môi
Bán dẫn
Kim loại
Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa điện môi và kim loại
II. Tính chất của chất bán dẫn
2. Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém, còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt.
Bán dẫn tinh khiết
Kim loại
Điện trở suất của kim loại và bán dẫn tinh khiết phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ.
T
Câu hỏi 1:
Vì sao điện trở suất của kim loại và bán dẫn lại phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ ?

Đáp án:
Bán dẫn tinh khiết
Kim loại
T
Kim loại có sẵn một số hạt tải điện tự do là electron. Do đó khi ở nhiệt độ bình thường kim loại có khả năng dẫn điện. Ở nhiệt độ cao, va chạm giữa electron với ion dương tăng dần.
Điện trở suất tăng dần
Chất bán dẫn ở nhiệt độ thường không có các hạt tải điện tự do, chúng hầu như không dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng cao, chất bán dẫn hình thành 2 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.
III. Phân loại chất bán dẫn
1. Chất bán dẫn tinh khiết hay còn được gọi là bán dẫn đơn chất.
Các bán dẫn tinh khiết thường gặp như : Si, Ge,…
2. Chất bán dẫn có tạp chất
Bán dẫn có tạp chất thường gặp là: GaAs, CdTe, ZnS,…, nhiều oxit, sunfua, selenua, telurua,… và một số chất polime.



Bán dẫn tinh khiết
III. Phân loại chất bán dẫn
1. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết:
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.

Si
Si
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
Si
Si
Si
Si
Si
Khi nhiệt độ tăng cao
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
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.
Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
E
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
Si
electron
Lỗ trống


Một đoạn phim 3D về sự chuyển động của các electrons trong mạng tinh thể silic
Click here
NHẬN XÉT
Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các eletron 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 chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng và độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ giảm.
Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.
III. Phân loại chất bán dẫn
2. 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 có các nguyên tử của nguyên tố 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.
a) Bán dẫn loại n
Giả sử trong mạng tinh thể có lẫn một nguyên tử Photpho (P).
P
Si
Electorn dư trong nguyên tử Photpho liên kết yếu với nguyên tử Photpho.
Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P
Electron dư thừa dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử
Nhận xét
Như vậy, tạp chất P đã tạo thêm các electron tự do mà không làm tăng 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.
b) Bán dẫn loại p:
Giả sử trong mạng tinh thể Sillic có một nguyên tử Bo (B).
Si
B
Lỗ trống tạo nên do nguyên tử Bo thiếu một electron liên kết với một nguyên tử Sillic lân cận.
Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất B
Một electron ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết trống này và tạo thành một lỗ trống mới.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
Nhận xét:
Như vậy, tạp chất Bo pha vào bán dẫn Sillic 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 hạt tải điện đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản (hay hạt tải điện thiểu số).

Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p.



Một đoạn video mô tả bán dẫn loại p và bán dẫn loại n
Click here
Mời các bạn xem một vài đoạn phim về chuyển động của các electrons trong chất bán dẫn:
Đoạn phim 1.
Đoạn phim 2.
Nếu pha hai loại tạp chất, chẳng hạn như cả Photpho và Bo vào bán dẫn Sillic thì bán dẫn này có thể là bán dẫn loại p hoặc bán dẫn loại n, tùy theo tỉ lệ giữa hai loại tạp chất.


Như vậy, bằng cách chọn tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mình mong muốn. Đây chính là tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng.
IV. Lớp chuyển tiếp p-n:
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Đặc tuyến Volt-Ampere của lớp chuyển tiếp p-n



a) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n:
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
n
p
Chỗ tiếp xúc 2 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.
E
a) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n:
Khi đặt một bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p tiếp xuc nhau thì nơi tiếp xúc sẽ có hiện tượng khuếch tán các hạt mang điện qua lại nhưng chủ yếu là hạt mang điện cơ bản: các electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và các lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n; kết quả làm xuất hiện một lớp phân cách gọi là lớp tiếp xúc p-n ( có bề dày rất nhỏ cỡ mm), điện trường ở lớp tiếp xúc có tác dụng ngăn cản sự khuếch tán các hạt mang điện cơ bản nhưng lại giúp sức cho sự chuyển động của các hạt mang điện không cơ bản; dòng điện đi qua lớp tiếp xúc rất nhỏ, không đáng kể. Khi đạt một giá trị nào đó thì sự khuếch tán ngừng lại.




TH1: Cường độ điện trường hướng từ p sang n (Upn > 0):
Có sự dịch chuyển các hạt mang điện cơ bản, kết quả là xuất hiện một dòng điện đáng kể qua khối bán dẫn từ p sang n, gọi là dòng điện thuận, hiệu điện thế đặt vào gọi là hiệu điện thế thuận.
b)Dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp p-n:

b)Dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp p-n:

TH2: cường độ điện trường hướng từ n sang p (Upn < 0):
Ngăn cản sự dịch chuyển các hạt mang điện cơ bản, cùng với , khuyến khích sự di chuyển của các hạt mang điện không cơ bản; kết quả là xuất hiện một dòng điện rất nhỏ, không đáng kể qua khối bán dẫn từ n sang p; gọi là dòng điện ngược, hiệu điện thế đặt vào gọi là hiệu điện thế ngược.
Đặc tuyến Volt-Ampere của lớp chuyển tiếp p-n
I
U
Một clip mô tả dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp P – N
Click here
Một clip mô tả sự chuyển động của các electron trong chất bán dẫn
And click here
V. Các dụng cụ bán dẫn:
Ưu điểm của các dụng cụ bán dẫn là kích thước nhỏ, tiết kiệm được năng lượng, chỉ cần nguồn có hiệu điện thế thấp, bền vững về mặt cơ học, thời gian sử dụng được dài, ….
Một số loại dụng cụ bán dẫn thường được sử dụng:
_ Điốt bán dẫn
_ Trandito hay còn gọi là triot bán dẫn.
_ Nhiệt điện trở bán dẫn (rêdisto)
_ Quang điện trở bán dẫn (phôtôrêdistô)
_ Vi mạch điện tử
a) Điốt bán dẫn
Là dụng cụ bán dẫn có lớp tiếp xúc p-n nên có tính chất dẫn điện chủ yếu theo một chiều.
Dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, dùng trong mạch tách sóng.
Một đoạn clip giới thiệu về diot bán dẫn
Click here
b) Trandito bán dẫn
Có hai loại Trandito
Loại p-n-p: phần giữa là bán dẫn loại n, hai bên là bán dẫn loại p.
Loại n-p-n: phần giữa là bán dẫn loại p, hai bên là bán dẫn loại n.
Các cực của Trandito:
Phần giữa gọi là cực gốc hay cực bazơ, ký hiệu B, có bề dày rất nhỏ (cỡ vài m) và có điện trở suất lớn.
Một phần là cực phát hay êmetơ, kí hiệu E.
Phần còn lại là cực góp hay côlectơ, kí hiệu C.
Là dụng cụ bán dẫn cấu tạo từ ba phần có tính dẫn điện khác nhau nên có hai lớp tiếp xúc p-n.







Trandito loại NPN







Trandito loại PNP
Hoạt động:
Mắc nguồn E1 vào 2 cực E và B và nguồn E2 vào B và C sao cho hiệu điện thế ở lớp tiếp xúc E-B là thuận và hiệu điện thế ở lớp tiếp xúc B-C là ngược. Thông thường E2 lớn hơn E1 từ 5 đến 10 lần.
Ví dụ xét trường hợp Trandito n-p-n:
Dưới tác dụng của E1 electron chuyển từ E sang B, lỗ trống chuyển từ B sang E tạo thành dòng êmetơ IE, nhưng do mật độ electron ở E lớn hơn rất nhiều so với mật độ lỗ ở B, mặt khác bề dày của B rất nhỏ nên electron từ E sẽ nhanh chóng khuếch tán đến lớp tiếp xúc B-C.
Dưới tác dụng của E2 (và điện trường tại điểm tiếp xúc) khuyến khích những electron này chạy sang C tạo thành dòng côlectơ IC.
Chỉ một số rất ít electron không đi qua lớp tiếp xúc B-C mà kết hợp với lỗ trống ở B tạo nên dòng badơ IB.
Vậy: IE = IC + IB , với IB << IC
Số electron từ E chạy sang B càng nhiều (tức IE càng lớn) thì dòng IC càng lớn. Do đó dòng IE có tác dụng điều khiển dòng IC và IC  IE (dòng IB rất nhỏ có thể bỏ qua).
Nếu hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc E-B thay đổi thì IE và do đó IC sẽ thay đổi.
Nếu trong mạch côlectơ có mắc điện trở R khá lớn thì hiệu điện thế hai đầu điện trở này là UR = IC.R lớn hơn hiệu điện thế UE-B đặt vào E-B nhiều lần. Kết quả là sự biến thiên của hiệu điện thế UE-B được khuếch đại trong mạch Trandito.
Ứng dụng: dung trong các mạch khuếch đại dao động, trong các máy phát dao động, biến điện,……
Một số loại trandito thường dùng hiện nay
Video clip về cơ chế hoạt động của Trandito
Click here
Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc mạnh của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ.
Được chế tạo từ các chất bán dẫn khác nhau như Ge, Si, Se, một số oxit kim loại,…
Dùng trong các thiết bị đo nhiệt độ, khống chế nhiệt độ từ xa, thiết bị báo cháy.
c)Nhiệt điện trở bán dẫn: (rêdisto)

Hệ thống báo cháy có sử dụng redisto
d) Quang điện trở bán dẫn:
Là dụng cụ bán dẫn dựa trên sự phụ thuộc của điện trở một số bán dẫn vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó: nhờ năng lượng ánh sáng một số liên kết trong tính thể bị phá vỡ tạo ra các hạt mang điện tự do nên độ dẫn điện của bán dẫn tăng lên (hiện tượng quang điện bên trong).
Được chế tạo từ Ge, Si, Se và một số bán dẫn hợp chất như CdS, PbS,…
Dùng trong các thiết bị kiểm tra và điều khiển tự động.
e) Vi mạch điện tử:
Là những vi mạch có kích thước rất nhỏ nhưng chứa hàng trăm, hàng nghìn chi tiết khác nhau ( điốt, tradito, điện trở,…) thay thế cho các mạch điện tử cồng kềnh.
Ảnh minh họa
f) Ưu điểm của các dụng cụ bán dẫn :
Kích thước nhỏ
Tiết kiệm được năng lượng
Chỉ cần nguồn hiệu điện thế thấp
Bền vững về mặt cơ học
Thời gian sử dụng được dài
…


Video clip nói về việc làm 1 chip bán dẫn tại Hoa Kì
Here
Củng cố bài học bằng trắc nghiệm
Câu nào dưới đây nói về các hạt tải điện trong chất bán dẫn là đúng?
Các hạt tải điện trong chất bán dẫn loại n chỉ có electron tự do
Các hạt tải điện trong bán dẫn loại p chỉ có lỗ trống
Các hạt tải điện trong bán dẫn luôn bao gồm: lỗ trống và electron tự do
Các hạt tải điện trong bán dẫn luôn chuyển động ngược chiều với điện trường
Chọn câu đúng trong các câu sau:
Trong chất bán dẫn, mật độ electron luôn bằng mật độ lỗ trống
Nhiệt độ càng cao, bán dẫn dẫn điện càng tốt
Bán dẫn loại p tích điện dương vì mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron
Bán dẫn có điện trở suất cao hơn kim loại, vì trong bán dẫn có 2 loại hạt tải điện trái dấu.
Chất bán dẫn
Nhi?t độ T1
Nhi?t độ T2 > T1
- Điện trở suất thay đổi như thế nào khi nhiệt độ tăng ?
- Hãy nhận xét khi Nhi?t độ T2 > T1 thì dòng điện qua bán dẫn tăng hay giảm ?
- So sánh với điện trở suất của kim loại .?

Thực hiện bởi:
LÊ BẢO LONG
NGUYỄN TÙNG ANH
ĐINH HOÀNG PHÚC
Học sinh lớp 11 Chuyên Lý
Năm học 2009-2010

Thực hiện bởi:
LÊ BẢO LONG
NGUYỄN TÙNG ANH
ĐINH HOÀNG PHÚC
Học sinh lớp 11 Chuyên Lý
Năm học 2009-2010