Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn
Chia sẻ bởi Vũ Huyền |
Ngày 18/03/2024 |
11
Chia sẻ tài liệu: Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn thuộc Vật lý 11
Nội dung tài liệu:
Chào mừng
cô giáo và các bạn!
Trường THPT Kim Động – lớp 11A0
Phần thuyết trình nhóm 3
Bài 17
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Đặc tuyến Vôn-Ampe của lớp chuyển tiếp p-n
Lớp chuyển tiếp p-n:
a/ Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Khi cho 2 mẫu bán dẫn p và n tiếp xúc nhau có sự khuyếch tán:
Từ p sang n: khuyếch tán lỗ trống mang điện dương (do p có mật độ lỗ trống lớn hơn)
Từ n sang p: khuyếch tán electron tự do (do n có mật độ electron lớn hơn)
Kết quả:
Phía n gần chỗ tiếp xúc: không có hạt tải điện tự do, thay bằng ion tạp chất dương => mang điện dương
Phía p gần chỗ tiếp xúc: ion tạp chất âm => mang điện âm
xuất hiện điện trường trong Et hướng từ n sang p ngăn cản khuyếch tán các hạt đa số, tăng dần đến 1 giá trị nào đó thì đạt giá trị ổn định
a/ Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Chỗ tiếp xúc giữa 2 loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Ở chỗ tiếp xúc hình thành 1 lớp nghèo hạt tải điện gọi là lớp nghèo
Et
Khi Et đạt giá trị ổn định
Sự khuyếch tán các hạt tải điện
khi hình thành lớp chuyển tiếp p-n?
p
n
Electron
Lỗ trống
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
(+)
( - )
E
Ith
E ngoài hướng từ p sang n: En>>Et tác dụng của Et không đáng kể. Các lỗ trống chuyển động theo chiều En (pn) các e chuyển động ngược chiều En (từ np)
Qua lớp tiếp xúc có I từ p sang n là dòng điện thuận, U đặt vào là hiệu điện thế thuận
b/ Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Trường hợp 2: cực dương nối với bán dẫn n, cực âm nối với bán dẫn p.
n
p
( - )
(+)
Et
Ing
Do tác dụng của E ngoài hướng từ n sang p cùng hướng Et :chuyển dời của các hạt tải điện đa số bị ngăn cản, qua lớp chuyển tiếp chỉ có dòng các hạt tải điện thiểu số
Qua lớp tiếp xúc có I từ n sang p là dòng điện ngược, U đặt vào là hiệu điện thế ngược
c/ Đặc tuyến Vôn-Ampe của lớp chuyển tiếp p-n
Dòng điện thuận có cường độ lớn và tăng nhanh theo hiệu điện thế thuận vì vậy mà phần đồ thị nằm phía trên trục hoành là một đường cong đi lên.
Dòng điện ngược rất nhỏ và ít phụ thuộc vào hiệu điện thế vì vậy mà phần đồ thị phía dưới trục hoanh có thể xem là một đường thẳng nằm ngang.
=> Vì vậy cho nên đặc tuyến vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n là một đường cong như trên hình vẽ đó
U
Khảo sát sự biến thiên của cường độ dòng điện theo hiệu điện thế, ta có thể thu được đường đặc tuyến vôn ampe của lớp chuyển tiếp p-n như hình bên
Tính chất của lớp chuyển tiếp p-n được ứng dụng trong nhiều dụng cụ bán dẫn như điôt, tranzito
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
Tranzito được sử dụng ngày càng rộng rãi trong kĩ thuật hiện đại: trong các mạch khuếch đại, tạo ra dao động điện và khóa điện tử.
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.
2. Tranzito lưỡng cực n-p-n
Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa 2 miền n1 và n2 đã mô tả ở trên gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n
Tranzito có 3 cực:
- Cực góp hay colectơ, kí hiệu là C.
- Cực đáy hay cực gốc, hoặc bazơ, kí hiệu là B.
- Cực phát hay êmitơ, kí hiệu là E.
1. Hiệu ứng tranzito
Mật độ e ở n2 >> mật độ lỗ trống ở p
C
n1
E
B
p
n2
Electron từ n2 phun vào p
Lớp nghèo RCB rất lớn
Xét tinh thể bán dẫn n1 – p – n2 Các điện cực E, B, C
UBE điện áp thuận, UCE lớn (10V)
a. Khi miền p rất dày, n1và n2 cách xa nhau
Lớp p-n2 phân cực thuận, e phun từ n2 sang p, không tới được lớp n1-p; không ảnh hưởng tới RCB
Lớp n1- p phân cực ngược, RCB lớn
b. Khi miền p rất mỏng, n1và n2 rất gần nhau
Electron từ n2 phun vào p và lan sang n1 làm cho RCB giảm đáng kể
Hiệu ứng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB gọi là hiệu ứng tranzito
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,……
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.
Điôt phát quang:
Nếu điôt được chế tạo từ những vật liệu bán dẫn thích hợp, thì khi dòng điện thuận chạy qua điôt, ở lớp chuyển tiếp p-n có ánh sáng phát ra. Đó là điôt phát quang (LED – Light Emiting Diode).
Laze bán dẫn cũng hoạt động trên cơ
sở sự phát quang ở lớp chuyển tiếp p-n.
Một đoạn clip giới thiệu về diot bán dẫn
Click here
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
…
cô giáo và các bạn!
Trường THPT Kim Động – lớp 11A0
Phần thuyết trình nhóm 3
Bài 17
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Đặc tuyến Vôn-Ampe của lớp chuyển tiếp p-n
Lớp chuyển tiếp p-n:
a/ Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Khi cho 2 mẫu bán dẫn p và n tiếp xúc nhau có sự khuyếch tán:
Từ p sang n: khuyếch tán lỗ trống mang điện dương (do p có mật độ lỗ trống lớn hơn)
Từ n sang p: khuyếch tán electron tự do (do n có mật độ electron lớn hơn)
Kết quả:
Phía n gần chỗ tiếp xúc: không có hạt tải điện tự do, thay bằng ion tạp chất dương => mang điện dương
Phía p gần chỗ tiếp xúc: ion tạp chất âm => mang điện âm
xuất hiện điện trường trong Et hướng từ n sang p ngăn cản khuyếch tán các hạt đa số, tăng dần đến 1 giá trị nào đó thì đạt giá trị ổn định
a/ Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Chỗ tiếp xúc giữa 2 loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n
Ở chỗ tiếp xúc hình thành 1 lớp nghèo hạt tải điện gọi là lớp nghèo
Et
Khi Et đạt giá trị ổn định
Sự khuyếch tán các hạt tải điện
khi hình thành lớp chuyển tiếp p-n?
p
n
Electron
Lỗ trống
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
(+)
( - )
E
Ith
E ngoài hướng từ p sang n: En>>Et tác dụng của Et không đáng kể. Các lỗ trống chuyển động theo chiều En (pn) các e chuyển động ngược chiều En (từ np)
Qua lớp tiếp xúc có I từ p sang n là dòng điện thuận, U đặt vào là hiệu điện thế thuận
b/ Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Trường hợp 2: cực dương nối với bán dẫn n, cực âm nối với bán dẫn p.
n
p
( - )
(+)
Et
Ing
Do tác dụng của E ngoài hướng từ n sang p cùng hướng Et :chuyển dời của các hạt tải điện đa số bị ngăn cản, qua lớp chuyển tiếp chỉ có dòng các hạt tải điện thiểu số
Qua lớp tiếp xúc có I từ n sang p là dòng điện ngược, U đặt vào là hiệu điện thế ngược
c/ Đặc tuyến Vôn-Ampe của lớp chuyển tiếp p-n
Dòng điện thuận có cường độ lớn và tăng nhanh theo hiệu điện thế thuận vì vậy mà phần đồ thị nằm phía trên trục hoành là một đường cong đi lên.
Dòng điện ngược rất nhỏ và ít phụ thuộc vào hiệu điện thế vì vậy mà phần đồ thị phía dưới trục hoanh có thể xem là một đường thẳng nằm ngang.
=> Vì vậy cho nên đặc tuyến vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n là một đường cong như trên hình vẽ đó
U
Khảo sát sự biến thiên của cường độ dòng điện theo hiệu điện thế, ta có thể thu được đường đặc tuyến vôn ampe của lớp chuyển tiếp p-n như hình bên
Tính chất của lớp chuyển tiếp p-n được ứng dụng trong nhiều dụng cụ bán dẫn như điôt, tranzito
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
Tranzito được sử dụng ngày càng rộng rãi trong kĩ thuật hiện đại: trong các mạch khuếch đại, tạo ra dao động điện và khóa điện tử.
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.
2. Tranzito lưỡng cực n-p-n
Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa 2 miền n1 và n2 đã mô tả ở trên gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n
Tranzito có 3 cực:
- Cực góp hay colectơ, kí hiệu là C.
- Cực đáy hay cực gốc, hoặc bazơ, kí hiệu là B.
- Cực phát hay êmitơ, kí hiệu là E.
1. Hiệu ứng tranzito
Mật độ e ở n2 >> mật độ lỗ trống ở p
C
n1
E
B
p
n2
Electron từ n2 phun vào p
Lớp nghèo RCB rất lớn
Xét tinh thể bán dẫn n1 – p – n2 Các điện cực E, B, C
UBE điện áp thuận, UCE lớn (10V)
a. Khi miền p rất dày, n1và n2 cách xa nhau
Lớp p-n2 phân cực thuận, e phun từ n2 sang p, không tới được lớp n1-p; không ảnh hưởng tới RCB
Lớp n1- p phân cực ngược, RCB lớn
b. Khi miền p rất mỏng, n1và n2 rất gần nhau
Electron từ n2 phun vào p và lan sang n1 làm cho RCB giảm đáng kể
Hiệu ứng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB gọi là hiệu ứng tranzito
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,……
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.
Điôt phát quang:
Nếu điôt được chế tạo từ những vật liệu bán dẫn thích hợp, thì khi dòng điện thuận chạy qua điôt, ở lớp chuyển tiếp p-n có ánh sáng phát ra. Đó là điôt phát quang (LED – Light Emiting Diode).
Laze bán dẫn cũng hoạt động trên cơ
sở sự phát quang ở lớp chuyển tiếp p-n.
Một đoạn clip giới thiệu về diot bán dẫn
Click here
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
…
* Một số tài liệu cũ có thể bị lỗi font khi hiển thị do dùng bộ mã không phải Unikey ...
Người chia sẻ: Vũ Huyền
Dung lượng: |
Lượt tài: 0
Loại file:
Nguồn : Chưa rõ
(Tài liệu chưa được thẩm định)