Bài 23. Dòng điện trong chất bán dẫn

BÀI 23:
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
Nhóm thuyết trình:
Nhóm 3
Ảnh bên trình bày các linh kiện bán dẫn: điôt tranzito, vi m?ch,.. Chúng có mặt trong mọi thiết bị điện tử dùng trong đời sống và trong khoa học, kĩ thuật.
I
II
III
IV
Tính chất điện của bán dẫn
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Lớp chuyển tiếp p-n
II
III
IV
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Lớp chuyển tiếp p-n
I
Tính chất điện của bán dẫn
Bán dẫn điển hình và dùng phổ biến là silic (Si)
Một số bán dẫn đơn chất: Ge, Se
Một số bán dẫn hợp chất: GaAs, CdTe, ZnS,. , nhiều oxit, sunfat, sêlenua, telurua,. và một số chất pôlime.
Bán dẫn điển hình và dùng phổ biến là gì?
Kể tên một số bán dẫn đơn chất?
Kể tên một số bán dẫn hợp chất?
Chất bán dẫn là chất có điện trở suất ? nằm trong khoảng trung gian giữa kim loại và chất điện môi.
Chất bán dẫn là gì?
ρ(Ω.m)
10 20
10 15
10 10
10 5
10 0
10 -5
10 -10
Kim loại
Bán dẫn
Điện môi
I
Tính chất điện của bán dẫn
Tính chất điện của bán dẫn
Bán dẫn có những tính chất khác biệt nào so với kim loại?
Điện trở suất ? của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi.
I
Tính chất điện của bán dẫn
Tính chất điện của bán dẫn
Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng.
* Ở nhiệt độ thấp: bán dẫn d?n điện rất kém (giống điện môi).
* Ở nhiệt độ cao: bán dẫn dẫn điện khá tốt (giống kim loại).
Tính chất điện của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất có mặt trong tinh thể.
III
IV
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Lớp chuyển tiếp p-n
I
Tính chất điện của bán dẫn
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Silic là nguyên tố có hóa trị 4, tức là lớp electron ngoài cùng của Si có 4 electron.
Xét trường hợp bán dẫn điển hình là Si. Nếu trong mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử là Si thì ta gọi đó là bán dẫn tinh khiết.
Bán dẫn tinh khiết là gì?
Hạt tải điện trong chất bán dẫn tinh khiết
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Trong tinh thể, mỗi nguyên tố Si liên kết với 4 nguyên tố lân cận thông qua liên kết cọ�ng hóa trị.
Xung quanh mỗi nguyên tử Si có 8 electron, tạo thành lớp electron đầy.
Liên kết giữa các nguyên tử trong tinh thể Si rất bền vững.
Ở nhiệt độ thấp, gần 00K, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng.
? Trong tinh thể không có hạt tải điện tự do, bán dẫn Si không dẫn điện.
Hạt tải điện trong chất bán dẫn tinh khiết
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Ở nhiệt độ tương đối cao, do dao động nhiệt một số electron hóa trị thu thêm năng lượng và được giải phóng khỏi các liên kết, trở thành các electron tự do, đồng thời xuất hiện các lỗ trống. Các lỗ trống mang điện tích dương.
? Bán dẫn dẫn điện.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Electron tự do
Lỗ trống
Quá trình phát sinh cặp electron - lỗ trống
Hạt tải điện trong chất bán dẫn tinh khiết
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Ở nhiệt độ cao, ngoài sự phát sinh ra các cặp electron - lỗ trống, bên cạnh đó luôn xảy ra quá trình tái hợp electron - lỗ trống.
Có sự cân bằng giữa quá trình phát sinh và quá trình tái hợp.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Quá trình tái sinh cặp electron - lỗ trống
Xem thí nghi?m sau, nh?n xét về chiều chuyển động của electron và lỗ trống?
Bản chất dòng điện trong bán dẫn tinh khiết
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Khi có điện trường đặt vào, electron chuyển động ngược chiều điện trường, lỗ trống chuyển động thuận chiều điện trường.
? Gây nên dòng điện trong bán dẫn.
Thế nào là dòng điện trong bán dẫn?
Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của electron và lỗ trống.
Bản chất dòng điện trong bán dẫn tinh khiết
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và số lỗ trống bằng nhau.
Sự dẫn điện trong trường hợp này gọi là sự dẫn điện riêng của bán dẫn. Bán dẫn tinh khiết còn được gọi là bán dẫn loại i.
Độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.
?Người ta ứng dụng sự phụ thuộc mạnh của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ để làm nhiệt điện trở bán dẫn.
Cặp electron - lỗ trống còn phát sinh khi ta chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào bán dẫn.
Điện trở suất cuả bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.
Hiện tượng quang dẫn và được ứng dụng để làm quang điện trở bán dẫn, điện trở của nó giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào tăng.
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
I
Tính chất điện của bán dẫn
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Nếu bán dẫn Si có pha tạp chất, tức là ngoài các nguyên tử Si, còn có các nguyên tử khác. Khi đó tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều.
Cùng với sự dẫn điện riêng, còn có sự dẫn điện tạp chất.
Có hai loại:
Bán dẫn loại n.
Bán dẫn loại p.
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Bán dẫn loại n
Giả sử trong mạng tinh thể Si có lẫn một nguyên tử photpho. Nguyên tử P có 5 electron ở lớp ngoài.
4 trong 5 electron của nguyên tử P tham gia liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử Si ở xung quanh. Electron còn lại liên kết yếu với nguyên tử P.
Khi ở nhiệt độ cao, nó có thể dễ dàng bứt khỏi nguyên tử P và trở thành electron tự do.
Nguyên tử P trở thành ion dương.
P
Electron bị tách khỏi nguyên tử.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P+
Quan sát hình sau và nhận xét về số electron và lỗ trống trong mạng tinh thể có lẫn tạp chất P?
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Bán dẫn loại n
Tạp chất P đã tạo nên thêm các electron, mà không làm tăng thêm số lỗ trống.
? Bán dẫn Si pha P có số electron dẫn nhiều hơn 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 gọi là bán dẫn electron hay bán dẫn loại n.
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Bán dẫn loại p
Nếu tạp chất là nguyên tố hóa trị 3 như Bo.
Thiếu 1 electron để tạo thành liên kết giữa nguyên tử B với bốn nguyên tử Si lân cận.
Một electron gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết này.
? Tạo thành lỗ trống.
? Nguyên tử B trở thành ion âm.
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
B-
Electron gần chuyển đến lấp đầy
Lỗ trống được tạo thành
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Quan sát hình sau và nhận xét về số electron và lỗ trống trong mạng tinh thể có lẫn tạp chất B?
Bán dẫn loại p
Tạp chất B đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số electron.
Ta gọi:
Electron là hạt tải điện không cơ bản.
Lỗ trống là hạt tải điện đa số.
Bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn p.
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Nếu khi ta pha hai loại tạp chất, chẳng hạn cả P và B vào bán dẫn Si, thì bán dẫn này có thể là loai p hay n tùy theo tỉ lệ giữa hai đại lượng tạp chất.
Bằng cách chọn các loại tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mình mong muốn và có tính dẫn điện mong muốn. Đây chính là một tính chất rất đặc biệt của bán dẫn khiến nó có nhiều ứng dụng.
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
Photpho, 5 electron lớp ngoài cùng
Bo, 3 electron lớp ngoài cùng
Nhiều hơn
Ít hơn
Eletron
Lỗ trống
Lỗ trống
Eletron
III
I
Tính chất điện của bán dẫn
II
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
III
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n
n
p
Các electron tự do
Các lỗ trống
n
p
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
Et
Chổ tiếp xúc đã trở thành lớp chuyển tiếp p-n
Lớp chuyển tiếp p-n có điện trở lớn
Vì ở đó hầu như không có hạt tải điện tự do.
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
Phân cực thuận
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương nối với bán dẫn p, cực âm với bán dẫn n.
n
p
Et
+
-
En
Ith rất lớn
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
Phân cực thuận
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương nối với bán dẫn p, cực âm với bán dẫn n.
Điện trường ngoài do nguồn điện gây ra ngược chiều với điện trường trong của lớp chuyển tiếp, làm yếu điện trường trong. Do đó, dòng chuyển dời của các hạt tải điện đa số tăng lên. Gây ra dòng điện I có cường độ lớn chạy theo chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Đó là dòng điện thuận, gây nên bởi hiệu điện thế thuận của nguồn điện, và tăng nhanh khi U tăng. Lớp chuyển tiếp được mắc theo chiều thuận, còn được gọi là lớp chuyển tiếp được phân cực thuận.
Khi lớp chuyển tiếp được phân cực thuận, các hạt tải điện đa số ở hai phía đều đi đến lớp chuyển tiếp và vượt qua lớp này, gây dự phun lỗ trống vào bán dẫn n và phun electron vào bán dẫn p.
n
p
+
-
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
Phân cực ngược
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
IV
Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương nối với bán dẫn n, cực âm với bán dẫn p.
n
p
Et
+
-
En
Electron tách ra trong mạng tinh thể
Lỗ trống được tạo ra trong mạng tinh thể
Ing rất nhỏ
Lớp chuyển tiếp p-n
Phân cực ngược
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
IV
Ta mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện có hiệu điện thế U, sao cho cực dương nối với bán dẫn n, cực âm với bán dẫn p.
Điện trường ngoài do nguồn điệ�n gây ra cùng chiều với điện trường trong của lớp chuyển tiếp, làm yếu điện trường trong. Do đó, dòng chuyển dời của các hạt tải điện đã hoàn toàn bị ngăn cản. Gây ra dòng điện I có cường độ nhỏ chạy theo chiều từ bán dẫn n sang bán dẫn p, và hầu như không đổi khi tăng U. Đó là dòng điện ngược, gây nên bởi hiệu điện thế ngược của nguồn điện. Lớp chuyển tiếp được mắc theo chiều ngược, còn được gọi là lớp chyển tiếp được phân cực ngược.
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
Kết luận
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chiều thuận có cường độ lớn.
Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n mắc theo chi?u ngược có cường đ? r?t nhỏ.
Lớp chuyển tiếp p-n dẫn điện tốt theo một chiều từ p sang n.
Lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉnh lưu.
Dòng điện qua lớp tiếp xúc p-n không tuân theo định luật OMH.
Đặc tuyến vôn - ampe của lớp chuyển tiếp p-n
IV
Lớp chuyển tiếp p-n
I
U
Tóm tắt
lý thuyết
Tính chất điện của bán dẫn điện phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất co mặt trong tinh thê bán dẫn.
Ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện rất tốt, ở nhiệt độ thấp thì ngược lại.
Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống.
Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và số lỗ trống bằng nhau.
Độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.
Bán dẫn loại p: hạt mang điện cơ bản là lỗ trống.
Bán dẫn loại n: hạt mang điện cơ bản là electron.
Lớp chuyển tiếp p-n dẫn điện tốt theo một chiều từ p sang n và có tính chất chỉnh lưu.
Củng cố
Khi lớp chuyển tiếp p-n được hình thành thì luôn có dòng điện từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, do điện trường trong ở lớp chuyển tiếp thúc đẩy chuyển động của các hạt tải điện thiểu số.
Khi lớp chuyển tiếp p-n được hình thành thì luôn có dòng điện chạy theo từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n, do sự khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản mạnh hơn so với sự khuếch tán của các hạt tải điện không cơ bản.
A
Câu 1: Chọn câu đúng.
B
Nhiệt độ càng cao, tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p-n càng kém
C
Điện trở của lớp chuyển tiếp p-n là nhỏ, khi lớp chuyển tiếp được mắc váo nguồn điện theo chiều ngược.
D
Khi nhiệt độ thấp, các hạt không cơ bản ít nên bán dẫn p-n chỉ dẫn từ p sang n.
Khi nhiệt độ cao các hạt không cơ bản tăng lên rất lớn do khả năng phá vỡ các liên kết giữa electron và nút mạng tinh thể trong bán dẫn tăng lên, nên số cặp electron và lỗ trống tăng lên.
? Dòng điện có thể di chuyển threo chiều ngược lại từ n sang p, nên tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p-n càng kém.
Câu 2: Tìm đáp án đúng.
Ở nhiệt độ phòng, trong bán dẫn Si tinh khiết, số cặp electron - lỗ trống bằng 10 13 số nguyên tử Si. Nếu ta pha P và Si tỉ lệ một phần triệu, thì số hat tải điện tăng lên bao nhiêu lần
5.10 6
A
5,3.10 6
B
6.10 6
C
6,7.10 6
D
Giả thiết: số cặp electrong - lỗ trống = 1013
Theo cấu tạo hóa học, 2 cặp electron - lỗ trống kết hợp với một nguyên tử Si
nSi = 1013 / 2 = 5.1012 (ngtử Si)

Giả thiết: nP / nSi = 1 / 106
nP = nSi / 106 = 5.1012 / 106 =5.106 (ngtử)

Số nP cũng chính là số electron được tạo thành ne = nP =5.106 (electron) chính là số lần hạt tải điện tăng lên.
Câu 3: Tìm đáp án đúng.
The end!!!