Giáo án Vật lý 11 - Bài 43, 44: Dòng điện trong bán dẫn

Tiết : ____________ Bài 43 - 44 : DÒNG ĐIỆN TRONG BÁN DẪN 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 Nội dung ghi bảng Tổ chức ,điều khiển Kiểm tra bài cũ và kiến thức cũ liên quan với bài mới (3’) Trả lời câu hỏi SGk Làm bài tập SBTVL 11 Kiểm tra và đánh giá Nghiên cứu bài mới Tính chất điện của bán dẫn 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 Tính chất khác biệt so với kim loại. Điện trở suất r 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. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết : Cấu tạo : Chất bán dẫn có cấu tạo sao cho trong mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử . Khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn Si 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 Þ liên kết giữa các nguyên tử trong tinh thể Si rất bền vững 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 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. 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 Þ 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 Þ 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. Sự dẫn điện của bán dẫn chứa tạp chất 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 Þ 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. 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 Þ 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. Lớp tiếp xúc giữa 2 loại bán dẫn p và n : 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. 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 bản 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 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, tranzitoÏ 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 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 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 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 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 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 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 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 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 Cá nhân suy nghĩ. Ghi nhớ. Suy nghĩ và thảo luận nhóm. Cá nhân xây dựng bài học. Thảo luận nhóm và trả lời. Ghi nhớ. Theo dõi SGK và trả lời câu hỏi. Tham gia đóng góp xây dựng bài. Ghi nhớ. Ghi nhớ. Ghi nhớ. Xem SGK. 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