Giáo án Vật lý 11 - CT nâng cao - Tiết 37: Dòng điện trong chất bán dẫn

Tiết 37: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN. Ngày soạn: I- Mục tiêu: + Nêu được các tính chất điện đặc biệt của chất bán dẫn, từ đó thấy rõ chất bán dẫn được xếp vào một loại vật dẫn riêng, khác với vật dẫn kim loại. +Hiểu được các hạt tải điện là êlectrôn và lỗ trống và giải thích được cơ chế tạo thành các hạt tải điện đó trong chất bán dẫn tinh khiết. + Biết được các ứng dụng cơ bản của bán dẫn tinh khiết ( nhiệt điện trở bán dẫn, quang điện trở bán dẫn). + Hiểu và giải thích được tác dụng của tạp chất làm thay đổi một cách cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Biết được bằng cách pha tạp chất thích hợp người ta tạo nên bán dẫn loại p và loại n với nồng độ hạt tải điện mong muốn . + Trình bày được sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n và giải thích được tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p – n. II- Chuẩn bị: 1. Giáo viên: + Bảng phụ vẽ hình 23.4 và hình 23.5; hình 27.3 SGK. +Một số linh kiện bán dẫn. 2. Học sinh. Xem trước bài ở nhà. III- Tổ chức các hoạt động học tập: Hoạt động của học sinh Trợ iúp của giáo viên. . Tìm hiểu tính chất đienẹ của chất bán dẫn. * Nghe. * Cá nhân đọc sách mục 1.a * Cá nhân tìm hiểu và nêu các tính chất. _ Điện trở suất (r) của chất bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi. _ Điện trở suất (r) của chất bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Ở nhiệt độ thấp chất bán dẫn dẫn điện rất kém ( như điện môi), ở nhệt độ cao chất bán dẫn dẫn điện tốt ( như KL). _ Tính chất điện của chất bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào các tạp chất có mặt trong chất bán dẫn. * ĐVĐ: Ngày nay trong mọi thiết bị điện tử: Điện thoại di đông, Máy vi tính, TV, đài đều có mặt các linh kiện bán dẫn như điốt, tranzito, vi mạch có nghĩa rằng ngày này chất bán dẫn được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật điện tử. Vậy chất bán dẫn có những tính chất đặc biệt nào? (Voà mục 1) * Trong phần 1.a có giới thiệu một số bán dẫn điển hình, các em tự tìm hiểu mục 1.a * ĐVĐ: Tiếp thep các em tìm hiểu mục 1.b. Nêu các tính chất điện của chất bán dẫn? { Mỗi tính chất 1, 2 GV dùng đồ thị minh họa} * Nhận xét, nhắc Hs ghi nhớ. * ĐVĐ: Để hiểu rõ về các tính chất điện đã nêu chúng ta xem xét sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết . Tìm hiểu sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết: * Cá nhân tìm hiểu tài liệu và trả lời: _ Si là nguyên tố có hoá trị 4. _ Trong TT Si, mỗi NT Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận thông qua các liên kết cộng hoá trị ( Xung qunh mỗi NT Si có 8 e, tạo thành lớp e lấp đầy). _ LK giữa các NT Si trong TT khá bền vững. * Cá nhân tìm hiểu tài liệu và trả lời :  _ Ở nhiệt độ thấp (0K) các e hoá trị gắn bó chặt chẽ với các NT ở nút mạng, trong TT không có hạt tải điện tự do, bán dẫn không dẫn điện. _ Ở nhiệt độ cao, các NT ở nút mạng dd vì nhiệt mạnh, một số e hoá trị thu được NL đủ lớn và được giải phóng khỏi mối liên kết, trở thành e tự do, có thể tham gia vào quá trình dẫn điện ( như các e tự do trong KL). ( gọi tắt là electrôn ). _ Đồng thời, khi một e được giải phóng khỏi liên kết, thì một liên kết bị trống ( thiết e) xuất hiện gọi là lỗ trống,. Lỗ trống mang một điện tích nguyên tố dương, vì liên kết thiết 1 e. một e ở gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết bị trống, và tạo thành lỗ trống ở vị trí khác, tức là lỗ trống có thể dịch chuyển được trong TT và có thể tham gia vào quá trình dẫn điện. Þ Ở nhiệt độ cao có sự phát sinh ra các cặp electrôn - lỗ trống. * Nghe, ghi chép. * Cá nhân trả lời : _ e chuyển động ngược chiều điện trường Còn các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường tạo nen dòng điện. _ Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời của các e và lỗ trống. * Ghi chép. * Cá nhân trả lời : _ Khi nhiệt độ tăng : Trong CBD mật độ hạt tải điện tăng lên. Còn trong KL sự va chạm của các e với các ion tăng lên trong khi đó mật độ e tự do không đổi. * Nghe, ghi chép. * ĐVĐ: Ở đây ta lấy một trường hợp cụ thể là bán dẫn điển hình Silic (Si) làm ví dụ. Bán dẫn silic tinh khiết nếu trong mạng TT chỉ có một loại nguyên tử Si. * Bằng kiến thức hoá học hãy giải thích sự hình thành liên kết giữa các nguyên tử Si trong mạng TT Si tinh khiết? * Minh hoạ bằng hình vẽ. * ĐVĐ: Ở trên các em đã biết ở nhiệt độ tấp chất bán dẫn giống như điện môi- dẫn điện kém, còn ở nhiệt độ cao chất bán dẫn dẫn điện tốt - giống như KL. Chứng tở rằng sự xuất hiện các hạt tải điện trong chất bán dẫn phụ thuộc nhiệt độ. Hãy làm rõ điều đó? Và chỉ rõ hạt tải điện trong chất bán dẫn là hạt nào? * Dùng hình vẽ mô tả: * Nhấn mạnh: Ở nhiệt độ cao có sự phát sinh ra các cặp electrôn - lỗ trống. * Thuyết trình: Khi một e tự do đến chiếm một mối liên kết bị trống và trở thành e liên kết . Quá trình đó làm mất đi đồng thời một e tự do và một lỗ trống . Đó là quá trình tái hợp. Ở nhiệt độ nhất định, mật độ cặp electrôn - lỗ trống không đổi do có sự cân bằng giữa quá trình phát sinh và tái hợp. * ĐVĐ: Khi đặt vào khối chất bán dẫn ở nhiệt độ cao một hiệu điện thế (trong chất bán dẫn có điện trường). Các điện tích tự do chuyển động như thế nào? Từ đó nêu kết luận về bản chất dòng điện trong chất bán dẫn? * Thông báo: Ở bán dẫn tinh khiết số e và số lỗ trống là bằng nhau _ Sự dẫn điện của bán dẫn tình khiết gọi là sự dẫn điện riêng. _ Bán dẫn tinh khiết gọi là bán dẫn loại i * Yêu cầu HS trả lời câu C1: * Nhắc lại: Khi nhiệt độ tăng độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng lên. * Thuyết trình: Sự phụ thuộc mạnh của đienẹ trở bán dẫn vào nhiệt độ được ứng dụng chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn, có cấu tạo đơn giản chỉ cần hai đoạn dây dẫn nối với mẫu BD. Được dùng để đo nhiệt độ, diều chỉnh, khống chế nhiệt độ. * Thuyết trình: Ở trên ta đã thấy cặp electrôn - lỗ trống phát sinh khi nhiện độc cao. Trông thực tế còn phát sinh khi chiếu ánh sáng thích hợp và chất bán dẫn. Do vậy, điện trở suất của bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào. Đó là hiện tượng quang dẫn, ứng dụng để làm quang điện trở bán dẫn. Điện trở giảm khi cường độ sáng chiêu svào tăng lên. . Tìm hiểu sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất. * Nghe, tìm hiểu tài liệu. * cá nhân trả lời: _ e và lỗ trống. _ e nhiều hơn. _ Giải thích: * Nghe, ghi chép. * Thông báo: Ở phần 1 ta đã biết, tính chất đienẹ của bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào tạp chất có mặt trong chất BD, ta cũng xét bán dẫn Si, nếu bán dẫn Si có tạp chất, tức là có thêm các nguyên tử khác thì tính dẫn điện của nó thay đổi rất mạnh. Chỉ cần thêm một lượng rất nhỏ tạp chất, độ dẫn điện của bán dẫn có thể tăng đến hàng vạn hàng triệu lần. Khi đó, cùng với sự dẫn điện riêng còn sự dẫn điện do tạp chất. Tuỳ theo loại tạp chất đưa vào bán dẫn tinh khiết ta có bán dẫn loại n hay loại p. Sau đây ta xét bán dẫn loại n. Yêu cầu tìm hiểu mục 3.a Ở đây ta xét tinh thể Si có pha thêm phốtpho (P). Khi đó có bán dẫn có tạp, hạt tải điện trong chất bán dẫn khi đó là gì? Mật độ loại nào nhiều hơn? giải thích rõ điều đó? * Dùng hình vẽ mô tả: * Nhấn mạnh:  _ Hạt tải điện cơ bản (đa số) là các e. _ Hạt tải điện không cơ bản (thiểu số) là lỗ trống _ bán dẫn loại đó bán dẫn e hay bán dẫn loại n. Củng cố bài: *Trả lời các câu hỏi củng cố: 1. Giá trị lớn hơn của kim loại. Khi nhiệt độ tăng: Điện trở suất của BD giảm còn của kim loại tăng. 2. e và lỗ trống, e là cơ bản. Công việc về nhà: * Nêu các câu hỏi: 1. Điện trở suất của bán dẫn khác của kim loại như thế nào? 2. Hạt tải điện trong Bd tinh khiết là gì? Trong bán dẫn loại n hạt tải đienẹ là gì? loại nào là cơ bản? * Giao công việc: Đọc trước phần còn lại của bài IV- Rút kinh nghiệm: Tiết 37: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN. 1. Tính chất điện của bán dẫn. a) Giới thiệu một số bán dẫn điển hình: _ Đơn chất: Si, Ge, Se _ Hợp chất: GaAs, CdTe, ZnSnhiều ô xít, sunfua, sêlennua, telurua, một số chất polime. b) Những tính chất khác biệt so với kim loại: ( SGK.) 2. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết: * Xét bán dẫn tinh khiết silic (Si). * Liên kết giữa các nguyên tử Si trong tinh thể : _ Mỗi Nt Si trong tinh thể LK với 4 NT lân cận bằng các LK cộng hoá trị khá bền vũng. * Sự xuất hiện các điện tích tự do _ Ở nhiệt độ thấp, trong cbd không có điện tích tự do. _ Ở nhiệt độ cao, phát sinh các cặp electrôn - lỗ trống. _ Bên cạnh QT phát sinh có quá trình tái hợp cặp e - lỗ trống. Þ Ở nhiệt độ nhất định, có sự cân bằng giữa hai quá trình. _ Sự tạo thành dòng đienẹ trong chất bán dẫn : + các e dịch chuyển ngược chiều điện trường. + Các lỗ trống dịch chuyển cùng chiều điện trường Þ Trong CBD có dòng điện. * Kết luận: SGK. * Sự dẫn điện của BD tinh khiết gọi là sự dẫn điện riêng, BD tinh khiết là BD loại i * Nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng. Þ Ứng dụng: Chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn. * Lưu ý: Cặp e - lỗ trống còn phát sinh trong Ht quang dẫn: Chiếu AS có bước sóng thích hợp vào chất bán dẫn, Þ Ứng dụng : Chế tạo Quang điện trở bán dẫn. 3. Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất: * Khi pha thêm vào bán dẫn tinh khiết một lượng rất nhỏ tạp chất thích hợp, được bán dẫn có tạp, độ dẫn điện của CBD tăng lên rất mạnh. * Trong BD có tạp có sự dẫn điện riêng và dẫn điện do tạp chất. a) Bán dẫn loại n ( bán dẫn e): * Ví dụ tạo ra BD loại n: Pha thêm ( lượng nhỏ) phốt pho vào BD tinh khiết Si. * Mật độ e lớn hơn nhiều so với mật độ lỗ trống. * e là hạt tải diện cơ bản ( đa số), lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản (thiểu số).