Giáo án Vật lý lớp 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 TIẾT HỌC : Hoạt động : Hoạt động của Giáo Viên Hoạt đông của học sinh Nội dung Giới thiệu một số ứng dụng Chất nào là bán dẫn ? Có tính chất điện như thế nào ? Đọc sách và trả lời Tính chất điện của bán dẫn Giới thiệumột số chất bán dẫn 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. Hoạt động : Hoạt động của Giáo Viên Hoạt đông của học sinh Nội dung Thế nào là bd tinh khiết ? V dụ Si ? Hạt mang điện hình thành như thế nào ? Vậy d đ trong bán dẫn tinh khiết là gì ? Trả lời theo các câu hỏi sau khi đọc sách 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. Bán dẫn loại I , dẫn điện ring6 Hoạt động : Hoạt động của Giáo Viên Hoạt đông của học sinh Nội dung Sự dẫn điện của bán dẫn có pha tạp chất ? Bán dẫn n? p? 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. Hoạt động : Hoạt động của Giáo Viên Hoạt đông của học sinh Nội dung 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, tranzito Hoạt động : củng cố và hướng dẫn Hoạt động của Giáo Viên Hoạt đông của học sinh Nội dung Ghi nhớ Các nội dung đã học Xem bài Linh kiện bán dẫn Rút kinh nghiệm