Nội dung sáng kiến kinh nghiệm
Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm
Nhiều học sinh thường ngại giải các bài tập về Đi ốt bán dẫn do phải ghi nhớ nhiều công thức phức tạp và khó khăn trong việc sử dụng toán học Để giúp học sinh hiểu rõ hơn về bản chất vật lý, tôi đã nghiên cứu một phương pháp trực quan, giúp tổng quát hóa các dạng toán thường gặp Phương pháp này cho phép học sinh dễ dàng hình dung và giải quyết nhanh chóng các bài toán, ngay cả khi chúng có độ phức tạp cao.
Phương pháp nghiên cứu này phù hợp cho học sinh có trình độ trung bình, chỉ cần hướng dẫn họ cách áp dụng phương pháp tổng quát cho từng dạng toán Sau khi nắm vững lý thuyết, học sinh có thể dễ dàng áp dụng vào thực tế.
Việc áp dụng hiệu quả các phương pháp học tập sẽ giúp nâng cao chất lượng kiến thức của học sinh, đồng thời cải thiện khả năng vận dụng những phương pháp này để đạt kết quả tối ưu trong kỳ thi tốt nghiệp THPT sắp tới.
Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm
Học sinh tại Quảng Xương 1, đặc biệt là những em tôi dạy, thường gặp khó khăn với các bài toán liên quan đến Đi ốt bán dẫn Nhiều em ngại làm và cho rằng môn học này quá khó, dẫn đến việc chọn đáp án một cách ngẫu nhiên mà không thực sự hiểu bài.
Nhiều giáo viên hiện nay vẫn chỉ trang bị cho học sinh kiến thức cơ bản và yêu cầu các em ghi nhớ máy móc các công thức đã được chứng minh Điều này dẫn đến việc khi gặp những bài toán mới, học sinh gặp khó khăn vì không có sẵn công thức để áp dụng.
2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp sử dụng để giải quyết vấn đề.
- Trước tiên tôi trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất như: tính chất bán dẫn.
- Trang bị cho học sinh về kiến thức cơ bản về chất bán dẫn
- Hình thành cho học sinh phương pháp giải tổng quát
1 Sự dẫn điện của bán dẫn
Chất bán dẫn tinh khiết cho phép dòng điện di chuyển theo hai hướng: các electron di chuyển ngược chiều với điện trường, trong khi các lỗ trống di chuyển cùng chiều với điện trường.
+Bán dẫn loại n: Trong bán dẫn loại n, elecron là hạt tải điện chủ yếu còn lỗ trống là hạt tải điện không chủ yếu (ne >>n+)
+Bán dẫn loại p: Trong bán dẫn loại n, lỗ trống là hạt tải điện chủ yếu còn elecron là hạt tải điện không chủ yếu (n+ >>ne)
Đi-ốt bán dẫn là linh kiện điện tử có hai cực, bao gồm một lớp chuyển tiếp p-n Các loại đi-ốt phổ biến hiện nay bao gồm đi-ốt chỉnh lưu, phô-tô-đi-ốt, pin Mặt trời, đi-ốt phát quang, đi-ốt Zener và pin nhiệt điện bán dẫn.
-Tranzito là dụng cụ bán dẫn có hai lớp chuyển tiếp (n1-p) và (p-n2)
+Cấu tạo: Tranzito có ba cực:
*Cực góp (colectơ) : Kí hiệu là C.
*Cực đáy hay cực gốc (bazơ) : Kí hiệu là B.
*Cực phát (êmitơ) : Kí hiệu là E.
+Mô hình và kí hiệu của tranzito trong các sơ đồ điện như sau:
+Hệ số khuếch đại dòng điện:
I (IC IE) (12.2) +Ứng dụng của tranzito
*Dùng trong các mạch khuếch đại.
*Dùng trong các máy phát cao tần (tần số lớn)
3/ Dòng điện trong chất bán dẫn:
Điện trở suất của chất bán dẫn nằm giữa điện trở suất của kim loại và điện môi, điều này giúp nhận biết đặc trưng của chất bán dẫn.
Kí hiệu tranzito dẫn có những đặc tính quan trọng, bao gồm sự phụ thuộc mạnh mẽ của điện trở suất chất bán dẫn vào nồng độ tạp chất Ngoài ra, điện trở suất của bán dẫn tinh khiết cũng giảm nhanh chóng khi nhiệt độ tăng.
-Đối với bán dẫn tinh khiết, hạt tải điện là electron và lỗ trống Đối với bán dẫn tạp chất, có hai loại:
Bán dẫn loại n là loại bán dẫn được pha tạp bằng các nguyên tử có số electron hóa trị lớn hơn của nguyên tử chất bán dẫn Khi đó, các electron thừa từ tạp chất sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện Tạp chất trong trường hợp này được gọi là tạp chất cho (đôno), và hạt tải điện chủ yếu là electron.
Bán dẫn loại P là loại bán dẫn được pha tạp bằng các nguyên tử có số electron hóa trị nhỏ hơn của nguyên tử bán dẫn Những nguyên tử tạp chất này sẽ chiếm một electron liên kết từ nguyên tử lân cận, tạo ra một lỗ trống tự do Trong trường hợp này, tạp chất được gọi là tạp chất nhận (axepto), và hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống.
Tranzito được cấu tạo từ hai lớp chuyển tiếp n-p và p-n, với lớp p rất mỏng nằm giữa hai lớp n Sự gần gũi giữa hai lớp n này tạo ra hiệu ứng tranzito, hay còn gọi là hiệu ứng khuếch đại Đây thực sự là một bước tiến cách mạng trong công nghệ điện tử và thông tin.
Với dạng bài tập dòng điện trong bán dẫn Phương pháp giải là sử dụng các công thức
Cường độ dòng điện, mật độ dòng điện và tốc độ trung bình của chuyển động có hướng của các hạt mang điện trong bán dẫn tinh khiết (bán dẫn loại i) có mối quan hệ tương tự như trong kim loại, cùng với điện trở suất.
Mật độ electron dẫn bằng mật độ lỗ trống (ne = n+)
Độ dẫn điện tăng khi nhiệt độ tăng.
+Với bán dẫn tạp chất:
Bán dẫn loại n: ne >> n+ ; Bán dẫn loại p: n+ >> ne.
+Với các bài toán về mạch khuếch đại bằng tranzito, sử dụng công thức:
Định luật Ôm cho toàn mạch (với mạch kín chứa các cực B và E) ; định luật Ôm tổng quát (với đoạn mạch chứa các cực C và E)
Các linh kiện bán dẫn phổ biến bao gồm điôt bán dẫn, như điôt chỉnh lưu, phôtôđiôt, pin Mặt Trời, điôt phát quang và pin nhiệt điện bán dẫn Ngoài ra, tranzito cũng là một loại linh kiện quan trọng, có cấu trúc với hai lớp chuyển tiếp p-n, bao gồm các dạng p-n-p hoặc n-p-n.
+Chiều dòng điện qua các cực của tranzito (tranzito loại n – p – n: dòng điện từ B đến
E ; tranzito loại p – n – p: dòng điện từ E đến B)
2.3 Các ví dụ điển hình
2.3.1 Các ví dụ có lời giải.
Một mẫu bán dẫn hình hộp chữ nhật có kích thước 0,2 x 0,5 x 1,0 cm³ với mật độ hạt tải điện n0 = 10²² hạt/m³ Khi một dòng điện cường độ 5mA chạy dọc theo chiều dài của mẫu, ta cần tính tốc độ trung bình của chuyển động có hướng của các hạt tải điện.
Chuyển động có hướng của các hạt tải điện trong bán dẫn tương tự như chuyển động của electron trong kim loại Do đó, ta có công thức: I = q/t = n0eSv, từ đó có thể suy ra v = 0.
-Vì các hạt tải điện chuyển động dọc theo chiều dài của mẫu (c = 1,0cm) nên:
= 0,31(m/s) Vậy: Tốc độ trung bình chuyển động có hướng của các hạt tải điện là v = 0,31(m/s)
Một mẫu bán dẫn silic nặng 2,8g được pha thêm các nguyên tử asen theo tỉ lệ 1:10^9 Với khối lượng mol của silic là 28g/mol, số mol silic trong mẫu là 0,1 mol Do tỉ lệ pha tạp, số nguyên tử asen là 10^9 nguyên tử cho mỗi 1 nguyên tử silic, dẫn đến tổng số nguyên tử asen là 10^8 nguyên tử Mỗi 5 nguyên tử asen tạo ra 1 electron dẫn, do đó số electron dẫn được tạo ra từ sự pha tạp này là 2 x 10^7 electron.
Bài giải: Số nguyên tử Si trong 2,8g: NSi = A m N = M
-Số nguyên tử asen pha vào là: NAs Si 9
-Số e dẫn được tạo ra do sự pha tạp này là: Ne N As
5 = 1,2046.10 13 (hạt) Vậy: Số electron dẫn được tạo ra do sự pha tạp này là Ne= 1,2046 (hạt)
Ở nhiệt độ phòng, trong bán dẫn silicon tinh khiết, số cặp electron - lỗ trống là 10^-13 so với số nguyên tử silic Khi pha thêm phốt pho vào silicon với tỉ lệ 1/10^6, số hạt tải điện sẽ tăng lên đáng kể.
Bài giải: Gọi N là số nguyên tử silic.
-Ban đầu số hạt tải điện là: N1 = 2.10 -13 N (1)
-Khi pha P vào Si với tỉ lệ 1/10 6 thì số hạt tải điện tăng lên là do số electron tạo ra tăng lên Số hạt tải điện lúc này là: N2 = N1 + 10 -6 N = 2.10 -13 N + 10 -6 N (2)
-Tỉ số giữa số hạt tải điện cũ và mới là: k 2 1
Vậy: Số hạt tải điện tăng lên hơn 5 triệu lần.
