Skkn phân loại và phương pháp giải các bài tập nâng cao về đi ốt bán dẫn ôn thi học sinh giỏi

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT QUẢNG XƯƠNG 1 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN ĐỀ TÀI PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP NÂNG CAO VỀ ĐI ỐT BÁN DẪN ÔN THI HỌC SINH GIỎI Người thực hiện Lê[.]

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT QUẢNG XƯƠNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN ĐỀ TÀI PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP NÂNG CAO VỀ ĐI ỐT BÁN DẪN ÔN THI HỌC SINH GIỎI Người thực hiện: Lê Văn Cường Chức vụ: Giáo viên Đơn vị công tác: Trường THPT Quảng Xương SKKN thuộc lĩnh vực (mơn): Vật lí THANH HĨA NĂM 2022 skkn MỤC LỤC Mở đầu………………………….………………………………… ……… 1.1 Lí chọn đề tài………………………….……………………………… 1.2 Mục đích nghiên cứu………………………………….….……………… 1.3 Đối tượng nghiên cứu…………………………………………….….… 1.4 Phương pháp nghiên cứu………………………………………… … ….4 1.5 Những điểm sáng kiến kinh nghiệm…………………… … …4 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm………………………………….…….……4 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm………………… ….……………4 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm……… ……5 2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm giải pháp sử dụng để giải vấn đề 2.3.1 Cơ sở lí thuyết………………………………………… ………….….5 2.3.2 Các ví dụ điển hình………………………………………………… 2.3.2.3.1 Các ví dụ có lời giải……………………………………………9 2.3.2.3.2 Các tập tự giải 23 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp nhà trương…………………… ………….………… … ……24 Kết luận, kiến nghị……………………………… ……………………… 26 3.1 Kết luận ………………………………………………………………… 26 3.2 Kiến nghị …………………………….……………………………….… 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………… …………… …………………………28 skkn MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài Như biết, năm thi THPT Quốc Gia gần năm xuất tốn khó lạ làm học sinh lúng túng việc đưa phương pháp giải, yêu cầu phải giải tốn phải thật nhanh khơng làm ảnh hưởng đến câu khác đặc biệt học sinh học mức độ trung bình trở lên gặp tốn khó phải giải làm Như năm vừa qua 2020 – 2021 đề Tốt nghiệp xuất toán lạ khó, năm giáo viên khơng trọng tới tốn khó lớp 11 Vì địi hỏi người dạy cần phải tìm phương pháp giải vấn đề nhanh để đáp ứng vấn đề thời gian, đồng thời tạo cho học sinh cảm giác tự tin gặp tốn dạng Trên tảng kiến thức cũ, tơi tổng hợp lại dạng tập liên quan tới chất bán dẫn Đi-ốt phát triển thêm tập nâng cao ôn thi học sinh giỏi Qua thời gian nghiên cứu chất vấn đề thấy, tuân theo kiểu giải truyền thống kiểu học trước địi hỏi học sinh phải nhớ lượng công thức nhiều làm Vì tơi tổng hợp đưa dạng tập từ đến nâng cao “ Phân loại phương pháp giải tập nâng cao Đi ốt bán dẫn ôn thi học sinh giỏi ” Tôi xây dựng phương pháp tổng quát, trang bị số kiến thức toán cần dùng toán này, cở sở tổng quát học sinh vận dụng cách linh hoạt toán cụ thể, từ học sinh vận dụng làm tốn cách dễ dàng cho dù đề có phức tạp nữa, yêu cầu đơn giản với học sinh nắm kiến thức toán Qua vài năm áp dụng phương pháp này, áp dụng cho tất đối tượng học sinh học giỏi, trung bình, tơi thấy tất học sinh tơi dạy phương pháp học sinh giải toán cách nhẹ nhàng tự tin học vật lý hơn, đặc biệt toán Đi ốt bán dẫn skkn 1.2 Mục đích nghiên cứu - Làm quen với cơng tác nghiên cứu khoa học - Tìm cho phương pháp để tạo khơng khí hứng thú lôi nhiều học sinh tham gia giải tập lý, đồng thời giúp em đạt kết cao kỳ thi quan trọng 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Lý thuyết Bán dẫn - Vận dụng để giải số toán nâng cao Đi ốt bán dẫn 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Giải tập vận dụng 1.5 Những điểm sáng kiến kinh nghiệm - Giải tốn khó nhanh xác - Cách giải phù hợp với cách kiểm tra đánh giá Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm Trong việc giải tập Đi ốt bán dẫn đa số học sinh ngại làm toán phần vì: cần phải phải nhớ khối lượng cơng thức nhiều khó nhớ, ngồi việc sử dụng tốn vấn đề khơng dễ dàng học sinh Vì phương pháp tơi nghiên cứu cho học sinh thấy rõ chất vật lí, trực quan tổng quát dạng tốn thường gặp, dễ nhìn hình để giải nhanh tốn phức tạp Phương pháp tơi nghiên cứu áp dụng cho học sinh học học trung bình, cần hướng dẫn học sinh phương pháp tổng qt dạng tốn, sau áp dụng skkn Việc khai thác có hiệu phương pháp, góp phần nâng cao chất lượng nắm kiến thức cho học sinh khả vận dụng phương pháp để đạt kết tốt kỳ thi tốt nghiệp THPT tới 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm - Trước thực trạng học sinh Quảng Xương nói chung học sinh tơi dạy trực tiếp nói riêng năm trước, gặp tốn Đi ốt bán dẫn học sinh thường ngại làm kêu khó nên học sinh khơng làm chọn đại đáp án - Một thực trạng nữa: Với tốn kiểu thầy trang bị cho học sinh lượng kiến thức mức độ bản, đòi hỏi học sinh phải nhớ máy móc cơng thức chứng minh sẵn, toán lái sang vấn đề chút, khơng có sẵn cơng thức học sinh không làm 2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm giải pháp sử dụng để giải vấn đề - Trước tiên trang bị cho học sinh kiến thức như: tính chất bán dẫn - Trang bị cho học sinh kiến thức chất bán dẫn - Hình thành cho học sinh phương pháp giải tổng quát 2.3.1 Cơ sở lý thuyết Sự dẫn điện bán dẫn - Bán dẫn tinh khiết: Dòng điện chất bán dẫn tinh khiết dịng chuyển dời có hướng electron ngược chiều điện trường lỗ trống chiều điện trường -Bán dẫn tạp chất +Bán dẫn loại n: Trong bán dẫn loại n, elecron hạt tải điện chủ yếu cịn lỗ trống hạt tải điện khơng chủ yếu (ne >>n+) +Bán dẫn loại p: Trong bán dẫn loại n, lỗ trống hạt tải điện chủ yếu cịn elecron hạt tải điện khơng chủ yếu (n+ >>ne) 2/ Linh kiện bán dẫn skkn -Đi-ốt bán dẫn có hai cực có lớp chuyển tiếp p – n Các loại đi-ốt thường gặp đi-ốt chỉnh lưu, phô-tô-đi-ốt, pin Mặt trời, đi-ốt phát quang, đi-ốt Zenơ, pin nhiệt điện bán dẫn -Tranzito dụng cụ bán dẫn có hai lớp chuyển tiếp (n1-p) (p-n2) +Cấu tạo: Tranzito có ba cực: *Cực góp (colectơ) : Kí hiệu C *Cực đáy hay cực gốc (bazơ) : Kí hiệu B *Cực phát (êmitơ) : Kí hiệu E +Mơ hình kí hiệu tranzito sơ đồ điện sau: n1 p p1 n2 E n p2 C E B C C B C B B E Cấu tạo tranzito +Hệ số khuếch đại dịng điện: E Kí hiệu tranzito (IC IE) (12.2) +Ứng dụng tranzito *Dùng mạch khuếch đại *Dùng máy phát cao tần (tần số lớn) 3/ Dòng điện chất bán dẫn: -Điện trở suất chất bán dẫn có giá trị nằm trung gian điện trở suất kim loại điện môi Đây dấu hiệu dùng để nhận biết chất bán dẫn Ngoài ra, chất bán dẫn cịn có tính chất đặc thù khác như: điện trở suất chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nồng độ tạp chất điện trở suất bán dẫn tinh khiết giảm nhanh t tăng -Đối với bán dẫn tinh khiết, hạt tải điện electron lỗ trống Đối với bán dẫn tạp chất, có hai loại: + bán dẫn loại n: loại bán dẫn có pha tạp nguyên tử có số electron hóa skkn trị lớn số electron hóa trị nguyên tử chất bán dẫn Lúc electron thừa tham gia dẫn điện, tạp chất trường hợp gọi tạp chất cho (đôno) hạt tải điện chủ yếu electron +bán dẫn loại p: loại bán dẫn có pha tạp nguyên tử có số electron hóa trị nhỏ số electron hóa trị nguyên tử chất bán dẫn Nguyên tử tạp chất chiếm electron liên kết nguyên tử bên cạnh để tạo lỗ trống tự do, tạp chất trường hợp gọi tạp chất nhận (axepto) hạt tải điện chủ yếu lỗ trống -Tranzito thực chất cấu tạo từ hai lớp chuyển tiếp liên tiếp n-p p-n Lớp p mỏng nằm kẹp hai lớp n hai bên Nhờ đó, hai lớp n sát nên tạo hiệu ứng tranzito (hiệu ứng khuếch đại) Đó thực cách mạng công nghệ điện tử thông tin VỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Với dạng tập dòng điện bán dẫn Phương pháp giải sử dụng công thức +Hệ thức cường độ dòng điện mật độ dòng điện, tốc độ trung bình chuyển động có hướng hạt mang điện, điện trở suất … giống kim loại +Với bán dẫn tinh khiết (bán dẫn loại i) : Mật độ electron dẫn mật độ lỗ trống (ne = n+) Độ dẫn điện tăng nhiệt độ tăng +Với bán dẫn tạp chất: Bán dẫn loại n: ne >> n+ ; Bán dẫn loại p: n+ >> ne +Với toán mạch khuếch đại tranzito, sử dụng công thức: Hệ số khuếch đại:  ; IB v = -Vì hạt tải điện chuyển động dọc theo chiều dài mẫu (c = 1,0cm) nên: S = 0,2.0,5 = 0,1cm2 = 10-5m2 => v = = 0,31(m/s) Vậy: Tốc độ trung bình chuyển động có hướng hạt tải điện v = 0,31(m/s) Câu Một mẫu bán dẫn silic có khối lượng 2,8g Pha thêm vào nguyên tử asen theo tỉ lệ 1: 109 Biết nguyên tử pha thêm tạo electron dẫn Xác định số electron dẫn tạo pha tạp Cho Si = 28 Bài giải: Số nguyên tử Si 2,8g: NSi = = 6,023.1022 (hạt) = 6,023.1013 (hạt) -Số nguyên tử asen pha vào là: NAs = skkn = 1,2046.1013 (hạt) -Số e dẫn tạo pha tạp là: Ne = Vậy: Số electron dẫn tạo pha tạp Ne = 1,2046 (hạt) Câu Ở nhiệt độ phòng, bán dẫn Si tinh khiết, số cặp e - lỗ trống 10 -13 số nguyên tử silic Nếu ta pha P vào Si với tỉ lệ 1/106 số hạt tải điện tăng lên lần? Bài giải: Gọi N số nguyên tử silic -Ban đầu số hạt tải điện là: N1 = 2.10-13N (1) -Khi pha P vào Si với tỉ lệ 1/106 số hạt tải điện tăng lên số electron tạo tăng lên Số hạt tải điện lúc là: N2 = N1 + 10-6N = 2.10-13N + 10-6N (2) -Tỉ số số hạt tải điện cũ là: k =  k= Vậy: Số hạt tải điện tăng lên triệu lần Câu Một tranzito n – p – mắc với nguồn điện theo sơ đồ hình vẽ Hiệu điện RB hai cực bazơ (B) emitơ (E) u BE = C RC 0,5V; hệ số khuếch đại dòng điện β = 100; R B = 40kΩ; RC = 1kΩ; e1 = 4,5V; e2 = 12V B E e2 a) Tính cường độ dịng bazơ IB e1 b) Tính cường độ dịng colectơ IC c) Tính hiệu điện hai cực colectơ (C) emitơ (E) Bài giải: a) Cường độ điện bazơ IB Ta có: IB = = 10-4A = 10μA Vậy: Cường độ điện bazơ IB IB = 10μA skkn b) Cường độ dịng colectơ IC Ta có: IC = βIB = 100.10 = 1000μA = 10mA Vậy: Cường độ dòng colectơ IC IC = 10mA c) Hiệu điện hai cực colectơ (C) emitơ (E) Xét đoạn mạch C – RC – e2 – E, ta có: UCE = e2 – ICRC UCE = 12 – 10-2.103 = 2V Vậy: Hiệu điện hai cực colectơ (C) emitơ (E) uCE = 2V Câu Một tranzito p – n – p mắc với nguồn điện e 1, e2 điện trở RC để tạo thành mạch khuếch đại: e2 = 15V; uEC = 8V; β = 40; IC = 1mA a) Vẽ sơ đồ mạch khuếch đại b) Tính cường độ dịng emitơ IE c) Tính RC cường độ dịng bazơ IB Bài giải: a) Sơ đồ mạch khuếch đại C b) Cường độ dịng emitơ IE Vì IB IE R IC = 1mA C Vậy: Cường độ dòng emitơ IE IE B 1mA E e2 e1 c) Tính RC cường độ dịng bazơ IB -Xét đoạn mạch E – e2 – RC – C ta có: UEC = e2 – ICRC  RC = = 7.103Ω = 7kΩ -Cường độ dịng bazơ: Ta có: IC = βIB => IB = Vậy: Điện trở RC = 7kΩ cường độ dòng bazơ IB = 25μA Câu Cho mạch điện hình a, điện trở có giá trị R = 1kΩ; R2 = 2kΩ; R3 = 3kΩ; R4 = 4kΩ Đ đèn quang điện có a-nốt nối với điểm C, ca-tốt nối với điểm 10 skkn -Sơ đồ đầy đủ hình d -Với hai chiều dịng điện, đồ thị U2 = f(U1) có dạng có trị số khác U Hìn he U -Để có U2 lớn phải nối bán dẫn theo chiều nghịch U V Hình d d) Giải thích định tính giá trị V i1 + i2 = i Từ (1’) , (2’) (3’) : i1 = ; i2 = i R i e (3’) ;i= 16 skkn Vì i2 > với giá trị R nên đi-ôt ln mở cịn đi-ơt mở đóng a) Trường hợp R < 4Ω: i1 > 0, đi-ôt mở Lúc đó: PR = Ri2 = R = 0,18W Vậy: Công suất tỏa nhiệt R đạt cực đại b) Trường hợp R PR(max) = 0,18W 4Ω: i1 < 0, đi-ơt đóng Lúc đó: PR = Ri2 = R = Vậy: Công suất tỏa nhiệt R đạt cực đại = 0,16W PR(max) = 0,16W Câu 10 Một đi-ơt bán dẫn có lớp chuyển tiếp p – n lí tưởng cường độ dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp liên hệ với hiệu điện đặt hai cực đi-ôt theo hệ thức: I = I0( ) , với I0 phụ thuộc vào chất bán dẫn không phụ thuộc vào U hay I; U > lớp chuyển tiếp phân cực thuận ngược lại a) Vẽ phác đồ thị hàm số với I0 = 1mA; -0,5V < U < 0,15V b) Tính hệ số chỉnh lưu đi-ôt hiệu điện 0,1V 0,5V Cho số Bôn-zơ-man k = 1,38.10-23(J/K) ; hệ số chỉnh lưu hiệu điện tỉ số dòng điện thuận dòng điện ngược hiệu điện đó; nhiệt độ phịng kT = 0,025eV Bài giải: I a) Đồ thị I theo U: Hình vẽ , , b) Hệ số chỉnh lưu đi-ôt U , 17 skkn Ta có:Ing = I0; Ith = (khi U đủ lớn) => Với U = 0,1V η1 = η= ; với U = 0,5V η2 = Vậy: Hệ số chỉnh lưu đi-ôt ứng với hiệu điện 0,1V η1 = 55; ứng với η2 = 4,9.108 Vậy: Cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân diện tích điện cực I = 0,137A S = 6,85cm2 Câu 11 Trong sơ đồ mạch điện hình vẽ, pin có suất điện động e điện trở r Điện trở biến trở có A giá trị R, dây nối có điện trở khơng đáng kể Q đi-ốt lý Q VC điện trở đi-ốt 0) R trở đi-ốt vô lớn Nếu VB D tưởng (nếu điện điểm B lớn điện điểm C điện B đi-ốt cho dịng từ C đến B Tính hiệu điện hai đầu điện trở R giảm từ lớn xuống nhỏ Có giá trị đặc biệt R, xác định giá trị Bài giải: a) Hiệu điện hai đầu điện trở R giảm từ lớn xuống nhỏ -Khi VB VC (điện trở đi-ốt 0) Ta có: +Cường độ dịng điện qua R: A ; R = RAD => R C Q D Với: B +Hiệu điện hai đầu R: UBA = RI = R Từ đó: Khi R giảm UR = UBA giảm -Khi VB > VC (điện trở đi-ốt lớn vơ cùng) Ta có: ; UBA = 18 skkn Từ đó: Khi R giảm UR = UBA giảm Vậy: Hiệu điện hai đầu điện trở R giảm từ lớn xuống nhỏ U R = (VB VC) , UR = (VB > VC) giảm R giảm b) Giá trị đặc biệt R -Giá trị đặc biệt R0 R mà R0 = R0 = UR = = UR có giá trị Tức là: => R0 = 2r UR = e -Xét trường hợp: R > 2r UR > e; UBC > => U đặt vào đi-ốt hiệu điện ngược +R < 2r UR < e; UBC < 0: Hiệu điện đặt vào đi-ốt hiệu điện thuận Câu 12 Cho mạch điện hình vẽ: R = 1kΩ; R2 = 2kΩ; R3 = 3kΩ; R4 = 4kΩ Q đèn điện tử có a-nốt nối với C, ca-tốt nối với D Nếu V A > VK đèn mở cho dòng I0 = 10mA qua Ngược lại, V A < VK đèn đóng khơng có dịng qua Hiệu điện hai điểm A, B 100V (VA > VB) a) Đèn đóng hay mở? D b) Tính hiệu điện hai cực đèn Giữ nguyên điện trở UAB thay Q đi-ốt cho dòng điện qua theo chiều từ C đến D R4 A R2 B Q R1 Đi-ốt có đường đặc trưng vơn-ampe hình bên R3 V( Vô n) C 0 a) Nêu đặc điểm đi-ốt mặt dẫn điện Bài giải: I(m A) b) Nếu đi-ốt mở, tính dịng qua đi-ốt Q đèn điện tử hai cực 19 skkn a) Đèn đóng hay mở? Khi chưa có Q, mạch gồm (R1 nt R3) // (R2 nt R4) nên: -Cường độ dòng điện qua nhánh mạch là: => I13 = -Hiệu điện hai đầu AC AD là:UAC = I13R1 = => ; UAD = I24R4 = 4I24 => VC > VD => Vậy: Nếu mắc Q vào hai điểm C D Q mở b) Hiệu điện hai cực đèn -Khi Q mở, dịng qua Q có chiều từ C đến D có cường độ I0 = 10mA Ta có:I1R1 + I3R3 = 100 (1)  1000I1 + 3000I3 = 100; I3 = I1 – I0  10I1 + 30(I1 – I0) = => I1 = 32,5mA=> Và I4R4 + I2R2 = 100  40I4 + 20(I4 + I0) = => I4 = UAC = I1R1 = 0,0325.1000 = 32,5V (2) 4000I4 + 2000I2 = 100; I2 = I4 + I0 => UAD = I4R4 = U hai cực đèn: UCD = UQ = UAD – UAC.=> UCD = Vậy: Hiệu điện hai cực đèn UQ = 20,83V 2/ Q đi-ốt bán dẫn: a) Đặc điểm đi-ốt mặt dẫn điện -Từ đường đặc trưng vôn-ampe đi-ốt ta thấy: +Đi-ốt cho dịng điện qua theo chiều từ C đến D U AK > 20V Khi UAK = 30V dịng qua 10mA +Đường đặc trưng đi-ốt đường thẳng nên có dạng: I = aU + b Do đó: -Phương trình đường đặc trưng vôn-ampe đi-ốt: I = U -20; I(mA) , V(Vôn) 20 skkn ... thức nhiều làm Vì tơi tổng hợp đưa dạng tập từ đến nâng cao “ Phân loại phương pháp giải tập nâng cao Đi ốt bán dẫn ôn thi học sinh giỏi ” Tôi xây dựng phương pháp tổng quát, trang bị số kiến thức... kiện bán dẫn skkn -Đi -ốt bán dẫn có hai cực có lớp chuyển tiếp p – n Các loại đi- ốt thường gặp đi- ốt chỉnh lưu, phô-tô -đi- ốt, pin Mặt trời, đi- ốt phát quang, đi- ốt Zenơ, pin nhiệt đi? ??n bán dẫn. .. > VD: Đi -ốt mở, dòng đi? ??n qua đi- ốt đi- ốt có đi? ??n trở: R = + Khi VC < VD: Đi -ốt đóng, dịng đi? ??n khơng qua đi- ốt đi- ốt có đi? ??n trở R = -Cường độ dòng đi? ??n qua đi- ốt đi- ốt mở +Khi đi- ốt mở, ta