dòng điện trong các môi trường và ứng dụng

LỜI MỞ ĐẦU Đa số các ứng dụng của điện liên quan đến dòng điện, nghĩa là liên quan đến dòng chuyển dời của các điện tích, chúng ta có thể quan sát dòng điện ở mọi môi trường như dòng đi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÍ

TIỂU LUẬN MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI:

DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI

TRƯỜNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Thầy LÊ VĂN HOÀNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN THỊ YẾN NHI NGUYỄN THỊ SANG

NGUYỄN THỊ KIỀU THU

NGUYỄN THANH NGỌC THỦY ĐẶNG NGỌC THANH VÂN NGUYỄN THỊ YẾN

MUC LUC

MUC LUC - 1 -

LỜI MỞ ĐẦU - 4 -

1 Chương 1:Dòng Điện Trong Kim Loại - 5 -

1.1 Cấu trúc của kim loại - 5 -

1.2 Nội dung thuyết electron về kim loại - 6 -

1.3 Giải thích tính chất điện của kim loại - 8 -

1.3.1 Giải thích tính dẫn điện tốt của kim loại - 8 -

1.3.2 Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở - 10 -

1.3.3 Giải thích tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở - 10 -

1.4 Các hiện tượng nhiệt điện - 10 -

1.4.1 Hiện tượng Seebeck - 11 -

1.4.2 Hiện tượng Peltier - 13 -

1.4.3 Hiện tượng Thomson - 15 -

1.5 Siêu dẫn - 17 -

2 Chương 2:DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN - 21 -

2.1 TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA BÁN DẪN - 21 -

2.2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA BÁN DẪN - 22 -

2.2.1 LÍ THUYẾT LƯỢNG TỬ - 22 -

2.2.2 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ, CẤU TẠO VÀ TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA CHẤT BÁN DẪN - 23 -

2.3 BÁN DẪN PHA TẠP CHẤT - 25 -

2.3.1 Bán dẫn loại n - 25 -

2.3.2 Bán dẫn loại p - 26 -

2.4 BÁN DẪN SUY BIẾN - 27 -

2.5 CÁC HIỆN TƯỢNG Ở LỚP CHUYỂN TIẾP p-n - 27 -

2.6 Các ứng dụng của chất bán dẫn: - 31 -

2.6.1 Nhiệt điện trở: - 31 -

2.6.2 Quang điện trở - 32 -

2.6.3 Pin nhiệt điện bán dẫn - 32 -

2.6.4 Diod chỉnh lưu (thông dụng nhất) - 33 -

2.6.5 Diod tách sóng - 34 -

2.6.6 Diod phát quang (Led) - 34 -

2.6.7 Diod biến dung - 35 -

2.6.8 Diod ổn định (diod Zener) - 36 -

2.6.9 Diod tunnel ( diod đuờng ngầm) - 38 -

2.7 Transitor có lớp chuyển tiếp, transitor trường - 40 -

2.7.1 Transitor có lớp chuyển tiếp - 40 -

2.7.2 Transitor hiệu ứng trường(FET) - 43 -

2.7.3 Transitor hiệu ứng trường có lớp chuyển tiếp - 44 -

2.7.4 Transitor hiệu ứng trường cửa cách li - 45 -

3 Chương 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ - 47 -

3.1 BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ - 47 -

3.1.1 Thí nghiệm - 47 -

3.1.2 Quãng đường tự do trung bình của electron trong chất khí - 49 -

3.1.3 Sự ion hóa chất khí, năng lượng ion hóa và điện thế ion hóa - 49 -

3.2 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ Ở ÁP SUẤT BÌNH THƯỜNG - 50 -

3.2.1 Sự phóng điện không tự lực của chất khí .- 50 -

3.3 CÁC DẠNG PHÓNG ĐIỆN Ở ÁP SUẤT THƯỜNG - 53 -

3.3.1 Sự phóng điện hình tia : - 53 -

3.3.2 Sét - 54 -

3.3.3 Hồ quang điện - 54 -

3.3.4 ỨNG DỤNG - 55 -

3.4 SỰ PHÓNG ĐIỆN Ở ÁP SUẤT THẤP - 57 -

3.4.1 Sự phóng điện thành miền - 57 -

3.4.2 Tia catod và tia Rontgen, tia dương - 57 -

4 Chương 4 : Dòng điện trong chân không - 61 -

4.1 Các loại phát xạ electron - 61 -

4.1.1 Phát xạ nhiệt electron - 61 -

4.1.2 Phát xạ quang electron - 61 -

4.1.3 Phát xạ electron thứ cấp - 62 -

4.1.4 Tự phát xạ electron - 63 -

4.2 Dòng điện trong chân không - 65 -

4.2.1 Thí nghiệm dòng điện trong chân không - 65 -

4.2.2 Bản chất dòng điện trong chân không - 66 -

4.2.3 Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế - 66 - 4.3 Ứng dụng của dòng điện trong chân không - 67 -

4.3.1 Các tính chất của tia catod - 67 -

4.3.2 Các ứng dụng của dòng điện trong chân không - 68 -

5 Chương 5: Dòng điện trong chất điện phân - 74 -

5.1 Sự tạo thành các ion trong dung dịch lỏng v ắn - 74 -

5.1.1 Hiện tượng điện phân - 74 -

5.1.2 Sự tạo thành các ion trong dung dịch - 75 -

5.2 Dòng điện trong chất điện phân –Định luật Faraday - 76 -

5.2.1 Phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân - 77 -

5.2.2 Dương cực tan - 78 -

5.2.3 Định luật Farađây - 79 -

5.3 Các ứng dụng của hiện tượng điện phân: - 82 -

5.3.1 Công nghệ điện phân điều chế xút- clo- hiđro - 82 -

5.3.2 Luyện kim - 82 -

5.3.3 Mạ điện - 83 -

5.3.4 Đúc điện - 83 -

5.4 HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HÓA – CÁC NGUỒN PIN - 84 -

5.4.1 Hiện tượng điện hóa - 84 -

5.4.2 Các nguồn pin - 84 -

5.5 Hiện tượng phân cực trong điện phân - 89 -

5.5.1 Sự phân cực khi điện phân - 89 -

5.5.2 Acquy - 90 -

KẾT LUẬN - 96 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 98 -

LỜI MỞ ĐẦU

Đa số các ứng dụng của điện liên quan đến dòng điện, nghĩa là liên quan đến dòng chuyển dời của các điện tích, chúng ta có thể quan sát dòng điện ở mọi môi trường như dòng điện rất lớn phóng qua môi trường khí tạo nên sét, dòng điện chạy trong dây dẫn kim loại trong gia đình cung cấp năng lượng điện cho các công cụ điện như đèn chiếu sáng, bàn là, tủ lạnh… Chúng ta có thể quan sát hình ảnh trên màn hình

ti vi nhờ có chùm êlectron chuyển động trong vùng chân không bên trong ống hình tác dụng lên màn huỳnh quang Các linh kiện bán dẫn đã có mặt trong các đồ điện quen thuộc của các gia đình như máy tính, điện thoại di động, bộ điều khiển từ xa…

Các ứng dụng dựa trên cơ sở lý thuyết dòng điện trong các môi trường đã

và đang ngày càng phát triển cao Để tìm hiểu sâu hơn về vấn đề nhóm chúng tôi đã nỗ lực thực hiện bài tiểu luận: “Dòng điện trong các môi trường và ứng dụng” Trong bài này nhóm chúng tôi trình bày những cơ sở lý thuyết và ứng dụng của dòng điện trong các môi trường từ truớc đến nay Do kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều sai sót, vì vậy nhóm chúng tôi rất mong sự thông cảm và góp ý từ phía bạn đọc

Chân thành cảm ơn Nhóm thực hiện

1 Chương 1:Dòng Điện Trong Kim Loại

1.1 Cấu trúc của kim loại

Một nguyên tử riêng lẻ bao gồm hạt nhân mang điện tích dương ở trung tâm và các electron chuyển động xung quanh Giữa chúng có lực tương tác tĩnh điện để liên kết hạt nhân với các electron tạo thành nguyên tử bền vững Sự liên kết này được hình dung như hàng rào thế năng giam giữ các electron trong nguyên tử Khi các nguyên tử đơn lẻ tiến lại gần nhau liên kết thành mạng

tinh thể, khoảng cách giữa các nguyên tử co

ngắn lại làm hàng rào thế hạ xuống, lực

tương tác của electron hoá trị lớp ngoài

cùng với hạt nhân là rất yếu và các electron

này được xem là electron tự do Như vậy,

tinh thể kim loại bao gồm các ion dương

sắp xếp trật tự tuần hoàn, chiếm vị trí các

nút mạng tinh thể Các electron hóa trị tách

Hình 1.1: thế năng tương tác giữa các nguyên tử trong kim loại khỏi nguyên tử, di chuyển tự do trong toàn bộ mạng tinh thể trở thành electron

tự do Các electron này liên kết không chỉ với một ion dương mà nó liên kết với tất cả các ion dương khác trong mạng tinh thể Các electron hoá trị đã trở thành các electron

tự do và được dùng chung cho cả mạng tinh thể

Số nguyên tử trong tinh thể rất lớn, mỗi nguyên tử có thể đóng góp một vài electron hoá trị, các electron này có mật độ rất lớn nên bao phủ toàn bộ thể tích của tinh thể kim loại( mật độ electron tự do tương ứng với mật độ nguyên tử, vào khoảng

ớ nút mạng mang điện tích dương chính là lực liên kết tạo nên tinh thể kim loại bền vững

Hình 1.2: sự tập thể hóa các electron tự dolớp 3s của các nguyên tử Natri

Tinh thể kim loại có đặc điểm là mật độ electron tự do rất lớn, các electron này rất linh động, dễ dàng chuyển động tự do trong toàn bộ mạng tinh thể nên các vật dẫn kim loại có các tính chất đặc biệt như dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có độ bền uốn, độ bền kéo cao

1.2 Nội dung thuyết electron về kim loại

Các chất được cấu tạo từ các phân tử, các phân tử do các nguyên tử tạo thành Mỗi nguyên tử đều có hạt nhân mang điện tích dương, tập trung hầu hết khối lượng của

nguyên tử Các electron mang điện tích âm (-e) chuyển động xung quanh hạt nhân, e là

Hạt nhân nguyên tử ở vị trí trung tâm của nguyên tử, nó có kích thước rất nhỏ

Hình 1.3:mô hình nguyên tử Natri

Na

Trong nguyên tử trung hòa về điện thì số electron bằng số proton Do khối lượng của electron rất bé so với khối lượng của proton nên electron dễ di chuyển hơn proton rất nhiều Nếu vì một nguyên nhân nào đó, nguyên tử mất đi một số electron thì tổng đại số các điện tích trong nguyên tử là một số dương Ngược lại nguyên tử nhận thêm một số electron, số electron trong nguyên tử lớn hơn số proton Nguyên tử trở thành ion âm

Trong kim loại có các electron tự do Mật độ electron tự do xấp xỉ bằng mật độ của nguyên tử trong kim loại nên rất lớn Tập hợp các electron tự do trong kim loại được coi như khí electron, có tính chất giống như khí lý tưởng Khí electron tuân theo các định luật của khí lí tưởng

1.3 Giải thích tính chất điện của kim loại

1.3.1 Giải thích tính dẫn điện tốt của kim loại

1.3.1.1 Bằng thuyết electron

Kim loại dẫn điện tốt vì mật độ electron tự do trong kim loại rất lớn Tính dẫn điện của kim loại được giải thích như sau:

nhiệt hỗn độn tán xạ trên các chỗ mất trật tự của mạng tinh thể nên không có hướng ưu tiên Xét số electron chuyển động theo một chiều nào đó, về trung bình luôn bằng số electron chuyển động theo chiều ngược lại Điện lượng tổng cộng bởi các electron đi qua một mặt bất kì theo một chiều nào đó là bằng không Vậy chuyển động hỗn loạn của các electron tự do không tạo ra dòng điện trong vật dẫn kim loại

Hình 1.4: chuyển động nhiệt và chuyển động cuốn của electron trong nguyên tử kim

loại Khi đặt một hiệu điện thế bên ngoài vào hai đầu của vật dẫn kim loại, do chịu tác dụng của lực điện trường, các electron tự do nhận thêm một thành phần vận tốc chuyển động có hướng ngược chiều điện trường ngoài

Trong đó F là lực do điện trường ngoài tác dụng lên một electron

Khi đó số electron chuyển động ngược với chiều điện trường ngoài sẽ lớn hơn

số electron chuyển động cùng chiều với điện trường ngoài, nghĩa là xuất hiện chuyển dời có hướng của các hạt điện tích dẫn đến trong kim loại có dòng điện

Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do ngược chiều điện trường ngoài tác dụng lên kim loại

1.3.1.2 Bằng lí thuyết lượng tử

Giải thích tính dẫn điện của kim loại bằng lí thuyết dải năng lượng

Kim loại có số electron tự do lớn nên dẫn điện tốt Ở độ không tuyệt đối, các electron hoá trị chỉ chiếm một phần các trạng thái của dải năng lượng mà nó chiếm chỗ, trong dải còn nhiều trạng thái năng lượng còn trống

Theo quan điểm lượng tử, sóng electron không va chạm khi chuyển động trong mạng tinh thể lí tưởng hoàn toàn trật tự, nên electron dẫn có quãng đường chuyển động

tự do rất lớn Thực tế, quãng đường chuyển động tự do của electron bị hạn chế do trong tinh thể thực luôn tồn tại các khuyết tật do sai hỏng mạng tinh thể và tạp chất

Trong chuyển động có hướng,

các electron tự do luôn tán xạ với các

chỗ nhỏ mất trật tự của mạng tinh thể

làm các electron bị tổn hao năng lượng

chuyển động có hướng Nguyên nhân

làm cho mạng tinh thể có những chỗ

mất trật tự có thể do chuyển động nhiệt

của các ion dương ở nút mạng dao động

Hình 1.5: Cấu trúc dải năng luợng của

êlectron trong tinh thể quanh vị trí cân bằng làm tăng biên độ tán xạ Các nguyên tử tạp chất có trong mạng tinh thể gây ra các khuyết tật của mạng tinh thể hoặc do các tác nhân cơ học gây nên các sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch khối của mạng tinh thể Các nguyên nhân đó làm cản trở dòng chuyển động của các electron, cản trở dòng điện trong kim loại hay kim loại có điện trở Các kim loại khác nhau có cấu tạo mạng tinh thể khác nhau, do đó tác dụng cản trở chuyển động của các electron tự do khác nhau Đó là nguyên nhân gây ra điện trở suất của các kim loại khác nhau là khác nhau Trong các sai hỏng mạng nói trên, sai hỏng do tạp chất, do cơ học ít phụ thuộc nhiệt độ Nhưng

sai hỏng do dao động của các ion phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Nhiệt độ tăng lên, dao động nhiệt của các ion nút mạng tăng, dẫn đến sự tán xạ của electron tăng, mà số electron tự do không đổi Vì vậy điện trở suất của kim loại tăng tuyến tính theo nhiệt

độ

1.3.2 Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở

Trong chuyển động có hướng, các electron tự do luôn tương tác với các ion nằm

ở nút mạng dao động quanh vị trí cân bằng và những chỗ mất trật tự của mạng tinh thể Giữa hai va chạm kế tiếp, các electron chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của điện trường ngoài và nó có một năng lượng xác định do điện trường cung cấp Sau va chạm, các electron bị tổn hao năng lượng chuyển động có hướng, nói cách khác kim loại cản trở dòng điện hay kim loại có điện trở

Nguyên nhân gây ra điện trở là sự va chạm của các electron tự do vào các ion dương của mạng tinh thể

1.3.3 Giải thích tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở

Khi electron va chạm với nút mạng, nó truyền năng lượng nhận được từ điện trường ngoài cho nút mạng làm cho các nút mạng dao động mạnh hơn, nghĩa là kim loại nhận được năng lượng dưới dạng nhiệt Vì vậy, khi có dòng điện chạy qua kim loại nóng lên

Khi ta tăng nhiệt độ cho kim loại, các ion kim loại ở nút mạng dao động mạnh hơn làm tăng tiết diện tán xạ, nên electron tự do dễ va chạm với nút mạng hơn, dẫn đến điện trở suất của kim loại tăng tuyến tính với nhiệt độ của kim loại

1.4 Các hiện tượng nhiệt điện

Sự xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc tại các mối hàn dẫn đến một số hiện tượng sau

1.4.1 Hiện tượng Seebeck

Năm 1821, nhà vật lí Thomas Johann Seebeck (1770-1831) đã phát hiện ra hiện tượng nhiệt điện ( hiện tượng Seebeck)

Ở cùng một nhiệt độ, một mạch kín gồm hai kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, trong mạch không có dòng điện Nếu nhiệt độ ở hai mối hàn khác nhau sẽ có dòng điện chạy trong mạch Độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn càng lớn thì dòng điện càng lớn Dòng điện này được gọi là dòng nhiệt điện, suất điện động tạo nên dòng nhiệt điện gọi là suất điện động nhiệt điện Mạch kín nói trên được gọi là cặp nhiệt điện

-Hình 1.6: hiện tượng Seebeck Nguyên nhân của hiện tượng Seebeck được trình bày như sau Giả sử ở mạch kín gồm hai kim loại khác nhau A và B, hai mối hàn có nhiệt độ bằng nhau thì tổng các

hai kim loại không phụ thuộc nhiệt độ thì tổng hiệu điện thế tiếp xúc ở hai mối hàn sẽ khác không Sự xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc là do sự khuếch tán của electron ở mối hàn nóng lớn hơn ở mối hàn lạnh, dẫn đến hiệu điện thế tiếp xúc ở mối hàn nóng lớn hơn

Ngoài ra còn nguyên nhân thứ hai là: Năng lượng của electron ở đầu nóng của thanh kim loại cao hơn ở đầu lạnh, nên vận tốc chuyển động nhiệt lớn hơn, vì thế dòng

khuếch tán đi từ đầu nóng đến đầu lạnh lớn hơn dòng khuếch tán ngược lại Kết quả là đầu nóng tích điện dương còn đầu lạnh tích điện âm Trong kim loại, các vùng điện tích không gian xuất hiện tạo nên điện trường

phần tỉ lệ với hiệu nhiệt độ đó

1.4.1.1 Các ứng dụng

1.4.1.1.1 Nhiệt kế nhiệt điện

Cặp nhiệt điện dùng để đo các nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp mà các nhiệt kế thông thường dùng chất lỏng như thuỷ ngân, rượu màu không đo được Cặp nhiệt điện gồm hai vật dẫn khác loại với nhau ( dây 1 và dây 2) được hàn nối với nhau, một đầu

trong ống sứ cách điện để cách ly mọi tiếp xúc ở vùng ngoài mối hàn Để cặp nhiệt điện phản ứng nhanh với nhiệt độ bên ngoài, mối hàn nóng có thể được tiếp xúc với lớp vỏ kim loại

1.4.1.1.2 Pin nhiệt điện

Hình 1.7: sơ đồ các cặp pin nhiệt điện

0.1% nên không có hiệu quả kinh tế Pin nhiệt điện được làm bằng hai thanh dẫn khác

hơn

1.4.2 Hiện tượng Peltier

Khi cho dòng điện qua vật dẫn không đồng nhất, ngoài nhiệt lượng Joule _ Lenz toả ra trong thể tích vật dẫn, người ta còn quan sát thấy một hiện tượng nhiệt phụ nữa xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau Khi có dòng điện qua chỗ tiếp xúc giữa hai kim loại thì ở đó sẽ có sự toả nhiệt hay hấp thụ nhiệt tuỳ theo chiều dòng điện

Nó làm cho chổ tiếp xúc hoặc là nóng lên hoặc là lạnh đi Hiện tượng nhiệt điện này là

do Jean Peltier phát minh năm 1834

Hình 1.8: sơ đồ các cặp pin nhiệt điện

T 2

T 1

A B

B I

Để đo nhiệt lượng toả ra hay hấp thụ của hiện tượng Peltier người ta dung mạch

của các mối hàn được xác định nhờ nhiệt lượng kế Sau khoảng thời gian t, ở mối hàn toả ra một nhiệt lượng bằng tổng các nhiệt lượng Joule_Lenz và nhiệt lượng Peltier:

Còn tại mối hàn kia toả ra nhiệt lượng là:

Thí nghiệm chứng tỏ rằng nhiệt lượng Peltier Q toả ra hay hấp thụ tại mối hàn tỉ

lệ thuận với điện tích toàn phần q đi qua mối hàn:

nhau và vào nhiệt độ của mối hàn,

Chú ý rằng,giữa hiện tượng toả nhiệt Joul_Lentz và hiện tượng Peltier có sự khác nhau cơ bản Nhiệt lượng Joule_ Lentz tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện

Q   q It

và không phụ thuộc vào chiều của dòng điện Còn nhiệt lượng Peltier tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và thay đổi dấu khi dòng điện đổi chiều Nhiệt lượng Joule_Lenz phụ thuộc vào điện trở vật dẫn trong khi nhiệt lượng peltier không phụ thuộc vào điện

1.4.2.1 Ứng dụng: Máy lạnh sử dụng hiệu ứng nhiệt điện

Ứng dụng hiện tượng Peltier, người ta thiết kế một linh kiện gồm hai vật dẫn khác nhau có hai mối hàn tạo thành mạch điện Khi cho dòng điện chạy qua, một đầu mối hàn nóng lên, còn đầu kia lạnh đi Điều đó có nghĩa là có thể chế tạo được một linh kiện có hai mặt, một mặt lạnh chuyển nhiệt sang mặt nóng Để hiệu suất hoạt động của thiết bị làm lạnh theo nguyên lí của hiện tượng Peltier cao hơn, người ta lấy hai vật dẫn kim loại khác nhau bằng hai tấm bán dẫn khác loại, bán dẫn loại p và bán dẫn loại n

1.4.3 Hiện tượng Thomson

Năm 1854 William Thomson đã phát hiện ra rằng một vật dẫn đồng chất mà có biến thiên nhiệt độ thì khi có dòng điện chạy qua sẽ xuất hiện một nhiệt lượng phụ toả

ra hay hấp thụ trong vật dẫn, độc lập với nhiệt lượng Joul_ Lenz Lượng nhiệt này bổ

sung thêm hoặc hấp thụ bớt đi làm cho nhịêt lượng của vật dẫn tăng lên hay giảm đi so với khi chỉ có nhiệt lượng Joule_ Lenz Hiện tượng này gọi là hiện tượng Thomson Thí nghiệm quan sát hiện tượng Thomson được bố trí như sau: Hai vật dẫn a và b giống nhau, làm bằng cùng một vật liệu được mắc vào một mạch điện Hai đầu cuả vật dẫn được giữ ở nhiệt độ khác nhau Khi đó, dọc theo các vật dẫn xuất hiện một biến thiên nhiệt độ nên xuất hiện các dòng nhiệt Trong vật dẫn b, chiều dòng nhiệt trùng với chiều dòng điện, còn trong vật dẫn a, chiều của hai dòng đó lại ngược nhau Trên hai vật dẫn chọn hai điểm a và b sao cho khi chưa có dòng điện, nhiệt độ tại hai điểm

đó là như nhau Thực nghiệm cho thấy, khi có dòng điện trong mạch, nhiệt độ tại hai điểm đó là khác nhau Điều đó chứng tỏ nhiệt lượng Joule_lenz toả ra trong một vật dẫn và bị hấp thụ ở vật dẫn kia Nhiệt lượng đó gọi là nhiệt lượng Thomson

A i

dT dx a

b i

Hình 1.9: hiện tượng Thomson

Hiện tượng Thomson được giải thích như sau: Khi nhiệt độ hai đầu dây dẫn khác nhau sẽ có dòng electron khuếch tán từ đầu nóng đến đầu lạnh lớn hơn dòng khuếch tán theo chiều ngược lại Giữa hai đầu của vật dẫn xuất hiện một điện trường phụ, hướng từ đầu nóng sang đầu lạnh Khi electron đi từ đầu lạnh đến đầu nóng thì điện trường phụ làm tăng tốc electron và trong dây dẫn toả ra một nhiệt lượng phụ Nếu electron đi từ đầu nóng đến đầu lạnh, đi ngược chiều điện trường thì điện trường phụ sẽ hãm các electron lại, do đó trong dây dẫn electorn hấp thụ một nhiệt lượng của vật dẫn

Ngoài nguyên nhân trên còn một nguyên nhân khác Electron ở đầu nóng có năng lượng của chuyển động nhiệt cao hơn ở đầu lạnh Khi các electron dưới tác dụng của điện trường đi từ đầu nóng đến đầu lạnh, chúng sẽ truyền phần năng lượng còn dư cho mạng tinh thể làm cho vật dẫn nóng lên Khi dòng điện có chiều ngược lại , các electron đi từ đầu lạnh đến đầu nóng, chúng sẽ nhận thêm năng lượng của mạng tinh thể, tức là hấp thụ nhiệt

Khi dòng điện trong vật dẫn chạy theo một chiều nào đó thì tác dụng toả nhiệt hay hấp thụ nhiệt của hai nguyên nhân trên trái ngược nhau Điều này giải thích tại sao trong một số kim loại khi chiều dòng điện và chiều dòng nhiệt trùng nhau thì có sự toả nhiệt, còn một số kim loại khác trong điều kiện ấy lại có sự hấp thụ nhiệt

1.5 Siêu dẫn

Dòng điện trong kim loại bị tổn hao năng lượng do các electron chuyển động va chạm với các vị trí mất trật tự của mạng tinh thể Trong các nguyên nhân làm cản trở chuyển động của electron, đáng kể nhất là dao động của các ion nút mạng Sự mất trật

tự này tăng lên khi nhiệt độ tăng, làm cho điện trở của vật dẫn tăng Theo biểu thức điện trở suất của kim loại, khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở suất của kim loại cũng giảm đều Năm 1911, nhà vật lý người Hà Lan Kamerlingh Onnes đã phát hiện ra, điện trở của thuỷ ngân đột ngột giảm tới 0 khi nhiệt độ của thuỷ ngân giảm xuống tới 4,2 K

độ chuyển pha, thuỷ ngân ở trạng thái thường, dưới nhiệt độ chuyển pha, thuỷ ngân ở trạng thái siêu dẫn (điện trở bằng 0) Do phát minh này, năm 1913 Kamerlingh Onnes

đã nhận giải thưởng Nobel

vì sao các phân tử tải điện có thể chuyển động không bị cản trở trong các chất siêu dẫn

ở nhiệt độ thấp Lí thuyết BCS giả thiết rằng các hạt tải điện không phải là các electron riêng lẻ mà là cặp các electron Các cặp Cooper như vậy được xem là các hạt tải điện với tính chất rất khác với các electron riêng biệt

Để tạo ra cặp Cooper, lí thuyết xem rằng có một electron chuyển động qua mạng tinh thể làm mạng bị biến dạng, khiến cho mật độ điện tích dương quanh electron này tăng lên trong thời gian rất ngắn Nếu vào thời điểm đó một electron thứ hai tiến đến dải này, nó sẽ bị hút vào trong dải bởi mật độ điện tích dương lớn hơn dải khác và liên kết với electron thứ nhất tạo thành cặp Cooper Cặp Cooper chuyển động trong mạng tinh thể không va chạm, không gây ra điện trở Lực liên kết tạo cặp rất yếu nên nhiệt độ tăng, từ trường tăng, mật độ dòng điện tăng là các nguyên nhân phá vỡ cặp Cooper để nó trở lại là các electron như ở kim loại, đó là trạng thái thường của vật liệu siêu dẫn Lí thuyết BCS đã được trao giải Nobel vào năm 1972

Ngoài đặc tính không bị tổn hao năng lượng, chất siêu dẫn còn biểu hiện tính chất từ rất đặc biệt Khi một vật liệu siêu dẫn đặt trong từ trường được làm lạnh dần từ

nhiệt độ cao hơn xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha, thì vật siêu dẫn trở thành vật nghịch từ lí tưởng Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner Hịêu ứng này ngăn cản không cho từ trường thâm nhập vào bề mặt vật ở trạng thái siêu dẫn Vì thế lực từ có thể đẩy đĩa gốm siêu dẫn nâng lên và lơ lửng trên các nam châm Nhưng nếu vật liệu siêu dẫn đặt trong một từ trường mạnh thì lực từ có thể thắng được sức đẩy của vật liệu siêu dẫn, khi đó từ trường sẽ bị phá huỷ đặc tính siêu dẫn của vật liệu Hiện tượng này cho thấy, những chất gốm siêu dẫn dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường mạnh

1.5.1.1 Ứng dụng: tàu chạy trên đệm từ

Năm 1963, J.R.Powell đề nghị dùng các nam châm siêu dẫn để nâng toa tàu lên khỏi đường ray

Năm 1970, ý tưởng thiết kế đoàn tàu chuyển động trên một đệm từ, không có bánh xe, không tiếp xúc với đường ray truyền thống Tàu đệm từ có thể gia tốc và giảm tốc độ cực nhanh so với tàu tốc độ cao truyền thống Hơn nữa, tàu chạy trên đệm từ có thể lượn nghiêng khi chạy vào chỗ quanh và có tốc độ cao mà các tàu truyền thống không đạt được

Nguyên lí Magnetic Levitation dựa vào hiện tượng ở nhiệt độ rất thấp, vật liệu siêu dẫn là chất nghịch từ lí tưởng, nó tạo ra từ trường cực mạnh để lực từ nâng đoàn tàu trên đệm từ Chuyển động cùa đoàn tàu được thực hiện nhờ lực từ của nam châm siêu dẫn nâng tàu trên đệm từ và đẩy tàu chuyển động

Lực nâng: Nam châm siêu dẫn được gắn vào con tàu chuyển động trên thanh dẫn hướng chế tạo từ vật liệu dẫn điện Khi con tàu chuyển động, từ thông biến đổi gây

ra dòng điện Foucault trong vật dẫn Dòng điện Foucault chống lại từ trường biến đổi

do nam châm siêu dẫn gắn trên toa tàu chuyển động gây ra Nghĩa là dòng điện xoáy vừa đẩy nam châm siêu dẫn vừa chống lại chuyển động của nam châm (con tàu) Như vậy lực của dòng điện Foucault tác dụng lên một nam châm chuyển động trên mặt

phẳng vật dẫn có hai thành phần Đó là lực nâng vuông góc với mặt phẳng dẫn và lực cản chuyển động của nam châm

Các tính toán cho thấy với tốc độ nhỏ lực cản lớn hơn lực nâng nhiều lần Khi tốc độ cao, lực nâng tiến tới giá trị lớn, lực cản trở nên rất nhỏ

Có thể giải thích một cách hình thức rằng khi nam châm chuyển động trên vật dẫn, từ trường sẽ khuếch tán vào trong vật dẫn Nếu nam châm chuyển động nhanh, từ trường không thể xuyên sâu vào vật dẫn Tác dụng từ giữa nam châm và vật dẫn gây ra lực nâng Nếu nam châm chuyển động chậm, từ trường xuyên sâu vào vật dẫn gây ra lực cản lớn

Trong hệ nâng bằng từ, tỉ số lực nâng - lực cản rất quan trọng Nó tỉ lệ với tốc

độ nam châm và độ dẫn điện của đường dẫn mà trên đó hệ chuyển động Với tàu nâng trên đệm từ, tỉ số này tăng theo tốc độ và đạt giá trị 50 300km/h Ở 500km/h lực cản của không khí lớn hơn lực cản từ rất nhiều lần, vì vậy các con tàu cao tốc đều có hình dáng thon gọn theo mô hình khí động học

Lực đẩy: Vì tàu chạy trên đệm từ không có bánh xe nên phải dùng hệ thống đẩy bằng từ Nhờ lực hút và lực đẩy xen kẽ giữa hai cực Nam - Bắc của cuộn dây và nam châm, con tàu tiến lên phía trước

Năm 1999, tàu Maglev cuả Nhật đạt kỉ lục 552km/h,

2 Chương 2:DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

2.1 TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA BÁN DẪN

Chất bán dẫn là một loại vật dẫn điện Xét về mặt chất điện, bán dẫn có giá trị điện trở suất trung gian giữa kim loại và điện môi Điện trở suất của kim loại nằm trong

được coi là điện môi

Cũng có thể phân loại các loại vật liệu trên dựa vào sự phụ thuộc của điện trở suất theo nhiệt độ Ở nhiều kim loại, điện trở suất ρ có thể coi gần đúng như tỉ lệ với

nhiệt độ tuyệt đối T :

2.2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA BÁN DẪN

2.2.1 LÍ THUYẾT LƯỢNG TỬ

Trong chất bán dẫn và chất điện môi, các electron liên kết chặt chẽ với nhau trong mối liên kết cộng hóa trị, hầu như không có electron tự do, nên ở nhiệt độ thấp chúng không dẫn điện Biểu đồ năng lượng của chúng có các dải hóa trị và dải dẫn tách rời khỏi nhau được ngăn cách bởi một khe năng lượng không được phép Các electron hóa trị điền đầy tất cả các trạng thái năng lượng trong dải hóa trị, trong dải dẫn hầu như không có electron tự do

Chất bán dẫn có khe năng lượng giữa dải hóa trị và dải dẫn hẹp hơn so với chất cách điện Vì vậy, các electron từ dải hóa trị có khả năng vượt qua khe cấm chuyển lên dải dẫn còn trống phía trên nhờ chuyển động nhiệt Những electron ở trong dải dẫn có thể dễ dàng di chuyển trong dải dẫn tham gia dẫn điện, chúng được gọi là electron tự

do hay electron dẫn Các trạng thái ở dải hóa trị bị trống cũng tham gia dẫn điện Như vậy, chất bán dẫn ở độ không tuyệt đối không dẫn điện Khi nhiệt độ chất bán dẫn tăng lên, các electron từ dải hóa trị nhận được năng lượng nhiệt đã chuyển lên dải dẫn để trở thành electron dẫn, để lại các lổ trống ở dải hóa trị Chất bán dẫn dẫn điện bằng hai loại hạt tải là electron mang điện tích âm (-e) và lỗ trống mang điện tích dương (+e) Chất

Hình 2.1: cấu trúc dải năng lượng của bán dẫn Silicvà của điện môi kim cương

Giải thích sự cách điện : Theo vật lý cổ điển, khi đặt chất cách diện vào một

điện trường E, điện trường sẽ tác dụng một lực điện –eE lên mỗi electron Lực điện này

làm electron tăng động năng Xét theo quan điểm lượng tử, nếu năng lượng electron thay đổi thì electron sẽ chuyển sang một mức năng lượng khác trong chất rắn Nhưng các mức năng lượng khác trong dải năng lượng mà electron đang xét tồn tại đã bị chiếm bởi các electron khác, electron hoàn toàn không có khả năng di chuyển trong vùng nên electron không thể đi qua vật cách điện

Trong chất cách điện, nhiều mức năng lượng còn trống trong dải dẫn ở bên trên dải hóa trị của electron đã bị chiếm đầy những electron trong dải hóa trị muốn chiếm các mức năng lượng trên dải dẫn, chúng phải có đủ năng lượng để vượt qua khe năng

lần với năng lượng chuyển động nhiệt trung bình của electron tự do ở nhiệt độ phòng (0,025 eV) nên không phát hiện được electron tự do trong dải dẫn

Để có electron dẫn điện, người ta dùng nhiệt hay năng lượng quang cung cấp năng lượng cho electron để chúng có đủ năng lượng chuyển từ dải hóa trị lên dải hóa trị bán dẫn Chất bán dẫn và chất cách điện có điện trở suất cao hơn kim loại

2.2.2 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ, CẤU TẠO VÀ TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA CHẤT BÁN DẪN

Liên kết cộng hóa trị là liên kết được tạo thành bởi các cặp electron có spin

ngược chiều nhau, mặc dù là liên kết giữa các nguyên tử trung hòa nhưng đó là loại liên kết mạnh

Theo nguyên lí Pauli, các nguyên tử có lớp vỏ electron đầy thì đẩy nhau Nguyên tử C, Ge, Si còn thiếu 4 electron mới tạo thành lớp vỏ đầy, nên nguyên tử của các nguyên tố này lại có thể hút nhau do sự phủ của các lớp vỏ electron hóa trị làm lớp

vỏ electron này được điền đầy Lực tượng tác ứng với liên kết cộng hóa trị là lực liên kết trao đổi

Hình 2.2: mô hình nguyên tử Silic

Si

.Khi nhiệt độ T > 0 K, dưới tác dụng của nhiệt, một số mối liên kết đồng hóa trị

bị phá vỡ Electron bức ra khỏi liên kết để trở thành electron tự do mang điện tích nguyên tố âm, nơi mối liên kết thiếu electron để lại một lỗ trống mang điện tích nguyên

tố dương Trong bán dẫn tinh khiết, mật độ electron (n) bằng với mật độ lỗ trống (p)

Tòan bộ tinh thể vẫn trung hòa về điện Trong tinh thể đã có các hạt mang điện

tự do, khi có điện trường tác dụng, trong tinh thể xuất hiện dòng điện Nhiệt độ tăng thì

số liên kết bị phá vỡ cũng tăng nhanh và mật độ hạt mang điện trong bán dẫn cũng tăng nhanh Do đó điện trở suất của bán dẫn giảm nhanh khi nhiệt độ tăng

do hơn các electron liên kết cộng hóa trị trong mạng Si Ở nhiệt độ thấp, electron này

trung hòa về điện Nguyên tử tạp chất gọi là nguyên tử đôno (cho electron) Trong bán dẫn pha tạp chất đôno, các electron dẫn được tạo ra từ các nguyên tử tạp chất, không kèm theo sự tạo thành lỗ trống

Hình 2.4: liên kết của bán dẫn loại n và biểu đồ dải năng lượng của nó

Khi nhiệt độ tăng, quá trình dẫn điện riêng xảy ra như ở bán dẫn tinh khiết Kết quả là số electron dẫn nhiều hơn số lỗ trống Hạt tải đa số là electron, hạt tải thiểu số là

lỗ trống Bán dẫn dẫn điện chủ yếu bằng electron dẫn mang điện tích âm, nên gọi là bán dẫn loại n

Biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại n, có mức năng lượng đôno (Ed) của

nguyên tử tạp chất, chúng ta sẽ điểu khiển được mật độ electron dẫn

2.3.2 Bán dẫn loại p

Xét mạng tinh thể của các nguyên tử thuộc nhóm IV (Si, Ge…) được pha thêm lượng nhỏ tạp chất là các nguyên tử của nguyên tố nhóm III (B, Al, In, Ga) Trong tinh thể Si, một số nguyên tử B thay thế cho nguyên tử Si Để tạo thành liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Si xung quanh, nguyên tử tạp chất B còn thiếu 1 electron Khi nhận được năng lượng nhỏ, 1 electron liên kết của Si bứt ra khỏi mối liên kết để tái hợp với

lỗ trống này làm xuất hiện lỗ trống ở vị trí khác Lỗ trống có tính chất như hạt mang điện dương (+) chuyển động trong tinh thể Nguyên tử tạp chất nhận thêm electron trở

dẫn pha tạp chất axepo, việc tạo thành lỗ trống là do sự có mặt của tạp chất không kèm theo sự tạo thành ion dẫn

Hình 2.5: Liên kết của bán dẫn loại p và biểu đồ vùng năng lượng của nó

Khi nhiệt độ tăng, ngoài lỗ trống sinh ra do tác dụng của tạp chất còn có sự dẫn điện riêng Kết quả là số lỗ trống lớn hơn số electron tự do Hạt tải đa số là lỗ trống, hạt

tải thiểu số là electron Bán dẫn dẫn điện chủ yếu bằng lỗ trống mang điện tích dương, được gọi là bán dẫn loại p

Biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại p, có mức năng lượng axepto cách đỉnh dải

electron từ dải hóa trị có thể chuyển lên mức năng lượng axepto làm xuất hiện lỗ trống

2.4 BÁN DẪN SUY BIẾN

Bán dẫn suy biến là bán dẫn có mức Fermi nằm trong dải cho phép Nếu bán dẫn pha tạp chất với nồng độ lớn, càc nguyên tử tạp chất tương tác với nhau dẫn đến mức năng lượng tạp chất đựơc mở rộng phủ lên dải cho phép (dải dẫn hay dải hóa trị) Mức Fermi của bán dẫn khi đó dịch chuyển vào trong dải cho phép Như vậy bằng cách pha nồng độ tạp chất vào mạng tinh thể bán dẫn tinh khiết, chúng ta có thể tạo thành bán dẫn suy biến

2.5 CÁC HIỆN TƯỢNG Ở LỚP CHUYỂN TIẾP p-n

Nguyên lý hoạt động của lớp chuyển tiếp p-n là cơ sở để chế tạo các linh kiện bán dẫn

Khi cho hai mẫu bán dẫn loại n và loại p tiếp xúc nhau , chúng tạo thành một mẫu bán dẫn mà ở hai phần có sự chênh lệch về mật độ hạt tải điện Mật độ electron trong phần bán dẫn loại n lớn, trong phần bán dẫn loại p nhỏ, nên có dòng khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p Đồng thời do mật độ lỗ trống ở bán dẫn loại p lớn hơn ở bán dẫn loại n nên tạo ra dòng khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Bên bán dẫn loại p, ở gần mặt phân cách, những electron từ bán dẫn loại n khuếch tán sang tái hợp với lỗ trống Ở vùng này chỉ còn lại chủ yếu là các ion tạp chất axepto, tạo nên điện tích không gian âm Tương tự ở bán dẫn loại n, ở gần mặt phân cách chỉ còn các nguyên tử tạp chất đôno bị mất electron, tạo thành vùng điện tích không gian dương Miền điện tích không gian ở lớp chuyển tiếp có rất ít hạt

mang điện tự do nên lớp này dẫn điện rất kém, hay còn gọi là vùng nghèo Miền điện tích không gian chỉ thấm vào một lớp mỏng ở biên giới chuyển tiếp nên điện trường chỉ tồn tại ở lớp tiếp xúc và nó có tác dụng uốn cong dải năng lượng ở lớp chuyển tiếp Xa lớp chuyển tiếp về hai phía, các miền bán dẫn loại p và loại n không có biến đổi gì Mức Fermi có giá trị như nhau cho toàn bộ hệ có sự trao đổi hạt tải điện

ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU CỦA LỚP CHUYỂN TIẾP p-n

Lớp chuyển tiếp p-n có đặc tính chỉnh lưu dòng điện : nó cho dòng điện đi qua theo một chiều dễ dàng hơn so với dòng điện theo chiều ngược lại và được ứng dụng trong chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

Trong lớp tiếp xúc p-n có điện trường tiếp xúc trong, điện trường này sinh ra

tiếp

Khi đặt điện áp thuận (cực âm của nguồn nối với phần bán dẫn loại n, cực dương nối với phần bán dẫn loại p) vào lớp chuyển tiếp Hàng rào thế năng trên chuyển tiếp giảm xuống, chiều dày vùng nghèo co hẹp lại, điện trở lớp tiếp xúc giảm Vì vậy dòng khuếch tán của các hạt tải đa số tăng lên, mật độ dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-

n lớn Đó là hiện tượng phun hạt tải đa số qua vùng chuyển tiếp p-n khi vùng được mở tạo thành dòng điện thuận

Hình 2.7: mối quan hệ giữa hàng rào thế của lỗ trống trong lớp chuyển tiếp p-n với điện áp phân cực

Ta đặt điện áp ngược (cực dương nối với phần bán dẫn loại n, cực âm nối với phần bán dẫn loại p), vào lớp chuyển tiếp p-n Điện trường ngoài cùng chiều điện trường trong làm hang ráo thế năng nâng cao, vùng nghèo được mở rộng, điện trở lớp tiếp xúc tăng lên Các hạt dẫn đa số bị đẩy ra xa vùng chuyển tiếp p-n Chỉ còn hạt dẫn thiểu số chuyển động cuốn qua vùng chuyển tiếp gây ra dòng ngược Trường hợp này gọi là vùng tiếp xúc đóng Dòng ngược là dòng của các hạt thiểu số, số lượng hạt tải rất

ít nên giá trị dòng điện ngược rất nhỏ so với dòng điện thuận Vì vậy, lớp chuyển tiếp p-n có tính chỉnh lưu

Trên cơ sở tính mật độ dòng electron và dòng lỗ trống qua lớp chuyển tiếp p-n khi phân cực ngược, biểu thức cho cường độ dòng điện I qua lớp chuyển tiếp p-n phụ thuộc điện thế ngoài có dạng :

tăng nhanh, khi V tăng, dòng điện thuận là dòng của các hạt tải điện đa số

ngược có giá trị không đổi vì dòng điện ngược là dòng của các hạt mang điện thiểu số

Hình 2.8:đuờng đặc trưng vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n

2.6 Các ứng dụng của chất bán dẫn:

Các dụng cụ bán dẫn được chia làm hai loại

Dụng cụ hoạt động dựa trên sự thay đổi số lượng và tính chất hạt dẫn điện của bán dẫn dưới tác dụng của nhiệt độ ánh sáng, dòng điện

Các điôt hoạt động dựa trên tính chất lớp chuyển tiếp p-n

Nhiệt điện trở được sử dụng để khống chế nhiệt độ tủ sấy Một nhiệt điện trở được đặt trong tủ sấy và mắc nối tiếp với một rơle ngắt đóng dòng điện đốt nóng tủ sấy Khi bình thường rơle đóng, dòng điện chạy qua sợi đốt làm tủ sấy nóng lên Khi nhiệt độ tăng lên, điện trở của nhiệt điện trở giảm, dòng qua rơle tăng lên Đến một nhiệt độ đặt trước, dòng qua rơle đủ lớn để làm tiếp điểm mở ra, dòng qua sợi đốt bị ngắt Khi nhiệt độ tủ sấy giảm, điện trở của nhiệt điện trở tăng làm dòng qua rơle giảm, tiếp điểm đóng lại và có dòng điện chạy qua sợi đốt làm tủ sấy nóng lên Nhờ điện trở điều chỉnh mắc nối tiếp với nhiệt điện trở, người ta có thể thay đổi giá trị nhiệt độ cần giữ không đổi trong tủ sấy

2.6.2 Quang điện trở

Dụng cụ bán dẫn thay đổi điện trở khi được chiếu sáng thích hợp gọi là quang điện trở Quang điện trở được sử dụng trong các mạch đo cường độ sáng, đóng ngắt mạchđiện nhờ tính chất biến đổi quang năng thành điện năng Người ta có thể thiết kế mạch tự động đóng ngắt điện chiếu sáng đường phố trên cơ sở nguyên lý hoạt động của quang điện trở Quang điện trở được mắc nối tiếp với một rơle điều khiển mạch điện chiếu sáng Ban ngày trời nắng, ánh sáng chiếu vào quang điện trở làm điện trở của nó giảm, dòng điện qua rơle lớn có tác dụng làm tiếp điểm rời ra Mạch điện chiếu sáng bị ngắt, đèn không sáng Khi trời tối, điện trở của quang điện trở tăng lên có tác dụng làm điện trở qua rơle giảm, tiếp điểm được đóng lại , đèn sáng Như vậy quangđiện trở cùng với rơle trong mạch điện chiếu sáng có tác dụng như một cái khóa đóng mở dòng điện phụ thuộc vào độ sáng của môi trường chiếu sáng

2.6.3 Pin nhiệt điện bán dẫn

Linh kiện nhiệt điện thông thường gồm hai tấm bán dẫn loại n và p nối với nhau bằng tấm kim loại nếu cấp một nguồn điện sau cho dòng điện trong mạch đi qua tấm bán dẫn loại n sang tấm kim loại rồi tới tấm bán dẫn loại p thì linh kiện hoạt động như một thiết bị lạnh Êlectron trong bàn dẫn loại pn chuyển động ngược chiều dòng điện

và lỗ trống trong bán dẫn loại p chuyển động cùng chiều dòng điện Điện trường đã gia tốc cho cả hai loại hạt tải điện nên cả hai lọai hạt điều nhận đuợc năng lượng điện trường Vì vậy cả hai loại hạt dẫn điện dẫn chuyển nhiệt về một phía của linh kiện.Kết quả là một bề mặt của linh kiện được làm lạnh

Hình 2.9: thiết bị làm lạnh và máy phát theo nguyên lý hiện tượng nhiệt điện Khi một mặt của linh kiện này đuợc cấp nhiệt là một nguồn nóng, linh kiện có chức năng như một máy phát điện Nguồn nóng đã tác động làm các êlectron trong bán dẫn loại n chuyển động về phía mặt lạnh hơn, tạo ra dòng điện trong mạch Lỗ trống bên bán dẫn loại p sẽ chuyển động cùng chiều dòng điện Nếu ở mạch ngoài nối một thiết bị tiêu thụ điện thì nguồn nóng đã được chuyển hóa từ năng lượng nhiệt sang năng lượng điện Các loại Diod và ứng dụng

2.6.4 Diod chỉnh lưu (thông dụng nhất)

Diod đuợc cấu tạo từ hai mẫu bán dẫn loại n và bán dẫn loại p tiếp xúc với nhau gọi là điôt tiếp mặt Nó đuợc sử dụng chủ yếu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều về dòng điện một chiều

Khi lớp tiếp xúc p-n đặt trong một điện trường ngoài, nó có tích chất như một cái van: dẫn điện hkông đối xứng theo hai chiều Đó là hiệu ứng chỉnh lưu của tiếp xúc p-n; phân cực thuận dòng có giá trị lớn do dòng hạt đa số phun qua tiếp xúc p-n mở, phân cực ngược dòng có giá trị nhỏ do hạt thiểu số trôi qua tiếp xúc p-n bị khóa

Dòng ngược rất nhỏ so với dòng thuận nên có thể coi như không có dòng ngược, lúc đó điôt như một vật cách điện theo chiều ngược

Khi điện áp được tăng vượt quá một giá trị nhất định, dòng ngược sẽ tăng đột ngột Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng diod Điện áp ngược ứng với hiện

Nếu trong mạch không có biện pháp hạn chế dòng ngược, diod sẽ bị hỏng

Ứng dụng điển hình của diod trong các mạch chỉnh lưu là mạch chỉnh lưu cầu

2.6.5 Diod tách sóng

Ở chế độ làm việc cao tần, yêu cầu điện dung tiếp xúc nhỏ để nâng cao hiệu quả tách sóng Do vậy, diod tách sóng có cấu tạo bề mặt tiếp giáp của hai lớp bán dẫn rất nhỏ, còn gọi là diod tiếp điểm Với cấu tạo như vậy, diod tách sóng thích hợp với dòng điện bé phù hợp với tín hiệu cao tần đi qua, không thích hợp việc chỉnh lưu dòng điện xoay chiều làm nguồn nuôi

2.6.6 Diod phát quang (Led)

Led là linh kiện bao gồm một lớp chuyển tiếp p-n, khi đặt một điện áp thuận trên lớp chuyển tiếp, diod sẽ phát sáng Điều kiện để lớp chuyển tiếp p-n phát sáng được trình bày như sau: Khi một êlectron ở đáy dải dẫn chuyển xuống để tái hợp với lỗ trống ở đỉnh dải hóa trị, năng lượng đuợc giải phóng bằng hiệu hai mức năng lượng có

giá trị bằng độ rộng khe cấm Eg Năng lượng này có thể chuyển hóa thành năng lượng nhiệt hoặc phát ra dưới dạng photon ánh sánh có bước sóng

Để nhận được các ánh sáng có bước sóng khác nhau, tỉ lệ giữa P và As được điều chỉnh làm cho độ rộng khe năng lượng thay đổi

Nếu ánh sáng phát ra từ sự tái hợp giữa electron và lỗ trống lại được dùng để kích thích electron theo chiều ngược lại, ttức là electron từ dải hóa trị nhận năng lượng chuyển lên dải dẫn thì sự phát quang không có Để tránh cho tất cả các photon phát ra khỏi bị hấp thụ, cần phải có một lượng dư electron và lổ trống trong vật liệu lớn hơn rất nhiều so với lượng electron và lổ trống được tạo ra do dẫn điện riêng Để thực hiện điều này, ta mắc điện áp thuận để hiệu điện thế bên ngoài tác dụng làm cho các hạt tải điện đa số phun qua lớp chuyển tiếp p-n khi lớp này mở

Từ nguyên lý hoạt động của LED cho thấy, LED phải được cấu tạo từ bán dẫn

có lớp chuyển tiếp p-n với nồng độ tạp chất cao để tạo ra nhiều phần tử tải điện cơ bản

và điện thế mạch ngoài mắc theo chiều thuận

2.6.7 Diod biến dung

Diod biến dung là dụng cụ bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n mà điện dung của nó

có thể thay đổi trong phạm vi nhất định ,khi thay đổi điện áp phân cực ngược

E

R

D C C

L

Hình 2.11: điôt biến dung DC dùng trong mạch chọn tần số

Nguyên lý làm việc : electron từ bán dẫn loại n khuếch tán sang vùng bán dẫn loại p có nhiều lổ trống khi một electron tái hợp với lổ trống thì hai hạt tự do đã biến mất Vùng không gian xung quanh lớp chuyển tiếp p-n nghèo hạt mang điện tự do ,nên

nó có tính chất như một vật liệu điện môi Miền bán dẫn loại p và n so với vùng nghèo

có điện trở suất rất nhỏ ,nên đựơc xem là vật dẫn vì thế lớp chuyển tiếp p- n là một tụ điện phẳng :điện môi là vùng nghèo nằm giữa ,hai bản tụ là hai miền bán dẫn p và n Đặc điểm của tụ này là chiều dày của vùng nghèo được biến đổi phụ thuộc vào biến áp ngoài đặt trên lớp chuyển tiếp p-n Mà chiều dày của vùng nghèo được điều khiển bằng điện áp phân cực ngược

Điện dung của tụ điện phẳng tỉ lệ thuận với điện tích của bản tụ điện và tỉ lệ nghịch với chiều dày của lớp điện môi Do đó điện dung của diod tỉ lệ thuận với diện tích tiết diện chuyển tiếp p-n và tỉ lệ nghịch với chiều dày miền điện tích không gian

Đặc điểm của diod biến dung là điện dung thay đổi gần như đồng thời và có sự biến đổi điện áp ngược đặt vào điôt nên diod biến dung đuợc sử dụng trong mạch dao động Một sự biến thiên điện áp đặt vào diod làm điện dung biến đổi theo, do đó tần số của mạch dao động cũng thay đổi Ngoài ra diod biến dung còn dùng trong các mạch tự động điều chỉnh

2.6.8 Diod ổn định (diod Zener)

Diod ổn định làm việc nhờ hiệu ứng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ của chuyển tiếp p-n khi phân cực ngược

Sự đánh thủng vì điện là do hai hiệu ứng: thứ nhất là sự ion hóa do va chạm

bán dẫn làm số hạt tải tăng nhanh Hiệu ứng này thường xảy ra ở bán dẫn có vùng chuyển tiếp p-n rộng (hiệu ứng Zener) Thứ hai là hiệu ứng xuyên hầm (tunnel) xảy ra

ở các chuyển tiếp p-n hẹp do pha tạp chất với nồng độ cao Mật độ ion tạp chất lớn dẫn

tới điện trường trong có giá trị rất cao, các mức năng lượng bị uốn cong mạnh Năng lượng dải hóa trị của bán dẫn p dâng cao, dẫn tới các êlectron hóa trị bên bán dẫn p xuyên qua rào thế tiếp xúc trực tiếp

sang dải dẫn bên bán dẫn n

Trong các diod thông thường,

hiện tượng đánh thủng này sẽ làm hỏng

diod Nhưng trong các diod ổn định,

diod được chế tạo đặc biệt và khi làm

việc mạch ngoài có điện trở hạn chế

dòng ngược (không cho phép nó tăng

quá dòng ngược cho phép)

Hình 2.12: Kí hiệu và mạch nguyên lý sử dụng điôt Zener

Vì vậy, luôn làm việc ở chế độ đánh thủng nhưng không hỏng Người ta lợi dụng đặc tính này để thiết kế mạch ổn định dùng dòng điện một chiều Dòng ngược trong điôt ổn định là do các hạt dẫn đuợc sinh ra trong quá trình ion hóa của các nguyên tử chất bán dẫn

Đối với mỗi diod ổn định, điện áp ổn định biến thiên trong một khoảng rất hẹp Khoảng này bị giới hạn một mặt bởi khoảng đặc tuyến của diod từ phạm vi dòng bảo hòa sang phạm vi đánh thủng làm dòng tăng đột ngột, mặt khác bởi công suất tiêu hao cho phép hay dòng cực đại cho phép

Để thực hiện chức năng ổn định, người ta thường mắc diod Zener trong mạch với một điện trở hạn chế dòng R bảo đảm an tòan cho diod Điôt Zener được dùng chủ yếu làm nhiệm vụ ổn định dòng điện khi nhiệt độ thay đổi

2.6.9 Diod tunnel ( diod đuờng ngầm)

Diod đuợc chế tạo từ bán dẫn suy biến gọi là diod tunnel hay diod Esake (do nhà vật lý người Nhật Esaki chế tạo đầu tiên năm 1958 và ông được nhận giải Nobel năm 1973)

Electron có thể vượt qua giếng thế bằng phương thức chui ngầm Để vượt qua thành giếng, năng lượng của electron phải khá lớn và điện trường ở lớp chuyển tiếp

thái còn trống để electron chiếm chỗ Để đảm bảo các điều kiện trên, ở các lớp bán dẫn

Hiệu ứng tunnel trong chuyển tiếp p-n

Nồng độ tạp chất trong bán dẫn càng cao, độ rộng miền nghèo của chuyển tiếp

trường lớn trên miền tiếp xúc, các dải năng lượng ở khu vực chuyển tiếp p-n bị biến dạng mạnh

Khi chưa có điện trường ngoài đặt vào lớp tiếp xúc p-n, mức Fermi ở dải hóa trị

và dải dẫn có cùng một độ cao, tồn tại hai dòng tunnel ngược chiều nhau qua lớp chuyển tiếp p-n Cường độ hai dòng này bằng nhau nhưng ngược chiều, cho nên dòng tổng cộng qau p-n bằng không

Khi tiến hành phân cực cho lớp chuyển tiếp p-n, trạng thái cân bằng bị phá vỡ Dòng cuốn các hạt

Hình 2.13: đường đặc trưng vôn- ampe của điôt tunnel

thiểu số khi phân cực ngược và dòng khuếch tán các hạt đa số khi phân cực thuận vẫn tồn tại nhưng cường độ các dòng này quá nhỏ so với dòng tunnel nên bỏ qua Khi mắc điện áp ngược: dòng tunnel của electron từ miền bán dẫn lọai p sang miền bán dẫn loại n xảy ra mạnh do phần lớn electron trong dải hóa trị bên p có năng lượng bằng trạng thái năng lượng còn trống ở trong dải dẫn bên n Dòng này là dòng do các hạt thiểu số gây ra, nên đuợc gọi là dòng điện ngược Dòng điện ngược của điôt tunnel tăng nhanh với điện áp ngoài tăng và không có đoạn bão hòa nào

Khi mắc điện áp thuận: điện áp ngoài ngược chiều điện áp trong làm cho hàng rào thế năng giảm xuống , số êlectron từ bán dẫn loại n khuếch tán sang bán dẫn loại p tăng lên Các hạt tải đa số di chuyển qua lớp chuyển tiếp p-n bằng cả hai dòng khuếch tán và tunnel, trong đó dòng điện gây nên bởi phương thức tunnel là chủ yếu Do electron từ dải dẫn của bán dẫn loại n dễ dàng xuyên hầm qua vùng tiếp xúc chiếm các trạng thái còn trống bên bán dẫn loại p Khi tăng điện áp thuận, số electron chiếm đầy bên n đối diện với mức trống bên p tăng dòng thuận tăng nhanh đột ngột Dòng thuận

do hiệu ứng tunnel sinh ra đạt giá trị cực đại khi số mức năng lượng bị electron chiếm đầy bên n đối điện với số mức năng lượng bên p là lớn nhất

Sau đó tiếp tục tăng điện áp, dòng thuận sẽ giảm, vì số mức năng lượng bị chiếm đầy bên n đối diện với mức năng lượng còn trống bên p bắt đầu giảm Đây là phần quan trọng nhất trong đường đặc trưng vôn- ampe của diod tunnel vì nó xuất hiện đoạn điện trở vi phân âm, dòng điện giảm khi điện áp tăng Điện áp tăng, dòng điện thuận do hiệu ứng tunnel giảm dần xuống cực tiểu khi đáy dải dẫn bên n ngang với đỉnh dải hóa trị bên p Tiếp tục tăng điện áp, đáy dải dẫn bên n tiếp tục dâng cao