Nếu xét như vậy với kim loại, thì khi nhiệt độ tăng, nồng độ electron tự do Si B n0 không đổi, nhưng u lại giảm vì va chạm Taïp chaát B taïo của electron với các nút mạng tinh thể theâm[r]
(1)TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11 Tieát : Baøi 43 - 44 : DOØNG ÑIEÄN TRONG BAÙN DAÃN I MUÏC TIEÂU : Hiểu các tính chất điện đặc biệt bán dẫn làm cho nó xếp vào loại vật dẫn riêng, khác với các vật dẫn quen thuộc là kim loại Hiểu các hạt tải điện là electron tự và lỗ trống là chế tạo thành các hạt tải điện đó bán dẫn tinh khiết Hiểu tác dụng vật chất có thể làm thay đổi cách tính chất điện 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 hình thành lớp chuyển tiếp p – n và giải thích tính chất chỉnh lưu 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 TIEÁN TRÌNH GIAÛNG DAÏY Phaàn laøm vieäc cuûa Giaùo Vieân Phaân phoái thời gian Noäi dung ghi baûng Kieåm tra baøi cuõ vaø kiến thức cũ liên quan với bài (3’) Nghieân cứu bài Hoạt đông học sinh Tổ chức ,điều khiển Trả lời câu hỏi SGk Laøm baøi taäp SBTVL 11 Kiểm tra và đánh giá I Tính chaát ñieän cuûa baùn daãn a Giới thiệu Bán dẫn điển hình và dùng phổ biến là silic (Si) Ngoài ra, còn có các bán dẫn đơn chất khác Caù nhaân suy nghó Tính chaát ñieän cuûa baùn daãn Ghi nhớ Gv : Cho hoïc sinh thaáy roõ caùc tính chaát ñaëc trưng bán dẫn và khác biệt bán GV : ĐỖ HIẾU THẢO Ghi chuù Lop11.com VAÄT LYÙ PB 11: 43 -1 /7 (2) TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI Ge, Se, các bán dẫn hợp chất nhu GaAs, CdTe,ZnS … Nhieàu oâxit, sunfua, seâlenua, telurua… b Tính chất khác biệt so với kim loại Điện trở suất bán dẫn có giá trị trung gian kim loại và điện môi (hình 43,1) Điện trở suất bán dẫn giảm mạnh nhiệt độ tăng (hình 43.2) Do đó nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém (giống điện môi), còn nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt (giống kim loại) Tính chaát ñieän cuûa baùn daãn phu thuoäc raát maïnh vaøo caùc taïp chaát coù maët tinh theå II Sự dẫn điện bán dẫn tinh khiết : Caáu taïo : Chaát baùn daãn coù caáu taïo cho mạng tinh thể có loại nguyên tử Khảo sát dẫn điện bán dẫn Si a Cấu tạo bán dẫn Si : Lớp êlectron ngoài cùng nguyên tử Si có bốn êlectron Trong tinh thể, 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 nguyên tử Si có tám êlectron, tạo thành lớp êlectron đầy liên kết các nguyên tử tinh thể Si bền vững b Sự hình thành các hạt mạng điện Hạt mang điện tự : - Ở nhiệt độ thấp, các liên kết cộng hóa trị mạng tinh theå cuûa chaát baùn daãn tinh khieát raát beàn neân khoâng coù hạt mang điện tự - Ở nhiệt độ cao, số liên kết cộng hóa trị mạng tinh thể chất bán dẫn tinh khiết bị phá vỡ, giải phóng GV : ĐỖ HIẾU THẢO dẫn so với vật liệu điện đã quen thuộc kim loại ,điện môi Cần nhấn mạnh giảm rõ rệt điện trở suất bán dẫn nhiệt độ tăng và ảnh hường mạnh tạp chất ( loại tạp chất và lượng tạp chất) lên tính chất dẫn điện bán dẫn (loại hại tải điện và số lượng hạt tải, điện trở suất…) Cần nêu các tính chất này để chuẩn bị cho việc giải thich chúng caùc phaàn sau Sự dẫn điện bán dẫn tinh khiết Khi khảo sát dẫn điện bán dẫn,cầm laøm cho hoïc sinh hieåu baùn daãn coù hai loại hạt tải điện, đó là electron tự và lỗ troáng Cô cheá hình thaønh caùc haït taûi ñieän bán dẫn cần làm rõ, vì đây chính là nguồn gốc khác biệt bán dẫn và kim loại Bán dẫn mà ta xét là vật rắn có cấu tạo tinh thể Căn vào cấu tạo tinh thể bán dẫn silic, có thể thấy là nhiệt độ thấp, electron bị liên kết chặt chẽ với nguyên tử và đó không có electron tự do; vì bán dẫn là điện môi Ơû đây có thể liên hệ với các kiến thức hoá học : Khi lớp điện tử ngoài cùng là lớp đầy, thì nguyên tử khó tham gia các phản ứng hóa học, tức là ít có khả bớt hay nhận thêm electron Chính kết hợp Lop11.com GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11 p Baùn daãn Kim loại O T Điện trở suất kim loại và bán dẫn phụ thuộc khác vào nhiệt độ Nguyên tử Si có bốn êlectron hóa trị Si Si Si Si Tinh thể Si nhiệt độ thấp thì không có hạt mang diện tự VAÄT LYÙ PB 11: 43 -2 /7 (3) TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI số electron và để lại số lỗ trống mang điện tích döông Kết luận : Ở nhiệt độ cao hạt mang điện tự chaát baùn daãn tinh khieát laø electron vaø loã troáng mang ñieän tích döông Baûn chaát doøng ñieän chaát baùn daãn tinh khieát : -Khi không có điện trường ngoài đặt vào tinh thể bán dẫn : các electron và lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn loạn 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 bán daãn coù doøng ñieän Keát luaän : Doøng ñieän baùn daãn tinh khieát laø dòng chuyển dời có hướng đồng thời các electron và lỗ trống tác dụng điện trường ngoài III Sự dẫn điện bán dẫn chứa tạp chất a Bán dẫn loại n : Giả sử pha vào tinh thể silic lượng nhỏ các nguyên tử P Nguyên tử P có electron lớp ngoài cùng, electron số đó tham gia vào liên kết cộng hóa trị với nguyên tử silic gần còn electron thứ P thì liên kết yếu với hạt nhân và dễ dàng tách khỏi nguyên tử để trở thành electron tự Keát quaû : - Mật độ electron lớn so với mật độ lỗ trống bán dẫn loại n - Trong bán dẫn loại n hạt mang điện là electron, coøn loã troáng laø haït mang ñieän khoâng cô baûn GV : ĐỖ HIẾU THẢO các nguyên tử silic thành tinh thể Si thông qua các mối liện kế cộng hóa trị đã tạo nên tính là quanh nguyên tử Si dường có electron, tức là có lớp electron đầy Muốn bực electron khỏi nguyên tử để thành eclectron tự do, tham giavào dẫn điện, thì cần tốn lượng Có thể tăng lượng cách tăng nhiệt độ tinh thể, tức là làm tăng nội nó Do vậy, nhiệt độ trên OK, đã có vài eclectron thu lượng cần thiết Nhiệt độ càng cao, càng có nhiều electron thoát khỏi liện kết Khái niệm vể lỗ trống làn đầu tiên học sinh biết đến Cách giải thích SGK tạo thành lỗ trống là laø moät caùch giaûi thích ñôn giaûn, giuùp cho hoïc sinh deå hình dung ( Muoán giaûi thích đày đủ chính xác lỗ trống, cần sử dụng lí thuyết dãy lượng) Học sinh cần thaáy laø baùn daãn tinh khieát, moãi có electron tự tạo thành thì cuõng coù moät loã troáng xuaát hieän Vì theá ta nói có phát sinh các cặp electron – lỗ troáng Qúa trình ngược lại là tái hợp, làm cặp electron lỗ trống Ở nhiệt độ, có cân động phát sinh Lop11.com GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11 Si Si Loã troáng eâlectron tự Si Si Tinh thể Si nhiệt độ tương đối cao có phát sinh êlectron - lỗ trống Suy nghó vaø thaûo luaän nhoùm Cá nhân xây dựng bài học Thảo luận nhóm và trả lời VAÄT LYÙ PB 11: 43 -3 /7 (4) TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI b Bán dẫn loại p : Giả sử pha vào tinh thể silic lượng nhỏ các nguyên tử B Nguyên tử B có electron lớp ngoài cuøng, electron naøy tham gia vaøo lieân keát coäng hoùa trò với nguyên tử silic gần Vậy nguyên tử B còn thiếu electron để tham gia vào liên kết với nguyên tử silic gần Do đó nó chiếm electron nguyên tử gần nhất, electron vừa đã để lại sau nó lỗ trống Keát quaû : - Mật độ lỗ trống lớn so với mật độ electron bán dẫn loại p - Trong bán dẫn loại p, hạt mang điện là lỗ trống coøn electron laø haït mang ñieän khoâng cô baûn IV Lớp tiếp xúc loại bán dẫn p và n : a Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n Khi có loại bán dẫn p và n đặt tiếp xúc thì có khuyếch tán electron tự từ phần bán dẫn n sang p và lỗ trống khuyếch tán từ phần bán dẫn p sang n, kết là mặt phân cách bán dẫn hình thành lớp tieáp xuùc tích ñieän döông veà phía baùn daãn n vaø tích ñieän âm phía bán dẫn p Do đó lớp tiếp xúc có điện trường E hướng từ n sang p làm ngăn cản khuyếch tán các hạt mang điện Do có khuyếch tán nói trên nên số hạt mang điện sát hai bên lớp tiếp xúc giảm nên điện trở lớp tiếp xúc lớn b Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n : - Khi nối bán dẫn loại p vào cực dương, bán dẫn loại n vào cực âm nguồn điện Điện trường E nguồn điện tạo hướng từ p sang n làm cho hạt mang điện GV : ĐỖ HIẾU THẢO GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11 và tái hợp, làm cho số cặp electron – lỗ Si Si troáng Trong baùn daãn coù moät giaù trò xaùc eâlectron tự định ( người ta hay nói là mật độ cặp Si P+ electron – lỗ trống, tức là số cặp ñôn vò theå tích baùn daãn, coù giaù trò xaùc Taïp chaát P taïo theâm eâlectron định) Nhiệt độ càng cao, số electron và lỗ trống càng lớn, đó điện trở suất càng nhỏ, bán dẫn dẫn điện càng tốt Có thể dụng công thức (25.5) mật độ dòng điện để nói rõ điều này Nếu đặt moät hieäu ñieän theá xaùc ñònh vaøo maãu baùn dẫn, thì nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải ñieän n0 taêng leân maïnh laøm j taêng maïnh, Si Si ứng với điện trở suất bán dẫn giảm Loã troáng mạnh Nếu xét với kim loại, thì nhiệt độ tăng, nồng độ electron tự Si B n0 không đổi, u lại giảm vì va chạm Taïp chaát B taïo electron với các nút mạng tinh thể theâm loã troáng tăng lên ; kết qủa là j giảm, ứng với điện trở suất kim loại tăng lên ;kết qủa là j giảm, ứng với điêd5n trở suất kim loại tăng lên.đây là câu trả lời cho H1 Neuá chiếu ánh sáng thích hợp vào bán dẫn, ta có thể cung cấp lượng đủ để Ghi nhớ taïo thaønh caëp electron – loã troáng Nhö vaäy, ánh sáng làm tăng nhiệt độ hạt tải điện, và làm tăng độ dẫn điện bán dẫn Sự dẫn điện bán dẫn có tạp chất tính chất dẫn điện bán dẫn : Tạp Lop11.com VAÄT LYÙ PB 11: 43 -4 /7 (5) TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI 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 nguồn điện Điện trường E nguồn điện tạo hướng từ n sang p làm cho hạt mang điện không di chuyển qua lớp tiếp xúc, có hạt mang điện không qua lớp tiếp xúc tạo dòng điện có cường độ nhỏ gọi là dòng điện ngược Kết luận : Lớp tiếp xúc p-n dẫn điện theo chiều từ p sang n Sự dẫn điện bán dẫn tinh khiết p n p n Et Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n GV : ĐỖ HIẾU THẢO chất làm thay đổi loại hạt tải điện bán dẫn và nồng độ hạt tải điện bán dẫn và nồng độ hạt tải điện Do hiểu chế tượng này, nên kỹ thuật, người ta có thể chủ động pha các tạp chất thích hợp để thu các bán dẫn có tính chất mong muốn Khi taïp chaát coù maët tinh theå, tính chất liên kết nguyên tử hợp chất khác với liên kết các nguyên tử bán dẫn chủ Điều đó có thể dẫn đến tạo thành điện tử electron tự lỗ trông tùy theo loại tạp chất Tong SGK, ta xét hai trường hợp điển hình và hay gặp đó là bán dẫn Si pha với P với B từ đây, GV làm cho học sinh hiểu rằng, tạp chất laøm hình thaønh caùc haït taûi chæ thuoäc moät loại, mà không phải là cặp electron lỗ troáng nhö baùn daãn tinh khieát Cần chú ý các trương hợp thông thường, ta xét nhiệt độ phòng, thì bán dẫn đã có electron tự và lỗ trống tạo thành, gây nên dẫn điện riêng bán dẫn Tuy nhiên, với bán dẫn Si thì nhiệt độ phòng, nồng độ electron rỗng và nồng độ dẫn điện riêng là raát thaáp Chính vì vaäy maø chæ caàn moät lượng tạp chất nhò, thì số hạt tải số nào đó tăng lên nhiều lần so với số hạt tải Lop11.com GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11 Theo dõi SGK và trả lời caâu hoûi Tham gia đóng góp xây dựng bài Ghi nhớ Ghi nhớ VAÄT LYÙ PB 11: 43 -5 /7 (6) TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI En p n Et Lớp chuyển tiếp p – n mắc vào nguoàn ñieän theo chieàu thuaän c Đặc trưng vôn-ampe lớp chuyển tiếp p-n Khảo sát biến thiên cường độ dòng điện theo hiệu điện thế, ta có thể thu đường đặc trưng vôn ampe lớp chuyển tiếp p-n trên hình 43.10 GV : ĐỖ HIẾU THẢO GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11 loại loại đó dẫn điện riêng Kết qủa là số hạt tải loại này lớn nhiều so với loại hạt tải trái dấu với nó, và trở thành hạt tải điện đa số Để hiễu điều này cách định lượng, có thể sử dụng vaø khai thaùc baøi taäp Lớp chuyển tiếp p – n Khi khảo sát hình thành lớp chuyểp tiếp p – n, cẩn đặc biệt nhấn mạnh đến khác Ghi nhớ nồng độ electron và lỗ trống hai bên lớp chuyển tiếp Chính chênh lệch nồng độ đã dẫn đến khếch tán ưu tiên loại hạt tải theo chiều : lỗ trống từ phía bán dẫn p sang phía n, Xem SGK electron từ phía n sang phía p khếch tán theo chiều ngược hai loại mang điện tích trái dấu dẫn đến hình thành điện trường E t lớp chuyển tiếp, có tác dụng ngăn cản khếch tán Điện trường tron đạt giá trị ổn định hai xu hướng cân Ơû hai bên lớp chuyển tiếp mắc vào nguồn điện ngoài, trạng thái cân bị thay đổi Nếu lớp chuyển tiếp phân cực thuận, chuyển động các hạt tải qua lớp chuyển tiếp tăng cường, tạo nên dòng điện thuận có cường độ lớn Nếu lớp chuyển tiếp phân cực ngược, chuyển động các hạt tải Lop11.com VAÄT LYÙ PB 11: 43 -6 /7 (7) TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI Tính chất lớp chuyển tiếp p-n ứng dụng nhiều duïng cuï baùn daãn nhö ñioât, tranzito…Ï I U O qua lớp chuyển tiếp tăng cường, cường độ dòng điện ngược là nhỏ Vậy lớp chuyển tiếp dẫn điện cách đáng kể theo nột chiều Khi giảng đường đặc trưng Vôn – Ampe, lớp chuyển tiếp p – n, cần giải thích cho học sinh biết nó cho ta thông tin gì độ lớn và chiều dòng điện qua lớp chuyển tiếp, qua đó nói tác dụng chỉnh lưu lớp chuyển tiếp Có theå cho hoïc sinh bieát qua veà caùch xaùc ñònh đường đặc trưng Vôn – Ampe thực nghiệm Điều này tìm hiểu kĩ và thực bài thực hành bài 46 Yeâu caàu nhaéc laïi : Nhaán maïnh caùc noäi dung quan troïng Trả lời câu hỏi và làm bài tập SGK Chuẩn bị bài mới” Dụng cụ bán dẫn “ Cuûng coá baøi giaûng Daën doø cuûa hoïc sinh (5’) GV : ĐỖ HIẾU THẢO GIAÙO AÙN VAÄT LYÙ 11 Lop11.com HS tö löc VAÄT LYÙ PB 11: 43 -7 /7 (8)