7. Cấu trúc luận văn
2.3.3. bài học 44 Dòng điện trong bán dẫn
2.3.3.1. Nội dung bài học và sơ đồ xây dựng nội dung bài học.
* Phát hiện vấn đề:
- Điện môi (ĐM) không dẫn điện vì không chứa hạt tải điện tự do. Điện trở suất của ĐM lớn, không phụ thuộc nhiệt độ.
- KL dẫn điện do chứa electron tự do. Điện trở suất ρ của KL phụ thuộc nhiệt độ như hình 1. Những đặc tính của dòng điện trong KL ta đã được học.
- Ngoài ĐM, KL, trong tự nhiên còn có những chất được gọi là bán dẫn (BD). Điện trở suất của BD cũng phụ thuộc nhiệt độ nhưng lại được biểu diễn như hình 2. (vậy ở nhiệt độ bé thì BD cách điện như ĐM; ở nhiệt độ cao thì BD dẫn điện như KL; BD có nhiều ứng dụng trong thực tiễn).
(?) Vấn đề cần nghiên cứu là: Cơ chế dẫn điện, đặc tính dẫn điện của BD như thế nào?
ρKL 0 t0 (Hình 1) ρBD 0 t0 (Hình 2)
* Giải quyết vấn đề và kết quả (kiến thức về điện bán dẫn):
- Xét cho BD tinh khiết (đại diện là Si với hoá trị là 4):
+ Loại liên kết của các nguyên tử Si trong mạng tinh thể: liên kết cộng hoá trị. + ở nhiệt độ thấp: liên kết đó bền vững nên trong mạng Si không chứa hạt tải điện tự do (giống ĐM). ở nhiệt độ cao: liên kết đó kém bền vững, thậm chí bị phá vỡ khi nhiệt độ khá cao nên trong mạng Si xuất hiện các electron tự do, đồng thời xuất hiện các ion dơng (lỗ trống). (BD giống KL và dung dịch điện phân về các hạt tải điện).
+ Cơ chế di chuyển electron tự do và “di chuyển” của lỗ trống tạo nên dòng điện trong BD tinh khiết (khi đặt BD trong điện trờng E ).
- Xét cho BD tạp chất (tạp chất cho và tạp chất nhận): + BD điện tử hay BD loại n (tạp chất cho):
. Pha tạp chất có hoá trị cao hơn hoá trị của BD tinh khiết (ví dụ As hoá trị 5 đ- ợc pha vào Si hoá trị 4).
. Cơ chế liên kết trong mạng tinh thể BD tạp chất vẫn là liên kết cộng hoá trị nh- ng có d electron từ tạp chất.
. Hạt tải điện tự do: chủ yếu là electron. + BD lỗ trống hay BD loại p (tạp chất nhận):
. Pha tạp chất có hoá trị thấp hơn hoá trị của BD tinh khiết (ví dụ: tạp chất Bo hoá trị 3 đợc pha vào Si hoá trị 4).
. Cơ chế liên kết trong mạng vẫn là liên kết cộng hoá trị nhng do thiếu một electron cho nguyên tử tạp chất, xuất hiện lỗ trống. Lỗ trống này sẵn sàng nhận thêm electron xung quanh nên tạo nên nhiều lỗ trống mới.
. Hạt tải điện tự do chủ yếu là lỗ trống.
* Tổng kết bài học
- Hạt tải điện tự do và bản chất dòng điện trong BD loại n. - Hạt tải điện tự do và bản chất dòng điện trong BD loại p.
2.3.3.2. Bài học thiết kế.
2.3.3.2.1. Mục tiêu dạy học. a. Về kiến thức.
- Nêu đợc các tính chất khác biệt của bán dẫn so với kim loại.
- Nêu đợc mô hình dòng điện trong bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại n, bán dẫn loại p.
b. Về kỹ năng
Trình bày mô hình dòng điện trong tinh thể Si, trong tinh thể Si có pha tạp chất As hoặc Bo; dùng mô hình đó giải thích đợc các kết quả thí nghiệm.
2.3.3.2.2. Công tác chuẩn bị. a. Giáo viên.
- Hai tranh vẽ 44.2, 44.3 SGK
- Bộ TN khảo sát sự thay đổi điện trở của Cu, Si theo nhiệt độ.
b. Học sinh :
Ôn tập lại kiến thức về bản chất dòng điện trong các môi trờng.
2.3.3.2.3. Tiến trình dạy học.
* Tình huống 1: Ôn tập, củng cố trình độ kiến thức xuất phát (5 phút)
Si Si Si Si Si Si Si As Si Si Si Si Si Si e
Bản chất chung của dòng điện trong các môi trờng là gì? Môi trờng có thể cho dòng điện chạy qua phải có điều kiện gì? Điện trở suất của một môi trờng phụ thuộc vào những yếu tố nào?
* Tình huống 2: Đề xuất vấn đề cần nghiên cứu (5 phút)
- Nhắc lại trả lời của học sinh.
- Nêu cho học sinh biết điện trở suất của kim loại (dẫn điện rất tốt) ρ = 10-5 Ωm;
của điện môi (chất dẫn điện rất kém coi nh không dẫn điện), ρ = 1010 Ωm. Còn lại những chất điện trở suất nằm trong khoảng trên đợc gọi là KL hay điện môi? Chúng có tính chất điện nh thế nào ? Những chất có điện trở suất nằm trong khoảng này nh: Si,Se,Cd,Te… có rất nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và đời sống, đặc biệt là ứng dụng trong công nghệ thông tin. Vì sao nó có nhiều ứng dụng nh vậy? Bài này chúng ta sẽ nghiên cứu sự dẫn điện của các chất đó.
* Tình huống 3: Tìm hiểu hạt tải điện trong bán dẫn tinh khiết (15 phút) Hoạt động hợp tác giữa giáo viên và hs Nội dung bài học
- Từ hiểu biết thực tế, em hãy dự đoán về khả năng dẫn điện của Cu, Si chất nào dẫn điện tốt hơn? và sự thay đổi điện trở của Cu và Si khi nhiệt độ thay đổi?
- Giáo viên thông báo: Các thí nghiệm đo chính xác thấy rằng: ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối Cu dẫn điện rất tốt, nó trở thành vật siêu dẫn, còn Si thì không dẫn điện. ở nhiệt độ phòng điện trở suất của Cu là 1,68.10-8Ωm
điện trở suất của Si là 0,25.104Ωm.
- Giáo viên tổng kết: Bình thờng Si là chất dẫn điện kém, ở nhiệt độ rất thấp gần độ
1. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết.
Bán dẫn là chất có điện trở suất nằm trong khoảng từ 10-5Ωm đến 1010Ωm.
a. Đặc tính dẫn điện của bán dẫn.
- Điện trở của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng.
- Điện trở của bán dẫn phụ thuộc vào điện trờng và cờng độ của chùm sáng chiếu vào…
không tuyệt đối Si là chất cách điện, khi nhiệt độ tăng điện trở suất của Si giảm rất nhanh. Si và các chất có tính chất điện giống nh Si gọi là chất bán dẫn. Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc điện trở suất của bán dẫn vào nhiệt độ. - Vậy, chất bán dẫn là chất nh thế nào?
- Chuyển tiếp: Vì sao ở nhiệt độ gần 0k Si không dẫn điện? Vì sao khi nhiệt độ tăng điện trở của nó giảm mạnh? Có mô hình nào cho phép giải thích đợc sự kiện này?
- Liên hệ với mô hình chung về dòng điện trong các môi trờng, từ mô hình cấu trúc liên kết của các nguyên tử trong tinh thể Si giải thích sự xuất hiện hạt tải điện trong tinh thể đó?
- Gv thể chế hoá mô hình cấu trúc này và dùng hình vẽ phóng to để hình dung rõ cấu trúc liên kết đó.
- Từ mô hình liên kết giữa các nguyên tử trong tinh thể Si nh trên thì hạt tải điện trong tinh thể Si là loại điện tích nào?
+ HS trả lời: đó là electron và lỗ trống.
- GV nhắc lại kết luận của học sinh. Bổ sung thêm: bên cạnh sự phát sinh ra cạp e và lỗ trống, luôn xảy ra quá trình tái hợp e và lỗ trống, trong đó một e tự do chiếm một mối
thuộc mạnh vào tạp chất có mặt trong nó.
b. Sự dẫn diện của bán dẫn tinh khiết.
ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, electron hoá trị trong Si liên kết chặt với lỏi nguyên tử, khi nhiệt độ tăng, một số nguyên tử có động năng lớn sẽ làm đứt liên kết, electron ở mối liên kết đó trở thành electron tự do và chổ liên kết bị mất electron đóng vai trò là điện tích dơng (lỗ trống) coi nh có thể di chuyển tự do, mật độ electron luôn bằng mật độ lỗ trống (ni = pi).
liên kết bị trống và trở thành e liên kết. Càng có nhiều e và lỗ trống đợc tạo thành thì càng nhiều cặp bị tái hợp. Khi trạng thái cân bằng đợc thiết lập thì trong bán dẫn tồn tại các hạt tải điện với mật độ nhất định.
- Mật độ của hai loại hạt tải điện có liên hệ với nhau nh thế nào? Khi nhiệt độ của bán dẫn thay đổi thì mật độ và độ linh động của các hạt tải điện thay đổi nh thế nào?
- Vận dụng giả thuyết vừa nêu, giải thích vì sao khi nhiệt độ tăng điện trở của Si giảm? - Giáo viên khái quát kết luận SGk và nói thêm: Mật độ hạt tải điện trong bán dẫn không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào điện trờng, cờng độ ánh sáng chiếu vào.
Khi nhiệt độ tăng mật độ của hạt tải điện trong Si tăng và độ linh động của nó giảm, sự tăng của mật độ hạt tải điện nhanh hơn sự giảm của độ linh động.
Vậy: Dòng điện trong bán dẫn tinh khiết là dòng chuyển dời có hớng, đồng thời của các electron và lỗ trống dới tác dụng của điện trờng.
* Tình huống 4: Tìm hiểu hạt tải điện trong bán dẫn tạp chất (15 phút) Hoạt động hợp tác giữa giáo viên và học sinh Nội dung bài học
- Gv đặt vấn đề: Bằng thực nghiệm ngời ta thấy rằng tính chất điện của bán dẫn tinh khiết thay đổi rất nhiều khi pha thêm tạp chất. Ví dụ khi pha As hoặc Bo (với nồng độ cỡ 1015/cm3) vào bán dẫn Si ngời ta thấy rằng ở nhiệt độ không quá lớn (từ -1000C đến 2000C) điện trở suất của nó giảm đi nhiều so với bán dẫn tinh khiết. Trong khoảng nhiệt độ này, khi nhiệt độ tăng
2. Sự dẫn điện của bán dẫn tạp chất.
thì điện trở suất của bán dẫn lại tăng giống nh kim loại. Vấn đề đặt ra là: Tại sao điện trở suất của Si có pha As hoặc Bo lại giảm đi so với Si tinh khiết? Tại sao khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của nó lại tăng giống kim loại?
* Ta xét trờng hợp cụ thể khi pha As vào tinh thể Si:
- Gv gợi ý: khi pha As vào tinh thể Si mật độ hạt tải điện tăng.
- Nêu mô hình cấu trúc liên kết của các nguyên tử trong tinh thể Si có pha As nh thế nào để giải thích sự thay đổi mật độ hạt tải điện nh trên?
Hy vọng rằng học sinh có thể dựa vào mô hình cấu trúc liên kết của các nguyên tử để trả lời câu hỏi trên:
+ khi pha As vào Si các nguyên tử As thế vào một số vị trí của nguyên tử Si. Vì nguyên tử As có 5 e hoá trị, nhiều hơn số e hoá trị của Si nên trong liên kết sẽ d một e hoá trị, các e hoá trị dễ dàng rời bỏ nguyên tử As trở thành e tự do và làm cho mật độ e tự do tăng lên.
- Nếu pha As vào tinh thể Si làm tăng mật độ e, thì mật độ lỗ trống có thay đổi không?
+ Khi pha As vào Si mật độ e tự do tăng, sự tái hợp giữa e tự do và lỗ trống tăng lên làm cho mật độ lỗ trống giảm, từ đó mật độ e tự do lớn
hơn lỗ trống.
- Tại sao điện trở suất của Si khi pha As lại giảm xuống so với Si tinh khiết? Tại sao khi đó nếu nhiệt độ tăng điện trở suất của nó lại tăng giống nh kim loại?
+ Với mật độ nguyên tử As pha vào đủ lớn thì có thể làm cho mật độ hạt tải điện trong Si lúc này lớn hơn nhiều so với mật độ hạt tải điện trong Si tinh khiết. Khi nhiệt độ cha lớn lắm, mật độ hạt tải điện chủ yếu do tạp chất gây ra, mật độ hạt tải điện xấp xỉ bằng mật độ tạp chất, nhiệt độ tăng thì sự tăng mật độ hạt tải điện nhỏ hơn so với sự giảm của độ linh động, nên điện trở suất của môi trờng tăng.
- Giáo viên khái quát lại đầy đủ:
Khi pha As vào Si, các nguyên tử As thế vào một số vị trí của nguyên tử Si, e hoá trị vợt trội của As dễ dàng trở thành e tự do làm cho mật độ e tự do tăng lên, do đó mật độ e tự do có thể lớn hơn nhiều mật độ lỗ trống, ở nhiệt độ không quá lớn hoặc quá nhỏ, mật độ e tự do bằng mật độ nguyên tử As.
Khi nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải điện hầu nh không tăng còn độ linh động của hạt tải điện thì giảm.
- Giáo viên thông báo những nghiên cứu khác về sự dẫn điện của các bán dẫn khác, ngời ta
- Bán dẫn điện tử (bán dẫn loại n): Khi pha tạp chất vào bán dẫn có thể làm cho mật độ e lớn hơn rất nhiều so với mật độ lỗ trống, bán dẫn lúc đó gọi là bán dẫn loại n, e gọi là hạt tải điện cơ bản, lỗ trống gọi là hạt tải điện không cơ bản.
thấy mô hình dòng điện trong Si có pha As cũng đợc áp dụng cho bán dẫn khác với tạp chất khác phù hợp với kết luận:
Khi pha tạp chất vào bán dẫn có thể làm cho mật độ e lớn hơn rất nhiều so với mật độ lỗ trống, bán dẫn lúc đó gọi là bán dẫn loại n, e gọi là hạt tải điện cơ bản, lỗ trống gọi là hạt tải điện không cơ bản.
* Ta xét trờng hợp cụ thể thứ 2 khi pha Bo vào tinh thể Si:
- Gv gợi ý: khi pha Bo vào tinh thể Si mật độ hạt tải điện tăng.
- Nêu mô hình cấu trúc liên kết của các nguyên tử trong tinh thể Si có pha Bo nh thế nào để giải thích sự thay đổi mật độ hạt tải điện nh trên?
Hy vọng rằng học sinh có thể dựa vào mô hình cấu trúc liên kết của các nguyên tử để trả lời câu hỏi trên:
khi pha B vào Si các nguyên tử B thế vào một số vị trí của nguyên tử Si. Vì nguyên tử B có 3 e hoá trị, ít hơn số e hoá trị của Si nên trong liên kết sẽ thiếu một e hoá trị, dễ dàng nhận một e ở liên kết đầy đủ gần đó và nh vậy tạo nên một lỗ trống, làm cho mật độ lỗ trống tăng lên.
thì mật độ e có thay đổi không?
+ Khi pha B vào Si mật độ lỗ trống tăng, sự tái hợp giữa e tự do và lỗ trống tăng lên làm cho mật độ e tự do giảm, từ đó mật độ lỗ trống lớn hơn e tự do.
- Tại sao điện trở suất của Si khi pha Bo lại giảm xuống so với Si tinh khiết? Tại sao khi đó nếu nhiệt độ tăng điện trở suất của nó lại tăng giống nh kim loại?
+ Với mật độ nguyên tử Bo pha vào đủ lớn thì có thể làm cho mật độ hạt tải điện trong Si lúc này lớn hơn nhiều so với mật độ hạt tải điện trong Si tinh khiết. Khi nhiệt độ cha lớn lắm, mật độ hạt tải điện chủ yếu do tạp chất gây ra, mật độ hạt tải điện xấp xỉ bằng mật độ tạp chất, nhiệt độ tăng thì sự tăng mật độ hạt tải điện nhỏ hơn so với sự giảm của độ linh động, nên điện trở suất của môi trờng tăng.
- Giáo viên khái quát lại đầy đủ:
Khi pha Bo vào Si, các nguyên tử Bo thế vào một số vị trí của nguyên tử Si, nguyên tử Bo dễ dàng bắt lấy e liên kết để sinh ra lỗ trống, làm cho mật độ lỗ trống tăng lên, do đó mật độ lỗ trống có thể lớn hơn nhiều mật độ e, ở nhiệt độ không quá lớn hoặc quá nhỏ, mật độ lỗ trống bằng mật độ nguyên tử Bo.
Khi nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải điện hầu nh
- Bán dẫn lỗ trống (bán dẫn loại p): Khi pha tạp chất vào bán dẫn có thể làm cho mật độ lỗ trống lớn hơn rất nhiều so với mật độ e, bán dẫn lúc đó gọi là bán dẫn
không tăng còn độ linh động của hạt tải điện thì giảm.
- Giáo viên thông báo những nghiên cứu khác về sự dẫn điện của các bán dẫn khác, ngời ta