HOẠT ĐỘNG I : NGHE THUYẾT TRèNH TRấN LỚP Cể THẢO LUẬN
4.1. KHÁI NIỆM CHẤT BÁN DẪN
Khỏi niệm: đĩ từ lõu, tuỳ theo tớnh chất của vật chất, người ta thường chia vật
chất làm hai loại là chất dẫn điện và chất cỏch điện. Từ đầu thế ký trước người ta đĩ chỳ ý đến chất bỏn dẫn điện (gọi tắt là chất bỏn dẫn).
Định nghĩa: chất bỏn dẫn là chất cú đặc tớnh dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện và chất cỏch điện.
Sự phõn chia trờn chỉ cú tớnh chất tương đối, vỡ điện trở suất của chất bỏn dẫn cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc, nếu chỉ dựa vào điện trở suất để định nghĩa thỡ chưa thể biểu thị đầy đủ cỏc tớnh chất của cỏc chất bỏn dẫn.
Cỏc tớnh chất của chất bỏn dẫn:
Điện trở của chất bỏn dẫn giảm khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng khi nhiệt độ giảm. Một cỏch lý tưởng ở khụng độ tuyệt đối (- 2730C) thỡ cỏc chất bỏn dẫn đều trở thành cỏch điện. Điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi rất nhiều theo độ tinh khiết. Cỏc chất bỏn dẫn hồn tồn tinh khiết cú thể coi như cỏch điện khi ở nhiệt độ thấp. Nhưng nếu chỉ cú một chỳt tạp chất thỡ độ dẫn điện tăng lờn rất nhiều, thậm chớ cú thể dẫn điện tốt như cỏc chất dẫn điện.
Điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng. Cường độ ỏnh sỏng càng lớn thỡ điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi càng lớn .
Khi cho kim loại tiếp xỳc với bỏn dẫn hay ghộp hai loại bỏn dẫn N và P với nhau thỡ nú chỉ dẫn điện tốt theo một chiều. Ngồi ra, cỏc chất bỏn dẫn cú nhiều đặc tớnh khỏc nữa.
4.1.1. Chất bỏn dẫn thuần
Người ta đĩ nghiờn cứu và đưa ra kết luận: dũng điện trong cỏc chất dẫn điện là do cỏc điện tử tự do chạy theo một chiều nhất định mà sinh ra. Cũn dũng điện trong chất bỏn dẫn khụng những do sự di chuyển cú hướng của cỏc điện tớch õm (điện tử), mà cũn là sự di chuyển cú hướng của cỏc điện tớch dương (lỗ trống).
Vớ dụ: Một nguyờn tử gộcmani cú bốn điện tử ngồi cựng. Nú liờn kết với bốn
khỏ bền vững. Cho nờn ở nhiệt độ rất sẽ khụng cú thừa điện tử tự do, do đú khụng cú khả năng dẫn điện. Gọi là trạng thỏi trung hồ về điện.
Khi nhiệt độ tỏc động vào chất bỏn dẫn tăng lờn, thỡ điện tử lớp ngồi cựng được cung cấp nhiều năng lượng nhất. Một số điện tử nào đú cú đủ năng lượng thắng được sự ràng buộc của hạt nhõn thỡ rời bỏ nguyờn tử của nú, trở thành điện tử tự do, di chuyển trong mạng tinh thể. Chỗ của chỳng chiếm trước đõy trở thành lỗ trống và trở thành ion dương. Ion dương cú nhu cầu lấy một điện tử bờn cạnh để trở về trạng thỏi trung hồ về điện. Người ta coi ion dương đú cú một lỗ trống, khiến cho một điện tử bờn cạnh dễ nhảy vào lấp đi. Chỗ của điện tử này lại bỏ trống, nghĩa là lại tạo nờn một lỗ trống khỏc và lại cú một điện tử ở cạnh đú nhảy vào lấp chỗ trống. Cứ như vậy, mỗi khi cú một điện tử tự do thoỏt khỏi ràng buộc với hạt nhõn của nú, chạy lung tung trong mạng tinh thể, thỡ cũng cú một lỗ chạy trong đú. Thực chất, sự di chuyển của lỗ trống là do di chuyển của cỏc điện tử chạy tới lấp lỗ trống.
Trong chất bỏn dẫn tinh khiết bao giờ số điện tử và số lỗ trống di chuyễn cũng bằng nhau. Ở nhiệt độ thấp thỡ chỉ cú ớt cặp điện tử lỗ trống di chuyển. Nhưng nhiệt độ càng cao thỡ càng cú nhiều cặp điện tử, lỗ trống di chuyễn. Sự di chuyển này khụng cú chiều nhất định nờn khụng tạo nờn dũng điện. Nếu bõy giờ đấu thanh bỏn dẫn với hai cực dương, õm của một pin, thỡ giữa hai đầu thanh bỏn dẫn cú một điện trường theo chiều từ A đến B (hỡnh 3.12.). Cỏc điện tử sẽ di chuyển ngược chiều điện trường, cỏc điện tử tới lấp lỗ trống cũng chạy ngược chiều điện trường. Dũng điện tử và dũng lỗ trống hợp thành dũng điện trong thanh bỏn dẫn. nhiệt độ càng tăng thỡ dũng điện càng lớn. B 0-- -> 0-- -> dịng lỗ trống 0---> dịng điện tử 0-- -> -> 0-- 0---> 0-- -> 0 -- -> o ---> 0---> 0---> 0---> 0-- -> -> 0-- 0---> 0-- -> _ 0-- -> 0-- -> 0---> E 0---> -------------> + E 0-- -> A -------------> 0---> 0--->
4.1.2 Chất bỏn dẫn loại P:
Bỏn dẫn loại P cũn gọi là bỏn dĩn lỗ trống hay bỏn dẫn dương. Nếu cho một ớt nguyờn tử Inđi (In) vào trong tinh thể gecmani tinh khiết thỡ ta thấy hiện tượng sau: nguyờn tử indi cú ba điện tử ở lớp ngồi cựng, nờn ba điện tử đú chỉ liờn kết với ba điện tử của ba nguyờn tử gecmani chung quanh. Cũn liờn kết thứ tư của inđi với một nguyờn tử gecmani nữa thỡ lại thiếu mất một điện tử, chỗ thiếu đú gọi là lỗ trống, do cú lỗ trống đú nờn cú sự di chuyển điện tử của nguyờn tử gộcmani bờn cạnh tới lấp lỗ trống và lại tạo nờn một lỗ trống khỏc, khiến cho một điện tử khỏc lại tới lấp. Do đú chất bỏn dẫn loại P cú khả năng dẫn điện. Lỗ trống coi như một điện tớch dương. Nguyờn tử inđi trước kia trung tớnh, nay trở thành ion õm, vỡ cú thờm điện tử.
Hiện tượng dẫn điện như trờn gọi là dẫn điện bằng lỗ trống. Chất bỏn dẫn đú là bỏn dẫn loại P hay cũn gọi là bỏn dẫn dương.
Nếu cú tạp chất hoỏ trị ba như inđi (In), bo (B), gali (Ga) vào cỏc chất bỏn dẫn hoỏ trị bốn như Ge, Si, C thỡ cú bỏn dẫn loại P.
Trong chất bỏn dẫn loại P, lỗ trống là những hạt mang điện tớch chiếm đa số. Số lượng lỗ trống phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, cũn số cỏc cặp điờn tử - lỗ trống do phỏ vỡ liờn kết tạo thành thỡ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bỏn dẫn loại P thỡ dưới tỏc động của điện trường E, cỏc lỗ trống (đa số) và cỏc cặp điện tử - lỗ trống đang di chuyễn lung tung theo mọi hướng sễ phải di chuyển theo hướng quy định. Nhờ đú trong mạch cú dũng điện. Dũng điện do lỗ trống sinh ra lớn hơn nhiều so với dũng điện do cặp điện tử - lỗ trống. Vỡ thế trong bỏn dẫn loại P cỏc lỗ trống là điện tớch đa số.
4.1.3 Chất bỏn dẫn loại N:
Bỏn dẫn loại N cũn gọi là bỏn dẫn điện tử hay bỏn dẫn õm. Nếu cho một ớt tạp chất asen (As) vào tinh thể gecmani (Ge) tinh khiết ta thấy hiện tượng sau: nguyờn tử asen cú năm điện tử ở lớp ngồi cựng, nờn chỉ cú 4 điện tử của asen kết hợp với bốn điện tử liờn kết giữa asen và bốn nguyờn tử gecmani, cũn điện tử thứ năm thỡ thừa ra. Nú khụng bị ràng buộc với một nguyờn tử gecmani nào, nờn trở thành điện
tử tự do chạy lung tung trong tinh thể chất bỏn dẫn. Do đú, khả năng dẫn điện của loại bỏn dẫn này tăng lờn rất nhiều so với chất bỏn dẫn thuần. Nồng độ tạp chất asen càng cao thỡ số điện tử thừa càng nhiều và chất bỏn dẫn càng dẫn điện tốt. Hiện tượng dẫn điện như trờn gọi là dẫn điện bằng điện tử. Chất bỏn dẫn đú gọi là chất bỏn dẫn N,
Nếu cho tạp chất hoỏ trị 5 như phốt pho (P), asen (As), antimoan (Sb) vào cỏc chất hoỏ trị 4 như gecmani (Ge), silic (Si), cacbon (C) ta cú bỏn dẫn N. Trong chất bỏn dẫn loại N thỡ cỏc điện tử thừa là cỏc hạt điện tớch õm chiếm đa số. Số lượng điện tử thừa phụ thuộc nồng độ tạp chất. Cũn số cỏc cặp điện tử - lỗ trống do phỏ vỡ liờn kết tạo thành thỡ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bỏn dẫn loại N, thỡ dưới tỏc động của điện trường E, cỏc điện tử thừa và cỏc cặp điện tử - lỗ trống đang di chuyễn lộn xộn sẽ phải di chuyển theo hướng nhất định: điện tử chạy ngược chiều điện trường cũn cỏc lỗ trống chạy cựng chiều điện trường. Nhờ đú trong mạch cú dũng điện. Dũng điện do cỏc điện tử thừa sinh ra lớn hơn nhiều so với dũng điện do cỏc cặp điờn tử - lỗ trống tạo nờn . Vỡ thế cỏc điện tử thừa này gọi là điện tớch đa số.
Ưu nhược điểm của linh kiện bỏn dẫn:
- Ưu điểm:
- Linh kiện bỏn dẫn khụng cú sợi nung, nờn khụng cần nguồn sợi nung, vừa
khụng tốn điện vừa trỏnh được nhiễu tạp do sợi nung gõy ra.
- Linh kiện bỏn dẫn cú thể tớch nhỏ gọn, dễ lắp rỏp. - Linh kiện bỏn dẫn cú tuổi thọ tương đối dài.
Nhược điểm:
- Linh kiện bỏn dẫn cú điện ỏp ngược nhỏ hơn so với đốn điện tử chõn khụng, - Linh kiện bỏn dẫn cú dũng điện ngược (Dũng rỉ),
- Linh kiện bỏn dẫn cú điện trở ngược khụng lớn, lại khụng đồng đều, - Cỏc thụng số kĩ thuật của linh kiện bỏn dẫn thay đổi theo nhiệt độ.