- 39 Tƣờng minh: 12%
2.5.1. Bài 1: Dũng điện trong chất bỏn dẫn
2.5.1.1. Cỏc đơn vị kiến thức cần xõy dựng và hệ thống cỏc cõu hỏi tương ứng
Bài học gồm cú bốn đơn vị kiến thức cần đƣợc xõy dựng Đơn vị kiến thức một: Tớnh chất điện của bỏn dẫn.
Cõu hỏi 1: Tớnh chất điện của bỏn dẫn khỏc với kim loại ở điểm nào? Chất bỏn dẫn cú những tớnh chất điện đặc biệt gỡ đƣợc sử dụng rất rộng rói?
Trả lời: Điện trở suất của chất bỏn dẫn cú giỏ trị trung gian giữa kim loại và điện mụi. Ở nhiệt độ thấp bỏn dẫn dẫn điện rất kộm, ở nhiệt độ cao, bỏn dẫn trở thành chất dẫn điện rất tốt. Tớnh chất điện của chất bỏn dẫn phụ thuộc rất mạnh vào sự cú mặt của tạp chất cú trong mạng tinh thể.
Đơn vị kiến thức hai: Sự dẫn điện của bỏn dẫn tinh khiết.
Cõu hỏi 2: Dũng điện trong chất bỏn dẫn tinh khiết đƣợc hỡnh thành nhƣ thế nào? Bản chất của dũng điện trong chất bỏn dẫn tinh khiết là gỡ?
- 43 -
Silic là nguyờn tố cú hoỏ trị bốn, khi hợp thành mạng tinh thể mỗi nguyờn tử liờn kết với bốn nguyờn tử gần nú nhất bằng liờn kết cộng hoỏ trị. Ở nhiệt độ thấp, cỏc liờn kết đú đều rất bền vững, bỏn dẫn khụng cú hạt mang điện tự do và tinh thể silic khụng dẫn điện.
Nhƣng ở nhiệt độ tƣơng đối cao, một số liờn kết trong mạch tinh thể bị phỏ vỡ, do đú một số electrụn đƣợc giải phúng, trở thành ờlectrụn tự do và xuất hiện cỏc lỗ trống, cú thể tham gia vào quỏ trỡnh dẫn điện. Nhiệt độ càng cao thỡ số liờn kết bị phỏ vỡ càng nhiều, do đú số ờlectrụn tự do và cỏc lỗ trống cũng tăng lờn. Do đú ở nhiệt đụi tƣơng đối cao trong tinh thể bỏn dẫn là chất dẫn điện tốt.
Vậy: Dũng điện trong chất bỏn dẫn tinh khiết là dũng chuyển dời cú hướng đồng thời của cỏc ờlectrụn tự do và lỗ trống dưới tỏc dụng của điện trường.
Đơn vị kiến thức ba: Sự dẫn điện của bỏn dẫn cú tạp chất. Cõu hỏi 3:
Tại sao độ dẫn điện của chất bỏn dẫn phụ thuộc rất mạnh vào sự cú mặt của tạp chất?
Trả lời: Thành phần của tạp chất cú ảnh hƣởng đến bản chất dũng điện bỏn dẫn. Tuỳ theo loại tạp chất pha vào bỏn dẫn tinh khiết, cỏc bỏn dẫn đƣợc chia ra làm hai loại: bỏn dẫn loại n và bỏn dẫn loại P. Khi pha thờm tạp chất húa trị ba hoặc húa trị năm vào bỏn dẫn thuần húa trị bốn, thỡ cỏc nguyờn tử lạp chất liờn kết với mạng tinh thể bỏn dẫn thuần làm xuất hiện cỏc electron tự do và lỗ trống. Do đú nồng độ cỏc hạt tải điện tăng lờn rất nhiều làm cho độ dẫn điện của chất bỏn dẫn tăng lờn rất nhiều.
Đơn vị kiến thức bốn: Lớp chuyển tiếp p - n
Cõu hỏi 4: Lớp chuyển tiếp p-n đƣợc hỡnh thành nhƣ thế nào? Đặc điểm của dũng điện qua lớp chuyển tiếp p-n?
Trả lời:
Cho bỏn dẫn loại p và bỏn dẫn loại n tiếp giỏp với nhaucú sự khuếch tỏn của cỏc hạt cơ bản quan lớp tiếp giỏp p – n, kết quả giữa lớp tiếp giỏp p – n hỡnh
- 44 -
thành một điện trƣờng bờn trong hƣớng từ n sang p gọi là điện trƣờng tiếp xỳc (hay cũn gọi là điện trƣờng bờn trong). Khi sự khuếch tỏn dừng lại thỡ cƣờng độ điện trƣờng này đạt đạt giỏ trị ổn định. Khi đú chỗ tiếp xỳc đó hỡnh thành lớp chuyển tiếp p –n cú điện trở lớn vỡ ở đú hầu nhƣ khụng cú hạt tải điện tự do.
2.5.1.2. Sơ đồ tiến trỡnh xõy dựng kiến thức
Sơ đồ 1: Tớnh chất điện của bỏn dẫn.
- Giới thiệu một số chất bỏn dẫn điển hỡnh và đƣợc dựng phổ biến. - Nờu cỏc tớnh chất khỏc biệt của bỏn dẫn so với kim loại.
Tớnh chất điện của bỏn dẫn khỏc với kim loại ở điểm nào? Chất bỏn dẫn cú những tớnh chất điện đặc biệt gỡ đƣợc sử dụng rất rộng rói?
Nhớ lại cỏc tớnh chất điện của kim loại. Sự hỡnh thành và bản chất của dũng điện trongn kim loại. Qua đú tỡm hiểu cỏc tớnh chất điện của bỏn dẫn .
Dựa vào bảng biểu thị điện trở suất của kim loại, bỏn dẫn và điện mụi, đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc điện trở suất của bỏn dẫn vào nhiệt độ, nờu đƣợc ba tớnh chất điện cơ bản của bỏn dẫn.
- 45 -
Sơ đồ 2. Sự dẫn điện của bỏn dẫn tinh khiết
- Từ cỏc vớ dụ về cỏc chất bỏn dẫn, ở nhiệt độ rất thấp là chất điện mụi nhƣng ở nhiết độ cao thỡ bỏn dẫn là vật dẫn điện tốt.
- Xột cấu trỳc mạng của tinh thể Silic: Si cú húa trị 4 (cú 4 electron húa trị). Khi tham gia liờn kết mạng mỗi nguyờn tử Si liờn kết với 4 nguyờn tử Si liờn kề bằng liờn kết cộng húa trị. - Ở nhiệt độ thấp (gần 00K) cỏc liờn kết rất chặt chẽ khụng cú hạt tải điện trong tinh thể Si nờn bỏn dẫn Si khụng dẫn điện. - Ở nhiệt độ cao, một số electron liờn kết đƣợc giải phúng trở thành electron tự do để lại cỏc lỗ trống mang điện dƣơng. Cỏc electron tự do và lỗ trống tham gia vào quỏ trỡnh dẫn điện.
-Dựa trờn cỏc tớnh chất điện của kim loại.
-Dựa vào cấu trỳc tinh thể của chỏt bỏn dẫn tinh khiết điển hỡnh là Silic, sự liờn kiết cộng húa trị của mạng tinh thể, thuyết electron để giải thớch sự tạo thành của cỏc hạt tải điện trong mạng tinh thể bỏn dẫn khi ở nhiệt độ cao. Qua đú nờu đƣợc bản chất của dũng điện trong bỏn dẫn tinh khiết.
Dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết
đ-ợc hình thành nh- thế nào? Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết là gì?
- 46 -
Sơ đồ 3. Sự dẫn điện của bỏn dẫn chứa tạp chất
ơ đồ 3. Sự dẫn điện của bỏn dẫn cú tạp chất
- Độ dẫn điện của bỏn dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.
- Bản chất của dũng điện trong chất bấn dẫn là dũng chuyển dời cú hƣớng của cỏc electron và lỗ trống
- Pha thờm tạp chất húa trị 5 vào bỏn dẫn tinh khiết húa trị 4, khi tham gia liờn kết mạng, mỗi nguyờn tử húa trị 5 cũn thừa một electron húa trị liờn kết yếu với hạt nhõn nguyờn tử, dễ dàng tỏch khỏi nguyờn tử trở thành electron tự do tham gia dẫn điện.
Tại sao độ dẫn điện của chất bỏn dẫn phụ thuộc rất mạnh vào sự cú mặt của
tạp chất?
Dựa vào cấu trỳc tinh thể của chỏt bỏn dẫn tinh khiết điển hỡnh là Silic, sự cú mặt của cỏc nguyờn tử tạp chất tham gia liờn kết mạng trong tinh thể, do đú cựng với sự dẫn điện riờng của bỏn dẫn tinh khiết, cũn cú sự dẫn điờn do tạp chất gõy ra