Hotline 0939 629 809

Dòng điện trong chất Bán dẫn, Điôt (diode) bán dẫn và Tranzito có công dụng gì? Vật lý 11 bài 17

15:40:3509/11/2019

Chất bán dẫn hay linh kiện bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử phục vụ cho đời sống như Tivi, Tủ lạnh,... đây chính nguồn gốc cho sự bùng nổ công nghệ thông tin trong giai đoạn hiện nay.

Trong bài viết này, chúng ta cùng tìm hiểu về dòng diện trong chất bán dẫn là gì? Điôt (diode) bán dẫn và Tranzito có công dụng gì? Bán dẫn chứa chất đôno (tạp chất cho) và bán dẫn chứa axepto (tạp chất nhận) có đặc điểm gì?

I. Chất bán dẫn và tính chất

Chất bán dẫn là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như mộ chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

Tính chất của chất bán dẫn:

- Điện trở suất nằm trung gian giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất của điện môi. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của bán dẫn tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh, hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.

- Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất.

- Điện trở suất của bán dẫn cũng giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác.

II. Hạt tải điện trong chất bán dẫn. Phân loại bán dẫn

1. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

- Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n

- Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p

2. Electron và lỗ trống

- Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.

- Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.

- Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn là do dòng electron chuyển động có hướng sinh ra.

3. Tạp chất cho (dono) và tạp chất nhận (axepto)

- Khi pha tạp chất là những nguyên tố có năm electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này cho tinh thể một electron dẫn. Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno. Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron.nguyên tử tạp chất hóa trị 5 P- Khi pha tạp chất là những nguyên tố có ba electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto. Bán dẫn có pha axepto là bán dẫn loại p, hạt tải điện chủ yếu là các lỗ trống.Nguyên tử hợp chất hóa trị 3 B

III. Lớp chuyển tiếp p - n

- Lớp chuyển tiếp p – n là chỗ tiếp xúc của miền mang tính dẫn p và miền mang tính dẫn n được tạo ra trên một tinh thể bán dẫn.

1. Lớp nghèo

• Miền bán dẫn loại P hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống, miền bán dẫn loại N hạt tải điện chủ yếu là electron tự do, nên tại lớp chuyển tiếp p – n, electron tự do và lỗ trống trà trộn vào nhau:

- Khi electron gặp lỗ trống (nơi liên kết thiếu electron) nó sẽ noois lại liên kết và một cập electron - lỗ trống sẽ biến mất. Ở lớp chuyển tiếp p - n sẽ hình thành một lớp không có hạt tải điện được gọi là lớp nghèo.

- Ở lớp chuyển tiếp p - n (lớp nghèo), về phía bán dẫn N có các ion dono tích điện dương, về phía bán dẫn P có các ion axepto tích điện âm.

- Điện trở của lớp nghèo rất lớn.

2. Dòng điện chạy qua lớp nghèo

• Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn P sang bán dẫn N thì:

- Lỗ trống trong bán dẫn P sẽ chạy theo cùng chiều điện trường vào lớp nghèo.

- Electron trong bán dẫn N sẽ chạy ngược chiều điện trường vào lớp nghèo.

• Lúc này lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy, sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền bán dẫn P sang miền bán dẫn N

Quy ước:

- Chiều dòng điện qua lớp nghèo từ P sang N: chiều thuận

- Chiều dòng điện không qua lớp nghèo từ N sang P: chiều ngược

3. Hiện tượng phun hạt tải điện

- Khi dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp P-N theo chiều thuận, các hạt tải điện đi vào lớp nghèo có thể đi tiếp sang miền đối diện. Ta nói có hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác. Tuy nhiên, chúng không thể đi xa quá khoảng 0,1mm, vì cả hai miền P và N lúc này đều có electron và lỗ trống nên chúng dễ gặp nhau và biến mất từng cặp

IV. Điôt bán dẫn và mạch chỉnh lưu dùng điôt bán dẫn

- Cấu tạo Điôt bán dẫn: Khi đã có được hai chất bán dẫn loại P và loại N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P-N ta được một điôt bán dẫn

- Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống tạo thành lớp ion trung hòa điện, lớp này là miền cách điện

- Chiều dòng điện đi qua Điôt và kí hiệu Điôt
chiều của điôt và ký hiệu điôt

V. Tranzito lưỡng cực n-p-n, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

1. Hiệu ứng Tranzito

• Xét một tinh thể bán dẫn trên đó có tạo ra một miền p, và hai miền n1 và n2. Mật độ electron trong miền n2 rất lớn so với mật độ lỗ trống trong miền p. Trên các miền này có hàn các điện cực C, B, E. Điện thế ở các cực E, B, C giữ ở các giá trị VE = 0, VB vừa đủ để lớp chuyển tiếp p-n phân cực thuận, VC có giá trị tương đối lớn (cỡ 10V)

• Giả sử miền p rất dày, n1 cách xa n2:

- Lớp chuyển tiếp n1-p phân cực ngược, điện trở RCB giữa C và B rất lớn.

- Lớp chuyển tiếp p-n2 phân cực thuận nhưng vì miền p rất dày nên các electron từ n2 không tới được lớp chuyển tiếp p-n1, do đó không ảnh hưởng tới RCB.

• Giả sử miền p rất mỏng, n1 rất gần n2:

- Đại bộ phận dòng electron từ n2 phun sang p có thể tới lớp chuyển tiếp n1-p, rồi tiếp tục chạy sang n1 đến cực C làm cho điện trở RCB giảm đáng kể.

- Hiện tượng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB gọi là hiệu ứng tranzito.

• Vì đại bộ phận electron từ n2 phun vào p không chạy về B mà chạy tới cực C, nên ta có IB << IE và IC ≈ IE. Dòng IB nhỏ sinh ra dòng IC lớn, chứng tỏ có sự khuếch đại dòng điện.

2. Tranzito lưỡng cực n-p-n

- Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n và n gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n.mô hình cấu trúc thực và ký hiệu của tranzitomô hình (a) cấu trúc thực (b) và ký hiệu của tranzito (c).

- Tranzito có ba cực: Cực góp hay là côlectơ (C); Cực đáy hay cực gốc hoặc bazơ (B); Cực phát hay Emitơ (E).

- Ứng dụng phổ biến của tranzito là để lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử.

VI. Bài tập về dòng điện trong chất bán dẫn

* Bài 1 trang 106 SGK Vật Lý 11: Tính chất điện của bán dẫn và kim loại khác nhau như thế nào?

° Lời giải bài 1 trang 106 SGK Vật Lý 11: 

 ¤ Sự khác nhau về tính chất điện của bán dẫn và kim loại:

- Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi.

- Điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó, ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém (giống như điện môi), còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt (giống như kim loại).

- Trong kim loại, chỉ có một hạt tải điện là electron tự do, còn trong bán dẫn thì có hai loại hạt tải điện là electron tự do và lỗ trống.

* Bài 2 trang 106 SGK Vật Lý 11: Điểm khác nhau chính giữa nguyên tử đôno và axepto đối với silic là gì?

° Lời giải bài 2 trang 106 SGK Vật Lý 11: 

¤ Điểm khác nhau chính giữa nguyên tử đôno và axepto đối với silic là:

- Nguyên tử đôno là các nguyên tử thuộc nhóm 5 trong bảng phân loại tuần hoàn như P, As,... Khi pha tạp chất và tinh thể silic, chúng chỉ dùng bốn điện tử hóa trị liên kết với bốn nguyên tử silic lân cận; Còn điện tử hóa trị thứ năm chuyển động khá tự do và dễ dàng trở thành điện tử dẫn.

- Nguyên tử axepto là các nguyên tử thuộc nhóm 3 trong bảng phân loại tuần hoàn như B, Al,….Khi pha tạp vào tinh thể silic , chúng chỉ có ba điện tử hóa trị liên kết với bốn nguyên tử silic lân cận; vì vậy, chúng phải lấy một nguyên tử của nguyên tử silic khác để tạo thành bốn liên kết và sinh ra một lỗ trống.

⇒ Tạp chất axepto sinh ra lỗ trống mà không sinh ra êlectron tự do. 

* Bài 3 trang 106 SGK Vật Lý 11: Mô tả cách sinh ra êlectron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n và p?

° Lời giải bài 3 trang 106 SGK Vật Lý 11: 

¤ Bán dẫn tinh khiết:

- Ở nhiệt độ thấp, các êlectron liên kết tương đối yếu với các ion của nó. Khi tăng nhiệt độ, các êlectron có động năng đủ lớn bứt khỏi liên kết và tạo thành êlectron dẫn. Chừa lại một chỗ trống tương đương với hạt tải điện mang điện tích dương gọi là lỗ trống.

⇒ Mật độ hạt tải điện là êlectron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau.

¤ Bán dẫn loại n:

- Bán dẫn loại n được tạo thành do pha tạp các nguyên tố nhóm 5 vào bán dẫn tinh khiết. Ví dụ: trong tinh thể silic, tạp chất P, As, …Khi pha tạp vào tinh thể silic, chúng chỉ dùng bốn điện tử hóa trị liên kết với bốn nguyên tử silic lân cận; Còn điện tử hóa trị thứ năm chuyển động khá tự do và dễ dàng trở thành điện tử dẫn.

⇒ Tạp chất đôno sinh ra êlectron dẫn mà không sinh ra lỗ trống. Hạt tải điện cơ bản (đa số) là êlectron, hạt tải điện không cơ bản (thiểu số) là lỗ trống. Mật độ hạt tải êlectron rất lớn, lớn hơn mật độ lỗ trống.

¤ Bán dẫn loại p:

- Bán dẫn loại p được tạo thành do pha tạp các nguyên tố hóa trị 3 và bán dẫn tinh khiết. Ví dụ: Trong tinh thể silic tạp là B, Al,…Khi pha tạp vào tinh thể silic, chúng chỉ có ba điện tử hóa trị liên kết với bốn nguyên tử silic lân cận. Vì vậy, chúng phải lấy một điện tử của nguyên tử silic khác để tạo thành bốn liên kết và sinh ra một lỗ trống.

⇒ Tạp chất axepto sinh ra lỗ trống mà không sinh ra êlectron tự do. Hạt tải điện cơ bản(đa số) là lỗ trống, hạt tải điện không cơ bản (thiểu số) là êlectron. Mật độ hạt tải êlectron rất nhỏ, nhỏ hơn mật độ lỗ trống.

* Bài 4 trang 106 SGK Vật Lý 11: Dòng điện chỉ chạy qua lớp chuyển tiếp p-n theo chiều nào?

° Lời giải bài 4 trang 106 SGK Vật Lý 11: 

- Dòng điện chỉ chạy qua lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từ p sang n.

* Bài 5 trang 106 SGK Vật Lý 11: Khi nào thì một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n trên một đơn tinh thể được xem là một tranzito n-p-n?

° Lời giải bài 5 trang 106 SGK Vật Lý 11: 

- Một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n trên một đơn tinh thể được xem là một tranzito n-p-n khi bề dày của lớp p rất nhỏ hơn bề dày của hai lớp n kẹp hai bên nó.

* Bài 6 trang 106 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào dưới đây là chính xác?Người ta gọi silic là chất bán dẫn vì:

A. nó không phải là kim loại, cũng không phải là điện môi.

B. hạt tải điện trong đó có thể là êlectron và lỗ trống.

C. điện trở suất của nó rất nhạy cảm với nhiệt độ, tạp chất và các tác nhân ion hóa khác.

D. cả ba lý do trên.

° Lời giải bài 6 trang 106 SGK Vật Lý 11: 

¤ Chọn đáp án: D. cả ba lý do trên.

¤ Người ta gọi silic là chất bán dẫn vì:

- Nó không phải là kim loại, cũng không phải là điện môi.

- Hạt tải điện trong đó có thể là êlectron và lỗ trống.

- Điện trở suất của nó rất nhạy cảm với nhiệt độ, tạp chất và tác nhân ion hóa khác.

* Bài 7 trang 106 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào dưới đây về tranzito là chính xác

A. Một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n là một tranzito n-p-n.

B. Một lớp bán dẫn n mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn p không thể xem là một tranzito.

C. Một lớp bán dẫn p mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn n luôn có khả năng khuếch đại.

D. Trong tranzito n-p-n, bao giờ mật độ hạt tải điện miền êmitơ cũng cao hơn miền bazơ.

° Lời giải bài 7 trang 106 SGK Vật Lý 11: 

¤ Chọn đáp án: D. Trong tranzito n-p-n, bao giờ mật độ hạt tải điện miền êmitơ cũng cao hơn miền bazơ.

Đánh giá & nhận xét

captcha
Tin liên quan