Lý thuyết Dòng điện trong chất bán dẫn hay, chi tiết nhất - Vật Lí lớp 11

Lý thuyết Dòng điện trong chất bán dẫn hay, chi tiết nhất

Tài liệu Lý thuyết Dòng điện trong chất bán dẫn hay, chi tiết nhất Vật Lí lớp 11 sẽ tóm tắt kiến thức trọng tâm về Dòng điện trong chất bán dẫn từ đó giúp học sinh ôn tập để nắm vứng kiến thức môn Vật Lí lớp 11.

A. Tóm tắt lý thuyết

1. Chất bán dẫn và tính chất

- Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện. Chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động như một chất dẫn điện ở nhiệt độ cao.

- Nhóm vật liệu bán dẫn tiêu biểu là silic và gecmani.

- Những biểu hiện quan trọng đầu tiên của chất bán dẫn:

     + Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn siêu 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 giảm rất mạnh khi pha một ít tạp chất.

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

Điện trở suất của kim loại và bán dẫn tinh khiết phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ

2. Hạt tải điện trong chất bán dẫn. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

a) 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.

b) 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.

c) Tạp chất cho (đôno) 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.

- 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.

3. 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.

a) 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.

⇒ 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 nối lại liên kết và một cặp 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 đôno tích điện dương, về phía bán dẫn p có các ion axepto tích điện âm.

- Điện trở của lớp nghèo rất lớn.

b) 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

- Quy ước:

     + Chiều dòng điện qua lớp nghèo từ p sang n (chiều thuận).

     + Chiều dòng điện không qua lớp nghèo từ p sang n (chiều ngược).

c) 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.

- Các hạt tải điện không thể đi xa quá 0,1 mm 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.

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

- Khi có được hai chất bán dẫn loại p và 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.

- Nhận biết một số điôt bán dẫn:

5. Tranzito lưỡng cực n – p –n. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

a) Hiệu ứng tranzito

- Xét tinh thể bán dẫn n₁ – p – n₂, các điện cực B, C, E.

Mật độ electron ở n₂ >> mật độ lỗ trống ở p.

U_BE điện áp thuận, U_CE lớn (10V)

    + Khi miền p rất dày, n₁ và n₂ cách xa nhau:

• Lớp n₁ – p phân cực ngược, R_CB lớn.

• Lớp p – n₂ phân cực thuận, electron phun từ n₂ sang p, không tới được lớp p – n₁; không ảnh hưởng tới R_CB.

- Khi miền p rất mỏng, n₁ và n₂ rất gần nhau:

Electron từ n₂ phun vào p và lan sang n1 làm cho R_CB giảm đáng kể.

⇒ Hiệu ứng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở R_CB gọi là hiệu ứng tranzito

b) Tranziro lưỡng cực n – n

- Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n1 và n2 gọi là tranzito lưỡng cực n – p – n.

- Tranzito có ba cực:

     + Cực góp hay colectơ, kí hiệu là C.

     + Cực đáy hay cực gốc hoặc bazơ, kí hiệu là B.

     + Cực phát hay emitơ, kí hiệu là E.

a - Mô hình

b - Cấu trúc thực

c – Kí hiệu của tranzito n – p - n

- Ứng dụng: lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử