Vật lý 11. Chương III. Bài 17: Dòng điện trong chất bán dẫn

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. Chất bán dẫn và tính chất

Có những loại vật liệu không thể xem là kim loại hoặc chất điện môi, đó là chất bán dẫn

1. Điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị nằm trong khoảng trung gian giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất của điện môi. 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. Ta gọi đó là sự dẫn nhiệt riêng của chất bán dẫn. Điều này ngược lại với sự phụ thuộc của điện trở suất của các kim loại vào nhiệt độ.

2. Điện trở suất của chất bán dẫn rất nhạy cảm với tạp chất. Chỉ cần một lượng tạp chất nhỏ (khoảng 10^-6% đến 10^-3%) cũng đủ làm điện trở suất của nó ở lân cận nhiệt độ phòng giảm rất nhiều lần. Lúc này, ta nói sự dẫn điện cuả chất bán dẫn là dẫn điện tạp chất.

3. Điện trở suất của chất bán dẫn cũng giảm đáng kể khi nó bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hoá khác.

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

Để hiểu được tính chất điện của chất bán dẫn, trước hết cần xác định hạt tải điện trong chất bán dẫn mang điện tích gì. Có thể lấy một thỏi bán dẫn và giữ một đầu ở nhiệt độ cao, một đầu ở nhiệt độ thấp. Chuyển động nhiệt có xu hướng đẩy hạt tải điện về phía đầu lạnh, nên đầu lạnh sẽ tích điện cùng dấu với hạt tải điện.

1. Êlectron và lỗ trống

- Trong cả hai loại bán dẫn p và n, thực ra dòng điện đều do chuyển động của êlectron sinh ra. Khi tạo thành tinh thể silic, mỗi tinh thể silic có bốn êlectron hoá trị nên vừa đủ để tạo ra bốn liên kết với bốn nguyên tử lân cận.

- Các êlectron hoá trị đều bị liên kết, nên không tham giá vào việc dẫn điện.

- Khi một êlectron bị rứt khỏi mối liên kết, nó trở nên tự do và thành hạt tải điện gọi là êlectron dẫn, hay gọi tắt là êlectron. Chỗ liên kết đứt sẽ thiếu một êlectron nên mang điện dương. Khi một êlectron từ mối liên kết của nguyên tử silic lân cận chuyển tới đấy thì mối liên kết đứt sẽ di chuyển ngược lại. Chuyển động của êlectron liên kết bây giờ có thể xem như chuyển động của một điện tích dương theo chiều ngược. Nó cũng được xem là hạt tải điện mang điện dương và gọi là lỗ trống

⇒ Vậy, dòng điện trong chất bán dẫn là dòng các êlectron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.

2. Tạp chất cho (đôno) và tạp chất nhận (axepto)

- Hạt tải điện trong bán dẫn loại n chủ yếu là êlectron. Ta gọi là tạp chất cho (đôno)

- Hạt dẫn điện trong bán dẫn loại p chủ yếu là lỗ trống. Ta gọi là tạp chất nhận (axepto)

C. 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

Tại lớp nghèo tiếp p - n do sự khuếch tán và tái hợp giữa các êlectron và lỗ trống nên hình thành một lớp không có các hạt tải điện gọi là lớp nghèo. Điện trở lớp nghèo rất lớn.

2. Dòng điện chạy qua lớp nghèo

Qua lớp tiếp xúc p - n dòng điện chỉ chạy từ p sang n gọi là chiều thuận, chiều kia gọi là chiều ngược. Vậy lớp chuyển tiếp p - n có tính chỉnh lưu.

3. Hiện tượng phun hạt tải điện

Khi qua lớp tiếp xúc p - n dòng điện chạy từ p sang n theo chiều thuận các hạt tải điện có thể đi vào lớp nghèo đi tiếp sang miền đối diện ta nói có sự phun hạt tải.

D. Điốt bán dẫn và mạch chỉnh lưu dùng điốt bán dẫn

Điốt bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp p - n, có tính chỉnh lưu và được dùng để lắp mạch chỉnh lưu biến điện xoay chiều thành một chiều.

E. Tranzito lưỡng cực n-p-n. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

1. Hiệu ứng tranzito:

- Là hiệu ứng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở RCB

2. Tranzito lưỡng cực n-p-n

- Một lớp bán dẫn loại p rất mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n thực hiện trên một tinh thể bán dẫn (Ge, Si, ...) là một tranzito n-p-n.

- Tranzito có khả năng khuếch đại tín hiệu điện và dùng để lắp bộ khuếch đại và các khóa điện tử

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Trên hình a, b là đường đặc tuyến vôn-ampe của một điôt dẫn (dòng điện thuận và dòng điện ngược). Biết hệ số chỉnh lưu của một điôt bán dẫn đước xác định bằng tỉ số giữa trị số của cường độ dòng điện thuận (I_th) và cường độ dòng điện ngược (I_ng) ứng với cùng một giá trị tuyệt đối của hiệu điện thế đặt vào điôt. Hệ số chỉnh lưu của điôt này ở hiệu điện thế 1,5V là bao nhiêu ?

Giải

Kẻ hai đường thẳng song song với trục tung và đi qua hai điểm U = 1,5V và U = -1,5V

Giao tuyến của chúng với đường đặc trưng vôn-ampe cho ta:

I_th ≈ 150mA và U ≈ 11mA

Suy ra hệ số chỉnh lưu:

\[\eta = \frac{{{I_{th}}}}{{{I_{ng}}}} = \frac{{150}}{{11}} \approx 13,6\]

Bài 2: Vì sao ở hai bên lớp nghèo lại có ion dương và ion âm?

Bài 3: Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền n mỏng kẹp giữa hai miền p có thể gọi là tranzito được không?

Bài 4: Tính chất điện của bán dẫn và kim loại khác nhau như thế nào?

Bài 5: Mô tả cách sinh ra êlectron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n và p?

Bài 6: 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?