Lý thuyết Vật lý 11: Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn | Myphamthucuc.vn

Lý thuyết Vật lý 11 Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

I. Chất bán dẫn và tính chất

Nhiều chất không thể xem là kim loại hoặc điện môi (tiêu biểu là gemani và silic) được gọi là chất bán dẫn hoặc gọi tắt là bán dẫn.

Tính chất:

– 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 gọi là sự dẫn điện riêng của chất bán dẫn.

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

– 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.

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

1. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

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.

– Thí nghiệm với mẫu silic pha tạp phôtpho (P), asen (As), hoặc antimon (Sb), chứng tỏ hạt tải điện trong đó mang điện âm gọi là loại n.

– Với mẫu silic pha tạp bo (B), nhôm (Al), hoặc gali (Ga), thí nghiệm chứng tỏ hạt tải điện mang điện dương gọi là loại p.

2. Êlectron và lỗ trống

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

Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron tự do và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường.

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

Bán dẫn chứa đôno (tạp chất cho) là loại n, có mật độ êlectron rất lớn so với mật độ lỗ trống. Bán dẫn chứa axepto (tạp chất nhận) là loại p, có mật độ lỗ trống rất lớn so với mật độ êlectron.

III. 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

Ở lớp chuyển tiếp p-n hình thành một lớp không có hạt tải điện gọi là lớp nghèo. Ở lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion đôno tích điện dương và 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 lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền p sang miền n (chiều thuận). Khi đảo chiều điện trường ngoài, dòng điện không thể chạy từ miền n sang miền p (chiều ngược).

3. Hiện tượng phun hạt tải điện

Khi dòng điện chạy 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 gây ra hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác. Tuy nhiên, chúng không thể đi xa quá khoảng 0,1 mm.

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

Điôt bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp p–n. Vì dòng điện chủ yếu chỉ chạy qua điôt theo chiều từ p đến n, nên khi nối nó vào mạch điện xoay chiều, dòng điện cũng chỉ chạy theo một chiều. Ta nói điôt bán dẫn có tính chỉnh lưu nên được dùng để lắp mạch chỉnh lưu, biến điện xoay chiều thành một chiều.

V. TranZito lưỡng cực n-p-n. Cấu tạo và nguyên lí 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 như hình vẽ. Mật độ êlectron 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 V_E = 0, V_B vừa đủ để lớp chuyển tiếp p-n₂ phân cực thuận, V_C có giá trị tương đối lớn (cỡ 10 V).

– Khi miền p dày: không có hiệu ứng tranzito.

– Khi miền p mỏng: có hiệu ứng tranzito.

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

Hình a: Khi miền p dày: không có hiệu ứng tranzito
Hình b: Khi miền p mỏng: có hiệu ứng tranzito

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 n₁ và n₂ đã mô tả ở trên gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n.

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

Xem thêm Giải bài tập Vật lý 11: Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn