Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương III, Bài 23: Dòng điện trong chất bán dẫn

Chương IIIBÀI 23DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪNVẤN ĐỀ ĐẶT RAChất bán dẫn là gì?Chất bán dẫn có những tính chất đặc biệt gì?Phân loại chất bán dẫnLớp chuyển tiếp p – nCâu hỏi và bài tậpI. Chất bán dẫn là gì? Chất bán dẫn ( Semiconductor) 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.II. Tính chất của chất bán dẫn1. Điện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa kim loại và điện môi.Điện môiBán dẫnKim loạiĐiện trở suất của bán dẫn có giá trị trung gian giữa điện môi và kim loạiII. Tính chất của chất bán dẫn 2. Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng. Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện kém, còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện khá tốt.Bán dẫn tinh khiếtKim loạiĐiện trở suất của kim loại và bán dẫn tinh khiết phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ.TCâu hỏi 1: Vì sao điện trở suất của kim loại và bán dẫn lại phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ ? Đáp án:Bán dẫn tinh khiếtKim loạiTKim loại có sẵn một số hạt tải điện tự do là electron. Do đó khi ở nhiệt độ bình thường kim loại có khả năng dẫn điện. Ở nhiệt độ cao, va chạm giữa electron với ion dương tăng dần. Điện trở suất tăng dầnChất bán dẫn ở nhiệt độ thường không có các hạt tải điện tự do, chúng hầu như không dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng cao, chất bán dẫn hình thành 2 loại hạt tải điện tự do. Do đó, số hạt tải điện tự do tăng đột ngột. Điện trở suất của chúng giảm đột ngột.III. Phân loại chất bán dẫn1. Chất bán dẫn tinh khiết hay còn được gọi là bán dẫn đơn chất. Các bán dẫn tinh khiết thường gặp như : Si, Ge,2. Chất bán dẫn có tạp chất Bán dẫn có tạp chất thường gặp là: GaAs, CdTe, ZnS,, nhiều oxit, sunfua, selenua, telurua, và một số chất polime. Bán dẫn tinh khiếtIII. Phân loại chất bán dẫn1. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết:Ta xét trường hợp bán dẫn điển hình là Si. Nếu mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử Si, thì ta gọi đó là bán dẫn tinh khiết. SiSiMô hình mạng tinh thể SilicỞ nhiệt độ thấp, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạngKhông có các eletron tự doSiSiSiSiSiSiSiSiSiKhi nhiệt độ tăng caoSiSiSiSiSiSiSiSiSiỞ nhiệt độ cao luôn có sự phát sinh các cặp electron-lỗ trống.Số eletron và số lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau.Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫnSiSiSiSiSiSiSiSiSiECác eletron chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường=> Gây nên dòng điện trong chất bán dẫn.SiSiSiSielectronLỗ trốngMột đoạn phim 3D về sự chuyển động của các electrons trong mạng tinh thể silicClick hereNHẬN XÉTDòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các eletron và lỗ trống.Bán dẫn tinh khiết gọi là bán dẫn loại i, ở bán dẫn tinh khiết số electron bằng số lỗ trống.Độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng và độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ giảm.Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào.III. Phân loại chất bán dẫn2. Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất:Nếu bán dẫn Silic có pha tạp chất, tức là ngoài các nguyên tử Silic còn có các nguyên tử của nguyên tố khác, thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều.Bán dẫn có tạp chất được chia làm 2 loại: _ Bán dẫn loại n. _ Bán dẫn loại p. a) Bán dẫn loại nGiả sử trong mạng tinh thể có lẫn một nguyên tử Photpho (P).PSiElectorn dư trong nguyên tử Photpho liên kết yếu với nguyên tử Photpho.Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chấtSiSiSiSiSiSiSiSiPElectron dư thừa dễ dàng tách ra khỏi nguyên tửNhận xétNhư vậy, tạp chất P đã tạo thêm các electron tự do mà không làm tăng số lỗ trống.Ta gọi electron là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản (hay thiểu số).Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn electron hay bán dẫn loại n.b) Bán dẫn loại p:Giả sử trong mạng tinh thể Sillic có một nguyên tử Bo (B).SiBLỗ trống tạo nên do nguyên tử Bo thiếu một electron liên kết với một nguyên tử Sillic lân cận.Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất BMột electron ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết trống này và tạo thành một lỗ trống mới.SiSiSiSiSiSiSiSiBNhận xét:Như vậy, tạp chất Bo pha vào bán dẫn Sillic đã tạo thêm lỗ trống, làm cho số lỗ trống nhiều hơn số electron dẫn.Ta gọi lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay hạt tải điện đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản (hay hạt tải điện thiểu số).Bán dẫn như vậy được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p. Một đoạn video mô tả bán dẫn loại p và bán dẫn loại n Click hereMời các bạn xem một vài đoạn phim về chuyển động của các electrons trong chất bán dẫn:Đoạn phim 1.Đoạn phim 2.Nếu pha hai loại tạp chất, chẳng hạn như cả Photpho và Bo vào bán dẫn Sillic thì bán dẫn này có thể là bán dẫn loại p hoặc bán dẫn loại n, tùy theo tỉ lệ giữa hai loại tạp chất.Như vậy, bằng cách chọn tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mình mong muốn. Đây chính là tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng.IV. Lớp chuyển tiếp p-n:Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-nDòng điện qua lớp chuyển tiếp p-nĐặc tuyến Volt-Ampere của lớp chuyển tiếp p-na) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n:++++++++________npChỗ tiếp xúc 2 loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n. Lớp này còn được gọi là lớp nghèo hạt tải điện, gọi tắt là lớp nghèo.Ea) Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n: Khi đặt một bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p tiếp xuc nhau thì nơi tiếp xúc sẽ có hiện tượng khuếch tán các hạt mang điện qua lại nhưng chủ yếu là hạt mang điện cơ bản: các electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và các lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n; kết quả làm xuất hiện một lớp phân cách gọi là lớp tiếp xúc p-n ( có bề dày rất nhỏ cỡ mm), điện trường ở lớp tiếp xúc có tác dụng ngăn cản sự khuếch tán các hạt mang điện cơ bản nhưng lại giúp sức cho sự chuyển động của các hạt mang điện không cơ bản; dòng điện đi qua lớp tiếp xúc rất nhỏ, không đáng kể. Khi đạt một giá trị nào đó thì sự khuếch tán ngừng lại. TH1: Cường độ điện trường hướng từ p sang n (Upn > 0): Có sự dịch chuyển các hạt mang điện cơ bản, kết quả là xuất hiện một dòng điện đáng kể qua khối bán dẫn từ p sang n, gọi là dòng điện thuận, hiệu điện thế đặt vào gọi là hiệu điện thế thuận.b)Dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp p-n:b)Dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp p-n:TH2: cường độ điện trường hướng từ n sang p (Upn T1- Ñieän trôû suaát thay ñoåi nhö theá naøo khi nhieät ñoä taêng ? - Haõy nhaän xeùt khi Nhiệt ñoä T2 > T1 thì doøng ñieän qua baùn daãn taêng hay giaûm ?- So saùnh vôùi ñieän trôû suaát cuûa kim loaïi .?Thực hiện bởi:LÊ BẢO LONGNGUYỄN TÙNG ANHĐINH HOÀNG PHÚCHọc sinh lớp 11 Chuyên Lý Năm học 2009-2010Thực hiện bởi:LÊ BẢO LONGNGUYỄN TÙNG ANHĐINH HOÀNG PHÚCHọc sinh lớp 11 Chuyên Lý Năm học 2009-2010