Bài tập vật lý bán dẫn julie

Họ và tên: THUDSAPHUNGTHONG Julie
Lớp: Cao học vật lý k29
BÀI TẬP
Mơn: Vật lý bán dẫn
Câu 1: Trình và giải thích hiện tượng trong hiệu ứng Seebeck và hiệu ứng
Hall trong bán dẫn. Từ đó nêu và giải thích các ứng dụng nay

1.

2.

-

-

Hiệu ứng Seebeck
Khái niệm
Hiện tượng tạo thành dòng điện trong mạch kín gồm hai vật dẫn khác nhau
khi giữ mối hàn ở nhiệt độ khác nhau. Đó là hiện tượng nhiệt điện do
Seebeck tìm ra năm 1821.
Giải thích hiện tượng

Khi hơ nóng dần mối hàn a thì có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn.
Khi đó các hạt tải điện ở nơi có nhiệt độ cao sẽ dịch chyueern về nơi có nhiệt
độ thấp hình thành một điện trường.
Giả sử mật độ electron ở kim loại A lớn hơn kim loại B . Do vậy số electron
từ A khuếch tasb sang B qua mặt tiếp xúc sẽ nhiều hơn số electron từ B
khuếch tán sang A. Thanh kim loại A sẽ tích điện dương, thanh kim loại B
tích điện âm, và tại chỗ tiếp xúc xuất hiện một điện trường hướng từ A sang
B.
 Cụ thể :

Xét mạch kín gồm hai kim loại 1 và 2 tiếp xúc với nhau. Nếu nhiệt độ ở
hai mối hàn bằng nhau thì tổng của hiệu điện thế tiếp xúc trong hai mối
hàn sẽ bằng không. Giả sử nhiệt độ ở mối hàn , còn ở mối hàn kia là .
Nếu ta coi mật độ electron tự do nl và ở hai kim loại khơng phụ thuộc
vào nhiệt độ thì tổng của hiệu nhiệt thế tiếp xúc ở hai mối hàn sẽ khác

1


khơng, vì hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào nhiệt độ (ở mối hàn nóng
sự khuếch tán của electron nhiều hơn là mối hàn lạnh).

(k là hằng số Boltzman, k=1,38.J/k)
-

-

-

-

3.
-

-

-

-

Ta đã biết chuyển động của electron ở đầu nóng thanh kim loại cao hơn đầu
lạnh vì thế dịng electron khuếch tán từ đầu nóng đến đầu lạnh lớn hơn dòng
electron khuếch tán theo chiều lại.
Kết quả là đầu lạnh tích điện âm , đầu nóng tích điện dương. Q trình
khuếch tán kéo dài cho đến khi điện trường xuất hiện làm cho dòng electron
đi từ đầu lạnh sang đầu nóng và ngược lại, khi đó có sự cân bằng động và có
hiệu điện thế được thiết lập giữa hai đầu mỗi thanh kim loại .
Tổng đại số hai hiệu điện thế như thế ở hai đầu thanh kim loại 1 và 2 tạo nên
thành phần thứ hai của suất điện động.
Ở một số cặp nhiệt điện người ta còn phát hiện thấy sự thay đổi dấu của suất
điện động.
Thí dụ đối với cặp vonfram- molipđen khi hiệu điện thế cịn nhỏ thì ở mối
hàn nóng dịng điện chạy từ mơlipđen sang Vonfram , cịn khi hiệu nhiệt độ
lớn thì dòng điện chạy theo chiều ngược lại
Đối với bán dẫn khi nhiệt độ tang lên nồng độ các hạt tải điện ( electron và
lỗ trống) tang lên và năng lượng của chúng cũng tang lên do vậy các mẫu
bán ra ta sẽ thu được suất nhiệt điện động lớn. Suất nhiệt điện động lớn hơn
so với các trường hợp kim loại hang chục, hang tram lần.
Ứng dụng
Các nhà nghiên cứu được dùng nhiệt để phát ra điên bằng cách kẹp giữ các
phân tử hữu cơ giữa các hạt nano kim loại, mở ra tiềm năng mới về năng
lượng
Ứng dụng trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày: máy bật lửa,
cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gườn phản xạ tia lade, các
thiết bị động cơ có kích thước nhỏ
Ứng dụng trong chương trình nghiên cứu máy bay bay đập cánh như côn
trùng, cơ nhân tạo, chính máy bay biển đổi hình dạng, phịng triệt tiêu âm
thanh, các cấu trúc thông minh, các máy in hện nay...
Nhiệt kế nhiệt điện. Cặp nhiệt kế có thể dùng đo nhiệt độ rất cao cũng như
rất thấp mà không thể đô được bằng cách nhiệt kế thông thường.

2


-


1.

2.

Pin nhiệt điện: mắc nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện ta được một bộ pin gọi là
pin nhiệt điện, có suất điện động vải vơn và cường độ dịng điện tới vài
ampe. Nhưng hiệu suất của pin nhieeht điện rất thấp nếu ta thay bằng vẩ liệu
bsn dẫn thì hiệu suất đặt đến 10%.
Hiệu ứng Hall
Khái niệm
Hiệu ứng Hall là hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường
vng góc lên một bản làm bằng loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói
chung (thanh Hall) đang có dịng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được
hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall
Giải thích hiện tượng
Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật
dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ
như electron trong kim loại). Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu lực
Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích
chuyển động âm hay dương. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên
sự tích điện trái dấu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall.
- Cơng thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dịng điện và từ trường là:

-

-

Trong đó: là hiệu thế Hall (V), j Là mật độ dòng điện , B là cảm ứng từ
(T), d là khoảng cách giữa hai mặt mang điện trái dấu của thanh Hall, R
là hằng số Hall, là điện trường Hall.
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường trong kim
loại là:

Với là hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện, B là cường đị từ trường,
d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động
trong thanh Hall và n mật độ các hạt này trong thanh Hall.
Công thức này cho thấy tinh chất quan trọng trong hiệu ứng hall là nó
cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa
vào hiệu điện thế Hall âm hay dương. Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng
minh rằng, trong kim loại, electron chứ không phải là proton được
chuyển động tự do để mang dòng điện.

3


Hiệu ứng cũng cho thấy với một số chất (bán dẫn), dịng điện được mang
đi bởi các lỗ trống (có diện tích tổng cơng là dương) chứ khơng phải
electron đơn thuần.
Xác định hằng số hall của bán dẫn như sau:
Nhận xét:
+) Bán dẫn loại n có n>>p từ (18) suy ra
+) Bán dẫn loại p có n<

Ứng dụng của hiệu ứng Hall

- Máy đo Hall
+) Đo từ trường của nam châm.
+) Đo vận tốc trôi của hạt tải điện.
+) Nghiên cứu tính dẫn điện của bán dẫn.
- Đo cường đọ dịng điện – Đo cơng sất điện.
- Xác địng vị trí và chuyển động: khởi động ô – tô – Do chuyển động quay.
-

•

3.

Câu 2: Pin mặt trời: cấu tạo, nguyen tắc hoạt động
1.

Định nghĩa
Pin quang điện là nguồn điện trong đó quang năng chuyển hóa thành điện
năng Pin quang điện hoạt động dựa trên hiệhu tượng quang điện trong của
các chất bạn dẫn: german, silic, selen...
Vật liệu xuất phát là các bán dẫn tinh khiết: german, silic, selen...

2.

Cấu tạo của pin mặt trời
- Pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều
bào quang điện (solar cells)-là phân tử bán dẫn, có chứa trên bề mặt một
số lượng lớn các cảm biết ánh sáng là điốt quang, thực hiẹn biến đổi năng

4

3.

lượng ánh sáng thành điện năng. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu
ứng quang điện trong.
- Hiện tượng quang điện trong: Hiện tượng tạo thành các êlectron dẫn và lỗ
trống trong bán dẫn, do tác dụng của ảnh sáng có bước sóng thích hớp ,
gọi là hiện tượng quang điện trong .
- Điều kiện để gây ra hiện tượng quang điện trong là , với gọi là giới hạn
quang điện của bán dẫn.
Nuyên tắc hoạt động của phin mặt trời
- Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đối thành điện năng, tạo ra dòng
điện một chiều (DC).
- Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức
năng điều hịa tự động các q trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện
tử ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC).
- Trường hợp cộng suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm
bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC),
chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV...).

5