Giáo án vật lý 11 - Dòng điện trong bán dẫn pps

TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI  GIÁO ÁN VẬT LÝ 11
Tiết : ____________
Bài 43 - 44 :
DÒNG ĐIỆN TRONG BÁN DẪN
I. MỤC TIÊU :
 Hiểu được các tính chất điện đặc biệt của bán dẫn làm cho nó được xếp vào một loại vật dẫn riêng, khác với các vật dẫn quen thuộc là kim
loại.
 Hiểu được các hạt tải điện là electron tự do và lỗ trống là cơ chế tạo thành các hạt tải điện đó trong bán dẫn tinh khiết.
 Hiểu được tác dụng của vật chất có thể làm thay đổi một cách cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Bằng cách pha tạp chất thích hợp, người ta có
thể tạo nên bán dẫn loại n và loại p và nồng độ hạt tải mong muốn.
 Hiểu được sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n và giải thích được tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p – n.
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY : Phương pháp thực nghiệm và nêu vấn đề
III. THIẾT BỊ , ĐỒ DÙNG DẠY HỌC : Tranh vẽ và mô hình thí nghiệm chất bán dẫn
IV. TIẾN TRÌNH GIẢNG DẠY
Phân phối
thời gian
Phần làm việc của Giáo Viên
Hoạt đông của học sinh Ghi chú
Nội dung ghi bảng Tổ chức ,điều khiển
1. Kiểm tra
bài cũ và
kiến thức cũ
liên quan
với bài mới
(3’)
1. Trả lời câu hỏi SGk
2. Làm bài tập SBTVL 11
Kiểm tra và đánh giá
2. Nghiên
cứu bài mới
I. Tính chất điện của bán dẫn

a. Giới thiệu
Bán dẫn điển hình và được dùng phổ biến nhất là silic
(Si). Ngoài ra, còn có các bán dẫn đơn chất khác như
Tính chất điện của bán dẫn
Gv :
Cho học sinh thấy rõ các tính chất đặc
trưng của bán dẫn và sự khác biệt của bán
Cá nhân suy nghó.
Ghi nhớ.
GV : ĐỖ HIẾU THẢO     VẬT LÝ PB 11: 43 -1 /7
TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI  GIÁO ÁN VẬT LÝ 11
Ge, Se, các bán dẫn hợp chất nhu GaAs, CdTe,ZnS ….
Nhiều ôxit, sunfua, sêlenua, telurua…
b. Tính chất khác biệt so với kim loại.
 Điện trở suất ρ của bán dẫn có giá trò trung gian
giữa kim loại và điện môi (hình 43,1)
 Điện trở suất của bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ
tăng (hình 43.2). Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn
điện rất kém (giống như điện môi), còn ở nhiệt độ cao,
bán dẫn dẫn điện khá tốt (giống như kim loại).
 Tính chất điện của bán dẫn phu thuộc rất mạnh vào
các tạp chất có mặt trong tinh thể.
II. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết :
1.
Cấu tạo : Chất bán dẫn có cấu tạo sao cho trong
mạng tinh thể chỉ có một loại nguyên tử .
2.
Khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn Si
a Cấu tạo bán dẫn Si : Lớp êlectron ngoài cùng của
nguyên tử Si có bốn êlectron Trong tinh thể, mỗi

nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử nguyên tử lân
cận thông qua các liên kết cộng hoá trò. Như vậy, xung
quanh mỗi nguyên tử Si có tám êlectron, tạo thành lớp
êlectron đầy ⇒ liên kết giữa các nguyên tử trong tinh
thể Si rất bền vững
b Sự hình thành các hạt mạng điện
♦ Hạt mang điện tự do :
- Ở nhiệt độ thấp, các liên kết cộng hóa trò trong mạng
tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết rất bền nên không có
hạt mang điện tự do.
- Ở nhiệt độ cao, một số liên kết cộng hóa trò trong mạng
tinh thể của chất bán dẫn tinh khiết bò phá vỡ, giải phóng
dẫn so với vật liệu điện đã quen thuộc như
kim loại ,điện môi.
Cần nhấn mạnh sự giảm rõ rệt của điện trở
suất bán dẫn khi nhiệt độ tăng và ảnh
hường mạnh của tạp chất ( loại tạp chất và
lượng tạp chất) lên tính chất dẫn điện của
bán dẫn (loại hại tải điện và số lượng hạt
tải, điện trở suất…). Cần nêu các tính chất
này để chuẩn bò cho việc giải thich chúng
trong các phần sau.
Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
Khi khảo sát sự dẫn điện của bán dẫn,cầm
làm cho học sinh hiểu trong bán dẫn có hai
loại hạt tải điện, đó là electron tự do và lỗ
trống. Cơ chế hình thành các hạt tải điện
trong bán dẫn cần được làm rõ, vì đây
chính là nguồn gốc của sự khác biệt của
bán dẫn và kim loại.

Bán dẫn mà ta xét là những vật rắn có cấu
tạo tinh thể. Căn cứ vào cấu tạo tinh thể
của bán dẫn silic, có thể thấy là ở nhiệt độ
thấp, electron bò liên kết chặt chẽ với
nguyên tử và do đó không có electron tự
do; vì vậy bán dẫn là một điện môi. đây
có thể liên hệ với các kiến thức hoá học :
Khi lớp điện tử ngoài cùng là lớp đầy, thì
nguyên tử rất khó tham gia các phản ứng
hóa học, tức là ít có khả năng mất bớt hay
nhận thêm electron. Chính sự kết hợp của

T
p
O
Bán dẫn
Kim loại
Điện trở suất của kim loại và bán dẫn
phụ thuộc khác nhau vào nhiệt độ

Nguyên tử Si có bốn êlectron hóa trò

Tinh thể Si ở nhiệt độ rất thấp thì
không có hạt mang diện tự do
Si
Si
Si
Si

Tinh thể Si ở nhiệt độ tương đối cao

có sự phát sinh êlectron - lỗ trống
Si
Si
Si
Si
Lỗ trống
êlectron
tự do
GV : ĐỖ HIẾU THẢO     VẬT LÝ PB 11: 43 -2 /7
TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI  GIÁO ÁN VẬT LÝ 11
một số electron và để lại một số lỗ trống mang điện tích
dương.
 Kết luận : Ở nhiệt độ cao hạt mang điện tự do trong
chất bán dẫn tinh khiết là electron và lỗ trống mang
điện tích dương.
♦ Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết :
-Khi không có điện trường ngoài đặt vào tinh thể bán
dẫn : các electron và lỗ trống chuyển động nhiệt hỗn
loạn ⇒ trong bán dẫn không có dòng điện.
- Khi có điện trường ngoài đặt vào tinh bán dẫn : các
electron chuyển động ngược chiều điện trường, còn lỗ
trống chuyển động theo chiều điện trường ⇒ trong bán
dẫn có dòng điện.
 Kết luận : Dòng điện trong bán dẫn tinh khiết là
dòng chuyển dời có hướng đồng thời của các electron
và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường ngoài.
III. Sự dẫn điện của bán dẫn chứa tạp chất
a Bán dẫn loại n :
Giả sử pha vào tinh thể silic một lượng rất nhỏ các
nguyên tử P. Nguyên tử P có 5 electron ở lớp ngoài

cùng, 4 electron trong số đó tham gia vào liên kết cộng
hóa trò với 4 nguyên tử silic ở gần còn electron thứ 5 của
P thì liên kết rất yếu với hạt nhân và dễ dàng tách khỏi
nguyên tử để trở thành electron tự do.
 Kết quả :
- Mật độ electron rất lớn so với mật độ lỗ trống ⇒ bán
dẫn loại n.
- Trong bán dẫn loại n hạt mang điện cơ bản là electron,
còn lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản.
các nguyên tử silic thành tinh thể Si thông
qua các mối liện kế cộng hóa trò đã tạo
nên tính huống là quanh mỗi nguyên tử Si
dường như có 8 electron, tức là có một lớp
electron đầy.
Muốn bực electron ra khỏi nguyên tử để
thành eclectron tự do, tham giavào sự dẫn
điện, thì cần tốn năng lượng. Có thể tăng
năng lượng bằng cách tăng nhiệt độ của
tinh thể, tức là làm tăng nội năng của nó.
Do vậy, khi nhiệt độ trên OK, đã có một
vài eclectron thu được năng lượng cần
thiết. Nhiệt độ càng cao, càng có nhiều
electron thoát khỏi liện kết.
Khái niệm vể lỗ trống làn đầu tiên được
học sinh biết đến. Cách giải thích như
trong SGK về sự tạo thành lỗ trống là một
là một cách giải thích đơn giản, giúp cho
học sinh dể hình dung. ( Muốn giải thích
đày đủ chính xác về lỗ trống, cần sử dụng
lí thuyết dãy năng lượng). Học sinh cần

thấy là trong bán dẫn tinh khiết, mỗi khi
có một electron tự do được tạo thành thì
cũng có một lỗ trống xuất hiện. Vì thế ta
nói có sự phát sinh các cặp electron – lỗ
trống.
Qúa trình ngược lại là sự tái hợp, làm mất
đi từng cặp electron lỗ trống. Ở mỗi nhiệt
độ, có sự cân bằng động giữa sự phát sinh
Suy nghó và thảo luận
nhóm.
Cá nhân xây dựng bài học.
Thảo luận nhóm và trả lời.





Tạp chất P tạo thêm êlectron
Si
Si
P
+
Si
êlectron
tự do


GV : ĐỖ HIẾU THẢO     VẬT LÝ PB 11: 43 -3 /7
TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI  GIÁO ÁN VẬT LÝ 11
b Bán dẫn loại p :

Giả sử pha vào tinh thể silic một lượng rất nhỏ các
nguyên tử B. Nguyên tử B có 3 electron ở lớp ngoài
cùng, 3 electron này tham gia vào liên kết cộng hóa trò
với 3 nguyên tử silic ở gần. Vậy nguyên tử B còn thiếu 1
electron để tham gia vào liên kết với nguyên tử silic ở
gần. Do đó nó sẽ chiếm 1 electron của 1 nguyên tử gần
nhất, electron vừa đi ra đã để lại sau nó 1 lỗ trống.
 Kết quả :
- Mật độ lỗ trống rất lớn so với mật độ electron ⇒ bán
dẫn loại p.
- Trong bán dẫn loại p, hạt mang điện cơ bản là lỗ trống
còn electron là hạt mang điện không cơ bản.
IV. Lớp tiếp xúc giữa 2 loại bán dẫn p và n :
a Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n
Khi có 2 loại bán dẫn p và n đặt tiếp xúc nhau thì có sự
khuyếch tán electron tự do từ phần bán dẫn n sang p và
lỗ trống khuyếch tán từ phần bán dẫn p sang n, kết quả
là ở mặt phân cách giữa 2 bán dẫn hình thành một lớp
tiếp xúc tích điện dương về phía bán dẫn n và tích điện
âm về phía bán dẫn p. Do đó trong lớp tiếp xúc có điện
trường E hướng từ n sang p làm ngăn cản sự khuyếch tán
của các hạt mang điện. Do có sự khuyếch tán nói trên
nên số hạt mang điện cơ bản ở sát hai bên của lớp tiếp
xúc giảm đi nên điện trở của lớp tiếp xúc rất lớn.
b Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n :
- Khi nối bán dẫn loại p vào cực dương, bán dẫn loại n
vào cực âm của nguồn điện. Điện trường E do nguồn
điện tạo ra hướng từ p sang n làm cho hạt mang điện cơ
và tái hợp, làm cho số cặp electron – lỗ
trống. Trong bán dẫn có một giá trò xác

đònh ( người ta hay nói là mật độ cặp
electron – lỗ trống, tức là số cặp trong một
đơn vò thể tích bán dẫn, có giá trò xác
đònh). Nhiệt độ càng cao, số electron và lỗ
trống càng lớn, do đó điện trở suất càng
nhỏ, bán dẫn dẫn điện càng tốt. Có thể sự
dụng công thức (25.5) về mật độ dòng
điện để nói rõ hơn về điều này. Nếu đặt
một hiệu điện thế xác đònh vào mẫu bán
dẫn, thì khi nhiệt độ tăng, mật độ hạt tải
điện n
0
tăng lên mạnh làm j tăng mạnh,
ứng với điện trở suất của bán dẫn giảm
mạnh. Nếu xét như vậy với kim loại, thì
khi nhiệt độ tăng, nồng độ electron tự do
n
0
không đổi, nhưng
u

lại giảm vì va chạm
của electron với các nút mạng tinh thể
tăng lên ; kết qủa là j giảm, ứng với điện
trở suất của kim loại tăng lên ;kết qủa là j
giảm, ứng với điêd5n trở suất của kim loại
tăng lên.đây cũng là câu trả lời cho H
1
Ne chiếu ánh sáng thích hợp vào bán
dẫn, ta có thể cung cấp năng lượng đủ để

tạo thành cặp electron – lỗ trống. Như vậy,
ánh sáng làm tăng nhiệt độ hạt tải điện, và
làm tăng độ dẫn điện của bán dẫn.
Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất đối
với tính chất dẫn điện của bán dẫn : Tạp


Tạp chất B tạo
thêm lỗ trống
Si
Si
B
-
Si
Lỗ trống
Ghi nhớ.
Theo dõi SGK và trả lời
câu hỏi.
Tham gia đóng góp xây
dựng bài.
GV : ĐỖ HIẾU THẢO     VẬT LÝ PB 11: 43 -4 /7
TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI  GIÁO ÁN VẬT LÝ 11
bản di chuyển qua lớp tiếp xúc, nên có dòng điện thuận
qua lớp tiếp xúc.
- Khi nối bán dẫn loại n vào cực dương, bán dẫn loại p
vào cực âm của nguồn điện. Điện trường E do nguồn
điện tạo ra hướng từ n sang p làm cho hạt mang điện cơ
bản không di chuyển qua lớp tiếp xúc, chỉ có hạt mang
điện không cơ bản đi qua lớp tiếp xúc tạo ra dòng điện
có cường độ rất nhỏ gọi là dòng điện ngược.

Kết luận : Lớp tiếp xúc p-n chỉ dẫn điện theo một chiều
từ p sang n. Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết


p
n
p
n
Sự hình thành lớp chuyển tiếp p - n
E
t
chất làm thay đổi loại hạt tải điện cơ bản
trong bán dẫn và nồng độ hạt tải điện cơ
bản trong bán dẫn và nồng độ hạt tải điện.
Do hiểu được cơ chế của hiện tượng này,
nên trong kỹ thuật, người ta có thể chủ
động pha các tạp chất thích hợp để thu
được các bán dẫn có tính chất mong muốn.
Khi tạp chất có mặt trong tinh thể, tính
chất liên kết của nguyên tử hợp chất khác
với liên kết của các nguyên tử bán dẫn
chủ. Điều đó có thể dẫn đến sự tạo thành
điện tử electron tự do hoặc lỗ trông tùy
theo loại tạp chất. Tong SGK, ta xét hai
trường hợp điển hình và hay gặp nhất đó là
bán dẫn Si pha với P với B. từ đây, GV
làm cho học sinh hiểu được rằng, tạp chất
làm hình thành các hạt tải chỉ thuộc một
loại, mà không phải là cặp electron lỗ
trống như trong bán dẫn tinh khiết.

Cần chú ý rằng trong các trương hợp thông
thường, khi ta xét ở nhiệt độ phòng, thì
trong bán dẫn đã có electron tự do và lỗ
trống được tạo thành, gây nên sự dẫn điện
riêng của bán dẫn. Tuy nhiên, với bán dẫn
Si thì ở nhiệt độ phòng, nồng độ electron
rỗng và nồng độ do sự dẫn điện riêng là
rất thấp. Chính vì vậy mà chỉ cần một
lượng tạp chất rất nhò, thì số hạt tải một số
nào đó tăng lên nhiều lần so với số hạt tải
Ghi nhớ.
Ghi nhớ.
Ghi nhớ.
GV : ĐỖ HIẾU THẢO     VẬT LÝ PB 11: 43 -5 /7
TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI  GIÁO ÁN VẬT LÝ 11


p
n
Lớp chuyển tiếp p – n mắc vào
nguồn điện theo chiều thuận
E
t
E
n

c Đặc trưng vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n
Khảo sát sự biến thiên của cường độ dòng điện theo
hiệu điện thế, ta có thể thu được đường đặc trưng vôn
ampe của lớp chuyển tiếp p-n như trên hình 43.10 .

loại loại đó trong sự dẫn điện riêng. Kết
qủa là số hạt tải loại này lớn hơn rất nhiều
so với loại hạt tải trái dấu với nó, và trở
thành hạt tải điện đa số. Để hiễu về điều
này một cách đònh lượng, có thể sử dụng
và khai thác bài tập 1
Lớp chuyển tiếp p – n
Khi khảo sát sự hình thành lớp chuyểp tiếp
p – n, cẩn đặc biệt nhấn mạnh đến sự khác
nhau về nồng độ electron và lỗ trống ở hai
bên lớp chuyển tiếp. Chính sự chênh lệch
nồng độ đã dẫn đến sự khếch tán ưu tiên
của mỗi loại hạt tải theo một chiều : lỗ
trống từ phía bán dẫn p sang phía n,
electron từ phía n sang phía p. sự khếch
tán theo chiều ngược nhau của hai loại
mang điện tích trái dấu dẫn đến sự hình
thành điện trường trong
t
E

ở lớp chuyển
tiếp, có tác dụng ngăn cản sự khếch tán.
Điện trường tron đạt giá trò ổn đònh khi hai
xu hướng cân bằng nhau.
hai bên lớp chuyển tiếp được mắc vào
nguồn điện ngoài, trạng thái cân bằng bò
thay đổi. Nếu lớp chuyển tiếp được phân
cực thuận, sự chuyển động của các hạt tải
cơ bản qua lớp chuyển tiếp được tăng

cường, tạo nên dòng điện thuận có cường
độ lớn. Nếu lớp chuyển tiếp được phân cực
ngược, sự chuyển động của các hạt tải cơ
Xem SGK.
GV : ĐỖ HIẾU THẢO     VẬT LÝ PB 11: 43 -6 /7
TRƯỜNG PTTH MẠC ĐĨNH CHI  GIÁO ÁN VẬT LÝ 11
Tính chất của lớp chuyển tiếp p-n được ứng dụng trong nhiều
dụng cụ bán dẫn như điôt, tranzito…Ï


I
O
U
bản qua lớp chuyển tiếp được tăng cường,
nhưng cường độ dòng điện ngược là rất
nhỏ. Vậy lớp chuyển tiếp chỉ dẫn điện một
cách đáng kể theo nột chiều.
Khi giảng về đường đặc trưng Vôn –
Ampe, của lớp chuyển tiếp p – n, cần giải
thích cho học sinh biết nó cho ta những
thông tin gì về độ lớn và chiều của dòng
điện qua lớp chuyển tiếp, qua đó nói về
tác dụng chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp. Có
thể cho học sinh biết qua về cách xác đònh
đường đặc trưng Vôn – Ampe bằng thực
nghiệm. Điều này sẽ được tìm hiểu kó hơn
và được thực hiện trong bài thực hành bài
46
3. Củng cố
bài giảng

Dặn dò của
học sinh
(5’)

Yêu cầu nhắc lại :
Nhấn mạnh các nội dung quan trọng .
Trả lời câu hỏi và làm bài tập SGK
Chuẩn bò bài mới” Dụng cụ bán dẫn “
HS tư lưc

GV : ĐỖ HIẾU THẢO     VẬT LÝ PB 11: 43 -7 /7