Dòng điện trong chất bán dẫn

§17. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

• Một số vật liệu không thể được xem là kim loại hoặc chất điện môi (tiêu biểu là gemani và silic) được gọi chung là chất bán dẫn.

• 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. Điện trở suất của chất bán dẫn rất nhạy cảm với tạp chất. Điện trở suất của chất bán dẫn cũng giảm đáng kể khi nó bị chiếu sáng hay nó bị tác dụng của tác nhân ion hoá khác.

• Ở nhiệt độ thấp bán dẫn có tính cách điện như điện môi nhưng ở nhiệt độ cao thì bán dẫn dẫn điện rất tốt.

• Sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết.

- Ở nhiệt độ cao trong mạng tinh thể bán dẫn xuất hiện hai loại hạt mang điện tự do là êlectron và lỗ trống.

- Bản chất của dòng điện.

+ Khi không có điện trường ngoài: các electron và lỗ hổng chuyển động nhiệt hỗn loạn ⇒ Không có dòng điện.

+ Khi có điện trường ngoài: các electron và lỗ hổng chuyển động có hướng tạo nên dòng điện.

+ Dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết là dòng chuyển dời có hướng đồng thời của các electron tự do (ngược chiều điện trường) và các lỗ trống ( cùng chiều điện trường) dưới tác dụng của điện trường.

• Sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất.

- Bán dẫn chứa đôno (tạp cho), còn gọi là bán dẫn loại n có hạt mang điện cơ bản là electron còn lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản.

- Bán dẫn chứa axepto (tạp nhận), còn gọi là bán dẫn loại p có hạt mang điện cơ bản là lỗ trống, còn electron tự do là hạt mang điện không cơ bản.

• Lớp chuyển tiếp p – n là chỗ tiếp xúc giữa hai miền mang tính dẫn điện p và n trên một tinh thể bán dẫn. Ở lớp tiếp xúc p - n này, có tính dẫn điện chủ yếu theo một chiều từ p sang n, người ta lợi dụng tính chất này để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều.

• Một lớp bán dẫn loại p rất mỏng được kẹp giữa hai lớp bán dẫn n thực hiện trên một tinh thể bán dẫn là một tranzito n-p-n. Tranzito có khả năng khuếch đại tính hiệu điện, được dùng để lắp bộ khuếch đại và các khoá điện tử.

B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1. Tính chất điện của bán dẫn và kim loại khác nhau như thế nào?

Giải

Kim loại:

• Kim loại là chất dẫn điện tốt

• Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại tăng theo, tính dẫn điện giảm (không đáng kể)

• Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển động có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường.

Bán dẫn:

• Tính dẫn điện nằm ở trạng thái trung gian giữa kim loại và chất điện môi

• Ở nhiệt độ thấp bán dẫn dẫn điện kém, ở nhiệt cao bán dẫn dẫn điện khá tốt do điện trở của bán dẫn giảm.

• Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển động có hướng của các electron tự do và các lỗ trống dưới tác dụng của điện trường.

2. Điểm khác nhau chính giữa nguyên tử đônô và axepto đối với silic là gì?

Giải

So với silic, đono là các nguyên tố có 5 electron hoá trị (silic chỉ có 4 electron hóa trị). Electron thừa đó đã trở thành electron tự do, nên hạt mang điện cơ bản của bán dẫn chứa đono là êlectron, lỗ trống là hạt mang điện không cơ bản. Còn axepto là các nguyên tố chỉ có 3 electron hoá trị (so với 4 của silic), muốn liên kết với các nguyên tử silic lân cận, chúng nhận thêm một electron liên kết và tạo thành một lỗ trống, nên bán dẫn chứa axepto có hạt mang điện cơ bản là các lỗ trống, còn electron chỉ là hạt mang điện không cơ bản.

3. Mô tả cách sinh ra electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n và p.

Giải

• Bán dẫn tinh khiết, xét tinh thể silic: silic có hoá trị 4, nghĩa là có 4$e^{-}$ ở lớp ngoài cùng, khi hợp thành mạng tinh thể, chúng góp chung $e^{-}$ để tạo thành liên kết cộng hoá trị.

Ở nhiệt độ thấp, các liên kết này rất bền, nên trong tinh thể không có hạt mang điện tự do.

Ở nhiệt độ cao: các nguyên tử silic dao động mạnh làm một số liên kết bị phá vỡ tạo nên một số electron tự do, đồng thời để lại mạng tinh thể một số chỗ trống thiếu electron gọi là lỗ trống. Lỗ trống này mang điện tích dương và nó có thể di chuyển từ chỗ này đến chỗ khác trong mạng tinh thể.

• Bán dẫn chứa đôno (loại n): pha vào tinh thể silic một lượng rất nhỏ các nguyên tử asen (As) có 5 electron hoá trị. Trong mạng tinh thể 4$e^{-}$ của As liên kết cộng hoá trị với 4 nguyên tử silic As còn dư 1 electron liên kết rất yếu với hạt nhân và dễ dàng tách khỏi nguyên tử để tạo thành electron tự do. Như vậy tạp chất asen (As) làm cho số electron tự do tăng lên rất nhiều. Mật độ electron tự do lớn hơn mật độ lỗ trống.

• Bán dẫn chứa axepto (loại p): pha vào nguyên tử silic một lượng rất nhỏ nguyên tử bo (B) có 3 electron hoá trị. Trong mạng tinh thể silic, bo còn thiếu 1$e^{-}$ để tạo thành mối liên kết cộng hoá trị. Mối liên kết bị thiếu này, dễ dàng nhận thêm một electron ở mối liên kết đầy đủ gần đó tạo nên một lỗ trống. Như vậy tạp chất bo làm cho số lỗ trống tăng lên rất nhiều. Mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron tự do.

4. Dòng điện chỉ chạy qua lớp chuyển tiếp p-n theo chiều nào?

Giải

Ở lớp chuyển tiếp (lớp tiếp xúc) p – n , dòng điện chỉ chạy theo một chiều từ p sang n.

5. Khi nào thì một lớp bán dẫn kẹp giữa hai bán dẫn n trên một tinh thể được xem là một tranzito n-p-n?

Giải

Tinh thể bán dẫn được pha tạp chất để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền n tạo ra một tranzito lưỡng cực n - p - n. Vậy khi bán dẫn loại p được kẹp giữa hai bán dẫn loại n được xem như một tranzito lưỡng cực n - p - n. Lớp bán dẫn p phải rất mỏng để có thể tạo ra được hiệu ứng tranzito.

6. Phát biểu nào dưới đây là chính xác?

Người ta gọi silic là chất bán dẫn vì

A. nó không phải là kim loại cũng không phải là điện môi.

B. hạt tải điện trong đó có thể là electron và lỗ trống.

C. điện trở suất của nó rất nhạy cảm với nhiệt độ, tạp chất, và các tác nhân ion hoá khác.

D. Cả ba lí do trên

Giải

Ở nhiệt độ bình thường, các liên kết cộng hoá trị trong nguyên tử silic rất bền vững, nên trong tinh thể không có hạt mang điện tự do ⇒ tinh thể không dẫn điện. Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử silic dao động mạnh làm cho một số liên kết bị phá vỡ, tạo ra một số electron tự do và một số lỗ trống, nên tinh thể dẫn điện tốt. Hơn nữa, nếu pha thêm tạp chất asen, (As) hoặc bo (B) vào tinh thể silic, làm tăng thêm tính dẫn điện của tinh thể này ⇒ cả A, B, C đều đúng

⇒ Chọn câu D

7. Phát biểu nào dưới đây về tranzito là chính xác?

A. Một bán dẫn lớp p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n là tranzito n-p-n.

B. Một lớp bán dẫn n mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn p không thể xem là tranzito.

C. Một lớp bán dẫn p mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn n luôn có khả năng khuyếch đại.

D. Trong tranzito n-p-n, bao giờ mật độ hạt tải điện miền êmitơ cũng cao hơn miền bazơ.

Giải

Chọn câu D