SGK Vật Lí 11 - Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

17 Dòng điện trong chất bán dẫn
Ngày nay, ta hay nói đến sự bùng nổ của công nghệ thông tin. Vậy sự bùng nố ấy bắt nguồn từ đâu ?
I - CHẤT BÁN DẪN VÀ TÍNH CHẤT
Khi nghiên cứu các vật liệu, người ta thấy nhiều chất không thể xem là kim loại hoặc điện môi. Trong số này có một nhóm vật liệu mà tiêu biểu là gemani và silic, được gọi là chất bán dẫn hoặc gọi tắt là bán dẫn.
Những biểu hiện quan trọng đầu tiên của chất bán dẫn là :
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. Ớ 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 cố giá trị âm. Ta gọi đó là sự dẩn điện riêng của chất bán dẫn. Điều này ngược với sự phụ thuộc của điện trở suất của các kim loại vào nhiệt độ.
Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất. Chỉ cần một lượng tạp chất nhỏ (khoảng 10_6% đến 10_3%) cũng đủ làm điện trở suất của nó ở lân cận nhiệt độ phòng giảm rất nhiều lần. Lúc này, ta nói sự dẫn điện của chất bán dẫn là dẫn điện tạp chất.
Điện trở suất của chất bán dẫn cũng giảm đáng kể khi nó bi chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hoá khác.
- HẠT TẢI ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN. BÁN DẪN LOẠI n VÀ BÁN DẪN LOẠI p
Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p
Để hiểu được tính chất điện của chất bán dẫn, trước hết cần xác định hạt tải điện trong chất bán dẫn mang điện tích gì. Điều này có thể thực hiện bằng cách 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.
• • • • • •
sĩI: @: @ Hình 17.1
Liên kết của một nguyên tử Si với một nguyên tử Si ở bên cạnh được thực hiện bằng một cặp electron chạy quanh hạt nhân của hai nguyên tử này.
Hình 17.2
Chuyển động nhiệt làm đứt một mối liên kết giữa hai nguyên tử silic, tạo ra một electron tự do và một lỗ trống.
Hình 17.3
Nguyên tử tạp chất hoá trị năm (P) chỉ cần bốn electron hoá trị để liên kết với bốn nguyên tử silic lãn cận. Electron thứ năm trở thành electron tự do, còn nguyên tử. p trở thành ion p+.
Thí nghiệm với mẫu silic pha tạp phôtpho (P), asen (As), hoặc antimon (Sb), chứng tỏ hạt tải điện trong đó mang điện âm. Ta gọi mẫu silic này 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. Ta gọi mẫu silic này là loại p.
Electron và lỗ trống
Trong cả hai loại bán dẫn p và n, thực ra dòng điện đều do chuyển động của electron sinh ra. Khi tạo thành tinh thể silic, mỗi nguyên tử silic có bốn electron hoá trị nên vừa đủ để tạo ra bốn liên kết với bốn nguyên tử lấn cận. Các electron hoá trị đều bị liên kết (Hình 17.1), nên không tham gia vào việc dẫn điện.
Khi một electron bị rút khỏi mối liên kết, nó trở nên tự do và thành hạt tải điện gọi là electron dẫn, hay gọi tắt là electron. Chỗ liên kết đứt sẽ thiếu một electron nên mang điện dương. Khi một electron từ mối liên kết của nguyên tử silic lân cận chuyển tới đấy thì mối liên kết đứt sẽ di chuyển ngược lại. Chuyển động cửa các electron liên kết bây giờ có thể xem như chuyển động của một điện tích dương theo chiều ngược. Nó cũng được xem, là hạt tải điện mang điện dương, và gọi là lỗ trống (Hình 17.2).
Vậy, dòng điện trong chất bán dản là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.
Tạp chất cho (đôno) và tạp chất nhận (axepto)
Khi pha tạp p, As,... là những nguyên tố có năm electron hoá trị vào trong tinh thể silic, chúng chỉ cần dùng bốn electron hoá trị để liên kết với bốn nguyên tử silic lân cận. Electron thứ năm rất dễ trở thành electron tự do, nên mỗi nguyên tử tạp chất này cho tinh thể một electron dẫn. Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno (Hình 17.3). Đôno sinh r-a electron dẫn nhưng không sinh ra lỗ trống. Mặt khác, chuyển động nhiệt cũng tạo ra một số êlectron và lỗ trống nhưng số lượng nhỏ hơn. Vì thế, hạt tải điện trong bán dẫn loại n chủ yếu là electron.
Tương tự, khi pha tạp B. Al,... là các nguyên tử có ba electron hoá trị vào tinh thể silic, chúng phải lấy một electron
của nguyên tử silic lân cận để có đủ bốn mối liên kết (Hình 17.4). Chúng nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto. Axepto :sinh ra lỗ trống mà không sinh ra electron tự do. Hạt dẫn điện trong bán dẫn loại p chủ yếu là lỗ trống.
Điện trở suất p, mật độ electron và lỗ trống trong gemani siêu tinh khiết, gemani pha tạp gali với tỉ lệ nồng độ nguyên tử 10_6% và 10_3% ở nhiệt độ phòng được cho trên Bảng 17.1. HI
Bảng 17.1
gemani pha tạp gali ở 300 k
Tỉ lệ tạp chất
0%
•
10-6%
10.-3%
Điện trở suất
0,5 Q.m
10-1Q.m
10^Q.m
Mật độ lỗ trống
2,5.1019 nr3
3.7.1O20 m-3
3,7.1 o23 m-3
Mật độ electron
2.5.1019 m-3
1,7.1018 nr3
1.7.1015 m-3
Điện trở suất và mật độ hạt tải điện của
Ill - LỚP CHUYỂN TIẾP p-n
Lóp 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.
Lớp nghèo
' sỉ) ĩ © ĩ (sỉ
© ĩ © ĩ Si Hình 17.4
Nguyên tử tạp chất hoá trị ba (B) cần bốn electron hoá trị để liên kết với bốn nguyên tử silic lân cận. Nó lấy một electron của nguyên tử silic lân cận, trở thành ion B“ và sinh ra một lỗ trống.
H] So sánh điện trở suất của gemani tinh khiết, gemani pha tạp gali với tỉ lệ 10'6 % và 10-3 % ở nhiệt độ phòng với điện trở suất của các kim loại.
p Lớp nghèo n
Hình 17.5 Lớp chuyển tiếp p-n
Vì sao ở hai bên lớp nghèo lại có các ion dương và ion âm ?
Vì trong miền bán dẫn loại p hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống, trong miền bán dẫn loại n hạt tải điện chủ yếu là electron tự do, nên tại lớp chuyển tiếp p-n, chúng trà trộn vào nhau. Khi electron gập lỗ trống (là chỗ liên kết bị thiếu electron), nó sẽ nối lại mối liên kết ấy, và một cặp electron - lỗ trống sẽ biến mất. Ở lớp chuyển tiếp p-n, sẽ hình thành một lớp không có hạt tải điện gọi là lớp nghèo. Ớ 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 (Hình 17.5). Điện trở của lớp nghèo rất lớn. H3
J (mA)
-10 o'1 Ữ(V)
Hình 17.6
Đặc tuyến vôn - ampe của điôt bán dẫn
Mạch chinh lưu thường được mắc bằng bốn điôt, thành cầu chinh lưu như Hình 17.7. Nguồn điện xoay chiều được nối vào các điểm l và 3 ; tải tiêu thụ điện một chiều được nối vào các điểm 2 và 4. Dòng điện luôn đi qua tải theo một chiều từ 2 đến 4, nên điểm 2 là cực dương, điểm 4 là cực âm của bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu được dùng phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng như radio, tivi, máy nạp acquy.
Hình 17.7
Cáu chình lưu : Dù điểm 1 ở điện thế dưong hay âm sò với điểm 3, dòng điện luôn đi qua tải theo một chiếu từ 2 đến 4.
Dòng điện chạy qua lớp nghèo
Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn p sang bán dẫn n thì lỗ trống trong bán dẫn p sẽ chạy theo điện trường vào lớp nghèo ; electron trong bán dẫn « sẽ chạy ngược chiều điện trường vào lóp đó. Lúc này, 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. Khi đảo chiều điện trường ngoài, dòng điện không thể chạy từ miền n sang miền p, vì khi ấy không có hạt tải điện nào đến lóp nghèo, điện trở của nồ trở nên rất lớn. Ta gọi chiều dòng điện qua được lớp nghèo (từp sang /?) là chiều thuận, chiều kia (từ n sang p) là chiều ngược.
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. Ta nói rằng có hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác. Tuy nhiên, chúng không thể đi xa quá khoảng 0,1 mm, vì cả hai miền p và n lúc này đều có electron và lỗ trống nên chúng dễ gặp nhau và biến mất từng cặp.
- ĐIÔT BÁN DẪN VÀ MẠCH CHỈNH LƯU DÙNG ĐIÓT BÁN DẪN
Điôt bán dẫn thực chất là một lớp chuyên tiếp p-n. Kí hiệu của điôt và đặc tuyến vôn - ampe của điôt được vẽ trên Hình 17.6. 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 cũrig chỉ chạy theo một chiều. Ta nói điôt bán dẫn có tính chỉnh lưu. Nó được dùng để lắp mạch chỉnh lưu, biến điện xoay chiều thành một chiều.
- TRANZITO LƯỠNG cực n-p-n. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN Lí HOẠT ĐỘNG
Hiệu ứng tranzito
Xét một tinh thể bán dẫn trên đó có tạo ra một miền p, và hai miền /7 J và n2. Mật độ electron trong
miền /ỉ2 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 VE - 0, Vg vừa đủ để lớp chuyển tiếp p-n-, phân cực thuận, vc có giá trị tương đối lớn (cỡ 10 V).
Giả sử miền p rất dày, z?! và /?2 cách xa nhau
Lớp chuyển tiếp nx-p phân cực ngược, chỉ có dòng điện rất nhỏ do electron chạy từ p sang /2p và lỗ. trống chạy từ sang p sinh ra. Điện trở /?CB giữa c và B rất lớn (Hình 17.8a).
Lớp chuyển tiếp phân cực thuận, dòng điện chạy qua chủ yếu là dòng electron phun từ n2 sang miền p. Các electron này không tới được lớp chuyển tiếp p-Uị, do đó không ảnh hưởng tới /?Cg.
Giả sử miền p rất mỏng, Uị rất gần n2
Đại bộ phận dòng electron từ /?2 phun sang p có thể đi tới lớp chuyển tiếp nỵ-p, rồi tiếp tục chạy sang /7| đến cực c (Hình 17.8b) làm cho điện trở Rcb giảm đáng kể.
Hiệu ứng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đói điện trởRCĩi gọi là hiệu ứng tranzito.
Vì đại bộ phận electron từ «2 phun vào p không chạy về B mà chạy tới cực c, nên ta có /g « /E và Ic X ỈE. Dòng /g nhỏ (do nguồn điện đặt vào B cung cap) sinh ra dòng Ic lớn (do nguồn điện đặt vào c cung cấp), chứng tỏ có sự khuếch đại dòng điện.
Tr’anzito lưỡng cực n-p-n
Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền p rất mỏng kẹp giữa hai miền nỊ và «2 đã mô tả ở trên gọi là tranzito lưỡng cực n-p-n (Hình 17.9). rè
Tranzito có ba cực :
» • (
Cực góp hay colectơ, kí hiệu là c.
Cực đáy hay cực gốc, hoặc bazơ, kí hiệu là B.
Minh hoạ hiệu ứng tranzito :
a) Khi miền p dày : không có hiệu ứng
tranzito.
b) Khi miền p mỏng: có hiệu ứng tranáto.
S3 Tinh thể bán dẫn được pha tạp để tạo ra một miền n mỏng kẹp giữa hai miền p có thể gọi là tranzito được không ?
c)
Hình 17.9
Tranzito lưỡng cực:
Mô hình.
Cấu trúc thực.
, Kí hiệu của tranzito n-p-n.
Cực phát hay êmitơ, kí hiệu là E.
Tranzito có khả năng khuếch đại tín hiệu điện, và là linh kiện chủ lực đã dẫn đến sự bùng nổ của công nghệ điện tử và thông tin ngày nay. úng dụng phổ biến nhất của tranzito là để lắp mạch khuếch đại và khoá điện tử.
Chất bán dẫn là một nhóm vật liệu mà tiêu biểu là gemani và silic.
Điện trở suất của các chất bán dẫn có giá trị nằm trong khoảng trung gian giữa kim . loại và điện môi.
Điện trở suất cùa chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và tạp chất.
K3 Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.
Dòng điện trong chất bán dẫn ià dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do và lỗ trống dưới tác dụng cùa điện trường.
Bán dẫn chứa đôno (tạp chất cho) là loại n, có mật độ electron 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 electron.
Lớp chuyển tiếp p-n là chỗ tiếp xúc giữa hai miền mang tính dẫn điện pvàn trên một tinh thê bán dẫn. Dòng điện chỉ chạy qua được lớp chuyển tiếp p-n theo chiều từp sang n, nên lớp chuyển tiếp p-n được dùng làm điôt bán dẫn đê’ chinh lưu dòng điện xoay chiều.
Một lớp bán dẫn loại p rất mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n thực hiện trên một tinh thê bán dẫn (Ge, Si,...) là mộttranziton-p-n. Tranzito có khả năng khuếch đại tín hiệu
' điện, và dùng để lắp bộ khuếch đại và các khoá điện tử.
CÂU HÒI VÀ BÀI TẬP
Tính chất điện của bán dẫn và kim loại khác nhau thế nào ?
Điểm khác nhau chính giũa nguyên tử đôno và axepto đói vói silic là gì ?
Mó tả cách sinh ra electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết, bán dẫn n và p.
Dòng điện chỉ chạy qua lóp chuyển tiếp p-n theo chiều nào ?
Khi nào thì một lớp bán dẫn p kẹp giữa hai lớp bán dẫn n trên một tinh thể đuọc xem là một tranzito n-p-n ?
Phát biểu nào duới đây là chính xác ?
Người ta gọi silic là chất bán dẩn vì
nó không phải là kim loại, cũng không phải là điện môi.
hạt tải điện trong đó có thể là electron và lỗ trống.
c. điện trò suất của nó rất nhạy cảm vói nhiệt độ, tạp chất, và các tác nhân ion hoá khác.
D. Cả ba lí do trên.
7. Phát biểu nào dưới đây vé tranzito là chính xác ?
Một lớp bán dản loại p kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n là tranzito n-p-n.
Một lớp bán dản loại n mỏng kẹp giữa hai lóp bán dẫn loại p không thể xem là tranzito.
c. Một lớp bán dẫn loại p mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n luôn có khả năng khuếch đại.
D. Trong tranzito n-p-n, bao giờ mật độ hạt tải điện mién êmito cũng cao hon mién baza.
Em có biết ?
MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANZITO
Sơ đồ nguyên lí của mạch khuếch đại dùng tranzito. n-p-n (còn gọi là tầng khuếch đại kiếu êmitơ chung hay êmitơ nối đất) được vẽ trên Hình 17.10. Suất điện động cúa nguồn <^c thường vào khoáng từ 6 V đến 12 V. Các điện trớ RẠ và /?2 được chọn đế cho hiệu điện thế cúa ưgE vào khoáng 0,7 V, đú đế phân cực thuận lóp chuyến tiếp B - E, với /?2 vào khoáng 5 -í- 10 kQ. Điện trớ tái /?y được chọn sao cho hiệu điện thế giữa colectơvà êmitơ vào cỡ -ỳ- . Tín hiệu điện cần khuếch
đại đưa vào chân bazơ và émitơ (lối vào) và lấy ra trên điện trớ tái hoậc giữa chân colectơ và êinitơ (lối ra). Các tụ điện c, và C2 được dùng khi chí muốn khuếch đại tín hiệu điện xoay chiều. Đế khuếch đại những tín hiệu rất yếu, ta có thế mắc nối tiếp nhiều tầng khuếch đại với nhau, lối vào cúa tầng sau nối với lối ra cúa tầng trước.
Ngày nay, nguôi ta đã chế tạo nhũng vi mạch khuếch đại hoàn chính bằng tranzito trên một mánh silic diện tích khoảng 1/4 mm2 và gọi là bộ khuếch đại thuật toán (viết tắt là bộ KĐTT). Bộ KĐTT pho biến là vi mạch pA 741. Hình 17.11 vẽ hình dạng bên ngoài cúa vi mạch KĐTT, kí hiệu thường dùng của nó, và mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện lắp bằng bộ KĐTT. Mạch này dùng hai nguồn điện 9 V mắc nối tiếp, điếm giữa nối đất. Chân 7 ớ điện thế + 9 V, chân 4 ớ điện thế - 9 V. Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào các chân 2 và 3, tín hiệu lấy ra được đưa vào milivôn kế V mắc giữa chân 6 và đất. Hệ số khuếch đại (tí số cúa hiệu điện thế ớ lối ra và hiệu điện thế ớ lối vào) là
/?
k - 77-, và không phụ thuộc loại bộ KĐTT. Nếu dùng cặp *2
Sơ đổ nguyên lí của mạch khuếch đại dùng tranzito n-p-n
c)
Bộ KĐTT và ứng dụng :
Hình 17.11
Hình dạng bẻn ngoài của bộ KĐTT.
Kí hiệu thuờng dùng cùa bộ KĐTT.
So dó máy đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện đóng - constantan lắp bằng bộ KĐTT.
nhiệt điện đồng - constantan, (áy = 40 pV/K), ta có thể chọn Rì = 250 kQ, R2 = 10 kQ thì mối độ chia trên milivôn kế sẽ tương ứng với 1 °C.