Bài 23: Dòng điện trong chất bán dẫn - Giải BT Vật Lí 11 nâng cao
Bài 23: Dòng điện trong chất bán dẫn
Câu c1 (trang 116 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Giải thích tại sao điện trở suất của kim loại và bán dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ theo cách khác nhau, như thấy ở hình 23.2 SGK
Hướng dẫn giải:
• Điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng, là do:
Khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại ở nút mạng tinh thể dao động mạnh. Do đó độ mất trật tự của mạng tinh thể kim loại tăng làm tăng sự cản trở chuyển động của các electron tự do. Vì vậy, khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của kim loại tăng, điện trở của kim loại tăng.
• Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng, là do:
Ở nhiệt độ thấp, các electron liên kết tương đối yếu với các ion của nó. Khi tăng nhiệt độ, các electron có động năng đủ lớn bứt khỏi liên kết và tạo thành electron dẫn. Chừa lại một chỗ trống tương đương với hạt tải điện mang điện tích dương gọi là lỗ trống ⇒ khi nhiệt độ tăng mật độ hạt tải điện là electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết tăng ⇒ điện trở suất giảm.
Câu 1 (trang 120 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Hãy nêu sự khác nhau về tính chất điện giữa kim loại và bán dẫn tinh khiết
Hướng dẫn giải:| Kim loại | Bán dẫn tinh khiết |
• Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron • Điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng |
• Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống • Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng |
Câu 2 (trang 120 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Có những bán dẫn nào? Trong mỗi loại bán dẫn đó, các hạt tải điện là những loại nào, có số lượng ra sao và được tạo thành như thế nào?
Hướng dẫn giải:Các loại bán dẫn:
+ Bán dẫn tinh khiết
- Hạt tải điện là electron và lỗ trống với số lượng bằng nhau
- Ở nhiệt độ thấp, các electron liên kết tương đối yếu với các ion của nó => không có hạt tải điện
- Khi nhiệt độ tăng, các electron có động năng đủ lớn bứt khỏi liên kết và tạo thành electron dẫn. Chừa lại một chỗ trống tương đương với hạt tải điện mang điện tích dương gọi là lỗ trống => mật độ hạt tải điện là electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau.
+ Bán dẫn có tạp chất
- Bán dẫn loại n: hạt tải điện cơ bản (đa số) là electron, hạt tải điện không cơ bản (thiểu số) là lỗ trống. Bán dẫn loại n được tạo thành do pha tạp các nguyên tố nhóm 5 vào bán dẫn tinh khiết
- Bán dẫn loại p: hạt tải điện cơ bản (đa số) là lỗ trống, hạt tải điện không cơ bản (thiểu số) là electron. Bán dẫn loại p được tạo thành do pha tạp các nguyên tố hóa trị 3 vào bán dẫn tinh khiết.
Câu 3 (trang 120 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Hãy giải thích sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n. Vì sao nói lớp chuyển tiếp p – n có tính chất chỉnh lưu?
Hướng dẫn giải:* Sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n
+ Tại lớp chuyển tiếp p – n, có sự khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n. Khi electron gặp lỗ trống, chúng liên kết và một cặp electron và lỗ trống biến mất. Ở lớp chuyển tiếp p – n hình thành lớp nghèo (không có hạt tải điện).
+ Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion đono tích điện dương, ở về phía bán dẫn loại p có các axepto tích điện âm. Điện trở của lớp nghèo rất lớn.
* Gọi U = Vp - Vn là hiệu điện thế áp vào tiếp xúc p – n
+ Khi U > 0: có dòng điện thuận với cường độ lớn chạy qua lớp tiếp xúc từ p sang n.
+ Khi U < 0: có dòng điện ngược với cường độ rất nhỏ chạy qua lớp tiếp xúc từ n sang p.
Vậy dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp p – n chỉ theo một chiều từ p sang n => lớp chuyển tiếp p – n có tính chất chỉnh lưu.
Câu 4 (trang 120 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Hãy giải thích hình dạng của đường đặc trưng vôn – ampe của lớp chuyển tiếp p – n
Hướng dẫn giải:Gọi U = Vp - Vn là hiệu điện thế áp vào tiếp xúc p – n
+ Khi U > 0: điện trường ngoài có tác dụng tạo ra dòng các hạt tải điện cơ bản là electron từ bên bán dẫn n và lỗ trống từ bán dẫn p đi qua được lớp tiếp xúc p – n ⇒ có dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc p –n, U càng tăng thì I càng tăng
+ Khi U < 0: điện trường ngoài có tác dụng chỉ tạo dòng các hạt tải không cơ bản là electron từ bên bán dẫn p và lỗ trống từ bán dẫn n đi qua được lớp tiếp xúc p- n ⇒ có dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc p – n với cường độ rất nhỏ, như hình 23.12.
Bài 1 (trang 120 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Tìm câu đúng.
A. Trong bán dẫn, mật độ electron luôn luôn bằng mật độ lỗ trống.
B. Nhiệt độ càng cao, bán dẫn dẫn điện càng tốt
C. Bán dẫn loại p tích điện dương, vì mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron
D. Bán dẫn có điện trở suất cao hơn kim loại, vì trong bán dẫn có hai loại hạt tải điện trái dấu, còn trong kim loại chỉ có một loại.
Hướng dẫn giải:Đáp án đúng là: B
- Chỉ trong bán dẫn tinh khiết, mật độ electron tự do mới bằng mật độ lỗ trống. Còn bán dẫn loại n thì mật độ electron tự do lớn hơn mật độ lỗ trống; Bán dẫn loại p thì mật độ electron tự do nhỏ hơn mật độ lỗ trống ⇒ câu A sai.
- Nhiệt độ càng cao, bán dẫn dẫn điện càng tốt ⇒ câu B đúng
- Bán dẫn loại p có mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron tự do, nhưng về tổng điện tích thì bán dẫn loại p trung hòa điện ⇒ câu C sai
- Bán dẫn có điện trở suất cao hơn kim loại vì trong bán dẫn các hạt điện là electron và lỗ trống không hoàn toàn tự do như electron tự do trong kim loại ⇒ câu D sai.
Bài 2 (trang 120 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Chọn câu đúng
A. Điện trở của lớp chuyển tiếp p – n là nhỏ, khi lớp chuyển tiếp được mắc vào nguồn điện theo chiều ngược
B. Nhiệt độ càng cao, tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p- n càng kém
C. Khi lớp chuyển tiếp p – n được hình thành thì luôn có dòng điện chạy theo chiều từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n, do sự khuếch tán mạnh hơn của các hạt tải điện cơ bản so với các hạt tải không cơ bản
D. Khi lớp chuyển tiếp p – n được hình thành thì có dòng điện từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, do điện trường trong ở lớp tiếp xúc thúc đẩy chuyển động của các hạt tải điện thiểu số.
Hướng dẫn giải:Đáp án đúng là: B
Nhiệt độ càng cao, tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p – n càng kém
Bài 3 (trang 120 sgk Vật Lý 11 nâng cao): Ở nhiệt độ phòng, trong bán dẫn Si tinh khiết, số cặp điện tử - lỗ trống bằng 10-13 số nguyên tử Si. Nếu ta pha P vào Si với tỉ lệ một phần triệu thì số hạt tải điện tăng lên bao nhiêu lần?
Hướng dẫn giải:Gọi N0 là số nguyên tử Si có trong chất bán dẫn
Ở nhiệt độ phòng trong bán dẫn Si tinh khiết, số cặp điện tử - lỗ trống bằng 10-13 N0
Tức là số hạt tải điện gồm cả điện tử và lỗ trống bằng 2.10-13 N0
Khi pha một nguyên tử P vào bán dẫn Si tinh khiết sẽ tạo ra thêm một electron tự do. Nếu ta pha P vào Si với tỉ lệ một phần triệu, thì số hạt tải điện tăng thêm bằng 10-6 N0
Vậy số hạt tải tăng thêm là: