Báo cáo điện hoàn chỉnh chương dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn

BÀI BÁO CÁO NHÓM 01
CHƯƠNG 5
DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI
Bài 1: SƠ LƢỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN
I.

Bản chất dòng điện trong kim loại
a. Cấu tạo của kim loại:
Mạng tinh thể lục phương:

Thuộc loại này có các kim loại : Be, Mg, Zn,...

I.

Mạng tinh thể lập phương tâm diện:

Thuộc loại này có các kim loại : Cu, Ag, Au, Al,...

I.

Mạng tinh thể lập phương tâm khối:

Thuộc loại này có các kim loại : Li, Na, K, Mo,...

I.


Các ng.tử mất đi e– Ion (+)
dao động nhiệt tại nút mạng.

Nguyên tử tại nút
mạng tinh thể

Nhân

Ion
Ion
Ion+

Electron trong nguyên tử
Electron trong nguyên tử

Electron tự do
Electron tự do
Electron tự do

I.


Mô
hình
mạng
tinh
thể
đồng.

I.


Mô hình sợi dây đồng và các
electron tự do bên trong

I.

b. Tính chất điện của kim loại:
- Kim loại là chất dẫn điện tốt.
- Dòng điện trong kim loại tuân theo định luật Ôm.
- Dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại gây ra tác dụng nhiệt.
- Điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ.

I.

c. Bản chất của dòng điện trong kim loại:

E

I.

c. Bản chất của dòng điện trong kim loại:
 Kết luận: Bản chất dòng điện trong kim loại là
dòng chuyển dời có hƣớng của các electron tự do.

II. Nội dung thuyết electron cổ điển:
a.

Các electron tự do và ion dƣơng ở nút mạng trong kim loại

II. Nội dung thuyết electron cổ điển:
b. Chất khí electron trong kim loại tuân theo định luật của khí lý
tƣởng trong đó có định luật phân bố đều năng lƣợng theo các bậc
tự do. Theo định luật này thì động năng trung bình của một
electron có giá trị: W = 3/2KT
Dựa vào Thuyết này để tìm ra định luật Ohm, định luật
Joule-Lenz và giải thích tính dẫn điện của kim loại, nguyên nhân
gây ra điện trở, điện trở suất, sự biến đổi của điện trở khi nhiệt
độ tăng. Tuy nhiên, Thuyết này không giải thích được một số kết
quả vì không phù hợp với thực nghiệm.

Bài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp Xúc
I) Định nghĩa
Năm 1795, Volt làm
(1’) (2’)
(1)
TN và thấy rằng:
V1
V’1 V’2
2 thanh kim loại
khác nhau đặt tiếp
xúc nhau thì giữa
chúng xuất hiện hiệu
(I)
(II)
điện thế. Hiệu điện
thế đó chính là hiệu
điện thế tiếp xúc.
Có 2 loại hiệu điện thế tiếp xúc:
Hiệu điện thế tiếp xúc trong
Hiệu điện thế tiếp xúc ngoài

(2
V2 )

Gọi 1,2 là 2 điểm nằm
(1’) (2’)
ngoài, sát mặt ngoài 2 thanh (1
) V1
kim loại.
V’1 V’2
Gọi 1’,2’ là 2 điểm nằm
trong, sát 2 đầu thanh kim
loại ở chỗ tiếp xúc.
(I)
V1, V’1, V’2, V2
là điện thế tƣơng đứng tại
các điểm trên
'
Hiệu điện thế tiếp xúc trong U 12
V1'
V2'
Hiệu điện thế tiếp xúc trong

U12

V1

V2

(2
V2 )
(II
)

II) Công thoát
Xét một thanh kim loại ở trạng thái bình thƣờng, các e
chuyển động hỗn loạn trong kim loại. Trong đó có một số e
có vận tốc chuyển động nhiệt lớn hơn nên thoát khỏi bề mặt
kim loại. Lúc này bề mặt kim loại mang điện(+) có tác
dụng hút e trở lại.
Các e tạo thành đám mây mỏng khoảng 10-8 m bao
quanh kim loại. Hai lớp điện tích tạo thành lớp điện kép gây
ra điện trƣờng vecto E có hƣớng từ trong ra. Điện trƣờng
này ko cho e thoát ra. Muốn e thoát ra phải tốn một công để
thắng công lực điện trƣờng.
Công này phải lớn hơn hoặc bằng công của 1 e ở bề mặt
thoát khỏi kim loại gọi là công thoát e.

Acan
Athoat

eU
Acan

eU

1eV= 1,6.10-19 J
• Công thoát phụ thuộc vào bản chất và trạng thái bề mặt kim
loại.
• Với kim loại thật sạch và đặt trong chân không thì công thoát
khoảng vài eV

III) Hiệu điện thế tiếp xúc trong
Hai kim loại 1 và 2 tiếp xúc nhau thì giữa chúng xuất
hiện một hiệu điện thế tiếp xúc gọi là hiệu điện thế tiếp xúc
trong.
Giả sử hai kim loại cùng nhiệt độ, n1, n2 là nồng độ các hạt
mang điện tự do (xấp xỉ bằng mật độ nguyên tử). Do chuyển
động nhiệt, các electron khuếch tán cho nhau.


+
+
+
+

n1

1

-

n2

2

U’12

U

'
12

kT
ln n1
e
n2

k: hằng số Bolzman
T: nhiệt độ tuyệt đối
e = 1,6.10-19 C
Thông thƣờng: U’12: 10-3 – 10-2 V

III) Hiệu điện thế tiếp xúc ngoài
+ Giả sử hai kim loại I và II đặt xa nhau,
A1, A2 là công thoát 2 kim loại đó
(AI>AII), nếu xem hiệu điện thế bên
ngoài kim loại bằng 0.

U
I

II

Điện thế trong kim loại I:
U1

U

1

U2

Điện thế trong kim loại II:

U

2

A1
e
A2
e

U

I

II

U1

U’12
U2

U12

V1 V2

Cho 2 kim loại tiếp xúc nhau,
giữa I và II xuất hiện 1 hiệu
điện thế U’12
Ta có: U’12 = V’1 – V’2
Mà:

V1 V1'

U12
Vì U1, U2 >> U’12 nên U12

A1
'
U12
e

V1' V2'
A2
e

U 2 U1

V2' V2
A2

A1
e

A2

A1
e

kT n1
ln
e
n2

Tóm lại: Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế tiếp xúc
ngoài là do công thoát của electron trong các kim loại khác
nhau và hiệu điện thế tiếp xúc ngoài giữa 2 kim loại cùng
nhiệt độ khi tiếp xúc nhau bằng hiệu công thoát của electron
trong hai kim loại đó chia cho e.

V) Hệ quả:
Nếu có 3 kim loại tiếp xúc nhau ta có hiệu điện thế tiếp xúc ngoài:
U13

V1 V1'

V1 V3

U3

U1

n
kT
ln 1
e
n2

V1'
n
kT
ln 2
e
n3

V2'

V2'
A1

V3'

A3
3

1

V3'

V3

n
kT
ln 1
e
n3

2
I

II

III

Hiệu điện thế tiếp xúc ngoài với mạch điện gồm nhiều kim loại tiếp
xúc nhau chỉ phụ thuộc bản chất kim loại 2 đầu dây dẫn ấy.

Nếu nhiều kim loại tiếp xúc nhau tạo thành mạch kín cùng nhiệt độ T

U

'
12

U

'
23

U

kT n1
ln
e
n2

'
31

kT n2
ln
e
n3

kT n3
ln
e
n1

kT
ln1 0
e

U12
I

U13

II

III

U23

Vậy: Trong một mạch kín gồm
nhiều thanh kim loại tiếp xúc
nhau thì tổng hiệu điện thế bằng
không.

Bài 3: ỨNG DỤNG
1. Hiện tượng nhiệt:
Giả sử có hai thanh kim loại tiếp xúc nhau và nhiệt độ hai
mối nối khác nhau. Ta có dòng điện trong kim loại:

U
T1

'
12

U

'
21

kT1 n1
ln
e
n2

U12

I

k
n1
(T1 T2 ) ln
e
n2

Vậy

k
(T1
e

II
T2
U21

kT2 n2
ln
e
n1

n1
T2 ) ln
n2

0

Bài 3: Ứng dụng
2. Đo nhiệt độ:
a. Cấu tạo cặp nhiệt điện
o
-4

4
mA

Gồm hai dây dẫn bằng kim loại khhác nhau nối dính hai
đầu vào nhau tạo thành mạch kín . Trên đó ngƣời ta mắc
thêm một nhiệt kế.

Bài 3: ỨNG DỤNG
b. Thí nghiệm:

o
-4

4
mA

- Một mối nối nhúng vào nƣớc đấ đang tan
- Mối nối càn lại nung trên ngọn lửa

Bài 3: Ứng dụng
Nhận xét
- Dòng điện chạy trong mạch là dòng nhiệt điện.

- Suất điện động gây ra dòng nhiệt điện gọi là suất động nhiệt điện:

C T1

T2

T1

C

T2

Cặp nhiệt điện đƣợc dùng
trong nhiệt kế điện tử đo
đƣợc nhiệt độ cao với độ
chính xác lớn

B. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
NỘI DUNG
BÀI 1: SƠ LƢỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƢỢNG TRONG VẬT RẮN
 Chuyển động của electron trong nguyên tử cô lập

 Sự chuyển động của electron trong mạng tinh thể

 Giải thích tính dẫn điện của kim loại, điện môi,bán dẫn

BÀI 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
 Sơ lƣợc - đặc điểm
 Chất bán dẫn tinh khiết
BÀI 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN CÓ PHA TẠP CHẤT
 Chất bán dẫn loại n
 Chất bán dẫn loại p
BÀI 4: ỨNG DỤNG
 Diode bán dẫn
 Phân cực nghịch

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG
TRONG VẬT RẮN
1. Chuyển động của electron trong nguyên tử cô lập

P
O
N

E5
E4

M

E2

L

E1

K

E0

E3

hình 5.9

Trong cơ học lƣợng tử, mỗi
electron trong nguyên tử chỉ có thể
chuyển động ở những trạng thái xác
định gọi là trạng thái lƣợng tử. Ở trạng
thái ấy electron có một số đặc điểm:
 Do electron chuyển động quanh
hạt nhân nên có mômen động
lƣợng quỹ đạo
 Do electron chuyển động quanh
trục của nó nên có mômen động
lƣợng riêng gọi là Spin (đƣợc
biễu diển bằng
).

TRONG VẬT RẮN
2. Sự chuyển động của electron trong mạng tinh thể

E

miền
năng
lƣợng
đƣợc
phép

miền
năng
lƣợng
cấm

hình 5.9

Ứng với mỗi mức năng lƣợng
trong nguyên tử cô lập bây giờ
xuất hiện n mức năng lƣợng
nằm sát nhau gọi là miền năng
lƣợng.
 Sơ đồ electron trong mạng
tinh thể gồm nhiều miền năng
lƣợng. Ta gọi các miền này là
miền năng lƣợng đƣợc phép.

TRONG VẬT RẮN
Giữa 2 miền năng lƣợng đƣợc phép là miền cấm
electron không có giá trị ở miền này
Chính cách phân bố electron ở miền năng lƣợng đƣợc
phép và bề rộng miền năng lƣợng cấm cho phép ta phân biệt
đƣợc vật dẫn, điện môi hay chất bán dẫn.
E

miền trống

miền đầy
hình 5.10

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG TRONG
VẬT RẮN

3. Giải thích tính dẫn điện của kim loại, điện môi, bán
dẫn
a. Kim loại
Do tác động của điện
trƣờng các electron có thể
nhảy lên mức năng lƣợng cao
hơn còn bỏ trống vì khoảng
cách giữa 2 mức năng lƣợng
rất bé (khoảng 10-22eV), và
chuyển động có hƣớng tạo
thành dòng điện.

E

hình 5.11a

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG
LƯỢNG TRONG VẬT RẮN
b. Điện môi

Miền đầy cách miền trống trên nó
bởi miền cấm có bề rộng Eg lớn
hơn 3eV. Vì vậy dù điện trƣờng rất
mạnh cũng không đủ cung cấp
năng lƣợng để electron vƣợt đƣợc
vùng cấm, kết quả là electron
không thu thêm năng lƣợng và
không chuyển động có hƣớng tạo
thành dòng điện. Các chất có tính
chất này gọi là điện môi.

E

miền trống

Eg

3eV

miền đầy

c. Bán dẫn
Bề rộng của miền năng lƣợng
cấm Eg nhỏ hơn 3eV. Nếu ở
nhiệt độ bình thƣờng một số
electron do chuyển động có
thể nhận thêm năng lƣợng và
nhảy lên mức năng lƣợng cao
hơn ở miền trống. Do tác
động của điện trƣờng
electron ở miền ấy tiếp tục
nhận năng lƣợng vƣợt qua
miền cấm và chuyển động có
hƣớng tạo thành dòng điện.

E

miền trống

Eg

3eV

miền đầy

hình 5.11c


Kết luận: vì vậy với chất bán dẫn ở nhiệt độ thƣờng
electron ở miền trống ít nên dẫn điện kém, khi nhiệt độ tăng
các electron ở miền trống tăng chất bán dẫn trở thành dẫn
điện tốt

Bài 2. DÒNG ĐiỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN
1. Sơ lƣợc – đặc điểm
2. Chất bán dẫn tinh khiết.


1. Sơ lƣợc – đặc điểm
a. Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu trung gian
giữa chất cách điện và chất dẫn điện. Chất bán dẫn hoạt động
nhƣ chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động nhƣ một
chất dẫn điện ở nhiệt độ cao.
b. Tính chất.
Tính dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào các điều kiện
bên ngoài nhƣ: nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, điện trƣờng, từ
trƣờng……khác hẳn kim loại và điện môi.
Vd: Si ρ=600Ωm (t=25̊ C); ρ=0,001Ωm (t=700̊ C).


c. Điện trở suất (ρ).
-6

-4

-Kim loại: 10 – 10 Ωm
-4

3

-Bán dẫn: 10 – 10 Ωm
3

16

-Điện môi: 10 – 10 Ωm
Kl

Bd

Dm


c. Điện trở suất (ρ).
-Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ:
+ Khi nhiệt độ thấp điện trở suất rất lớn, tính dẫn điện
của bán dẫn kém.
+ Khi nhiệt độ cao điện trở suất rất nhỏ, tính dẫn điện
của bán dẫn tăng.
- Điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi bị pha tạp chất.
Ví dụ: Chẳng hạn khi pha Bo 10-5 vào Silic điện trở suất giảm
1000 lần.

d. Chất bán dẫn rất phổ biến trong đời sống.


2.Chất bán dẫn tinh khiết.
a. Khái niệm:
Ta xét trƣờng hợp bán dẫn điển hình là Si. Nếu mạng
tinh thể chỉ có một loại nguyên tử Si, thì ta gọi đó là bán
dẫn tinh khiết.
b. Sự dẫn điện trong chất bán dẫn.
-Có 2 cách:
+Sự dẫn điện bằng electron ở miền dẫn
+Sự dẫn điện bằng lỗ dƣơng ở miền đầy.

Lỗ trống

Sự
hình
thành
các e
tự do
của
tinh
thể Si

Si

Si
electr
on

Si

Si

Mô hình mạng tinh thể Silic

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Ở nhiệt độ thấp,
các electron hóa trị
gắn bó chặt chẽ
với các nguyên tử
ở nút mạng
Không có các
eletron tự do

Khi nhiệt độ tăng cao

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Ở nhiệt độ cao
luôn có sự phát sinh
các cặp electron-lỗ
trống.
Số eletron và số lỗ
trống trong bán dẫn
tinh khiết bằng nhau.

Khi có điện trƣờng đặt vào chất bán dẫn

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

E

Các eletron chuyển động
ngược chiều điện
trường, các lỗ trống
chuyển động cùng chiều
điện trường
=> Gây nên dòng điện
trong chất bán dẫn.


=>Tóm lại: đối với chất bán dẫn, sự dẫn điện chủ yếu là
các e và các lỗ dƣơng.

BÀI 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN
DẪN CÓ PHA TẠP CHẤT
1. Chất bán dẫn loại n
-

G
e

e tự do

G
e

A
s

G
e

G
e

Khi pha một lƣợng rất bé chất
có hóa trị 5 vào trong chất
bán dẫn tinh khiết ta đƣợc
bán dẫn loại n. Chẳng hạn
pha As vào Ge, Ge có 32 e
trong đó có 4e hóa trị, chúng
liên kết với 5e cua As làm
cho tầng ngoài cùng có 9e và
chúng không bền, e thứ 9 liên
kết yếu với hạt nhân.

0,015eV
E

Miền tạp
chất

Thực nghiệm và lý
thuyết đã xác nhận năng
lƣợng liên kết giảm đi 265
lần. Chỉ cần một năng lƣợng
0,015eV cũng đủ để nó trở
thành e tự do và chuyển
động có hƣớng tạo thành
dòng điện. Khi đó, nguyên
tử As trở thành ion dƣơng
liên kết trong mạng tinh thể
không tham gia dẫn điện.

Miền tạp chất cách miền dẫn 0,015eV nên ở nhiệt
độ thƣờng các elecctron ở miền tạp chất dễ dàng nhảy
lên miền dẫn và trở thành electron tự do.
Nhƣ vậy đối với chất bán dẫn loại n thì các electron
dẫn xem nhƣ hạt mang điện cơ bản còn lỗ trống trong
miền đầy là hạt không cơ bản hay hạt thiểu số.

2. Chất bán dẫn loại p

Si

Si

+
In

Si

-

Si

+

ion âm

Khi pha một lƣợng rất
nhỏ chất có hóa trị 3 vào
Si hay Ge ta đƣợc bán dẫn
loại p.
Ví dụ khi pha In vào
Si, In có 3 e hóa trị liên
kết với 4 nguyên tử Si kế
cận, In thiếu 1 e ở tầng
ngoài( không bền) và có
xu hƣớng nhận thêm 1 e
để trở thành ion âm.

E
0,015eV

Khi nhận thêm 1e
ngƣời ta nhận thấy xuất hiện
lỗ trống dƣơng gần đấy với
mức năng lƣợng vào khoảng
0,015eV.
Dƣới tác dụng của điện
trƣờng các electron ở miền
đầy dịch chuyển tƣơng ứng
với các lỗ trống cùng chiều
điện trƣờng.

 Nhƣ vậy, với chất bán dẫn loại p thì sự dẫn điện chủ yếu
do lỗ trống, ta gọi là hạt cơ bản và e là hạt thiểu số hay không
cơ bản.

4. Ứng Dụng
1.Diode bán dẫn
Khi hai khối bán dẫn p, n
ghép sát nhau ta có một diode
bán dẫn.
Các e ở n khuếch tán
sang p và ngƣợc lại các lỗ
trống từ p khuếch tán sang n,
để lại một lớp điện kép tại chỗ
tiếp xúc.
Điện áp tiếp xúc ở trạng
thái cân bằng khoảng 0.6V đối
với điốt làm bằng bán dẫn Si
và khoảng 0.3V đối với điốt
làm bằng bán dẫn Ge

2. Phân cực thuận
Khi ta cấp điện áp dƣơng
(+) vào Anôt (vùng bán dẫn P)
và điện áp âm (-) vào Katôt
(vùng bán dẫn N) , khi đó dƣới
tác dụng tƣơng tác của điện áp,
miền cách điện thu hẹp lại, khi
điện áp chênh lệch giữ hai cực
đạt 0,7V( với Diode loại Si)
hoặc 0,2V(với Diode loại Ge)
thì diện tích miền cách điện
giảm bằng 0, Diode bắt đầu dẫn
điện.

Nếu tiếp tục tăng điện
áp nguồn thì dòng qua.
Diode tăng nhanh
nhƣng chênh lệch điện áp
giữa hai cực của Diode
không tăng(vẫn giữ ở mức
0,7V).

3. Phân cực nghịch
Khi phân cực ngƣợc
cho Diode tức là cấp
nguồn (+) vào Katôt (bán
dẫn N), nguồn (-) vào
Anôt(bán dẫn P), dƣới sự
tƣơng tác của điện áp
ngƣợc, miền cách điện
càng rộng ra và ngăn cản
dòng điện đi qua mối tiếp
giáp, Diode có thể chiu
đƣợc điện áp ngƣợc rất
lớn khoảng 1000V thì
diode mới bị đánh thủng

Diode trong kĩ thuật nắn điện

Báo cáo điện hoàn chỉnh chương dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Báo cáo điện hoàn chỉnh chương dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn

Similaire à Báo cáo điện hoàn chỉnh chương dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn (20)

Báo cáo điện hoàn chỉnh chương dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn