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

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,...

Bài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN




Mạng tinh thể lập phương tâm diện:

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





Mạng tinh thể lập phương tâm khối:

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


Ion

Electron tự doElectron trong nguyên tử

Nguyên tử tại nút mạng tinh thể

Nhân

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

Ion

Electron tự do

Ion


Nhân

Ion

Electron tự do

Ion


Nhân

Ion

Electron tự do

Ion


Nguyên tử tại nút mạng tinh thể

Nhân

Ion+

Electron tự do



I. Bản chất dòng điện trong kim loại a. Cấu tạo của kim loại:

Mô hình mạng tinh thể

đồng.




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


A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠIBài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂN



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.


E

A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠIBài 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT ELECTRON CỔ ĐIỂNI. Bản chất dòng điện trong kim loại c. Bản chất của dòng điện trong kim loại:



c. Bản chất của dòng điện trong kim loại:

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



II. Nội dung thuyết electron cổ điển:

a.

Các electron tự do và ion dương 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 tưởng trong đó có định luật phân bố đều năng lượng 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.

A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠIBài 2: Hiệu Điện Thế Tiếp Xúc

I) Định nghĩa

(I) (II)

V1 V’1V2V’2

(1)

(2)

(2’)(1’)Năm 1795, Volt làm TN và thấy rằng: 2 thanh kim loại khác nhau đặt tiếp xúc nhau thì giữa chúng xuất hiện hiệu 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 trongHiệu điện thế tiếp xúc ngoài


(I) (II)

V1

V’1

V2V’2

(1)

(2)

(2’

)(1’

)

Gọi 1,2 là 2 điểm nằm ngoài, sát mặt ngoài 2 thanh kim loại.Gọi 1’,2’ là 2 điểm nằm trong, sát 2 đầu thanh kim loại ở chỗ tiếp xúc.V1, V’1, V’2, V2

là điện thế tương đứng tại các điểm trênHiệu điện thế tiếp xúc trong

Hiệu điện thế tiếp xúc trong

' ' '12 1 2U V V

12 1 2U V V


II) Công thoát

Xét một thanh kim loại ở trạng thái bình thường, 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 trường vecto E có hướng từ trong ra. Điện trường này ko cho e thoát ra. Muốn e thoát ra phải tốn một công để thắng công lực điện trường. Công này phải lớn hơn hoặc bằng công của 1 e ở bề mặt thoát khỏi kim loại gọi là công thoát e.


can

thoat can

A eU

A A 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.


1 2

n1 n2

U’12

++++

--

--

' 112

2

lnkT

enU n

k: hằng số BolzmanT: nhiệt độ tuyệt đốie = 1,6.10-19 CThông thường: U’12: 10-3 – 10-2 V


III) Hiệu điện thế tiếp xúc ngoài

I II

U

U1 U2

+ 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.

Điện thế trong kim loại I:

Điện thế trong kim loại II:

11

A

eU

22

A

eU


I II

U

U1 U2

U’12

U12

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

Mà:

' ' ' '1 2 1 1 1 2 2 2

'1 2 2 1 112 12

2

ln

V V V V V V V V

A A A A nkTU U

e e e e n

Vì U1, U2 >> U’12 nên 2 112 2 1

A AU U U

e


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:

' ' ' ' ' '13 1 3 1 1 1 2 2 3 3 3

1 31 2 13 1

2 3 3

ln ln ln3

U V V V V V V V V V V

A An n nkT kT kTU U

e n e n e n

I II1

III2

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

' ' ' 31 212 23 31

2 3 1

ln ln ln ln1 0nn nkT kT kT kT

U U Ue n e n e n e

I II

IIIU13

U12

U23

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

A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠIBài 3: ỨNG DỤNG

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:

I II

U12

U21

T1

0ln)(lnln2

121

1

22

2

11'21

'12

n

nTT

e

k

n

n

e

kT

n

n

e

kTUU

T2

2

121 ln)(

n

nTT

e

k

Vậy

1. Hiện tượng nhiệt:

A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠIBài 3: Ứng dụng

mA

o4-4

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

2. Đo nhiệt độ:

a. Cấu tạo cặp nhiệt điện

A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠIBài 3: ỨNG DỤNG

b. Thí nghiệm:

- Một mối nối nhúng vào nước đấ đang tan

- Mối nối càn lại nung trên ngọn lửa

mA

o4-4


A. DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠIBài 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:

2121 TC

TTTC


Cặp nhiệt điện được dùng trong nhiệt kế điện tử đo được nhiệt độ cao với độ

chính xác lớn

B. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

BÀI 1: SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT MIỀN NĂNG LƯỢNG 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 lược - 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

NỘI DUNG

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

Trong cơ học lượng tử, mỗi electron trong nguyên tử chỉ có thể chuyển động ở những trạng thái xác định gọi là trạng thái lượng tử. Ở trạng thái ấy electron có một số đặc điểm:

Do electron chuyển động quanh hạt nhân nên có mômen động lượng quỹ đạo

Do electron chuyển động quanh trục của nó nên có mômen động lượng riêng gọi là Spin (được biễu diển bằng ).

1. Chuyển động của electron trong nguyên tử cô lập

hình 5.9K

L

M

PON

0E

2E

4E

1E

3E

5E


2. Sự chuyển động của electron trong mạng tinh thể

Ứng với mỗi mức năng lượng trong nguyên tử cô lập bây giờ xuất hiện n mức năng lượng nằm sát nhau gọi là miền năng lượng.

Sơ đồ electron trong mạng tinh thể gồm nhiều miền năng lượng. Ta gọi các miền này là miền năng lượng được phép.

miền năng lượng cấm

miền năng lượng được phép

E

hình 5.9


hình 5.10

Giữa 2 miền năng lượng được phép là miền cấm electron không có giá trị ở miền này

Chính cách phân bố electron ở miền năng lượng được phép và bề rộng miền năng lượng cấm cho phép ta phân biệt được vật dẫn, điện môi hay chất bán dẫn.

E

miền trống

miền đầy


3. Giải thích tính dẫn điện của kim loại, điện môi, bán dẫn

a. Kim loại

Do tác động của điện trường các electron có thể nhảy lên mức năng lượng cao hơn còn bỏ trống vì khoảng cách giữa 2 mức năng lượng rất bé (khoảng 10-22eV), và chuyển động có hướng tạo thành dòng điện.

E

hình 5.11a


b. Điện môi

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

eVEg 3

miền trống

miền đầy

E


c. Bán dẫn

Bề rộng của miền năng lượng cấm Eg nhỏ hơn 3eV. Nếu ở nhiệt độ bình thường một số electron do chuyển động có thể nhận thêm năng lượng và nhảy lên mức năng lượng cao hơn ở miền trống. Do tác động của điện trường electron ở miền ấy tiếp tục nhận năng lượng vượt qua miền cấm và chuyển động có hướng tạo thành dòng điện.

eVEg 3

E

miền trống

miền đầy

hình 5.11c


Kết luận: vì vậy với chất bán dẫn ở nhiệt độ thường 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


1. Sơ lược – đặc điểm 2. Chất bán dẫn tinh khiết.

Bài 2. DÒNG ĐiỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN


BÀI 2: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN

1. Sơ lược – 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 như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và hoạt động như 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 như: nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, điện trường, từ trường……khác hẳn kim loại và điện môi.Vd: Si ρ=600Ωm (t=25 ̊ C); ρ=0,001Ωm (t=700 ̊ C).



-Kim loại: 10-6 – 10-4 Ωm

-Bán dẫn: 10-4 – 103 Ωm

-Điện môi: 103 – 1016 Ωm

c. Điện trở suất (ρ).

Kl Bd Dm



- 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.

c. Điện trở suất (ρ).

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



2.Chất bán dẫn tinh khiết. a. Khái niệm: Ta xét trường 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 dương ở miền đầy.

Sự hình thành các e tự do của tinh thể Si

Si

Si Si

Si

electron

Lỗ trống

Mô hình mạng tinh thể Silic

Ở nhiệt độ thấp, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng

ÞKhông có các eletron tự do

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Khi nhiệt độ tăng cao

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.

Si SiSi

SiSiSi

Si Si Si

Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn

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.

Si SiSi

SiSiSi

Si Si Si

E

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



BÀI 3: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN CÓ PHA TẠP CHẤT

1. Chất bán dẫn loại n

Khi pha một lượng rất bé chất có hóa trị 5 vào trong chất bán dẫn tinh khiết ta được 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.

Ge

Ge

Ge

Ge

-

- e tự do

As

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

E

0,015eV

Miền tạp chất

Miền tạp chất cách miền dẫn 0,015eV nên ở nhiệt độ thường các elecctron ở miền tạp chất dễ dàng nhảy lên miền dẫn và trở thành electron tự do.

Như vậy đối với chất bán dẫn loại n thì các electron dẫn xem như 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

Khi pha một lượng rất nhỏ chất có hóa trị 3 vào Si hay Ge ta được 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 hướng nhận thêm 1 e để trở thành ion âm.

SiSi

SiSi

In

+

+

--

ion âm

Khi nhận thêm 1e người ta nhận thấy xuất hiện lỗ trống dương gần đấy với mức năng lượng vào khoảng 0,015eV.

Dưới tác dụng của điện trường các electron ở miền đầy dịch chuyển tương ứng với các lỗ trống cùng chiều điện trường.

E

0,015eV

Như 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 ngược 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 dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-) vào Katôt (vùng bán dẫn N) , khi đó dưới tác dụng tương 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 nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng(vẫn giữ ở mức 0,7V).

3. Phân cực nghịch

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

Diode trong kĩ thuật nắn điện

Diode trong ổn áp

Documents

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