Bài tập về Dòng điện trong chất bán dẫn

1.Kiến thức cần nhớ

1. Chất bán dẫn và tính chất

- Điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị nằm trong khoảng trung gian giữa điện trở suất của kim loại và điện môi. Ở 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 có giá trị âm.

- Điện trở suất của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào tạp chất.

- Điện trở của bán dẫn giảm đáng kể khi bị chiếu sáng hoặc bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác.

Sự phụ của điện trở suất của các chất vào nhiệt độ

2. Hạt tải điện trong chất bán dẫn. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

2.1. Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

- Xác định hạt tải điện cơ bản trong bán dẫn mang điện tích gì bằng cách làm cho 2 đầu chất bán dẫn ở nhiệt độ cao vào 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.

+ Bán dẫn có hạt tải điện âm gọi là bán dẫn loại n.

+ Bán dẫn có hạt tải điện dương gọi là bán dẫn loại p.

2.2. Electron và lỗ trống

- Chất bán dẫn có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống.

- Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.

2.3. Tạp chất cho (đôno) và tạp chất nhận (axepto)

- Khi pha tạp chất là những nguyên tố có năm electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này cho tinh thể một electron dẫn. Ta gọi chúng là tạp chất cho hay đôno. Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron.

- Khi pha tạp chất là những nguyên tố có ba electron hóa trị vào trong tinh thể silic thì mỗi nguyên tử tạp chất này nhận một electron liên kết và sinh ra một lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận hay axepto. Bán dẫn có pha axepto là bán dẫn loại p, hạt tải điện chủ yếu là các lỗ trống.

3. Lớp chuyển tiếp p – n

Lớp 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.

3.1. Lớp nghèo

- Ghép bán dẫn loại n và bán dẫn loại p với nhau. Tại lớp chuyển tiếp p – n electron tự do và lỗ trống trà trộn vào nhau.

-  Khi electron gặp 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 được gọi là lớp nghèo. Điện trở của lớp nghèo rất lớn.

- Ở lớp chuyển tiếp p – n, lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion đôno tích điện dương, về phía bán dẫn p có các ion axepto tích điện âm.

3.2. 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 n sẽ chạy ngược chiều điện trường vào lớp nghèo.

- Quy ước:

+ Chiều dòng điện qua được lớp nghèo (từ p sang n) là chiều thuận.

+ Chiều dòng điện không qua lớp nghèo (từ n sang p) là chiều ngược.

3.3. Hiện tượng phun hạt tải điện

- Khi dòng điện đi 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 có hiện tượng phun hạt tải điện từ miền này sang miền khác.

- Các hạt tải điện không thể đi xa quá 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.

4. Điôt bán dẫn và mạch chỉnh lưu dùng điôt bán dẫn

- Điôt bán dẫn có tính chỉnh lưu vì dòng điện chủ yếu chỉ chạy qua điôt theo chiều từ p sang n nên khi nối nó vào mạch điện xoay chiều, dòng điện cũng chỉ chạy theo một chiều.

- Một số loại điôt bán dẫn:

Điôt chỉnh lưu

Điôt phát quang

Điôt ổn áp

5. Tranzito lưỡng cực n – p –n. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

5.1. Hiệu ứng tranzito

- Hiệu ứng dòng điện chạy từ B sang E làm thay đổi điện trở R_CB gọi là hiệu ứng tranzito.

- Xét tinh thể bán dẫn n₁ – p – n₂, các điện cực B, C, E.

+ Mật độ electron ở n₂ >> mật độ lỗ trống ở p.

+ U_BE điện áp thuận, U_CE lớn (10V)

a. Khi miền p rất dày, n₁ và n₂ cách xa nhau:

+ Lớp n₁ – p phân cực ngược, R_CB lớn.

+ Lớp p – n₂ phân cực thuận, electron phun từ n₂ sang p, không tới được lớp p – n₁; không ảnh hưởng tới R_CB.

b. Khi miền p rất mỏng, n₁ và n₂ rất gần nhau:

Electron từ n₂ phun vào p và lan sang n1 làm cho R_CB giảm đáng kể.

5.2. Tranziro lưỡng cực n – p - n

Một lớp bán dẫn p rất mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n thực hiện trên một tinh thể bán dẫn (Ge, Si,…) là một tranzito lưỡng cực n – p – n.

- Tranzito có ba cực:

+ Cực góp hay colectơ, kí hiệu là C.

+ Cực đáy hay cực gốc hoặc bazơ, kí hiệu là B.

+ Cực phát hay emitơ, kí hiệu là E.

+ Ứng dụng: lắp mạch khuếch đại và khóa điện tử

Mạch khuếch đại

Mạch điều khiển

2.Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1 : Câu nào dưới đây nói về lớp chuyển tiếp p-n là không đúng?

A. Lớp 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.

B. Tại lớp chuyển tiếp p-n, do quá trình khuếch tán và tái hợp của các êlectron và lỗ trống nên hình thành một lớp nghèo hạt tải điện và có điện trở rất lớn.

C. Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion axepto tích điện dương, về phía bán dẫn p có các ion đôno tích điện âm.

D. Lớp chuyển tiếp p-n có tính chất chỉ cho dòng điện chạy qua nó theo một chiều nhất định từ miền p sang miền n nên được sử dụng làm điôt bán dẫn.

Lời giải

Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion đôno tích điện dương, về phía bán dẫn p có các ion axepto tích điện âm.

Chọn đáp án C

Ví dụ 2 : Hình nào trong Hình 17.1 mô tả đúng mô hình cấu trúc và sự hình thành điện trường $\overrightarrow{E_t}$ trong lớp chuyển tiếp p-n do quá trình khuếch tán của các hạt tải điện? Mũi tên dài chỉ chiều khuếch tán của electron. Mũi tên ngắn chỉ chiều điện trường  $\overrightarrow{E_t}$.

Lời giải

Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion đôno tích điện dương, về phía bán dẫn p có các ion axepto tích điện âm. Điện trường hướng từ dương sang âm như hình A.

Chọn đáp án A

3.Bài tập tự luyện có hướng dẫn

Bài 1 : Câu nào dưới đây nói về tính chất của các chất bán dẫn là không đúng?

A. Điện trở suất của bán dẫn siêu tinh khiết ở nhiệt độ thấp có giá trị rất lớn.

B. Điện trở suất của bán dẫn tăng nhanh khi nhiệt độ tăng, nên hệ số nhiệt điện trở của bán dẫn có giá trị dương.

C. Điện trở suất của bán dẫn giảm nhanh khi đưa thêm một lượng nhỏ tạp chất (10^-6% - 10^-3 %) vào trong bán dẫn.

D. Điện trở suất của bán dẫn giảm nhanh khi nhiệt độ tăng, nên hệ số nhiệt điện trở của bán dẫn có giá trị âm.

Lời giải

Tính chất của các chất bán dẫn là điện trở suất của bán dẫn giảm nhanh khi nhiệt độ tăng, nên hệ số nhiệt điện trở của bán dẫn có giá trị âm.

Nên B sai.

Chọn đáp án B

Bài 2 : Câu nào dưới đây nói về các loại chất bán dẫn là không đúng?

A. Bán dẫn tinh khiết là loại chất bán dẫn chỉ chứa các nguyên tử của cùng một nguyên tố hoá học và có mật độ êlectron dẫn bằng mật độ lỗ trống.

B. Bán dẫn tạp chất là loại chất bán dẫn có mật độ nguyên tử tạp chất lớn hơn rất nhiều mật độ các hạt tải điện.

C. Bán dẫn loại n là loại chất bán dẫn có mật độ các êlectron dẫn lớn hơn rất nhiều mật độ lỗ trống.

D. Bán dẫn loại p là loại chất bán dẫn có mật độ lỗ trống lớn hơn rất nhiều mật độ êlectron dẫn.

Lời giải

B – sai vì sai vì:

+ Bán dẫn chứa đono (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.

Chọn đáp án B

Bài 3 : Câu nào dưới đây nói về các hạt tải điện trong chất bán dẫn là đúng?

A. Các hạt tải điện trong chất bán dẫn loại n chỉ là các êlectron dẫn.

B. Các hạt tải điện trong chất bán dẫn loại p chỉ là các lỗ trống.

C. Các hạt tải điện trong chất bán dẫn luôn bao gồm cả êlectron dẫn và lỗ trống.

D. Cả hai loại hạt tải điện gồm êlectron dẫn và lỗ trống đều mang điện âm.

Lời giải

Các hạt tải điện trong chất bán dần luôn bao gồm cả êlectron dẫn và lỗ trống. Trong chất bán dẫn loại n mật độ các electron dẫn lớn hơn nhiều lỗ trống. Trong chất bán dẫn loại p thì mật độ các lỗ trống lớn hơn nhiều electron.

Chọn đáp án C

Bài 4 : Câu nào dưới đây nói về tạp đôno và tạp axepto trong bán dẫn là không đúng?

A. Tạp đôno là nguyên tử tạp chất làm tăng mật độ êlectron dẫn.

B. Tạp axepto là nguyên tử tạp chất làm tăng mật độ lỗ trống.

C. Trong bán dẫn loại n, mật độ êlectron dẫn tỉ lệ với mật độ tạp axepto. Trong bán dẫn loại p, mật độ lỗ trống dẫn tỉ lệ với mật độ tạp đôno.

D. Trong bán dẫn loại n, mật độ êlectron dẫn tỉ lệ với mật độ tạp đôno. Trong bán dẫn loại p, mật độ lỗ trống dẫn tỉ lệ với mật độ tạp axepto.

Lời giải

Bán dẫn có pha đôno là bán dẫn loại n, hạt tải điện chủ yếu là electron dẫn. Mật độ electron dẫn tỉ lệ với mật độ tạp đôno.

Bán dẫn có pha axepto là bán dẫn loại p, hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống. Mật độ lỗ trống tỉ lệ với mật độ tạp axepto.

Chọn đáp án C

Bài 5: Câu nào dưới đây nói về điôt bán dẫn là không đúng?

A. Điôt bán dẫn là linh kiện bán dẫn được tạo bởi một lớp chuyển tiếp p-n.

B. Điôt bán dẫn chỉ cho dòng điện chạy qua nó theo chiều thuận từ n sang p.

C. Điôt bán dẫn chỉ cho dòng điện chạy qua nó khi miền p được nối với cực dương và miền n được nối với cực âm của nguồn điện ngoài.

D. Điôt bán dẫn có tinh chất chính lưu dòng điện nên được dùng để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Lời giải

Điôt bán dẫn chỉ cho dòng điện chạy qua nó theo chiều thuận từ p sang n.

Chọn đáp án B

Bài 6: Những điôt bán dẫn nào trong sơ đồ mạch điện ở Hình 17.3 có dòng điện chạy qua theo chiều thuận?

A. Điôt bán dẫn 1 và 2.

B. Điôt bán dẫn 1 và 3.

C. Điôt bán dẫn 2 và 3.

D. Điôt bán dẫn 1, 2 và 3.

Lời giải

Các điểm nối với nhau bằng dây dẫn thì có cùng điện thế.

Dòng điện có chiều thuận từ A sang B.

Vậy các điôt bán dẫn 1, 2 và 3 đều có dòng điện chạy qua theo chiều thuận.

Chọn đáp án D

Bài 7: Trong sơ đồ mạch điện ở Hình 17.4 các điot bán dẫn có dòng điện chạy qua theo chiều thuận là

A. Điôt bán dẫn 1, 2 và 3.

B. Điôt bán dẫn 1, 2 và 4.

C. Điôt bán dẫn 2, 3 và 4.

D. Điôt bán dẫn 1, 2, 3 và 4.

Lời giải

Các điểm nối với nhau bằng dây dẫn thì có cùng điện thế.

Dòng điện có chiều thuận từ A sang B.

Vậy các điôt bán dẫn 1, 2 và 4 có dòng điện chạy qua theo chiều thuận, điôt 3 có dòng điện chạy qua theo chiều ngược.

Chọn đáp án B

Câu 8. Hiệu điện thế của lớp tiếp xúc p-n có tác dụng:

A. Tăng cường sự khuếch tán của các hạt cơ bản.

B. Tăng cường sự khuếch tán các lỗ trống từ bán dẫn p sang bán dẫn n.

C. Tăng cường sự khuếch tán các electron từ bán dẫn n sang bán dẫn p.

D. Tăng cường sự khuếch tán các electron từ bán dẫn p sang bán dẫn n.

Lời giải:

Chọn D

Hiệu điện thế của lớp tiếp xúc p-n có tác dụng tăng cường sự khuếch tán của các electron từ bán dẫn p sang bán dẫn n, tăng cường sự khuếch tán của lỗ trống từ n sang p.

Câu 9. Khi lớp tiếp xúc p-n được phân cực thuận, điện trường ngoài có tác dụng:

A. Tăng cường sự khuếch tán của các không hạt cơ bản.

B. Tăng cường sự khuếch tán các lỗ trống từ bán dẫn n sang bán dẫn p.

C. Tăng cường sự khuếch tán các electron từ bán dẫn n sang bán dẫn p.

D. Tăng cường sự khuếch tán các electron từ bán dẫn p sang bán dẫn n.

Lời giải:

Chọn C

Khi lớp tiếp xúc p-n được phân cực thuận, điện trường ngoài có tác dụng tăng cường sự khuếch tán các electron từ bán dẫn n sang bán dẫn p.

Câu 10. Chọn phát biểu đúng.

A. Chất bán dẫn loại n nhiễm điện âm do số hạt electron tự do nhiều hơn các lỗ trống.

B. Khi nhiệt độ càng cao thì chất bán dẫn nhiễm điện càng lớn.

C. Khi mắc phân cực ngược vào lớp tiếp xác p-n thì điện trường ngoài có tác dụng tăng cường sự khuếch tán của các hạt cơ bản.

D. Dòng điện thuận qua lớp tiếp xúc p - n là dòng khuếch tán của các hạt cơ bản.

Lời giải:

Chọn D

Dòng điện thuận qua lớp tiếp xúc p - n là dòng khuếch tán của các hạt cơ bản.

Câu 11. Điôt bán dẫn có cấu tạo gồm:

A. một lớp tiếp xúc p – n.

B. hai lớp tiếp xúc p – n.

C. ba lớp tiếp xúc p – n.

D. bốn lớp tiếp xúc p – n.

Lời giải:

Chọn A

Điôt bán dẫn có cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc p – n.

Câu 12. Điôt bán dẫn có tác dụng:

A. chỉnh lưu.

B. khuếch đại.

C. cho dòng điện đi theo hai chiều.

D. cho dòng điện đi theo một chiều từ catôt sang anôt.

Lời giải:

Chọn A

Điôt bán dẫn có tác dụng chỉnh lưu.

Câu 13. Phát biểu nào sau đây là không đúng?

A. Điôt bán dẫn có khả năng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

B. Điôt bán dẫn có khả năng biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều.

C. Điôt bán dẫn có khả năng phát quang khi có dòng điện đi qua.

D. Điôt bán dẫn có khả năng ổn định hiệu điện thế giữa hai đầu điôt khi bị phân cực ngược

Lời giải:

Chọn B

Điôt bán dẫn có khả năng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, không thể biến đổi dòng điện mộy chiều thành dòng điện xoay chiều

Câu 14. Tranzito bán dẫn có cấu tạo gồm:

A. một lớp tiếp xúc p – n.

B. hai lớp tiếp xúc p – n.

C. ba lớp tiếp xúc p – n.

D. bốn lớp tiếp xúc p – n.

Lời giải:

Chọn B

Tranzito bán dẫn có cấu tạo gồm hai lớp tiếp xúc p – n.

Câu 15. Tranzito bán dẫn có tác dụng:

A. chỉnh lưu.

B. khuếch đại.

C. cho dòng điện đi theo hai chiều.

D. cho dòng điện đi theo một chiều từ catôt sang anôt.

Lời giải:

Chọn B

Tranzito bán dẫn có tác dụng khuếch đại.

Câu 16. Phát biểu nào sau đây về đặc điểm của chất bán dẫn là không đúng?

A. Điện trở suất của chất bán dẫn lớn hơn so với kim loại nhưng nhỏ hơn so với chất điện môi.

B. Điện trở suất của chất bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng.

C. Điện trở suất phụ thuộc rất mạnh vào hiệu điện thế.

D. Tính chất điện của bán dẫn phụ thuộc nhiều vào các tạp chất có mặt trong tinh thể.

Lời giải:

Chọn C

- Điện trở suất của chất bán dẫn lớn hơn so với kim loại nhưng nhỏ hơn so với chất điện môi.

- Điện trở suất của chất bán dẫn giảm mạnh khi nhiệt độ tăng.

- Tính chất điện của bán dẫn phụ thuộc nhiều vào các tạp chất có mặt trong tinh thể.

Câu 17. Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn là:

A. Dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống ngược chiều điện trường.

B. Dòng chuyển dời có hướng của các electron và lỗ trống cùng chiều điện trường.

C. Dòng chuyển dời có hướng của các electron theo chiều điện trường và các lỗ trống ngược chiều điện trường.

D. Dòng chuyển dời có hướng của các lỗ trống theo chiều điện trường và các electron ngược chiều điện trường.

Lời giải:

Chọn D

Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn là dòng chuyển dời có hướng của các lỗ trống theo chiều điện trường và các electron ngược chiều điện trường.

Câu 18. Ở nhiệt độ phòng, trong bán dẫn Si tinh khiết có số cặp điện tử – lỗ trống bằng 10^-13 lần số nguyên tử Si. Số hạt mang điện có trong 2 mol nguyên tử Si là:

A. 1,205.10¹¹ hạt.             B. 24,08.10¹⁰ hạt.

C. 6,020.10¹⁰ hạt.             D. 4,816.10¹¹ hạt.

Lời giải:

Chọn A

Số hạt mang điện có trong 2 mol nguyên tử Si là N = 2.N_A.10^-13 = 1,205.10¹¹ hạt.

Câu 19. Câu nào dưới đây nói về phân loại chất bán dẫn là không đúng?

A. Bán dẫn hoàn toàn tinh khiết là bán dẫn trong đó mật độ electron bằng mật độ lỗ trống.

B. Bán dẫn tạp chất là bán dẫn trong đó các hạt tải điện chủ yếu được tạo bởi các nguyên tử tạp chất.

C. Bán dẫn loại n là bán dẫn trong đó mật độ lỗ trống lớn hơn rất nhiều mật độ electron.

D. Bán dẫn loại p là bán dẫn trong đó mật độ electron tự do nhỏ hơn rất nhiều mật độ lỗ trống.

Lời giải:

Chọn C

Bán dẫn loại n là bán dẫn trong đó mật độ lỗ trống nhỏ hơn rất nhiều mật độ electron.

Câu 20. Chọn câu đúng?

A. Electron tự do và lỗ trống đều chuyển động ngược chiều điện trường.

B. Electron tự do và lỗ trống đều mang điện tích âm.

C. Mật độ các hạt tải điện phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, mức độ chiếu sáng.

D. Độ linh động của các hạt tải điện hầu như không thay đổi khi nhiệt độ tăng.

Lời giải:

Chọn C

Mật độ các hạt tải điện phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, mức độ chiếu sáng.

Câu 21. Phát biểu nào sau đây là không đúng?

A. Cấu tạo của điốt bán dẫn gồm một lớp tiếp xúc p-n.

B. Dòng electron chuyển qua lớp tiếp xúc p-n chủ yếu theo chiều từ p sang n.

C. Tia ca tốt mắt thường không nhìn thấy được.

D. Độ dẫn điện của chất điện phân tăng khi nhiệt độ tăng.

Lời giải:

Chọn B

Dòng e chuyển qua lớp tiếp xúc p-n chủ yếu theo chiều từ n sang p, còn lỗ trống chủ yếu đi từ p sang n.

Câu 22. Điều kiện để có dòng điện là:

A. Chỉ cần vật dẫn điện nối liền với nhau thành mạch điện kín.

B. Chỉ cần duy trì một hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn.

C. Chỉ cần có hiệu điện thế.

D. Chỉ cần có nguồn điện.

Lời giải:

Chọn B

Điều kiện để có dòng điện là cần duy trì một hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn.

Xem thêm các dạng bài tập Vật lí liên quan hay khác:

70 Bài tập về Dòng điện trong chân không (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Dòng điện trong chất khí (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Dòng điện trong chất điện phân (2024) có đáp án chi tiết nhất

70 Bài tập về Dòng điện trong kim loại (2024) có đáp án chi tiết nhất

1000 Bài tập Vật lí Chương 3. Dòng điện trong các môi trường (có đáp án năm 2024)