Trang 64
Khi bị đốt nóng, dây đồng sẽ dẫn điện kém đi trong khi silic lại dẫn điện tốt hơn. Tại sao cùng chịu tác dụng nhiệt mà có những vật dẫn điện tốt hơn trong khi vật khác lại dẫn điện kém đi?
I. VÙNG NĂNG LƯỢNG TRONG TINH THỂ CHẤT RẮN
Như đã biết, electron trong nguyên tử cô lập chỉ tồn tại ở các mức năng lượng gián đoạn xác định (Hình 12.1a). Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành tinh thể chất rắn, tương tác giữa các nguyên tử lân cận nhau sẽ làm cho các mức năng lượng của electron bị thay đổi so với ban đầu.
Khác với các mức năng lượng riêng lẻ như trong nguyên tử cô lập, trong tinh thể chất rắn các mức năng lượng được phép của electron được phân bố rất sát nhau theo từng vùng như được mô tả trong Hình 12.1b. Giữa chúng là các vùng mà năng lượng của electron không tồn tại. Để mô tả sự phân bố của electron theo năng lượng trong tinh thể chất rắn, người ta thường dùng sơ đồ vùng năng lượng như được minh hoạ trong Hình 12.2.
1. Trục thẳng đứng với mũi tên hướng lên trên biểu diễn độ lớn của năng lượng.
2. Các trạng thái năng lượng được phép được giới hạn bởi các hình chữ nhật.
3. Vùng năng lượng nằm giữa các vùng được phép được gọi là vùng cấm.
Mỗi loại tinh thể chất rắn đều có một sơ đồ vùng năng lượng đặc trưng cho tinh thể chất rắn đó. Với sơ đồ này, chúng ta có thể dự đoán và giải thích được nhiều tính chất vật lí của tinh thể chất rắn, đặc biệt là tính chất điện và tính chất quang.
Hình 12.1. Mức năng lượng của nguyên tử cô lập và vùng năng lượng của tinh thể
Năng lượng
a) Nguyên tử cô lập
b) Tinh thể chất rắn
Câu hỏi
Sự phân bố năng lượng của electron trong chất rắn khác với sự phân bố năng lượng của nó trong nguyên tử cô lập như thế nào?
Hình 12.2. Sơ đồ vùng năng lượng của tinh thể chất rắn
Năng lượng
Vùng năng lượng được phép
Vùng cấm
Trang 65
Hoạt động
Hãy chỉ ra những vị trí trên Hình 12.2 mà electron được phép tồn tại và những vị trí mà electron không được phép tồn tại.
II. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA KIM LOẠI VÀ BÁN DẪN
Trong tinh thể chất rắn, các ion, nguyên tử hay phân tử được nằm ở các nút mạng. Chúng không di chuyển tự do mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng. Tinh thể chất rắn chỉ dẫn điện khi nó có các hạt mang điện tự do. Mật độ hạt mang điện tự do càng cao thì tinh thể chất rắn dẫn điện càng tốt. Mật độ hạt mang điện tự do của kim loại lớn hơn mật độ mật hạt mang điện tự do của bán dẫn do đó độ dẫn điện của kim loại tốt hơn độ dẫn điện của bán dẫn. Va chạm của hạt mang điện tự do với các phần tử ở nút mạng càng nhiều thì tinh thể chất rắn dẫn điện càng kém. Theo lí thuyết vùng năng lượng, các electron tự do trong kim loại chiếm một phần vùng dẫn và vùng cấm phía dưới vùng dẫn của nó khá lớn (Hình 12.3a). Chính vì vậy, năng lượng nhiệt không thể chuyển các electron lên vùng dẫn do đó mật độ electron tự do trong vùng dẫn hầu như không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Nhiệt độ tăng không làm tăng mật độ electron tự do nhưng lại làm cho các ion ở nút mạng dao động mạnh hơn làm cho tần suất va chạm giữa chúng với các electron tự do tăng lên. Do vậy, nhiệt độ tăng sẽ làm cho độ dẫn điện của kim loại giảm.
Theo lí thuyết vùng năng lượng, chất bán dẫn có vùng dẫn trống hoàn toàn và vùng cấm khá hẹp (Hình 12.3b). Chính vì vậy, khi nhận được năng lượng nhiệt, electron ở vùng hoá trị dễ dàng chuyển lên vùng dẫn để trở thành electron tự do, đồng thời để lại lỗ trống mang điện dương trong vùng hoá trị. Cả hai loại hạt này đều có thể tham gia vào quá trình dẫn điện và được gọi là hạt dẫn. Nhiệt độ càng cao thì càng có nhiều hạt dẫn được tạo ra, do đó mật độ hạt dẫn tăng lên. Thực tế đã chứng tỏ rằng khi nhiệt độ tăng, sự tăng độ dẫn điện do tăng mật độ hạt dẫn chiếm ưu thế hơn so với sự giảm độ dẫn điện do va chạm giữa hạt dẫn với các phần tử ở nút mạng. Chính vì vậy, khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện của bán dẫn sẽ tăng.
Hình 12.3. Sơ đồ vùng năng lượng của kim loại (a) và bán dẫn (b)
Năng lượng
Vùng dẫn
Vùng cấm
Hoạt động
Hãy chỉ ra nguyên nhân làm thay đổi điện trở trong kim loại và bán dẫn khi nhiệt độ của chúng thay đổi.
Trang 66
III. SỰ THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ CỦA ĐIỆN TRỞ QUANG THEO CƯỜNG ĐỘ SÁNG
Điện trở quang được chế tạo bởi một lớp màng mỏng bán dẫn có sơ đồ vùng năng lượng như Hình 12.4. Ở nhiệt độ phòng, khi chưa được chiếu sáng thì chỉ có một số ít các electron ở vùng hoá trị nhận năng lượng nhiệt đủ lớn để chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống trong vùng hoá trị (Hình 12.4a). Vì có ít hạt dẫn nên điện trở của điện trở quang trong bóng tối khá lớn. Khi được chiếu ánh sáng thích hợp sẽ có nhiều electron ở vùng hoá trị nhận được năng lượng để chuyển lên vùng dẫn đồng thời một số lượng tương ứng các lỗ trống được tạo ra ở vùng hoá trị (Hình 12.4 b).
Cường độ sáng càng mạnh thì càng có nhiều electron và lỗ trống được tạo ra. Chính vì vậy, khi được chiếu ánh sáng thích hợp thì điện trở của điện trở quang sẽ giảm. Cường độ sáng càng mạnh thì điện trở giảm càng nhiều.
Hình 12.4. Sơ đồ vùng năng lượng của điện trở quang khi chưa được chiếu sáng (a) và được chiếu sáng (b)
Năng lượng
Hãy giải thích sự thay đổi điện trở của điện trở quang khi nó được chiếu sáng.
EM ĐÃ HỌC
• Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất dẫn điện của kim loại và bán dẫn.
• Sự thay đổi điện trở của điện trở quang theo cường độ sáng.
EM CÓ THỂ
• Dùng sơ đồ vùng năng lượng để phân loại được vật rắn theo tính chất điện của chúng.
• Dùng lí thuyết vùng năng lượng để giải thích được tính chất điện của bán dẫn và kim loại.
• Giải thích được hoạt động của một số linh kiện bán dẫn như điện trở nhiệt, điện trở quang.
EM CÓ BIẾT?
Nhờ có tính chất thay đổi độ dẫn điện theo nhiệt độ mà một số kim loại (như Pt, Ni) và một số chất bán dẫn đã được sử dụng để làm cảm biến nhiệt. Một cách tương tự, điện trở quang cũng thường được sử dụng làm cảm biến quang. Các cảm biến này đã được sử dụng trong rất nhiều thiết bị dân dụng như: lò sưởi, điều hoà nhiệt độ, bếp từ, bình nóng lạnh, điện thoại, tivi,...
