Giải Khởi động trang 65 Chuyên đề Vật lí 12

Lời giải

Nhận xét: Đồng là kim loại (vật dẫn điện), còn silic là chất bán dẫn. Sự khác nhau về cấu trúc vùng năng lượng khiến hai chất phản ứng ngược nhau khi bị đốt nóng.

a) Đối với dây đồng (kim loại):
Ở kim loại, vùng dẫn đã có sẵn rất nhiều electron tự do, nên nồng độ hạt tải điện gần như không đổi khi tăng nhiệt độ. Khi bị đốt nóng, các ion dương ở nút mạng tinh thể dao động nhiệt mạnh hơn, biên độ dao động lớn hơn. Electron tự do khi chuyển động định hướng sẽ va chạm (tán xạ) với các nút mạng dao động nhiều hơn, quãng đường tự do trung bình giảm. Do đó chuyển động có hướng của electron bị cản trở mạnh hơn → điện trở tăng → dây đồng dẫn điện kém đi.

b) Đối với silic (chất bán dẫn):
Silic có vùng hóa trị đầy electron và vùng dẫn gần như trống, ngăn cách nhau bởi một vùng cấm hẹp (độ rộng vùng cấm nhỏ, cỡ $1,1\ \text{eV}$). Ở nhiệt độ thấp hầu như không có electron ở vùng dẫn nên silic dẫn điện kém. Khi bị đốt nóng, nhiều electron ở vùng hóa trị nhận được năng lượng nhiệt đủ lớn để nhảy vượt qua vùng cấm lên vùng dẫn, đồng thời để lại các lỗ trống ở vùng hóa trị. Số hạt tải điện (electron ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị) tăng nhanh theo nhiệt độ. Sự tăng mạnh nồng độ hạt tải điện này lấn át ảnh hưởng của tán xạ bởi dao động mạng → điện trở giảm → silic dẫn điện tốt hơn.

Kết luận: Cùng chịu tác dụng nhiệt nhưng kết quả trái ngược nhau là do bản chất cấu trúc vùng năng lượng khác nhau: ở kim loại số hạt tải không đổi nên nhiệt chỉ làm tăng tán xạ (dẫn kém đi), còn ở bán dẫn nhiệt làm tăng vọt số hạt tải điện (dẫn tốt hơn).

Đáp số