Giải Câu hỏi trang 66 Chuyên đề Vật lí 12

Lời giải

Phân tích theo lí thuyết vùng năng lượng

Điện trở của vật dẫn phụ thuộc vào hai yếu tố: mật độ hạt tải điện (số electron tự do, lỗ trống) và mức độ cản trở chuyển động của hạt tải do dao động nhiệt của mạng tinh thể. Khi nhiệt độ thay đổi, hai yếu tố này biến đổi khác nhau ở kim loại và ở bán dẫn.

a) Trong kim loại

- Ở kim loại, vùng dẫn chỉ lấp đầy một phần (hoặc vùng hoá trị chồng lên vùng dẫn), nên số electron tự do rất lớn và gần như không đổi theo nhiệt độ.
- Khi nhiệt độ tăng, các ion ở nút mạng dao động mạnh hơn, làm tăng sự va chạm, tán xạ của electron tự do khi chúng chuyển động có hướng. Quãng đường tự do trung bình của electron giảm, chuyển động định hướng bị cản trở nhiều hơn.
- Vì mật độ hạt tải hầu như không tăng mà cản trở lại tăng, nên điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng.

→ Nguyên nhân chính: sự tăng dao động nhiệt của mạng tinh thể làm tăng tán xạ electron.

b) Trong chất bán dẫn

- Ở bán dẫn có một vùng cấm hẹp ngăn cách vùng hoá trị và vùng dẫn. Ở nhiệt độ thấp, rất ít electron có đủ năng lượng nhảy lên vùng dẫn nên hạt tải điện rất ít, điện trở lớn.
- Khi nhiệt độ tăng, nhiều electron nhận được năng lượng nhiệt đủ lớn để vượt qua vùng cấm, nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, đồng thời để lại các lỗ trống ở vùng hoá trị. Nhờ đó mật độ hạt tải điện (electron và lỗ trống) tăng lên rất nhanh theo nhiệt độ.
- Tuy dao động nhiệt của mạng cũng tăng gây cản trở, nhưng sự tăng mạnh số lượng hạt tải điện là yếu tố quyết định, nên điện trở của bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng.

→ Nguyên nhân chính: nhiệt độ tăng làm nhiều electron vượt vùng cấm, tăng mật độ hạt tải điện.

Kết luận: Cùng là tăng nhiệt độ, nhưng ở kim loại yếu tố "tăng tán xạ do dao động mạng" chiếm ưu thế nên điện trở tăng; còn ở bán dẫn yếu tố "tăng mật độ hạt tải do electron vượt vùng cấm" chiếm ưu thế nên điện trở giảm.

Đáp số