Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 KNTT bài 12: Vùng năng lượng của tinh thể chất rắn

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: 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.

Bài làm chi tiết:

Tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của kim loại giảm, còn của bán dẫn sẽ tăng.

Điều này giải thích vì sao cùng chịu tác dụng nhiệt mà có những vật dẫn điện tốt hơn trong khi vật khác lại dẫn điện kém đi.

Theo đó, đồng là kim loại, silic là bán dẫn, nên khi cùng chịu tác dụng nhiệt, độ dẫn điện của đồng giảm, còn của silic tăng.

I. VÙNG NĂNG LƯỢNG TRONG TINH THỂ RẮN

Câu hỏi: Sự phân bổ năng lượng của các electron trong chất rắn khác với sự phân bổ năng lượng của nó trong nguyên tử cô lập như thế nào?

Bài làm chi tiết:

Trong nguyên tử cô lập, electron tồn tại ở các mức năng lượng gián đoạn xác định. Còn trong tinh thể chất rắn, các mức năng lượng của electron phân bố rất sát nhau theo từng vùng.

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.

Bài làm chi tiết:

Vùng năng lượng cho phép (phần màu xanh) là những vị trí mà electron được phép tồn tại;

Vùng cấm (phần màu trắng giữa các phần màu xanh) là 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

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.

Bài làm chi tiết:

Khi nhiệt độ của kim loại tăng (không quá cao), sự thay đổi nhiệt độ không làm thay đổi mật độ electron tự do. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, các ion ở nút mạng tinh thể kim loại dao động mạnh hơn dẫn đến các electron dẫn sẽ va chạm với các nút mạng thường xuyên hơn. Kết quả là ở phạm vi nhiệt độ không quá cao, điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng.

Khi nhiệt độ của một chất bán tăng, số electron nhận năng lượng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tăng, đồng thời, số lỗ trống trong vùng hóa trị tăng dẫn đến mật độ các hạt tải điện trong bán dẫn cũng tăng lên. Kết quả là điện trở của bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng.

III. SỰ THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ CỦA ĐIỆN TRỞ QUANG THEO CƯỜNG ĐỘ SÁNG

Hoạt động: Hãy giải thích sự thay đổi điện trở của điện trở quang khi nó được chiếu sáng.

Bài làm chi tiết:

Điện trở quang hoạt động dựa trên hiện tượng quang dẫn: Theo lý thuyết vùng năng lượng, khi có ánh sáng phù hợp chiếu vào một chất bán dẫn, một số electron trong vùng hóa trị nhận thêm năng lượng nên vượt qua được vùng cấm và chuyển lên vùng dẫn, sinh ra một số lỗ trống. Điều này làm số hạt tải điện trong chất bán dẫn tăng, do đó độ dẫn điện của chất này tăng và điện trở giảm.