Vùng cấm ảnh hưởng khả năng dẫn điện thế nào?

• Vùng cấm nhỏ
• Vùng cấm vừa
• Vùng cấm lớn

Bạn sẽ học được gì

• Nêu vùng cấm quyết định điều gì với việc dẫn điện.
• Giải thích vì sao bán dẫn dẫn điện ở nhiệt độ phòng còn chất cách điện thì không đáng kể.
• Nhận ra vì sao kim loại dẫn điện tốt khi không có vùng cấm.

Cần biết trước

Nên đọc bài về vùng hóa trị và vùng dẫn. Bài vẫn nhắc lại ý chính khi cần.

Vùng cấm ảnh hưởng thế nào?

Electron chỉ lên được vùng dẫn khi nhận năng lượng ít nhất bằng vùng cấm, theo bài giảng về vùng năng lượng của Đại học Cambridge. Khoảng cấm càng lớn thì càng cần nhiều năng lượng, nên càng ít electron đạt được.

Ngưỡng này có thể đến từ một photon đủ năng lượng. Với vật liệu có vùng cấm nhỏ, nó cũng có thể đến từ dao động nhiệt.

• Vùng dẫn
• Vùng hóa trị
• Dao động nhiệt

Vì sao bán dẫn dẫn điện vừa phải?

Vì ở vật liệu có vùng cấm nhỏ, ở nhiệt độ phòng đã có một số ít nhưng đáng kể electron được kích thích từ vùng hóa trị đầy lên vùng dẫn trống chỉ bằng dao động nhiệt. Điều này khiến độ dẫn điện của bán dẫn nằm giữa kim loại và chất cách điện.

Vật liệu có vùng cấm nhỏ hơn khoảng 3 eV thường được coi là bán dẫn, còn lớn hơn thường được coi là chất cách điện. Đây là cách phân biệt gần đúng trong bài giảng Cambridge, không phải ngưỡng phân loại tuyệt đối. Cùng bài giảng còn nêu nhóm bán dẫn vùng cấm rộng.

Với silicon, một electron nhận đủ năng lượng nhiệt, 1,1 eV, có thể phá liên kết và thành electron tự do, theo bài giảng của Harvey Mudd College. Con số này là ngưỡng năng lượng nhiệt của silicon trong bài giảng đó.

• Kim loại
• Bán dẫn

Kim loại thì sao?

Kim loại dẫn tốt vì vùng hóa trị không đầy. Ở kim loại đơn giản như natri, có sẵn các trạng thái trống ngay trên trạng thái bị chiếm cao nhất, nên electron dễ nhận năng lượng từ điện trường và nhảy lên các trạng thái trống đó.

Vì thế kim loại không cần electron vượt qua một vùng cấm để dẫn điện.

• Dẫn tốt
• Bán dẫn
• Cách điện

Ví dụ trong đời sống

Hãy nghĩ tới một con suối cần bước qua. Nếu suối chỉ hẹp một bước chân, nhiều người qua được. Nếu rộng như một con sông, hầu như không ai qua. Bề rộng suối là vùng cấm, người qua là electron lên vùng dẫn.

Đây chỉ là phép so sánh để nhớ. Electron nhận năng lượng chứ không bước qua.

Hiểu lầm thường gặp

Vùng cấm không phải một vật chắn. Nó là khoảng năng lượng không có trạng thái cho electron.

Con số 3 eV không phải ranh giới tuyệt đối. Tài liệu nói sự phân biệt giữa bán dẫn và cách điện kém chính xác.

Bán dẫn không phải lúc nào cũng cách điện. Ở nhiệt độ phòng đã có một số ít electron lên vùng dẫn.

Câu hỏi thường gặp

Vùng cấm lớn hay nhỏ dẫn điện tốt hơn?

Trong mô hình đang xét, vùng cấm nhỏ giúp kích thích electron lên vùng dẫn bằng nhiệt dễ hơn. Kết luận này cần được đọc trong điều kiện của mô hình.

Bán dẫn khác chất cách điện ở đâu?

Chủ yếu ở độ rộng vùng cấm: nhỏ hơn khoảng 3 eV thường gọi là bán dẫn, lớn hơn thường gọi là cách điện.

Kim loại có vùng cấm không?

Trong bức tranh của bài, kim loại đơn giản có vùng hóa trị không đầy nên electron nhận năng lượng dễ dàng.

Tóm tắt

• Electron phải nhận năng lượng ít nhất bằng vùng cấm mới lên vùng dẫn.
• Vùng cấm nhỏ cho phép dao động nhiệt đưa một số electron lên vùng dẫn, nên bán dẫn dẫn điện vừa phải.
• Kim loại có vùng hóa trị không đầy nên dẫn điện tốt.