Giáo án Vật lí 12 - Tiết 54, Bài 31: Hiện tượng quang điện trong - Năm học 2015-2016

Ngày soạn Ngày dạy: thứ 4 24/02/2016
Tiết: 54	 Tuần 26
Bài 31: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG
I. Chuẩn kiến thức kĩ năng cần đạt
-Nêu được hiện tượng quang điện trong là gì?
-Nêu được quang điện trở và pin quang điện là gì?
II. Phương tiện dạy học chủ yếu
1. GV: 
- Hình ảnh về pin quang điện
- Máy tính bỏ túi chạy bằng pin quang điện.
2. Học sinh: 
III. Tiến trình hoạt động dạy học
Hoạt động 1 (7 phút): Kiểm tra bài cũ.
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
1.Phát biểu nội dung của thuyết lượng tử. 
2. Lượng tử năng lượng là gì?
3. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết phôtôn.
4. Giải thích định luật về động năng ban đầu cực đại của êlectron quang điện bằng thuyết phôtôn.
5. Tại sao nói ánh sáng có lưỡng tính sóng – hạt?
Trả lời
Hoạt động 2 (10 phút): Tìm hiểu chất quang dẫn và hiện tượng quang điện trong
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kết quả hoạt động
* Dẫn dắt: 
- ở bài 30: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN, khi chiếu AS thích hợp vào 1 tấm kẽm tích điện âm thì có hiện tượng gì xãy ra? Hiện tượng đó gọi là gì ?
- ở lớp 11 các em đã học chất bán dẫn, chất bán dẫn có rất nhiều ứng dụng.Vậy ta thay tấm kẽm bằng tấm bán dẫn xem có hiện tượng gì xãy ra không ? 
- Để nghiên cứu vấn đề này ta tìm hiểu ở bài 31: HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG.
+ GV: giới thiệu về bán dẫn Ge.
Gecmani (Ge) 
 có màu ánh kim xám trắng, bóng 
 là á kim có hóa trị +4.
+ GV: giới thiệu về bán dẫn Si.
Silic (Si) 
 có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại
 là á kim có hóa trị +4.
+ GV: Silic có hóa trị +4, vậy nó có mấy êlectron liên kết ở lớp ngoài cùng ? 
+ GV: giới thiệu về cấu trúc mạng tinh thể của bán dẫn Silic tinh khiết.
+ GV: với cấu trúc mạng tinh thể của bán dẫn Silic tinh khiết ta thấy các êlectron đều liên kết chặt chẽ với nút mạng tinh thể, không có êlectron tự do hoặc nếu do dao động nhiệt làm bẻ gãy liên kết tạo ra êlectron tự do thì số êlectron tự do này rất ít, không đáng kể. 
 Vậy bình thường bán dẫn tinh khiết có dẫn điện tốt không ? Vì sao ? 
+ GV: khi chiếu AS thích hợp vào bán dẫn Silic tinh khiết thì các phôtôn trong chùm sáng chiếu vào sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho êlectron liên kết, có thể làm gãy liên kết, giải phóng êlectron liên kết thành êlectron tự do đồng thời để lại 1 chỗ bị trống gọi là lỗ trống . Lỗ trống mất êlectron nên mang điện gì ? 
+ GV: êlectron liên kết kế bên có thể đến lắp đầy lỗ trống này và làm xuất hiện 1 lỗ trống nơi nó mới đi. Vậy lỗ trống có thể di chuyển. 
 Vậy khi chiếu AS thích hợp vào bán dẫn Silic tinh khiết thì bán dẫn tinh khiết có dẫn điện tốt không ? Vì sao ? 
+ GV: ® KL1: chất bán dẫn dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp được gọi là chất quang dẫn.
+ GV: ® KL2: Hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết thành các êlectron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện gọi là hiện tượng quang điện trong.
+ GV: Y/c HS trả lời : thế nào là chất quang dẫn ?
+ GV: Y/c HS cho 1 số ví dụ về chất quang dẫn ?
+ GV: Y/c HS trả lời : thế nào là hiện tượng quang điện trong ?
+ GV: Y/c HS trả lời C1 : so sánh độ lớn của giới hạn quang dẫn với độ lớn của giới hạn quang điện.
→ AS làm bật các êlectron ra khỏi mặt tấm kẽm → Hiện tượng này gọi là HTQĐ ngoài. 
Si
→ có 4 êlectron liên kết ở lớp ngoài cùng. 
® HS: bình thường bán dẫn tinh khiết dẫn điện kém vì hầu như không có hạt tải điện tự do.
® HS: Lỗ trống mang điện dương. 
® HS: khi chiếu AS thích hợp vào bán dẫn Silic tinh khiết thì bán dẫn tinh khiết dẫn điện rất tốt vì lúc này trong bán dẫn Silic tinh khiết có 2 loại hạt tải điện là: êlectron tự do & lỗ trống.
® HS: trả lời và tự ghi bài. 
® HS: Một số chất quang dẫn: Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe
® HS: trả lời và tự ghi bài. 
® HS: Giới hạn quang dẫn lớn hơn giới hạn quang điện. 
I. Chất quang dẫn và hiện tượng quang điện trong
1. Chất quang dẫn 
- Chất quang dẫn là chất bán dẫn có tính dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sáng thích hợp.
- VD: bán dẫn Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe là chất quang dẫn.
2. Hiện tượng quang điện trong
- Hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để cho chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện gọi là hiện tượng quang điện trong.
- Chú ý: hiện tượng quang điện trong được ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện.
Hoạt động 3 ( 5phút): Tìm hiểu về quang điện trở
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kết quả hoạt động
+ GV: Cho HS xem cấu tạo của một quang điện trở.
+ GV: Y/c HS đọc Sgk và cho biết quang điện trở là gì? Chúng có cấu tạo và đặc điểm gì?
+ GV: nêu ứng dụng của quang điện trở trong các mạch tự động.
- HS đọc Sgk và trả lời.
- HS ghi nhận về quang điện trở.
II. Quang điện trở 
- Là một điện trở làm bằng chất quang dẫn. Cấu tạo gồm 1 sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.
- Điện trở của quang điện trở có thể thay đổi từ vài MW khi không bị chiếu sáng đến vài chục W khi được chiếu sáng thích hợp .
Hoạt động 4 (20 phút): Tìm hiểu về pin quang điện
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kết quả hoạt động
+ GV: Thông báo về pin quang điện và đặt câu hỏi: (pin Mặt Trời) là một thiết bị biến đổi từ dạng năng lượng nào sang dạng năng lượng nào?
+ GV: Thông báo về hiệu suất của pin quang điện.
+ GV: Minh hoạ cấu tạo của pin quang điện.
G
Iqđ
Etx
+
-
Lớp chặng
+ + + + + + + +
- - - - - - - -
n
p
+ GV: thế nào là bán dẫn n ?
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
êlectron tự do
+ GV: thế nào là bán dẫn p ?
lỗ trống 
+
+
bán dẫn n
có nhiều êlectron tự do
bán dẫn p
có nhiều lỗ trống
+ GV: khi cho bán dẫn p tiếp xúc bán dẫn n thì điện trường tại lớp tiếp xúc p – n hình thành như thế nào ?
+ GV: Khi chiếu ánh sáng có bước sóng l £ l0 vào lớp trên cùng của tấm pin quang điện thì có hiện tượng gì xãy ra?
+ GV: khi xãy ra HTQĐ trong, bd loại p sẽ giải phóng ra cặp êlectron - lỗ trống. Êlectron chuyển động ngược chiều điện trường nên dễ dàng đi qua lớp chặn xuống bán dẫn n còn lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường nên thì bị giữ lại ở lớp bán dẫn p . Kết quả :
. Ở phía bán dẫn n, thừa êlectron nên nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin. 
. Ở phía bán dẫn p, thiếu êlectron và thừa lỗ trống nên nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin. 
máy đo cường độ AS
+ GV: Hãy nêu một số ứng dụng của pin quang điện?
® HS: Trực tiếp từ quang năng sang điện năng.
- HS đọc Sgk và dựa vào hình vẽ minh hoạ để trình bày cấu tạo của pin quang điện.
® HS: nhắc lại bán dẫn n.
® bán dẫn Silic tinh khiết pha thêm tạp chất Phốtpho hóa trị 5 là bán dẫn loại n. (n là negative tức là bán dẫn âm, hạt tải điện chủ yếu là êlectron). 
(® Tạp chất Phốtpho tạo êlectron cho bán dẫn gọi là tạp chất cho (hay đôno). Bán dẫn có tạp chất cho gọi là bán dẫn chứa đôno hay loại n ).
® HS: nhắc lại bán dẫn p.
® bán dẫn Silic tinh khiết pha thêm tạp chất Bo hóa trị 3 là bán dẫn loại p. (p là positive tức là bán dẫn dương, hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống mang điện dương ). 
(® Tạp chất Bo tạo lỗ trống cho bán dẫn gọi là tạp chất nhận (hay axepto). Bán dẫn có tạp chất nhận gọi là bán dẫn chứa axepto hay bán dẫn loại p ).
 ® HS: trả lời. 
® khi cho bd p tiếp xúc bd n thì êlectron và lỗ trống chỗ tiếp xúc nhau trung hòa lẫn nhau. Kết quả : bd n mất bớt êlectron nên nhiễm điện dương còn bd p mất bớt lỗ trống nên nhiễm điện âm. Vậy điện trường tiếp xúc hướng từ n sang p. Điện trường này ngăn không cho êlectron khuếch tán từ n → p và lỗ trống khuếch tán từ p → n . 
® HS: AS xuyên qua lớp trên cùng đến bd loại p và gây ra HTQĐ trong. 
G
Iqđ
Etx
+
-
Lớp chặng
+ + + + + + + +
- - - - - - - -
n
p
- Trong các máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi
III. Pin quang điện
- Pin quang điện là 1 nguồn điện chạy bằng năng lượng AS. Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.
- Hiệu suất của pin quang điện khoảng 10% .
1/ Cấu tạo: Pin có 1 tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ 1 lớp mỏng bán dẫn loại p. Trên cùng là 1 lớp kim loại mỏng (AS đi qua được lớp này). Dưới cùng là 1 đế kim loại . Các kim loại này đóng vai trò là các điện cực trơ .
2/ Hoạt động :
+ Giữa bán dẫn loại n và bán dẫn loại p hình thành 1 lớp tiếp xúc p - n (hay còn gọi là lớp chặn) . Lớp này ngăn không cho êlectron khuếch tán từ n → p và lỗ trống khuếch tán từ p → n .
+ Khi chiếu AS có bước sóng l l0 của KL ở lớp trên cùng thì AS sẽ đi xuyên qua lớp này vào bán dẫn loại p gây ra HTQĐ trong và giải phóng ra cặp êlectron - lỗ trống. Êlectron dễ dàng đi qua lớp chặn xuống bán dẫn n còn lỗ trống thì bị giữ lại ở lớp bán dẫn p . Kết quả :
. Ở phía bán dẫn n, thừa êlectron nên nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin. 
. Ở phía bán dẫn p, thiếu êlectron và thừa lỗ trống nên nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin.
* Chú ý : SĐĐ của pin quang điện từ 0,5V → 0,8V. 
3/ Ứng dụng :
Pin quang điện được ứng dụng trong máy đo AS, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi.ôtô, máy bay chạy bằng pin quang điện .
Hoạt động 5 (2 phút): Củng cố
Hoạt động 6 (1 phút): Giao nhiệm vụ về nhà.
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Kết quả hoạt động
- Nêu câu hỏi và bài tập về nhà.
- Yêu cầu: HS chuẩn bị bài sau.
- Ghi câu hỏi và BT về nhà.
- Ghi những chuẩn bị cho bài sau.
IV. RÚT KINH NGHIỆM