ĐIỆN TRỞ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TÁC NHÂN VẬT
LÝ ĐẾN ĐIỆN TRỞ
HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ THƯỜNG
VÀ HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ
*****
G.S. Đàm Trung Đồn
1. Mở đầu
Một thông số điện quan trọng của các vật liệu là điện trở suất ρ ( hay nghịch đảo
của nó là dẫn điện suất σ ). Điện trở của các vật dẫn điện khác nhau nhưng có cùng dạng
hình học tỷ lệ thuận với điện trở suất của vật liệu tạo nên vật ấy. Trong các bài giảng đầu
tiên về điện ở trường phổ thông, ta thường cho rằng điện trở suất của vật liệu là một hằng
số. Khi đi sâu hơn, ta mới nói đến sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ và độ chiếu
sáng ( vì nó liên quan đến linh kiện nhiệt điện trở và quang điện trở ).
Thực tế, điện trở suất cũng chỉ là một tham số vật lý bình thường như những tham
số vật lý khác của vật liệu nên nó phụ thuộc vào mọi tác động cơ, nhiệt, điện, từ, quang từ
bên ngoài đến vật liệu ấy. Trong bài này ta nói đến sự phụ thuộc của điện trở suất của vật
liệu vào các tác động từ bên ngoài, đặc biệt là điện trường và từ trường. Mặc dù đây là
các hiệu ứng lương tử nhưng ta cố găng giải thích chúng theo quan điểm cổ điển để có
thể hiểu cơ chế của hiện tượng một cách định tính.
2. Điện trở và biểu thức của điện trở suất theo thuyết điện tử cổ điển.
Để đơn giản ta xét một vật dẫn điện mà hạt tải điện là electron tự do. Mật độ hạt tải
điện là n. Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các electron này. Cường độ dòng
điện I trên dây dẫn là điện lượng truyền qua tiết diện dây dẫn S trong đơn vị thời gian..
Ta có:
qSvnI ×××=
(1)
trong đó q là điện tích nguyên tố, có giá trị bằng 1,6.10
-19
C. v là độ lớn của tốc
độ trôi của electron tức là độ lớn của tốc độ của chuyển động có hướng của các
electron.

được gọi là độ linh động của electron, do đó điện trở suất ρ tỷ lệ
nghịch với độ linh động μ của hạt tải điện.
qn××
=
µ
ρ
1
; (3)
Tốc độ của chuyển động có hướng của electron có thể tính qua thời gian bay tự do
trung bình τ của electron. Trong thời gian τ, quãng đường electron đi thêm được theo
phương điện trường có độ dài bằng Δx,
2
)
2
1
(
τ
m
qE
x
×
=∆
do đó
m
qEx
v
2
τ
τ
××

trong đó
m
u
D
ε
2
=
Đại lương πr
2
gọi là tiết diện tán xạ của tâm tán xạ electron. Từ đó ta suy ra:
NurZ
2
11
π
τ
==
;
D
mNr
q
Numr
q
επ
π
µ
8
2
2
2
==

Ứng suất cơ học có thể làm thay đổi kích thước mạng tinh thể qua đó làm thay đổi mật độ
electron dẫn, nhưng sự thay đổi này thường nhỏ. Tác dụng rõ rệt nhất của ứng suất cơ
học là tạo ra biến dạng cơ học ( uốn, xoắn ...) do đó tạo ra những sai lệch của tính tuần
hoàn của mạng tinh thể. Hậu quả là trong thực tế chỉ có N tăng rõ rệt và do đó điện trở
suất tăng theo ứng suất.
4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở suất
Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến điện trở suất của vật liệu thông qua các đại lượng ε
D
,
n và N, nhưng với một loại vật liệu cho trước không phải cả ba đại lượng trên đều thay
đổi đáng kể khi nhiệt độ tăng.
Với kim loại, động năng trung bình của electron dẫn
D
ε
lớn hơn động năng trung
bình của chuyển động nhiệt kT hàng chục lần và hầu như không chịu ảnh hưởng của nhiệt
độ,
D
ε
= hs. Tương tự, mật độ êlectrôn dẫn n của kim loại cũng không thay đổi theo nhiệt
độ, n = hs. Tác dụng đáng kể duy nhất của nhiệt độ là tạo ra dao động mạng, nghĩa là
những nơi vi phạm tính tuần hoàn của mạng tinh thể, nơi mà các êlectron dẫn bị tán xạ .
Nói khác đi trong kim loại chỉ có N tăng theo nhiệt độ nên điện trở suất của kim loại tăng
theo nhiệt độ.
Với bán dẫn
D
ε
~ 3/2 kT nên tăng theo nhiệt độ. Tương tự như kim loại v, mật độ
tâm tán xạ electron dẫn N cũng tăng theo nhiệt độ. Nếu bán dẫn được pha tạp bằng các
tạp dono với mật độ N

Với bán dẫn mật độ êlectron dẫn vốn không lớn, hiệu ứng quang điện, nhất là quang
điện nội, có thể làm tăng rõ rệt giá trị của n, do đó điện trở suất của bán dẫn giảm khi ta
chiếu nó bằng tia bức xạ có năng lượng thấp, có bước sóng thích hợp ( hiện tượng quang
dẫn ).
Trong quá trình chiếu bức xạ có năng lượng cao lên vật liệu, ta cũng thấy những hiệu
ứng tức thời như trường hợp chiếu bằng bức xạ có năng lượng thấp, nghĩa là với kim loại
điện trở hầu như không thay đổi, với bán dẫn điện trở giảm. Tuy nhiên phôtôn năng
lượng cao có thể đánh bật các nguyên tử trong chất rắn ra khỏi vị trí cũ và các nguyên tử
này có thể tồn tại ở vị trí mới trong thời gian rất dài. Thành thử sau khi chiếu bức xạ năng
lượng cao với liều lượng rất lớn thì mật độ tâm tán xạ electron N trong vật liệu tăng.
Không những thế một số tâm còn có khả năng bắt giữ electron tự do biến chúng thành
electron liên kết, khiên mật độ electron tự do n ( trong bán dẫn ) giảm đáng kể. Hai biến
đổi ấy ( tăng N giảm n ) làm cho điện trở của vật liệu tăng.
6. Ảnh hưởng của điện trường đến điện trở suất.
Điện trường có thể ảnh hưởng đến điện trở suất của vật liệu thông qua các tham số n,
D
ε
, m và tiết diện tán xạ
2
r
π
. Tuy nhiên đối với kim loại, có mật độ electron dẫn lớn,
hiện tượng che chắn tĩnh điện rất có hiệu quả khiến cho điện trường không thâm nhập
được vào trong vật liệu, hoặc nếu có thì cường độ cũng rất nhỏ, do đó nó không gây ra
biến đổi điện trở suất.
Đối với bán dẫn thì khác. Do mật độ electron không quá lớn, hiện tượng che chắn
tĩnh điện chỉ có hiệu quả ở sâu trong lòng chất bán dẫn, và điện trường ở lớp bề mặt vật
liệu có thể lớn, gây ảnh hưởng đến điện trở suất của vật liệu. Ta hãy xét ảnh hưởng ấy
trong hai trường hợp: Điện trường vuông góc với phương của dòng điện và điện trường
song song với phương của dòng điện.