Chất bán dẫn là gì? Các thuộc tính cơ bản của chất bán dẫn

Trong lĩnh vực sản xuất sản phẩm công nghệ hiện nay không thể thiếu chất bán dẫn. Chất bán dẫn trở thành vật liệu quan trọng và được sử dụng phổ biến. Vậy chất bán dẫn là gì và công dụng của nó như thế nào lại chiếm được ưu thế cao như vậy? Cùng Thiết Bị Điện Goldsun tìm hiểu ngay dưới đây nhé!

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn (Semiconductor)là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Chúng có thể là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc các hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide). Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất và nó phụ thuộc vào loại tạp chất thêm vào.

Tính chất của chất bán dẫn

• Chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở Zero Kelvin. Khi tăng nhiệt độ thì nó hoạt động như chất dẫn điện.
• Chất bán dẫn có thể được sửa đổi; bằng cách pha tạp để tạo ra các thiết bị bán dẫn thích hợp cho việc chuyển đổi năng lượng, chuyển mạch và bộ khuếch đại. Bởi vì, chất bán dẫn có các đặc tính điện đặc biệt của chúng.
• Ít bị tổn thất điện năng hơn chất cách điện
• Chất bán dẫn có kích thước nhỏ hơn và trọng lượng ít hơn.
• Điện trở suất của chúng cao hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện.
• Khi nhiệt độ tăng thì điện trở của chất bán dẫn sẽ giảm và ngược lại.

Tính dẫn điện của chất bán dẫn là gì?

Tính dẫn điện của chất bán dẫn được lý giải qua lý thuyết vùng năng lượng.

Các chất bán dẫn có vùng cấm sẽ có một độ rộng xác định. Ở 0 độ tuyệt đối, tất cả các điện tử ở vùng hóa trị. Lúc này chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử nhận được năng lượng nhiệt nhưng chưa đủ vượt qua vùng cấm.

Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, một số điện tử sẽ vượt qua vùng cấm, nhảy lên vùng dẫn. Lúc này chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn càng tăng lên. Do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ.

Bên cạnh đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể thay đổi thông qua năng lượng ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon. Chúng sẽ nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Lúc này, tính chất của chất bán dẫn sẽ bị thay đổi dưới tác động ánh sáng.

Cấu tạo của chất bán dẫn

Chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể và được tạo thành bởi các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị để tạo ra lưới tinh thể. Trong lưới tinh thể của nó, các nguyên tử sắp xếp theo một mẫu lặp lại, tạo thành một cấu trúc tinh thể đặc biệt. Cấu trúc tinh thể của nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất điện tử của nó.

Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn có thể là hệ tinh thể cubic (cấu trúc tinh thể lập phương), hệ tinh thể hexagonal (cấu trúc tinh thể lục giác), hay hệ tinh thể tetragonal (cấu trúc tinh thể tứ diện). Cấu trúc tinh thể này quyết định đến các tính chất điện tử như cách mà các electron di chuyển trong vật liệu và khả năng dẫn điện của nó.

Chất bán dẫn cũng có thể được tinh chế để có các tạp chất được thêm vào để kiểm soát các tính chất điện tử. Điều này làm thay đổi cấu trúc tinh thể và các tính chất điện tử của nó.

Trong cấu trúc tinh thể của nó, các electron được liên kết chặt chẽ với các nguyên tử và di chuyển trong các mô hình đặc biệt gọi là vùng dẫn và vùng phản đối. Khi áp dụng một điện áp bên ngoài, electron có thể được kích thích từ vùng phản đối lên vùng dẫn, tạo ra dòng điện chạy qua nó.

Các thuộc tính đặc trưng của chất bán dẫn

Một chất bán dẫn semiconductor sẽ có các thuộc tính sau:

Hiệu ứng trường (bán dẫn)

Khi kết hợp hai lớp P-N với nhau điều này dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P-N. Các điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và ngược lại các lỗ trống lớp p chuyển sang lớp n do quá trình trung hòa về điện. Một sản phẩm của quá trình này là làm ion tích điện, tạo ra một điện trường.

Dị thể

Các dị thể xảy ra khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau. Ví dụ, một cấu hình có thể bao gồm p-pha tạp và n-pha tạp germanium. Điều này dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau. Germanium pha tạp n sẽ có thừa electron và Germanium pha tạp p sẽ có quá nhiều lỗ trống.

Sự chuyển đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi là tái hợp, khiến các electron di chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p. Một sản phẩm của quá trình này là các ion tích điện, dẫn đến hiệu ứng điện trường.

Electron kích thích

Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình trạng không cân bằng. Điều này giới thiệu các electron và lỗ trống cho hệ thống, tương tác thông qua một quá trình gọi là khuếch tán xung quanh. Bất cứ khi nào cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử sẽ thay đổi.

Sự gián đoạn như vậy có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình tạo ra và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

Độ dẫn điện biến đổi

Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chất dẫn điện kém vì dòng điện yêu cầu dòng điện tử và chất bán dẫn có dải hóa trị của chúng được lấp đầy, ngăn chặn dòng vào của electron mới.

Có một số kỹ thuật được phát triển cho phép các vật liệu bán dẫn hoạt động giống như vật liệu dẫn điện. Những sửa đổi này có hai kết quả: loại n và loại p. Chúng lần lượt đề cập đến sự thừa hoặc thiếu điện tử. Một số lượng điện tử không cân bằng sẽ khiến một dòng điện chạy qua vật liệu.

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao có thể được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt của thiết bị điện tử.

Phát xạ nhẹ

Trong một số chất bán dẫn nhất định, các electron bị kích thích có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. Những chất bán dẫn này được sử dụng trong việc chế tạo các diode phát sáng và các chấm lượng tử huỳnh quang.

Các loại chất bán dẫn thường gặp

Có 2 loại chất bán dẫn đó là:

Chất bán dẫn tinh khiết

Trước tiên, ta cần hiểu rõ khái niệm “chất bán dẫn tinh khiết là gì” (hay chất bán dẫn thuần là gì). Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn hoàn toàn không có tạp chất, ví dụ điển hình là Silicon hay Germanium. Chúng còn được gọi là những chất bán dẫn là nguyên tố nhóm IV.

Mỗi nguyên tử thuộc nguyên tố nhóm IV thường có 4 electron ở lớp ngoài, tiếp đó được liên kết với các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện xét ở điều kiện nhiệt độ thấp.

Điện trở suất của các chất bán dẫn thuần thường rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi có sự tăng lên của nhiệt độ. Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nghĩa là cùng tăng hoặc cùng giảm. Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thuần do đó mà có giá trị âm.

Chất bán dẫn pha tạp chất

Có hai loại chất bán dẫn pha tạp chất, đó là chất bán dẫn loại n và p:

Chất bán dẫn loại p

Chất bán dẫn loại p là gì? Chất bán dẫn loại p hay chất bán dẫn dương có tạp chất là những nguyên tố thuộc nhóm III, được tạo thành khi tạp chất như boron chỉ có ba electron trong lớp vỏ hóa trị.

Khi một lượng nhỏ được chất có hóa trị III được liên kết với tinh thể, nguyên tử chất đó có thể tích hợp với bốn nguyên tử silicon theo liên kết cộng hóa trị.

Tuy nhiên, vì nó chỉ chứa ba electron để cung cấp nên sẽ có một lỗ trống được tạo ra. Lỗ này mang điện tích dương nên chất bán dẫn pha tạp được gọi là chất bán dẫn loại p.

Chất bán dẫn loại n

Chất bán dẫn loại n là gì? Chất bán dẫn loại n chính là chất bán dẫn âm, với đặc điểm tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố xuất hiện năm electron trong lớp vỏ hóa trị.

Khi một lượng nhỏ chất có hóa trị V, điển hình như photpho được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử thường sẽ liên kết với bốn nguyên tử silicon liền kề.

Vì photpho mang năm electron trong vỏ hóa trị nên chỉ sẽ có bốn trong số đó là được liên kết với các nguyên tử silic ở lân cận theo liên kết cộng hóa trị.

Còn một electron hóa trị còn lại bị bỏ lại không có gì để liên kết, trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn được tạo ra theo cách này mang điện tích âm và người ta gọi là chất bán dẫn loại n.

Ứng dụng của chất bán dẫn

Nó là vật liệu cực kỳ quan trọng và có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

Thiết bị điện tử

Nó được sử dụng để sản xuất các thiết bị điện tử như transistor, diode, IC, LED, cảm biến, mạch tích hợp, vi xử lý, điện tử tương tự và số, các linh kiện điện tử khác.

Chất bán dẫn cho phép dòng điện chạy qua đồng thời hoạt động như một chất cách điện nên nó thích hợp để dùng để điều khiển dòng điện. Chip điện tử hoạt động dựa vào cơ chế bật, tắt để tạo ra tín hiệu, vì thế chất bán dẫn thích hợp để tạo ra chip điện tử vì có thể điều khiển dòng diện bật, tắt đúng lúc.

Năng lượng mặt trời

Nó được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện từ năng lượng mặt trời.

Tia laser

Nó cũng được sử dụng để tạo ra tia laser trong các ứng dụng như thăm dò khoáng sản, khoa học và y tế.

Điện tử công suất

Nó cũng được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử công suất như điều khiển motor, biến tần, bộ điều khiển quạt, mạch xung và các thiết bị điện tử công suất khác.

Cảm biến

Nó được sử dụng trong các cảm biến như cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm và các loại cảm biến khác.

Công nghệ xử lý tín hiệu

Nó được sử dụng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu như hệ thống truyền thông, mạng máy tính, xử lý ảnh và âm thanh.

Các ứng dụng của chất bán dẫn đóng vai trò rất quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và tính năng của các thiết bị điện tử, đồng thời cũng giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Trên đây là một số thông tin và kiến thức cơ bản về chất bán dẫn là gì. Thiết Bị Điện Goldsun hy vọng nó sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu về chủ đề này.