Chất bán dẫn là gì ? Những ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống - The first knowledge sharing application in Vietnam

Chất bán dẫn 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. Gọi là “bán dẫn”, vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Cùng chúng tôi tìm hiểu thêm thông tin về chất bán dẫn cũng như những ứng dụng của chất bán dẫn trong thực tế là gì bạn nhé!

Chất bán dẫn là gì ?

Chất bán dẫn là gì ? Chất bán dẫn có tên tiếng anh là Semiconductor, là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất, những tạp chất khác nhau có thể tạo tính bán dẫn khác nhau. Trường hợp hai chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau, nó tạo ra một lớp tiếp xúc. Các tính chất của các hạt mang điện như electron, các ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Các thiết bị bán dẫn mang lại một loạt các tính chất hữu ích như có thể điều chỉnh chiều và đường đi của dòng điện theo một hướng khác, thay đổi điện trở nhờ ánh sáng hoặc nhiệt. Vì các thiết bị bán dẫn có thể thay đổi tính chất thông qua tạp chất hay ánh sáng hoặc nhiệt, nên chúng thường được dùng để mở rộng, đóng ngắt mạch điện hay chuyển đổi năng lượng.

Tính chất của chất bán dẫn

Một số tính chất đặc trưng của chất bán dẫn mà chúng ta có thể tìm hiểu thảo luận bên dưới đây.

Độ dẫn điện biến đổi

Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chất dẫn kém vì dòng điện yêu cầu dòng chảy của các điện tử electron và chất bán dẫn có dải hóa trị được lấp đầy, ngăn chặn toàn bộ dòng chảy của các 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, chẳng hạn như doping hoặc gating. Những kỹ thuật này cho ra hai kết quả: loại N và loại P. Chúng đề cập đến sự thừa hoặc thiếu điện tử tương ứng. Một số lượng hạt điện tử không cân bằng sẽ khiến dòng điện chạy qua vật liệu.

Dị thể trong chất bán dẫn là gì

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 Germanium pha tạp P và pha tạp N. 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 tổ hợp, khiến các electron di chuyển từ loại N tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại P. Sản phẩm của quá trình này là các ion tích điện, là kết quả trong 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 mang 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 và hủy các electron và lỗ trống được gọi là quá trình tạo và tái hợp.

Phát xạ ánh sáng

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

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.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có các yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn làm cho chúng hữu ích trong các máy phát nhiệt điện, cũng như các số liệu nhiệt điện cao làm cho chúng hữu ích trong các bộ làm mát nhiệt điện.

Phân loại chất bán dẫn

Như chúng ta đã biết thì tinh thể silic là vật liệu bán dẫn rất phổ biến hiện nay được sử dụng trong vi điện tử và quang điện. Tuy nhiên thì vẫn tồn tại một số chất khác có các tính chất giống như tính chất mà một chất bán dẫn cần có như:

Chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV (C, Si, Ge, Sn).
Chất bán dẫn hợp chất nhóm IV.
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm VI (S, Ce, Te)
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm III, V: kết tinh với mức độ cân bằng hóa học cao và hầu hết có thể thu được với 2 dạng P và N. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử.
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm II, VI: thường là loại P nhưng trừ ZnTe và ZnO là loại N.
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm I, VII
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV, VI
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm V, VI
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm II, V
Chất bán dẫn nguyên tố nhóm I, III, VI
Oxit
Màng mỏng bán dẫn
Chất bán dẫn từ
Chất bán dẫn hữu cơ được làm từ các hợp chất hữu cơ
Tổ hợp chuyển phí

Quá trình doping chất bán dẫn là gì?

Độ dẫn của chất bán dẫn có thể dễ dàng được sửa đổi bằng cách đưa tạp chất vào mạng tinh thể của chúng. Quá trình thêm tạp chất được kiểm soát vào chất bán dẫn được gọi là doping. Lượng tạp chất được thêm vào một chất bán dẫn nguyên chất thay đổi để độ dẫn của nó.

Ví dụ: Bán dẫn tinh khiết Silicon có bốn electron hóa trị; liên kết từng nguyên tử silicon với xung quanh. Trong silicon, các chất dẫn xuất phổ biến nhất là các nguyên tố nhóm III và nhóm V.

Tất cả các nguyên tố nhóm III đều chứa ba electron hóa trị. Khiến chúng hoạt động như các chất nhận khi được sử dụng để khử silicon.

Khi một nguyên tử chấp nhận thay thế một nguyên tử silicon trong tinh thể. Một trạng thái trống (một “lỗ” điện tử) được tạo ra; có thể di chuyển xung quanh mạng và hoạt động như một hạt mang điện. Các nguyên tố nhóm V có năm electron hóa trị, cho phép chúng hoạt động như một chất cung cấp; thay thế các nguyên tử này cho silic tạo ra thêm một electron tự do.

Do đó, một tinh thể silicon pha tạp boron tạo ra chất bán dẫn loại P; trong khi người ta pha tạp photpho tạo ra vật liệu loại N.

Trong quá trình sản xuất, các chất dẫn xuất có thể được khuếch tán vào thân chất bán dẫn. Bằng cách tiếp xúc với các hợp chất khí của nguyên tố mong muốn; hoặc cấy ion có thể được sử dụng để định vị chính xác các vùng pha tạp.

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.
Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt ({displaystyle k_{B}.T} với {displaystyle k_{B}} là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn).

Bán dẫn pha tạp

Chất bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại P (hay dùng nghĩa tiếng Việt là bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive’, nghĩa là dương). Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P.

Chất bán dẫn loại N

Chất bán dẫn loại N (bán dẫn âm – Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Photpho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do => Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N (Negative: âm ).

Chất bán dẫn không suy biến là chất có nồng độ hạt dẫn không cao, chất bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn hơn 10^20 nguyên tử/cm3 được gọi là bán dẫn suy biến và có tính chất giống như kim loại vì vậy nó dẫn điện tốt, năng lượng của hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn suy biến không phụ thuộc vào nhiệt độ. Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: hi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho điện tử dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn.

Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N

Tại lớp chuyển tiếp P-N, có sự khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán loại n. khi electron gặp lỗ trống, chúng liên kết và một cặp electron và lỗ trống biến mất. Ở lớp chuyển tiếp P-N hình thành lớp nghèo (không có hạt tải điện). Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn N có các ion đô-nô tích điện dương, ở về phía bán dẫn loại P có các axepto tích điện âm. Điện trở của lóp nghèo rất lớn.

Vì sao nói lớp chuyển tiếp P-N có tính chất chỉnh lưu ? Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn P sang bán dẫn N thì lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền P sang miền N (chiều thuận). Khi đảo chiều điện trường ngoài, dòng điện không thể chạy từ miền N sang miền P (chiều ngược). Ta nói lớp chuyển tiếp P-N có tính chất chỉnh lưu.

Ví dụ Điôt bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp P-N. Vì dòng điện chủ yếu chỉ chạy qua điôt theo chiều từ P đến N, nên khi nối nó vào mạch điện xoay chiều, dòng điện cũng chỉ chạy theo một chiều. Ta nói điôt bán dẫn có tính chỉnh lưu nên được dùng để lắp mạch chỉnh lưu, biến điện xoay chiều thành một chiều.

Dòng điện trong chất bán dẫn

Bán dẫn tinh khiết Si (silic). Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết các nguyên tử Si khác tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện nhiệt độ thấp.

Mô hình liên kết của các nguyên tử Silic. Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ngoài cùng tham gia vào liên kết với các nguyên tử Si ở bên cạnh. Ở điều kiện nhiệt độ thấp xung quanh mỗi nguyên tử Si ở lớp ngoài cùng có 8 electron => Si không dẫn điện vì không có hạt tải điện chuyển động cho dù được đặt trong điện trường.

Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa các nguyên tử Si có thể bị phá vỡ vì chuyển động nhiệt, electron có thể tách khỏi liên kết để tạo thành electron tự do. Electron thoát khỏi liên kết “ra đi” để lại một khoảng trống trong liên kết giữa các phân tử Si (gọi tắt là lỗ trống)

Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa các nguyên tử Si kém bền vững e có thể thoát ra tạo thành electron tự do đồng thời tạo ra lỗ trống.

Nếu nhiều liên kết bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao sẽ có nhiều electron tự do và lỗ trống được tạo ra. Trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do có thể chuyển động đến vị trí của lỗ trống lấp đầy nó tạo ra liên kết mới khiến các lỗ trống mới được tạo ra ở các vị trí khác nhau trong liên kết của các nguyên tử Si, hay nói cách khác electron tự do chuyển động cũng làm cho các lỗ trống này chuyển động theo.

Khi một electron đến lấp đầy lỗ trống => liên kết mới được hình thành không tạo ra bất kỳ điện tích dư thừa nào giống như e + (-e) =0 => các nhà vật lí học coi lỗ trống có điện tích là q= -e = +1,6.10-19C có tính chất giống như một hạt mang điện dương.

Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu chất bán dẫn các electron và lỗ trống sẽ chuyển động thành dòng ngược chiều nhau tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn.

Ứng dụng chất bán dẫn hiện nay

Vì chất bán dẫn không được bày bán một cách phổ thông trong các cửa hàng giống như các thiết bị điện, nên nó có thể khó hình dung với nhiều người. Tuy nhiên thì trong thực tế, nó được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện nay. Chúng là những nhân tố cấu thành nên các linh kiện điện tử như diode, transistor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…Một số ứng dụng nổi bật có thể dễ dàng hình dung như:

Cảm biến nhiệt độ được trong điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn. Nồi cơm điện có thể nấu cơm một cách hoàn hảo là nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác có sử dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn.
Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số như điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và bóng đèn LED cũng sử dụng chất bán dẫn.
Ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng, chất bán dẫn cũng đóng một vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, xe lửa, internet, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội, chẳng hạn như trong mạng lưới y tế được sử dụng để cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe người cao tuổi, vv… Thêm vào đó, hệ thống hậu cần hiệu quả sẽ giúp tiết kiệm năng lượng, thúc đẩy việc bảo tồn môi trường toàn cầu.