Chất bán dẫn là gì? – Thiết bị đo lường

Thân chào các bạn, ở bài viết này ở mình chia sẻ đến các bạn một chủ đề khá thú vị đó chính là “chất bán dẫn”. Đây là một loại chất có tác động rất lớn đến đời sống của chúng ta trong thời buổi hiện đại ngày nay. Chúng được sử dụng trong các loại linh kiện hay thiết bị điện tử để tạo nên các vật dụng mà chúng ta sử dụng hằng ngày. Trong bài viết bao gồm chất bán dẫn là gì? Các đặc tính của chất bán dẫn? Phân loại chất bán dẫn như thế nào? Các ứng dụng thực tế và các thông tin chi tiết liên quan khác.

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là vật liệu có độ dẫn giữa chất dẫn (nói chung là kim loại) và chất không dẫn hoặc chất cách điện (như hầu hết các loại gốm). Chất bán dẫn có thể là các nguyên tố tinh khiết, chẳng hạn như silicon hoặc gecmani hoặc các hợp chất như gallium arsenide hoặc cadmium selenide. Trong một quá trình gọi là doping, một lượng nhỏ tạp chất được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết gây ra những thay đổi lớn trong độ dẫn của vật liệu.

Do vai trò của chúng trong việc chế tạo các thiết bị điện tử, chất bán dẫn là một phần quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Hãy tưởng tượng cuộc sống mà không có thiết bị điện tử. Sẽ không có radio, không có TV, không có máy tính, không có trò chơi video và những thiết bị chẩn đoán y tế hiện đại. Mặc dù nhiều thiết bị điện tử có thể không phụ thuộc vào chất bán dẫn, nhưng sự phát triển trong công nghệ bán dẫn trong 50 năm qua đã làm cho các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn.

Chất bán dẫn tiếng anh là gì?

Trong tiếng Anh, chất bán dẫn được gọi là Semiconductor. Từ này chúng ta cũng thường hay bắt gặp trong các bản tin công nghệ tiếng Anh. Và ở Việt Nam có một số công ty chuyên về chất bán dẫn, ví dụ như ON Semiconductor…

Ở chất bán dẫn thuần, có số electron và số lỗ trống bằng nhau. Và độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.

Điều kiện nào làm thay đổi chất bán dẫn

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.

Bán dẫn chất lượng mang lại một loạt các tính chất hữu ích gì?

• 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.

Các chất bán dẫn nguyên tố bao gồm; antimon, asen, boron, carbo;  germani, selen; silicon, lưu huỳnh và Tellurium. Silicon được biết đến nhiều nhất trong số này, tạo thành nền tảng của hầu hết các mạch tích hợp ( IC ).

• Các hợp chất bán dẫn phổ biến bao gồm; arsenide gali, antimonide indium và các oxit của hầu hết các kim loại. Trong số này; gallium arsenide ( GaAs ) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khuếch đại tín hiệu; có độ nhiễu thấp, độ lợi cao, tín hiệu yếu.
• Nguyên tố silicon, germani và các hợp chất của gallium được sử dụng rộng rãi nhất làm chất bán dẫn trong các linh kiện điện tử.

Có các loại chất bán dẫn nào?

Như đã biết, tinh thể silic là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong vi điện tử và quang điện.

Nhưng vẫn tồn tại một số lượng lớn các loại chất bán dẫn , các nguyên tố và hợp chất có tính chất bán dẫn, chúng bao gồm:

• 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, Se, Te)
• Chất bán dẫn nhóm III – V: Kết tinh với mức độ cân bằng hóa học cao, hầu hết có thể thu được ở cả loại n và loại p. Nhiều người có khả năng vận chuyển cao và khoảng cách năng lượng trực tiếp, làm cho chúng hữu ích cho quang điện tử.

• Chất bán dẫn II – VI: thường là loại p, ngoại trừ ZnTe và ZnO là loại n
• Chất bán dẫn nhóm I – VII
• Chất bán dẫn IV – VI
• Chất bán dẫn nhóm V – VI
• Chất bán dẫn II – V
• Chất bán dẫn nhóm I-III-VI
• Ôxít
• Màng mỏng bán dẫn
• Chất bán dẫn từ
• Chất bán dẫn hữu cơ làm bằng các hợp chất hữu cơ
• Tổ hợp chuyển phí
• Một số khác

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Chất bán dẫn tinh khiết là gì? Chất bán dẫn thuần là gì

Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn chưa bị pha tạp, các chất bán dẫn tinh khiết tiêu biểu như Silicon hay Germanium. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh. Hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.

Ở chất bán dẫn thuần, có số electron và số lỗ trống bằng nhau. Và độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.

Chất bán dẫn loại P xảy ra khi tạp chất như boron chỉ có ba electron trong vỏ hóa trị. Khi một lượng nhỏ được tích hợp vào tinh thể, nguyên tử có thể liên kết với bốn nguyên tử silicon, nhưng vì nó chỉ có ba electron để cung cấp, nên một lỗ trống được tạo ra. Lỗ này hoạt động giống như một điện tích dương, vì vậy các chất bán dẫn pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P.

Giống như một điện tích dương, lỗ trống thu hút các điện tử. Nhưng khi một electron di chuyển vào một lỗ, electron sẽ để lại một lỗ mới ở vị trí trước đó. Do đó, trong chất bán dẫn loại P, các lỗ liên tục di chuyển xung quanh bên trong tinh thể khi các electron liên tục cố gắng lấp đầy chúng.

Khi điện áp được đặt vào một loại bán dẫn loại N hoặc loại P, dòng điện sẽ chảy như là nó chảy trong một dây dẫn thông thường: Phía âm của điện áp đẩy các electron và phía dương kéo chúng. Kết quả là sự chuyển động của electron và lỗ ngẫu nhiên mà luôn hiện diện trong chất bán dẫn trở nên có tổ chức theo một hướng, tạo ra dòng điện có thể đo được.

Chất bán dẫn loại N: Được tạo ra khi tạp chất là một nguyên tố có năm electron trong lớp hóa trị của nó. Phốt pho thường được sử dụng cho mục đích này.

Các nguyên tử phốt pho tham gia ngay vào cấu trúc tinh thể của silic. Mỗi nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử silicon liền kề giống như một nguyên tử silicon muốn. Do nguyên tử phốt pho có năm electron trong vỏ hóa trị của nó; nhưng chỉ có bốn trong số chúng được liên kết với các nguyên tử lân cận. Nên electron hóa trị thứ năm bị bỏ lại không có gì để liên kết.

Các electron hóa trị đặc biệt trong các nguyên tử phốt pho; bắt đầu hoạt động giống như các electron hóa trị đơn trong một dây dẫn thông thường như đồng. Chúng được tự do di chuyển mọi nơi. Bởi vì loại chất bán dẫn này có thêm các electron, nên nó được gọi là chất bán dẫn loại N.

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là:

Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng.

• Vùng hóa trị (Valence band); là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng. Là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
• Vùng dẫn (Conduction band); vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn. Có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
• Vùng cấm (Forbidden band); là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Vùng năng lượng của chất bán dẫn

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 (

   với 

  

  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).

Vật liệu bán dẫn là gì?

Vật liệu bán dẫn có giá trị độ dẫn điện nằm giữa một vật dẫn điện (chẳng hạn như đồng) và chất cách điện (ví dụ như thủy tinh). Sức đề kháng của nó giảm khi nhiệt độ của nó tăng lên; kim loại thì ngược lại. Tính chất dẫn điện của nó có thể được thay đổi bằng cách đưa tạp chất (“pha tạp”) vào cấu trúc tinh thể. Do tính chất điện của vật liệu bán dẫn có thể được sửa đổi bằng cách pha tạp; hoặc bằng cách sử dụng điện trường hoặc ánh sáng. Các thiết bị làm từ chất bán dẫn có thể được sử dụng để khuếch đại và chuyển đổi năng lượng.

Các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị điện tử; được pha tạp trong các điều kiện chính xác để kiểm soát nồng độ và các vùng của các chất dẫn xuất loại P và N. Một tinh thể bán dẫn đơn có thể có nhiều vùng loại P và N; các nút giao tiếp giữa các vùng này chịu trách nhiệm cho tác động electron hữu ích.

Một số tính chất của vật liệu bán dẫn đã được nghiên cứu trong suốt giữa thập kỷ 19 và thế kỷ 20. Ứng dụng thực tế đầu tiên của chất bán dẫn trong điện tử là máy dò radio; diode bán dẫn đã được sử dụng trong các máy thu radio đầu tiên. Sự phát triển trong vật lý lượng tử lần lượt dẫn đến sự phát triển của bóng bán dẫn vào năm 1947.  Mạch tích hợp vào năm 1958 và MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) vào năm 1959.

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 chất bán dẫn

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.

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, interne; 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.

Trong công nghiệp, chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện như:

• Rơ le bán dẫn
• Linh kiện bán dẫn
• Bóng bán dẫn
• Diốt bán dẫn
• Các loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức,…
• Các bộ chuyển đổi tín hiệu, CT dòng, PLC, biến tần,…

Lời kết:

Vì đây là kiến thức cá nhân và thu thập được trên mạng nên không thể tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự đóng góp của các bạn để bài viết được hoàn hảo hơn.

Đây là bài viết chia sẻ kiến thức, bên mình không kinh doanh mặt hàng này. Vui lòng không gọi điện, nhắn tin hỏi hàng. Xin cám ơn !