Chất bán dẫn là gì? Các loại và thuộc tính Semiconductor

Bạn đã biết gì về chất bán dẫn chưa? Các tính chất, các loại cũng như ứng dụng của nó trong sản xuất và đời sống ra sao? Nếu bạn muốn biết thì đừng bỏ lỡ những thông tin hữu ích mà TKĐ mang đến trong bài viết này nhé.

Chất bán dẫn là gì?

Tên tiếng anh của nó là Semiconductor. Chất có độ dẫn điện ở mức trung bình, đóng vai trò trung gian giữa chất cách điện và chất dẫn điện. Làm việc như 1 chất cách điện trong điều kiện nhiệt độ thấp và có thể dẫn điện nếu nhiệt ở nhiệt độ phòng.

Tóm lại, gọi là chất bán dẫn vì nó ở một điều kiện nhất định nào nó sẽ dẫn điện và 1 điều kiện nào đó sẽ không dẫn điện.

Tính bán dẫn của chất có thể thay đổi khi có tạp chất. Những tạp chất khác nhau thì sẽ tạo nên các tính bán dẫn không giống nhau. Nếu 2 chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau thì nó sẽ tạo ra 1 lớp tiếp xúc.

Các tính chất của ion, các hạt mang điện hay lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này sẽ là cơ sở để có thể tạo nên các diot, thiết bị điện tử, bóng bán dẫn… Các thiết bị bán dẫn ngày nay mang đến 1 rất nhiều lợi ích: Điều chỉnh chiều, đường đi của dòng điện, thay đổi được điện trở nhờ vào nhiệt, ánh sáng…

Nguyên tố germani, silicon, các hợp chất của gallium được dùng rộng rãi để làm các chất bán dẫn bên trong các linh kiện điện tử.

Các loại chất bán dẫn

Người ta phân chia thành các loại sau:

Chất bán dẫn tinh khiết

Người ta gọi nó là chất bán dẫn thuần bởi vì không lẫn tạp chất. Ví dụ như là Germanium hay Silicon. Ngoài ra, nó còn được gọi là chất bán dẫn tinh khiết nguyên tố nhóm IV.

Mỗi 1 nguyên tử sẽ có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết với 1 nguyên tử Si thông qua liên kết cộng hóa trị để tạo nên 1 chất bán dẫn trung hòa về điện trong điều kiện nhiệt độ thấp.

Đặc điểm:

+ Hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.

+ Điện trở suất rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm dần khi nhiệt độ tăng lên.

+ Độ dẫn điện của loại này sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ.

Chất bán dẫn pha tạp chất

Chất bán dẫn loại P

Hay còn được gọi là bán dẫn dương, có tạp chất là các nguyên tố nhóm III. Nó dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Khi người dùng pha thêm 1 lượng chất có hóa trị 3 như In vào chất Si thì 1 nguyên tử In sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị. Lúc này liên kết bị thiếu 1 điện tử nên tạo thành lỗ trống. Người ta gọi là chất bán dẫn P.

Chất bán dẫn loại N

Nó được gọi là chất bán dẫn âm, có tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm V. Nguyên tử sẽ dùng 4 điện tử tạo nên liên kết, 1 điện tử lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân. Điện tử đó gọi là dẫn chính.

Khi pha 1 lượng chất Photpho có hóa trị 5 và Si bán dẫn thì nguyên tử Photpho sẽ liên kết 4 nguyên tử Si theo cộng hóa trị. Nguyên tử Photpho 4 điện tử tham gia liên kết, nguyên tử còn lại tự do. Chất bán dẫn sẽ thừa điện tử nên gọi là bán dẫn N âm.

Các thuộc tính của chất bán dẫn

Hiệu ứng trường (bán dẫn)

Việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P-N chỉ xảy ra khi kết hợp 2 lớp P-N lại với nhau. Lúc này các điện tử từ N sang P và từ P sang N. Cùng với đó, do quá trình trung hòa về điện nên các lỗ trống lớp P chuyển sang lớp N.

Quá trình này sẽ làm các ion tích điện và hình thành nên 1 điện trường.

Dị thể

Người ta gọi dị thể khi có 2 vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau nhưng được nối với nhau.

Chúng ta lấy ví dụ: Một cấu hình gồm p-pha tạp và n-pha tạp germanium.

Germanium pha tạp n sẽ có thừa electron, Germanium pha tạp p sẽ có nhiều lỗ trống. Nó sẽ dẫn đến sự trao đổi lỗ trống, điện tử giữa các vật liệu bán dẫn pha tạp.

Quá trình này sẽ được diễn ra cho đạt được 1 trạng thái cân bằng thông qua 1 quá trình tái hợp. Các electron lúc này sẽ di chuyển từ loại n, tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p. Cuối cùng thì quá trình này sẽ tạo nên các ion tích điện, dẫn đến hình thành hiệu ứng điện trường.

Electron kích thích

Chính vì có sự khác nhau về điện thế trên các vật liệu bán dẫn sẽ làm tình trạng không cân bằng hình thành, trạng thái cân bằng nhiệt bị phá vỡ.

Thông qua khuếch tán xung quanh, các lỗ trống, electron sẽ được giới thiệu đến hệ thống. Khi cân bằng nhiệt không đảm bảo, bị xáo trộn thì số lượng điện tử, lỗ trống sẽ bị thay đổi.

Nguyên nhân là do có sự chênh lệch nhiệt độ, photon xâm nhập vào hệ thống tạo ra điện tử, lỗ trống. Người ta gọi quá trình hình thành và tự hủy điện tử, electron là tái tổ hợp.

Độ dẫn điện biến đổi

Nếu ở trạng thái tự nhiên thì đều dẫn điện kém. Vì dòng điện thường yêu cầu chất bán dẫn, dòng electron phải có dải hóa trị lấp đầy, ngăn chặn dòng electron mới vào.

Ngày nay thì càng có nhiều kỹ thuật, phát minh khoa học của con người ra đời để có thể tạo nên các vật liệu bán dẫn hoạt động tương tự như 1 vật liệu dẫn điện. Và nó cho ra 2 kết quả: n và p. Lần lượt, chúng là sự thừa, thiếu các electron. Khi lượng electron không cân bằng sẽ tạo nên 1 dòng điện đi qua vật liệu.

Độ dẫn nhiệt cao

Tính chất của các Semiconductor đó chính là dẫn nhiệt cao. Vì thế mà nó được dùng để tản nhiệt, cải thiện vấn đề quản lý nhiệt của thiết bị điện tử.

Phát xạ nhẹ

Một số Semiconductor thì khi các electron bị kích thích, nó có thể phát sáng thay vì chỉ tạo ra nhiệt. Người ta ứng dụng nó trong việc chế tạo chấm lượng tử huỳnh quang, diode phát sáng…

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Thường có yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn. Vì thế mà nó cực kỳ hữu ích trong các máy phát nhiệt điện. Không những vậy, nó còn có số liệu nhiệt điện cao làm nó có vai trò quan trọng trong bộ làm mát nhiệt điện.

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng mà con người lý giải được tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn.

Điện tử luôn tồn tại trong nguyên tử ở trạng thái dừng hay tại mức năng lượng gián đoạn. Tuy nhiên, trong chất rắn thì khi các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, mức năng lượng sẽ phủ lên nhau và phân chia thành 3 vùng chính: Vùng hóa trị lấp đầy, vùng dẫn trống, vùng cấm. Ba vùng này hình thành nên cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn.

+ Vùng hóa trị: Tên tiếng anh của nó là Valence band. Đây là vùng có năng lượng thấp nhất nằm trong thang năng lượng. Tại đây, electron bị liên kết mạnh với nguyên tử, nó không linh động.

+ Vùng cấm: Hay còn gọi là Forbidden band, nó là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Do không có mức năng lượng nào nên electron không thể tồn tại được tại vùng này. Nếu chất bán dẫn có pha tạp thì sẽ xuất hiện các mức năng lượng khác nhau trong vùng cấm, được phân chia thành các mức pha tạp. Người ta xác định độ rộng của vùng cấm trong khoảng giới hạn từ giữa đáy vùng dẫn và đỉnh của vùng hóa trị.

Tùy thuộc vào độ rộng của vùng cấm là lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

+ Vùng dẫn: Nó còn được gọi là Conduction band. Đây là vùng có mức năng lượng cao nhất. Vùng mà electron sẽ linh động nhất, tương tự như các electron tự do. Điện tử vùng này là điện tử dẫn vì nó có khả năng dẫn điện khi có điện tử xuất hiện và tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện sẽ tăng khi mật độ electron trên vùng dẫn tăng lên.

Người ta có thể lý giải đơn giản tính dẫn điện của chất rắn, chất bán dẫn dựa trên vùng năng lượng như sau:

+ Kim loại luôn có vùng hóa trị và vùng dẫn phủ lên nhau. Chúng không có vùng cấm nên luôn luôn có electron trên vùng dẫn. Và vì vậy mà kim loại luôn luôn dẫn điện.

+ Các Semiconductor có vùng cấm, độ rộng của vùng được xác định. Ở không độ (0⁰K) tuyệt đối thì Fermi nằm ở giữa vùng cấm. Điều đó nói lên rằng, các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị và chất bán dẫn sẽ không dẫn điện. Khi nhiệt độ bắt đầu tăng dần lên thì electron sẽ nhận.

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. Năng lượng này chưa đủ để electron có thể vượt quan vùng cấm nên nó vẫn ở vùng hóa trị.

Khi tăng nhiệt lên độ cao lên đạt mức đủ thì sẽ có 1 số electron nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm. Nó sẽ nhảy sang vùng dẫn, lúc này chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt tăng, mật độ các electron trên vùng dẫn sẽ tăng lên. Tính dẫn điện của chất bán dẫn sẽ thay đổi và tăng dần theo nhiệt độ, điện trở suất thì giảm dần theo nhiệt.

Ta có công thức về sự phụ thuộc điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

Trong đó:

R0 là hằng số.

Eg là độ rộng vùng cấm.

Tính dẫn có thể được thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác như ánh sáng.

Khi được chiếu sáng, các electron sẽ hấp thu năng lượng từ các photon. Các electron này có thể nhảy lên vùng dẫn khi năng lượng của nó đủ lớn. Vì thế mà nó làm thay đổi tính chất bán dẫn dưới tác động của ánh sáng.

Dòng điện trong chất bán dẫn

Do mỗi nguyên tử Si có 4 electron ở lớp ngoài cùng và liên kết với các nguyên tử Si khác để tạo nên 1 chất bán dẫn, trung hòa điện trong điều kiện nhiệt thấp.

Như đã nói ở trên mỗi nguyên tử Si có 4 electron ngoài. Trong điều kiện nhiệt thấp thì mỗi nguyên tử Si có đến 8 electron ở lớp ngoài cùng. Nó không dẫn điện vì k có các hạt mang điện chuyển động.

Trong điều kiện nhiệt cao, liên kết của các nguyên tử Si bị vỡ, các electron bị tách khỏi liên kết để hình thành electron tự do. Lúc này thì các electron thoát khỏi để lại các lỗ trống trong liên kết giữa các phân tử Si. Vì nhiệt cao làm liên kết giữa các nguyên tử Si kém bền vững.

Càng có nhiều liên kết đứt gãy thì càng có nhiều electron tự do, lỗ trống được hình thành.

Khi chuyển động nhiệt hỗn loạn, electron tự do chuyển động đến các lỗ trống và lấp đầy nó để tạo nên các liên kết mới, các lỗ trống mới được hình thành. Có thể nói các electron tự do khi chuyển động làm các lỗ trống chuyển động theo.

Khi 1 electron đến lấp đầy lỗ trống, 1 liên kết mới không tạo ra điện tích dư thừa nào được hình thành, e + (-e) = 0. Những lỗ trống có điện tích q = -e = +1,6.10-19C sẽ có tính chất như một hạt mang điện dương

Sự chênh lệch điện thế ở giữa 2 đầu, lỗ trống và electron sẽ chuyển động thành dòng ngược chiều nhau và hình thành nên 1 dòng điện trong chất bán dẫn.

Ứng dụng của chất bán dẫn

Chất bán dẫn không phải là 1 thiết bị hay 1 vật liệu có thể bán số lượng lớn tại các cửa hàng hay các công ty giống các thiết bị điện, bóng đèn… nên sẽ hơi khó để hình dung với nhiều người.

Semiconductor trong thực tế được sử dụng rất phong phú trong công nghiệp sản xuất thiết bị điện tử hiện nay. Chúng góp phần hình thành nên các linh kiện điện tử như: transistor, diode, các loại thẻ nhớ, ổ HDD, SSD.

Một số ví dụ như:

+ Các sản phẩm tiêu dùng đời sống hằng ngày: thiết bị kỹ thuật số máy ảnh, điện thoại di động, tivi, tủ lạnh, bóng đèn LED…

+ Cảm biến nhiệt độ có trong các điều hòa không khí được làm từ các chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính hay còn gọi CPU cũng được làm từ các nguyên liệu này. Nồi cơm điện ngày nay có thể nấu cơm được 1 cách chính xác là phụ thuộc vào hệ thống điều khiển nhiệt độ. Cấu thành hệ thống đó là các chất bán dẫn.

+ Ngoài các thiết bị trên thì chất bán dẫn còn tham gia trong chi tiết, thiết bị của máy atm, thiết bị internet, thiết bị trong xe lửa… Một số loại còn tham gia trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng xã hội: Thiết bị mạng lưới chăm sóc sức khỏe người cao tuổi, thiết bị y tế…

+ Hệ thống thiết bị hậu cần sẽ giúp tiết kiệm được năng lượng điện năng, chất đốt… góp phần bảo vệ môi trường, cân bằng sinh thái tối ưu.

Tất cả các thông tin về Semiconductor đã được Thủy Khí Điện chia sẻ ở trên. Khách hàng có thể tham khảo để trang bị thêm những kiến thức cần thiết về chất này.

5/5 (1 bình chọn)