Chất bán dẫn là gì? Nguyên lý hoạt động trong dòng điện và hạt tải điện

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống vô cùng lớn, mang lại nhiều tiện nghi hiện đại. Mặc dù được dùng phổ biến nhưng không nhiều người hiểu chất bán dẫn là gì? Cùng tìm hiểu về chất bán dẫ.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống vô cùng lớn, mang lại nhiều tiện nghi hiện đại. Mặc dù được dùng phổ biến nhưng không nhiều người thực sự hiểu về chất bán dẫn là gì? Bạn đang tìm hiểu về chất bản dẫn, bài viết dưới đây sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về vật liệu quan trọng này, cùng nguyên lý hoạt động của chúng.

Chất bán dẫn là gì? Đặc tính của chất bán dẫn là gì?

Hợp chất bán dẫn được nhắc đến khá nhiều trong lĩnh vực kỹ thuật, điện tử. Phát minh ra chất bán dẫn làm thay đổi cuộc sống hiện đại. Cùng tìm hiểu về chất Semiconductor và đặc tính của chất này như thế nào để hiểu hơn về các thiết bị điện hiện đại.

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn (Semiconductor) là chất có khả năng dẫn điện trung gian ở giữa chất dẫn điện và cách điện. Nhóm chất bán dẫn sẽ hoạt động như một chất cách điện khi ở nhiệt độ thấp và là chất dẫn điện khi ở nhiệt độ phòng. 

Chất Semiconductor có thể là nguyên tố tinh khiết hoặc hợp chất có pha lẫn các tạp chất. Tính linh hoạt cao, tính bán dẫn sẽ phụ thuộc vào loại hợp chất thêm vào. Khi 2 chất Semiconductor được ghép trực tiếp với nhau sẽ tạo thành 1 lớp tiếp xúc chứa electron, ion, lỗ trống, … Đây chính là cơ sở để tạo nên bóng bán dẫn, diot, các thiết bị điện tử hiện đại khác.

Đặc tính của chất Semiconductor là gì?

Chất bán dẫn có những đặc tính riêng, khác với nhóm chất dẫn điện (kim loại), cách điện (nhựa). Cụ thể, các tính chất của chất Semiconductor được thể hiện như sau:

• Chất Semiconductor hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp dưới 0 độ C, nhưng càng tăng nhiệt độ, khả năng dẫn điện cũng càng tăng.
• Thành phần chất Semiconductor có thể thay đổi, dẫn đến thay đổi bản chất và tính bán dẫn của chúng, bằng cách pha lẫn tạp chất theo yêu cầu.
• Chất Semiconductor ít bị tổn thất điện năng hơn so với chất cách điện.
• Kích thước và khối lượng của chất Semiconductor nhỏ, nhẹ hơn các nhóm chất khác.
• Điện trở suất của Semiconductor cao hơn so với chất dẫn điện và thấp hơn so với chất cách điện.

▷ Xem thêm: Vi điều khiển là gì và khác biệt thế nào với vi xử lý.

Phân loại chất Semiconductor cụ thể

Chất Semiconductor được phát minh và nghiên cứu chế tạo theo nhu cầu sản xuất. Hiện nay, có thể phân loại chất Semiconductor thành các loại sau:

Chất bán dẫn tinh khiết

Semiconductor tinh khiết là chất bán dẫn thuần với thành phần chủ yếu là Silicon hay Germanium. Nhóm chất này còn được gọi là chất Semiconductor nhóm IV, với 4 eletron vỏ ngoài cùng liên kết với các nguyên tố khác bằng liên kết cộng hóa trị.

Đặc điểm nổi bật của nhóm chất Semiconductor tinh khiết là:

• Điện trở suất rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi tăng nhiệt độ.
• Độ dẫn điện của nhóm chất này tỷ lệ thuận với nhiệt độ.
• Hệ số điện trở của Semiconductor thuần có giá trị âm.

Chất bán dẫn pha tạp chất

Chất Semiconductor pha tạp chất (P) với thành phần chứa tạp chất thuộc nhóm nguyên tố nhóm III. Trong đó, lỗ trống được tạo ra trong hợp chất tích điện dương nên gọi là chất Semiconductor P.

Chất Semiconductor pha tạp chất (N) với thành phần tạp chất thuộc nhóm nguyên tố V. Lỗ trống tạo ra được tích điện âm nên gọi là chất  Semiconductor N.

Nguyên lý hoạt động của chất Semiconductor trong dòng điện và hạt tải điện

Tính dẫn điện của chất bán dẫn sẽ được lý giải bằng lý thuyết vùng năng lượng. Hiểu cụ thể nguyên lý hoạt động của chất Semiconductor trong dòng điện như sau:

• Tất cả các chất Semiconductor đều có vùng cấp và độ rộng nhất định. Khi ở nhiệt độ 0 độ C, tất cả các hạt Electron trong vùng hóa trị sẽ không dẫn điện. Nhưng khi tăng nhiệt lượng lên, các hạt Electron sẽ nhận nhiệt lượng nhưng chưa đủ vượt qua được vùng cấm. Tuy nhiên, khi đến giới hạn nhiệt độ nhất định, các hạt Electron sẽ đủ năng lượng để nhảy qua vùng cấm, lên vùng bán dẫn, từ đó tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn. Do vậy, nếu nhiệt độ tăng, khả năng dẫn điện của chất Semiconductor cũng tăng lên. 
• Bên cạnh đó, chất Semiconductor có thể thay đổi khả năng dẫn điện thông qua năng lượng ánh sáng. Khi tiếp xúc với ánh sáng, hạt Electron sẽ nhận năng lượng từ photon và nếu đủ lớn sẽ nhảy lên vùng bán dẫn, trở thành chất dẫn điện.

Mặt khác, nguyên lý hoạt động của hạt tải điện trong chất bán dẫn chính là electron và lỗ trống.

Ứng dụng thực tế của chất Semiconductor trong đời sống

Mặc dù chất Semiconductor không được bán phổ biến trên thị trường, nhưng tính ứng dụng của chúng là rất lớn. Ứng dụng cụ thể của chất Semiconductor như:

• Sử dụng trong các linh kiện điện tử như: bóng bán dẫn, diot, màn hình điện thoại, laptop hay các thiết bị điện tử… Hợp chất này còn xuất hiện trong các thiết bị gia dụng như nồi cơm điện, tivi, máy giặt…
• Chất Semiconductor ứng dụng trong xe ô tô, xe máy, cơ khí chế tạo, máy bay hay các thiết bị y tế…
• Chất Semiconductor trong sản xuất năng lượng sạch từ mặt trời.

Hiểu về chất Semiconductor, sẽ giúp bạn hiểu được cơ chế hoạt động của dòng điện, trong một số thiết bị điện chuyên dụng. Hy vọng những chia sẻ trên đây sẽ hữu ích để bạn đọc hiểu rõ hơn về chất bán dẫn quan trọng, có tính ứng dụng cao trong đời sống.