Chất bán dẫn là gì? Phân loại, ứng dụng của chất bán dẫn

Thời gian gần đây, maynenkhikhongdau.net nhận được khá nhiều câu hỏi liên quan đến chất bán dẫn của bạn đọc gửi về. Vì vậy, bài viết hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu hiểu xem chất bán dẫn là gì? Chất bán dẫn được phân loại và ứng dụng như thế nào trong hoạt động sản xuất nhé!

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn (Semiconductor) được xác định là các nguyên tố tinh khiết (germanium, silicon) hoặc một số hợp chất khác (cadmium selenide, gallium arsenide) các nguyên tố này hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp, trong khoảng nhiệt độ phòng và là một chất dẫn điện có mức dẫn điện nằm ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện (như hầu hết các loại gốm).

Khi có tạp chất xâm nhập, tính bán dẫn của hợp chất này sẽ dễ dàng thay đổi, tùy thuộc vào các tạp chất thêm vào mà sẽ có những sự biến đổi khác nhau. Một lớp được gọi là lớp tiếp xúc sẽ được tạo nên khi 2 chất bán dẫn khác nhau được kết nối với nhau. Các tính chất của các hạt mang điện như: electron, ion hay lỗ trống điện tử thuộc lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo ra diot, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Phân loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn tinh khiết

Trước khi đi tìm hiểu về chất về chất bán dẫn tinh khiết, chúng ta hãy cùng nhau cắt nghĩa khái niệm này. Chất bán dẫn tinh khiết, hay còn gọi là chất bán dẫn thuần, một loại chất bán dẫn hoàn toàn không có tạp chất, những cái tên chất bán dẫn điển hình là Germanium hoặc Silicon hay có tên gọi tắt là các nguyên tố nhóm IV. 

Mỗi nguyên tử thuộc nguyên tố nhóm IV này thường được liên kết với các nguyên tử Si khác bằng các liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện và thường có 4 lớp electron ở lớp ngoài.

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

Chất bán dẫn pha tạp chất

Chất bán dẫn này có 2 loại, đó là chất bán dẫn loại n và p:

– Chất bán dẫn loại p: còn có tên gọi khác là chất bán dẫn dương, được hình thành khi tạp chất boron chỉ có 3 electron trong lớp vỏ hóa trị. Tạp chất này là nguyên tố thuộc nhóm III. 

Theo liên kết cộng hóa trị, khi một lượng nhỏ chất bán dẫn được liên kết với tinh thể, nguyên tử chất đó có thể tích hợp với 4 nguyên tử Silicon theo liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, sẽ có một lỗ trống được tạo ra vì nó chỉ chứa ba electron. Lỗ trống này mang điện tích dương, vậy nên chất bán dẫn pha tạp được gọi là chất bán dẫn loại p.

– Chất bán dẫn loại n: Là chất bán dẫn âm, có đặc điểm tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, khi tạp chất là một nguyên tố xuất hiện 5 electron trong lớp vỏ hóa trị, chất bán dẫn này sẽ được sinh ra. khi cấu trúc tinh thể của Silic được thêm vào một lượng photpho điển hình có hóa trị 5 thì mỗi một nguyên tử trong chất sẽ được liên kết với 4 nguyên tử Silicon liền kề. Vì trong vỏ hóa trị của photpho chỉ mang 5 electron nên sẽ chỉ có 4 trong số đó được liên kết với các nguyên tử Silic ở lân cận theo liên kết cộng hóa trị. Còn một electron có hóa trị còn lại bị bỏ lại không có gì liên kết trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn sẽ mang điện tích âm khi được tạo ra theo cách này nên được gọi là chất bán dẫn loại n. 

Bản chất của chất bán dẫn

Hiệu ứng trường (bán dẫn)

• Tại lớp tiếp xúc của hai lớp p – n việc trao đổi điện tích sẽ xảy ra khi hai lớp p – n kết hợp lại với nhau. 

• Các điện tử từ sẽ di chuyển từ p sang n và ngược lại, tạo thành các lỗ trống lớp n và quá trình ngược lại do quá trình trung hòa về điện. Kết

  quả của quá trình này là ion sẽ tạo ra một điện trường đồng thời cũng sẽ tích điện. 

Một dị thể sẽ được hình thành do sự trao đổi điện tử và lỗ trống xảy ra khi hai vật liệu bán dẫn bất kỳ pha tạp được nối với nhau. 

• Lúc này, chất bán dẫn P thì có quá nhiều lỗ trống trong khi chất bán dẫn pha tạp n lại có thừa electron. 

• Quá trình tái hợp, hay cụ thể hơn là sự trao đổi điện tử và lỗ trống sẽ luân phiên xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng. Các electron sẽ di chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p khi quá trình này diễn ra. Sau đó, ion sẽ tích điện và tạo ra điện trường ở bước cuối cùng.

Electron kích thích

• Trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp các electron sẽ bị mất đi khi có sự khác biệt về điện thế, tạo thành một lỗ trống cho hệ thống thông qua quá trình khuếch tán xung quanh. 

• Khi xảy ra sự xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, lượng electron và lỗ trống cũng sẽ bị ảnh hưởng theo. Nguyên nhân được cho là có thể photon đã xâm nhập vào hệ thống hoặc do sự chênh lệch nhiệt độ tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình electron hình thành, tự hủy và lỗ trống được gọi là thế hệ tái tổ hợp. 

Độ dẫn điện biến đổi

Chất bán dẫn được cho là dẫn điện kém khi ở trạng thái tự nhiên. Chúng thường được pha tạp chất loại n, p và sẽ hoạt động giống như vật liệu dẫn điện. Lượng điện tử cũng sẽ trở nên không cân bằng và cho phép dòng điện chạy qua khi thừa hoặc thiếu điện tử. 

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn thường được dùng để tản nhiệt do có tính dẫn nhiệt cao và cải thiện quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử. 

Chuyển đổi năng lượng và phát xạ nhẹ

Khi các electron bị kích thích, thay vì tạo nhiệt thì các hạt này sẽ phát ra ánh sáng đối với một số chất bán dẫn cụ thể. 

Chất bán dẫn có yếu tố năng lượng nhiệt lớn, thường được dùng trong các máy phát điện, còn các chất có phát xạ nhẹ hơn sẽ được ứng dụng vào sản xuất các diode phát sáng hoặc lượng tử huỳnh quang. 

Ứng dụng của chất bán dẫn

Là nhân tố quan trọng được sử dụng với mục đích tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như: các loại thẻ nhớ, diode, transistor, SSD hay HDD… Các linh kiện này được lắp ghép, phối hợp và liên kết để tạo nên những bản mạch điện tử.

Là nhân tố góp phần tạo nên những thiết bị điện tử hữu ích như: rơ le bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, linh kiện bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, bóng bán dẫn, cảm biến đo mức, diot bán dẫn, CT dòng hay biến tần… Không chỉ vậy, chất bán dẫn còn được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử khác như:

– Máy điều hòa không khí (bộ phận cảm biến nhiệt độ). 

– Bộ vi xử lý CPU.

– Bộ chuyển đổi tín hiệu một số thiết bị như: điện thoại, TV,…

– Không chỉ vậy, chất bán dẫn còn đóng một vai trò trung tâm trong hoạt động của internet, máy ATM, thiết bị trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và một số phương tiện như xe lửa. 

Một số ứng dụng phổ biến khác của chất bán dẫn

• Trong công nghiệp điện tử, chất bán dẫn ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là silicon (Si). Vật liệu này góp phần làm ra các mạch tích hợp quan trọng. 

• Ứng dụng trong các mạch tích hợp tốc độ cao cho radar như hợp kim silicon và germanium, bộ khuếch đại của một số dụng cụ điện như guitar điện. 

• Một số chất bán dẫn khác như Gallium arsenide (GaAs) dùng trong các bộ khuếch đại tín hiệu, cụ thể là các tín hiệu với độ ồn thấp và mức tăng cao. 

Hy vọng bài viết với chủ đề chất bán dẫn là gì mà maynenkhikhongdau.net vừa chia sẻ đã giúp cho bạn đọc hiểu hơn về các loại chất bán dẫn cũng như ứng dụng của chất bán dẫn trong công nghiệp điện tử. Để có thể ứng dụng một cách khéo léo vào các công việc thực tế.