Chất bán dẫn là gì? Tính chất của chất bán dẫn – Hoàng Vina

Chất bán dẫn là gì? Tính chất của chất bán dẫn và những ứng dụng của chất bán dẫn trong thực tế hiện nay sẽ được tổng hợp qua bài viết sau

1. Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn có tên tiếng Anh là Semiconductor, đây là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữ chất dẫn điện và chất cách điện. Chúng có thể hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

Chất bán dẫn được xác định là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc các hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide).

Chất bán dẫn có thể thay đổi tính chất khi có tạp chất và sự biến đổi phụ thuộc vào loại tạp chất được thêm vào. 2 chất bán dẫn khác nhau được kết nối sẽ tạo nên một lớp gọi là lớp tiếp xúc.

Các tính chất của các hạt mang điện bao gồm: electron, ion và lỗ trống điện tử thuộc lớp tiếp xúc này sẽ là cơ sở để tạo ra diot, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

2. Hoạt động của chất bán dẫn

Trước tiên bạn phải tìm hiểu sơ qua về cách tổ chức electron trong nguyên tử để hiểu được các hoạt động của chất bán dẫn.

Các electron được tổ chức theo từng lớp, các lớp này được gọi là lớp vỏ. Lớp vỏ ngoài cùng được gọi là lớp vỏ hóa trị.

• Ở lớp vỏ này là các electron liên kết với các nguyên tử lân cận được gọi là liên kết cộng hóa trị. Các chất dẫn điện sẽ chỉ có 1 lớp electron ở lớp vỏ hóa trị, nhưng chất bán dẫn lại có đến 4 lớp.
• Các nguyên tử lân cận cùng loại cùng với các điện tử hóa trị có thể liên kết với các điện tử hóa trị từ các nguyên tử khác gọi là cấu trúc tinh thể. Chất bán dẫn được tạo ra từ các tinh thể như vậy, thông thường là tinh thể silicon.

Ở đây, mỗi vòng tròn đại diện cho một nguyên tử silicon,và các đường giữa các nguyên tử đại diện cho các điện tử dùng chung. Mỗi trong số bốn điện tử hóa trị trong mỗi nguyên tử silicon được chia sẻ với một nguyên tử silicon lân cận. Do đó, mỗi nguyên tử silicon được liên kết với bốn nguyên tử silicon khác.

3. Các loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn tinh khiết

Chất bán dẫn tinh khiết hay còn gọi là chất bán dẫn thuần, là loại chất hoàn toàn không có tạp chất pha lẫn. Những nhóm chất bán dẫn này thuộc nhóm nguyên tố IV.

Ví dụ: silicon, germanium.

Mỗi nguyên tử thuộc nhóm nguyên tố IV thường có 4 lớp electron ở lớp ngoài. Được liên kết với các nguyên tử SI bằng liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa ở điều kiện nhiệt độ thấp.

Các chất bán dẫn thuần thường có điện trở suất rất cao ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi nhiệt độ tăng. Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thuần do đó mà có giá trị âm.

Chất bán dẫn pha tạp chất

Có hai loại chất bán dẫn pha tạp chất, đó là chất bán dẫn loại n và p

Chất bán dẫn loại n

Chất bán dẫn loại n là các chất bán dẫn âm, là các chất thuộc nhóm nguyên tố V. Xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố xuất hiện năm electron trong lớp vỏ hóa trị.

Ví dụ: Khi một lượng chất có hóa trị V, điển hình như photpho được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử thường sẽ liên kết với bốn nguyên tử silicon liền kề.

Chất bán dẫn loại p

Chất bán dẫn loại p là chất bán dẫn dương có tạp chất là những nguyên tố thuộc nhóm III. Được tạo thành khi tạp chất như boron chỉ có ba electron trong lớp vỏ hóa trị.

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

4. Chất bán dẫn có tính chất gì?

Độ dẫn điện biến đổi

Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn là chất dẫn điện kém vì dòng điện yêu cầu dòng điện tử và chất bán dẫn có dải hóa trị của chúng được lấp đầy, ngăn chặn dòng vào của electron mới.

Hiện nay nhờ vào kỹ thuật phát triển mà các vật liệu bán dẫn hoạt động giống như vật liệu dẫn điện.

Dị thể

Hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được kết nối sẽ tạo ra các dị thể. Ví dụ: một cấu hình có thể bao gồm p-pha tạp và n-tạp pha germanium.

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 đến khi đạt được trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi là tái hợp. Khiến các electron di chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p.

Electron kích thích

Đối với các vật liệu bán dẫn khi chúng rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình trạng không cân bằng, lúc này dẫn đến sự khác biệt về điện thế.

Điều này giới thiệu 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 lỡ trống và điện tử sẽ thay đổi.

Sự gián đoạn này xảy ra khi chênh lệch nhiệt độ, photon có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình tạo ra và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

Phát xạ nhẹ

Một vài chất bán dẫn nhất định khi electron kích thích có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. Chúng được ứng dụng cho việc chế tạo các diode phát sáng và các chấm lượng tử huỳnh quang.

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao có thể sử dụng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt của thiết bị điện tử.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Các yếu tố năng lượng nhiệt lớn trong chất bán dẫn có thể ứng dụng hữu ích trong các nhà máy phát nhiệt điện, cũng như các số liệu nhiệt cao trong bộ làm mát nhiệt điện.

Hiệu ứng trường

Hai lớp p-n khi kết hợp với nhau dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc p-n. Các điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và ngược lại do quá trình trung hòa về điện.

5. Ứng dụng chất bán dẫn

Chất bán dẫn được ứng dụng và đi liền với các thiết bị điện tử. Nên chúng đi liền với cuộc sống chúng ta, chúng được ứng dụng cho TV, máy tính, trò chơi điện tử, thiết bị chuẩn đoán y tế,…

Mặc dù hiện nay các thiết bị đã được chế tạo bằng công nghệ ống chân không. Nhưng ta không thể phủ nhận được đóng góp của chúng trong những năm qua trong việc làm cho các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn.

Ngoài ra, chất bán dẫn còn được sử dụng trong đời sống của chúng ta:

• Cảm biến nhiệt độ được chế tạo bằng các thiết bị bán dẫn.
• Chúng được sử dụng trong máy in 3D
• Được sử dụng trong vi mạch và ô tô tự lái
• Được sử dụng trong máy tính, tấm mặt trời, máy tính và các thiết bị điện tử khác.
• Transistor và MOSFET được sử dụng làm công tắc trong Mạch điện được sản xuất bằng chất bán dẫn

>>> Xem thêm: Rơ le bán dẫn SSR là gì? cấu tạo và nguyên lý hoạt động