Chất bán dẫn là gì? Khái niệm, đặc điểm, phân loại và ứng dụng

BKAII đã giới thiệu đến các bạn nhiều giải pháp công nghiệp cho ngành sản xuất chất bán dẫn nhưng chúng ta chưa có những tìm hiểu chi tiết về chất bán dẫn, bài viết này chúng ta sẽ cùng hiểu về khái niệm, các tính chất, các loại cũng như ứng dụng của nó trong sản xuất và đời sống ra sao nhé!

Chất bán dẫn (Semiconductor)là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Chúng có thể là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc các hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide). Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất và nó phụ thuộc vào loại tạp chất thêm vào

Tính chất của chất bán dẫn

• Chất bán dẫn hoạt động như chất cách điện ở Zero Kelvin. Khi tăng nhiệt độ thì nó hoạt động như chất dẫn điện.

• Chất bán dẫn có thể được sửa đổi; bằng cách pha tạp để tạo ra các thiết bị bán dẫn thích hợp cho việc chuyển đổi năng lượng, chuyển mạch và bộ khuếch đại. Bởi vì, chất bán dẫn có các đặc tính điện đặc biệt của chúng.

• Ít bị tổn thất điện năng hơn chất cách điện

• Chất bán dẫn có kích thước nhỏ hơn và trọng lượng ít hơn.

• Điện trở suất của chúng cao hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện.

• Khi nhiệt độ tăng thì điện trở của chất bán dẫn sẽ giảm và ngược lại.

Tính dẫn điện của chất bán dẫn là gì?

Tính dẫn điện của chất bán dẫn được lý giải qua lý thuyết vùng năng lượng.

Các chất bán dẫn có vùng cấm sẽ có một độ rộng xác định. Ở 0 độ tuyệt đối, tất cả các điện tử ở vùng hóa trị. Lúc này chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử nhận được năng lượng nhiệt nhưng chưa đủ vượt qua vùng cấm. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, một số điện tử sẽ vượt qua vùng cấm, nhảy lên vùng dẫn. Lúc này chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn càng tăng lên. Do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ.

Bên cạnh đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể thay đổi thông qua năng lượng ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon. Chúng sẽ nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Lúc này, tính chất của chất bán dẫn sẽ bị thay đổi dưới tác động ánh sáng.

Phân loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn tinh khiết

Chất bán dẫn tinh khiết (chất bán dẫn thuần) là chất bán dẫn không có tạp chất, điển hình là Silicon hay Germanium. Chúng còn được gọi là chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV. Mỗi nguyên tử của nguyên tố nhóm IV có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện nhiệt độ thấp.

• Điện trở suất của chất bán dẫn thuần rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi nhiệt độ tăng.

• Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tỷ lệ thuận với nhiệt độ

• Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thuần có giá trị âm.

Chất bán dẫn pha tạp chất

Chất bán dẫn loại P: (chất bán dẫn dương Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, xảy ra 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 tích hợp vào tinh thể, nguyên tử chất đó có thể liên kết với bốn nguyên tử silicon theo liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, vì nó chỉ có ba electron để cung cấp nên một lỗ trống được tạo ra. Lỗ này này mang điện tích dương nên chất bán dẫn pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại N: (chất bán dẫn âm Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố có năm electron trong lớp vỏ hóa trị. Khi một lượng nhỏ chất có hóa trị V như photpho được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử sẽ liên kết với bốn nguyên tử silicon liền kề. Vì photpho có 5 electron trong vỏ hóa trị của nó nên chỉ sẽ có bốn trong số đó được liên kết với các nguyên tử silic lân cận theo liên kết cộng hóa trị còn electron hóa trị thứ năm bị bỏ lại không có gì để liên kết, trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn được tạo ra theo cách này mang điện tích âm và được gọi là chất bán dẫn loại N

Ứng dụng chất bán dẫn trong đời sống

Vì chất bán dẫn không được bán một cách phổ thông trong các cửa hàng giống như các thiết bị điện, nên nó có thể khó hình dung ra các ứng dụng sử dụng chúng. Trên thực tế, nó được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện nay. Chất bán dẫn 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 máy điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn. Nồi cơm điện có thể nấu chín 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 cũng được làm từ các nguyên liệu là 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 đều 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, internet, 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,…

Trên đây là những tìm hiểu cơ bản của BKAII về chất bán dẫn. Có thắc mắc hay cần thêm thông tin các bạn liên hệ BKAII nhé!

Xem thêm:

“BKAII – Thiết bị truyền thông TỐT nhất với giá CẠNH TRANH nhất!”