Chất bán dẫn là gì? Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là một loại vật liệu đặc biệt trong lĩnh vực vật lý và điện tử, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các thiết bị điện tử như vi mạch, transistor, cảm biến, đèn LED và nhiều ứng dụng khác.

Chất bán dẫn được gọi là “bán dẫn” vì nó có đặc tính giữa hai loại chất khác nhau, đó là chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện tốt hơn chất cách điện, nhưng lại kém hơn chất dẫn điện.

Các loại chất bán dẫn phổ biến nhất là silic và germani, được tìm thấy nhiều trong tự nhiên. Tuy nhiên, chất bán dẫn có thể được tạo ra từ các chất khác như gallium arsenide, silicon carbide, và nhiều hợp chất khác.

Đặc tính của chất bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát tinh thể và các chất phụ gia, giúp chúng có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử với các tính năng khác nhau.

Phân loại chất bán dẫn

1. 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.

Chất bán dẫn tinh khiết

– 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, tức là cùng tăng hoặc cùng giảm.

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

mời bạn tham khảo thêm: Internet là gì? Cách Internet hoạt động như thế nào?, Công nghệ 5G và tầm quan trọng của nó trong việc kết nối toàn cầu

2. Chất bán dẫn pha tạp chất

2.1. Chất bán dẫn loại P

– Chất bán dẫn loại P (chất bán dẫn dương) 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 (Positive: Dương).

Chất bán dẫn loại P

2.2. Chất bán dẫn loại N

– Chất bán dẫn loại N (chất bán dẫn âm) 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 năm 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 (Negative : Âm).

Chất bán dẫn loại N

Các thuộc tính đặc trưng của chất bán dẫn

1. Hiệu ứng trường (bán dẫn)

– Khi kết hợp hai lớp P – N với nhau, trao đổi điện tích sẽ xảy ra tại lớp tiếp xúc P – N.

– Các điện tử từ P sẽ chuyển sang lớp N và ngược lại, khiến cho các lỗ trống lớp N chuyển sang lớp P do quá trình trung hòa về điện.

=> Kết quả của quá trình này là ion sẽ tích điện và tạo ra một điện trường.

2. Dị thể

Khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau, sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vật liệu này sẽ xảy ra và hình thành nên dị thể.

– Chất bán dẫn pha tạp N có thừa electron còn chất bán dẫn pha tạp P lại có quá nhiều lỗ trống.

– Sự trao đổi điện tử và lỗ trống sẽ xảy ra cho đến khi đạt 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 N.

=> Kết quả của quá trình này là ion sẽ tích điện và tạo ra một điện trường.

3. Electron kích thích

– Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó mất đi trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp các electron, lỗ trống cho hệ thống thông qua quá trình khuếch tán xung quanh.

– Khi sự cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, lượng lỗ trống và electron sẽ thay đổi. Nguyên nhân là sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống.

– Quá trình hình thành và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

4. Độ dẫn điện biến đổi

– Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn là chất dẫn điện kém.

– Chất bán dẫn có pha tạp chất loại N, P có thể hoạt động giống như vật liệu dẫn điện vì chúng bị thừa hoặc thiếu điện tử khiến lượng điện tử không cân bằng và cho phép dòng điện chạy qua vật liệu.

5. Độ dẫn nhiệt cao

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

6. Phát xạ nhẹ

– Với một số chất bán dẫn nhất định, khi các electron bị kích thích, nó có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. 

– Chất bán dẫn có phát xạ nhẹ được ứng dụng để sản xuất các diode phát sáng và chấm lượng tử huỳnh quang.

7. Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có các yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn được sử dụng trong các máy phát nhiệt điện.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

– Là một trong những nhân tố quan trọng để tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như diode, transistor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…. Các linh kiện này thông qua sự phối hợp, lắp ghép và liên kết với nhau sẽ tạo nên những bản mạch điện tử.

Một số ứng dụng của chất bán dẫn Silic

– Chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện như rơ le bán dẫn, linh kiện bán dẫn, bóng bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, diot bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, CT dòng, PLC, biến tần,…

– Chất bán dẫn có trong rất nhiều thiết bị điện tử ngày nay, ví dụ như:

+ Cảm biến nhiệt độ của điều hòa không khí.

+ Bộ vi xử lý CPU của máy tính.

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu trong các loại điện thoại, TV,…

– Chất bán dẫn có vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, internet, thiết bị trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, xe lửa,…..

Hy vọng qua những thông tin mà chúng tôi đưa ra trong bài viết trên, các bạn đã hiểu được chất bán dẫn là gì? Phân loại và những ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống. Để bài viết được hoàn thiện hơn, chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các bạn, bằng cách để lại bình luận ở phía dưới.

Hurry Up!