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

Chất bán dẫn là gì?, có mấy loại chất bán dẫn hay tính chất của chất bán dẫn… là những câu hỏi mà chúng tôi nhận được từ rất nhiều bạn đọc trong thời gian qua. Nếu bạn cũng đang có những thắc mắc này thì hãy theo dõi bài viết dưới đây.

Chất bán dẫn là gì?

Nhiều người thường thắc mắc “bán dẫn là gì”. Chất bán dẫn hoặc chất bán dẫn là chất có độ dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện (giống như hầu hết gốm sứ).

Chất bán dẫn được định nghĩa là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide) và chúng hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

Tính bán dẫn dễ dàng thay đổi khi có tạp chất và sự thay đổi này sẽ phụ thuộc vào loại tạp chất được thêm vào. Khi hai chất bán dẫn khác nhau được nối với nhau, chúng tạo thành một lớp gọi là lớp tiếp giáp. Tính chất của các hạt mang điện bao gồm electron, ion và lỗ trống electron trong lớp tiếp giáp này sẽ là cơ sở để tạo ra các điốt, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Các loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn tinh khiết

Đầu tiên, chúng ta cần hiểu khái niệm “bán dẫn tinh khiết là gì” (hay bán dẫn tinh khiết là gì). Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn tinh khiết là chất bán dẫn hoàn toàn không chứa tạp chất, ví dụ điển hình là Silicon hoặc Germanium. Chúng còn được gọi là chất bán dẫn là các nguyên tố nhóm IV.

Mỗi nguyên tố nhóm IV thường có 4 electron ở lớp vỏ ngoài cùng, sau đó các electron này được liên kết với các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị để tạo thành chất bán dẫn trung hòa về điện ở nhiệt độ thấp.

Điện trở suất của chất bán dẫn tinh khiết thường 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, tức là tăng hoặc giảm cùng nhau. Do đó, điện trở nhiệt của chất bán dẫn tinh khiết là âm.

chất bán dẫn pha tạp

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

• chất bán dẫn loại p

Chất bán dẫn loại p là gì? Chất bán dẫn loại P hoặc chất bán dẫn pha tạp dương là các nguyên tố nhóm III, được hình thành khi một tạp chất như boron chỉ có ba electron trong lớp vỏ hóa trị của nó.

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

• N . loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn loại n là gì? Bán dẫn loại n là bán dẫn âm, có đặc điểm tạp chất là các nguyên tố nhóm V, hiện tượng này xảy ra khi tạp chất là nguyên tố có 5 electron ở lớp vỏ hóa trị.

Khi một lượng nhỏ chất có hóa trị V, chẳng hạn như phốt pho, được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử thường sẽ liên kết với bốn nguyên tử silic liền kề.

Vì photpho mang 5 electron trong lớp vỏ hóa trị của nó nên chỉ 4 trong số chúng sẽ liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử silicon lân cận. Một electron hóa trị còn lại không còn gì để liên kết, trở thành một electron tự do. Chất bán dẫn được chế tạo theo cách này mang điện tích âm và được gọi là chất bán dẫn loại n.

Bản chất của chất bán dẫn là gì?

Hiệu ứng trường (bán dẫn)

• Khi ghép hai lớp pn lại với nhau sẽ xảy ra sự trao đổi điện tích ở phần tiếp xúc của hai lớp pn.
• Electron từ lớp p sẽ di chuyển sang lớp vỏ n và ngược lại, từ đó hình thành các lỗ trống ở lớp n và quá trình ngược lại sẽ xảy ra do hiện tượng trung hòa điện. Kết quả của quá trình là ion sẽ được tích điện, đồng thời tạo ra điện trường.

không đồng nhất

Khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp chất bất kỳ được nối với nhau, sự trao đổi electron và lỗ trống xảy ra và hình thành dị thể.

• Tại thời điểm này, chất bán dẫn pha tạp n có quá nhiều electron và chất bán dẫn pha tạp p có quá nhiều lỗ trống.
• Sự trao đổi electron và lỗ trống sẽ diễn ra luân phiên nhau cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng, cả một quá trình được gọi là tái hợp. Quá trình này sẽ đưa các electron chuyển động từ loại n tiếp xúc với các lỗ trống chuyển động từ loại p. Và cuối cùng, ion sẽ tích điện và tạo ra điện trường.

Electron kích thích

• Sự khác biệt về điện thế sẽ làm mất đi trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp điện tử, tạo lỗ trống cho hệ thông qua sự khuếch tán xung quanh.
• Khi cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, lượng lỗ trống và điện tử cũng sẽ bị ảnh hưởng. Nguyên nhân là do chênh lệch nhiệt độ hoặc các photon có thể xâm nhập vào hệ thống, từ đó tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình hình thành và tự hủy của điện tử và lỗ trống được gọi là quá trình phát sinh và tái hợp.

Biến đổi độ dẫn điện

Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn được coi là chất dẫn điện kém. Chất bán dẫn thường có pha tạp loại n và loại p và sẽ hoạt động giống như vật liệu dẫn điện. Do thừa hoặc thiếu electron nên lượng electron không cân bằng, tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua vật liệu.

dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao, vì vậy chúng được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện khả năng quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử.

Phát xạ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng

Với một số chất bán dẫn, khi các electron bị kích thích, nó sẽ phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt.

Chất bán dẫn phát sáng được sử dụng để sản xuất điốt phát sáng hoặc chấm lượng tử huỳnh quang. Các chất bán dẫn có hệ số năng lượng nhiệt điện lớn sẽ được sử dụng trong các máy phát nhiệt điện.

Ứng dụng của chất bán dẫn

• Là một trong những yếu tố quan trọng nhằm mục đích tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như đi ốt, bóng bán dẫn, thẻ nhớ, SSD hay HDD…. Các linh kiện này được kết hợp, lắp ráp và liên kết với nhau để tạo nên bảng mạch điện tử.
• Chất bán dẫn giúp tạo ra các thiết bị điện hữu ích như: rơle bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, linh kiện bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, transistor, điốt bán dẫn, dòng CT hay biến tần…
• Chất bán dẫn được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử hiện đại như:

+ Cảm biến nhiệt độ máy lạnh.

+ Bộ vi xử lý CPU.

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu trên điện thoại, tivi,..

• Chất bán dẫn đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của máy ATM, mạng internet, thiết bị trong lĩnh vực y tế hay một số phương tiện như tàu hỏa…

Ví dụ về một số chất bán dẫn

• Chất bán dẫn ngày càng trở nên phổ biến hơn trong ngành công nghiệp điện tử, điển hình là silicon (Si). Vật liệu này góp phần xây dựng các mạch tích hợp quan trọng.
• Hợp kim germanium và silicon (SiGe) được sử dụng trong các mạch tích hợp tốc độ cao cho radar và bộ khuếch đại của một số nhạc cụ điện như guitar điện.
• Một ví dụ khác về chất bán dẫn là Gallium arsenide (GaAs), được sử dụng trong các bộ khuếch đại tín hiệu, đặc biệt là các tín hiệu có mức khuếch đại cao và tiếng ồn thấp.

Trên đây là tổng hợp toàn bộ kiến ​​thức liên quan đến chất bán dẫn. Hi vọng qua đây đã giúp bạn đọc hiểu được chất bán dẫn là gì, các loại chất bán dẫn, tính chất và ứng dụng của nó. Để từ đó vận dụng nhuần nhuyễn vào công việc thực tế.