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 ngay bài viết dưới đây nhé.
Contents
Chất bán dẫn là gì?
Nhiều người thường thắc mắc “chất bán dẫn là gì”. Chất bán dẫn hay Semiconductor là chất có độ dẫn điện nằm ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện (như hầu hết các loại gốm).
Chất bán dẫn được xác định là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc các hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide)và chúng có hoạt động như một 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 biến đổi này sẽ phụ thuộc vào loại tạp chất thêm vào. Khi 2 chất bán dẫn khác nhau được kết nối với nhau sẽ tạo thành 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.
Các loại chất bán dẫn
Chất bán dẫn tinh khiết
Trước tiên, ta cần hiểu rõ khái niệm “chất bán dẫn tinh khiết là gì” (hay chất bán dẫn thuần là gì). Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn hoàn toàn không có tạp chất, ví dụ điển hình là Silicon hay Germanium. Chúng còn được gọi là những chất bán dẫn là nguyên tố nhóm IV.
Mỗi nguyên tử thuộc nguyên tố nhóm IV thường có 4 electron ở lớp ngoài, tiếp đó được liên kết với các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện xét ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Điện trở suất của các chất bán dẫn thuần thường rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi có sự tăng lên của nhiệt độ. Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nghĩa là cùng tăng hoặc cùng giảm. 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 p
Chất bán dẫn loại p là gì? Chất bán dẫn loại p hay 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.
- Chất bán dẫn loại n
Chất bán dẫn loại n là gì? Chất bán dẫn loại n chính là chất bán dẫn âm, với đặc điểm tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố xuất hiện năm electron trong lớp vỏ hóa trị.
Khi một lượng nhỏ 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.
Vì photpho mang năm electron trong vỏ hóa trị nên chỉ sẽ có bốn trong số đó là được liên kết với các nguyên tử silic ở lân cận theo liên kết cộng hóa trị. Còn một electron hóa trị còn lại 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 người ta gọi là chất bán dẫn loại n.
Bản chất của chất bán dẫn là gì?
Hiệu ứng trường (bán dẫn)
- Khi kết hợp hai lớp p – n lại với nhau, việc trao đổi điện tích sẽ xảy ra tại lớp tiếp xúc của hai lớp p – n.
- Các điện tử từ p sẽ di chuyển sang lớp n và ngược lại, từ đó tạo thành các lỗ trống lớp n và sẽ xảy ra quá trình ngược lại do quá trình trung hòa về điện. Kết quả của quá trình là ion sẽ tích điện, đồng thời tạo ra một điện trường.
Dị thể
Khi hai vật liệu bán dẫn bất kỳ pha tạp sẽ được nối với nhau, sự trao đổi điện tử và lỗ trống xảy ra và hình thành nên dị thể.
- Lúc này, 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 luân phiên xảy ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng, toàn bộ quá trình đó gọi là tái hợp. Qúa trình này sẽ khiến các electron di chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p. Và cuối cùng, ion sẽ tích điện và tạo ra một điện trường.
Electron kích thích
- Sự khác biệt về điện thế sẽ khiến mất đi trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp các electron, tạo lỗ trống cho hệ thống thông qua quá trình khuếch tán xung quanh.
- Khi sự cân bằng nhiệt xảy ra xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, lượng lỗ trống và electron cũng sẽ bị ảnh hưởng theo. Nguyên nhân do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon có thể xâm nhập vào hệ thống, từ đó tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình hình thành, tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.
Độ dẫn điện biến đổi
Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn được đánh giá là chất dẫn điện kém. Chất bán dẫn thường có pha tạp chất loại n, p và sẽ hoạt động giống như vật liệu dẫn điện. Do thừa hoặc thiếu điện tử, khiến lượng điện tử không cân bằng, cho phép dòng điện chạy qua vật liệu.
Độ dẫn nhiệt cao
Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao, vì vậy loại chất này được dùng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử.
Phát xạ nhẹ và chuyển đổi năng lượng
Với một số chất bán dẫn cụ thể, khi các electron bị kích thích, nó phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt.
Chất bán dẫn có phát xạ nhẹ ứng dụng để sản xuất các diode phát sáng hoặc chấm lượng tử huỳnh quang. Chất bán dẫn có yếu tố 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 nhân tố quan trọng nhằm mục đích tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như: diode, transistor, các loại thẻ nhớ, SSD hay HDD…. Các linh kiện này được phối hợp, lắp ghép và liên kết để tạo nên những bản mạch điện tử.
- Chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện hữu ích như: rơ le bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, linh kiện bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, bóng bán dẫn, diot bán dẫn, CT dòng hay biến tần…
- Chất bán dẫn được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện đại như:
+ Cảm biến nhiệt độ thuộc máy điều hòa không khí.
+ Bộ vi xử lý CPU.
+ Bộ chuyển đổi tín hiệu trên các loại điện thoại, TV,…
- Chất bán dẫn đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, internet, thiết bị trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe hay một số phương tiện như: xe lửa…
Ví dụ về một số chất bán dẫn
- Chất bán dẫn ngày càng trở nên phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện tử, điển hình là silicon (Si). Vật liệu này góp phần làm ra các mạch tích hợp quan trọng.
- Hợp kim Germanium và silicon (SiGe) được ứng dụng trong các mạch tích hợp tốc độ cao cho radar, bộ khuếch đại của một số dụng cụ điện như guitar điện.
- Một ví dụ chất bán dẫn khác là Gallium arsenide (GaAs), dùng trong các bộ khuếch đại tín hiệu, cụ thể là các tín hiệu với mức tăng cao và độ ồn thấp.
Trên đây là tổng hợp tất cả những kiến thức liên quan đến chất bán dẫn. Hy vọng qua đây sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ được chất bán dẫn là gì, các loại chất bán dẫn, tính chất và ứng dụng của nó. Để từ đó vận dụng một cách khéo léo vào các công việc thực tế.
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 ngay bài viết dưới đây nhé.
Chất bán dẫn là gì?
Nhiều người thường thắc mắc “chất bán dẫn là gì”. Chất bán dẫn hay Semiconductor là chất có độ dẫn điện nằm ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện (như hầu hết các loại gốm).
Chất bán dẫn được xác định là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc các hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide)và chúng có hoạt động như một 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 biến đổi này sẽ phụ thuộc vào loại tạp chất thêm vào. Khi 2 chất bán dẫn khác nhau được kết nối với nhau sẽ tạo thành 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.
Các loại chất bán dẫn
Chất bán dẫn tinh khiết
Trước tiên, ta cần hiểu rõ khái niệm “chất bán dẫn tinh khiết là gì” (hay chất bán dẫn thuần là gì). Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn hoàn toàn không có tạp chất, ví dụ điển hình là Silicon hay Germanium. Chúng còn được gọi là những chất bán dẫn là nguyên tố nhóm IV.
Mỗi nguyên tử thuộc nguyên tố nhóm IV thường có 4 electron ở lớp ngoài, tiếp đó được liên kết với các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện xét ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Điện trở suất của các chất bán dẫn thuần thường rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi có sự tăng lên của nhiệt độ. Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nghĩa là cùng tăng hoặc cùng giảm. 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 p
Chất bán dẫn loại p là gì? Chất bán dẫn loại p hay 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.
- Chất bán dẫn loại n
Chất bán dẫn loại n là gì? Chất bán dẫn loại n chính là chất bán dẫn âm, với đặc điểm tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố xuất hiện năm electron trong lớp vỏ hóa trị.
Khi một lượng nhỏ 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.
Vì photpho mang năm electron trong vỏ hóa trị nên chỉ sẽ có bốn trong số đó là được liên kết với các nguyên tử silic ở lân cận theo liên kết cộng hóa trị. Còn một electron hóa trị còn lại 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 người ta gọi là chất bán dẫn loại n.
Bản chất của chất bán dẫn là gì?
Hiệu ứng trường (bán dẫn)
- Khi kết hợp hai lớp p – n lại với nhau, việc trao đổi điện tích sẽ xảy ra tại lớp tiếp xúc của hai lớp p – n.
- Các điện tử từ p sẽ di chuyển sang lớp n và ngược lại, từ đó tạo thành các lỗ trống lớp n và sẽ xảy ra quá trình ngược lại do quá trình trung hòa về điện. Kết quả của quá trình là ion sẽ tích điện, đồng thời tạo ra một điện trường.
Dị thể
Khi hai vật liệu bán dẫn bất kỳ pha tạp sẽ được nối với nhau, sự trao đổi điện tử và lỗ trống xảy ra và hình thành nên dị thể.
- Lúc này, 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 luân phiên xảy ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng, toàn bộ quá trình đó gọi là tái hợp. Qúa trình này sẽ khiến các electron di chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p. Và cuối cùng, ion sẽ tích điện và tạo ra một điện trường.
Electron kích thích
- Sự khác biệt về điện thế sẽ khiến mất đi trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp các electron, tạo lỗ trống cho hệ thống thông qua quá trình khuếch tán xung quanh.
- Khi sự cân bằng nhiệt xảy ra xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, lượng lỗ trống và electron cũng sẽ bị ảnh hưởng theo. Nguyên nhân do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon có thể xâm nhập vào hệ thống, từ đó tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình hình thành, tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.
Độ dẫn điện biến đổi
Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn được đánh giá là chất dẫn điện kém. Chất bán dẫn thường có pha tạp chất loại n, p và sẽ hoạt động giống như vật liệu dẫn điện. Do thừa hoặc thiếu điện tử, khiến lượng điện tử không cân bằng, cho phép dòng điện chạy qua vật liệu.
Độ dẫn nhiệt cao
Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao, vì vậy loại chất này được dùng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử.
Phát xạ nhẹ và chuyển đổi năng lượng
Với một số chất bán dẫn cụ thể, khi các electron bị kích thích, nó phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt.
Chất bán dẫn có phát xạ nhẹ ứng dụng để sản xuất các diode phát sáng hoặc chấm lượng tử huỳnh quang. Chất bán dẫn có yếu tố 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 nhân tố quan trọng nhằm mục đích tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như: diode, transistor, các loại thẻ nhớ, SSD hay HDD…. Các linh kiện này được phối hợp, lắp ghép và liên kết để tạo nên những bản mạch điện tử.
- Chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện hữu ích như: rơ le bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, linh kiện bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, bóng bán dẫn, diot bán dẫn, CT dòng hay biến tần…
- Chất bán dẫn được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện đại như:
+ Cảm biến nhiệt độ thuộc máy điều hòa không khí.
+ Bộ vi xử lý CPU.
+ Bộ chuyển đổi tín hiệu trên các loại điện thoại, TV,…
- Chất bán dẫn đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, internet, thiết bị trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe hay một số phương tiện như: xe lửa…
Ví dụ về một số chất bán dẫn
- Chất bán dẫn ngày càng trở nên phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện tử, điển hình là silicon (Si). Vật liệu này góp phần làm ra các mạch tích hợp quan trọng.
- Hợp kim Germanium và silicon (SiGe) được ứng dụng trong các mạch tích hợp tốc độ cao cho radar, bộ khuếch đại của một số dụng cụ điện như guitar điện.
- Một ví dụ chất bán dẫn khác là Gallium arsenide (GaAs), dùng trong các bộ khuếch đại tín hiệu, cụ thể là các tín hiệu với mức tăng cao và độ ồn thấp.
Trên đây là tổng hợp tất cả những kiến thức liên quan đến chất bán dẫn. Hy vọng qua đây sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ được chất bán dẫn là gì, các loại chất bán dẫn, tính chất và ứng dụng của nó. Để từ đó vận dụng một cách khéo léo vào các công việc thực tế.
