Chất bán dẫn là chất có độ dẫn điện ở mức độ trung gian và cách được điện ở nhiệt độ thấp, dẫn điện ở nhiệt độ thường. Vậy cụ thể bản chất của chất bán dẫn là gì? Tính chất của chất bán dẫn như thế nào? Ứng dụng của nó ra sao?…. Hãy cùng mayruaxegiadinh.com.vn tìm hiểu trong bài viết ngay sau đây nhé!
Contents
Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn được biết đến với tên tiếng Anh là Semiconductor. Đây là một loại chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện và nó tương tự như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp, có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Sở dĩ loại chất này có tên là “bán dẫn” bởi vì nó có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó hoặc ở một điều kiện khác thì sẽ không dẫn điện, theo nghĩa Hán Việt chứ “bán” có nghĩa là một nửa.
Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có sự xuất hiện của tạp chất, nghĩa là các tạp chất khác nhau có thể sẽ tạo ra tính bán dẫn khác nhau. Trong trường hợp 2 chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau thì chúng sẽ tạo ra với nhau một lớp tiếp xúc. Những tính chất của các hạt mang điện như: electron hay các ion, lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này chính là cơ sở tạo nên diot, bóng bán dẫn và những thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.
Những thiết bị bán dẫn mang đến một loạt những tính chất hữu ích điển hình như có thể điều chỉnh chiều cũng như đường đi của dòng điện theo một hướng khác hay thay đổi điện trở nhờ vào ánh sáng hoặc nhiệt độ. Lý do là bởi những thiết bị bán dẫn có khả năng thay đổi được tính chất thông qua các tạp chất hay ánh sáng, nhiệt độ. Do đó, chất bán dẫn thường được dùng để mở rộng hoặc đóng ngắt mạch điện và chuyển đổi năng lượng.
Theo quan điểm hiện đại, người ta sử dụng vật lý lượng tử để giải thích những tính chất của chất bán dẫn thông qua sự chuyển động của các hạt mang điện tích có trong cấu trúc tinh thể. Các tạp chất có khả năng làm thay đổi tính chất này của chất bán dẫn một cách đáng kể.
Nếu người ta pha tạp chất đồng thời tạo ra nhiều lỗ trống hơn trong chất bán dẫn thì được gọi là chất bán dẫn loại P và ngược lại, nếu tạo ra nhiều electron chuyển động tự do hơn có trong chất bán dẫn thì đó được gọi là chất bán dẫn loại N. Việc pha tỷ lệ chính xác những tạp chất và kết hợp cùng những loại chất bán dẫn N và P với nhau người ta có thể tạo ra được các linh kiện điện tử với tỷ lệ hoạt động chính xác rất cao.
Trong sản xuất các linh kiện điện tử, người ta thường sử dụng rộng rãi chất bán dẫn là các nguyên tố silicon, germani cùng các hợp chất của gallium. Ứng dụng thực tế đầu tiên của chất bán dẫn là với máy Cat’s-whisker detector (dịch là “máy dò râu mèo” với một diode bán dẫn tinh khiết được thực hiện vào năm 1904.
Sau đó nhờ vào việc phát triển của thuyết vật lý lượng tử mà tới năm 1947 người ta đã tạo thành công bóng bán dẫn và vào năm 1958 thì cho ra đời mạch tích hợp đầu tiên. Những tinh thể silic là những vật liệu bán dẫn rất phổ biến được ưu tiên nhất cho việc sử dụng vào trong vi mạch điện tử và quang điện.
Còn ở khoa học vật liệu hiện đại, người ta đã phát hiện ra chất bán dẫn hữu cơ và từ đó mà nó đang có được nhiều ứng dụng bước đầu, đầu tiên cần kể tới đó là điốt phát quang hữu cơ (OLED), transistor trường hữu cơ (OFET) và Pin mặt trời hữu cơ (Organic solar cell).
Có mấy loại chất bán dẫn?
Chất bán dẫn tinh khiết
Trước tiên, chúng ta cần phải hiểu rõ khái niệm “chất bán dẫn tinh khiết là gì?” hay “Chất bán dẫn thuần là gì?”. Chất bán dẫn tinh khiết hay còn được gọi là chất bán dẫn thuần là loại chất bán dẫn hoàn toàn không có lẫn bất kỳ một tạp chất nào chẳng hạn như Germanium hay Silicon. Những chất bán dẫn này được xác định là nguyên tố thuộc nhóm IV.
Mỗi nguyên tử thuộc nguyên tố nhóm IV thường sẽ chỉ có 4 electron ở lớp ngoài và tiếp đó được liên kết cùng những nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị để tạo ra chất bán dẫn trung hòa về điện khi xét ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Điện trở suất của những chất bán dẫn tinh khiết thường rất cao kho ở nhiệt độ thấp và ngược lại, giảm nhanh khi có sự tăng lên của nhiệt độ. Độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ, có nghĩa là cùng tăng hoặc là cùng giảm. Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn tinh khiết vì thế mà có giá trị âm.
Chất bán dẫn pha tạp chất
Có 2 loại chất bán dẫn pha tạp chất gồm: 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 còn gọi là chất bán dẫn dương có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III và chúng được tạo thành khi tạp chất điển hình như boron chỉ có 3 electron trong lớp vỏ hóa trị.
Khi một lượng nhỏ được chất có hóa trị III liên kết cùng tinh thể thì nguyên tử chất đó có thể thích hợp với 4 nguyên tử silicon theo liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, ở đây sẽ có một lỗ trống được tạo ra bởi nó chỉ có chưa 3 electron để cung cấp. Bởi vì lỗ này mang điện tích dương nên chất bán dẫn pha tạp chất còn được gọi với tên là chất bán dẫn loại P.
Chất bán dẫn loại N
Chất bán dẫn loại N là gì? Chất bán dẫn loại N hay còn được biết tới là chất bán dẫn âm với đặc điểm tạp chất đặc trưng là những nguyên tố thuộc nhóm V. Điều này xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố xuất hiện 5 electron trong lớp vỏ hóa trị.
Khi một lượng nhỏ chất có hóa trị V điển hình là photpho được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic đồng nghĩa mỗi nguyên tử thường sẽ liên kết cùng với 4 nguyên tử silicon liền kề.
Và bởi photpho có mang 5 electron trong vỏ hóa trị nên sẽ chỉ có 3 trong số đó là được liên kết cùng những nguyên tử silic ở lân cận theo liên kết cộng hóa trị. Và một electron hóa trị còn lại bị bỏ lại không có gì để liên kết nên trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn được tạo theo cách này là loại chất mang điện tích âm và người ta gọi là chất bán dẫn loại N.
Bản chất của chất bán dẫn là gì?
Một chất bán dẫn semiconductor sẽ những thuộc tính cơ bản gồm: Độ dẫn điện biến đổi, Dị thể, Electron kích thích, Phát xạ nhẹ, Độ dẫn điện cao, Chuyển đổi năng lượng nhiệt, Hiệu ứng trường (bán dẫn).
Các tính chất của chất bán dẫn được thể hiện chi tiết như sau:
Độ dẫn điện biến đổi
Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn là chất dẫn điện kém bởi dòng điện yêu cầu dòng điện tử cũng như chất bán dẫn phải có dải hóa trị của chúng được lấp đầy và ngăn chặn dòng vào của electron mới.
Có một số kỹ thuật được phát triển đã cho phép những vật liệu bán dẫn hoạt động tương tự như vật liệu dẫn điện. Một số sửa đổi như này có 2 kết quả là: loại N và loại P. Chúng lần lượt đề cập tới sự thiếu hoặc thừa điện tử. Một số lượng điện tử mất cân bằng khiến cho dòng điện sẽ chạy qua vật liệu.
Hiệu ứng trường (bán dẫn)
Khi kết hợp 2 lớp P-N với nhau sẽ dẫn tới việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P-N. Những điện tử từ lớp N sẽ chuyển sang lớp P và ngược lại, những lỗ trống ở lớp P sẽ chuyển sang lớp N bởi quá trình trung hòa về điện. Một sản phẩm của quá trình này chính là làm ion tích điện và tạo ra một điện trường.
Dị thể
Những dị thể xảy ra khi 2 vật liệu bán dẫn pha tạp chất không giống nhau được kết nối cùng với nhau. Chẳng hạn như một cấu hình có thể bao gồm p – pha tạp và n – pha tạo germanium. Điều này sẽ dẫn tới sự trao đổi điện tử cũng như lỗ trống giữa những vật liệu bán dẫn pha tạp chất khác nhau.
Theo đó, Germanium pha tạp N sẽ thừa electron trong khi Germanium pha tạp P thì lại có quá nhiều lỗ trống. Sự chuyển đổi này xảy ra cho tới khi đạt được trạng thái cân bằng nhờ một quá trình gọi là tái hợp khiến cho những electron di chuyển từ loại N tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại P. Một sản phẩm minh chứng cho quá trình này là những ion tích điện, dẫn tới hiệu ứng điện trường.
Bản chất của chất bán dẫn là gì? Tính chất dị thể của chất bán dẫn.
Electron kích thích
Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn khiến cho nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và đồng thời tạo ra tình trạng mất cân bằng. Điều này đồng nghĩa giới thiệu các electron và lỗ trống cho hệ thống và tương tác thông qua quá trình khuếch tán xung quanh.
Bất cứ khi nào cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn thì số lượng lỗ trống cũng như điện tử đều thay đổi. Sự gián đoạn như trên còn có thể xảy ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon và có thể xâm nhập vào hệ thống, tạo ra những electron cùng các lỗ trống. Quá trình tạo ra và tự hủy electron cùng lỗ trống hay còn được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.
Độ dẫn nhiệt cao
Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao bởi vậy mà chúng có thể được tận dụng để sử dụng cho tản nhiệt hay cải thiện quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử.
Phát xạ nhẹ
Ở một số chất bán dẫn nhất định, những electron bị kích thích rất có thể sẽ thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. Các chất bán dẫn này được sử dụng phổ biến trong việc chế tạo ra các diode phát sáng hay các chấm lượng tử huỳnh quang.
Chuyển đổi năng lượng nhiệt
Chất bán dẫn sở hữu những yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn khiến cho chúng hữu ích trong những máy phát nhiệt điện. hững số liệu nhiệt điện cao giúp cho chúng hữu ích trong các bộ làm mát nhiệt điện.
Tìm hiểu dòng điện trong chất bán dẫn
Chất bán dẫn tinh khiết Silic (Si), mỗi nguyên tử Si sẽ có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết cùng những nguyên tử Si khác để tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện khi ở điều kiện nhiệt độ thấp.
Mô hình liên kết của những nguyên tử Silic, mỗi nguyên tử Si sẽ có 4 electron ngoài cùng tham gia vào liên kết cộng hóa trị cùng với những nguyên tử Si bên cạnh. Ở điều kiện nhiệt độ thấp xung quanh mỗi nguyên tử Si sẽ có 8 electron ở lớp ngoài cùng vì vậy mà Si không dẫn điện bởi không có hạt tải điện chuyển động dù cho nó có được đặt trong điện trường.
Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa những nguyên tử Si có thể sẽ bị phá vỡ bởi chuyển động nhiệt, đồng thời electron có thể bị tách khỏi liên kết để tạo thành các electron tự do. Khi electron thoát khỏi liên kết “ra đi” sẽ để lại một khoảng trống trong liên kết giữa những phân tử Si hay gọi nhanh là lỗ trống.
Ở nhiệt độ thấp, liên kết giữa những nguyên tử Si kém bền vững vì vậy mà electron có thể thoát ra để tạo thành các electron tự do và đồng thời tạo ra lỗ trống.
Nếu xuất hiện nhiều liên kết bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao đồng nghĩa sẽ có nhiều electron tự do cùng nhiều lỗ trống được tạo ra. Trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạt thì những electron tự do này có thể di chuyển đến vị trí của các lỗ trống để lấp đầy nó và tạo ra liên kết mới khiến cho những lỗ trống mới được tạo ra ở những vị trí khác nhau trong liên kết của nguyên tử Si hay nói cách khác là các electron tự do chuyển động cũng làm cho những lỗ trống này chuyển động theo.
Khi một electron tới lấp đầy lỗ trống có nghĩa là liên kết mới được hình thành nên không tạo ra bất kỳ điện tích dư thừa nào tương tự như e + (-e). Do đó, những nhà vật lý học coi các lỗ trống có điện tích là 1 = -e = +1,6.10-19C mang tính chất tương tự như một hạt mang điện dương.
Và khi có sự chênh lệch điện thế giữa 2 đầu chất bán dẫn thì các electron cùng các lỗ trống sẽ chuyển động thành dòng ngược chiều nhau và tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn.
Ứng dụng của chất bán dẫn
Hiện nay, chất bán dẫn là gì vẫn khó để nhiều người hình dung bởi nó không được bày bán một cách phổ thông trong các cửa hàng giống như các thiết bị điện. Tuy nhiên, trên thực tế thì chất bán dẫn lại được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện nay. Chúng là một trong số các nhân tố quan trọng để cấu thành nên những linh kiện điện tử như diode, transistor hay những loại thẻ nhớ, HDD, SSD,….
Chất bán dẫn với nhiều ứng dụng nổi bật cụ thể như:
- Cảm biến nhiệt độ được thiết kế trong điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn. Nồi cơm điện có thể nấu chín cơm một cách hoàn hảo là nhờ vào hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác và có sử dụng chất bán dẫn. Hay ở bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ nguyên liệu chính là chất bán dẫn.
- Nhiều các sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số cũng sử dụng chất bán dẫn điển hình như: điện thoại di động, tivi, máy ảnh, tủ lạnh, máy giặt, bóng đèn LED,….
- Ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng thì chất bán dẫn còn đóng vai trò trung tâm quan trọng trọng hoạt động của các máy xe lửa, ATM, internet hay truyền thông cùng nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội như trong mạng lưới y tế, sử dụng để cung cấp các dịch vụ chăm sóc sức khỏe cho người cao tuổi,…. Hơn nữa, trong hệ thống hậu cần hiệu quả cũng sẽ giúp tiết kiệm được năng lượng, đồng thời thúc đẩy việc bảo tồn môi trường toàn cầu.
Lời Kết
Trên đây là những thông tin cơ bản về nội dung Chất bán dẫn là gì mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng bài viết đã cung cấp những kiến thức cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu để nắm rõ được tính chất của chất bán dẫn cũng như ứng dụng rộng rãi của nó trong đời sống hiện nay.
Bài viết là sự tổng hợp thông tin nên không tránh khỏi những sai sót, nếu bạn đọc còn thắc mắc bất cứ điều gì vui lòng để lại phần bình luận để đóng góp giúp bài viết hoàn thiện hơn và chúng tôi sẽ giải đáp bạn một cách nhanh chóng nhất.
