Chất bán dẫn là gì? Ứng dụng đơn giản của chất bán dẫn

Loại chất tác động rất lớn trong đời sống sinh hoạt và khoa học kỹ thuật hiện nay. Với các linh kiện điện tử và các thiết bị điện được tạo nên các vật dụng mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Vì được dùng nhiều nên nhu cần tìm kiếm cũng tăng cao hơn.

Và nội dụng chúng tôi muốn nói tới đây là chất bán dẫn trong các thiết bị điện, linh kiện bán dẫn là gì đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. Vậy bạn đã biết chất bán dẫn là gì chưa? Các đặt tính và phân loại chât bán dẫn?. Cũng như các ứng dụng của chúng hiện nay như thế nào không?.

Chất bán dẫn là gì ?

Chất bán dẫn tên tiếng anh là Semiconductor một chất có độ dẫn điện ở mức trung gian nó ở giữa chất dẫn điện và cách điện. Hoạt động như một chất cách điện ở môi trường nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện. Tại sao gọi là chất bán dẫn?. Theo tính chất vật lý thì chất này có thể dẫn điện ở điều kiện nhất định hoặc không dẫn diện trong điều kiện khác.

Khi tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất khác nhau có thể taoh tính bán dẫn khác nhau. Ở trường 2 chất bán dẫn gắn với nhau nó sẽ tao ra lớp tiếp xúc và mang các hạt điện tích như: electron, các ion và lỗ trống điện tử. Ở trong lớp tiếp xúc này nó sẽ là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn hoạt động trong các thiết bị điện hiện nay.

Nếu thiết bị bán dẫn mang lại các tính chất hữu ích như có thể điều chỉnh chiều và đường đi dòng điện theo hướng thay đổi điện trở nhờ vào ánh sáng hoặc nhiệt lượng tỏa ra. Bởi các thiết bị này có thể thay đổi tính chất thông qua tạp chất, ánh sáng có thể là nhiệt. Nên chúng được sử dụng để đóng mở ngắt mạch điện hay có thể là chuyển đổi năng lượng cho các hệ thống.

Quan điểm cấu tạo chất bán dẫn vật lý lượng tử

Để giải thích các tính bán dẫn thông qua sự chuyển động của hạt mang điện tích bên trong cấu trúc tinh thể. Với tạp chất này có thể làm thay đổi đáng kể tính chất của chất bán dẫn. Nếu pha tạp chất và tạo ra nhiều lỗ trống hơn thì con được gọi là chất bán dẫn P.

Còn ngược lại nếu tạo ra nhiều electron hơn ở trong hợp bán dẫn thì nó sẽ được gọi là bán dẫn loại N. Việc pha tỉ lệ chính xác sẽ giúp kết hợp các loạt chất bán dẫn P-N trong các linh kiện bán dẫn hoạt động chính xác hơn.

Quan điểm hiện đại dùng vật lý lượng tử để giải thích các tính chất bán dẫn sẽ được thông qua sự chuyển động các hạt mang điện tích bên trong cấu trúc tinh thể. Các tạp chất có thể làm thay đổi đáng kể tính bán dẫn.

Pha tạp chất tạo ra nhiều lỗ trống hơn tao ra gọi là chất bán dẫn loại P; ngược lại tạo ra nhiều electron chuyển động tự do trong môi trường bán dẫn hơn nó gọi là chất bán dẫn loại n. Việc pha tỷ lệ chính xác và kết hợp các loại chất bán dẫn P-N để tạo ra các thiết bị bán dẫn điện tử cùng tỷ lệ hoạt động chính xác cực cao.

Ứng dụng thực tế

Nguyên liệu làm chất bán dẫn đó là nguyên tố silicon, germani cùng hợp chất của gallium đang được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện điện tử. Vè ứng dụng thực tế vào năm 1904 với máy Cat’s-whisker detector cùng với một diode bán dẫn tinh khiết. Sau đó phát triển của thuyết vật lý lượng tử người ta đã tạo ra bóng bán dẫn năm 1947 tiếp đến là mạch tích hợp vào năm 1958.

Cấu trúc tinh thể silic được lựa chọn là các vật liệu bán dẫn sử dụng trong vi điện tử và thiết bị quang điện. Sau khi vật liệu khoa học phát triển thì tìm ra chất bán dẫn hữu cơ từ đó nó được ứng dụng cho đến bây giờ.

Điốt phát quang hữu cơ (OLED), Pin mặt trời hữu cơ (Organic solar cell) và cũng có thể transistor trường hữu cơ (OFET) là những linh kiện đang và vẫn được ứng dụng hiện nay.

Có các loại chất bán dẫn nào?

Chất bán dẫn silic là gì ? silic tinh thể là vật liệu bán dẫn được sử dụng rất phổ biến hiện nay trong vi điện tử và quang điện. Những nó vẫn tồn tại một số chất khác tính chất giống như tính chất bán dẫn cần có như:

• Chất bán dẫn trong bản nguyên tố nhóm IV (C, Si, Ge, Sn), VI (S, Ce, Te).
• Bán dẫn nhóm III, V: kết tinh cân bằng hóa học cao và có thể thu được với 2 dạng P và N. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử.
• Trong nguyên tố nhóm I, II, VI, VII: thường là loại P nhưng trừ ZnTe và ZnO là loại N.
• Oxit
• Màng mỏng bán dẫn
• Bán dẫn từ
• Chất bán dẫn hữu cơ được làm từ các hợp chất hữu cơ

Các loại thuộc tính cơ bản chất bán dẫn là gì?

Cụ thể thì chất bán dẫn sẽ có các thuộc tính cơ bản như sau:

Hiệu ứng trường (bán dẫn):

Nếu như kết hợp hai lớp P-N lại với nhau dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P-N. Các điện tử từ N sẽ chuyển sang lớp P và hoạt động ngược lại do lớp quá trình trung hòa về điện. Đây là hiện tượng cũng như quá trình này là làm ion tích điện tao ra điện trường.

Dị thể:

Hiện tượng dị thể xảy ra khi 2 vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được với nhau. Như một cấu hình có thể bao gồm p-pha tạp và n-pha tạp germanium. Dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau.

Khi germanium pha tạp n sẽ có thừa electron và germanium pha tạp p sẽ có nhiều lỗ trống xuất hiện. Với sự chuyển đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi la tái hợp. Làm cho các electron chuyển từ loại n tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại p. Quá trình này là các ion tích điện, dẫn đến hiệu ứng điện trường.

Electron kích thích:

Sự khác biệt điện thế về vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân bằng về nhiệt và dẫn đến tình trạng không cân bằng. Các electron và lỗ trống cho hệ thống, sẽ tương tác với quá trình gọi là khuếch tán xung quanh.

Nếu khi nào cân bằng nhiệt mà bị xáo trộn trong vật liệu chất bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử đồng thời sẽ thay đổi. Sự gián đoạn có thể dẫn đến sự chênh lệch nhiệt hoặc photon xâm nhập vào hệ thống các electron va lỗ trống. Khi quá trình tạo ra vầ tự hỷ electron cùng lỗ trống gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

Độ dẫn điện biến đổi:

Chất bán dẫn khi ở trạng thái tự nhiên là chất dẫn điện kém; bởi vì dòng điện và loại chất có dải hóa trị sẽ được lấp đầy; chúng ngăn chặn dòng vào của electron mới  trong quá trình di chuyển.

Có một số kỹ thuật phát triển để cho phép các vật liệu bán dẫn hoạt động vật liệu dẫn điện. Cửa đổi sẽ đem lại 2 kết quả: loại n và loại p. Sự thừa hoặc thiếu điện tử sẽ được cập nhật. Lượng điện tử không cân bằng dẫn đến dòng điện chạy qua vật liệu.

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao nên có thể được sử dụng để tản nhiệt cũng như cải thiện quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử sản sinh ra nhiệt quá nhiều.

Phát xạ nhẹ:

Loại bán dẫn nhất định, các electron sẽ bị kích thích để thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì sản sinh ra nhiệt. Được sử ụng trong việc chế tạo các diode phát sáng và lượng tử huỳnh quang.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt:

Chất bán dẫn chúng hữu ích trong các máy phát nhiệt điện, cũng như các số liệu nhiệt điện sản sinh ra cao làm cho chúng hữu ích đố với máy phát điện.

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn là gì?

Điện tử tồn tại trong nguyên tử nên những mức năng lượng giác đoạn ở trạng thái dừng. Trong chất rắn, các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khôi, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau. Chúng sẽ thành vùng năng lượng có 3 vùng dựa và tính chấn dẫn ddien của vật liệu rắn nhờ lý thuyết vùng năng lượng

Vùng hóa trị (Valence band):

Nơi có năng lượng thấp nhất dựa theo thang năng lượng; vùng mà điện tử bị liên kết mạnh nhất cùng với nguyên tử và không linh động.

Vùng dẫn (Conduction band):

Nơi có mức năng lượng đạt cao nhất mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và nơi điện tử sẽ thành điện tử dẫn; chất sẽ có khả năng dẫn điện khi điện tử đang tồn tại trên vùng dẫn điện. Nếu như tính dẫn điện tăng thì khi và chi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng lên.

Vùng cấm (Forbidden band):

Nơi nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, nó sẽ không có mức năng lượng nào cho nên điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, sẽ xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị khoảng cách này gọi là độ rộng vùng cấm, hay cách gọi khác năng lượng vùng cấm (Band Gap). Vùng cấm lớn hay nhỏ sẽ có chất dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Tính dẫn điện chất rắng và tích chất bán dẫn theo lý thuyết năng lượng

Kim loại ở vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) sẽ luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn. Cho nên vì thế mà kim loại luôn luôn có thể dẫn điện.

Các chất bán dẫn ở vùng cấm có độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), mức năng lượng Fermi nó sẽ nằm giữa vùng cấm, là tất cả các điện tử tồn tại sẽ ở vùng hóa trị. Chất bán dẫn không dẫn điện khi tăng dần nhiệt độ, đưng nhiên các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt ( Kb.T với Kb là hằng số Boltzmann). Với năng lượng chưa đủ để có thể làm cho điện tử vượt qua vùng cấm nên nó sẽ vẫn ở vùng hóa trị.

Tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, điện tử nhận được với năng lượng lớn hơn từ vùng cấm tạo điêu khiển nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, thì đồng nghĩa với mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên. Do đó, tính dẫn điện chất sẽ tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Công thức sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

Trong đó:

•  là hằng số
•  là độ rộng vùng cấm.

Ngoài ra, tính dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác nhau, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử hoạt động và hấp thu năng lượng từ hạt photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất bán dẫn dưới sự tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn).

Loại chất bán dẫn loại p n

Chất bán dẫn loại P:

Chất bán dẫn loại P (hay là bán dẫn dương) có tạp chất thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive’, nghĩa là dương). Khi pha lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si. Theo liên kết cộng hoá trị thì việc các họa động và liên kết bị thiếu một điện tử dẫn đến trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P.

Bán dẫn n có đặc điểm gì?

Chất bán dẫn N (bán dẫn âm – Negative) có các nguyên tố thuộc nhóm V, nguyên tử dùng 4 electron sẽ tạo liên kết và electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân bên trong. Đấy chính là các electron dẫn chính.

Khi pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Photpho (P) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử P sẽ được liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị. Nếu như nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết thì sẽ còn dư một điện tử sẽ tự do => Lúc này mang điện tích âm sẽ trở thành thừa điện tử gọi là chất bán dẫn loại N (Negative: âm ).

Chất bán dân không suy biến:

Là chất có nồng độ hạt dẫn không cao, nhưng với chất có tạp chất lớn hơn 10^20 nguyên tử/cm3. Nó được gọi là bán dẫn suy biến và có tính chất giống như kim loại vì vậy nó dẫn điện khá tốt, năng lượng của hạt dẫn tự do của chất bán dẫn sẽ giảm đi mà không phụ thuộc nhiệt độ.

Về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: nếu pha tạp, thì các mức pha tạp nằm trong vùng cấm. Mức này làm cho điện tử dễ dàng chuyển đến vùng dẫn hoặc dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo ra tính dẫn dựa vào cực hóa trị. Vì thế, chỉ cần pha tạp hàm lượng rất nhỏ sẽ làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của các loại chất bán dẫn nào.

Lớp chuyển tiếp của chất bán dẫn loại P – N:

Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N, tính khuếch tán electron từ bán dẫn loại n qua p và khuếch tán các lỗ trống từ p sang lại n. Với electron gặp lỗ trống, sẽ liên kết với nhau để lấp lỗ trống ấy. Ở lớp chuyển tiếp P-N sẽ không có hạt tải điện trong chất bán dẫn. Lớp chuyển tiêp 2 bên về phía chất bán dẫn loại n có các ion đô-nô mang và tích điện dương, ở bán dẫn P có các axepto tích điện âm. Và đện trở của lóp chuyển tiế nghèo điện tích rất lớn.

Tính chất đặc biệt của chất bán dẫn

Vì sao nói lớp chuyển tiếp P-N không có hạt tải điện có tính chất chỉnh lưu?. Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn P sang chất bán dẫn loại N thì lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền P sang miền N (chiều thuận). Khi đảo chiều điện trường ngoài, dòng điện không thể chạy từ miền N sang miền P (chiều ngược). Ta nói lớp chuyển tiếp P-N có tính chất chỉnh lưu.

Dòng điện trong chất bán dẫn:

Bán dẫn tinh khiết Si (silic). Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết các nguyên tử Si khác tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện nhiệt độ thấp.

Với một mô hình dòng điện trong chất bán dẫn liên kết nguyên tử Silic. Mỗi nguyên tử Si đều có 4 electron ngoài cùng để tham gia vào liên kết cùng các nguyên tử Si ở bên cạnh. Khi đều kiện nhiệt độ thấp khi ở xung quanh nguyên tử Si ở lớp ngoài cùng là 8 electron => Si không dẫn điện theo cách đơn giản vì không có hạt tải điện có thể chuyển động trong môi trường có điện trường.

Hoạt động ở nhiệt độ cao

Các nguyên tử Si khi có thể bị phá vỡ liên kết vì chuyển động nhiệt, electron tách khỏi liên kết để tự tạo thành electron tự do. Electron bị phá vở sẽ “ra đi” để lại một khoảng trống liên kết giữa các phân tử Si (gọi tắt là lỗ trống). Giữa nguyên tử Si kém bền vững có thể thoát ra tạo thành electron tự do.

Lưu ý

Nếu nhiều liên kết bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao sẽ có nhiều electron tự do và lỗ trống được tạo ra. Trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn, các electron tự do có thể chuyển động đến vị trí của lỗ trống lấp đầy nó.

Việc ứng dụng của dòng điện trong chất bán dẫn tạo ra liên kết mới khiến các lỗ trống mới. Chúng được tạo ra ở các vị trí khác nhau trong liên kết của các nguyên tử Si, hay nói cách khác electron tự do chuyển động cũng làm cho các lỗ trống này chuyển động theo.

Khi một electron đến lấp đầy lỗ trống => liên kết mới được hình thành không tạo ra bất kỳ điện tích dư thừa nào giống như e + (-e) =0 => các nhà vật lí học coi lỗ trống có điện tích là q= -e = +1,6.10-19C có tính chất giống như một hạt mang điện dương.

Khi có sự chênh lệch điện thế giữa các electron và lỗ trống sẽ là chuyển động thành dòng ngược chiều tạo ra dòng điện bên trong chất bán dẫn.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

Vì chất bán dẫn không bán một cách phổ thông như các thiết bị linh kiện điện, nên nó rất khó cho người mới tìm hiểu khi hình dung. Tuy nhiên, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị điện tử hiện nay. Chất bán dẫn ứng dụng những nhân tố để có cấu thành các thiết bị linh kiện: biến trở, diode, transistor, contactor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…

Hay có thể là một số ứng dụng khác như: Cảm biến nhiệt độ trong máy điều hòa không khí là một loại bán dẫn, nồi cơm điện một cách để có thể điều khiển chính xác các chất bán dẫn, bộ vi xử lý của máy tính cũng là bằng nguyên liệu bán dẫn, bộ biến tần năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguồn nguyên liệu …

Bài viết liên quan: https://phukiendienmattroi.net/quang-tro-cau-tao-va-nguyen-ly/