Chất bán dẫn đã có một tác động lớn đến xã hội của chúng ta. Bạn sẽ tìm thấy chất bán dẫn ở rất nhiều thiết bị điện tử xung quanh chúng ta như: điện thoại, tivi, máy tính,… Bất cứ điều gì được kỹ thuật số hóa hoặc sử dụng sóng radio đều phụ thuộc vào chất bán dẫn.
Ngày nay, hầu hết các chip bán dẫn và bóng bán dẫn được tạo ra bằng silicon. Bạn có thể đã nghe thấy những thông tin như “Thung lũng Silicon” và “nền kinh tế silicon” và đó là lý do – silicon là trái tim của bất kỳ thiết bị điện tử nào.
Chất bán dẫn là gì
Chất bán dẫn là vật liệu có độ dẫn giữa chất dẫn (nói chung là kim loại) và chất không dẫn hoặc chất cách điện (như hầu hết các loại gốm). Chất bán dẫn có thể là các nguyên tố tinh khiết, chẳng hạn như silicon hoặc gecmani hoặc các hợp chất như gallium arsenide hoặc cadmium selenide. Trong một quá trình gọi là doping, một lượng nhỏ tạp chất được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết gây ra những thay đổi lớn trong độ dẫn của vật liệu.
Do vai trò của chúng trong việc chế tạo các thiết bị điện tử, chất bán dẫn là một phần quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Hãy tưởng tượng cuộc sống mà không có thiết bị điện tử. Sẽ không có radio, không có TV, không có máy tính, không có trò chơi video và những thiết bị chẩn đoán y tế hiện đại. Mặc dù nhiều thiết bị điện tử có thể không phụ thuộc vào chất bán dẫn, nhưng sự phát triển trong công nghệ bán dẫn trong 50 năm qua đã làm cho các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn.
Chất bán dẫn tiếng Anh là gì?
Trong tiếng Anh, chất bán dẫn được gọi là Semiconductor. Từ này chúng ta cũng thường hay bắt gặp trong các bản tin công nghệ tiếng Anh. Và ở Việt Nam có một số công ty chuyên về chất bán dẫn, ví dụ như ON Semiconductor…
Chất bán dẫn tinh khiết là gì? Chất bán dẫn thuần là gì
Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn chưa bị pha tạp, các chất bán dẫn tinh khiết tiêu biểu như Silicon hay Germanium. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh. Hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm.
Ở chất bán dẫn thuần, có số electron và số lỗ trống bằng nhau. Và độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng.
Chất bán dẫn loại P
Chất bán dẫn loại P xảy ra khi tạp chất như boron chỉ có ba electron trong vỏ hóa trị. Khi một lượng nhỏ được tích hợp vào tinh thể, nguyên tử có thể liên kết với bốn nguyên tử silicon, nhưng vì nó chỉ có ba electron để cung cấp, nên một lỗ trống được tạo ra. Lỗ này hoạt động giống như một điện tích dương, vì vậy các chất bán dẫn pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P.
Giống như một điện tích dương, lỗ trống thu hút các điện tử. Nhưng khi một electron di chuyển vào một lỗ, electron sẽ để lại một lỗ mới ở vị trí trước đó. Do đó, trong chất bán dẫn loại P, các lỗ liên tục di chuyển xung quanh bên trong tinh thể khi các electron liên tục cố gắng lấp đầy chúng.
Khi điện áp được đặt vào một loại bán dẫn loại N hoặc loại P, dòng điện sẽ chảy như là nó chảy trong một dây dẫn thông thường: Phía âm của điện áp đẩy các electron và phía dương kéo chúng. Kết quả là sự chuyển động của electron và lỗ ngẫu nhiên mà luôn hiện diện trong chất bán dẫn trở nên có tổ chức theo một hướng, tạo ra dòng điện có thể đo được.
Chất bán dẫn loại N
Chất bán dẫn loại N: Được tạo ra khi tạp chất là một nguyên tố có năm electron trong lớp hóa trị của nó. Phốt pho thường được sử dụng cho mục đích này.
Các nguyên tử phốt pho tham gia ngay vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử silicon liền kề giống như một nguyên tử silicon muốn. Do nguyên tử phốt pho có năm electron trong vỏ hóa trị của nó, nhưng chỉ có bốn trong số chúng được liên kết với các nguyên tử lân cận, nên electron hóa trị thứ năm bị bỏ lại không có gì để liên kết.
Các electron hóa trị đặc biệt trong các nguyên tử phốt pho bắt đầu hoạt động giống như các electron hóa trị đơn trong một dây dẫn thông thường như đồng. Chúng được tự do di chuyển mọi nơi. Bởi vì loại chất bán dẫn này có thêm các electron, nên nó được gọi là chất bán dẫn loại N.
Tính chất của chất bán dẫn
Một số tính chất đặc trưng của chất bán dẫn mà chúng ta có thể tìm hiểu thảo luận bên dưới đây.
Độ dẫn điện biến đổi
Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chất dẫn kém vì dòng điện yêu cầu dòng chảy của các điện tử electron và chất bán dẫn có dải hóa trị được lấp đầy, ngăn chặn toàn bộ dòng chảy của các electron mới. Có một số kỹ thuật được phát triển cho phép các vật liệu bán dẫn hoạt động giống như vật liệu dẫn điện, chẳng hạn như doping hoặc gating. Những kỹ thuật này cho ra hai kết quả: loại N và loại P. Chúng đề cập đến sự thừa hoặc thiếu điện tử tương ứng. Một số lượng hạt điện tử không cân bằng sẽ khiến dòng điện chạy qua vật liệu.
Dị thể trong chất bán dẫn là gì
Các dị thể xảy ra khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau. Ví dụ, một cấu hình có thể bao gồm Germanium pha tạp P và pha tạp N. Điều này dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau. Germanium pha tạp N sẽ có thừa electron và Germanium pha tạp P sẽ có quá nhiều lỗ trống. Sự chuyển đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi là tái tổ hợp, khiến các electron di chuyển từ loại N tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại P. Sản phẩm của quá trình này là các ion tích điện, là kết quả trong điện trường.
Electron kích thích
Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình trạng không cân bằng. Điều này mang các electron và lỗ trống cho hệ thống, tương tác thông qua một quá trình gọi là khuếch tán xung quanh. Bất cứ khi nào cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử sẽ thay đổi. Sự gián đoạn như vậy có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình tạo và hủy các electron và lỗ trống được gọi là quá trình tạo và tái hợp.
Phát xạ ánh sáng
Trong một số chất bán dẫn nhất định, các electron bị kích thích có thể hành động bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. Những chất bán dẫn này được sử dụng trong việc chế tạo các điốt phát sáng và các chấm lượng tử huỳnh quang.
Độ dẫn nhiệt cao
Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao có thể được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt của thiết bị điện tử.
Chuyển đổi năng lượng nhiệt
Chất bán dẫn có các yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn làm cho chúng hữu ích trong các máy phát nhiệt điện, cũng như các số liệu nhiệt điện cao làm cho chúng hữu ích trong các bộ làm mát nhiệt điện.
Có mấy loại chất bán dẫn
Như đã biết, tinh thể silic là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong vi điện tử và quang điện.
Nhưng vẫn tồn tại một số lượng lớn các loại chất bán dẫn , các nguyên tố và hợp chất có tính chất bán dẫn, chúng bao gồm:
- Chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV, (C, Si, Ge, Sn)
- Chất bán dẫn hợp chất nhóm IV
- Chất bán dẫn nguyên tố nhóm VI, (S, Se, Te)
- Chất bán dẫn nhóm III – V: Kết tinh với mức độ cân bằng hóa học cao, hầu hết có thể thu được ở cả loại n và loại p. Nhiều người có khả năng vận chuyển cao và khoảng cách năng lượng trực tiếp, làm cho chúng hữu ích cho quang điện tử.
- Chất bán dẫn II – VI: thường là loại p, ngoại trừ ZnTe và ZnO là loại n
- Chất bán dẫn nhóm I – VII
- Chất bán dẫn IV – VI
- Chất bán dẫn nhóm V – VI
- Chất bán dẫn II – V
- Chất bán dẫn nhóm I-III-VI
- Ôxít
- Màng mỏng bán dẫn
- Chất bán dẫn từ
- Chất bán dẫn hữu cơ làm bằng các hợp chất hữu cơ
- Tổ hợp chuyển phí
- Một số khác
Vật liệu bán dẫn là gì
Vật liệu bán dẫn có giá trị độ dẫn điện nằm giữa một vật dẫn điện (chẳng hạn như đồng) và chất cách điện (ví dụ như thủy tinh). Sức đề kháng của nó giảm khi nhiệt độ của nó tăng lên; kim loại thì ngược lại. Tính chất dẫn điện của nó có thể được thay đổi bằng cách đưa tạp chất (“pha tạp”) vào cấu trúc tinh thể. Do tính chất điện của vật liệu bán dẫn có thể được sửa đổi bằng cách pha tạp; hoặc bằng cách sử dụng điện trường hoặc ánh sáng. Các thiết bị làm từ chất bán dẫn có thể được sử dụng để khuếch đại và chuyển đổi năng lượng.
Các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị điện tử được pha tạp trong các điều kiện chính xác để kiểm soát nồng độ và các vùng của các chất dẫn xuất loại P và N. Một tinh thể bán dẫn đơn có thể có nhiều vùng loại P và N; các nút giao tiếp giữa các vùng này chịu trách nhiệm cho tác động electron hữu ích.
Một số tính chất của vật liệu bán dẫn đã được nghiên cứu trong suốt giữa thập kỷ 19 và thế kỷ 20. Ứng dụng thực tế đầu tiên của chất bán dẫn trong điện tử là máy dò radio, diode bán dẫn đã được sử dụng trong các máy thu radio đầu tiên. Sự phát triển trong vật lý lượng tử lần lượt dẫn đến sự phát triển của bóng bán dẫn vào năm 1947, mạch tích hợp vào năm 1958 và MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) vào năm 1959.
Quá trình doping chất bán dẫn là gì?
Độ dẫn của chất bán dẫn có thể dễ dàng được sửa đổi bằng cách đưa tạp chất vào mạng tinh thể của chúng. Quá trình thêm tạp chất được kiểm soát vào chất bán dẫn được gọi là doping. Lượng tạp chất được thêm vào một chất bán dẫn nguyên chất thay đổi để độ dẫn của nó.
Ví dụ: Bán dẫn tinh khiết Silicon có bốn electron hóa trị; liên kết từng nguyên tử silicon với xung quanh. Trong silicon, các chất dẫn xuất phổ biến nhất là các nguyên tố nhóm III và nhóm V.
Tất cả các nguyên tố nhóm III đều chứa ba electron hóa trị. Khiến chúng hoạt động như các chất nhận khi được sử dụng để khử silicon.
Khi một nguyên tử chấp nhận thay thế một nguyên tử silicon trong tinh thể. Một trạng thái trống (một “lỗ” điện tử) được tạo ra; có thể di chuyển xung quanh mạng và hoạt động như một hạt mang điện. Các nguyên tố nhóm V có năm electron hóa trị, cho phép chúng hoạt động như một chất cung cấp; thay thế các nguyên tử này cho silic tạo ra thêm một electron tự do.
Do đó, một tinh thể silicon pha tạp boron tạo ra chất bán dẫn loại P; trong khi người ta pha tạp photpho tạo ra vật liệu loại N.
Trong quá trình sản xuất, các chất dẫn xuất có thể được khuếch tán vào thân chất bán dẫn. Bằng cách tiếp xúc với các hợp chất khí của nguyên tố mong muốn; hoặc cấy ion có thể được sử dụng để định vị chính xác các vùng pha tạp.
Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống
Nói đến cụm từ chất bán dẫn chắc có lẽ không nhiều người hình dung ra được chúng là gì? Và hầu như họ không biết rằng; những thiết bị điện điện tử xung quanh đều có thành phần linh kiện là chất bán dẫn. Vậy chúng ta hãy xem chất bán dẫn có trong những thiết bị nào xung quanh chúng ta nhé!
Chất bán dẫn trong đời sống chúng ta tồn tại ở dạng linh kiện hoàn chỉnh. Chúng mang trong mình những chức năng và nhiệm vụ khác nhau. Chúng phối hợp với nhau, lắp ghép và liên kết với nhau để tạo nên những bản mạch điện tử. Cho ra đời những thiết bị phục vụ nhu cầu của con người; như: Tivi phát hình ảnh và âm thanh để giải trí; tủ lạnh để giúp thực phẩm tươi sống giữ được lâu hơn; các máy tính hay laptop để giúp chúng ta học tập và làm việc; chất bán dẫn tồn tại trong các loại điện thoại giúp chúng ta liên lạc và giải trí,…
Trong công nghiệp, chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện như:
- Rơ le bán dẫn
- Linh kiện bán dẫn
- Bóng bán dẫn
- Diốt bán dẫn
- Các loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức,…
- Các bộ chuyển đổi tín hiệu, CT dòng, PLC, biến tần,…
Bài viết đã mang đến cho các bạn thông tin chi tiết về chất bán dẫn là gì. Hy vọng sẽ giúp ích cho các bạn đang nghiên cứu học tập về linh kiện bán dẫn.
Rất mong nhận được những góp ý và chia sẻ của các bạn. Cảm ơn!
