Chất bán dẫn là gì? Ứng dụng của chất bán dẫn – TKTECH Co., LTD

Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện.

Tính bán dẫn hoàn toàn có thể biến hóa khi có tạp chất, những tạp chất khác nhau hoàn toàn có thể tạo tính bán dẫn khác nhau. Trường hợp hai chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau, nó tạo ra một lớp tiếp xúc. Các đặc thù của những hạt mang điện như electron, những ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn và những thiết bị điện tử tân tiến thời nay .
Các thiết bị bán dẫn mang lại một loạt những đặc thù hữu dụng như hoàn toàn có thể kiểm soát và điều chỉnh chiều và đường đi của dòng điện theo một hướng khác, đổi khác điện trở nhờ ánh sáng hoặc nhiệt. Vì những thiết bị bán dẫn hoàn toàn có thể biến hóa đặc thù trải qua tạp chất hay ánh sáng hoặc nhiệt, nên chúng thường được dùng để lan rộng ra, đóng ngắn mạch điện hay quy đổi nguồn năng lượng .

Quan điểm hiện đại người ta dùng vật lý lượng tử để giải thích các tính chất bán dẫn thông qua sự chuyển động của các hạt mang điện tích trong cấu trúc tinh thể. Tạp chất làm thay đổi đáng kể tính chất này của chất bán dẫn.

Nếu người ta pha tạp chất và tạo ra nhiều lỗ trống hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại p, ngược lại nếu tạo ra nhiều electron hoạt động tự do hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại n. Việc pha tỷ suất đúng chuẩn những tạp chất đồng thời phối hợp những loại chất bán dẫn p-n với nhau ta hoàn toàn có thể tạo ra những linh phụ kiện điện tử với tỷ suất hoạt động giải trí đúng chuẩn cực cao .
Nguyên tố silicon, germani và những hợp chất của gallium được sử dụng thoáng đãng nhất làm chất bán dẫn trong những linh phụ kiện điện tử. [ 2 ]Ứng dụng thực tiễn tiên phong của chất bán dẫn là vào năm 1904 với máy Cat’s – whisker detector ( tạm dịch là “ máy dò râu mèo ” ) với một diode bán dẫn tinh khiết. Sau đó nhờ việc tăng trưởng của thuyết vật lý lượng tử người ta đã tạo ra bóng bán dẫn năm 1947 và mạch tích hợp tiên phong năm 1958. [ 3 ]

Các tinh thể silic là các vật liệu bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong vi điện tử và quang điện .
Khoa học vật liệu hiện đại đã phát hiện ra chất bán dẫn hữu cơ và nó đang có được những ứng dụng bước đầu, đó là diode phát quang hữu cơ (OLED), pin mặt trời hữu cơ (Organic solar cell) và transistor trường hữu cơ (OFET).

Độ dẫn điện biến đổi

Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chất dẫn điện kém vì dòng điện nhu yếu dòng điện tử và chất bán dẫn có dải hóa trị của chúng được lấp đầy, ngăn ngừa dòng vào của electron mới. Có 1 số ít kỹ thuật được tăng trưởng được cho phép những vật tư bán dẫn hoạt động giải trí giống như vật tư dẫn điện .
Những sửa đổi này có hai tác dụng : loại n và loại p. Chúng lần lượt đề cập đến sự thừa hoặc thiếu điện tử. Một số lượng điện tử không cân đối sẽ khiến một dòng điện chạy qua vật tư

Dị thể

Các dị thể xảy ra khi hai vật tư bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau. Ví dụ, một thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể gồm có p-pha tạp và n-pha tạp germanium. Điều này dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa những vật tư 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 quy đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân đối bởi một quy trình gọi là tái hợp, khiến những electron chuyển dời từ loại n tiếp xúc với những lỗ chuyển dời từ loại p. Một mẫu sản phẩm của quy trình này là những ion tích điện, dẫn đến hiệu ứng điện trường

Electron kích thích

Sự độc lạ về điện thế trên vật tư bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân đối nhiệt và tạo ra thực trạng không cân đối. Điều này ra mắt những electron và lỗ trống cho mạng lưới hệ thống, tương tác trải qua một quy trình gọi là khuếch tán xung quanh. Bất cứ khi nào cân đối nhiệt bị trộn lẫn trong vật tư bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử sẽ đổi khác .
Sự gián đoạn như vậy hoàn toàn có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, hoàn toàn có thể xâm nhập vào mạng lưới hệ thống và tạo ra những electron và lỗ trống. Quá trình tạo ra và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổng hợp

Phát xạ nhẹ

Trong 1 số ít chất bán dẫn nhất định, những electron bị kích thích hoàn toàn có thể thư giãn giải trí bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. [ 6 ] Những chất bán dẫn này được sử dụng trong việc sản xuất những điốt phát sáng và những chấm lượng tử huỳnh quang .

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao hoàn toàn có thể được sử dụng để tản nhiệt và cải tổ quản trị nhiệt của thiết bị điện tử

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có những yếu tố nguồn năng lượng nhiệt điện lớn làm cho chúng hữu dụng trong những máy phát nhiệt điện, cũng như những số liệu nhiệt điện cao làm cho chúng hữu dụng trong những bộ làm mát nhiệt điện .

Hiệu ứng trường (bán dẫn)

Khi phối hợp hai lớp p-n với nhau điều này dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc p-n. Các điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và ngược lại những lỗ trống lớp p chuyển sang lớp n do quy trình trung hòa về điện. Một loại sản phẩm của quy trình này là làm ion tích điện, tạo ra một điện trường

Có các loại chất bán dẫn nào ?

Chất bán dẫn là gì ? Như chúng ta đã biết thì tinh thể silic là vật liệu bán dẫn rất phổ biến hiện nay được sử dụng trong vi điện tử và quang điện. Tuy nhiên thì vẫn tồn tại một số chất khác có các tính chất giống như tính chất mà một chất bán dẫn cần có như:

• 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, Ce, Te)
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm III, V: kết tinh với mức độ cân bằng hóa học cao và hầu hết có thể thu được với 2 dạng P và N. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử.
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm II, VI: thường là loại P nhưng trừ ZnTe và ZnO là loại N.
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm I, VII
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV, VI
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm V, VI
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm II, V
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm I, III, VI
• Oxit
• Màng mỏng bán dẫn
• Chất bán dẫn từ
• Chất bán dẫn hữu cơ được làm từ các hợp chất hữu cơ
• Tổ hợp chuyển phí
• ,…

Vùng nguồn năng lượng trong chất bán dẫn là gì ?

Tính chất dẫn điện của những vật tư rắn được lý giải nhờ triết lý vùng nguồn năng lượng. Như ta biết, điện tử sống sót trong nguyên tử trên những mức nguồn năng lượng gián đoạn ( những trạng thái dừng ). Nhưng trong chất rắn, khi mà những nguyên tử phối hợp lại với nhau thành những khối, thì những mức nguồn năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành những vùng nguồn năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là :

Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng.

• Vùng hóa trị (Valence band): là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
• Vùng dẫn (Conduction band): vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
• Vùng cấm (Forbidden band): là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Vùng năng lượng của chất bán dẫn
Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

• Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.
• Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt  là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

Trong đó :

Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn hoàn toàn có thể biến hóa nhờ những kích thích nguồn năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, những điện tử sẽ hấp thu nguồn năng lượng từ photon, và hoàn toàn có thể nhảy lên vùng dẫn nếu nguồn năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên do dẫn đến sự biến hóa về đặc thù của chất bán dẫn dưới tính năng của ánh sáng ( quang-bán dẫn ) .

Bán dẫn pha tạp:

Chất bán dẫn loại P:

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

Chất bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại N:

Chất bán dẫn loại N ( bán dẫn âm – Negative ) có tạp chất là những nguyên tố thuộc nhóm V, những nguyên tử này dùng 4 electron tạo link và một electron lớp ngoài link lỏng lẻo với nhân, đấy chính là những electron dẫn chính. Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Photpho ( P. ) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P. link với 4 nguyên tử Si theo link cộng hoá trị, nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia link và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do => Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử ( mang điện âm ) và được gọi là bán dẫn N ( Negative : âm ) .

Chất bán dẫn loại N
Chất bán dẫn không suy biến là chất có nồng độ hạt dẫn không cao, chất bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn hơn 10^20 nguyên tử/cm3 được gọi là bán dẫn suy biến và có tính chất giống như kim loại vì vậy nó dẫn điện tốt, năng lượng của hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn suy biến không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Có thể lý giải một cách đơn thuần về bán dẫn pha tạp nhờ vào kim chỉ nan vùng nguồn năng lượng như sau : hi pha tạp, sẽ Open những mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính những mức này khiến cho điện tử thuận tiện chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống thuận tiện chuyển dời xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật tư. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm biến hóa lớn đặc thù dẫn điện của chất bán dẫn .

Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N:

Tại lớp chuyển tiếp P-N, có sự khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán loại n. khi electron gặp lỗ trống, chúng link và một cặp electron và lỗ trống biến mất. Ở lớp chuyển tiếp P-N hình thành lớp nghèo ( không có hạt tải điện ) .
Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn N có những ion đô-nô tích điện dương, ở về phía bán dẫn loại P. có những axepto tích điện âm. Điện trở của lóp nghèo rất lớn .

Vì sao nói lớp chuyển tiếp P-N có tính chất chỉnh lưu ? Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn P sang bán dẫn 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.

Ví dụ Điôt bán dẫn thực ra là một lớp chuyển tiếp P-N. Vì dòng điện hầu hết chỉ chạy qua điôt theo chiều từ P. đến N, nên khi nối nó vào mạch điện xoay chiều, dòng điện cũng chỉ chạy theo một chiều. Ta nói điôt bán dẫn có tính chỉnh lưu nên được dùng để lắp mạch chỉnh lưu, biến điện xoay chiều thành một chiều .

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.

Mô hình liên kết của các nguyên tử Silic. Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ngoài cùng tham gia vào liên kết với các nguyên tử Si ở bên cạnh. Ở điều kiện nhiệt độ thấp xung quanh mỗi nguyên tử Si ở lớp ngoài cùng có 8 electron => Si không dẫn điện vì không có hạt tải điện chuyển động cho dù được đặt trong điện trường.

• Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa các nguyên tử Si có thể bị phá vỡ vì chuyển động nhiệt, electron có thể tách khỏi liên kết để tạo thành electron tự do. Electron thoát khỏi liên kết “ra đi” để lại một khoảng trống trong liên kết giữa các phân tử Si (gọi tắt là lỗ trống)
• Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa các nguyên tử Si kém bền vững e có thể thoát ra tạo thành electron tự do đồng thời tạo ra lỗ trống.

Nếu nhiều link bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao sẽ có nhiều electron tự do và lỗ trống được tạo ra. Trong quy trình hoạt động nhiệt hỗn loạn, những electron tự do hoàn toàn có thể hoạt động đến vị trí của lỗ trống lấp đầy nó tạo ra link mới khiến những lỗ trống mới được tạo ra ở những vị trí khác nhau trong link của những nguyên tử Si, hay nói cách khác electron tự do hoạt động cũng làm cho những lỗ trống này hoạt 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 hai đầu chất bán dẫn các electron và lỗ trống sẽ chuyển động thành dòng ngược chiều nhau tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn.

Ứng dụng chất bán dẫn hiện nay:

Vì chất bán dẫn không được bày bán một cách phổ thông trong các cửa hàng giống như các thiết bị điện, nên nó có thể khó hình dung với nhiều người. Tuy nhiên thì trong thực tế, nó được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện nay. Chúng là những nhân tố cấu thành nên các linh kiện điện tử như diode, transistor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…Một số ứng dụng nổi bật có thể dễ dàng hình dung như:

• • Cảm biến nhiệt độ được trong điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn. Nồi cơm điện có thể nấu cơm một cách hoàn hảo là nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác có sử dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn.
  • Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số như điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và bóng đèn LED cũng sử dụng chất bán dẫn.

• Ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng, chất bán dẫn cũng đóng một vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, xe lửa, internet, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội, chẳng hạn như trong mạng lưới y tế được sử dụng để cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe người cao tuổi, vv… Thêm vào đó, hệ thống hậu cần hiệu quả sẽ giúp tiết kiệm năng lượng, thúc đẩy việc bảo tồn môi trường toàn cầu.

Lời kết:

Trên đây là một số thông tin và kiến thức cơ bản về Chất bán dẫn là gì ?. Hy vọng nó sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu, vì là kiến thức cá nhân và thu thập được trên các trang mạng nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp của các bạn để bài viết được hoàn hảo hơn.

Source: https://dvn.com.vn
Category: Điện Tử