Chất bán dẫn là gì? Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

Chất bán dẫn là gì? Có những loại chất bán dẫn nào? Các thuộc tính của chất bán dẫn? Ứng dụng của chất bán dẫn ra sao?  Nếu bạn đang có những thắc mắc này thì hãy cùng THPT Thành Phố Sóc Trăng giải đáp trong bài viết sau nhé!

Chất bán dẫn là gì?

– Chất bán dẫn hay Semiconductor là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện (nói chung là kim loại) và chất cách điện (như hầu hết các loại gốm).

– Chất bán dẫn có thể là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc các hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide)và chúng hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

– Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất và nó phụ thuộc vào loại tạp chất thêm vào.

– Khi 2 chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau sẽ hình thành nên một lớp tiếp xúc. Các tính chất của các hạt mang điện như electron, ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này chính là cơ sở để tạo ra diot, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Phân loại chất bán dẫn

1. Chất bán dẫn tinh khiết

– Chất bán dẫn tinh khiết (chất bán dẫn thuần) là chất bán dẫn không có tạp chất, điển hình là Silicon hay Germanium. Chúng còn được gọi là chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV.

– Mỗi nguyên tử của nguyên tố nhóm IV có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện nhiệt độ thấp.

– Điện trở suất của chất bán dẫn thuần rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi nhiệt độ tăng.

– Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tỷ lệ thuận với nhiệt độ, tức là cùng tăng hoặc cùng giảm.

– Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thuần có giá trị âm.

2. Chất bán dẫn pha tạp chất

2.1. Chất bán dẫn loại P

– Chất bán dẫn loại P (chất bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, xảy ra 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 tích hợp vào tinh thể, nguyên tử chất đó có thể liên kết với bốn nguyên tử silicon theo liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, vì nó chỉ có ba electron để cung cấp nên một lỗ trống được tạo ra.

=> Lỗ này này mang điện tích dương nên chất bán dẫn pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P (Positive: Dương).

2.2. Chất bán dẫn loại N

– Chất bán dẫn loại N (chất bán dẫn âm) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố có năm electron trong lớp vỏ hóa trị.

– Khi một lượng nhỏ chất có hóa trị V như photpho được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử sẽ liên kết với bốn nguyên tử silicon liền kề. Vì photpho có năm electron trong vỏ hóa trị của nó nên chỉ sẽ có bốn trong số đó được liên kết với các nguyên tử silic lân cận theo liên kết cộng hóa trị còn electron hóa trị thứ năm 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 được gọi là chất bán dẫn loại N (Negative : Âm).

Các thuộc tính đặc trưng của chất bán dẫn

1. Hiệu ứng trường (bán dẫn)

– Khi kết hợp hai lớp P – N với nhau, trao đổi điện tích sẽ xảy ra tại lớp tiếp xúc P – N.

– Các điện tử từ P sẽ chuyển sang lớp N và ngược lại, khiến cho các lỗ trống lớp N chuyển sang lớp P do quá trình trung hòa về điện.

=> Kết quả của quá trình này là ion sẽ tích điện và tạo ra một điện trường.

2. Dị thể

Khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau, sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vật liệu này sẽ xảy ra và hình thành nên dị thể.

– 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 xảy ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi là tái hợp, khiến các electron di chuyển từ loại N tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại N.

=> Kết quả của quá trình này là ion sẽ tích điện và tạo ra một điện trường.

3. Electron kích thích

– Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó mất đi trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp các electron, lỗ trống cho hệ thống thông qua quá trình khuếch tán xung quanh.

– Khi sự cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, lượng lỗ trống và electron sẽ thay đổi. Nguyên nhân là sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống.

– Quá trình hình thành và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

4. Độ dẫn điện biến đổi

– Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn là chất dẫn điện kém.

– Chất bán dẫn có pha tạp chất loại N, P có thể hoạt động giống như vật liệu dẫn điện vì chúng bị thừa hoặc thiếu điện tử khiến lượng điện tử không cân bằng và cho phép dòng điện chạy qua vật liệu.

5. Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao, vì vậy chúng thường được dùng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử.

6. Phát xạ nhẹ

– Với một số chất bán dẫn nhất định, khi các electron bị kích thích, nó có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt.

– Chất bán dẫn có phát xạ nhẹ được ứng dụng để sản xuất các diode phát sáng và chấm lượng tử huỳnh quang.

7. Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có các yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn được sử dụng trong các máy phát nhiệt điện.

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

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

• 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.

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 độ không tuyệt đối (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 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).

Bán dẫn pha tạp

Chất bán dẫn loại p (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 đó, lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số).

Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm – negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Khi đó, electron là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản (hay thiểu số).

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 10²⁰ 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 giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho electron dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

– Là một trong những nhân tố quan trọng để tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như diode, transistor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…. Các linh kiện này thông qua sự phối hợp, lắp ghép và liên kết với nhau sẽ tạo nên những bản mạch điện tử.

– Chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện như rơ le bán dẫn, linh kiện bán dẫn, bóng bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, diot bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, CT dòng, PLC, biến tần,…

– Chất bán dẫn có trong rất nhiều thiết bị điện tử ngày nay, ví dụ như:

+ Cảm biến nhiệt độ của điều hòa không khí.

+ Bộ vi xử lý CPU của máy tính.

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu trong các loại điện thoại, TV,…

– Chất bán dẫn có vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM, internet, thiết bị trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, xe lửa,…..

Video về chất bán dẫn

Kết luận

Hy vọng qua những thông tin trên đã giúp các bạn hiểu được chất bán dẫn là gì? Phân loại và những ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống. Cảm ơn các bạn đã theo dõi!