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

Chu Văn An

Chất bán dẫn là gì? Có những loại chất bán dẫn nào? Các tính chất của chất bán dẫn là gì? Ứng dụng của chất bán dẫn là gì? Đó là những câu hỏi mà LabTrường Chu Văn An nhận được từ rất nhiều độc giả trong thời gian gần đây. Nếu bạn cũng có những thắc mắc này thì hãy theo dõi bài viết dưới đây cùng chúng tôi nhé.

Chất bán dẫn là một trong những yếu tố quan trọng tạo nên các linh kiện hoàn chỉnh

Chất bán dẫn là gì?

– Chất bán dẫn là những chất có độ dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện (nói chung là kim loại) và chất cách điện (như hầu hết đồ gốm sứ).

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

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

– Khi hai chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc. Đặc tính của các hạt mang điện như electron, ion và lỗ trống electron trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo ra điốt, 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 tinh khiết) là chất bán dẫn không có tạp chất, điển hình là Silicon hoặc 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 với các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị, tạo nên chất bán dẫn trung hòa điện ở điều kiện nhiệt độ thấp.

Chất bán dẫn tinh khiết

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

– Độ dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất tỉ lệ thuận với nhiệt độ, tức là tăng hoặc giảm.

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

2. Chất bán dẫn được pha tạp tạp chất

2.1. Chất bán dẫn loại P

– Chất bán dẫn loại P (chất bán dẫn dương) có tạp chất là nguyên tố nhóm III, xuất hiện khi tạp chất như boron chỉ có 3 electron ở lớp hóa trị.

– Khi một lượng nhỏ chất hóa trị ba được kết hợp vào tinh thể, các nguyên tử của 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 nên một lỗ trống sẽ được tạo ra.

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

Chất bán dẫn loại P

2.2. Chất bán dẫn loại N

– Chất bán dẫn loại N (chất bán dẫn âm) có tạp chất là các nguyên tố nhóm V, xuất hiện khi tạp chất là nguyên tố có 5 electron ở lớp hóa trị.

– Khi thêm một lượng nhỏ chất hóa trị V như phốt pho vào cấu trúc tinh thể của silicon, mỗi nguyên tử sẽ liên kết với 4 nguyên tử silicon liền kề. Vì phốt pho có năm electron trong lớp vỏ hóa trị của nó, nên chỉ có bốn trong số chúng sẽ liên kết với các nguyên tử silicon lân cận bằng liên kết cộng hóa trị trong khi electron hóa trị thứ năm không còn gì để liên kết, trở thành một electron tự do.

=> Chất bán dẫn được tạo ra theo cách này có điện tích âm và được gọi là chất bán dẫn loại N (Âm: Âm).

Chất bán dẫn loại N

Tính chất đặc trưng của chất bán dẫn

1. Hiệu ứng trường (bán dẫn)

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

– Các electron từ lớp P sẽ di chuyển về lớp N và ngược lại làm cho các lỗ trống ở lớp N chuyển sang lớp P do quá trình trung hòa điện.

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

2. Tính không đồng nhất

Khi hai vật liệu bán dẫn có độ pha tạp khác nhau được kết nối với nhau, sự trao đổi electron và lỗ trống giữa các vật liệu này sẽ xảy ra và sẽ hình thành một dị thể.

– Chất bán dẫn pha tạp N có dư electron trong khi chất bán dẫn pha tạp P có quá nhiều lỗ trống.

– Sự trao đổi electron và lỗ trống sẽ diễn ra cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng bằng một quá trình gọi là tái hợp, khiến các electron chuyển động từ loại N tiếp xúc với các lỗ chuyển động từ loại N.

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

3. Electron bị kích thích

– Sự chênh lệch điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ làm vật liệu bán dẫn mất cân bằng nhiệt và cung cấp electron, lỗ trống cho hệ thông qua quá trình khuếch tán xung quanh.

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

– Quá trình hình thành và phá hủy các electron, lỗ trống được gọi là sự thế hệ và tái hợp.

4. Độ dẫn thay đổi

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

– Chất bán dẫn được pha tạp tạp chất loại N và P có thể hoạt động giống như vật liệu dẫn điện vì chúng thừa hoặc thiếu electron làm mất cân bằng lượng electron và cho phép dòng điện chạy qua vật liệu.

5. Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao nên thường được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện khả năng quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử.

6. Phát xạ nhẹ

– Với một số chất bán dẫn, khi các electron bị kích thích, chúng có thể giãn ra bằng cách phát ra ánh sáng thay vì sinh nhiệt.

– Chất bán dẫn có tính phát xạ nhẹ được sử dụng để sản xuất điốt phát quang và chấm lượng tử huỳnh quang.

7. Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có thành phần năng lượng nhiệt điện lớn được sử dụng trong máy phát nhiệt điện.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

– Là một trong những yếu tố quan trọng trong việc tạo ra các linh kiện hoàn chỉnh như điốt, bóng bán dẫn, thẻ nhớ, SSD, HDD,… Các linh kiện này thông qua sự phối hợp, lắp ráp và kết nối với nhau sẽ tạo nên các bảng mạch điện tử.

Một số ứng dụng của chất bán dẫn silicon

– Chất bán dẫn giúp tạo ra các thiết bị điện như rơle bán dẫn, linh kiện bán dẫn, bóng bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến mức, điốt bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, CT dòng điện, PLC, bộ biến tần,…

– Chất bán dẫn được tìm thấy trong nhiều thiết bị điện tử ngày nay, ví dụ:

+ Cảm biến nhiệt độ điều hòa.

+ Bộ xử lý CPU máy tính.

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu cho điện thoại, tivi,..

– Chất bán dẫn đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của máy ATM, internet, thiết bị trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, tàu hỏa, v.v.

Hy vọng qua những thông tin mà labvietchem đưa ra ở bài viết trên các bạn đã hiểu rõ Chất bán dẫn là gì? Phân loại và ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống. Để bài viết này được hoàn thiện hơn, chúng tôi rất mong nhận được phản hồi của các bạn bằng cách để lại bình luận bên dưới.