Chất bán dẫn là gì ? Các điều cần biết về chất bán dẫn ( Semiconductors)

1. Chất bán dẫn là gì ?

Là loại vật liệu có khả năng dẫn điện ở mức trung bình giữa các chất dẫn điện và các chất cách điện. Nó thường được làm từ các nguyên tố như silic và germani, và có thể được tinh chế để tạo ra các thiết bị điện tử như transistor, IC (vi mạch tích hợp) và các loại thiết bị khác.

Các tính chất điện tử của chất bán dẫn được điều khiển bằng cách thêm hoặc loại bỏ các tạp chất để tạo ra các loại  khác nhau, có khả năng dẫn điện hoặc cách điện khác nhau. Sự phát triển của nó đã có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử và các công nghệ liên quan.

2. Phân loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn có thể được phân loại dựa trên các đặc tính khác nhau, nhưng thông thường chúng được phân loại theo cấu trúc tinh thể và các tính chất điện tử của chúng. Dưới đây là một số phân loại chính của nó:

Theo cấu trúc tinh thể:

Nó có thể có cấu trúc tinh thể tinh khiết (single-crystal), đa tinh (polycrystalline) hoặc vô định hình (amorphous).

Theo nguyên liệu:

Nó có thể được chế tạo từ nhiều nguyên liệu khác nhau, như silic, germani, gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC), selenide (CdSe) và nhiều loại vật liệu khác.

Theo loại tài liệu dot tăng:

Nó có thể được tạo thành từ các tài liệu dot tăng P-type hoặc N-type, tùy thuộc vào các đặc tính điện tử mà chúng muốn đạt được.

Theo ứng dụng:

Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, như thiết bị điện tử, mạch tích hợp, điện tử công suất, tia laser, năng lượng mặt trời và nhiều ứng dụng khác.

Các phân loại  này không chỉ giúp người ta hiểu rõ hơn về tính chất và ứng dụng của chúng, mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế và sản xuất các thiết bị điện tử và các ứng dụng khác.

3. Cấu tạo của chất bán dẫn

Chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể và được tạo thành bởi các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị để tạo ra lưới tinh thể. Trong lưới tinh thể của nó, các nguyên tử sắp xếp theo một mẫu lặp lại, tạo thành một cấu trúc tinh thể đặc biệt. Cấu trúc tinh thể của nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất điện tử của nó.

Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn có thể là hệ tinh thể cubic (cấu trúc tinh thể lập phương), hệ tinh thể hexagonal (cấu trúc tinh thể lục giác), hay hệ tinh thể tetragonal (cấu trúc tinh thể tứ diện). Cấu trúc tinh thể này quyết định đến các tính chất điện tử như cách mà các electron di chuyển trong vật liệu và khả năng dẫn điện của nó.

Chất bán dẫn cũng có thể được tinh chế để có các tạp chất được thêm vào để kiểm soát các tính chất điện tử. Điều này làm thay đổi cấu trúc tinh thể và các tính chất điện tử của nó.

Trong cấu trúc tinh thể của nó, các electron được liên kết chặt chẽ với các nguyên tử và di chuyển trong các mô hình đặc biệt gọi là vùng dẫn và vùng phản đối. Khi áp dụng một điện áp bên ngoài, electron có thể được kích thích từ vùng phản đối lên vùng dẫn, tạo ra dòng điện chạy qua nó.

4. Ứng dụng của chất bán dẫn

Nó là vật liệu cực kỳ quan trọng và có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

Thiết bị điện tử:

Nó được sử dụng để sản xuất các thiết bị điện tử như transistor, diode, IC, LED, cảm biến, mạch tích hợp, vi xử lý, điện tử tương tự và số, các linh kiện điện tử khác.

Năng lượng mặt trời:

Nó được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện từ năng lượng mặt trời.

Tia laser:

Nó cũng được sử dụng để tạo ra tia laser trong các ứng dụng như thăm dò khoáng sản, khoa học và y tế.

Điện tử công suất:

Nó cũng được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử công suất như điều khiển motor, biến tần, bộ điều khiển quạt, mạch xung và các thiết bị điện tử công suất khác.

Cảm biến:

Nó được sử dụng trong các cảm biến như cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm và các loại cảm biến khác.

Công nghệ xử lý tín hiệu:

Nó được sử dụng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu như hệ thống truyền thông, mạng máy tính, xử lý ảnh và âm thanh.

Các ứng dụng của chất bán dẫn đóng vai trò rất quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và tính năng của các thiết bị điện tử, đồng thời cũng giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5. Các thuộc tính đặc trưng của chất bán dẫn

Các thuộc tính đặc trưng của chất bán dẫn bao gồm:

Điện trở:

Có khả năng dẫn điện tốt hơn các chất cách điện, nhưng lại có điện trở cao hơn kim loại.

Độ dẫn điện:

Có khả năng dẫn điện cao hơn chất cách điện, nhưng lại có độ dẫn điện thấp hơn kim loại.

Điện thế bề mặt:

Có khả năng hấp thụ điện tĩnh, đặc biệt là tại bề mặt.

Đặc tính nhiệt độ:

Có khả năng chịu nhiệt tốt và có hệ số nhiệt dẫn thấp hơn kim loại.

Độ dẫn ánh sáng:

Có khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng, đặc biệt là tại bề mặt.

Độ bền:

Có độ bền cao và ít bị ảnh hưởng bởi các tác nhân bên ngoài như độ ẩm, oxy hóa, ánh sáng, nhiệt độ và hóa chất.

Độ dẫn nhiệt:

Có khả năng dẫn nhiệt tốt, tuy nhiên không bằng kim loại.

Các thuộc tính đặc trưng của chất bán dẫn làm cho chúng trở thành vật liệu quan trọng trong sản xuất các thiết bị điện tử và nhiều ứng dụng khác.

 

6. Hạt tải điện trong chất bán dẫn là gì?

Hạt tải điện (hay còn gọi là electron hole) trong chất bán dẫn là một khái niệm quan trọng trong vật lý điện tử của nó. Hạt tải điện là những “lỗ trống” trong cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn, được hình thành khi một electron được tách khỏi nguyên tử củanó. Trái ngược với hạt tải điện là electron tự do, được hình thành khi một electron di chuyển từ vùng tĩnh điện vào trong vùng dẫn điện của chất bán dẫn.

Hạt tải điện chơi một vai trò quan trọng trong hoạt động của các thiết bị điện tử sử dụng chất bán dẫn như transistor, đèn LED và solar cell. Trong các ứng dụng này, chất bán dẫn được tùy chỉnh để tạo ra các vùng dẫn điện và vùng tĩnh điện, và việc điều khiển sự di chuyển của hạt tải điện và electron tự do giúp điều khiển luồng điện trong các thiết bị này.

7. Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn

Dòng điện trong chất bán dẫn được tạo ra bởi sự di chuyển của hai loại hạt tải điện và electron tự do. Khi một điện trường được áp dụng vào một chất bán dẫn, nó có thể tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa các vùng tĩnh điện và vùng dẫn điện .

Sự chênh lệch điện thế này khiến cho các hạt tải điện và electron tự do được kích thích và di chuyển trong chất bán dẫn. Hạt tải điện di chuyển từ vùng tĩnh điện sang vùng dẫn điện, trong khi electron tự do di chuyển từ vùng dẫn điện sang vùng tĩnh điện. Quá trình này tạo ra dòng điện trong nó.

Tuy nhiên, dòng điện trong chất bán dẫn có một số đặc tính khác biệt so với dòng điện trong các chất dẫn điện khác như kim loại. Trong đó, hạt tải điện và electron tự do không di chuyển độc lập, mà chúng phải tương tác với nhau thông qua quá trình tái kết hợp để tạo ra dòng điện. Sự tương tác này làm cho tỉ lệ giữa dòng điện và điện áp trong chất bán dẫn không phụ thuộc tuyến tính, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, độ dốc và đặc tính vật lý của chất bán dẫn.

Vì vậy, để đảm bảo hoạt động chính xác của các thiết bị điện tử sử dụng chất bán dẫn, nhà sản xuất cần thiết kế và tinh chỉnh các thông số vật lý của chất bán dẫn để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của các ứng dụng cụ thể.

8. Lời kết

Chất bán dẫn là một trong những vật liệu quan trọng nhất trong ngành công nghiệp điện tử và viễn thông. Tính chất đặc biệt của nó đã giúp cho các nhà khoa học và kỹ sư phát triển ra những thiết bị điện tử và viễn thông hiện đại như transistor, vi điều khiển, chip, solar cell, LED, cảm biến, và nhiều ứng dụng khác.

Việc hiểu biết về nó sẽ giúp cho chúng ta có cái nhìn toàn diện hơn về ngành công nghiệp điện tử và viễn thông, cũng như các sản phẩm và thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày.

Các bạn có thể tham khảo thêm các bài viết khác tại đây.

The post Chất bán dẫn là gì ? Các điều cần biết về chất bán dẫn ( Semiconductors) appeared first on ntengineering.com.vn.