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

Chất bán dẫn 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. Gọi là “bán dẫn”, vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Cùng chúng tôi tìm hiểu thêm thông tin về chất bán dẫn cũng như những ứng dụng của chất bán dẫn trong thực tế là gì bạn nhé!

Chất bán dẫn là gì ?

Chất bán dẫn là gì ? Chất bán dẫn có tên tiếng anh là Semiconductor, là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất, những tạp chất khác nhau 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 tính chất của các hạt mang điện như electron, các ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Bạn đang đọc: Chất bán dẫn là gì ? Những ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

Các thiết bị bán dẫn mang lại một loạt những đặc thù có ích 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 ngắt mạch điện hay quy đổi nguồn năng lượng .

Tính chất của chất bán dẫn

Một số đặc thù đặc trưng của chất bán dẫn mà tất cả chúng ta hoàn toàn có thể khám phá tranh 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 nhu yếu dòng chảy của những điện tử electron và chất bán dẫn có dải hóa trị được lấp đầy, ngăn ngừa hàng loạt dòng chảy của những electron mới. Có 1 số ít kỹ thuật được tăng trưởng được cho phép những vật liệu bán dẫn hoạt động giải trí giống như vật liệu dẫn điện, ví dụ điển hình như doping hoặc gating. Những kỹ thuật này cho ra hai tác dụng : 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 đối 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 thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể gồm có Germanium pha tạp P. và pha tạp N. Điều này dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa những 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 quy đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân đối bởi một quy trình gọi là tái tổng hợp, khiến những electron vận động và di chuyển từ loại N tiếp xúc với những lỗ vận động và di chuyển từ loại P. Sản phẩm của quy trình này là những ion tích điện, là tác dụng trong điện trường .

Electron kích thích

Sự độc lạ về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân đối nhiệt và tạo ra thực trạng không cân đối. Điều này mang 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 liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử sẽ biến hóa. 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 và hủy những electron và lỗ trống được gọi là quy trình tạo và tái hợp .

Phát xạ ánh sáng

Trong một số ít chất bán dẫn nhất định, những electron bị kích thích hoàn toàn có thể hành vi bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. 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 .

Phân loại chất bán dẫn

Như tất cả chúng ta đã biết thì tinh thể silic là vật liệu bán dẫn rất thông dụng lúc bấy giờ được sử dụng trong vi điện tử và quang điện. Tuy nhiên thì vẫn sống sót 1 số ít chất khác có những đặc thù giống như đặc thù 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

Quá trình doping chất bán dẫn là gì?

Độ dẫn của chất bán dẫn hoàn toàn có thể thuận tiện được sửa đổi bằng cách đưa tạp chất vào mạng tinh thể của chúng. Quá trình thêm tạp chất được trấn áp vào chất bán dẫn được gọi là doping. Lượng tạp chất được thêm vào một chất bán dẫn nguyên chất đổi khác để độ dẫn của nó .

Ví dụ : Bán dẫn tinh khiết Silicon có bốn electron hóa trị ; link từng nguyên tử silicon với xung quanh. Trong silicon, những chất dẫn xuất thông dụng nhất là những nguyên tố nhóm III và nhóm V .

Tất cả những nguyên tố nhóm III đều chứa ba electron hóa trị. Khiến chúng hoạt động giải trí như những chất nhận khi được sử dụng để khử silicon .

Khi một nguyên tử gật đầu thay thế sửa chữa một nguyên tử silicon trong tinh thể. Một trạng thái trống ( một “ lỗ ” điện tử ) được tạo ra ; hoàn toàn có thể vận động và di chuyển xung quanh mạng và hoạt động giải trí như một hạt mang điện. Các nguyên tố nhóm V có năm electron hóa trị, được cho phép chúng hoạt động giải trí như một chất cung ứng ; sửa chữa thay thế những 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 quy trình sản xuất, những chất dẫn xuất hoàn toàn có thể được khuếch tán vào thân chất bán dẫn. Bằng cách tiếp xúc với những hợp chất khí của nguyên tố mong ước ; hoặc cấy ion hoàn toàn có thể được sử dụng để xác định đúng mực những vùng pha tạp .

Như vậy, tính dẫn điện của những chất rắn và đặc thù của chất bán dẫn hoàn toàn có thể lý giải một cách đơn thuần nhờ kim chỉ nan vùng nguồn 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 ({\displaystyle k_{B}.T} với {\displaystyle k_{B}} 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:

 

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 đổi khác về đặc thù của chất bán dẫn dưới công dụng 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 những nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện đa phần bằng những 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 link với 4 nguyên tử Si theo link cộng hoá trị và link bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống ( mang điện dương ) và được gọi là chất bán dẫn 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 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 đặc thù giống như sắt kẽm kim loại vì thế nó dẫn điện tốt, nguồn năng lượng của hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn suy biến không nhờ vào vào nhiệt độ. Có thể lý giải một cách đơn thuần về bán dẫn pha tạp nhờ vào triết lý 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 liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm đổi khác 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 đặc thù chỉnh lưu ? Nếu đặt một điện trường có khunh 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 hòn đảo chiều điện trường ngoài, dòng điện không hề chạy từ miền N sang miền P. ( chiều ngược ). Ta nói lớp chuyển tiếp P-N có đặc thù chỉnh lưu .

Ví dụ Điôt bán dẫn thực ra là một lớp chuyển tiếp P-N. Vì dòng điện đa phần 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 link những nguyên tử Si khác tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện kèm theo nhiệt độ thấp .

Mô hình link của những nguyên tử Silic. Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ngoài cùng tham gia vào link với những nguyên tử Si ở bên cạnh. Ở điều kiện kèm theo 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 hoạt động mặc dầu được đặt trong điện trường .

Ở nhiệt độ cao, link giữa những nguyên tử Si hoàn toàn có thể bị phá vỡ vì hoạt động nhiệt, electron hoàn toàn có thể tách khỏi link để tạo thành electron tự do. Electron thoát khỏi link “ ra đi ” để lại một khoảng trống trong link giữa những phân tử Si ( gọi tắt là lỗ trống )

Ở nhiệt độ cao, link giữa những nguyên tử Si kém bền vững và kiên cố e hoàn toàn 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 => link mới được hình thành không tạo ra bất kể điện tích dư thừa nào giống như e + ( – e ) = 0 => những nhà vật lí học coi lỗ trống có điện tích là q = – e = + 1,6. 10-19 C có đặc thù giống như một hạt mang điện dương .

Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu chất bán dẫn những electron và lỗ trống sẽ hoạt 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 đại trà phổ thông trong những shop giống như những thiết bị điện, nên nó hoàn toàn có thể khó tưởng tượng với nhiều người. Tuy nhiên thì trong thực tiễn, nó được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử lúc bấy giờ. Chúng là những tác nhân cấu thành nên những linh phụ kiện điện tử như diode, transistor, những loại thẻ nhớ, SSD, HDD, … Một số ứng dụng điển hình nổi bật hoàn toàn có thể thuận tiện tưởng tượng 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.

Trên đây là những thông tin liên quan đến chất bán dẫn do thegioidienco.vn đã tổng hợp và chia sẻ đến các bạn. Hy vọng rằng qua bài viết này sẽ giúp ích cho các bạn đang nghiên cứu học tập về linh kiện bán dẫn.

Click to rate this post !

[Total:

0

Average: 0]

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments