Chất bán dẫn được biết đến là một trong những loại nguyên liệu dùng để sản xuất một số loại linh kiện bán dẫn như IC, transistor, Diode, SCR,… mà chúng ta thường thấy trong các mạch điện tử ngày này. Ở bài viết này, hãy cùng chúng tôi tìm hiểu về chất bán dẫn là gì? Thuộc tính, các chất bán dẫn phổ biến và một số ứng dụng bạn có thể tham khảo trong nội dung bài viết dưới đây.
Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn (tên tiếng anh là Semiconductor) được biết là một trong những chất có độ dẫn điện và chất cách điện. Giống như tên gọi chất bán dẫn là vật liệu dẫn điện nhưng chỉ 1 phần.
Nói một cách dễ hiểu là chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó hoặc ở một điều kiện khác là sẽ không dẫn điện. Tính bán dẫn có thể được thay đổi khi có các tạp chất, những loại tạp chất khác nhau sẽ tạo ra tính bán dẫn khác nhau.
Hầu hết các chất bán dẫn đều là các tinh thể được làm từ các vật liệu nhất định và phổ biến nhất là silicon, germani.
Thuộc tính của chất bán dẫn
Thuộc tính của chất bán dẫn thường được phân thành 2 loại đó là: Độ dẫn điện và hiệu ứng trường.
- Độ dẫn điện: Các chất bán dẫn có thuộc tính dẫn điện kém ở điều kiện thường, Các kỹ thuật mới hiện nay đã giúp thay đổi đáng kể điều này nhà vào các tạp chất hay hiệu ứng trường cho chất bán dẫn. Khi các tạp chất được thêm vào sẽ tạo ra nhiều lỗ trống và các electron tự do hơn. Do vậy, chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn.
- Hiệu ứng trường: Với sự kết hợp với 2 chất bán dẫn P-N, điều này sẽ dẫn tới việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P-N. Các điện tính từ N sẽ được chuyển sang P và ngược lại các lỗ trống ở lớp P sẽ được chuyển sang lớp N do quá trình trung hòa về điện. Đây được coi là một sản phẩm của quá trình ion tích điện và tạo ra điện trường.
Cách thức hoạt động của chất bán dẫn
Để hiểu cách thức bán dẫn hoạt động, trước tiên bạn phải hiểu một chút về cách thức của các electron được tổ chức trong một nguyên tử. Các electron trong nguyên tử được tổ chức theo các lớp. Các lớp này được gọi là vỏ. Vỏ ngoài cùng được gọi là vỏ hóa trị .
Các electron trong lớp vỏ này là những hạt hình thành liên kết với các nguyên tử lân cận. Liên kết này được gọi là liên kết cộng hóa trị . Hầu hết các dây dẫn chỉ có một electron trong vỏ hóa trị. Mặt khác, chất bán dẫn thường có bốn electron trong vỏ hóa trị của chúng.
Nếu tất cả các nguyên tử lân cận cùng loại, thì tất cả các electron hóa trị có thể liên kết với các electron hóa trị từ một số nguyên tử khác. Khi điều đó xảy ra, các nguyên tử tự sắp xếp thành các cấu trúc gọi là tinh thể . Chất bán dẫn được tạo ra từ các tinh thể như vậy, thường được gọi là tinh thể silicon.
Ở đây, mỗi vòng tròn đại diện cho một nguyên tử silicon và các đường giữa các nguyên tử đại diện cho các điện tử được chia sẻ. Mỗi trong số bốn electron hóa trị trong mỗi nguyên tử silicon được chia sẻ với một nguyên tử silicon lân cận. Do đó, mỗi nguyên tử silicon được liên kết với bốn nguyên tử silicon khác.
Từ các chất bán dẫn ban đầu, người ta tạo ra 2 loại chất bán dẫn đó là chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N, sau đó ghép chúng lại với nhau ta tạo ra được linh kiện bán dẫn như Diode, Transistor.
Các chất bán dẫn pha tạp phổ biến
Các tính thể bán dẫn tinh khiết không phải tất cả đều hữu ích về mặt điện tử. Nhưng nếu, đưa một lượng nhỏ các nguyên tố khác vào tinh thể thì tinh thể sẽ bắt đầu một loạt các quá trình.
Bằng cách kiểm soát cẩn thận các quá trình pha tạp và cách chất dẫn xuất được sử dụng các tinh thể silicon có thể biến đổi thành 2 loại chất bán dẫn riêng biệt đó là: Chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N.
1. Chất bán dẫn loại N
Chất bán dẫn loại N thường được tạo ra từ một nguyên tố có 5 electron trong lớp vỏ hóa trị của nó. Photpho thường là chất được sử dụng.
Các nguyên tử Photpho được tham gia trực tiếp vào cấu trúc tinh thể silicon. Do nguyên tử photpho có 5 electron trong vỏ hóa trị của nó, nhưng chỉ có 4 trong số chúng được liên kết với các nguyên tử lân cận, nên electron hóa trị thứ 5 bị bỏ lại không có gì để liên kết và trở thành một điện tử tự dọ.
Các electron hóa thứ 5 trong các nguyên tử phốt pho bắt đầu hoạt động giống như các electron hóa trị đơn. Chúng được tự do di chuyển bởi vì loại chất bán dẫn này có thêm electron (mang điện tích âm), nên nó được gọi là chất bán dẫn loại N ( Negative : âm ).
2. Chất bán dẫn loại P
Chất bán dẫn loại p thường được tạo ra từ một nguyên tố có 3 electron trong lớp vỏ hóa trị của nó. Boron thường là chất được sử dụng.
Khi một lượng nhỏ được tích hợp vào tinh thể. Do nguyên tử Boron có 3 electron liên kết với 4 nguyên tử Silicon nên một lỗ trống được tạo ra. Lỗ trống này hoạt động giống như một điện tích dương và được gọi là chất bán dẫn P.
Giống như một điện tích dương, lỗ trống thu hút các electron mang điện tích âm. Nhưng khi một electron di chuyển vào một lỗ, electron sẽ để lại một lỗ mới ở vị trí trước đó. Do đó, trong chất bán dẫn loại P, các lỗ liên tục di chuyển xung quanh bên trong tinh thể khi các electron liên tục cố gắng lấp đầy chúng.
