CHẤT BÁN DẪN: LOẠI, ỨNG DỤNG VÀ VÍ DỤ - DUDAS - 2025

Chất bán dẫn là các phần tử thực hiện chức năng dẫn điện hoặc cách điện có chọn lọc, tùy thuộc vào điều kiện bên ngoài mà chúng phải chịu, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, bức xạ và điện trường hoặc từ trường.

Trong bảng tuần hoàn, có 14 nguyên tố bán dẫn, trong đó nổi bật là silic, germani, selen, cadimi, nhôm, gali, bo, indium và carbon. Chất bán dẫn là chất rắn kết tinh có độ dẫn điện trung bình, vì vậy chúng có thể được sử dụng song song như một chất dẫn điện và chất cách điện.

Nếu chúng được sử dụng làm chất dẫn điện, trong những điều kiện nhất định, chúng cho phép dòng điện lưu thông, nhưng chỉ theo một chiều. Hơn nữa, chúng không có độ dẫn điện cao như kim loại dẫn điện.

Chất bán dẫn được sử dụng trong các ứng dụng điện tử, đặc biệt là để sản xuất các linh kiện như bóng bán dẫn, điốt và mạch tích hợp. Chúng cũng được sử dụng làm phụ kiện hoặc bổ sung cho cảm biến quang học, chẳng hạn như laser trạng thái rắn và một số thiết bị điện cho hệ thống truyền tải điện.

Hiện tại, loại phần tử này đang được sử dụng cho các phát triển công nghệ trong lĩnh vực viễn thông, hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu, cả trong các ứng dụng trong nước và công nghiệp.

Các loại

Có nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau, tùy thuộc vào tạp chất mà chúng có và phản ứng vật lý của chúng với các kích thích môi trường khác nhau.

Chất bán dẫn bên trong

Chúng là những nguyên tố có cấu trúc phân tử được tạo thành từ một loại nguyên tử duy nhất. Trong số các loại chất bán dẫn nội tại này có silico và germani.

Cấu trúc phân tử của chất bán dẫn nội tại là tứ diện; nghĩa là nó có liên kết cộng hóa trị giữa bốn nguyên tử xung quanh, như được trình bày trong hình dưới đây.

Mỗi nguyên tử của chất bán dẫn nội tại có 4 electron hóa trị; nghĩa là 4 electron quay quanh lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử. Lần lượt, mỗi electron này tạo liên kết với các electron lân cận.

Bằng cách này, mỗi nguyên tử có 8 điện tử ở lớp bề ngoài nhất của nó, do đó tạo thành liên kết vững chắc giữa các điện tử và các nguyên tử tạo nên mạng tinh thể.

Do cấu hình này, các electron không di chuyển dễ dàng trong cấu trúc. Do đó, trong điều kiện tiêu chuẩn, chất bán dẫn nội tại hoạt động giống như một chất cách điện.

Tuy nhiên, độ dẫn điện của chất bán dẫn nội tại tăng lên bất cứ khi nào nhiệt độ tăng, vì một số điện tử hóa trị hấp thụ nhiệt năng và tách khỏi các liên kết.

Các điện tử này trở thành các điện tử tự do và nếu được định hướng thích hợp bởi sự chênh lệch thế điện, có thể góp phần tạo ra dòng điện trong mạng tinh thể.

Trong trường hợp này, các electron tự do nhảy vào vùng dẫn và đi đến cực dương của nguồn điện thế (ví dụ như pin).

Chuyển động của các electron hóa trị tạo ra chân không trong cấu trúc phân tử, chuyển thành một hiệu ứng tương tự như hiệu ứng tạo ra bởi điện tích dương trong hệ, đó là lý do tại sao chúng được coi là vật mang điện tích dương.

Sau đó, có một hiệu ứng ngược lại, vì một số điện tử có thể rơi từ vùng dẫn sang vỏ hóa trị giải phóng năng lượng trong quá trình này, được gọi là tái kết hợp.

Chất bán dẫn bên ngoài

Chúng phù hợp bằng cách bao gồm các tạp chất bên trong các dây dẫn bên trong; nghĩa là, bằng cách kết hợp các nguyên tố hóa trị ba hoặc ngũ vị trí.

Quá trình này được gọi là pha tạp và mục đích của nó là tăng độ dẫn điện của vật liệu, cải thiện các tính chất vật lý và điện của chúng.

Bằng cách thay thế một nguyên tử bán dẫn nội tại bằng một nguyên tử của thành phần khác, có thể thu được hai loại bán dẫn ngoại, được trình bày chi tiết dưới đây.

Chất bán dẫn loại P

Trong trường hợp này, tạp chất là một phần tử bán dẫn hóa trị ba; nghĩa là với ba (3) electron trong lớp vỏ hóa trị của nó.

Các yếu tố xâm nhập trong cấu trúc được gọi là các yếu tố pha tạp. Ví dụ về các nguyên tố này cho chất bán dẫn loại P là bo (B), gali (Ga) hoặc indium (In).

Thiếu một điện tử hóa trị để tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị của chất bán dẫn nội tại, chất bán dẫn loại P có một khoảng trống trong liên kết bị thiếu.

Điều này làm cho các electron không thuộc mạng tinh thể đi qua lỗ trống này mang điện tích dương.

Do điện tích dương của khe hở liên kết, các loại dây dẫn này được ký hiệu bằng chữ "P" và do đó, chúng được công nhận là chất nhận electron.

Dòng electron qua các lỗ trống trong liên kết tạo ra dòng điện chuyển động ngược chiều với dòng điện xuất phát từ các electron tự do.

Bán dẫn loại N

Phần tử xâm nhập trong cấu hình được đưa ra bởi các phần tử ngũ giác; nghĩa là những chất có năm (5) electron trong vùng hóa trị.

Trong trường hợp này, các tạp chất được kết hợp vào chất bán dẫn bên trong là các nguyên tố như phốt pho (P), antimon (Sb) hoặc asen (As).

Chất pha tạp có một điện tử hóa trị bổ sung, không có liên kết cộng hóa trị để liên kết, sẽ tự động di chuyển qua mạng tinh thể.

Tại đây, dòng điện di chuyển qua vật liệu nhờ sự dư thừa của các điện tử tự do do chất pha tạp cung cấp. Do đó, chất bán dẫn loại N được coi là chất cho điện tử.

nét đặc trưng

Chất bán dẫn được đặc trưng bởi chức năng kép, hiệu quả năng lượng, tính đa dạng của các ứng dụng và chi phí thấp. Các đặc điểm nổi bật của chất bán dẫn được trình bày chi tiết dưới đây.

- Phản ứng của nó (dẫn điện hoặc cách điện) có thể thay đổi tùy thuộc vào độ nhạy của phần tử với ánh sáng, điện trường và từ trường trong môi trường.

- Nếu chất bán dẫn chịu nhiệt độ thấp, các điện tử vẫn liên kết trong vùng hóa trị và do đó, không có điện tử tự do nào phát sinh cho sự tuần hoàn của dòng điện.

Mặt khác, nếu chất bán dẫn tiếp xúc với nhiệt độ cao, dao động nhiệt có thể ảnh hưởng đến độ bền của liên kết cộng hóa trị của các nguyên tử của nguyên tố, để lại các electron tự do để dẫn điện.

- Độ dẫn điện của chất bán dẫn thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ tạp chất hoặc nguyên tố pha tạp bên trong chất bán dẫn.

Ví dụ, nếu 10 nguyên tử bo được bao gồm trong một triệu nguyên tử silicon, tỷ lệ đó làm tăng độ dẫn điện của hợp chất lên một nghìn lần, so với độ dẫn điện của silicon nguyên chất.

- Độ dẫn điện của chất bán dẫn thay đổi trong khoảng từ 1 đến 10 ^-6 S.cm ^-1 , tùy thuộc vào loại nguyên tố hóa học được sử dụng.

- Chất bán dẫn tổng hợp hoặc chất bán dẫn bên ngoài có thể có các đặc tính quang và điện vượt trội hơn đáng kể so với các đặc tính của chất bán dẫn bên trong.

Các ứng dụng

Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi làm nguyên liệu trong việc lắp ráp các phần tử điện tử là một phần của cuộc sống hàng ngày của chúng ta, chẳng hạn như các mạch tích hợp.

Một trong những yếu tố chính của mạch tích hợp là các bóng bán dẫn. Các thiết bị này thực hiện chức năng cung cấp tín hiệu đầu ra (dao động, khuếch đại hoặc chỉnh lưu) theo một tín hiệu đầu vào cụ thể.

Ngoài ra, chất bán dẫn cũng là vật liệu chính cho điốt được sử dụng trong các mạch điện tử để cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng.

Đối với thiết kế diode, các mối nối bán dẫn bên ngoài loại P và loại N. được hình thành. Bằng cách xen kẽ các phần tử cho và hạt tải điện, một cơ chế cân bằng được kích hoạt giữa cả hai vùng.

Do đó, các điện tử và lỗ trống trong cả hai vùng giao nhau và bổ sung cho nhau khi cần thiết. Điều này xảy ra theo hai cách:

- Xảy ra sự chuyển electron từ vùng loại N sang vùng P. Vùng loại N thu được vùng chủ yếu mang điện tích dương.

- Có sự di chuyển của các lỗ trống mang điện tử từ vùng loại P sang vùng loại N. Vùng loại P thu được điện tích chủ yếu là âm.

Cuối cùng, một điện trường được hình thành gây ra sự lưu thông của dòng điện chỉ theo một hướng; tức là từ khu N đến khu P.

Ngoài ra, việc sử dụng kết hợp các chất bán dẫn bên trong và bên ngoài có thể tạo ra các thiết bị thực hiện các chức năng tương tự như một ống chân không chứa hàng trăm lần thể tích của nó.

Loại ứng dụng này áp dụng cho các mạch tích hợp như chip vi xử lý bao hàm một lượng điện năng đáng kể.

Chất bán dẫn có trong các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như thiết bị vạch nâu như ti vi, đầu máy video, thiết bị âm thanh; máy tính và điện thoại di động.

Ví dụ

Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp điện tử là silicon (Si). Vật liệu này hiện diện trong các thiết bị tạo nên các mạch tích hợp là một phần của cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Hợp kim silicon germani (SiGe) được sử dụng trong các mạch tích hợp tốc độ cao cho radar và bộ khuếch đại của các nhạc cụ điện, chẳng hạn như guitar điện.

Một ví dụ khác về chất bán dẫn là gallium arsenide (GaAs), được sử dụng rộng rãi trong các bộ khuếch đại tín hiệu, đặc biệt cho các tín hiệu có độ lợi cao và mức nhiễu thấp.

Người giới thiệu

1. Brian, M. (nd). Cách hoạt động của chất bán dẫn. Khôi phục từ: Electronics.howstuffworks.com
2. Landin, P. (2014). Chất bán dẫn bên trong và bên ngoài. Đã khôi phục từ: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, M. (nd). Chất bán dẫn. Được khôi phục từ: whatis.techtarget.com
4. Chất bán dẫn (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. London, Vương quốc Anh. Phục hồi từ: britannica.com
5. Chất bán dẫn là gì? (sf). © Tập đoàn Công nghệ cao Hitachi. Phục hồi từ: hitachi-hightech.com
6. Wikipedia, Bách khoa toàn thư miễn phí (2018). Chất bán dẫn. Phục hồi từ: es.wikipedia.org