Tìm hiểu về chất bán dẫn là gì? Tính chất và thuộc tính

Tìm hiểu về chất bán dẫn là gì? Tính chất và thuộc tính

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là một loại vật liệu có khả năng dẫn điện ở mức trung bình giữa các chất dẫn và chất cách điện. Các chất bán dẫn thường được làm từ các nguyên tố như silic và germani, hoặc từ các hợp chất như gallium arsenide. Những nguyên tố và hợp chất này có cấu trúc tinh thể đặc biệt cho phép chúng có tính chất bán dẫn.

Các thành phần của các chất bán dẫn có thể được tinh chế và kiểm soát chính xác để tạo ra các vật liệu với tính chất khác nhau. Các chất này được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm các vi mạch điện tử, cảm biến, đèn LED, các loại điện tử công suất và nhiều thiết bị khác.

Tính chất của chất bán dẫn

  • Chất bán dẫn có điện trở thấp hơn so với các vật liệu cách điện nhưng lại cao hơn so với các vật liệu dẫn điện.
  • Tốc độ phản hồi nhanh hơn so với các vật liệu cách điện, làm cho chúng rất phù hợp cho việc sử dụng trong các ứng dụng điện tử.
  • Khả năng hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp hơn so với các vật liệu dẫn điện, tuy nhiên cũng không thể chịu nhiệt độ cao như kim loại.
  • Có khả năng dẫn điện chỉ khi có những tác nhân bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng hoặc tác nhân điện trường ảnh hưởng đến chúng.
  • Kích thước tinh thể của chất bán dẫn quan trọng vì nó có thể ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của chúng. Chẳng hạn như, khi kích thước tinh thể giảm đi, điện trở của chất bán dẫn sẽ tăng lên.

Tính dẫn điện của chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là loại vật liệu có khả năng dẫn điện giữa chất dẫn và chất cách điện. Tuy nhiên, vật liệu này lại có tính chất dẫn điện thấp hơn so với các chất dẫn như đồng hoặc kim loại.

Ở 0 độ tuyệt đối toàn bộ các điện tử ở vùng hóa trị thì lúc đó chất bán dẫn sẽ không dẫn điện. Trường hợp nhiệt độ tăng dần lên mức độ cao nhất, một số điện tử sẽ vượt qua vùng cấm, nhảy lên vùng dẫn. Khi đó chất rắn trở thành vật liệu dẫn điện. Trường hợp khi nhiệt độ lên cao, mật độ điện tử trên vùng dẫn điện tăng nhanh sẽ có tính dẫn điện tăng theo nhiệt độ.

Ngoài ra tính dẫn điện của chất bán dẫn còn có thể thay đổi thông qua năng lượng ánh sáng khi chiếu vào. Khi chiếu sáng vào vật liệu các điện tử hấp thụ năng lượng từ photon. Chúng sẽ nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Chính vì thế tính chất bán dẫn sẽ thay đổi dưới tác động của ánh sáng.

Các thuộc tính đặc trưng của chất bán dẫn

Hiệu ứng trường (bán dẫn)

Trường hợp kết hợp tổng 2 lớp P – N với nhau sẽ xuất hiện diện tích trao đổi tại lớp tiếp xúc P – N.

Các điện tử P sẽ chuyển sang lớp N và ngược lại, khiến cho các lỗ trống N chuyển về lớp P do quá trình trung hòa về điện.

Dị thể

Trường hợp khi 2 vật liệu bán dẫn pha tạp liên kết với nhau hình thành sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa các vật liệu này sẽ xảy ra và hình thành dị thể.

Chất bán dẫn pha tạp N có thừa các electron còn chất bán dẫn pha tạp P lại có nhiều lỗ trống. Sự trao đổi điện tích và lỗ trống sẽ xảy ra liên tục đến khi có trạng thái cân bằng hình thành bởi một quá trình gọi là tái hợp. Khiến các electron di chuyển từ N tiếp xúc với các lỗ di chuyển từ loại N

Electron kích thích

Sự khác biệt về điện thế trên các vật liệu bán dẫn khiến mất đi trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp các electron, lỗ trống cho hệ thống thông qua quá trình khuếch tán xung quanh. Khi sự cân bằng nhiệt xuất hiện sự xáo trộn khiến nó mất đi trạng thái cân bằng nhiệt và cung cấp thêm các electron. Các lỗ trống của hệ thống thông qua quá trình khuếch tán xung quanh hệ thống hình thành. Nguyên nhân chính được cho là sự chênh lệch nhiệt độ hoặc proton có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron lỗ trống.

Độ dẫn điện biến đổi

Xuất hiện ở trạng thái tự nhiên các chất bán dẫn điện thường kém hơn. Các chất bán dẫn có tỷ lệ pha tạp chất N, P có thể hoạt động giống như vật liệu bán dẫn điện vì chúng bị thừa hoặc thiếu điện tử khiến lượng điện tử không cân bằng và cho phép dòng điện đi qua một vật liệu.

Chất bán dẫn có pha tạp chất loại N, P có thể hoạt động không giống như vật liệu dẫn điện vì chúng có thể bị thừa hoặc thiếu điện tử khiến lượng điện tử không cân bằng và cho phép dòng điện chạy qua vật liệu.

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính chất dẫn điện cao vì thế chúng được dùng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử vận hành.

Phát xạ nhẹ

Với một số chất bán dẫn nhất định khi các electron bị kích thích, nó có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo nhiệt.

Chất bán dẫn có phản xạ nhẹ được ứng dụng để sản xuất các diode phát sang thêm và chấm lượng tử huỳnh quang.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có nhiều yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn được sử dụng trong các nhà máy phát nhiệt điện.

Phân loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn là một loại vật liệu vô cùng quan trọng trong công nghệ điện tử và các ứng dụng liên quan đến điện. Chúng được phân loại thành hai loại chính là:

Chất bán dẫn tinh khiết

Là vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh khiết và không chứa các tạp chất khác. Vật liệu bán dẫn tinh khiết có thể được sản xuất thông qua các phương pháp raffinage như tinh chế bằng phương pháp phun plasma hoặc phương pháp Czochralski. Những chất bán dẫn tinh khiết như Silic, Germani và Gallium Arsenide được sử dụng trong nhiều ứng dụng như sản xuất vi mạch, các linh kiện điện tử và năng lượng mặt trời.

Chất bán dẫn pha tạp chất

Là vật liệu bán dẫn có chứa các pha tạp chất khác nhau, có thể là các nguyên tố hoặc hợp chất khác. Các pha tạp chất này có thể có tác động đến tính chất điện tử của chất bán dẫn, làm giảm hiệu suất hoặc đưa ra tính chất đặc biệt cho ứng dụng cụ thể. Ví dụ, Boron được sử dụng làm pha tạp chất trong Silic để tạo ra chất bán dẫn p-type và Phosphorus được sử dụng làm pha tạp chất để tạo ra chất bán dẫn n-type. Chất bán dẫn pha tạp chất cũng được sử dụng trong các ứng dụng như điện tử, cảm biến và điện tử công nghiệp.

Ứng dụng chất bán dẫn trong đời sống

Sau đây là một số ứng dụng của vật liệu bán dẫn trong đời sống:

Thiết bị điện tử: Vật liệu bán dẫn được sử dụng để sản xuất nhiều loại thiết bị điện tử, bao gồm các chip điện tử, vi điều khiển, vi xử lý, các thiết bị nhớ, màn hình LCD, đèn LED, cảm biến, và nhiều thiết bị khác.

Năng lượng mặt trời: Vật liệu bán dẫn được sử dụng để sản xuất các tấm pin mặt trời. Nhờ vào tính chất dẫn điện của chúng, các tế bào pin mặt trời này có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện.

Đèn LED: Đèn LED là một loại đèn sử dụng chất bán dẫn để tạo ra ánh sáng. Đèn LED tiết kiệm năng lượng hơn so với các loại đèn khác, và chúng cũng có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau.

Xử lý nước: Vật liệu bán dẫn được sử dụng để sản xuất các cảm biến đo chất lượng nước và các hệ thống xử lý nước để loại bỏ các chất ô nhiễm.

Y tế: Vật liệu bán dẫn được sử dụng trong sản xuất các thiết bị y tế như máy đo huyết áp, đồng hồ đo nhịp tim, các thiết bị chẩn đoán hình ảnh, và các thiết bị cộng hưởng từ (MRI).

Trên đây là toàn bộ thông tin về vật liệu chất bán dẫn và ứng dụng của vật liệu trong thực tiễn. Hy vọng rằng những thông tin trong bài viết sẽ giúp mọi người hiểu và sử dụng vật liệu này đúng cách nhất.

Rate this post

Để lại một bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *