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

ĐH KD & CN Hà Nội 18/02/2023

0 9 9 minutes read

Bạn đang xem: Chất bán dẫn là gì? Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống tại TRƯỜNG ĐH KD & CN Hà Nội

Chất bán dẫn là gì? Có những loại chất bán dẫn nào? Tính chất bán dẫn? Nêu ứng dụng của chất bán dẫn? Nếu bạn đang có những thắc mắc này, hãy cùng ĐH KD & CN Hà Nội giải đáp trong bài viết dưới đây nhé!

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là gì? Tầm quan trọng trong lĩnh vực công nghệ - Thegioididong.com

– Chất bán dẫn hoặc Chất bán dẫn là chất có độ dẫn trung gian giữa chất dẫn điện (thường là kim loại) và chất cách điện (chẳng hạn như hầu hết gốm sứ).

Chất bán dẫn có thể là nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide) và chúng hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và dẫn điện ở nhiệt độ phòng.

– Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất và nó phụ thuộc vào loại tạp chất được thêm vào.

Khi hai chất bán dẫn khác nhau được liên kết với nhau, một điểm nối được hình thành. Các tính chất của các hạt mang điện như electron, ion và lỗ trống trong mối nối này tạo thành cơ sở cho các điốt, bóng bán dẫn và thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Phân loại chất bán dẫn

1. Chất bán dẫn tinh khiết

– Chất bán dẫn tinh khiết (bán dẫn tinh khiết) là chất bán dẫn không có tạp chất, điển hình là Silicon hoặc Germanium. Chúng còn được gọi là chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV.

– Mỗi nguyên tử của nguyên tố nhóm IV có 4 electron ở lớp ngoài cùng liên kết với các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị tạo thành chất bán dẫn trung hòa về điện ở nhiệt độ thấp.

Điện trở suất của chất bán dẫn tinh khiết rất cao ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi nhiệt độ tăng.

– Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tỉ lệ thuận với nhiệt độ, tức là cả hai cùng tăng hoặc cùng giảm.

Hệ số nhiệt trở của chất bán dẫn tinh khiết là âm.

2. Chất bán dẫn pha tạp chất

2.1. chất bán dẫn loại P

– Bán dẫn loại P (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố nhóm III, xảy ra khi các tạp chất như bo chỉ có ba electron ở lớp vỏ hóa trị.

– Khi một lượng nhỏ chất hóa trị ba được kết hợp vào tinh thể, nguyên tử chất đó có thể liên kết với bốn nguyên tử silic theo liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, vì nó chỉ có ba electron để cung cấp, nên một lỗ trống được tạo ra.

=> Lỗ trống này mang điện tích dương nên chất bán dẫn được pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P (Positive: Tích cực).

2.2. chất bán dẫn loại N

– Bán dẫn loại N (bán dẫn âm) có tạp chất là các nguyên tố nhóm V, xảy ra khi tạp chất là nguyên tố có 5 electron ở lớp vỏ hóa trị.

– Khi một lượng nhỏ chất hóa trị V như phốt pho được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử silic liền kề. Vì phốt pho có 5 electron trong lớp vỏ hóa trị của nó nên chỉ 4 trong số chúng sẽ được liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử silicon lân cận và electron hóa trị thứ năm sẽ không còn gì để liên kết. , trở thành điện tử tự do.

=> Chất bán dẫn được chế tạo theo cách này mang điện tích âm và được gọi là chất bán dẫn loại N (Negative: Âm).

Tính chất đặc trưng của chất bán dẫn

Chất bán dẫn là gì? Ứng dụng của chất bán dẫn vào cuộc sống ngày nay - Chia Sẻ Kiến Thức Điện Việt

1. Hiệu ứng trường (bán dẫn)

– Khi ghép 2 lớp PN lại với nhau sẽ xảy ra sự trao đổi điện tích tại tiếp giáp PN.

– Electron từ P sẽ di chuyển sang lớp vỏ N và ngược lại làm cho các lỗ trống ở lớp N chuyển sang lớp P do hiện tượng trung hòa về điện.

=> Kết quả của quá trình này là ion trở nên tích điện và tạo ra điện trường.

2. Dị tính

Khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp chất khác nhau được nối với nhau sẽ xảy ra sự trao đổi electron và lỗ trống giữa các vật liệu này và tạo thành dị thể.

– Chất bán dẫn pha tạp N có quá nhiều electron và chất bán dẫn pha tạp P có quá nhiều lỗ trống.

– Sự trao đổi electron và lỗ trống sẽ xảy ra cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng bằng một quá trình gọi là tái hợp, quá trình này khiến các electron chuyển động từ loại N tiếp xúc với các lỗ trống chuyển động từ loại N.

=> Kết quả của quá trình này là ion trở nên tích điện và tạo ra điện trường.

3. Electron kích thích

– Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ làm nó mất cân bằng nhiệt và cung cấp các điện tử và lỗ trống cho hệ thông qua quá trình khuếch tán xung quanh.

Khi cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và số lượng electron sẽ thay đổi. Nguyên nhân là do chênh lệch nhiệt độ hoặc các photon có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống.

Quá trình hình thành và tự hủy của điện tử và lỗ trống được gọi là quá trình phát sinh và tái hợp.

4. Độ dẫn thay đổi

Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn là chất dẫn điện kém.

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

5. Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao nên thường được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện khả năng quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử.

6. Phát xạ ánh sáng

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

Chất bán dẫn phát sáng được sử dụng để sản xuất điốt phát quang và chấm lượng tử huỳnh quang.

7. Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Các chất bán dẫn có các phần tử năng lượng nhiệt điện lớn được sử dụng trong các máy phát nhiệt điện.

Dải năng lượng trong chất bán dẫn

Tính dẫn điện của vật liệu rắn được giải thích bằng thuyết dải năng lượng. Như chúng ta đã biết, electron tồn tại trong nguyên tử trên các mức năng lượng không liên tục (trạng thái dừng). Nhưng ở chất rắn, khi các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành khối thì các mức năng lượng này sẽ chồng lấn lên nhau, trở thành các vùng năng lượng và sẽ có 3 vùng chính, đó là:

Vùng hóa trị là vùng có năng lượng thấp nhất trong thang năng lượng, vùng mà các electron liên kết mạnh với nguyên tử và không di động.
Vùng dẫn: Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà các điện tử sẽ linh động (như điện tử tự do) và các điện tử trong vùng này sẽ là điện tử dẫn, nghĩa là chất đó sẽ có khả năng dẫn điện khi có mặt điện tử trong vật dẫn. ban nhạc. Độ dẫn điện tăng khi mật độ electron trong vùng dẫn tăng.
Vùng cấm: Vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nên không thể tồn tại electron trong vùng cấm. Nếu chất bán dẫn được pha tạp, các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp) có thể xảy ra. Khoảng cách giữa đáy của vùng dẫn và đỉnh của vùng hóa trị được gọi là độ rộng vùng cấm, hay độ rộng vùng cấm. Tuỳ thuộc vào độ lớn hay nhỏ của độ rộng vùng cấm mà chất đó có thể dẫn điện hay không dẫn điện.

Như vậy, tính dẫn điện của chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể được giải thích một cách đơn giản bằng thuyết dải năng lượng như sau:

Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị trùng nhau (không có vùng cấm) nên trong vùng dẫn luôn có electron nên kim loại luôn dẫn điện.
Các chất bán dẫn bandgap có một chiều rộng xác định. Ở độ không tuyệt đối (0K), mức Fermi nằm ở giữa vùng cấm, nghĩa là tất cả các điện tử đều tồn tại trong vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các electron sẽ nhận được năng lượng nhiệt, nhưng năng lượng này không đủ để electron vượt qua vùng cấm nên electron vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ lên mức đủ cao, một số electron sẽ thu năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở nên dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng, mật độ electron trong vùng dẫn sẽ tăng nên độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm theo nhiệt độ).

bán dẫn pha tạp

Vật liệu bán dẫn là gì? Các loại vật liệu bán dẫn phổ biến

Bán dẫn loại p (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng lỗ trống (viết tắt của từ tiếng Anh positive, nghĩa là dương). Khi đó lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hoặc đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản hoặc thiểu số.

Một chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm) có tạp chất là các nguyên tố nhóm V, các nguyên tử này sử dụng 4 electron để liên kết và một electron lớp vỏ ngoài cùng liên kết lỏng lẻo với hạt nhân, đó là các electron. dẫn chính. Khi đó, các electron là hạt tải điện cơ bản (hoặc đa số), lỗ trống là hạt tải điện không cần thiết (hoặc thiểu số).

Chất bán dẫn không suy biến là chất có nồng độ hạt tải điện thấp, chất bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn hơn 1020 nguyên tử/cm³ được gọi là chất bán dẫn suy biến và có tính chất giống kim loại nên dẫn điện tốt, năng lượng của hạt tải điện tự do trong chất bán dẫn suy biến không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Chất bán dẫn pha tạp có thể giải thích đơn giản bằng thuyết dải năng lượng như sau: Khi pha tạp sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm ở vùng cấm, các mức này giúp cho các electron dễ dàng di chuyển lên trên. Vùng dẫn hoặc lỗ trống có thể dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để làm cho vật liệu dẫn điện. Vì vậy, chỉ cần pha tạp một lượng rất nhỏ cũng có thể làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

– Là một trong những yếu tố quan trọng để tạo nên các linh kiện hoàn chỉnh như đi-ốt, bóng bán dẫn, thẻ nhớ, SSD, HDD,… Các linh kiện này thông qua sự kết hợp, lắp ráp và kết nối với nhau sẽ tạo nên các bản mạch điện tử.

– Chất bán dẫn giúp chế tạo các thiết bị điện như rơle bán dẫn, linh kiện bán dẫn, bóng bán dẫn, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, đi ốt bán dẫn, bộ chuyển đổi tín hiệu, dòng CT, PLC, biến tần, v.v.

– Chất bán dẫn được tìm thấy trong nhiều thiết bị điện tử ngày nay, ví dụ:

+ Cảm biến nhiệt độ máy lạnh.

+ Bộ xử lý CPU của máy tính.

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu trong điện thoại, tivi,..

– Chất bán dẫn đóng vai trò trung tâm trong hoạt động của máy ATM, internet, thiết bị trong lĩnh vực y tế, tàu hỏa, v.v.

Video về chất bán dẫn

Kết luận

Hy vọng những thông tin trên đã giúp bạn hiểu chất bán dẫn là gì? Phân loại và ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống. Cảm ơn vì đã xem!

Đăng bởi: ĐH KD & CN Hà Nội

Danh mục: Tổng hợp

Bản quyền bài viết thuộc về trường ĐH KD & CN Hà Nội. Mọi sao chép đều là gian lận! Nguồn chia sẻ: ĐH KD & CN Hà Nội (hubm.edu.vn)