Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) là chất có độ dẫn điện ở tầm mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động và sinh hoạt như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Chất này hoàn toàn có thể dẫn điện ở một tham gia nào đó, hoặc ở một tham gia khác sẽ không còn dẫn điện.

Tính bán dẫn hoàn toàn có thể thay đổi khi có tạp chất, những tạp chất không giống nhau hoàn toàn có thể tạo tính bán dẫn không giống nhau. Trường hợp hai chất bán dẫn không giống nhau được gắn với nhau, nó tiết ra một lớp xúc tiếp. Những tính chất của những hạt mang điện như electron, những ion và lỗ trống điện tử trong lớp xúc tiếp này là cơ sở để tạo thành diot, bóng bán dẫn và những thiết bị điện tử tiến bộ ngày này.

Những thiết bị bán dẫn mang lại một loạt những tính chất hữu ích như hoàn toàn có thể tự điều chỉnh chiều và lối đi của dòng điện theo một hướng khác, thay đổi điện trở nhờ ánh sáng hoặc nhiệt. Vì những thiết bị bán dẫn hoàn toàn có thể thay đổi tính chất trải qua tạp chất hay ánh sáng hoặc nhiệt, nên chúng thường được dùng để làm mở rộng, đóng ngắn mạch điện hay chuyển đổi tích điện.

Ý kiến tiến bộ người ta dùng vật lý lượng tử để phân tích và lý giải những tính chất bán dẫn trải qua sự vận động của những hạt mang điện tích trong cấu trúc tinh thể. Tạp chất làm thay đổi đáng kể tính chất này của chất bán dẫn.

Nếu người ta pha tạp chất và tiết ra nhiều lỗ trống hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại p, trái lại nếu tiết ra nhiều electron vận động tự do hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại n. Việc pha tỷ trọng đúng mực những tạp chất song song phối kết hợp những loại chất bán dẫn p-n với nhau ta hoàn toàn có thể tiết ra những linh phụ kiện điện tử với tỷ trọng hoạt động và sinh hoạt đúng mực cực cao.

Yếu tố silicon, germani và những hợp chất của gallium được tận dụng rộng thoải mái nhất làm chất bán dẫn trong những linh phụ kiện điện tử.[2]

Ứng dụng thực tiễn trước tiên của chất bán dẫn là vào năm 1904 với máy Cat’s-whisker detector (tạm dịch là “máy dò râu mèo”) với một diode bán dẫn tinh khiết. Tiếp theo nhờ việc phát triển của thuyết vật lý lượng tử người ta đã tiết ra bóng bán dẫn năm 1947 và mạch tích hợp trước tiên năm 1958.[3]

Những tinh thể silic là những vật liệu bán dẫn phổ cập nhất được tận dụng trong vi điện tử và quang đãng điện . Khoa học vật liệu tiến bộ đã phát hiện ra chất bán dẫn hữu cơ và nó đang đã chiếm lĩnh những ứng dụng bước đầu, đó là diode phát quang đãng hữu cơ (OLED), pin mặt trời hữu cơ (Organic solar cell) và transistor trường hữu cơ (OFET).

Độ dẫn điện đổi khác

Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chất dẫn điện kém vì dòng điện yêu cầu dòng điện tử và chất bán dẫn có dải hóa trị của chúng được lấp đầy, ngăn chặn dòng vào của electron mới. Có một trong những kỹ thuật được phát triển được cho phép những vật liệu bán dẫn hoạt động và sinh hoạt tương tự vật liệu dẫn điện.

Những sửa đổi này còn có hai thành phẩm: loại n và loại p. Chúng theo thứ tự nói đến sự thừa hoặc thiếu điện tử. Một vài lượng điện tử không cân bằng sẽ làm một dòng điện chạy qua vật liệu

Dị thể

Những dị thể xẩy ra khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp không giống nhau được nối với nhau. Ví dụ, một thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể bao gồm tất cả p-pha tạp và n-pha tạp germanium. Điều này kéo đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa những vật liệu bán dẫn pha tạp không giống nhau. Germanium pha tạp n sẽ có được thừa electron và Germanium pha tạp p sẽ có được quá nhiều lỗ trống.

Sự chuyển đổi xẩy ra đến khi đạt được trạng thái cân bằng bởi một quy trình gọi là tái hợp, khiến những electron dịch rời từ loại n xúc tiếp với những lỗ dịch rời từ loại p. Một thành phầm của quy trình này là những ion tích điện, kéo đến hiệu ứng điện trường

Electron kích thích

Sự khác lạ về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ làm nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tiết ra tình trạng không cân bằng. Điều này ra mắt những electron và lỗ trống cho khối hệ thống, tương tác trải qua một quy trình gọi là khuếch tán xung quanh. Bất kể khi nào cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử sẽ thay đổi.

Sự gián đoạn như vậy hoàn toàn có thể xẩy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, hoàn toàn có thể xâm nhập vào khối hệ thống và tiết ra những electron và lỗ trống. Quy trình tiết ra và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổng hợp

Phát xạ nhẹ

Trong một trong những chất bán dẫn nhất định, những electron bị kích thích hoàn toàn có thể thư giãn và giải trí bằng phương pháp phát ra ánh sáng thay vì tiết ra nhiệt.[6] Những chất bán dẫn này được tận dụng trong việc sản xuất những điốt phát sáng và những chấm lượng tử huỳnh quang đãng.

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao hoàn toàn có thể được tận dụng để tản nhiệt và nâng cấp quản lý và vận hành nhiệt của thiết bị điện tử

Chuyển đổi tích điện nhiệt

Chất bán dẫn có những yếu tố tích điện nhiệt điện lớn làm cho chúng hữu ích trong những máy phát nhiệt điện, cũng như những số liệu nhiệt điện cao làm cho chúng hữu ích trong những bộ làm mát nhiệt điện.

Hiệu ứng trường (bán dẫn)

Khi phối kết hợp hai lớp p-n với nhau điều này kéo đến việc trao đổi điện tích tại lớp xúc tiếp p-n. Những điện tử từ n sẽ chuyển sang lớp p và trái lại những lỗ trống lớp p chuyển sang lớp n do quy trình trung hòa về điện. Một thành phầm của quy trình này là làm ion tích điện, tiết ra một điện trường

Có những loại chất bán dẫn nào ?

Chất bán dẫn là gì ? Như mọi người đã biết thì tinh thể silic là vật liệu bán dẫn rất phổ cập hiện nay được tận dụng trong vi điện tử và quang đãng điện. Tuy nhiên thì vẫn tồn tại một trong những chất khác có những tính chất tương tự tính chất mà một chất bán dẫn cần phải có như:

• Chất bán dẫn nhân tố nhóm IV (C, Si, Ge, Sn).
• Chất bán dẫn hợp chất nhóm IV.
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm VI (S, Ce, Te)
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm III, V: kết tinh với mức độ cân bằng hóa học cao và hồ hết hoàn toàn có thể thu được với 2 dạng Phường và N. Chúng thường được tận dụng trong những ứng dụng quang đãng điện tử.
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm II, VI: thường là loại Phường nhưng trừ ZnTe và ZnO là loại N.
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm I, VII
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm IV, VI
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm V, VI
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm II, V
• Chất bán dẫn nhân tố nhóm I, III, VI
• Oxit
• Màng mỏng manh bán dẫn
• Chất bán dẫn từ
• Chất bán dẫn hữu cơ được làm từ những hợp chất hữu cơ
• Tổng hợp chuyển phí
• ,…

Vùng tích điện trong chất bán dẫn là gì ?

Tính chất dẫn điện của những vật liệu rắn được phân tích và lý giải nhờ lý thuyết vùng tích điện. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức tích điện gián đoạn (những trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà những nguyên tử phối kết hợp lại với nhau thành những khối, thì những mức tích điện này bị phủ lên nhau, và trở thành những vùng tích điện và sẽ có được ba vùng chính, đó là:

Cấu trúc tích điện của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong lúc vùng dẫn trống. Mức tích điện Fermi nằm ở vùng trống tích điện.

• Vùng hóa trị (Valence band): là vùng có tích điện thấp nhất theo thang tích điện, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
• Vùng dẫn (Conduction band): vùng có mức tích điện tối đa, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như những điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, tức là chất sẽ có được tài năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi tỷ lệ điện tử trên vùng dẫn tăng.
• Vùng cấm (Forbidden band): là vùng nằm trong lòng vùng hóa trị và vùng dẫn, không hề có mức tích điện nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, hoàn toàn có thể xuất hiện những mức tích điện trong vùng cấm (mức pha tạp). {Khoảng cách} giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay tích điện vùng cấm (Band Gap). Tùy từng độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất hoàn toàn có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Vùng tích điện của chất bán dẫn Như vậy, tính dẫn điện của những chất rắn và tính chất của chất bán dẫn hoàn toàn có thể lý giải một kiểu giản dị và đơn giản nhờ lý thuyết vùng tích điện như sau:

• Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không hề có vùng cấm) do đó luôn luôn luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì vậy mà kim loại luôn luôn luôn luôn dẫn điện.
• Những chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), mức Fermi nằm trong lòng vùng cấm, tức là tất cả những điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, những điện tử sẽ nhận được tích điện nhiệt là hằng số Boltzmann) nhưng tích điện 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 được một trong những điện tử nhận được tích điện to hơn tích điện vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng thêm, tỷ lệ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng thêm, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một kiểu gần đúng, hoàn toàn có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán đem vào nhiệt độ như sau:

Trong số đó:

Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn hoàn toàn có thể thay đổi nhờ những kích thích tích điện khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, những điện tử sẽ tiếp thụ tích điện từ photon, và hoàn toàn có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng vừa đủ lớn. Đây đó là nguyên nhân kéo đến sự thay đổi về tính chất chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn).

Bán dẫn pha tạp:

Chất bán dẫn loại Phường:

Chất bán dẫn loại Phường (sử dụng nghĩa tiếng Việt là bán dẫn dương) có tạp chất là những nhân tố thuộc nhóm III, dẫn điện thiết yếu bằng những lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive’, tức thị 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 liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn Phường.

Chất bán dẫn loại Phường

Chất bán dẫn loại N:

Chất bán dẫn loại N (bán dẫn âm – Negative) có tạp chất là những nhân tố thuộc nhóm V, những nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy đó là những electron dẫn chính. Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Photpho (Phường) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử Phường liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết 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 loại N Chất bán dẫn không suy biến là chất có nồng độ hạt dẫn không tốt, chất bán dẫn có nồng độ tạp chất to hơn 10^20 nguyên tử/cm3 được gọi là bán dẫn suy biến và có tính chất tương tự kim loại vì vậy nó dẫn điện tốt, tích điện của hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn suy biến không tùy thuộc vào nhiệt độ.

Hoàn toàn có thể phân tích và lý giải một kiểu giản dị và đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng tích điện như sau: hi pha tạp, sẽ xuất hiện những mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính những mức này tạo nên điện tử đơn giản và dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống đơn giản và dễ dàng dịch rời xuống vùng hóa trị để tạo thành tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ việc pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn.

Sự ra đời lớp chuyển tiếp Phường-N:

Tại lớp chuyển tiếp Phường-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 liên kết và một cặp electron và lỗ trống biến mất. Ở lớp chuyển tiếp Phường-N hình thành lớp nghèo (không hề 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 Phường có những axepto tích điện âm. Điện trở của lóp nghèo rất rộng.

Vì sao nói lớp chuyển tiếp Phường-N có tính chất chỉnh lưu ? Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn Phường sang bán dẫn N thì lớp nghèo có hạt tải điện và trở thành dẫn điện. Vì vậy sẽ có được dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền Phường sang miền N (chiều thuận). Khi đảo chiều điện trường ngoài, dòng điện không thể chạy từ miền N sang miền Phường (chiều ngược). Ta nói lớp chuyển tiếp Phường-N có tính chất chỉnh lưu.

Ví dụ Điôt bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp Phường-N. Vì dòng điện chủ yếu chỉ chạy qua điôt theo chiều từ Phường đến N, nên những lúc nối nó vào mạch điện xoay chiều, dòng điện cũng chỉ đuổi theo một chiều. Ta nói điôt bán dẫn có tính chỉnh lưu nên được sử dụng 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 liên kết những nguyên tử Si khác tạo thành chất bán dẫn trung hòa về điện ở tham gia nhiệt độ thấp.

Quy mô liên kết của những nguyên tử Silic. Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ngoài cùng tham gia vào liên kết với những nguyên tử Si ở sát bên. Ở tham gia nhiệt độ thấp xung quanh mỗi nguyên tử Si ở lớp ngoài cùng có 8 electron => Si không dẫn điện vì không hề có hạt tải điện vận động mặc dù được đặt trong điện trường.

• Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa những nguyên tử Si hoàn toàn có thể bị phá vỡ vì vận động nhiệt, electron hoàn toàn có thể tách khỏi liên kết để tạo thành electron tự do. Electron thoát khỏi liên kết “ra đi” để lại một khoảng tầm trống trong liên kết giữa những phân tử Si (gọi tắt là lỗ trống)
• Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa những nguyên tử Si kém vững chắc e hoàn toàn có thể thoát ra tạo thành electron tự do song song tiết ra lỗ trống.

Nếu nhiều liên kết bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao sẽ có được nhiều electron tự do và lỗ trống được tiết ra. Trong quy trình vận động nhiệt hỗn loạn, những electron tự do hoàn toàn có thể vận động đến vị trí của lỗ trống lấp đầy nó tiết ra liên kết mới khiến những lỗ trống mới được tiết ra ở những vị trí không giống nhau trong liên kết của những nguyên tử Si, hay nói cách khác electron tự do vận động cũng làm cho những lỗ trống này vận động theo.

Khi một electron đến lấp đầy lỗ trống => liên kết mới được hình thành không tiết ra ngẫu nhiên điện tích dư thừa nào tương tự e + (-e) =0 => những nhà vật lí học coi lỗ trống có điện tích là q= -e = +1,6.10-19C có tính chất tương tự một hạt mang điện dương. Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu chất bán dẫn những electron và lỗ trống sẽ vận động thành dòng ngược chiều nhau tiết ra dòng điện trong chất bán dẫn.

Ứng dụng chất bán dẫn hiện nay:

Vì chất bán dẫn không được bày bán một kiểu phổ thông trong những shop tương tự những thiết bị điện, nên nó hoàn toàn có thể khó tưởng tượng với nhiều người. Tuy nhiên thì trong thực tiễn, nó được tận dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện nay. Chúng là những yếu tố cấu thành nên những linh phụ kiện điện tử như diode, transistor, những loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…Một vài ứng dụng nổi trội hoàn toàn có thể đơn giản và dễ dàng tưởng tượng như:

• • Cảm ứng nhiệt độ được trong điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn. Nồi cơm điện hoàn toàn có thể nấu cơm một kiểu tuyệt vời và hoàn hảo nhất là nhờ khối hệ thống tinh chỉnh và điều khiển nhiệt độ đúng mực có tận dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng rất được làm từ những vật liệu chất bán dẫn.
  • Nhiều thành phầm tiêu dùng kỹ thuật số như Smartphone di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh và đèn điện LED cũng tận dụng chất bán dẫn.

• Ngoài nghành điện tử tiêu dùng, chất bán dẫn cũng đóng một vai trò trung tâm trong hoạt động và sinh hoạt của những máy ATM, xe lửa, internet, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong hạ tầng xã hội, ví dụ như trong mạng lưới y tế được tận dụng để hỗ trợ dịch vụ chăm sóc sức mạnh người cao tuổi, vv… Thêm vào đó, khối hệ thống phục vụ hầu cần hiệu suất cao sẽ hỗ trợ tiết kiệm ngân sách và chi phí tích điện, xúc tiến việc bảo tồn môi trường xung quanh toàn thế giới.

Lời kết:

Trên đó là một trong những thông tin và tri thức cơ phiên bản về Chất bán dẫn là gì ?. Hy vọng nó sẽ quan trọng cho những tín đồ đang cần tìm hiểu, vì là tri thức cá thể và tích lũy được trên những trang mạng nên không thể tránh khỏi sơ sót, rất mong được sự đóng góp của những tín đồ để nội dung bài viết được tuyệt vời và hoàn hảo nhất hơn.