Chất bán dẫn là gì? – Thiết bị đo lường

Thân chào những bạn, ở bài viết này ở mình san sẻ đến những bạn một chủ đề khá mê hoặc đó chính là “ chất bán dẫn ”. Đây là một loại chất có tác động ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của tất cả chúng ta trong thời đại văn minh thời nay. Chúng được sử dụng trong những loại linh phụ kiện hay thiết bị điện tử để tạo nên những đồ vật mà tất cả chúng ta sử dụng hằng ngày. Trong bài viết gồm có chất bán dẫn là gì ? Các đặc tính của chất bán dẫn ? Phân loại chất bán dẫn ra làm sao ? Các ứng dụng trong thực tiễn và những thông tin chi tiết cụ thể tương quan khác .

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là vật tư có độ dẫn giữa chất dẫn ( nói chung là sắt kẽm kim loại ) và chất không dẫn hoặc chất cách điện ( như hầu hết những loại gốm ). Chất bán dẫn hoàn toàn có thể là những nguyên tố tinh khiết, ví dụ điển hình như silicon hoặc gecmani hoặc những hợp chất như gallium arsenide hoặc cadmium selenide. Trong một quy trình gọi là doping, một lượng nhỏ tạp chất được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết gây ra những biến hóa lớn trong độ dẫn của vật tư .Do vai trò của chúng trong việc sản xuất những thiết bị điện tử, chất bán dẫn là một phần quan trọng trong đời sống của tất cả chúng ta. Hãy tưởng tượng đời sống mà không có thiết bị điện tử. Sẽ không có radio, không có TV, không có máy tính, không có game show video và những thiết bị chẩn đoán y tế văn minh. Mặc dù nhiều thiết bị điện tử hoàn toàn có thể không nhờ vào vào chất bán dẫn, nhưng sự tăng trưởng trong công nghệ tiên tiến bán dẫn trong 50 năm qua đã làm cho những thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng an toàn và đáng tin cậy hơn .

Chất bán dẫn tiếng anh là gì?

Trong tiếng Anh, chất bán dẫn được gọi là Semiconductor. Từ này chúng ta cũng thường hay bắt gặp trong các bản tin công nghệ tiếng Anh. Và ở Việt Nam có một số công ty chuyên về chất bán dẫn, ví dụ như ON Semiconductor…

Bạn đang đọc: Chất bán dẫn là gì? – Thiết bị đo lường

Ở chất bán dẫn thuần, có số electron và số lỗ trống bằng nhau. Và độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng .

Điều kiện nào làm thay đổi chất bán dẫn

Tính bán dẫn hoàn toàn có thể biến hóa khi có tạp chất, những tạp chất khác nhau hoàn toàn có thể tạo tính bán dẫn khác nhau. Trường hợp hai chất bán dẫn khác nhau được gắn với nhau, nó tạo ra một lớp tiếp xúc .Các đặc thù của những hạt mang điện như electron, những ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn và những thiết bị điện tử văn minh ngày này .

Bán dẫn chất lượng mang lại một loạt các tính chất hữu ích gì?

• Có thể điều chỉnh chiều và đường đi của dòng điện theo một hướng khác.
• Thay đổi điện trở nhờ ánh sáng hoặc nhiệt. Vì các thiết bị bán dẫn có thể thay đổi tính chất thông qua tạp chất hay ánh sáng hoặc nhiệt, nên chúng thường được dùng để mở rộng, đóng ngắt mạch điện hay chuyển đổi năng lượng.

Các chất bán dẫn nguyên tố bao gồm; antimon, asen, boron, carbo;  germani, selen; silicon, lưu huỳnh và Tellurium. Silicon được biết đến nhiều nhất trong số này, tạo thành nền tảng của hầu hết các mạch tích hợp ( IC ).

• Các hợp chất bán dẫn phổ biến bao gồm; arsenide gali, antimonide indium và các oxit của hầu hết các kim loại. Trong số này; gallium arsenide ( GaAs ) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khuếch đại tín hiệu; có độ nhiễu thấp, độ lợi cao, tín hiệu yếu.
• Nguyên tố silicon, germani và các hợp chất của gallium được sử dụng rộng rãi nhất làm chất bán dẫn trong các linh kiện điện tử.

Có các loại chất bán dẫn nào?

Như đã biết, tinh thể silic là vật tư bán dẫn thông dụng nhất được sử dụng trong vi điện tử và quang điện .Nhưng vẫn sống sót một số lượng lớn những loại chất bán dẫn, những nguyên tố và hợp chất có đặc thù bán dẫn, chúng gồm có :

• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV, (C, Si, Ge, Sn)
• Chất bán dẫn hợp chất nhóm IV
• Chất bán dẫn nguyên tố nhóm VI, (S, Se, Te)
• Chất bán dẫn nhóm III – V: Kết tinh với mức độ cân bằng hóa học cao, hầu hết có thể thu được ở cả loại n và loại p. Nhiều người có khả năng vận chuyển cao và khoảng cách năng lượng trực tiếp, làm cho chúng hữu ích cho quang điện tử.

• Chất bán dẫn II – VI: thường là loại p, ngoại trừ ZnTe và ZnO là loại n
• Chất bán dẫn nhóm I – VII
• Chất bán dẫn IV – VI
• Chất bán dẫn nhóm V – VI
• Chất bán dẫn II – V
• Chất bán dẫn nhóm I-III-VI
• Ôxít
• Màng mỏng bán dẫn
• Chất bán dẫn từ
• Chất bán dẫn hữu cơ làm bằng các hợp chất hữu cơ
• Tổ hợp chuyển phí
• Một số khác

Tính chất của chất bán dẫn

Một số đặc thù đặc trưng của chất bán dẫn mà tất cả chúng ta hoàn toàn có thể khám phá bàn luận bên dưới đây .

Độ dẫn điện đổi khác

Chất bán dẫn ở trạng thái tự nhiên của chúng là chất dẫn kém vì dòng điện nhu yếu dòng chảy của những điện tử electron và chất bán dẫn có dải hóa trị được lấp đầy, ngăn ngừa hàng loạt dòng chảy của những electron mới. Có một số ít kỹ thuật được tăng trưởng được cho phép những vật tư bán dẫn hoạt động giải trí giống như vật tư dẫn điện, ví dụ điển hình như doping hoặc gating. Những kỹ thuật này cho ra hai hiệu quả : loại N và loại P. Chúng đề cập đến sự thừa hoặc thiếu điện tử tương ứng. Một số lượng hạt điện tử không cân đối sẽ khiến dòng điện chạy qua vật tư .

Dị thể trong chất bán dẫn là gì

Các dị thể xảy ra khi hai vật tư bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau. Ví dụ, một thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể gồm có Germanium pha tạp P và pha tạp N. Điều này dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa những vật tư bán dẫn pha tạp khác nhau. Germanium pha tạp N sẽ có thừa electron và Germanium pha tạp P sẽ có quá nhiều lỗ trống. Sự quy đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân đối bởi một quy trình gọi là tái tổng hợp, khiến những electron vận động và di chuyển từ loại N tiếp xúc với những lỗ vận động và di chuyển từ loại P. Sản phẩm của quy trình này là những ion tích điện, là hiệu quả trong điện trường .

Electron kích thích

Sự độc lạ về điện thế trên vật tư bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân đối nhiệt ; và tạo ra thực trạng không cân đối. Điều này mang những electron và lỗ trống cho mạng lưới hệ thống, tương tác trải qua một quy trình gọi là khuếch tán xung quanh. Bất cứ khi nào cân đối nhiệt bị trộn lẫn trong vật tư bán dẫn ; số lượng lỗ trống và điện tử sẽ biến hóa. Sự gián đoạn như vậy hoàn toàn có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, hoàn toàn có thể xâm nhập vào mạng lưới hệ thống và tạo ra những electron và lỗ trống. Quá trình tạo và hủy những electron và lỗ trống được gọi là quy trình tạo và tái hợp .

Phát xạ ánh sáng

Trong 1 số ít chất bán dẫn nhất định, những electron bị kích thích hoàn toàn có thể hành vi bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. Những chất bán dẫn này được sử dụng trong việc sản xuất những điốt phát sáng và những chấm lượng tử huỳnh quang .

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao hoàn toàn có thể được sử dụng để tản nhiệt và cải tổ quản trị nhiệt của thiết bị điện tử .

Chuyển đổi nguồn năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có những yếu tố nguồn năng lượng nhiệt điện lớn ; làm cho chúng có ích trong những máy phát nhiệt điện ; cũng như những số liệu nhiệt điện cao làm cho chúng hữu dụng trong những bộ làm mát nhiệt điện .

Chất bán dẫn tinh khiết là gì? Chất bán dẫn thuần là gì

Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn chưa bị pha tạp, những chất bán dẫn tinh khiết tiêu biểu vượt trội như Silicon hay Germanium. Ở nhiệt độ thấp, điện trở suất của chất bán dẫn tinh khiết rất lớn. Khi nhiệt độ tăng, điện trở suất giảm nhanh. Hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm .Ở chất bán dẫn thuần, có số electron và số lỗ trống bằng nhau. Và độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tăng khi nhiệt độ tăng .

Chất bán dẫn loại P.

Chất bán dẫn loại P. xảy ra khi tạp chất như boron chỉ có ba electron trong vỏ hóa trị. Khi một lượng nhỏ được tích hợp vào tinh thể, nguyên tử hoàn toàn có thể link với bốn nguyên tử silicon, nhưng vì nó chỉ có ba electron để phân phối, nên một lỗ trống được tạo ra. Lỗ này hoạt động giải trí giống như một điện tích dương, thế cho nên những chất bán dẫn pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P. .

Giống như một điện tích dương, lỗ trống thu hút các điện tử. 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.

Xem thêm: Sơ đồ hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm

Khi điện áp được đặt vào một loại bán dẫn loại N hoặc loại P., dòng điện sẽ chảy như thể nó chảy trong một dây dẫn thường thì : Phía âm của điện áp đẩy những electron và phía dương kéo chúng. Kết quả là sự hoạt động của electron và lỗ ngẫu nhiên mà luôn hiện hữu trong chất bán dẫn trở nên có tổ chức triển khai theo một hướng, tạo ra dòng điện hoàn toàn có thể đo được .

Chất bán dẫn loại N

Chất bán dẫn loại N : Được tạo ra khi tạp chất là một nguyên tố có năm electron trong lớp hóa trị của nó. Phốt pho thường được sử dụng cho mục tiêu này .Các nguyên tử phốt pho tham gia ngay vào cấu trúc tinh thể của silic. Mỗi nguyên tử link với bốn nguyên tử silicon liền kề giống như một nguyên tử silicon muốn. Do nguyên tử phốt pho có năm electron trong vỏ hóa trị của nó ; nhưng chỉ có bốn trong số chúng được link với những nguyên tử lân cận. Nên electron hóa trị thứ năm bị bỏ lại không có gì để link .Các electron hóa trị đặc biệt quan trọng trong những nguyên tử phốt pho ; mở màn hoạt động giải trí giống như những electron hóa trị đơn trong một dây dẫn thường thì như đồng. Chúng được tự do vận động và di chuyển mọi nơi. Bởi vì loại chất bán dẫn này có thêm những electron, nên nó được gọi là chất bán dẫn loại N .

Vùng nguồn năng lượng trong chất bán dẫn là gì ?

Tính chất dẫn điện của những vật tư rắn được lý giải nhờ triết lý vùng nguồn năng lượng. Như ta biết, điện tử sống sót trong nguyên tử trên những mức nguồn năng lượng gián đoạn ( những trạng thái dừng ). Nhưng trong chất rắn, khi mà những nguyên tử phối hợp lại với nhau thành những khối, thì những mức nguồn năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành những vùng nguồn năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là :Cấu trúc nguồn năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn. Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức nguồn năng lượng Fermi nằm ở vùng trống nguồn năng lượng .

• Vùng hóa trị (Valence band); là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng. Là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
• Vùng dẫn (Conduction band); vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn. Có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
• Vùng cấm (Forbidden band); là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Vùng năng lượng của chất bán dẫn

Như vậy, tính dẫn điện của những chất rắn và đặc thù của chất bán dẫn hoàn toàn có thể lý giải một cách đơn thuần ; nhờ kim chỉ nan vùng nguồn năng lượng như sau :

• Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.
• Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối ((0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (vớilà hằng số Boltzmann ) nhưng nguồn năng lượng 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 1 số ít điện tử nhận được nguồn năng lượng lớn hơn nguồn năng lượng vùng cấm ; và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, tỷ lệ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên. Do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ ( hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ ). Một cách gần đúng, hoàn toàn có thể viết sự phụ thuộc vào của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau :

Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn hoàn toàn có thể đổi khác nhờ những kích thích nguồn năng lượng khác ; ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, những điện tử sẽ hấp thu nguồn năng lượng từ photon, và hoàn toàn có thể nhảy lên vùng dẫn nếu nguồn năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên do dẫn đến sự đổi khác về đặc thù của chất bán dẫn dưới công dụng của ánh sáng ( quang-bán dẫn ) .

Vật liệu bán dẫn là gì?

Vật liệu bán dẫn có giá trị độ dẫn điện nằm giữa một vật dẫn điện ( ví dụ điển hình như đồng ) và chất cách điện ( ví dụ như thủy tinh ). Sức đề kháng của nó giảm khi nhiệt độ của nó tăng lên ; sắt kẽm kim loại thì ngược lại. Tính chất dẫn điện của nó hoàn toàn có thể được đổi khác bằng cách đưa tạp chất ( “ pha tạp ” ) vào cấu trúc tinh thể. Do đặc thù điện của vật tư bán dẫn hoàn toàn có thể được sửa đổi bằng cách pha tạp ; hoặc bằng cách sử dụng điện trường hoặc ánh sáng. Các thiết bị làm từ chất bán dẫn hoàn toàn có thể được sử dụng để khuếch đại và quy đổi nguồn năng lượng .Các vật tư bán dẫn được sử dụng trong những thiết bị điện tử ; được pha tạp trong những điều kiện kèm theo đúng mực để trấn áp nồng độ và những vùng của những chất dẫn xuất loại P. và N. Một tinh thể bán dẫn đơn hoàn toàn có thể có nhiều vùng loại P. và N ; những nút tiếp xúc giữa những vùng này chịu nghĩa vụ và trách nhiệm cho ảnh hưởng tác động electron có ích .Một số đặc thù của vật tư bán dẫn đã được nghiên cứu và điều tra trong suốt giữa thập kỷ 19 và thế kỷ 20. Ứng dụng trong thực tiễn tiên phong của chất bán dẫn trong điện tử là máy dò radio ; diode bán dẫn đã được sử dụng trong những máy thu radio tiên phong. Sự tăng trưởng trong vật lý lượng tử lần lượt dẫn đến sự tăng trưởng của bóng bán dẫn vào năm 1947. Mạch tích hợp vào năm 1958 và MOSFET ( bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit sắt kẽm kim loại ) vào năm 1959 .

Quá trình doping chất bán dẫn là gì?

Độ dẫn của chất bán dẫn hoàn toàn có thể thuận tiện được sửa đổi bằng cách đưa tạp chất vào mạng tinh thể của chúng. Quá trình thêm tạp chất được trấn áp vào chất bán dẫn được gọi là doping. Lượng tạp chất được thêm vào một chất bán dẫn nguyên chất biến hóa để độ dẫn của nó .

Ví dụ chất bán dẫn

Bán dẫn tinh khiết Silicon có bốn electron hóa trị; liên kết từng nguyên tử silicon với xung quanh. Trong silicon, các chất dẫn xuất phổ biến nhất là các nguyên tố nhóm III và nhóm V.
Tất cả các nguyên tố nhóm III đều chứa ba electron hóa trị. Khiến chúng hoạt động như các chất nhận khi được sử dụng để khử silicon.
Khi một nguyên tử chấp nhận thay thế một nguyên tử silicon trong tinh thể. Một trạng thái trống (một “lỗ” điện tử) được tạo ra; có thể di chuyển xung quanh mạng và hoạt động như một hạt mang điện. Các nguyên tố nhóm V có năm electron hóa trị, cho phép chúng hoạt động như một chất cung cấp; thay thế các nguyên tử này cho silic tạo ra thêm một electron tự do.
Do đó, một tinh thể silicon pha tạp boron tạo ra chất bán dẫn loại P; trong khi người ta pha tạp photpho tạo ra vật liệu loại N.

Trong quy trình sản xuất, những chất dẫn xuất hoàn toàn có thể được khuếch tán vào thân chất bán dẫn. Bằng cách tiếp xúc với những hợp chất khí của nguyên tố mong ước ; hoặc cấy ion hoàn toàn có thể được sử dụng để xác định đúng mực những vùng pha tạp .

Ứng dụng chất bán dẫn hiện nay:

Vì chất bán dẫn không được bày bán một cách phổ thông trong các cửa hàng giống như; các thiết bị điện, nên nó có thể khó hình dung với nhiều người. Tuy nhiên thì trong thực tế, nó được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử hiện nay. Chúng là những nhân tố cấu thành nên các linh kiện điện tử như diode; transistor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD;…Một số ứng dụng nổi bật có thể dễ dàng hình dung như:

Xem thêm: Các linh kiện điện tử cơ bản – TKTECH Co., LTD

• Cảm biến nhiệt độ được trong điều hòa không khí được làm từ chất bán dẫn. Nồi cơm điện có thể nấu cơm một cách hoàn hảo. Là nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác có sử dụng chất bán dẫn. Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn.
• Nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số như điện thoại di động; máy ảnh, TV, máy giặt; tủ lạnh và bóng đèn LED cũng sử dụng chất bán dẫn.
• Ngoài lĩnh vực điện tử tiêu dùng,. Chất bán dẫn cũng đóng một vai trò trung tâm trong hoạt động của các máy ATM; xe lửa, interne; truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội. Chẳng hạn như; trong mạng lưới y tế được sử dụng để cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe người cao tuổi;vv… Thêm vào đó, hệ thống hậu cần hiệu quả sẽ giúp tiết kiệm năng lượng; thúc đẩy việc bảo tồn môi trường toàn cầu.

Trong công nghiệp, chất bán dẫn giúp tạo nên những thiết bị điện như :

• Rơ le bán dẫn
• Linh kiện bán dẫn
• Bóng bán dẫn
• Diốt bán dẫn
• Các loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức,…
• Các bộ chuyển đổi tín hiệu, CT dòng, PLC, biến tần,…

Lời kết:

Vì đây là kiến thức và kỹ năng cá thể và tích lũy được trên mạng nên không hề tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự góp phần của những bạn để bài viết được hoàn hảo nhất hơn .

Đây là bài viết chia sẻ kiến thức, bên mình không kinh doanh mặt hàng này. Vui lòng không gọi điện, nhắn tin hỏi hàng. Xin cám ơn !

Source: https://vh2.com.vn
Category : Điện Tử