Chất bán dẫn là gì? Ứng dụng đơn giản của chất bán dẫn

Và nội dụng chúng tôi muốn nói tới đây là chất bán dẫn trong các thiết bị điện, linh kiện bán dẫn là gì đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. Vậy bạn đã biết chất bán dẫn là gì chưa? Các đặt tính và phân loại chât bán dẫn?. Cũng như các ứng dụng của chúng hiện nay như thế nào không?.

Chất bán dẫn là gì ?

Chất bán dẫn tên tiếng anh là Semiconductor một chất có độ dẫn điện ở mức trung gian nó ở giữa chất dẫn điện và cách điện. Hoạt động như một chất cách điện ở môi trường nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện. Tại sao gọi là chất bán dẫn?. Theo tính chất vật lý thì chất này có thể dẫn điện ở điều kiện nhất định hoặc không dẫn diện trong điều kiện khác.

Khi tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất khác nhau có thể taoh tính bán dẫn khác nhau. Ở trường 2 chất bán dẫn gắn với nhau nó sẽ tao ra lớp tiếp xúc và mang các hạt điện tích như: electron, các ion và lỗ trống điện tử. Ở trong lớp tiếp xúc này nó sẽ là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn hoạt động trong các thiết bị điện hiện nay.

Nếu thiết bị bán dẫn mang lại những đặc thù có ích như hoàn toàn có thể kiểm soát và điều chỉnh chiều và đường đi dòng điện theo hướng đổi khác điện trở nhờ vào ánh sáng hoặc nhiệt lượng tỏa ra. Bởi những thiết bị này hoàn toàn có thể đổi khác đặc thù trải qua tạp chất, ánh sáng hoàn toàn có thể là nhiệt. Nên chúng được sử dụng để đóng mở ngắt mạch điện hay hoàn toàn có thể là quy đổi nguồn năng lượng cho những mạng lưới hệ thống .

Quan điểm cấu tạo chất bán dẫn vật lý lượng tử

Để lý giải những tính bán dẫn trải qua sự hoạt động của hạt mang điện tích bên trong cấu trúc tinh thể. Với tạp chất này hoàn toàn có thể làm đổi khác đáng kể đặc thù của chất bán dẫn. Nếu pha tạp chất và tạo ra nhiều lỗ trống hơn thì con được gọi là chất bán dẫn P .Còn ngược lại nếu tạo ra nhiều electron hơn ở trong hợp bán dẫn thì nó sẽ được gọi là bán dẫn loại N. Việc pha tỉ lệ đúng mực sẽ giúp phối hợp những loạt chất bán dẫn P-N trong những linh phụ kiện bán dẫn hoạt động giải trí đúng chuẩn hơn .Quan điểm văn minh dùng vật lý lượng tử để lý giải những đặc thù bán dẫn sẽ được trải qua sự hoạt động những hạt mang điện tích bên trong cấu trúc tinh thể. Các tạp chất hoàn toàn có thể làm đổi khác đáng kể tính bán dẫn .Pha tạp chất tạo ra nhiều lỗ trống hơn tao ra gọi là chất bán dẫn loại P ; ngược lại tạo ra nhiều electron hoạt động tự do trong thiên nhiên và môi trường bán dẫn hơn nó gọi là chất bán dẫn loại n. Việc pha tỷ suất đúng mực và phối hợp những loại chất bán dẫn P-N để tạo ra những thiết bị bán dẫn điện tử cùng tỷ suất hoạt động giải trí đúng chuẩn cực cao .

Ứng dụng thực tế

Nguyên liệu làm chất bán dẫn đó là nguyên tố silicon, germani cùng hợp chất của gallium đang được sử dụng thoáng đãng trong những linh phụ kiện điện tử. Vè ứng dụng thực tiễn vào năm 1904 với máy Cat’s – whisker detector cùng với một diode bán dẫn tinh khiết. Sau đó tăng trưởng của thuyết vật lý lượng tử người ta đã tạo ra bóng bán dẫn năm 1947 tiếp đến là mạch tích hợp vào năm 1958 .Cấu trúc tinh thể silic được lựa chọn là những vật tư bán dẫn sử dụng trong vi điện tử và thiết bị quang điện. Sau khi vật tư khoa học tăng trưởng thì tìm ra chất bán dẫn hữu cơ từ đó nó được ứng dụng cho đến giờ đây .Điốt phát quang hữu cơ ( OLED ), Pin mặt trời hữu cơ ( Organic solar cell ) và cũng hoàn toàn có thể transistor trường hữu cơ ( OFET ) là những linh phụ kiện đang và vẫn được ứng dụng lúc bấy giờ .

Có các loại chất bán dẫn nào?

Chất bán dẫn silic là gì ? silic tinh thể là vật tư bán dẫn được sử dụng rất thông dụng lúc bấy giờ trong vi điện tử và quang điện. Những nó vẫn sống sót 1 số ít chất khác đặc thù giống như đặc thù bán dẫn cần có như :

• Chất bán dẫn trong bản nguyên tố nhóm IV (C, Si, Ge, Sn), VI (S, Ce, Te).
• Bán dẫn nhóm III, V: kết tinh cân bằng hóa học cao và có thể thu được với 2 dạng P và N. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử.
• Trong nguyên tố nhóm I, II, VI, VII: thường là loại P nhưng trừ ZnTe và ZnO là loại N.
• Oxit
• Màng mỏng bán dẫn
• Bán dẫn từ
• Chất bán dẫn hữu cơ được làm từ các hợp chất hữu cơ

Các loại thuộc tính cơ bản chất bán dẫn là gì?

Cụ thể thì chất bán dẫn sẽ có những thuộc tính cơ bản như sau :

Hiệu ứng trường (bán dẫn):

Nếu như phối hợp hai lớp P-N lại với nhau dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P-N. Các điện tử từ N sẽ chuyển sang lớp P và hoạt động giải trí ngược lại do lớp quy trình trung hòa về điện. Đây là hiện tượng kỳ lạ cũng như quy trình này là làm ion tích điện tao ra điện trường .

Dị thể:

Hiện tượng dị thể xảy ra khi 2 vật tư bán dẫn pha tạp khác nhau được với nhau. Như một thông số kỹ thuật hoàn toàn có thể gồm có p-pha tạp và n-pha tạp germanium. Dẫn đến sự trao đổi điện tử và lỗ trống giữa những vật tư bán dẫn pha tạp khác nhau .Khi germanium pha tạp n sẽ có thừa electron và germanium pha tạp p sẽ có nhiều lỗ trống Open. Với sự quy đổi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân đối bởi một quy trình gọi la tái hợp. Làm cho những electron chuyển từ loại n tiếp xúc với những lỗ vận động và di chuyển từ loại p. Quá trình này là những ion tích điện, dẫn đến hiệu ứng điện trường .

Electron kích thích:

Sự độc lạ điện thế về vật tư bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân đối về nhiệt và dẫn đến thực trạng không cân đối. Các electron và lỗ trống cho mạng lưới hệ thống, sẽ tương tác với quy trình gọi là khuếch tán xung quanh .Nếu khi nào cân đối nhiệt mà bị trộn lẫn trong vật tư chất bán dẫn, số lượng lỗ trống và điện tử đồng thời sẽ biến hóa. Sự gián đoạn hoàn toàn có thể dẫn đến sự chênh lệch nhiệt hoặc photon xâm nhập vào mạng lưới hệ thống những electron va lỗ trống. Khi quy trình tạo ra vầ tự hỷ electron cùng lỗ trống gọi là thế hệ và tái tổng hợp .

Độ dẫn điện biến đổi:

Chất bán dẫn khi ở trạng thái tự nhiên là chất dẫn điện kém ; chính do dòng điện và loại chất có dải hóa trị sẽ được lấp đầy ; chúng ngăn ngừa dòng vào của electron mới trong quy trình chuyển dời .Có 1 số ít kỹ thuật tăng trưởng để được cho phép những vật tư bán dẫn hoạt động vật liệu dẫn điện. Cửa đổi sẽ đem lại 2 tác dụng : loại n và loại p. Sự thừa hoặc thiếu điện tử sẽ được update. Lượng điện tử không cân đối dẫn đến dòng điện chạy qua vật tư .

Độ dẫn nhiệt cao

Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao nên hoàn toàn có thể được sử dụng để tản nhiệt cũng như cải tổ quản trị nhiệt cho thiết bị điện tử sản sinh ra nhiệt quá nhiều .

Phát xạ nhẹ:

Loại bán dẫn nhất định, những electron sẽ bị kích thích để thư giãn giải trí bằng cách phát ra ánh sáng thay vì sản sinh ra nhiệt. Được sử ụng trong việc sản xuất những diode phát sáng và lượng tử huỳnh quang .

Chuyển đổi năng lượng nhiệt:

Chất bán dẫn chúng có ích trong những máy phát nhiệt điện, cũng như những số liệu nhiệt điện sản sinh ra cao làm cho chúng hữu ích đố với máy phát điện .

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn là gì?

Điện tử sống sót trong nguyên tử nên những mức nguồn năng lượng giác đoạn ở trạng thái dừng. Trong chất rắn, những nguyên tử phối hợp lại với nhau thành những khôi, thì những mức nguồn năng lượng này bị phủ lên nhau. Chúng sẽ thành vùng nguồn năng lượng có 3 vùng dựa và tính chấn dẫn ddien của vật tư rắn nhờ triết lý vùng nguồn năng lượng

Vùng hóa trị (Valence band):

Nơi có nguồn năng lượng thấp nhất dựa theo thang nguồn năng lượng ; vùng mà điện tử bị link mạnh nhất cùng với nguyên tử và không linh động .

Vùng dẫn (Conduction band):

Nơi có mức nguồn năng lượng đạt cao nhất mà điện tử sẽ linh động ( như những điện tử tự do ) và nơi điện tử sẽ thành điện tử dẫn ; chất sẽ có năng lực dẫn điện khi điện tử đang sống sót trên vùng dẫn điện. Nếu như tính dẫn điện tăng thì khi và chi tỷ lệ điện tử trên vùng dẫn tăng lên .

Vùng cấm (Forbidden band):

Nơi nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, nó sẽ không có mức nguồn năng lượng nào cho nên vì thế điện tử không hề sống sót trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, sẽ Open những mức nguồn năng lượng trong vùng cấm ( mức pha tạp ). Giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị khoảng cách này gọi là độ rộng vùng cấm, hay cách gọi khác nguồn năng lượng vùng cấm ( Band Gap ). Vùng cấm lớn hay nhỏ sẽ có chất dẫn điện hoặc không dẫn điện .

Tính dẫn điện chất rắng và tích chất bán dẫn theo lý thuyết năng lượng

Kim loại ở vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau ( không có vùng cấm ) sẽ luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn. Cho nên do đó mà sắt kẽm kim loại luôn luôn hoàn toàn có thể dẫn điện .Các chất bán dẫn ở vùng cấm có độ rộng xác lập. Ở không độ tuyệt đối ( 0 ⁰K ), mức nguồn năng lượng Fermi nó sẽ nằm giữa vùng cấm, là tổng thể những điện tử sống sót sẽ ở vùng hóa trị. Chất bán dẫn không dẫn điện khi tăng dần nhiệt độ, đưng nhiên những điện tử sẽ nhận được nguồn năng lượng nhiệt ( Kb. T với Kb là hằng số Boltzmann ). Với nguồn năng lượng chưa đủ để hoàn toàn có thể làm cho điện tử vượt qua vùng cấm nên nó sẽ vẫn ở vùng hóa trị .Tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, điện tử nhận được với nguồn năng lượng lớn hơn từ vùng cấm tạo điêu khiển nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, thì đồng nghĩa tương quan với tỷ lệ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên. Do đó, tính dẫn điện chất sẽ tăng dần theo nhiệt độ ( hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ ). Công thức sự nhờ vào của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau :

Trong đó:

•  là hằng số
•  là độ rộng vùng cấm.

Ngoài ra, tính dẫn hoàn toàn có thể đổi khác nhờ những kích thích nguồn năng lượng khác nhau, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, những điện tử hoạt động giải trí và hấp thu nguồn năng lượng từ hạt photon, và hoàn toàn có thể nhảy lên vùng dẫn nếu nguồn năng lượng đủ lớn. Nguyên nhân dẫn đến sự đổi khác về đặc thù bán dẫn dưới sự công dụng của ánh sáng ( quang-bán dẫn ) .

Loại chất bán dẫn loại p n

Chất bán dẫn loại P:

Chất bán dẫn loại P ( hay là bán dẫn dương ) có tạp chất thuộc nhóm III, dẫn điện hầu hết bằng những lỗ trống ( viết tắt cho chữ tiếng Anh positive ’, nghĩa là dương ). Khi pha lượng nhỏ chất có hóa trị 3 như Indium ( In ) vào bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ link với 4 nguyên tử Si. Theo link cộng hóa trị thì việc những họa động và link bị thiếu một điện tử dẫn đến trở thành lỗ trống ( mang điện dương ) và được gọi là chất bán dẫn P .

Bán dẫn n có đặc điểm gì?

Chất bán dẫn N ( bán dẫn âm – Negative ) có những nguyên tố thuộc nhóm V, nguyên tử dùng 4 electron sẽ tạo link và electron lớp ngoài link lỏng lẻo với nhân bên trong. Đấy chính là những electron dẫn chính .Khi pha một lượng nhỏ chất có hóa trị 5 như Photpho ( P ) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử P sẽ được link với 4 nguyên tử Si theo link cộng hóa trị. Nếu như nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia link thì sẽ còn dư một điện tử sẽ tự do => Lúc này mang điện tích âm sẽ trở thành thừa điện tử gọi là chất bán dẫn loại N ( Negative : âm ) .

Chất bán dân không suy biến:

Là chất có nồng độ hạt dẫn không cao, nhưng với chất có tạp chất lớn hơn 10 ^ 20 nguyên tử / cm3. Nó được gọi là bán dẫn suy biến và có đặc thù giống như sắt kẽm kim loại vì thế nó dẫn điện khá tốt, nguồn năng lượng của hạt dẫn tự do của chất bán dẫn sẽ giảm đi mà không phụ thuộc vào nhiệt độ .Về bán dẫn pha tạp nhờ vào kim chỉ nan vùng nguồn năng lượng như sau : nếu pha tạp, thì những mức pha tạp nằm trong vùng cấm. Mức này làm cho điện tử thuận tiện chuyển đến vùng dẫn hoặc thuận tiện vận động và di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo ra tính dẫn dựa vào cực hóa trị. Vì thế, chỉ cần pha tạp hàm lượng rất nhỏ sẽ làm biến hóa lớn đặc thù dẫn điện của những loại chất bán dẫn nào .

Lớp chuyển tiếp của chất bán dẫn loại P – N:

Sự hình thành lớp chuyển tiếp P-N, tính khuếch tán electron từ bán dẫn loại n qua p và khuếch tán những lỗ trống từ p sang lại n. Với electron gặp lỗ trống, sẽ link với nhau để lấp lỗ trống ấy. Ở lớp chuyển tiếp P-N sẽ không có hạt tải điện trong chất bán dẫn. Lớp chuyển tiêp 2 bên về phía chất bán dẫn loại n có những ion đô-nô mang và tích điện dương, ở bán dẫn P có những axepto tích điện âm. Và đện trở của lóp chuyển tiế nghèo điện tích rất lớn .

Tính chất đặc biệt của chất bán dẫn

Vì sao nói lớp chuyển tiếp P-N không có hạt tải điện có đặc thù chỉnh lưu ?. Nếu đặt một điện trường có khunh hướng từ bán dẫn P sang chất bán dẫn loại N thì lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền P sang miền N ( chiều thuận ). Khi hòn đảo chiều điện trường ngoài, dòng điện không hề chạy từ miền N sang miền P ( chiều ngược ). Ta nói lớp chuyển tiếp P-N có đặc thù chỉnh lưu .

Dòng điện trong chất bán dẫn:

Bán dẫn tinh khiết Si ( silic ). Mỗi nguyên tử Si có 4 electron ở lớp ngoài cùng link những nguyên tử Si khác tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện kèm theo nhiệt độ thấp .Với một quy mô dòng điện trong chất bán dẫn link nguyên tử Silic. Mỗi nguyên tử Si đều có 4 electron ngoài cùng để tham gia vào link cùng những nguyên tử Si ở bên cạnh. Khi đều kiện nhiệt độ thấp khi ở xung quanh nguyên tử Si ở lớp ngoài cùng là 8 electron => Si không dẫn điện theo cách đơn thuần vì không có hạt tải điện hoàn toàn có thể hoạt động trong thiên nhiên và môi trường có điện trường .

Hoạt động ở nhiệt độ cao

Các nguyên tử Si khi hoàn toàn có thể bị phá vỡ link vì hoạt động nhiệt, electron tách khỏi link để tự tạo thành electron tự do. Electron bị phá vở sẽ “ ra đi ” để lại một khoảng chừng trống link giữa những phân tử Si ( gọi tắt là lỗ trống ). Giữa nguyên tử Si kém vững chắc hoàn toàn có thể thoát ra tạo thành electron tự do .

Lưu ý

Nếu nhiều link bị đứt gãy dưới nhiệt độ cao sẽ có nhiều electron tự do và lỗ trống được tạo ra. Trong quy trình hoạt động nhiệt hỗn loạn, những electron tự do hoàn toàn có thể hoạt động đến vị trí của lỗ trống lấp đầy nó .Việc ứng dụng của dòng điện trong chất bán dẫn tạo ra link mới khiến những lỗ trống mới. Chúng được tạo ra ở những vị trí khác nhau trong link của những nguyên tử Si, hay nói cách khác electron tự do hoạt động cũng làm cho những lỗ trống này hoạt động theo .Khi một electron đến lấp đầy lỗ trống => link mới được hình thành không tạo ra bất kể điện tích dư thừa nào giống như e + ( – e ) = 0 => những nhà vật lí học coi lỗ trống có điện tích là q = – e = + 1,6. 10-19 C có đặc thù giống như một hạt mang điện dương .

Khi có sự chênh lệch điện thế giữa các electron và lỗ trống sẽ là chuyển động thành dòng ngược chiều tạo ra dòng điện bên trong chất bán dẫn.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

Vì chất bán dẫn không bán một cách đại trà phổ thông như những thiết bị linh phụ kiện điện, nên nó rất khó cho người mới tìm hiểu và khám phá khi tưởng tượng. Tuy nhiên, nó được sử dụng cho nhiều thiết bị điện tử lúc bấy giờ. Chất bán dẫn ứng dụng những tác nhân để có cấu thành những thiết bị linh phụ kiện : biến trở, diode, transistor, contactor, những loại thẻ nhớ, SSD, HDD, …Hay hoàn toàn có thể là một số ít ứng dụng khác như : Cảm biến nhiệt độ trong máy điều hòa không khí là một loại bán dẫn, nồi cơm điện một cách để hoàn toàn có thể tinh chỉnh và điều khiển đúng chuẩn những chất bán dẫn, bộ vi giải quyết và xử lý của máy tính cũng là bằng nguyên vật liệu bán dẫn, bộ biến tần nguồn năng lượng mặt trời hoạt động giải trí dựa trên nguồn nguyên vật liệu …

Bài viết tương quan : https://vh2.com.vn/quang-tro-cau-tao-va-nguyen-ly/

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