Những câu hỏi thường gặp về chất bán dẫn
I. Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn (Semiconductor) là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Chúng có thể là các nguyên tố tinh khiết (silicon, germanium) hoặc các hợp chất (gallium arsenide, cadmium selenide). Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất và nó phụ thuộc vào loại tạp chất thêm vào
II. Tính chất của chất bán dẫn?
- Tính chất vật lý: Khi nhiệt độ tăng, các electron hóa trị nhận năng lượng và có thể di chuyển khỏi vị trí ban đầu của mình, tạo thành electron tự do và giúp chất bán dẫn dẫn điện.
- Tính chất hóa học: Chất bán dẫn có khả năng hấp thụ các nguyên tử ngoại lai, quá trình này gọi là “làm độc”. Quá trình làm độc giúp tăng cường hoặc điều chỉnh tính chất dẫn điện của chất bán dẫn. Ví dụ, việc thêm các nguyên tử phosphor vào silicon sẽ tạo thành chất bán dẫn loại n, trong khi thêm nguyên tử bor sẽ tạo thành chất
III. Tại sao gọi là chất bán dẫn?
Tên gọi “bán dẫn” xuất phát từ tính chất điện của chất bán dẫn, nằm giữa hai loại vật liệu khác nhau: chất dẫn điện và chất cách điện.
- Chất dẫn điện: Những vật liệu này dẫn điện tốt vì chúng có nhiều electron tự do di chuyển dễ dàng trong vật liệu, ví dụ như kim loại.
- Chất cách điện: Những vật liệu này không dẫn điện, vì electron của chúng bị giam giữ chặt chẽ và không thể di chuyển. Ví dụ như cao su hoặc gốm
Chất bán dẫn nằm ở vị trí trung gian giữa hai loại trên. Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn hoạt động giống như chất cách điện, vì ít electron tự do và họ không dẫn điện tốt. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng hoặc áp dụng một lượng năng lượng ngoài (như ánh sáng), số lượng electron tự do trong chất bán dẫn sẽ tăng lên và chúng trở thành dẫn điện tốt hơn.
Vì chất bán dẫn không dẫn điện tuyệt đối giống như kim loại và cũng không hoàn toàn cách điện như cao su, chúng có tên là “bán dẫn”, có nghĩa là chúng có khả năng dẫn điện ở mức trung bình
IV. Chất bán dẫn được phân loại như thế nào?
- Chất bán dẫn tinh khiết (chất bán dẫn thuần) là chất bán dẫn không có tạp chất, điển hình là Silicon hay 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 các nguyên tử Si khác bằng liên kết cộng hóa trị tạo nên chất bán dẫn trung hòa về điện ở điều kiện nhiệt độ thấp.
- Điện trở suất của chất bán dẫn thuần rất cao khi ở nhiệt độ thấp và giảm nhanh khi nhiệt độ tăng.
- Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết tỷ lệ thuận với nhiệt độ
- Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn thuần có giá trị âm.
- Chất bán dẫn pha tạp chất
- Chất bán dẫn loại P: (chất bán dẫn dương Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, xảy ra khi tạp chất như boron chỉ có ba electron trong lớp vỏ hóa trị. Khi một lượng nhỏ được chất có hóa trị III được tích hợp vào tinh thể, nguyên tử chất đó có thể liên kết với bốn nguyên tử silicon 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 này này mang điện tích dương nên chất bán dẫn pha tạp theo cách này được gọi là chất bán dẫn loại P
- Chất bán dẫn loại N: (chất bán dẫn âm Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, xảy ra khi tạp chất là một nguyên tố có năm electron trong lớp vỏ hóa trị. Khi một lượng nhỏ chất có hóa trị V như photpho được thêm vào cấu trúc tinh thể của silic, mỗi nguyên tử sẽ liên kết với bốn nguyên tử silicon liền kề. Vì photpho có 5 electron trong vỏ hóa trị của nó nên chỉ sẽ có bốn trong số đó được liên kết với các nguyên tử silic lân cận theo liên kết cộng hóa trị còn electron hóa trị thứ năm bị bỏ lại không có gì để liên kết, trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn được tạo ra theo cách này mang điện tích âm và được gọi là chất bán dẫn loại N
V. Chất bán dẫn thường được sản xuất từ những vật liệu gì?
- Silicon (Si): Là vật liệu bán dẫn phổ biến và thống trị nhất trong công nghiệp chế tạo vi mạch. Silicon có ưu điểm về sự ổn định, tính chất cơ học và dễ sản xuất ở quy mô lớn
- Germanium (Ge): Trước khi Silicon trở nên phổ biến, Germanium đã được sử dụng rộng rãi. Ngày nay, nó vẫn được sử dụng trong một số ứng dụng cụ thể và trong các hợp chất bán dẫn
- Gallium Arsenide (GaAs): Có tốc độ hoạt động nhanh hơn nhiều so với Silicon, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao như viễn thông
- Indium Phosphide (InP): Cũng thường được sử dụng trong viễn thông và các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.
- Gallium Nitride (GaN): Được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng cao và tần số cao, cũng như trong các diode phát sáng LED màu xanh và trắng.
- Silicon Carbide (SiC): Đặc biệt phù hợp với các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và điện áp cao.
- Các hợp chất bán dẫn khác: Bao gồm các vật liệu như GaP, GaN, AlAs, và nhiều loại khác được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể
VI. Chất bán dẫn dùng để sản xuất chip bán dẫn?
- Chất bán dẫn được sử dụng để sản xuất chip vì bản chất độc đáo của chúng trong việc kiểm soát dòng điện. Trái ngược với chất dẫn điện, chất bán dẫn cho phép kiểm soát dòng điện thông qua việc điều chỉnh cường độ và hướng dòng chảy, điều này tạo ra một cơ sở lý tưởng cho việc tạo ra các mạch điện tử phức tạp
- Khi kích thước của các thiết bị điện tử giảm, cần có khả năng kiểm soát chính xác dòng điện ở mức cực nhỏ, và chất bán dẫn làm được điều đó. Hơn nữa, tính năng của chất bán dẫn có thể được điều chỉnh thông qua quá trình “dop” (thêm các nguyên tử khác vào cấu trúc vật liệu) cho phép các nhà thiết kế chip tạo ra một loạt các tính năng khác nhau trên một chip duy nhất
VII. Những lĩnh vực nào ứng dụng của chất bán dẫn?
- Trong thiết bị điện tử hàng ngày: máy tính, máy xách tay để bàn, điện thoại…
- Trong y học: Nhiều thiết bị y tế, từ máy quét MRI, CT đến máy đo nhịp tim, sử dụng chất bán dẫn để tăng cường độ chính xác và hiệu suất, phục vụ cảm biến chuẩn đoán từ xa
- Trong công nghiệp ô tô: Chất bán dẫn giúp hỗ trợ và tăng cường nhiều tính năng trên xe, từ hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống phanh ABS đến các hệ thống giải trí cũng như các thông tin xuất hiện trên bảng điều khiển. Ngoài ra, chất bán dẫn cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển xe điện và xe tự lái, giúp chúng trở nên an toàn và hiệu quả hơn.
- Trong viễn thông: Với sự giúp đỡ của chất bán dẫn, chúng ta có thể truyền dữ liệu ở tốc độ cao hơn, với băng thông rộng hơn và độ tin cậy cao
Sưu tầm
Tầng 5, Tòa nhà 3A, số 82 Duy Tân, Phường Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam 
