Chất bán dẫn là gì ?
Chất bán dẫn (tiếng Anh: 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. Gọi là “bán dẫn” (chữ “bán” theo nghĩa Hán Việt có nghĩa là một nửa), vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Tính bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất, những tạp chất khác nhau 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 tính chất của các hạt mang điện như electron, các ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo nên diot, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.
Bạn đang xem: Các vật liệu bán dẫn
Các thiết bị bán dẫn mang lại một loạt các tính chất hữu ích như 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 ngắn mạch điện hay chuyển đổi năng lượng.
Quan điểm hiện đại người ta dùng vật lý lượng tử để giải thích các tính chất bán dẫn thông qua sự chuyển động của các hạt mang điện tích trong cấu trúc tinh thể.<1> Tạp chất làm thay đổi đáng kể tính chất này của chất bán dẫn. Nếu người ta pha tập chất và tạo ra nhiều lỗ trống hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại p, ngược lại nếu tạo ra nhiều electron chuyển động tự do hơn trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại n. Việc pha tỷ lệ chính xác các tạp chất đồng thời kết hợp các loại chất bán dẫn p-n với nhau ta có thể tạo ra các linh kiện điện tử với tỷ lệ hoạt động chính xác cực cao.
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.
Ứng dụng thực tế đầu 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. Sau đó nhờ việc phát triển của thuyết vật lý lượng tử người ta đã tạo ra bóng bán dẫn năm 1947 và mạch tích hợp đầu tiên năm 1958.
Khoa học vật liệu hiện đại đã phát hiện ra chất bán dẫn hữu cơ và nó đang có được những ứng dụng bước đầu, đó là điốt phát quang hữu cơ (OLED), pin mặt trời hữu cơ (Organic solar cell) và transistor trường hữu cơ (OFET).
Xem thêm: Tìm Hiểu Về Sơn Epoxy, Vật Liệu Epoxy Là Vật Liệu Gì Và Có Những Công Dụng Nào
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, nhưng trong thực tế, nó được sử dụng trong rất nhiều thiết bị hiện nay.
Ví dụ:
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, internet, 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.
Không thể phủ nhận những lợi ích mà chất bán dẫn mang lại với con người hiện nay. Với sự xuất hiện của chất bán dẫn hiện nay đã đóng góp một phần không nhỏ trong quá trình phát triển các sản phẩm điện hiện nay.
TỔNG QUAN
Tài liệu nàynghiên cứu tính chất và đặc tính điện củavật liệu và thiết bị bán dẫn. Mà bán dẫn lạilà chất rắn. Do đó tính chất điện củachất rắn được quan tâm hàng đầu. Bán dẫnnói chung là vật liệu đơn tinh thể. Tính chấtđiện của vật liệu đơn tinh thểkhông chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà cònphụ thuộc vào sự sắp xếp của các nguyên tửtrong chất rắn; do đó, cần có một sự tìm hiểungắn gọn về cấu trúc tinh thể của chấtrắn. Sự hình thành hoặc phát triển của vậtliệu đơn tinh thể là một phần quan trọngcủa kĩ thuật bán dẫn. Một thảo luận ngắnvề một vài kĩ thuật nuôi tinh thể đượcđưa vào trong chương này để cung cấp chongười đọc một số thuật ngữ mô tảcấu trúc thiết bị bán dẫn. Chương nhậpmôn này cung cấp những kiến thức nền tảng vềvật liệu đơn tinh thể và sự hình thành củatinh thể để cho người đọc có thểhiểu về tính chất điện của vật liệuvà thiết bị bán dẫn.
1.1|VẬT LIỆU BÁN DẪN
Bán dẫn là mộtnhóm vật liệu có tính dẫn điện nằm trunggian giữa kim loại và chất cách điện. Hai loạibán dẫn chung nhất là vật liệu bán dẫn cơ bảnnằm ở nhóm IV của bảng tuần hoàn, và vật liệubán dẫn hợp chất, đa số chúng đượchình thành do sự kết hợp đặc biệt củanhững nguyên tố nhóm III và nhóm V. Bảng 1.1 biễu diễnmột phần của bảng tuần hoàn trong đó có nhữngbán dẫn phổ biến và bảng 1.2 liệt kê mộtvài vật liệu bán dẫn. ( Bán dẫn cũng có thểđược hình thành từ sự kết hợp củanhững nguyên tố nhóm II và VI, nhưng nói chung những vậtliệu này không được xét trong tài liệu này.)
Những bán dẫn cơ bản là nhữngbán dẫn mà trong thành phần cấu trúc của nó chỉcó một loại nguyên tử là silic hoặc germany. Hiệnnay silic là bán dẫn phổ biến nhất đượcdùng trong mạch tích hợp và sẽ được nhắcđến thường xuyên trong tài liệu này.
Những hợp chất hai nguyên tố chẳnghạn như Ga
As hoặc Ga
P được hình thành bằngsự kết hợp của những nguyên tố nhóm III và
V. Ga
As là một trong những bán dẫn hợp chất phổbiến hơn cả. Tính chất quang học tốt củanó làm cho nó hữu dụng trong những thiết bị quanghọc. Ga
As cũng được dùng trong những ứngdụng đặc biệt chẳng hạn như nhữngứng dụng đòi hỏi vận tốc cao.
Bên cạnh đó cũng có những bán dẫnhợp chất 3 nguyên tố. Một ví dụ là Alx
Ga1–x
As,trong đó chỉ số dưới x chỉ định phầncủa nguyên tố có số nguyên tử nhỏ hơn. Nhữngchất bán dẫn phức tạp hơn cũng có thểđược hình thành cung cấp sự đa dạng khichọn tính chất vật liệu.
