Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Độ dẫn điện của nó có thể được thay đổi bằng cách thêm tạp chất (gọi là “pha tạp”) vào cấu trúc tinh thể. Khi hai vùng có mức độ pha tạp khác nhau tồn tại trong cùng một tinh thể, chúng tạo thành một mối nối bán dẫn.

Hành vi của các hạt mang điện – bao gồm electron, ion và lỗ trống điện tử – tại các mối nối này là nền tảng của điốt, transistor và hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại. Một số ví dụ về chất bán dẫn là silic, germani, galli asenua và các nguyên tố nằm gần “bậc thang á kim” trên bảng tuần hoàn. Sau silic, galli asenua là chất bán dẫn phổ biến thứ hai, được sử dụng trong điốt laser, pin năng lượng mặt trời, mạch tích hợp tần số vi sóng và nhiều ứng dụng khác. silic là nguyên tố cốt lõi trong việc chế tạo hầu hết các mạch điện tử.

Cách chất bán dẫn hoạt động

Hầu hết các chất bán dẫn được tạo thành từ tinh thể do đặc tính nguyên tử độc đáo của chúng. Trong khi hầu hết các kim loại dẫn điện phổ biến có một electron ở lớp vỏ ngoài cùng, thì chất bán dẫn có bốn. Đặc điểm này, cùng với nhiều yếu tố khác, khiến tinh thể bán dẫn (thường là silic) trở nên hoàn hảo để kiểm soát dòng điện – nền tảng của các thiết bị công nghệ hiện đại và phức tạp.

Các loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn thường được chia thành hai loại chính: bán dẫn nội tại và bán dẫn ngoại lai.

• Bán dẫn nội tại: Là chất bán dẫn được tạo thành từ một vật liệu tinh khiết duy nhất, không bị tác động hay biến đổi bằng bất kỳ cách nào. Bán dẫn nội tại thường còn được gọi là “bán dẫn nguyên tố”, vì nhiều trong số chúng là các nguyên tố quen thuộc trong bảng tuần hoàn như carbon, boron, silic và germani.
• Bán dẫn ngoại lai: Là chất bán dẫn đã trải qua quá trình pha tạp, tức là cố ý đưa tạp chất vào để thay đổi độ dẫn điện. Ví dụ, các chất bán dẫn tần số vô tuyến (RF) được xem là bán dẫn ngoại lai vì chúng kết hợp các vật liệu như galli asenua (GaAs), galli nitride (GaN) và silic (Si), giúp chất bán dẫn hoạt động ở dải tần vô tuyến cao hơn.

Tính chất của chất bán dẫn

Độ dẫn điện thay đổi được

Ở trạng thái tự nhiên, chất bán dẫn là vật dẫn điện kém vì dòng điện yêu cầu sự chuyển động của electron, trong khi dải hóa trị của chất bán dẫn đã được lấp đầy, ngăn cản dòng electron mới. Tuy nhiên, các kỹ thuật hiện đại như pha tạp hoặc điều khiển bằng điện trường cho phép chất bán dẫn hoạt động tương tự vật liệu dẫn điện.
Hai dạng pha tạp phổ biến là loại n và loại p, tương ứng với tình trạng dư thừa hoặc thiếu hụt electron. Khi đạt trạng thái cân bằng về điện tích, dòng điện có thể di chuyển qua vật liệu.

Mối nối đồng chất

Mối nối đồng chất xảy ra khi hai vật liệu bán dẫn có mức pha tạp khác nhau được ghép nối với nhau. Ví dụ, có thể tạo ra một mối nối gồm vùng bán dẫn pha tạp loại p và loại n từ germanium. Quá trình này dẫn đến sự trao đổi electron và lỗ trống giữa hai vùng bán dẫn có mức pha tạp khác nhau.

Electron kích thích

Khi có sự chênh lệch điện thế trên vật liệu bán dẫn, nó sẽ thoát khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình huống phi cân bằng. Lúc này, electron và lỗ trống được sinh ra và tương tác thông qua quá trình gọi là khuếch tán lưỡng cực. Bất cứ khi nào trạng thái cân bằng nhiệt bị phá vỡ trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và electron sẽ thay đổi.
Những thay đổi này có thể xảy ra do chênh lệch nhiệt độ hoặc do photon (ánh sáng) xâm nhập vào hệ thống, tạo ra các electron và lỗ trống. Các quá trình tạo ra hoặc triệt tiêu electron và lỗ trống được gọi là sinh và tái hợp.

Phát xạ ánh sáng

Trong một số chất bán dẫn, các electron kích thích có thể trở lại trạng thái cơ bản bằng cách phát ra ánh sáng thay vì sinh nhiệt. Việc kiểm soát thành phần chất bán dẫn và dòng điện cho phép điều chỉnh đặc tính của ánh sáng phát ra. Các chất bán dẫn này được ứng dụng trong việc chế tạo điốt phát quang (LED) và chấm lượng tử huỳnh quang.

Độ dẫn nhiệt cao

Các chất bán dẫn có độ dẫn nhiệt cao được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện hiệu quả nhiệt của các thiết bị điện tử. Chúng đóng vai trò quan trọng trong xe điện, đèn LED công suất cao và mô-đun công suất cùng nhiều ứng dụng khác.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Chất bán dẫn có hệ số nhiệt điện lớn, giúp chúng hữu ích trong máy phát nhiệt điện, đồng thời có hệ số phẩm chất nhiệt điện cao nên cũng được ứng dụng trong thiết bị làm lạnh nhiệt điện.

Thiết bị bán dẫn

Thiết bị bán dẫn là các linh kiện điện tử sử dụng vật liệu dẫn điện và cách điện để điều khiển dòng điện. Loại thiết bị bán dẫn phổ biến nhất là transistor, một linh kiện điện tử nhỏ gọn và bền vững, là nền tảng của hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại.

Trước khi transistor được phát minh vào năm 1947, đèn điện tử chân không được sử dụng rộng rãi cho cùng mục đích. Transistor chứng minh được tính nhỏ gọn, hiệu quả và nhanh chóng thay thế đèn chân không. Ngày nay, transistor được sử dụng trong nhiều loại thiết bị như chip máy tính, vi xử lý, ô tô, robot và nhiều ứng dụng khác. Transistor rất linh hoạt — ngoài chức năng dẫn và cách điện, chúng còn có thể hoạt động như công tắc, bộ khuếch đại hoặc bộ chỉnh lưu.

• Công tắc: Là thành phần trong thiết bị bán dẫn được bật hoặc tắt để điều khiển dòng điện.
• Bộ khuếch đại: Là các mạch điện có chức năng tăng cường độ lớn của tín hiệu đầu vào trong thiết bị điện tử.
• Bộ chỉnh lưu: Hay còn gọi là điốt chỉnh lưu, là các linh kiện bán dẫn nhỏ có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) bằng cách chỉ cho dòng điện đi theo một chiều duy nhất.

Ứng dụng của chất bán dẫn

Chất bán dẫn là nền tảng của hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại và có phạm vi ứng dụng trải rộng trên nhiều lĩnh vực. Dưới đây là một số lĩnh vực tiêu biểu:

Thiết bị điện tử tiêu dùng

Chất bán dẫn và các thiết bị bán dẫn như mạch tích hợp (IC), cảm biến và chip bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử tiêu dùng. Từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay, thiết bị gia dụng thông minh, trợ lý ảo cho đến tivi, chất bán dẫn là nền tảng của các thiết bị công nghệ mà người tiêu dùng ngày nay phụ thuộc trong cả công việc và cuộc sống hàng ngày.

Ô tô

Những chiếc xe hiện đại ngày nay tích hợp nhiều tính năng mà trước đây chỉ có trên điện thoại hoặc máy tính, như nhận diện giọng nói, kết nối không dây và khả năng phát các nội dung đa phương tiện. Chip bán dẫn là nền tảng cho các công nghệ này, giúp xe có thể kết nối Internet, đọc tin nhắn, chỉ đường, và điều khiển bằng giọng nói.

Thiết bị y tế

Chất bán dẫn và chip bán dẫn đã trở nên thiết yếu trong ngành y, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của nhiều thiết bị và ứng dụng y tế. Chúng cung cấp năng lượng cho các thiết bị chẩn đoán, hình ảnh y khoa, giám sát bệnh nhân, cho phép truyền dữ liệu quan trọng gần như theo thời gian thực để cải thiện hiệu quả điều trị và kết quả cho bệnh nhân.

Sản xuất thông minh

Sản xuất thông minh, hay còn gọi là Công nghiệp 4.0, là sự tích hợp của các công nghệ kỹ thuật số mới như Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán đám mây vào quy trình sản xuất. Trong mô hình này, chất bán dẫn và chip bán dẫn cung cấp năng lượng cho các cảm biến tiên tiến, phần mềm nhúng và robot, giúp thu thập và phân tích dữ liệu trong nhà máy, tối ưu hóa các quy trình sản xuất cũ kỹ và kém hiệu quả.