Thế nào là chất bán dẫn? Tính chất và ứng dụng ra sao?

Chu Văn An

Chất bán dẫn là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực công nghệ và điện tử hiện đại. Nhưng chất bán dẫn là gì? Và có những đặc tính và ứng dụng gì? Vietchem sẽ giúp bạn tìm hiểu sâu để hiểu rõ hơn vì sao nó lại trở thành nền tảng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.

1. Chất bán dẫn là gì? Các thuộc tính là gì?

Chất bán dẫn hay còn gọi là chất bán dẫn là loại vật liệu có khả năng dẫn điện ở mức độ trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Nó có thể là các nguyên tố tinh khiết như silicon hoặc germani, hoặc các hợp chất như gallium arsenide và cadmium selenide. Tính chất của chất bán dẫn có thể thay đổi khi thêm tạp chất vào.

Ban đầu, chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ rất thấp, nhưng khi nhiệt độ tăng lên, chất bán dẫn bắt đầu dẫn điện. Đặc tính này làm cho chất bán dẫn trở thành vật liệu lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị điện tử.

Chất bán dẫn là vật liệu có khả năng dẫn điện ở mức độ trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện

Một trong những đặc điểm quan trọng của chất bán dẫn là khả năng điều chỉnh và sửa đổi các đặc tính của nó thông qua việc bổ sung tạp chất. Điều này cho phép tạo ra các thiết bị bán dẫn như bộ chuyển đổi nguồn, bộ khuếch đại và công tắc.

Chất bán dẫn cũng có một số ưu điểm so với các chất cách điện và chất dẫn điện khác. Nó có tỷ lệ tổn thất điện năng thấp hơn chất cách điện, kích thước nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn. Điện trở suất của chất bán dẫn cao hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng thì điện trở của chất bán dẫn giảm và ngược lại.

2. Phân loại chất bán dẫn

Có hai loại chất bán dẫn: chất bán dẫn tinh khiết và chất bán dẫn pha tạp.

2.1. Chất bán dẫn tinh khiết

Chất bán dẫn tinh khiết, còn được gọi là chất bán dẫn tinh khiết, là chất bán dẫn không chứa tạp chất, chẳng hạn như silicon và germanium. Nó còn được gọi là chất bán dẫn nguyên tố nhóm IV. Mỗi nguyên tử của các nguyên tố này có 4 electron ở lớp vỏ ngoài và được liên kết với các nguyên tử bán dẫn khác thông qua liên kết cộng hóa trị. Điều này tạo ra cấu trúc bán dẫn trung hòa về điện ở nhiệt độ thấp.

Một đặc tính quan trọng của chất bán dẫn nguyên chất là điện trở suất rất cao ở nhiệt độ thấp và giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng. Độ dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất cũng tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Hệ số nhiệt điện trở của chất bán dẫn nguyên chất có giá trị âm.

Chất bán dẫn nguyên chất là chất bán dẫn không chứa tạp chất

2.2. Chất bán dẫn có thêm tạp chất

Ngoài chất bán dẫn thuần túy, còn có hai loại chất bán dẫn pha tạp khác:

Chất bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại P hay còn gọi là chất bán dẫn dương có chứa tạp chất là nguyên tố nhóm III. Khi một tạp chất như boron được đưa vào cấu trúc tinh thể, nó chỉ cung cấp ba electron, tạo ra một lỗ tích điện dương. Những lỗ trống này có thể liên kết với các nguyên tử bán dẫn khác và tạo thành chất bán dẫn loại P.

Những nguyên tử bán dẫn loại P này có thể liên kết với bốn nguyên tử silicon lân cận thông qua liên kết cộng hóa trị. Chất bán dẫn loại P có tính chất dương do có lỗ trống tích điện dương.

Chất bán dẫn loại N

Ngược lại với chất bán dẫn loại P, chất bán dẫn loại N hay còn gọi là chất bán dẫn âm, chứa tạp chất của các nguyên tố nhóm V. Khi thêm một lượng nhỏ chất bán dẫn hóa trị V như phốt pho vào cấu trúc tinh thể của silicon, mỗi nguyên tử phốt pho được liên kết với bốn nguyên tử silicon lân cận thông qua liên kết cộng hóa trị.

Tuy nhiên, vì phốt pho có năm electron ở lớp vỏ hóa trị nên chỉ có bốn electron trong số chúng được liên kết, để lại electron hóa trị thứ năm là electron tự do. Chất bán dẫn loại N được tạo ra theo cách này mang điện tích âm.

3. Ứng dụng của chất bán dẫn trong công nghiệp hiện đại

Chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt là sản xuất các thiết bị và linh kiện điện tử. Với những tính chất đặc biệt của mình, chất bán dẫn góp phần quan trọng vào sự phát triển của công nghệ số và các sản phẩm tiêu dùng số.

Một trong những chất bán dẫn phổ biến nhất hiện nay là Silicon (Si). Silicon được sử dụng rộng rãi trong sản xuất linh kiện điện tử, chẳng hạn như bóng bán dẫn trong chip điện tử. Chất này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị như điện thoại di động, máy tính, ô tô, máy bay và nhiều sản phẩm công nghệ khác. Silicon được lựa chọn rộng rãi vì giá cả phải chăng và quá trình tinh chế dễ dàng.

Chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các thiết bị, linh kiện điện tử

Tuy nhiên, có một sự nhầm lẫn phổ biến giữa Silicon và Silicone. Hai chất này không giống nhau. Silicon là một chất tự nhiên có tính chất bán dẫn, còn Silicone là một loại polymer được tổng hợp từ Silicon, Oxygen và các nguyên tố hóa học khác, thường là Carbon và Hydrogen. Silicone thường có dạng lỏng hoặc dẻo tương tự như cao su và có đặc tính cách điện tốt.

Với tính chất bán dẫn đặc biệt, Silicon đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn điện. Trong khi đó, Silicone với đặc tính cách điện tốt nên thường được sử dụng trong những ứng dụng đòi hỏi tính chất cách điện và đàn hồi như trong sản xuất các bộ phận cách điện cho các thiết bị điện tử.

4. Tại sao chất bán dẫn được sử dụng để sản xuất chip?

Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện và cũng có đặc tính cách điện, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng để kiểm soát dòng điện. Trong chip điện tử, nguyên lý hoạt động dựa trên việc bật tắt dòng điện để tạo ra tín hiệu và các chức năng khác. Vì vậy, chất bán dẫn là vật liệu lý tưởng để chế tạo chip điện tử, vì chúng cho phép điều khiển bật và tắt dòng điện vào những thời điểm chính xác.

Chất bán dẫn là vật liệu lý tưởng để chế tạo chip điện tử

Hy vọng bài viết trên của Vietchem đã giúp bạn hiểu rõ hơn về chất bán dẫn và vai trò của nó trong ngành sản xuất điện tử. Cảm ơn bạn đã quan tâm và hy vọng có cơ hội gặp lại bạn trong những chủ đề sắp tới.