5 khái niệm không phải ai cũng biết về chất bán dẫn

Trong lĩnh vực sản xuất sản phẩm công nghệ hiện đại, chất bán dẫn ngày càng chứng minh sự cần thiết và vai trò không thể thiếu của mình trong mỗi sản phẩm. Trong bài viết này, hãy cùng Beetech tìm hiểu 5 khái niệm về chất bán dẫn không phải ai cũng biết nhé.

1. Băng dẫn và băng cấm

Đây là hai khái niệm cơ bản nhất trong vật lý chất bán dẫn, giúp ta hiểu cách chất bán dẫn dẫn điện như thế nào, trong đó:

• Băng dẫn (conduction band) là vùng năng lượng nơi các electron có đủ năng lượng để vượt qua lực hấp dẫn của nguyên tử và di chuyển từ một vị trí này sang một vị trí khác một cách tự do. Các vật liệu có băng dẫn rộng và năng lượng bắn (energy gap) giữa băng dẫn, băng cấm nhỏ thường dẫn điện tốt hơn.

• Băng cấm (valence band) là vùng năng lượng mà các electron bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn của nguyên tử và không thể di chuyển, cần một lượng năng lượng lớn để vượt ra khỏi vùng này. Các vật liệu có băng cấm rộng và năng lượng bắn lớn giữa băng dẫn và băng cấm thường là các chất cách điện. 

Sự khác biệt giữa hai băng này quyết định tính dẫn điện của vật liệu. Các chất bán dẫn với băng dẫn và băng cấm rộng có khả năng dẫn điện tốt hơn vì electron có thể dễ dàng di chuyển giữa các nguyên tử. Trong khi đó, các chất bán dẫn với băng dẫn và băng cấm hẹp ít dẫn điện hơn vì electron không thể di chuyển được.

>>>>> Xem thêm: 

• Tiềm năng ngành công nghệ bán dẫn tại Việt Nam

• Những điều bạn chưa biết về lừa đảo trực tuyến tại Việt Nam

2. Hiệu ứng transistor

Hiệu ứng transistor là hiện tượng điều khiển dòng điện thông qua một khu vực dẫn điện của chất bán dẫn bằng cách áp dụng một điện áp đầu vào. Transistor là một thành phần điện tử chính trong các mạch điện và điện tử, hiệu ứng này là cơ sở cho hoạt động của transistor.

Transistor thường được làm từ ba lớp chất bán dẫn: bán dẫn nối (n-type), bán dẫn p (p-type) và bán dẫn nối (n-type) hoặc p (p-type). Có hai loại transistor chính: 

• Transistor bipol (BJT - Bipolar Junction Transistor): Trong transistor bipol, hiệu ứng transistor là kết quả của sự điều khiển dòng điện giữa hai lớp bán dẫn (nối và p) thông qua một lớp trung gian không dẫn. Áp dụng một điện áp đầu vào vào lớp điều khiển (base) sẽ kiểm soát dòng điện chảy giữa hai lớp khác (collector và emitter).

• Transistor dẫn (FET - Field Effect Transistor): Trong transistor dẫn, hiệu ứng transistor là kết quả của sự điều khiển dòng điện giữa hai dải bán dẫn (source và drain) thông qua một điện trường điều khiển được tạo ra bởi một cổng điều khiển (gate). Áp dụng một điện áp đầu vào vào cổng điều khiển sẽ kiểm soát dòng điện chảy giữa hai dải bán dẫn.

Cả hai loại transistor này đều có thể được sử dụng để chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu điện. Hiệu ứng transistor là cơ sở cho nhiều ứng dụng quan trọng trong điện tử, từ việc xây dựng mạch logic đơn giản đến các mạch điện tử phức tạp như máy tính và điện thoại di động.

Transistor là một thành phần chính của các mạch điện tử và làm việc dựa trên hiệu ứng của chất bán dẫn. Hiệu ứng này cho phép điều khiển luồng dòng điện thông qua một khu vực dẫn điện của chất bán dẫn thông qua một điện áp đầu vào.

3. Chỉ số n của chất bán dẫn

Chỉ số n của chất bán dẫn là một đại lượng quan trọng, xác định mức độ dẫn điện của một chất bán dẫn, thường được sử dụng để mô tả mật độ electron tự do trong một chất bán dẫn. Chất bán dẫn có chỉ số n cao thường có khả năng dẫn điện tốt hơn. Ví dụ, silic (silicon) có chỉ số n là 1, trong khi đó đồng (copper) có chỉ số n là khoảng 8.5.

Chỉ số n 

Chất bán dẫn có thể được phân loại dựa trên chỉ số n như sau:

• Chất bán dẫn intrinsique: Đây là loại chất bán dẫn có chỉ số n tương đối thấp và được tự nhiên tồn tại mà không cần thêm bất kỳ tác động nào từ bên ngoài. Ví dụ điển hình là silic và germani.

• Chất bán dẫn extrinsique: Đây là loại chất bán dẫn mà chỉ số n đã được thay đổi thông qua quá trình dot (nhiễm) hoặc doping (tạp chất). Nhiễm này có thể làm tăng hoặc giảm số lượng electron tự do trong chất bán dẫn.

• Chất bán dẫn n-type (n-type semiconductor): Đây là loại chất bán dẫn mà nhiễm làm tăng số lượng electron tự do. Chất bán dẫn n-type có chỉ số n cao hơn so với chất bán dẫn intrinsique.

• Chất bán dẫn p-type (p-type semiconductor): Đây là loại chất bán dẫn mà nhiễm làm giảm số lượng electron tự do và tạo ra lỗ trống (holes) dương. Chất bán dẫn p-type có chỉ số n thấp hơn so với chất bán dẫn intrinsique.

Chỉ số n càng cao thì chất bán dẫn càng dẫn điện tốt hơn. Trong chất bán dẫn n-type, chỉ số n cao do sự tăng số lượng electron tự do. Trong chất bán dẫn p-type, chỉ số n thấp do sự tạo ra lỗ trống dương làm giảm số lượng electron tự do.

4. Diode

Diode là một loại thành phần điện tử quan trọng và phổ biến nhất trong các mạch điện và điện tử hiện đại. Nó là một thành phần điện tử hai cực, có khả năng cho phép dòng điện chỉ chảy qua một hướng và chặn dòng điện ở hướng khác. Nó hoạt động tương tự như cánh cửa xoay, chỉ mở cho dòng điện đi qua theo một hướng nhất định. Diode hoạt động dựa trên hiệu ứng chỉ số n của chất bán dẫn.

Cấu tạo cơ bản của một diode bao gồm hai lớp chất bán dẫn (n-type và p-type) được kết nối với nhau. Khi nối một đầu của diode với điện tích dương (anode) và đầu kia với điện tích âm (cathode), diode sẽ trở nên dẫn điện và cho phép dòng điện chạy qua. Ngược lại, nếu nối ngược lại, tức là nối anode với điện tích âm và cathode với điện tích dương, diode sẽ cắt dòng điện và không cho phép dòng điện chạy qua.

Một số ứng dụng phổ biến của diode bao gồm:

• Chuyển đổi điện năng: Diode được sử dụng trong các mạch chuyển đổi và biến đổi điện năng từ một dạng sang một dạng khác, chẳng hạn như từ AC (dòng điện xoay chiều) sang DC (dòng điện một chiều).

• Bảo vệ mạch: Diode có thể được sử dụng để bảo vệ mạch điện khỏi các điện áp ngược hoặc các dòng điện quá tải.

• Các ứng dụng logic: Trong các mạch logic kỹ thuật số, diode được sử dụng để xây dựng các cổng logic cơ bản như AND, OR và NOT.

• Phát xạ ánh sáng: Trong diode phát quang (LED), diode được sử dụng để chuyển đổi điện năng thành ánh sáng.

• Các ứng dụng cao tần: Trong việc xây dựng các mạch điện tần số cao như trong radar và viễn thông, diode có thể được sử dụng làm bộ phát sóng hoặc bộ thu sóng.

5. Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall là một hiện tượng vật lý mà khi một dòng điện chạy qua một chất bán dẫn có magnetic field tác động vuông góc với dòng điện đó, sẽ tạo ra một điện thế dọc theo hướng vuông góc với cả dòng điện và magnetic field.

Cụ thể, khi một dòng điện chạy qua một dải chất bán dẫn (ví dụ như silic hay germani) và có một trường từ ngoại lai vuông góc với dải đó, electron di chuyển trong dải sẽ bị ảnh hưởng bởi trường từ này. Trong điều kiện này, các electron sẽ bị lệch khỏi đường đi ban đầu và tích tụ ở một bên của dải chất bán dẫn, tạo ra một sự chênh lệch về điện tích giữa hai bên của dải. Kết quả là, một điện thế sẽ xuất hiện giữa hai bên của dải chất bán dẫn, gọi là điện thế Hall.

Đây là một hiệu ứng quan trọng trong vật lý chất bán dẫn, được sử dụng để đo lượng điện tích di chuyển trong một chất bán dẫn khi nó được đặt trong một trường từ ngoại lai và một dòng dẫn điện chạy qua nó. Hiệu ứng này có ứng dụng trong việc đo thông số của các vật liệu dẫn điện. Nó là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu vật lý chất bán dẫn và có ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như cảm biến magnetic và các thiết bị điều khiển dòng điện.

Tóm lại, bài viết trên đã cung cấp 5 khái niệm cơ bản về chất bán dẫn, một trong những lĩnh vực được dự đoán là sẽ bùng nổ trong tương lai. Hãy cùng đón xem các bài viết tiếp theo của Beetech tại đây nhé.