Chất bán dẫn là chất gì? Đối với nhiều người trong số chúng ta, chắc hẳn nhiều bạn cũng đã từng nghe qua về loại chất này? Vậy nên trong bài viết sau đây, chúng ta hãy tìm hiểu thế nào là bán dẫn và loại chất này được chia thành mấy loại chính, nó có những ứng dụng nào trong thực tế đời sống hàng ngày của con người?
Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn là một chất không cố định, có thể là loại đơn chất hoặc hợp chất. Đặc điểm của nó xuất phát từ khả năng dẫn điện. Từ bán dẫn ý chỉ chất này vừa có khả năng dẫn điện và cũng vừa có khả năng cách điện.
Các thông tin về chất bán dẫn
Ở nhiệt độ thường, các chất này có khả năng dẫn điện và càng nóng khả năng dẫn điện của nó càng tốt. Ngược lại khi ở nhiệt độ thấp hơn bình thường, nó lại có khả năng cách điện tốt.
Bởi vậy mà nó ngày nay có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, y tế, khoa học và công nghệ. Chất bán dẫn từ các chất tinh khiết như silicon hay germanium. Đối với bán dẫn thuộc loại hợp chất ta có thể kể đến là cadmium selenide hay Gallium Arsenide.
Bạn cũng cần biết rằng tính dẫn điện của những loại chất này thường sẽ không cố định và sẽ thay đổi khi thành phần của nó thay đổi. Ví dụ như đối với silicon ở dạng dạng đơn chất, nó thường sẽ thể hiện đúng bản chất của một loại bán dẫn, nhưng khi thành phần của nó không còn tinh khiết khi pha trộn với những hợp chất khác thì chưa chắc khả năng dẫn điện của nó vẫn sẽ giữ nguyên.
Về nguồn gốc
Bạn nghĩ chất bán dẫn đã xuất hiện cách đây rất lâu nhưng con người đã biết và ứng dụng nó vào khoa học, kinh tế và công nghệ đã lâu hay chưa? Từ những năm 1940, người ta đã tìm thấy bán dẫn và sử dụng nó trong các thiết bị đầu tiên như bóng đèn hay radio. Điều này tạo ra nhiều điều tích cực và thôi thúc các nhà khoa học không ngừng tìm hiểu về loại chất này.
Việc sử dụng chất bán dẫn tác động tích cực đến quá trình hoạt động của nhiều thiết bị. Thông qua nó, các thiết bị điện ban đầu được thu nhỏ đáng kể kích thước và khiến cho nó hoạt động với công suất tốt hơn mà lại tiết kiệm điện hơn. Trong thời kỳ tài nguyên đang bị khai thác quá đà thì các sản phẩm từ bán dẫn đang ngày càng trở nên phổ biến hơn nữa.
Có mấy loại bán dẫn cơ bản hiện tại?
Như vậy, bạn đã hiểu những gì cơ bản nhất liên quan đến loại chất này. Vậy chất bán dẫn được chia thành mấy loại? Sau đây, bạn hãy xem bán dẫn là loại chất có 2 loại chính, bao gồm:
Chất bán dẫn đơn chất (hay tinh khiết)
Bán dẫn tinh khiết hay còn được nhiều nhà khoa học gọi là bán dẫn thuần, nó là loại không chứa tạp chất bên trong và là nguyên tố đơn. Ta có 2 loại chất điển hình gọi là bán dẫn thuần gồm có silicon và germanium. Trong đó, silicon là chất được sử dụng nhiều hơn cả, vì nó là nguyên tố phổ biến thứ 2 trên Trái Đất, sau Oxi.
Nếu bạn chú ý thì đây đều là những nguyên tố hóa học có vị trí là nhóm IV trong bảng tuần hoàn hóa học. Vậy nên chúng đều có 4 electron ở lớp ngoài cùng để liên kết với các nguyên tử Silic khác trong khối bằng liên kết cộng hóa trị. Chính vì vậy mà chúng tạo nên mối liên kết trung hòa về điện với điều kiện nhiệt độ thấp.
Silic được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng và trong đời sống con người. Chúng ta sẽ nói về những ứng dụng này sau. So với Germanium thì Silic được tìm thấy trong vỏ trái đất rất nhiều, cho nên chúng ta mới nghe thấy cụm từ nền kinh tế silicon nhiều hơn do nó đã được đi vào khai thác rộng rãi trong nhiều thập kỷ trở lại đây.
Một số đặc điểm của bán dẫn tinh khiết bao gồm:
- Điện trở suất cao khi ở nhiệt độ thấp và ngược lại. Vậy nên nó có khả năng dẫn điện khi nhiệt độ tăng cao và ngắt điện khi nhiệt độ giảm xuống.
- Có giá trị âm ở hệ số nhiệt điện trở
- Khả năng dẫn điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ.
Chất bán dẫn hỗn hợp
Bên cạnh loại đơn chất thì ta còn có một loại khác đó là chất bán dẫn hỗn hợp. Còn được gọi là bán dẫn tạp chất, nó có khả năng dẫn điện khác nhau ở từng loại. Bởi vì loại hỗn hợp được chia thành 2 dòng chính:
- Bán dẫn loại P: còn gọi là loại bán dẫn dương. Mặc dù có tạp chất nhưng các nguyên tố cấu thành đều thuộc nhóm 3. Vậy nên nó chỉ có 3 electron ở ngoài liên kết với các tạp chất khác có trong cùng một loại theo liên kết cộng hóa trị. Vì chỉ có hóa trị 3 cho nên khi liên kết nó sẽ tạo ra một lỗ trống mang điện tích dương. Vậy nên nó được gọi là bán dẫn loại P (Dương).
- Bán dẫn loại N: còn được gọi là bán dẫn âm. Các tạp chất có trong bán dẫn N đều thuộc nhóm 5 và có 5 electron ở lớp vỏ ngoài. Nhưng khi 5 electron này liên kết với các nguyên tử khác có trong bán dẫn N nó sẽ thừa ra một electron. Khi liên kết nó theo nguyên tắc cộng hóa trị thì electron thứ 5 sẽ thừa ra. Tạo ra một hạt mang điện tích âm. Gọi là bán dẫn N.
Những thuộc tính đặc trưng chỉ có ở chất bán dẫn
Là một loại có tính trung gian, chúng ta đã có thể tìm hiểu thế nào là chất bán dẫn. Sau đây, bài viết sẽ chia sẻ cho bạn những tính chất mang tính tổng quát của loại chất này, một số tính chất điển hình có thể kể đến như sau:
- Chất bán dẫn hoạt động linh hoạt, cách điện và dẫn điện sẽ thay đổi theo nhiệt độ của nó.
- Có thể thay đổi được: khi pha tạp thêm các chất khác, nó có thể thay đổi tính dẫn điện và tính cách điện của bán dẫn. Vậy nên nó có thể được ứng dụng trong việc chuyển đổi năng lượng, chuyển mạch trong các thiết bị điện bán dẫn.
- Ít bị tổn thất điện
- Giảm kích thước, trọng lượng.
- Điện trở suất ở mức trung gian, cao hơn chất dẫn điện và nhỏ hơn chất cách điện.
- Tăng hay giảm nhiệt độ đều ảnh hưởng khả năng dẫn, cách điện.
Đặc điểm của chất bán dẫn
Chất bán dẫn có những đặc điểm vô cùng khác biệt đến từ chính dẫn điện và cách điện thay đổi theo nhiệt độ. Thêm vào đó, nó có thể bị ảnh hưởng bởi kết cấu và thành phần bên trong. Với bán dẫn tạp chất và tinh khiết, tính dẫn điện của nó cũng sẽ khác nhau và có thể thay đổi. Vậy nên đặc điểm phổ biến nhất khi ta nói về loại chất này chính là tính dẫn điện.
Ta có một khái niệm gọi là mức cấm. Tại mức này, nhiệt độ thấp hơn không thể làm bán dẫn dẫn điện được, và cao hơn thì sẽ không thể cách điện được. Khi nhiệt độ tăng cao vượt qua mức cấm đạt đến mức dẫn. Bán dẫn có thể dẫn điện. Vậy nên đặc điểm phổ biến nhất ở bán dẫn chính là khả năng dẫn điện tăng theo nhiệt độ.
Người ta biết về tính dẫn điện theo nhiệt độ của chất bán dẫn nhưng lại ít biết rằng nó có khả năng thay đổi khả năng này qua năng lượng ánh sáng. Khi hấp thụ năng lượng photon (các hạt trong ánh sáng) đú lớn, chúng sẽ vượt qua mức cấm và trở thành vật có thể mang điện. Lúc này ta nói rằng tính bán dẫn bị thay đổi dưới tác động từ các photon ánh sáng.
Ứng dụng, tầm quan trọng của bán dẫn với cuộc sống
Được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày, bán dẫn xuất hiện trong hầu hết các sản phẩm hiện diện trong cuộc sống của bạn. Vậy nó có những ứng dụng gì và có tầm quan trọng như thế nào? Tìm hiểu ngay sau đây nhé.
Sự quan trọng của chất bán dẫn
Ngày nay, chất bán dẫn trở thành một phần không thể thiếu trong các linh kiện và thiết bị điện tử. Nó hiện hữu trong cả cơ sở hạ tầng xã hội, tích cực hỗ trợ con người trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ ngày càng thôi thúc con người ta tìm hiểu nhiều hơn về bán dẫn.
Chất bán dẫn hoạt động theo cách hỗ trợ hoạt động của các thiết bị điện tử, qua việc tối ưu quá trình làm việc của nó và làm nhỏ đi đáng kể kích thước. Điển hình là giai đoạn đầu trong quá trình tìm ra bán dẫn, người ta đã thu nhỏ bóng đèn rất nhiều lần kể từ khi áp dụng bán dẫn vào cấu trúc bóng đèn.
Sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật giúp khai thác bán dẫn trở thành chất không thể thiếu trong các linh kiện, máy móc và thiết bị khác nhau trong đời sống xã hội. Nó tiết kiệm đáng kể nhiên liệu, thân thiện với môi trường, dễ dàng sử dụng và sẽ là nguồn năng lượng cần thiết để hạn chế các tác động đến môi trường toàn cầu.
Những thiết bị và lĩnh vực sử dụng bán dẫn
Để giúp bạn hình dung cụ thể hơn về những ứng dụng tuyệt vời mà nó mang lại, sau đây hãy tìm hiểu một số lĩnh vực, ngành công nghiệp áp dụng cực kỳ thông dụng bán dẫn trong sản xuất và hoạt động:
- Các thiết bị dân dụng: cảm biến nhiệt trong điều hòa nhiệt độ, nồi cơm điện với hệ thống điều khiển nhiệt độ, bộ CPU của máy tính, điện thoại di động, máy ảnh, quạt, bóng đèn led, máy giặt và các thiết bị gần gũi khác.
- Các thiết bị công cộng và vận tải: có thể kể đến như cây ATP, xe lửa, dịch vụ internet và truyền thông và các thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng công cộng khác.
- Y tế: sử dụng bán dẫn trong việc chăm sóc sức khỏe và theo dõi sức khỏe trên người bệnh
- Ngoài ra, nó còn được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị nặng và nền công nghiệp nặng hiện nay. Với nhiều ưu điểm, khái niệm về nền kinh tế Silicon chính là điển hình cho việc nhấn mạnh tầm quan trọng của bán dẫn.
Lời kết
Trên đây là nội dung bài viết chia sẻ về chủ đề chất bán dẫn. Hi vọng qua bài viết này đã mang đến cho bạn nhiều kiến thức thú vị liên quan đến bán dẫn. Bài viết còn nhiều thiếu sót, bạn có thể bổ sung thêm ở ngay bên dưới phần bình luận nhé.
