Chất bán dẫn (Semiconductor)

Độ dẫn điện của chất bán dẫn:

Độ dẫn điện của một chất được xác định bởi số lượng và khả năng di chuyển của các hạt mang điện (electron hoặc lỗ trống) trong vật liệu. Kim loại có rất nhiều electron tự do, do đó có độ dẫn điện cao. Cách điện thì ngược lại, gần như không có hạt mang điện tự do. Chất bán dẫn có số lượng hạt mang điện ít hơn kim loại nhưng nhiều hơn cách điện. Sự khác biệt chính nằm ở cấu trúc liên kết và khoảng cách năng lượng giữa các vùng năng lượng. Electron trong chất bán dẫn cần một năng lượng nhất định để vượt qua vùng cấm (band gap) và trở thành electron tự do tham gia vào quá trình dẫn điện. Chính vì vậy, độ dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, ánh sáng (có thể cung cấp năng lượng cho electron), áp suất (ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể) và tạp chất (có thể tạo ra các mức năng lượng trong vùng cấm).

Vùng năng lượng

Trong chất bán dẫn, các electron phân bố theo các mức năng lượng khác nhau. Các mức năng lượng này được chia thành các vùng:

• Vùng hóa trị (Valence band): Vùng chứa các electron liên kết với nguyên tử.
• Vùng dẫn (Conduction band): Vùng chứa các electron tự do có thể di chuyển trong vật liệu và đóng góp vào dòng điện.
• Vùng cấm (Band gap): Khoảng năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Electron cần năng lượng đủ lớn để vượt qua vùng cấm này để trở thành electron tự do. Kích thước của vùng cấm là một yếu tố quan trọng quyết định tính chất bán dẫn của vật liệu.

Chất bán dẫn nội tại (Intrinsic Semiconductor)

Là chất bán dẫn tinh khiết, không chứa tạp chất. Ở nhiệt độ phòng, một số nhỏ electron trong vùng hóa trị có đủ năng lượng để nhảy lên vùng dẫn, để lại một lỗ trống (hole) trong vùng hóa trị. Cả electron và lỗ trống đều đóng vai trò là hạt mang điện. Số lượng electron và lỗ trống trong chất bán dẫn nội tại là bằng nhau. Độ dẫn điện của chất bán dẫn nội tại thấp và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ.

Chất bán dẫn ngoại lai (Extrinsic Semiconductor)

Là chất bán dẫn được pha tạp chất để thay đổi độ dẫn điện. Có hai loại tạp chất:

• Tạp chất cho (Donor impurities): Có 5 electron hóa trị (như Phốt pho – P). Khi pha vào chất bán dẫn 4 electron hóa trị (như Silic – Si), một electron sẽ trở nên tự do, tạo ra chất bán dẫn loại n (n-type), với electron là hạt mang điện chính. Electron dư thừa này nằm ở mức năng lượng gần vùng dẫn, dễ dàng nhảy lên vùng dẫn và tham gia dẫn điện.
• Tạp chất nhận (Acceptor impurities): Có 3 electron hóa trị (như Bo – B). Khi pha vào chất bán dẫn 4 electron hóa trị, nó sẽ tạo ra một lỗ trống, tạo ra chất bán dẫn loại p (p-type), với lỗ trống là hạt mang điện chính. Tạp chất nhận tạo ra các mức năng lượng gần vùng hóa trị, cho phép electron từ vùng hóa trị dễ dàng nhảy lên các mức này, tạo ra lỗ trống trong vùng hóa trị.

Nồng độ hạt mang điện

Nồng độ electron ($n$) và lỗ trống ($p$) trong chất bán dẫn nội tại được liên hệ bởi công thức:

$np = n_i^2$

trong đó $n_i$ là nồng độ hạt mang điện nội tại. Công thức này thể hiện sự cân bằng giữa quá trình tạo cặp electron-lỗ trống và quá trình tái hợp.

Ứng dụng

Chất bán dẫn là nền tảng của rất nhiều thiết bị điện tử, bao gồm:

• Diode: Được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện, tạo ra dòng điện một chiều từ dòng điện xoay chiều.
• Transistor: Có chức năng khuếch đại và đóng cắt tín hiệu, là thành phần cơ bản trong các mạch điện tử.
• Mạch tích hợp (IC): Tích hợp hàng triệu transistor và các linh kiện khác trên một chip silicon nhỏ, tạo nên các hệ thống điện tử phức tạp.
• LED (Light Emitting Diode): Phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua, được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng và hiển thị.
• Pin mặt trời: Chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng.
• Cảm biến: Biến đổi các đại lượng vật lý (như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng) thành tín hiệu điện.

Ví dụ về chất bán dẫn:

• Silic (Si)
• Germani (Ge)
• Gali Arsenua (GaAs)

Hiệu ứng Hall

Khi đặt một chất bán dẫn trong từ trường vuông góc với dòng điện chạy qua nó, một điện trường sẽ được tạo ra theo hướng vuông góc với cả từ trường và dòng điện. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Hall. Điện áp Hall ($V_H$) được tính theo công thức:

$V_H = \frac{IB}{ned}$

trong đó:

• $I$ là cường độ dòng điện
• $B$ là cường độ từ trường
• $n$ là nồng độ hạt mang điện
• $e$ là điện tích của electron
• $d$ là độ dày của chất bán dẫn

Hiệu ứng Hall được sử dụng để xác định loại chất bán dẫn (n hoặc p), đo nồng độ hạt mang điện và đo độ linh động của hạt mang điện.

Tiếp xúc p-n

Khi ghép hai chất bán dẫn loại p và loại n với nhau, ta tạo ra một tiếp xúc p-n. Đây là cấu trúc cơ bản của nhiều linh kiện bán dẫn như diode và transistor. Tại vùng tiếp xúc, electron từ vùng n khuếch tán sang vùng p và kết hợp với lỗ trống, tạo ra một vùng nghèo (depletion region) không có hạt mang điện tự do. Vùng nghèo này tạo ra một rào thế ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của hạt mang điện.

Diode

Diode là một linh kiện bán dẫn được tạo thành từ một tiếp xúc p-n. Nó cho phép dòng điện chạy theo một chiều (từ p sang n) và chặn dòng điện theo chiều ngược lại.

Transistor

Transistor là một linh kiện bán dẫn có ba cực, có khả năng khuếch đại tín hiệu. Có hai loại transistor chính: transistor lưỡng cực (BJT) và transistor hiệu ứng trường (FET).

Mạch tích hợp (IC)

Mạch tích hợp, còn được gọi là chip, là một tập hợp các linh kiện bán dẫn (như transistor, diode, điện trở và tụ điện) được chế tạo trên cùng một đế silic.

Các ứng dụng tiên tiến

Ngoài các ứng dụng đã nêu, chất bán dẫn còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực tiên tiến khác như:

• Công nghệ nano: Chế tạo các thiết bị nano từ chất bán dẫn với kích thước và tính năng vượt trội.
• Điện tử spin: Khai thác spin của electron để lưu trữ và xử lý thông tin.
• Pin mặt trời hiệu suất cao: Phát triển các vật liệu và cấu trúc mới để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời.

• Physics of Semiconductor Devices – S. M. Sze and Kwok K. Ng
• Solid State Electronic Devices – Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee
• Microelectronic Circuits – Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao silic (Si) lại là vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất, mặc dù có những vật liệu khác có hiệu suất cao hơn?

Trả lời: Mặc dù các vật liệu như GaAs và InP có hiệu suất cao hơn ở tần số cao, silicon vẫn là vật liệu phổ biến nhất vì một số lý do:

• Chi phí: Silicon rẻ hơn nhiều so với các vật liệu khác.
• Sự phong phú: Silicon là nguyên tố thứ hai phổ biến nhất trên Trái Đất, đảm bảo nguồn cung dồi dào.
• Công nghệ chế tạo: Công nghệ chế tạo silicon đã được phát triển rất tốt và trưởng thành, cho phép sản xuất hàng loạt với chi phí thấp.
• Ôxít silic (SiO2): SiO2 là một chất cách điện tuyệt vời, dễ dàng tạo thành trên bề mặt silicon, cho phép tạo ra các transistor và mạch tích hợp phức tạp.

Hiệu ứng nhiệt độ ảnh hưởng đến chất bán dẫn như thế nào?

Trả lời: Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn điện của chất bán dẫn. Khi nhiệt độ tăng, nhiều electron có đủ năng lượng để nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, làm tăng nồng độ hạt mang điện tự do và do đó tăng độ dẫn điện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ rất cao, sự dao động mạng tinh thể tăng lên, cản trở sự di chuyển của hạt mang điện, làm giảm độ linh động và có thể làm giảm độ dẫn điện.

Sự khác biệt chính giữa transistor BJT và FET là gì?

Trả lời:

• BJT (Transistor lưỡng cực): BJT là linh kiện điều khiển bằng dòng điện, dòng điện collector (IC) được điều khiển bởi dòng điện base (IB). BJT có trở kháng vào thấp.
• FET (Transistor hiệu ứng trường): FET là linh kiện điều khiển bằng điện áp, dòng điện drain (ID) được điều khiển bởi điện áp gate (VG). FET có trở kháng vào cao.

Tại sao vùng nghèo (depletion region) trong tiếp xúc p-n lại quan trọng?

Trả lời: Vùng nghèo đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của diode và transistor. Rào thế được hình thành trong vùng nghèo ngăn cản dòng điện chạy theo chiều ngược lại trong diode. Trong transistor, việc điều chỉnh độ rộng của vùng nghèo cho phép điều khiển dòng điện chạy qua linh kiện.

Công nghệ nano đóng vai trò gì trong tương lai của chất bán dẫn?

Trả lời: Công nghệ nano cho phép chế tạo các thiết bị bán dẫn với kích thước nanomet, mở ra nhiều khả năng mới cho việc cải thiện hiệu suất và tạo ra các chức năng mới. Ví dụ, các chấm lượng tử (quantum dots) có thể được sử dụng để tạo ra các đèn LED với hiệu suất phát sáng cao hơn và dải màu rộng hơn. Các dây nano (nanowires) và ống nano (nanotubes) có thể được sử dụng để chế tạo các transistor với kích thước nhỏ hơn và tốc độ chuyển mạch nhanh hơn. Công nghệ nano cũng hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá trong lĩnh vực điện tử spin và tính toán lượng tử.