Cơ chế hoạt động của chất bán dẫn (Semiconductor working mechanism)

Cấu trúc vùng năng lượng

Chất bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng đặc trưng với hai vùng quan trọng: vùng hóa trị (valence band) và vùng dẫn (conduction band). Vùng hóa trị chứa các electron liên kết với nguyên tử, trong khi vùng dẫn chứa các electron tự do có thể di chuyển và tạo ra dòng điện. Giữa hai vùng này là vùng cấm (band gap) với năng lượng $E_g$. Electron ở vùng hóa trị cần nhận đủ năng lượng lớn hơn hoặc bằng $E_g$ để nhảy lên vùng dẫn. Khi một electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, nó để lại một lỗ trống ở vùng hóa trị. Lỗ trống này hoạt động như một hạt mang điện tích dương và cũng góp phần vào sự dẫn điện của chất bán dẫn.

Chất bán dẫn nội tại (Intrinsic Semiconductor)

Chất bán dẫn nội tại là chất bán dẫn tinh khiết, không chứa tạp chất. Ở nhiệt độ 0K, vùng hóa trị được lấp đầy electron, vùng dẫn trống rỗng, vật liệu hoạt động như chất cách điện. Khi nhiệt độ tăng, một số electron nhận đủ năng lượng để vượt qua vùng cấm, trở thành electron tự do ở vùng dẫn. Đồng thời, sự dịch chuyển của electron để lại các lỗ trống (hole) ở vùng hóa trị. Lỗ trống mang điện tích dương và cũng có thể di chuyển, góp phần vào dòng điện. Nồng độ electron ($n$) và lỗ trống ($p$) trong chất bán dẫn nội tại bằng nhau ($n=p=n_i$), $n_i$ là nồng độ chất mang nội tại.

Chất bán dẫn pha tạp (Extrinsic Semiconductor)

Để tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn, người ta pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nội tại, quá trình này gọi là pha tạp (doping). Có hai loại pha tạp chính:

• Pha tạp loại N (N-type doping): Sử dụng tạp chất có 5 electron hóa trị (như Phốt pho – P, Asen – As) để thay thế một số nguyên tử của chất bán dẫn (ví dụ: Silic – Si). 4 electron hóa trị của tạp chất sẽ liên kết với Si, còn 1 electron còn lại trở thành electron tự do ở vùng dẫn. Tạp chất loại N được gọi là tạp chất cho (donor impurities), làm tăng nồng độ electron ($n > p$). Electron trở thành chất mang đa số (majority carrier).
• Pha tạp loại P (P-type doping): Sử dụng tạp chất có 3 electron hóa trị (như Bo – B, Nhôm – Al) để thay thế nguyên tử Si. 3 electron của tạp chất liên kết với Si, tạo ra một liên kết thiếu electron, tức là một lỗ trống ở vùng hóa trị. Tạp chất loại P được gọi là tạp chất nhận (acceptor impurities), làm tăng nồng độ lỗ trống ($p > n$). Lỗ trống trở thành chất mang đa số.

Dòng điện trong chất bán dẫn

Dòng điện trong chất bán dẫn là tổng dòng electron và dòng lỗ trống. Dưới tác dụng của điện trường, electron ở vùng dẫn di chuyển ngược chiều điện trường, còn lỗ trống di chuyển cùng chiều điện trường. Trong chất bán dẫn pha tạp, dòng điện chủ yếu do chất mang đa số tạo ra.

Ứng dụng

Cơ chế hoạt động độc đáo của chất bán dẫn là nền tảng cho nhiều ứng dụng quan trọng trong điện tử hiện đại, bao gồm:

• Diode: Cho dòng điện chạy theo một chiều, được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều.
• Transistor: Hoạt động như một công tắc hoặc bộ khuếch đại tín hiệu, là thành phần cơ bản trong máy tính và các thiết bị điện tử khác.
• Pin mặt trời: Chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
• Cảm biến: Phát hiện và đo lường các đại lượng vật lý như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất.

Tóm lại, cơ chế hoạt động của chất bán dẫn dựa trên sự kiểm soát dòng electron và lỗ trống thông qua pha tạp và tác động của năng lượng bên ngoài, mở ra khả năng điều khiển dòng điện một cách linh hoạt và hiệu quả.

Tiếp xúc P-N (P-N Junction)

Khi ghép một chất bán dẫn loại P và một chất bán dẫn loại N lại với nhau, ta tạo thành tiếp xúc P-N, đây là nền tảng của nhiều linh kiện bán dẫn. Tại vùng tiếp xúc, electron từ vùng N khuếch tán sang vùng P, lấp đầy lỗ trống, tạo ra một vùng không có chất mang tự do gọi là vùng nghèo (depletion region). Vùng nghèo có điện trường hướng từ N sang P, ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của electron và lỗ trống.

Phân cực thuận và phân cực nghịch

• Phân cực thuận (Forward bias): Nối cực dương của nguồn điện vào vùng P và cực âm vào vùng N. Điện trường ngoài ngược chiều điện trường của vùng nghèo, làm vùng nghèo hẹp lại. Electron từ vùng N và lỗ trống từ vùng P dễ dàng vượt qua tiếp xúc, tạo ra dòng điện lớn.
• Phân cực nghịch (Reverse bias): Nối cực âm của nguồn điện vào vùng P và cực dương vào vùng N. Điện trường ngoài cùng chiều điện trường của vùng nghèo, làm vùng nghèo mở rộng. Electron và lỗ trống bị đẩy ra xa tiếp xúc, dòng điện rất nhỏ, gần như bằng không.

Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn

Khi chiếu ánh sáng có năng lượng photon $h\nu$ lớn hơn năng lượng vùng cấm $E_g$ vào chất bán dẫn, electron ở vùng hóa trị hấp thụ photon và nhảy lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống. Quá trình này gọi là hiệu ứng quang điện. Dòng điện tạo ra do các electron và lỗ trống này gọi là dòng quang điện. Hiệu ứng này được ứng dụng trong pin mặt trời.

Một số chất bán dẫn phổ biến

• Silic (Si): Chất bán dẫn phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các vi mạch tích hợp.
• Germanium (Ge): Được sử dụng trong các transistor và diode đời đầu.
• Gallium Arsenide (GaAs): Có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn Si, được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao.
• Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN): Vật liệu bán dẫn băng rộng (wide bandgap) có khả năng hoạt động ở điện áp và nhiệt độ cao, được sử dụng trong các ứng dụng điện công suất.

• Solid State Electronic Devices by Ben G. Streetman and Sanjay Kumar Banerjee
• Physics of Semiconductor Devices by Simon M. Sze and Kwok K. Ng
• Semiconductor Devices: Physics and Technology by S. M. Sze and M. K. Lee

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao độ dẫn điện của chất bán dẫn lại tăng theo nhiệt độ, trong khi độ dẫn điện của kim loại lại giảm?

Trả lời: Trong kim loại, sự dao động nhiệt của mạng tinh thể làm cản trở chuyển động của electron tự do, dẫn đến giảm độ dẫn điện khi nhiệt độ tăng. Ngược lại, trong chất bán dẫn, nhiệt độ cao cung cấp năng lượng cho electron vượt qua vùng cấm, tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống hơn, làm tăng độ dẫn điện. Mặc dù sự dao động mạng tinh thể cũng làm cản trở chuyển động của hạt mang điện trong chất bán dẫn, nhưng hiệu ứng tạo ra nhiều hạt mang điện do nhiệt độ lại chiếm ưu thế.

Sự khác biệt giữa chất bán dẫn loại N và loại P là gì, và làm thế nào để tạo ra chúng?

Trả lời: Chất bán dẫn loại N có nồng độ electron ($n$) cao hơn nồng độ lỗ trống ($p$), trong khi chất bán dẫn loại P có $p > n$. Chúng được tạo ra bằng cách pha tạp chất bán dẫn nội tại. Pha tạp chất cho (như P, As) tạo ra chất bán dẫn loại N, còn pha tạp chất nhận (như B, Al) tạo ra chất bán dẫn loại P.

Vùng nghèo trong tiếp xúc P-N được hình thành như thế nào và nó có vai trò gì?

Trả lời: Vùng nghèo được hình thành do sự khuếch tán của electron từ vùng N sang vùng P và lỗ trống từ vùng P sang vùng N tại tiếp xúc P-N. Sự khuếch tán này tạo ra một vùng không có hạt mang điện tự do và có điện trường hướng từ N sang P. Vùng nghèo đóng vai trò như một rào cản đối với dòng điện, điều khiển dòng điện qua tiếp xúc P-N.

Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn được ứng dụng như thế nào trong pin mặt trời?

Trả lời: Trong pin mặt trời, ánh sáng mặt trời chiếu vào tiếp xúc P-N. Photon có năng lượng đủ lớn ($h\nu > E_g$) sẽ tạo ra cặp electron-lỗ trống. Điện trường trong vùng nghèo tách các electron và lỗ trống này, tạo ra dòng điện. Dòng điện này được dẫn ra ngoài để sử dụng.

Ngoài Si, còn có những chất bán dẫn nào khác được sử dụng phổ biến và ưu điểm của chúng là gì?

Trả lời: Một số chất bán dẫn khác được sử dụng phổ biến bao gồm GaAs, SiC, và GaN. GaAs có tốc độ chuyển mạch electron nhanh hơn Si, phù hợp cho ứng dụng tần số cao. SiC và GaN là vật liệu bán dẫn băng rộng, có khả năng hoạt động ở điện áp và nhiệt độ cao, được sử dụng trong các ứng dụng điện công suất. Mỗi loại chất bán dẫn đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau.