Điện tử cơ bản - Chất bán dẫn

A semiconductorlà chất có điện trở suất nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Tính chất của điện trở suất không phải là đặc tính duy nhất quyết định vật liệu làm chất bán dẫn, nhưng nó có một số tính chất như sau.

Chất bán dẫn có điện trở suất nhỏ hơn chất cách điện và hơn chất dẫn điện.
Chất bán dẫn có đồng nhiệt độ âm. Điện trở trong chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ giảm và ngược lại.
Đặc tính dẫn điện của Chất bán dẫn thay đổi, khi một tạp chất kim loại thích hợp được thêm vào nó, đây là một đặc tính rất quan trọng.

Các thiết bị bán dẫn được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điện tử. Bóng bán dẫn đã thay thế các ống chân không cồng kềnh, từ đó kích thước và giá thành của các thiết bị giảm xuống và cuộc cách mạng này không ngừng tăng tốc dẫn đến những phát minh mới như điện tử tích hợp. Hình minh họa sau đây cho thấy sự phân loại của chất bán dẫn.

Sự dẫn điện trong chất bán dẫn

Sau khi có một số kiến thức về các electron, chúng tôi đã biết rằng lớp vỏ ngoài cùng có valence electronsđược gắn lỏng lẻo với hạt nhân. Một nguyên tử như vậy, có các điện tử hóa trị khi đưa lại gần nguyên tử kia, các điện tử hóa trị của cả hai nguyên tử này kết hợp với nhau để tạo thành “Electron pairs”. Liên kết này không quá mạnh và do đó nó làCovalent bond.

Ví dụ, một nguyên tử germani có 32 electron. 2 electron ở quỹ đạo thứ nhất, 8 ở quỹ đạo thứ hai, 18 ở quỹ đạo thứ ba, trong khi 4 ở quỹ đạo cuối cùng. 4 electron này là electron hóa trị của nguyên tử gecmani. Các điện tử này có xu hướng kết hợp với các điện tử hóa trị của các nguyên tử liền kề, để tạo thành các cặp điện tử, như thể hiện trong hình sau.

Tạo lỗ

Do nhiệt năng cung cấp cho tinh thể, một số electron có xu hướng di chuyển ra khỏi vị trí của chúng và phá vỡ các liên kết cộng hóa trị. Các liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ này, dẫn đến các điện tử tự do đi lang thang một cách ngẫu nhiên. Nhưngmoved away electrons tạo ra một không gian trống hoặc hóa trị phía sau, được gọi là hole.

Lỗ trống này đại diện cho một electron bị thiếu có thể được coi là một điện tích dương đơn vị trong khi electron được coi là một điện tích âm đơn vị. Các êlectron được giải phóng chuyển động ngẫu nhiên nhưng khi có điện trường bên ngoài tác dụng thì các êlectron này chuyển động ngược chiều điện trường đặt vào. Nhưng các lỗ trống được tạo ra do không có electron, di chuyển theo hướng của trường ứng dụng.

Lỗ hiện tại

Người ta đã hiểu rằng khi một liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ, một lỗ trống được tạo ra. Trên thực tế, có một xu hướng mạnh mẽ của tinh thể bán dẫn để hình thành liên kết cộng hóa trị. Vì vậy, một lỗ không có xu hướng tồn tại trong một tinh thể. Điều này có thể được hiểu rõ hơn qua hình sau, cho thấy một mạng tinh thể bán dẫn.

Một electron, khi dịch chuyển từ vị trí A, một lỗ trống được hình thành. Do xu hướng hình thành liên kết cộng hóa trị, một electron từ B bị chuyển sang A. Bây giờ, một lần nữa để cân bằng liên kết cộng hóa trị tại B, một electron lại chuyển từ C sang B. Điều này tiếp tục tạo ra một con đường. Chuyển động của lỗ này khi không có trường áp dụng là ngẫu nhiên. Nhưng khi điện trường được đặt vào, lỗ trống sẽ trượt dọc theo trường được áp dụng, tạo thànhhole current. Đây được gọi là dòng điện lỗ trống nhưng không phải dòng điện tử bởi vì sự chuyển động của các lỗ góp phần tạo ra dòng điện.

Các electron và lỗ trống trong khi chuyển động ngẫu nhiên, có thể gặp nhau, tạo thành cặp. Sự tái kết hợp này dẫn đến giải phóng nhiệt, làm phá vỡ một liên kết cộng hóa trị khác. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ tạo electron và lỗ trống tăng, do đó tốc độ tái tổ hợp tăng, dẫn đến mật độ electron và lỗ trống tăng. Kết quả là, độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng và điện trở suất giảm, có nghĩa là hệ số nhiệt độ âm.

Chất bán dẫn nội tại

Chất bán dẫn ở dạng cực kỳ tinh khiết được cho là intrinsic semiconductor. Các đặc tính của chất bán dẫn tinh khiết này như sau:

Các điện tử và lỗ trống chỉ được tạo ra bởi kích thích nhiệt.
Số electron tự do bằng số lỗ trống.
Khả năng dẫn điện nhỏ ở nhiệt độ phòng.

Để tăng khả năng dẫn điện của chất bán dẫn nội tại người ta pha thêm một số tạp chất. Quá trình thêm tạp chất này được gọi làDoping. Bây giờ, chất bán dẫn nội tại pha tạp chất này được gọi là Chất bán dẫn bên ngoài.

Doping

Quá trình thêm tạp chất vào vật liệu bán dẫn được gọi là pha tạp. Các tạp chất được thêm vào, thường là các tạp chất hóa trị năm và ba.

Pentavalent Impurities

Các pentavalenttạp chất là tạp chất có năm electron hóa trị ở quỹ đạo ngoài cùng. Ví dụ: Bismut, Antimon, Asen, Phốt pho
Nguyên tử ngũ bội được gọi là donor atom vì nó nhường một electron cho vùng dẫn của nguyên tử bán dẫn tinh khiết.

Trivalent Impurities

Các trivalenttạp chất là tạp chất có ba electron hóa trị ở quỹ đạo ngoài cùng. Ví dụ: Gali, Indi, Nhôm, Boron
Nguyên tử hóa trị ba được gọi là acceptor atom vì nó nhận một electron từ nguyên tử bán dẫn.

Chất bán dẫn bên ngoài

Chất bán dẫn không tinh khiết, được hình thành bằng cách pha tạp chất bán dẫn tinh khiết được gọi là extrinsic semiconductor. Có hai loại chất bán dẫn bên ngoài tùy thuộc vào loại tạp chất được thêm vào. Chúng là chất bán dẫn bên ngoài loại N và chất bán dẫn bên ngoài loại P.

Chất bán dẫn bên ngoài loại N

Một lượng nhỏ tạp chất pentavalent được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết để tạo ra chất bán dẫn ngoại vi Ntype. Tạp chất thêm vào có 5 electron hóa trị.

Ví dụ, nếu nguyên tử Asen được thêm vào nguyên tử gecmani, bốn trong số các điện tử hóa trị sẽ được gắn với nguyên tử Ge trong khi một điện tử vẫn là điện tử tự do. Điều này được thể hiện trong hình sau.

Tất cả các điện tử tự do này tạo thành dòng điện. Do đó, tạp chất khi được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết sẽ cung cấp các điện tử để dẫn điện.

Trong chất bán dẫn ngoại lai loại N, khi sự dẫn truyền xảy ra qua các điện tử, các điện tử là hạt tải điện đa số và các lỗ trống là hạt tải điện thiểu số.
Vì không có sự bổ sung của các điện tích dương hoặc âm, các electron trung hòa về điện.
Khi đặt một điện trường vào một chất bán dẫn loại N, trong đó tạp chất năm mặt được thêm vào, các electron tự do sẽ di chuyển về phía điện cực dương. Điều này được gọi là độ dẫn âm hoặc loại N.

Chất bán dẫn bên ngoài loại P

Một lượng nhỏ tạp chất hóa trị ba được thêm vào chất bán dẫn tinh khiết để tạo ra chất bán dẫn ngoại lai loại P. Tạp chất thêm vào có 3 electron hóa trị. Ví dụ, nếu nguyên tử Bo được thêm vào nguyên tử germani, ba trong số các điện tử hóa trị sẽ gắn với nguyên tử Ge, để tạo thành ba liên kết cộng hóa trị. Nhưng, một electron nữa trong gecmani vẫn còn lại mà không hình thành bất kỳ liên kết nào. Vì không còn electron trong boron để tạo liên kết cộng hóa trị nên không gian được coi như một lỗ trống. Điều này được thể hiện trong hình sau.

Tạp chất boron khi được thêm vào với một lượng nhỏ sẽ tạo ra một số lỗ giúp dẫn điện. Tất cả các lỗ này tạo thành dòng điện lỗ.

Trong chất bán dẫn ngoại lai loại P, khi sự dẫn truyền qua các lỗ trống, các lỗ trống là hạt tải điện đa số trong khi các điện tử là hạt tải điện thiểu số.
Tạp chất được thêm vào đây tạo ra các lỗ được gọi là acceptors, bởi vì chúng nhận các electron từ các nguyên tử germani.
Khi số lượng lỗ trống di động bằng số lượng chất nhận, chất bán dẫn Ptype vẫn trung hòa về điện.
Khi đặt một điện trường vào chất bán dẫn loại P, có thêm tạp chất hóa trị ba, các lỗ trống sẽ di chuyển về phía điện cực âm, nhưng với tốc độ chậm hơn so với các điện tử. Điều này được gọi là độ dẫn loại P.
Trong độ dẫn điện loại P này, các điện tử hóa trị chuyển từ liên kết cộng hóa trị này sang liên kết cộng hóa trị khác, không giống như loại N.

Tại sao Silicon được ưa chuộng trong chất bán dẫn?

Trong số các vật liệu bán dẫn như gecmani và silicon, vật liệu được sử dụng rộng rãi để sản xuất các linh kiện điện tử khác nhau là Silicon (Si). Silicon được ưa chuộng hơn germanium vì nhiều lý do như -

Khoảng cách vùng năng lượng là 0,7ev, trong khi nó là 0,2ev đối với germani.
Sự tạo cặp nhiệt nhỏ hơn.
Sự hình thành lớp SiO2 dễ dàng đối với silicon, giúp cho việc chế tạo nhiều thành phần cùng với công nghệ tích hợp.
Si dễ dàng tìm thấy trong tự nhiên hơn Ge.
Tiếng ồn ở các thành phần cấu tạo từ Si ít hơn ở Ge.

Do đó, Silicon được sử dụng trong sản xuất nhiều linh kiện điện tử, được sử dụng để chế tạo các mạch điện khác nhau cho các mục đích khác nhau. Các thành phần này có các thuộc tính riêng và mục đích sử dụng cụ thể.

Các thành phần điện tử chính bao gồm - Điện trở, biến trở, Tụ điện, Tụ điện biến thiên, Cuộn cảm, Điốt, Điốt đường hầm, Điốt Varactor, Bóng bán dẫn, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, LED, Pin mặt trời, Nhiệt điện trở, Biến áp, Biến áp, công tắc , rơ le, v.v.