chất bán dẫn là gì

Cùng với tính chất dẫn điện, trong tự nhiên có nhiều chất có tính dẫn điện thấp hơn đáng kể so với chất dẫn điện kim loại. Những chất thuộc loại này được gọi là chất bán dẫn.

Chất bán dẫn bao gồm: một số nguyên tố hóa học như selen, silic và gecmani, các hợp chất lưu huỳnh như tali sunfua, cadmium sunfua, bạc sunfua, cacbua như carborundum, cacbon (kim cương), bo, thiếc, phốt pho, antimon, asen, telua, iốt , và một số hợp chất bao gồm ít nhất một trong các nguyên tố thuộc nhóm 4 - 7 của hệ thống Mendeleev. Ngoài ra còn có chất bán dẫn hữu cơ.

Bản chất của tính dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào loại tạp chất có trong vật liệu cơ bản của chất bán dẫn và công nghệ sản xuất các bộ phận cấu thành của nó.

Chất bán dẫn — chất có tinh dân điện 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 nằm giữa các thuộc tính này giữa chất dẫn điện và chất cách điện.Sự khác biệt giữa chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện theo lý thuyết dải như sau: trong chất bán dẫn tinh khiết và chất cách điện điện tử có một dải năng lượng bị cấm giữa dải đầy (hóa trị) và dải dẫn.

Tại sao chất bán dẫn dẫn điện

Một chất bán dẫn có tính dẫn điện tử nếu các electron bên ngoài trong các nguyên tử tạp chất của nó liên kết tương đối yếu với hạt nhân của các nguyên tử đó. Nếu một điện trường được tạo ra trong loại chất bán dẫn này, thì dưới tác dụng của các lực của trường này, các electron bên ngoài của các nguyên tử tạp chất của chất bán dẫn sẽ rời khỏi ranh giới của các nguyên tử của chúng và trở thành các electron tự do.

Các êlectron tự do sẽ tạo ra dòng dẫn điện trong chất bán dẫn dưới tác dụng của lực điện trường. Do đó, bản chất dòng điện trong chất bán dẫn dẫn điện cũng giống như trong chất dẫn điện kim loại. Nhưng vì số electron tự do trên một đơn vị thể tích của chất bán dẫn ít hơn nhiều lần so với trên một đơn vị thể tích của dây dẫn kim loại, nên điều tự nhiên là, tất cả các điều kiện khác là như nhau, dòng điện trong chất bán dẫn sẽ nhỏ hơn nhiều lần so với trong kim loại. Nhạc trưởng.

Một chất bán dẫn có độ dẫn "lỗ trống" nếu các nguyên tử tạp chất của nó không những không từ bỏ các electron bên ngoài của chúng mà ngược lại, có xu hướng thu giữ các electron của các nguyên tử của chất chính của chất bán dẫn. Nếu một nguyên tử tạp chất lấy đi một electron từ nguyên tử của chất chính, thì một loại không gian trống cho electron - một "lỗ trống" sẽ được hình thành trong chất sau.

Một nguyên tử bán dẫn bị mất một điện tử được gọi là "lỗ trống điện tử" hay đơn giản là "lỗ trống".Nếu "lỗ trống" chứa đầy một electron được chuyển đến từ một nguyên tử lân cận, thì nó sẽ bị loại bỏ và nguyên tử trở nên trung hòa về điện, và "lỗ trống" sẽ di chuyển sang nguyên tử lân cận đã mất một electron. Do đó, nếu một điện trường được đặt vào chất bán dẫn có «lỗ trống» dẫn điện, thì «lỗ trống điện tử» sẽ di chuyển theo hướng của trường này.

Sự lệch của «lỗ electron» theo hướng tác dụng của điện trường tương tự như chuyển động của các điện tích dương trong trường và do đó là hiện tượng dòng điện trong chất bán dẫn.

Chất bán dẫn không thể được phân biệt hoàn toàn theo cơ chế dẫn điện của chúng, bởi vì cùng với độ dẫn "Lỗ", chất bán dẫn này có thể có độ dẫn điện tử ở mức độ này hay mức độ khác.

Chất bán dẫn được đặc trưng bởi:

• loại độ dẫn điện (điện tử - n-type, lỗ -p -type);

• sức chống cự;

• thời gian tồn tại của hạt mang điện tích (thiểu số) hoặc độ dài khuếch tán, tốc độ tái hợp bề mặt;

• mật độ trật khớp.

Xem thêm: Đặc tính dòng điện-điện áp của chất bán dẫn Silicon là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất

Nhiệt độ có chúng sinh ảnh hưởng đến đặc tính của chất bán dẫn. Sự gia tăng của nó chủ yếu dẫn đến giảm sức đề kháng và ngược lại, tức là. chất bán dẫn được đặc trưng bởi sự hiện diện của điện tích âm hệ số nhiệt độ của điện trở… Gần bằng không tuyệt đối, chất bán dẫn trở thành chất cách điện.

Nhiều thiết bị dựa trên chất bán dẫn. Trong hầu hết các trường hợp, chúng phải thu được ở dạng đơn tinh thể.Để cung cấp các tính chất mong muốn, chất bán dẫn được pha tạp với các tạp chất khác nhau. Các yêu cầu gia tăng được đặt ra đối với độ tinh khiết của vật liệu bán dẫn ban đầu.

Những thiết bị bán dẫn

Xử lý nhiệt bán dẫn

Xử lý nhiệt chất bán dẫn — nung nóng và làm mát chất bán dẫn theo một chương trình nhất định để thay đổi các đặc tính điện vật lý của nó.

Các thay đổi: biến đổi tinh thể, mật độ lệch vị trí, nồng độ của các chỗ trống hoặc khuyết tật cấu trúc, loại độ dẫn điện, nồng độ, độ linh động và thời gian tồn tại của các hạt mang điện. Ngoài ra, bốn yếu tố cuối cùng có thể liên quan đến sự tương tác của tạp chất và khuyết tật cấu trúc hoặc sự khuếch tán của tạp chất trong phần lớn tinh thể.

Làm nóng các mẫu germani đến nhiệt độ >550 °C, sau đó làm lạnh nhanh dẫn đến sự xuất hiện của chất nhận nhiệt ở nồng độ nhiệt độ càng cao. Quá trình ủ tiếp theo ở cùng nhiệt độ sẽ phục hồi điện trở ban đầu.

Cơ chế có thể xảy ra của hiện tượng này là sự hòa tan của đồng trong mạng gecmani khuếch tán từ bề mặt hoặc được lắng đọng trước đó trên các chỗ lệch. Quá trình ủ chậm khiến đồng lắng đọng trên các khuyết tật cấu trúc và thoát ra khỏi mạng tinh thể. Sự xuất hiện của các khuyết tật cấu trúc mới trong quá trình làm mát nhanh cũng có thể xảy ra. Cả hai cơ chế đều có thể làm giảm tuổi thọ, điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm.

Trong silicon ở nhiệt độ 350 - 500 °, sự hình thành các chất cho nhiệt xảy ra ở nồng độ càng cao, càng nhiều oxy hòa tan trong silicon trong quá trình phát triển tinh thể. Ở nhiệt độ cao hơn, các nhà tài trợ nhiệt bị phá hủy.

Làm nóng đến nhiệt độ trong khoảng 700 — 1300 ° làm giảm đáng kể tuổi thọ của các hạt mang điện thiểu số (ở > 1000 °, sự khuếch tán tạp chất ra khỏi bề mặt đóng vai trò quyết định). Làm nóng silicon ở 1000-1300 ° ảnh hưởng đến sự hấp thụ quang và tán xạ ánh sáng.

Ứng dụng của chất bán dẫn

Trong các công nghệ hiện đại, chất bán dẫn đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi nhất; chúng đã có tác động rất mạnh mẽ đến tiến bộ công nghệ. Nhờ chúng, có thể giảm đáng kể trọng lượng và kích thước của các thiết bị điện tử. Sự phát triển của tất cả các lĩnh vực điện tử dẫn đến việc tạo ra và cải tiến một số lượng lớn các thiết bị đa dạng dựa trên các thiết bị bán dẫn. Các thiết bị bán dẫn đóng vai trò là cơ sở cho microcell, micromodules, mạch cứng, v.v.

Các thiết bị điện tử dựa trên các thiết bị bán dẫn thực tế không có quán tính. Một thiết bị bán dẫn được chế tạo cẩn thận và được niêm phong tốt có thể tồn tại hàng chục nghìn giờ. Tuy nhiên, một số vật liệu bán dẫn có giới hạn nhiệt độ nhỏ (ví dụ, gecmani), nhưng bù nhiệt độ không quá khó hoặc thay thế vật liệu cơ bản của thiết bị bằng vật liệu khác (ví dụ: silicon, silicon carbide) phần lớn loại bỏ nhược điểm này. của công nghệ sản xuất thiết bị bán dẫn dẫn đến giảm sự phân tán tham số và sự không ổn định vẫn còn tồn tại.

Chất bán dẫn trong điện tử

Tiếp xúc bán dẫn-kim loại và tiếp giáp điện tử-lỗ trống (tiếp giáp n-p) được tạo ra trong chất bán dẫn được sử dụng trong sản xuất điốt bán dẫn.Mối nối đôi (p-n-p hoặc n-R-n) — bóng bán dẫn và thyristor. Các thiết bị này chủ yếu được sử dụng để chỉnh lưu, tạo và khuếch đại tín hiệu điện.

Tính chất quang điện của chất bán dẫn được sử dụng để tạo ra điện trở quang, điốt quang và bóng bán dẫn quang. Chất bán dẫn đóng vai trò là bộ phận tích cực của bộ tạo dao động (bộ khuếch đại) của dao động laser bán dẫn… Khi một dòng điện đi qua tiếp giáp pn theo hướng thuận, các hạt mang điện—electron và lỗ trống—kết hợp lại với sự phát xạ photon, được sử dụng để tạo ra đèn LED.

đèn LED

Các tính chất nhiệt điện của chất bán dẫn giúp tạo ra điện trở nhiệt bán dẫn, cặp nhiệt điện bán dẫn, cặp nhiệt điện và máy phát nhiệt điện và làm mát nhiệt điện của chất bán dẫn dựa trên hiệu ứng Peltier, - tủ lạnh nhiệt điện và bộ ổn định nhiệt.

Chất bán dẫn được sử dụng trong các bộ chuyển đổi nhiệt cơ học và năng lượng mặt trời trong các máy phát điện - nhiệt điện và bộ chuyển đổi quang điện (pin mặt trời).

Ứng suất cơ học tác dụng lên chất bán dẫn làm thay đổi điện trở của nó (hiệu ứng mạnh hơn đối với kim loại), đây là cơ sở của máy đo biến dạng chất bán dẫn.

Các thiết bị bán dẫn đã trở nên phổ biến trong thực tiễn thế giới, cách mạng hóa ngành điện tử, chúng là cơ sở để phát triển và sản xuất:

• thiết bị đo lường, máy tính,

• thiết bị cho tất cả các loại thông tin liên lạc và vận tải,

• cho quá trình tự động hóa công nghiệp,

• thiết bị nghiên cứu,

• tên lửa,

• Thiết bị y tế

• các thiết bị, dụng cụ điện tử khác.

Việc sử dụng các thiết bị bán dẫn cho phép bạn tạo ra thiết bị mới và cải tiến thiết bị cũ, điều đó có nghĩa là nó giảm kích thước, trọng lượng, mức tiêu thụ điện năng và do đó, giảm sự sinh nhiệt trong mạch, tăng sức mạnh, sẵn sàng hoạt động ngay lập tức, nó mang lại bạn cho phép bạn tăng tuổi thọ và độ tin cậy của các thiết bị điện tử.