Trong kỷ nguyên công nghệ số và sự bùng nổ của vi mạch (microchip) thì vật liệu bán dẫn đóng vai trò là trung tâm của mọi thiết bị điện tử. Tuy nhiên, để hiểu được cách các linh kiện phức tạp như diode, transistor hay vi xử lý hoạt động, chúng ta cần nắm được nền tảng cơ bản nhất – đó chính là chất bán dẫn tinh khiết. Bài viết này sẽ cung cấp những thông tin về loại vật liệu nền tảng này.
Chất bán dẫn xuất hiện rất nhiều ở trong các thiết bị điện tử
Nội dung bài viết
Tìm hiểu về chất bán dẫn tinh khiết?
Để trả lời cho câu hỏi chất bán dẫn tinh khiết là gì (hay bán dẫn tinh khiết là gì), chúng ta cần nhìn vào cấu trúc nguyên tử và độ tinh khiết hóa học của vật liệu.
Khái niệm chất bán dẫn
Chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn (intrinsic semiconductor) hoàn toàn không chứa bất kỳ một nguyên tử tạp chất nào, hoặc lượng tạp chất tồn tại ở mức độ cực kỳ không đáng kể, không đủ để làm thay đổi các tính chất điện từ cơ bản của vật liệu. Trong tự nhiên và trong công nghiệp, hai nguyên tố đại diện tiêu biểu nhất cho bán dẫn tinh khiết là Silicon (Si) và Germanium (Ge).
Đặc điểm chung của các nguyên tố này là chúng thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleev. Điều này có nghĩa là mỗi nguyên tử đều có 4 electron ở lớp vỏ ngoài cùng (electron hóa trị).
Chất bán dẫn tinh khiết đóng vai trò nền tảng cho hầu hết các thiết bị công nghệ như máy tính, điện thoại, vi mạch
Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần
Trong bán dẫn tinh khiết, các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Một nguyên tử Silicon sẽ dùng 4 electron hóa trị của mình để dùng chung với 4 electron của 4 nguyên tử Silicon lân cận. Kết quả là tạo ra một mạng tinh thể không gian ba chiều vô cùng bền vững, nơi mỗi nguyên tử đều đạt được trạng thái bão hòa với 8 electron ở lớp ngoài cùng (quy tắc bát tử).
Chính cấu trúc liên kết khép kín này là nguyên nhân quyết định đến tính chất dẫn điện đặc thù của vật liệu.
Tầm quan trọng của bán dẫn tinh khiết
Dù ít được sử dụng trực tiếp để chế tạo linh kiện, việc nghiên cứu sâu về chất bán dẫn tinh khiết là nền tảng sống còn của ngành công nghiệp vi mạch vì những lý do sau:
- Vật liệu nền: Các tấm Wafer Silicon siêu tinh khiết (độ tinh khiết đạt mức 99.9999999% – hay còn gọi là 9N) là khung xương để in khắc hàng tỷ transistor. Nếu bản thân vật liệu nền không phải là chất bán dẫn tinh khiết, các lỗi tinh thể sẽ gây đoản mạch và hỏng hóc toàn bộ vi mạch.
- Cơ sở vật lý: Mọi thiết kế bán dẫn (diode, MOSFET, BJT) đều dựa trên các thông số gốc của bán dẫn tinh khiết như nồng độ Ni, độ rộng vùng cấm Eg, độ linh động hạt tải.
- Cảm biến nhiệt độ và quang học: Vì độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ và ánh sáng (photon). Chúng được ứng dụng trong việc chế tạo các điện trở nhiệt (Thermistor) loại NTC và các loại cảm biến quang điện.
Cấu trúc đặc biệt của chất bán dẫn
Thuyết vùng năng lượng trong chất bán dẫn tinh khiết
Các hiện tượng vật lý ở bán dẫn tinh khiết vật lý chất rắn sử dụng: Thuyết vùng năng lượng. Theo thuyết này, năng lượng của electron trong tinh thể không nhận các giá trị rời rạc mà tập trung thành các vùng năng lượng.
- Vùng hóa trị: Là vùng chứa các electron tham gia vào liên kết cộng hóa trị. Ở trạng thái cơ bản (nhiệt độ 0 độ K), vùng này hoàn toàn đầy electron.
- Vùng dẫn: Là vùng năng lượng cao hơn. Các electron nằm trong vùng này đã thoát khỏi liên kết nguyên tử, trở thành electron tự do và có thể di chuyển tạo thành dòng điện.
- Vùng cấm: Khoảng trống năng lượng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Không có electron nào được phép tồn tại trong vùng cấm này.
Đối với chất bán dẫn tinh khiết, độ rộng vùng cấm Eg thường nằm trong khoảng từ 0.5 eV đến 3.0 eV. Ví dụ: ở nhiệt độ phòng, Eg của Silicon là khoảng 1.12 eV, và của Germanium là khoảng 0.66 eV.
Chất bán dẫn là là vật liệu bán dẫn không pha tạp chất, có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh và độ tinh khiết rất cao.
Phân loại các chất bán dẫn
Hiện nay, chất bán dẫn chủ yếu được chia thành 2 loại, đó là bán dẫn thuần (bán dẫn tinh khiết) và chất bán dẫn pha tạp.
Chất bán dẫn tinh khiết
Chất bán dẫn tinh khiết còn có tên gọi khác là chất bán dẫn thuần. Ở đây, chất bán dẫn không được pha tạp bởi bất cứ nguyên tố hóa học nào khác. Chất bán dẫn tinh khiết nằm nhóm IV trong bảng tuần hoàn hóa học, do đó nó có đặc điểm chung là ở lớp ngoài cùng đều có bốn điện tử hoá trị.
Chúng ta lấy một trường hợp, đó là nguyên tử silic:
- Ở lớp ngoài cùng, bốn điện tử lớp ngoài cùng của một nguyên tử không những chịu sự ràng buộc với hạt nhân của chính nguyên tử đó mà còn liên kết với bốn nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh nhau có một cặp điện tử góp chung.
- Do chuyển động của nhiệt độ, các điện tử góp chung này có thể bứt ra khỏi quỹ đạo của nó tạo thành các điện tử tự do. Đó chính là các hạt dẫn điện tử. Đây chính là điều kiện cho các chất bán dẫn dẫn điện khi đạt trạng thái kích thích.
- Khi các điện tích tự do tách ra sẽ để lại những lỗ trống cho các electron thế chỗ, tạo nên các electron chung cho cả 2 nguyên tử. Chính điều này tạo nên sự di chuyển của các điện tử góp chung. Sự di chuyển này giống như sự di chuyển của các điện tích dương. Và khi đó các lỗ trống mang điện tích dương, các hạt electron mang điện tích âm. Khi điện trường chạy qua, các điện tử chuyển động ngược chiều với véc tơ cường độ điện trường còn các lỗ trống thì chuyển động cùng chiều tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn.
- Chất bán dẫn được thực hiện bởi số lượng hạt e tự do và các lỗ trống cân bằng với nhau được gọi là chất bán dẫn thuần.
Chất bán dẫn tạp chất
Bằng cách pha tạp thêm các nguyên tử khác không phải chất bán dẫn, tạp chất bán dẫn sẽ trở nên dẫn điện một cách tốt hơn dù chỉ là một thay đổi vô cùng nhỏ.
Chất bán dẫn P
Để nâng cao tính dẫn điện của các chất bán dẫn, một số tạp chất đã được cho thêm vào.
Trong đó, các chất được thêm vào có thể là nằm ở nhóm III hoặc nằm ở nhóm V.
Với nguyên tố nằm ở nhóm III ( chẳng hạn như nguyên tố Bo), chúng có 3 electron ở lớp ngoài cùng, do đó chúng sẽ có nhiều lỗ trống hơn, mang điện tích dương.
Chất bán dẫn có hạt truyền điên chủ yếu là các chỗ trống người ta gọi là chất bán dẫn P. Người ta gọi đây là tạp chất bán dẫn Axepto.
Chất bán dẫn N ( Negative : âm)
Ngược lại so với chất bán dẫn mang nhiều lỗ trống, tạp chất được pha thêm ở đây có 5 electron ở lớp ngoài cùng ( nhóm V, thường là photpho). Ở tạp chất này sẽ có nhiều electron hơn, do đó nó làm nhiệm vụ truyền tải điện chính. Người ta gọi tạp chất bán dẫn này với cái tên là Đô-no.
Và khi chúng ta sử dụng 2 loại chất bán dẫn N-P này thành 1 cặp sẽ tạo nên những điốt, IC, Transitor phổ biến trong các mạch điện tử ngày nay.
Bạn có thể quan tâm:
