Dòng điện trong chất bán dẫn là gì? Bản chất và ứng dụng ⚡️

Dòng điện trong chất bán dẫn là một khái niệm vật lý được giảng dạy ở chương trình phổ thông trung học. Đây là một lý thuyết vật lý có tính ứng dụng cao trong đời sống của con người. Những phát minh liên quan đến dòng điện trong chất bán dẫn giữ vai trò quan trọng và có tính định hướng đối với ngành vật lý trong tương lai. Trong số mới nhất ngày hôm nay, hãy cùng tìm hiểu về dòng điện trong chất bán dẫn – bản chất và ứng dụng nhé!
Dòng điện trong chất bán dẫn là gì?
Dòng điện trong chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là gì? Đặc tính của chất bán dẫn

Chất bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hiện đại. Có thể nói đây là một trong những tác nhân quan trọng ảnh hưởng đến sự bùng nổ của khoa học – công nghệ. Vậy chất bán dẫn là gì? Tính chất của vật liệu này như thế nào? Hãy cùng khám phá nhé!

Tìm hiểu về dòng dòng điện trong chất bán dẫn
Tìm hiểu về dòng dòng điện trong chất bán dẫn

Xem thêm: Hiện tượng quang điện là gì? L.T Hiện tượng quang điện trong và ngoài ☢

Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn là một chất liệu có tính chất đặc biệt, nằm ở khoảng trung gian giữa kim loại và chất cách điện (điện môi). Do đó, chất liệu này sở hữu tính chất và có khả năng hoạt động tương tự như các chất liệu trên tùy thuộc vào môi trường cụ thể. Chất bán dẫn có thể hoạt động như một chất liệu cách điện ở điều kiện nhiệt độ thấp. Trong khi đó, ở nhiệt độ phòng (Theo tiêu chuẩn STP), chất bán dẫn được xem là một vật liệu dẫn điện. Những vật liệu bán dẫn với các tính chất tiêu biểu có thể kể đến như Silic và Gecmani.

Tính chất của chất bán dẫn

Chất bán dẫn thể hiện những tính chất đặc biệt của một số vật loại vật liệu. Trong nhiều năm nghiên cứu, vật liệu bán dẫn trở thành câu hỏi gây đau đầu cho các nhà vật lý thực nghiệm. Cùng với sự phát triển của khoa học, hiện nay các nhà nghiên cứu đã phát hiện và công bố những tính chất của vật liệu bán dẫn như sau:

  • Tính bán dẫn của vật liệu sẽ thay đổi khi có sự tham gia của các tạp chất. Những tạp chất khác nhau tác động và tạo ra tính bán dẫn khác nhau. Điện trở suất của chất bán dẫn có xu hướng giảm mạnh khi bị pha lẫn tạp chất. Điều này cho thấy tính chất bán dẫn của một vật liệu chịu ảnh hưởng trực tiếp và sâu sắc bởi các yếu tố bên ngoài.
  • Trong điều kiện nhiệt độ thấp, điện trở suất của vật liệu bán dẫn tinh khiết vô cùng lớn. Khi điện trở tăng lên dưới các tác động thực nghiệm, điện trở suất có xu hướng giảm mạnh một cách nhanh chóng. Đồng thời đưa hệ số về giá trị âm.
  • Điện trở của vật liệu bán dẫn giảm mạnh khi chịu ảnh hưởng của ánh sáng (bị chiếu sáng) hoặc dưới các tác động của những tác nhân gây nên hiện tượng ion hóa.
  • Chất bán dẫn có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn các loại chất cách điện khác. Đồng thời vật liệu này ít gây tổn thất điện năng hơn so với những vật liệu cách điện thông thường.

Dòng điện trong chất bán dẫn là gì?

Nguyên tố Silic - Chất bán dẫn tinh khiết
Nguyên tố Silic – Chất bán dẫn tinh khiết

Xem thêm: ⚡️Dòng điện trong chất khí là gì? Tìm hiểu dòng điện trong chất khí

Sử dụng vật liệu bán dẫn là Silic để xây dựng mô hình phân tử và tìm hiểu nguyên lý của dòng điện trong chất bán dẫn chúng ta có được những thông tin quan trọng như sau:

Chất bán dẫn tinh khiết có mô hình cấu tạo phân tử gồm 4 electron ở bên ngoài liên kết với các nguyên tử Si. Điều này đã tạo nên tính chất trung hòa điện ở môi trường nhiệt độ thấp cho vật liệu này. Ở điều kiện này, xung quanh các nguyên tử Si hình thành nên 8 electron ở lớp ngoài cùng. Mặc dù được đặt trong điện trường nhưng lúc này Si không có khả năng dẫn điện bởi trong phân tử này không chứa các hạt tải điện.

Ngược lại, ở điều kiện nhiệt độ cao. Liên kết giữa nguyên tử Si và các electron bị phá vỡ do tính chất kém bền của Si. Điều này đã tạo nên các electron di chuyển tự do. Đồng thời kéo theo những lỗ trống bên trong phân tử. 

Quá trình chuyển động nhiệt một cách hỗn loạn của các electron tự do đến những lỗ trống giúp lấp đầy và tạo ra những liên kết mới ngay bên trong những lỗ trống đã được hình thành trước đó. Ngay lúc này những lỗ trống khác lại được hình thành ở những vị trí tự do và có sự liên kết với nguyên tử Si. 

Những liên kết mới được hình thành không hề tạo ra điện tích dư thừa. Các nhà vật lý cho rằng những lỗ trống ấy chính là điện tính và sở hữu những tính chất tương tự như các hạt mang điện dương. 

Như vậy, dòng điện trong chất bán dẫn được hiểu là sự chênh lệch điện thế theo hai chiều ngược nhau của chất bán dẫn nhờ vào sự dịch chuyển của electron và những lỗ trống bên trong phân tử. 

Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn

Dòng điện trong chất bán dẫn cho thấy quá trình chuyển động ngược chiều điện trường của các electron và cùng chiều điện trường của các lỗ trống bên trong phân tử. 

  • Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn đơn giản là sự dịch chuyển có hướng của các electron và dòng các lỗ trống. 
  • Những vật liệu bán dẫn tinh khiết có số electron và lỗ trống tương đương nhau. 
  • Khả năng dẫn điện của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng lên.
  • Con người có thể can thiệp và thay đổi chất bán dẫn bằng cách pha lẫn các tạp chất nhờ những đặc tính đặc biệt trong loại vật liệu này.

Phân loại chất bán dẫn – hạt tải điện trong chất bán dẫn

Để thay đổi và tăng cường khả năng dẫn điện cho một số loại vật liệu. Các nhà nghiên cứu tiến hành pha lẫn những vật chất bán dẫn tinh khiết với một số nguyên tố khác. Điều này đã tạo ra 2 loại vật liệu bán dẫn có tính phổ biến rộng trong các ngành công nghiệp hiện đại. Hai loại chất bán dẫn chủ đạo hiện nay bao gồm chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p.

Cách phân loại chất bán dẫn phổ biến
Cách phân loại chất bán dẫn phổ biến
  • Chất bán dẫn loại n là loại bán dẫn mà ở đó các hạt tải điện bên trong phân tử mang điện tích âm (chủ yếu là các electron). Chất bán dẫn loại loại n là sự pha trộn giữa các chất bán dẫn tinh khiết (Si, Ge…) với các loại tạp chất cho (Dono). Những tạp chất này thường là các nguyên tố có 5 electron hóa trị. Chất bán dẫn loại này có các electron nhiều hơn lỗ trống. 
  • Chất bán dẫn loại p là chất bán dẫn có các hạt tải điện mang điện tích dương (chủ yếu là các lỗ trống). Để tạo ra chất bán dẫn loại p cần đến sự pha trộn của các vật liệu bán dẫn tinh khiết và những loại tạp chất nhận (Axepto). Những tạp chất này là những nguyên tố có electron hóa trị 3 như B hay A1. Đồng thời có số lượng lỗ trống nhiều hơn electron.

Lớp chuyển tiếp P – N của chất bán dẫn là gì?

Lớp chuyển tiếp P – N là một lý thuyết quan trọng trong quá trình tìm hiểu về chất bán dẫn và cách ứng dụng vật liệu này trong đời sống. Lớp chuyển tiếp P-N được hiểu là vị trí tiếp xúc giữa miền mang tính dẫn p và miền còn lại mang tính dẫn n. Được tạo ra ngay trên bề mặt của tinh thể bán dẫn. 

Chất bán dẫn có ý nghĩa gì trong đời sống?
Chất bán dẫn có ý nghĩa gì trong đời sống?

Lớp nghèo

Trường hợp lớp chuyển tiếp không tồn tại hoặc có rất ít hạt tải điện được hiểu là lớp nghèo. Lớp nghèo có đặc tính điện trở rất lớn. Trong đó, về chiều của bán dẫn loại n tồn tại các ion dono mang điện tích dương. Phía còn lại của bán dẫn loại p sở hữu những ion acepto có điện tích âm.

Dòng điện đi qua lớp nghèo

Dòng điện đi qua lớp nghèo có xu hướng dịch chuyển từ p sang n. Vì vậy chúng ta có thể gọi dòng điện đi theo hướng này là chiều thuận. Dòng điện di chuyển từ n sang p là chiều nghịch. 

Hiện tượng phun hạt tải điện

Hiện tượng phun hạt tải điện xảy ra khi dòng điện đi qua chất bán dẫn theo chiều thuận từ p sang n. Các hạt tải điện tiếp tục di chuyển để đi qua lớp nghèo và đến với miền ở phía đối diện.

Ứng dụng dòng điện trong chất bán dẫn

Dòng điện trong chất bán dẫn được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Bởi vì đây không phải là một mặt hàng hay vật liệu phổ thông, ít ai biết rằng chất bán dẫn đã và đang có sức ảnh hưởng to lớn đối với quá trình phát triển của các ngành công nghiệp hiện. Hãy cùng tìm hiểu về ứng dụng của dòng điện trong chất bán dẫn để thấu hiểu tầm quan trọng của vật liệu này nhé!

Ứng dụng của dòng điện trong chất bán dẫn
Ứng dụng của dòng điện trong chất bán dẫn

Chất bán dẫn là bộ phận quan trọng cấu thành nên các linh kiện điện tử nhằm duy trì hoạt động của nhiều loại máy móc kỹ thuật. Một số loại linh kiện cỡ nhỏ như Diode, thẻ nhớ SSD, HDD, Transistor, CPU… Trong lĩnh vực máy móc gia dụng, vật liệu bán dẫn là nhân tố cấu thành các bộ cảm biến thông minh, cho kết quả cực kỳ chính xác như cảm biến trong máy hút ẩm, điều hòa nhiệt độ, nồi cơm điện…

Chất bán dẫn là bộ phận cấu thành các loại thiết bị kỹ thuật số công nghệ cao như máy ảnh, điện thoại di động, máy quay phim… và một số máy móc khác như máy giặt, Tivi…

Ngoài lĩnh vực sản xuất máy móc, kỹ thuật công nghiệp, vật liệu bán dẫn còn đóng vai trò trung tâm trong các hoạt động tài chính, y tế, bảo vệ môi trường. Những vật liệu này góp phần tạo nên tầm ảnh hưởng của Internet, truyền thông, dịch vụ chăm sóc sức khỏe, hệ thống ATM…

Trên đây là bài viết của chúng tôi nhằm cung cấp cho các bạn những thông tin quan trọng về dòng điện trong chất bán dẫn. Cảm ơn các bạn đã theo dõi! Chúc các bạn một ngày tốt lành!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *