Lỗ Trống Và Hạt Tải điện Trong Chất Bán Dẫn Là Gì - Van Điều Khiển

Nội dung bài viết

• 1 Chất bán dẫn là gì
  • 1.1 Chất dẫn điện là gì
  • 1.2 Chất cách điện là gì
  • 1.3 Chất bán dẫn có các tính chất nào
  • 1.4 Hạt tải điện trong chất bán dẫn là gì ?
  • 1.5 Ứng dụng của chất bán dẫn là gì
  • 1.6 Nguyên lý vận hành các chất bán dẫn
  • 1.7 Ưu điểm của các chất bán dẫn
  • 1.8 Chất bán dẫn có mấy loại ?
    • 1.8.1 Chất bán dẫn tinh khiết là gì
    • 1.8.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chất bán dẫn tinh khiết
    • 1.8.3 Dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết như thế nào ?
  • 1.9 Chất bán dẫn loại N là gì
  • 1.10 Chất bán dẫn loại P là gì
    • 1.10.1 So sánh chất bán dẫn N và P
  • 1.11 Bài tập chất bán dẫn tinh khiết, N, P
    • 1.11.1 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ
    • 1.11.2 Câu hỏi trắc nghiệm thảo luận ví dụ về đặc tính chất bán dẫn

Chất bán dẫn là gì ? Sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên các chất bán dẫn như thế nào ?

Chất bán dẫn được xem như một đề tài được bạn đọc quan tâm khá nhiều. Đặc biệt các vấn đề liên quan đến bản chất dòng điện và dòng lưu thông các hạt tải điện trong các chất bán dẫn hiện nay

Gali arsenide, germani và silicon, pin năng lượng mặt trời; diot đều là những chất bán dẫn thông dụng tiềm tàng trong đời sống sản xuất

Hoặc ví dụ trên các điện thoại, máy tính, thiết bị truyền hình tivi, radio….. có hàng triệu; thậm chí hãng tỷ bóng bán dẫn

Hoặc các thiết bị công nghiệp như cảm biến nhiệt độ pt100, đồng hồ lưu lượng, cảm biến áp suất hay công tắc nhiệt …… đều tích hợp khá nhiều loại bóng bán dẫn này

Đối với các vi mạch điện, chíp điện tử  thì chất bán dẫn được thiết kế nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện; có tác dụng ngăn cả dòng điện đi qua hoặc truyền tải dòng điện trong các thiết bị điện tử

Vậy câu hỏi đặt ra: Chất bán dẫn là gì ? Bản chất dòng điện trong chất bán dẫn có gì đặc biệt ? Cấu tạo và nguyên lý vận hành của nó ra sao ? Chất bán dẫn có các tính chất đặc biệt như thế nào ?…..

Để biết được thế nào là chất bán dẫn ? Và chúng có bao nhiêu loại ! Anh em có thể tham khảo bài chia sẻ này

Chất bán dẫn là gì

Chất bán dẫn hay còn gọi là bóng bán dẫn tiếng anh người ta gọi semiconductors, một loại hợp chất trung gian sinh ra trong các ứng dụng dẫn điện tích hợp từ các hạt tải điện hoặc cách ly điện.

Chất bán dẫn tồn tại 2 dạng: Chất bán dẫn tinh khiết hoặc dạng hợp chất

Ngoài ra; chất bán dẫn cũng được coi như một loại nguyên tố hoá học tồn tại dạng tinh thể rắn được thiết kế rất nhiều trong các link kiện điện tử hiện nay như chất bán dẫn điốt, mạch ic, điện trở hoặc bóng bán dẫn

Chất dẫn điện là gì

Chất dẫn điện chúng ta hiểu nôm na là một chất có thể ở tinh thể lỏng – rắn hoặc khí tạo thành một khối liên kết với nhau thông qua các phần tử electron có tính năng truyền tải dòng điện

Ví dụ đơn giản về các chất dẫn điện như nước, sắt, thép, đồng…. Đều là những chất dẫn điện cao cấp mà chúng ta thường thấy. Và tỷ lệ dẫn điện nhanh chậm mạnh yếu còn phải phụ thuộc vào các tiền tố tạo nên chúng

Chất cách điện là gì

Chất cách điện cũng là một loại tinh chất hoặc hợp chất tồn tại ở dạng tinh thể lỏng – rắn hoặc khí có khả năng phân ly dòng điện 100% không cho nó truyền tải

Ví dụ các loại chất cách điện chúng ta thường thấy như gốm sứ, các loại nhựa, găng tay bằng nhựa, xăng dầu…. Chúng đều là những dạng hợp chất tinh thể cách ly dòng điện hoàn toàn

Chất bán dẫn có các tính chất nào

Câu hỏi đặt ra: ” Chất bán dẫn có những tính chất gì ? ”

Đáp án:

Đặc điểm của chất bán dẫn là có khả năng dẫn điện mạnh hoặc yếu. Và độ dẫn mạnh yếu thay đổi tuỳ thuộc vào việc chất tạo chất bán dẫn có kèm các tạp chất khác, dòng điện, điện áp hoặc các tia sáng phản chiếu

Độ dẫn điện trong chất bán dẫn dao động 10 5 đến 10 -6 ohm / m

Chất bán dẫn có tính chất bảo toàn điện năng. Tức là khả năng thất thoát nguồn điện năng không đáng kể, rất nhỏ. Điện trở trong chất bán dẫn luôn tỷ lệ nghịch với nhiệt độ.

Cụ thể điện trở giảm khi và chỉ khi nhiệt độ tăng; điện trở trong chất bán dẫn tăng lên trong trường hợp lượng nhiệt giảm

Hệ số nhiệt độ điện trở luôn âm và mức điện trở suất tồn tại trong các chất bán dẫn luôn trong khoảng 10 -5 đến 10 6 Ωm

Đối với điện trở suất tích hợp trong các chất bán dẫn nếu chúng ta chú ý sẽ thấy đối với chất dẫn điện được làm từ chất bán dẫn sẽ có điện trở suất luôn lớn hơn chất dẫn điện và nhỏ hơn những chất cách điện

Tuỳ vào các ứng dụng cụ thể để tạo ra chất bán dẫn tinh khiết hoặc chất bán dẫn pha lẫn tạp chất. Ví dụ các chất bán dẫn thiết kế trong các mạch điện dùng chuyển hoá năng lượng, trung gian chuyển mạch hoặc khuếch đại thì luôn kèm tạp chất

Hạt tải điện trong chất bán dẫn là gì ?

Hạt tải điện trong chất bán dẫn là những tinh thể tồn tại sâu trong các chất bán dẫn. chúng là nhân tố dẫn điện chính khi có sự tác động của các tác nhân bên ngoài ví dụ như nguồn nhiệt

Dòng điện trong chất bán dẫn được tạo thành do các electron + lỗ trống vận hành

Câu hỏi đặt ra:

Tại sao điện trở suất tích hợp trong chất bán dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ ?

Đây cũng là sự giải thích về tính khác biệt giữa điện trở suất chất bán dẫn cách điện và chất dẫn điện

Điểm nhấn ở đây là số lượng các hạt tải điện trong chất bán dẫn. Giả sử nhiệt độ tăng tất nhiên số hạt tải điện phất triển mạnh và ngược lại. điều này tác động lên hệ số nhiệt độ của điện trở trong chất bán dẫn

Ứng dụng của chất bán dẫn là gì

Chất bán dẫn được ứng dụng trong việc chế tạo các loại cảm biến nhiệt độ công nghiệp

Transistor và MOSFET cũng được tạo nên từ hợp chất bán dẫn

Chất bán dẫn còn được tích hợp trong các boar vi mạch, các loại đèn LED, pin mặt trời, các bộ vi xử lý nhằm điều khiển các phương tiện vận hành như robot, xe máy, oto, các máy móc công nghiệp, các thiết bị găn tủ điện như bộ nguồn, bộ chuyển đổi biến trở, bộ chống nhiễu tín hiệu 4-20ma…..

Nguyên lý vận hành các chất bán dẫn

Chất bán dẫn vận hành dựa trên nguyên lý hoạt động của các nguyên tử electron. Các electron tạo một mạng lưới liên kết chặt chẽ. Nhiệt độ càng tăng thì lượng electron vận hành càng mạnh mẽ tạo nên độ dẫn điện tăng dần trong các chất bán dẫn

Đối với các thiết bị điện tử thì các loại bóng bán dẫn này hoạt động như một con công tắc đóng ngắt; mục đích chính là điều khiển dòng điện theo cơ chế 0 là tắt và 1 là mở.

Chỉ khác công tắc chỗ chất bán dẫn không có những bộ phận di chuyển thông qua sự điều khiển con người mà là sự vận hành của các electron tự do + các lỗ trống

Ưu điểm của các chất bán dẫn

• Sử dụng chất bán dẫn trong chế tạo thiết bị sẽ giúp thời gian vận hành thiết bị được lâu hơn
• Các chất bán dẫn luôn bảo toàn năng lượng điện cho thiết bị, vận hành không rung lắc và không tạo ra tiếng ồn
• Các thiết bị được tích hợp từ các chất bán dẫn có khả năng chống va đập mạnh và được sử dụng linh động do kích thước khá nhỏ

Chất bán dẫn có mấy loại ?

Hiện nay; có 3 loại chất bán dẫn bao gồm:

• Chất bán dẫn tinh khiết
• Chất bán dẫn loại N
• Chất bán dẫn Loại P

Trong đó; chất bán dẫn loại N và P được gọi chung là chất bán dẫn tạp chất mà chúng ta hay gặp như antimon, asen, boron, carbon, germani, selen, silicon, lưu huỳnh và Tellurium. arsenide gali, antimonide indium

Vậy câu hỏi đặt ra:

Chất bán dẫn tinh khiết là gì

Chất bán dẫn tinh khiết là một loại bán dẫn được cấu tạo nên từ một loại phần tử duy nhất và mỗi phần tử liên kết 4 electron điện cực tạo nên một dạng liên kết cộng hoá trị mạng lưới dày đặc

Ví dụ:

Silicon ( Si ) chính là một loại chất bán dẫn có độ tinh khiết xét về tính dẫn điện trong bóng bán dẫn này luôn luôn cao hơn các vật liệu cách điện  ( độ dẫn điện yếu hơn rất nhiều so với các kim loại )

Chất bán dẫn tinh khiết hoạt động theo nguyên lý sự tác động của lượng nhiệt. Tức là khi nhiệt độ tăng electron liên kết sẽ di chuyển tạo sự va chạm tạo ra các phân tử electron tự do không liên kết faay nên các lỗ trống

Sự xuất hiện của các lỗ trống kết hợp sự di chuyển linh hoạt của các phần tử electron tạo nên các hạt mang điện tính âm dương với số lượng phủ đều tạo nên quá trình dẫn điện trong chất bán dẫn

Ví dụ chất bán dẫn tinh khiết như Gecmani, Silicon… đây là những chất bán dẫn thông dụng trong đời sống

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chất bán dẫn tinh khiết

Ở nhiệt độ tương đối theo nhiệt độ kelvin thì sự liên kết giữa các phần tử trong chất bán dẫn luôn chặt chẽ khó xảy ra đứt liên kết phần tử nên electron tự do sẽ không xuất hiện tạo nên một loại chất bán dẫn không dẫn điện

Hình ảnh trên mô tả khi có sự tác động của nhiệt độ vào chất bán dẫn tinh khiết tác động đến điện trở sản sinh dòng điện phát sáng đèn. Trong khi; ánh đầu không có nhiệt độ làm cho bóng đèn không sáng do không có dòng điện chạy qua

Riêng về môi trường nhiệt độ tuyệt đối thì nhiệt độ tăng electron tự do nhảy vào vùng dẫn kết hợp lỗ trống tạo nên chất bán dẫn có độ dẫn điện kém đi. Lý do sự tác động của lượng nhiệt gây nên sự ion hoá nguyên tử trong mạng lưới chất bán dẫn

Dòng điện trong chất bán dẫn tinh khiết như thế nào ?

Đối với chất bán dẫn dạng tinh khiết thì tổng dòng điện tổng sản sinh sẽ bằng dòng điện electron kết hợp dòng điện lỗ trống vận hành tạo nên

Công thức như sau:

(I) = I e + I h

Trong đó:

• I dòng điện tổng chất bán dẫn
• I e  Dòng điện do electron cọ xát tạo nên
• I h Dòng điện lỗ trống

Chất bán dẫn loại N là gì

Chất bán dẫn loại N hay còn gọi là chất bán dẫn không tinh khiết có khả năng sinh hạt điện tử mang điện tích âm. Đây là sự pha trộn giữa các chất bán dẫn tinh khiết như Gecmani, Silicon với phosphorus, arsenic, antimony, bismuth

Cấu tạo chất bán dẫn N hình thành dựa trên 5 điện tử electron của loại tạp chất trên liên kết với 4 electron của chất bán dẫn tinh khiết điều này sẽ làm cho các ion dương bất động trong khi ion âm lại tăng lên và vận chuyển tuần hoàn

Do vậy; cấu tạo của chất bán dẫn N nó rất đặc biệt vì đây là một liên kết phân tử electron phủ kín nên về nguyên tắc sự liên kết bán dẫn này sẽ làm dư ra 1 electron tự do so với các liên kết khác

Việc electron tự do tăng số lượng và di chuyển luân phiên trong cấu tạo liên kết phân tử của chất bán dẫn N do quá trình kết hợp các tạp chất khi chế tạo làm điện tích âm tăng

Chất bán dẫn loại P là gì

Chất bán dẫn loại P là từ viết tắt tiếng anh positive Semiconductor có sự kết hợp giữa 3 điện tử electron hoá trị của tạp chất ( B, Al, In, Ga ) với 4 điện tử electron chất bán dẫn tinh khiết tạo nên các hạt điện tử mang điện tích dương ( lỗ trống ) gây nên sự bất động ion âm

Đặc tính của chất bán dẫn loại P chính là sự gia tăng và vận hành các ion dương xung quanh các inox âm cố định tạo nên một loại chất bán dẫn có tính dẫn điện

So sánh chất bán dẫn N và P

Điểm giống nhau giữa các loại chất bán dẫn N và P chính là những bán dẫn có tính chất điện thông qua sự vận hành phân tử electron tạo nên dòng điện trong kim loại và không có tính chất cách điện, tinh thể tạo nên chủ yếu là silicon

Điểm khác biệt:

Chất bán dẫn loại N	Chất bán dẫn loại P
Sự gia tăng electron tự do ( Ion âm )	Sự gia tăng số lượng các lỗ trống ( Ion dương )
5 điện tử electron hoá trị + 4 điện tử electron tinh khiết	3 điện tử electron hoá trị + 4 điện tử electron tinh khiết

Bài tập chất bán dẫn tinh khiết, N, P

So sánh sự khác biệt giữa các loại chất bán dẫn tinh khiết với các chất bán dẫn N,P ?

Chất bán dẫn tinh khiết	Bán dẫn N-P
Hạt điện tử electron bằng số lượng ion dương ( lỗ trống )	Số lượng điện tử electron lệch so với ion dương ( lỗ trống )
Gần như không có tính năng dẫn điện	Mức độ dẫn điện cao, tuỳ thuộc vào lượng tạp chất
Không dung hoà các tạp chất khác	Sự kết hợp tạp chất hoá trị 3, hoá tị 5 với bán dẫn tinh khiết
Luôn luôn phụ thuộc vào lượng nhiệt tác động	Phụ thuộc nhiệt độ + lượng tạp chất

Tìm số hạt tải điện trong chất bán dẫn tinh khiết kích thước như nhau. Biết điện tử electron dẫn là 12*10 25 m 3

Đáp án:

Đối với chất bán dẫn tinh khiết thì hạt tải điện ion âm và hạt tải điện ion dương luôn bằng nhau Ne ( Điện tử electron ) = Nh ( lỗ trống ) = 12*10 25 m 3

Vì vậy công thức tính tổng mât độ hạt tải điện bao phủ trong chất bán dẫn này sẽ bằng Ne + Nh =  12*10 25 m 3 +  12*10 25 m 3 = 24*10 25 m 3

Số hạt tải điện trong chất bán dẫn ở thời điểm hiện tại sẽ là= (24 × 10 25m 3 ) × (10 -2 m × 10 -2 m × 10 -3 m) = 24 × 10 18

Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ

Đối với các chất bán dẫn thì trong cấu tạo phân làm 2 vùng bao gồm vùng dẫn lỗ trống và vùng hoá trị

Khi ở nhiệt độ Zero Kelvin người ta đã minh chứng được không có các hạt điện tử vùng hoá trị lấn sang vùng dẫn

Nhưng đối với chất bán dẫn ở nhiệt độ phòng thì một số hạt điện tử electron tự do sẽ đan xen qua vùng dẫn

Chính vì vậy; độ dẫn điện các các chất bán dẫn cũng khác nhau là do một trong những nguyên nhân trên

Câu hỏi trắc nghiệm thảo luận ví dụ về đặc tính chất bán dẫn

Chất bán dẫn loại P có hạt tải điện chính là gì ?

A: Các hạt điện tử Ion dương

B: Các hạt điện tử ion âm

C: Cả A và B

Chất bán dẫn P có đặc điểm nào sau đây

A: Có sự kết hợp tạp chất hoá trị 3 với 4 hạt tử electron

B: Sự kết hợp tạp chất 5 hoá trị liên kết với 4 electron

C: Cả A và B đều sai

Chất bán dẫn phụ thuộc vào yếu tố nào ?

A: Nhiệt độ

B: Áp suất

C: Đường đi của electron

D: Tất cả đều sai

Silic là kim loại hay phi kim ?

A: Silic là phi kim một loại chất bán dẫn tinh khiết hay còn gọi là silicon

B: Là kim loại

C: Không xác định

Cấu tạo chất bán dẫn bao gồm :

A: Hạt tử electron

B: Các tạp chất hoá trị B, Al, In, Ga, Gecmani, arsenic, antimony, bismuth

C: Silicon

D: Cả A, B, C