Chất bán dẫn được hình thành bằng cách sử dụng các vật liệu khác nhau có tính chất khác nhau. Vì vậy, vật liệu được sử dụng trong chất bán dẫn là nội tại và ngoại sinh. Vật liệu bán dẫn bên trong rất tinh khiết về mặt hóa học, có độ dẫn điện kém hơn và chứa ít hạt mang điện hơn trong khi vật liệu bên ngoài có độ tinh khiết kém hơn và sử dụng pha tạp để tạo ra thêm hoặc thiếu electron.
Chất bán dẫn bên trong được gọi là loại P trong khi chất bán dẫn bên ngoài được gọi là chất bán dẫn loại N. Vì vậy, các electron trong chất bán dẫn loại N dư thừa trong khi loại P bị thiếu. Bài viết này thảo luận tổng quan về vật liệu bán dẫn, danh sách các vật liệu và ứng dụng của nó.
Phụ lục bài viết
Vật liệu bán dẫn là gì?
Những vật liệu có tính dẫn điện giữa vật dẫn điện và chất cách điện được gọi là vật liệu bán dẫn. Đây là những nguyên tố tinh khiết như silicon (Si) hoặc germanium (Ga), hoặc các hợp chất như gallium arsenide (GaAs) hoặc cadmium selenide (CdSe). Trong quá trình pha tạp chất bán dẫn nguyên chất, một lượng nhỏ tạp chất có thể được thêm vào để tạo ra những thay đổi lớn về độ dẫn điện của vật liệu.
Độ dẫn điện của vật liệu chủ yếu nằm ở giữa độ dẫn điện của chất cách điện và dây dẫn. Vật liệu bán dẫn có một số đặc tính hữu ích được sử dụng trong thiết kế các thiết bị trạng thái rắn như bóng bán dẫn, điốt, v.v.
Vật liệu bán dẫn trong bảng tuần hoàn
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, vật liệu bán dẫn có nhiều nhóm khác nhau. Vì vậy, tính chất của các vật liệu này gắn liền với đặc điểm nguyên tử của chúng và cũng khác nhau giữa các nhóm khác nhau. Các nhà thiết kế và nhà nghiên cứu tận dụng lợi ích của những điểm khác biệt này để nâng cao thiết kế và lựa chọn vật liệu tốt nhất cho ứng dụng cần thiết.
Vật liệu bán dẫn là các nguyên tử bên trong chất bán dẫn có sẵn từ các nhóm khác nhau trong bảng tuần hoàn dưới dạng kết hợp của nhóm III & V hoặc nhóm IV hoặc kết hợp của nhóm II & VI. Trong bảng tuần hoàn, các chất bán dẫn khác nhau được thiết kế bằng các vật liệu khác nhau từ một số nhóm, nhưng tính chất của chúng khác nhau giữa các chất bán dẫn khác nhau.
Trong bảng tuần hoàn, vật liệu Silicon (Si) là nguyên tố nhóm IV và là vật liệu bán dẫn được sử dụng thường xuyên nhất vì nó tạo thành nền tảng cho IC hoặc mạch tích hợp. Vì vậy, hầu hết pin mặt trời đều dựa trên Si (Silicon). Sơ đồ vật liệu bán dẫn trong bảng tuần hoàn được thể hiện dưới đây.
Trong phần bảng tuần hoàn, các vật liệu bán dẫn thông thường được chỉ ra ở hình trên.
Nói chung, chất bán dẫn là một nguyên tố đơn lẻ như silicon, germani, hợp chất như GaAs, CdTe/InP hoặc hợp kim như AlxGa(1-x)As/ SixGe(1-x), trong đó ‘x trong các vật liệu này là một phần của nguyên tố cụ thể nằm trong khoảng từ 0 đến 1.
Danh sách vật liệu bán dẫn
Danh sách các vật liệu bán dẫn được thảo luận dưới đây.
Germani (Ge)
Vật liệu bán dẫn như germanium thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn. Vật liệu này đã được sử dụng trong các thiết bị đời đầu, từ điốt đến bóng bán dẫn đời đầu. Điốt có hệ số nhiệt độ và độ dẫn ngược cao hơn nên các bóng bán dẫn đời đầu có thể gặp hiện tượng thoát nhiệt. Nó mang lại khả năng linh động mang điện vượt trội so với silicon, do đó được sử dụng trong một số thiết bị dựa trên RF.
Silicon (S)
Vật liệu silicon là nguyên tố nhóm IV trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học và là vật liệu bán dẫn được sử dụng thường xuyên nhất. Những vật liệu này rất đơn giản để chế tạo và cung cấp các tính chất cơ và điện tốt nhất. Khi những vật liệu này được sử dụng trong IC, nó sẽ tạo thành silicon dioxide chất lượng tốt cho các lớp cách điện ở giữa các phần tử hoạt động khác nhau của chip.
Galli Arsenua (GaAs)
Sau Si, chất bán dẫn Gallium arsenide là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất và nó là nguyên tố nhóm III-V trong bảng tuần hoàn. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị RF dựa trên hiệu suất cao, nơi sử dụng độ linh động điện tử cao của nguyên tố này.
Trong các chất bán dẫn III-V khác, nó cũng được sử dụng làm GaInNAs & InGaAs giống như chất nền. Vật liệu này có độ linh động lỗ ít hơn so với Silicon. Việc chế tạo nó cũng khá phức tạp và cũng làm tăng giá thành thiết bị GaAs.
Cacbua silic (SiC)
Vật liệu cacbua silic là nguyên tố nhóm IV trong bảng tuần hoàn. Những phần tử này được sử dụng trong các thiết bị điện có tổn thất thấp hơn đáng kể và nhiệt độ hoạt động cao so với các thiết bị dựa trên Si. Vật liệu này có khả năng phân hủy so với silicon cao hơn mười lần. Các dạng vật liệu cacbua silic được sử dụng trong đèn LED màu xanh lam và vàng.
Gallium Nitrat (GaN)
Vật liệu Gallium Nitride hoặc GaN là nguyên tố nhóm III-V trong bảng tuần hoàn. Nó được sử dụng rộng rãi nhất trong các bóng bán dẫn vi sóng ở những nơi cần có công suất và nhiệt độ tối đa và cũng được sử dụng trong IC vi sóng.
Vật liệu bán dẫn này khó được pha tạp để tạo ra các vùng loại p và cũng phản ứng với sự phóng tĩnh điện tuy nhiên khá nhạy cảm với bức xạ ion hóa. Vật liệu này đã được sử dụng trong đèn LED màu xanh lam.
Galli Photphua (GaP)
Vật liệu bán dẫn Gallium Phosphide hoặc GaP là nguyên tố nhóm III-V trong bảng tuần hoàn. Vật liệu này được sử dụng trong các đèn LED có độ sáng từ thấp đến trung bình, tạo ra các màu khác nhau dựa trên việc bổ sung chất pha tạp. GaP tinh khiết tạo ra ánh sáng xanh lục, pha tạp nitơ phát ra màu xanh vàng và pha tạp ZnO phát ra màu đỏ.
Cadmium Sunfua (CdS)
Vật liệu bán dẫn Cadmium Sulphide hoặc CdS là nguyên tố nhóm II-VI trong bảng tuần hoàn. Vật liệu này được sử dụng trong pin mặt trời và điện trở quang.
Chì sunfua (PbS)
Vật liệu bán dẫn Chì Sulphide hoặc PbS là nguyên tố nhóm IV-VI trong bảng tuần hoàn, được sử dụng trong các máy dò vô tuyến đời đầu được gọi là Cat’s Whiskers’ ở bất kỳ nơi nào mà đầu tiếp xúc được thiết kế bằng cách sử dụng dây mỏng trên galena để chỉnh lưu tín hiệu.
Các loại vật liệu bán dẫn
Có hai loại vật liệu bán dẫn như sau.
Vật liệu bán dẫn nội tại
Vật liệu bán dẫn nội tại được tạo ra rất tinh khiết về mặt hóa học và nó là một trong những tính năng chính của nó. Do đó, nó có mức độ dẫn điện kém hơn với số lượng hạt mang điện như electron và lỗ trống với số lượng bằng nhau rất ít.
Trong vật liệu bán dẫn này, số lượng hạt mang điện có thể được xác định thông qua chính các đặc tính của vật liệu thay thế cho tạp chất. Vì vậy, số lượng electron mang điện tương đương với số lượng lỗ trống (n = p) còn được gọi là chất bán dẫn không pha tạp hoặc loại i.
Các vật liệu bán dẫn nội tại được sử dụng phổ biến nhất là Si & Ge và chúng bao gồm 4 electron trong vỏ hóa trị được gọi là hóa trị bốn. Hai vật liệu này là nguyên tố nhóm IV trong bảng tuần hoàn và số nguyên tử của các vật liệu này lần lượt là 14 & 32.
Vật liệu bán dẫn bên ngoài
Vật liệu bán dẫn bên ngoài có thể được hình thành bằng cách thêm một lượng nhỏ tạp chất vào vật liệu bên trong cơ bản. Trong vật liệu này, khe cấm có thể được kiểm soát bằng cách thêm các tạp chất nhỏ vào vật liệu được gọi là doping.
Sự pha tạp này sử dụng một nguyên tố trong bảng tuần hoàn sao cho nó sẽ có ít hoặc nhiều electron trong dải hóa trị so với bản thân chất bán dẫn. Vì vậy, điều này sẽ tạo ra sự thiếu hụt hoặc dư thừa điện tử.
Vật liệu bán dẫn bên ngoài được phân thành hai loại dựa trên loại tạp chất bổ sung như chất bán dẫn bên ngoài loại P và chất bán dẫn bên ngoài loại N.
Chất bán dẫn bên ngoài loại P
Chất bán dẫn bên ngoài loại P có thể được hình thành bằng cách thêm một lượng nhỏ tạp chất hóa trị ba vào chất bán dẫn nguyên chất. Tạp chất được thêm vào chủ yếu bao gồm ba electron hóa trị.
Vì vậy, ví dụ; nếu một Boron (B) giống nguyên tử được thêm vào nguyên tử germani (Ge), thì ba electron hóa trị sẽ được kết nối với các nguyên tử germanium để tạo thành 3 liên kết cộng hóa trị.
Tuy nhiên, một electron khác trong nguyên tử Ge sẽ ở lại mà không hình thành liên kết. Trong nguyên tử, khi không có electron để tạo thành liên kết cộng hóa trị thì khoảng trống đó được gọi là lỗ trống.
Chất bán dẫn bên ngoài loại N
Chất bán dẫn loại N có thể được hình thành bằng cách thêm một lượng nhỏ tạp chất hóa trị năm vào chất bán dẫn nguyên chất. Vì vậy, tạp chất này bao gồm năm electron hóa trị.
Ví dụ, nếu một Arsenic giống nguyên tử được thêm vào nguyên tử ‘Ge’, thì bốn electron hóa trị sẽ được kết nối thông qua các nguyên tử germanium trong khi một electron duy nhất còn lại sẽ tự do.
Những cải tiến mới nhất của vật liệu bán dẫn
Hiện tại, vật liệu bán dẫn silicon đang đạt đến giới hạn giá trị của nó. Vì vậy, cuộc điều tra về vật liệu bán dẫn mới đang được tiến hành. Một số cải tiến mới nhất của vật liệu được liệt kê dưới đây.
- Vật liệu gallium nitride công suất cao được sử dụng để chuyển đổi năng lượng nhanh chóng, hệ thống lưới điện hiệu quả hơn nhờ trường năng lượng tới hạn tối đa của nó.
- Các vật liệu bán dẫn như Antimonide & bismuthide được sử dụng trong các lĩnh vực quân sự và y tế cảm biến hồng ngoại nâng cao.
- Vật liệu graphene có thể đánh bại silicon giống như một loại vật liệu bán dẫn phổ thông.
- Nguyên tố pyrit được sử dụng để biến đổi nguyên tố đất như cadmium Telluride để sử dụng trong pin mặt trời tuy nhiên chúng có nguồn cung hạn chế. Vì vậy, nguyên tố Pyrite không tốn kém, không độc hại và dồi dào.
Thông số vật liệu bán dẫn
Khi thiết kế mạch tích hợp và thiết bị điện tử phải có thông tin về vật liệu bán dẫn. Trước khi quá trình chế tạo bắt đầu, vật liệu bán dẫn phải được phân biệt theo các thông số khác nhau như điện, quang và nhiệt.
Các thông số cần thiết là loại độ dẫn điện, độ linh động, điện trở suất, nồng độ và tuổi thọ của chất mang. Một số thông số bổ sung khác là khoảng cách năng lượng của chất bán dẫn, hệ số hấp thụ ánh sáng, hệ số ion hóa va chạm & chỉ số khúc xạ.
Ưu điểm và nhược điểm
Có nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau hiện có trên thị trường như silicon, germanium, gali arsenide, cacbua silic, gali nitrit, v.v. Mỗi vật liệu đều có một số ưu điểm và nhược điểm. Vì vậy, ở đây, một số ưu điểm và nhược điểm của vật liệu sẽ được thảo luận dưới đây.
Ưu điểm của vật liệu silicon là:
- Chi phí vật liệu silicon thấp
- Silicon có hiệu quả cao
- Trong silicon, các tấm wafer lớn có thể được xử lý rất an toàn mà không gây hại gì do độ cứng của chúng
Silicon ổn định nhiệt lên tới 1100 độ C.
Nhược điểm của vật liệu silicon là:
- Nó đòi hỏi tinh thể
- Dễ dàng bị hỏng
- Chất nền bị hạn chế
- Việc sản xuất tinh thể Si rất tốn kém.
- Vòng đời ngắn
- Các chất độc hại được tạo ra
Ưu điểm của vật liệu germanium là:
- Germanium nguyên chất là kim loại màu trắng xám, cứng và giòn.
- Cấu trúc tinh thể của nó giống như một viên kim cương
- Germanium không đổi trong nước và không khí
- Nó không bị ảnh hưởng bởi axit và kiềm ngoài axit nitric.
- Đầu tiên, bằng cách sử dụng vật liệu Germanium, người ta đã quan sát được hoạt động của bóng bán dẫn. Vì vậy nó là một trong những vật liệu bán dẫn cần thiết nhất.
- Số nguyên tử cao nên tăng cường khả năng tương tác tia gamma.
- Tinh thể lớn
- Vật liệu được sử dụng trong này là kim loại màu xám
Nhược điểm của vật liệu germanium là:
- Độ phân giải năng lượng của nó đáp ứng với thiệt hại bức xạ
- Hiệu quả kém hơn đối với tia gamma dựa trên năng lượng cao hơn.
Ứng dụng
Các ứng dụng của vật liệu bán dẫn bao gồm những điều sau đây.
- Vật liệu bán dẫn được sử dụng để sản xuất các linh kiện điện tử khác nhau trong các thiết bị điện tử.
- Những vật liệu này chủ yếu được sử dụng để chuyển đổi, chuyển đổi năng lượng và khuếch đại, cảm biến, v.v.
- Các linh kiện, sản phẩm thông thường được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn như điốt, bóng bán dẫn hiệu ứng trường, mạch tích hợp, bóng bán dẫn hiệu ứng trường tiếp giáp, bóng bán dẫn lưỡng cực, đèn LED (điốt phát sáng), MOSFET (FET bán dẫn oxit kim loại), SCR (bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon), v.v.
- Vật liệu bán dẫn được sử dụng cho các linh kiện khác nhau trong các thiết bị điện tử được sử dụng hầu hết trong các ngành công nghiệp lớn. Các lĩnh vực công nghiệp khác nhau phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn như năng lượng, trí tuệ nhân tạo, truyền thông, năng lượng sạch, quân sự, chăm sóc sức khỏe, máy tính và Internet of Things.
Nếu bạn cần thiết bị đo điện chính hãng, uy tín
Lidinco là công ty cung cấp các loại thiết bị do điện uy tín nhập khẩu trực tiếp với giá cạnh tranh. Các sản phẩm đều được bảo hành theo chính sách hãng, tư vấn kỹ thuật tận tình.
Ngoài ra, Lidinco còn cung cấp các loại thiết bị phân tích, đo lường viễn thông, vật tư nhà máy, công nghiệp, thiết bị giáo dục, thiết bị SMT và các loại thiết bị chuyên dụng khác.
Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com
Xem thêm: Hàn điện trở: Nguyên lý làm việc, loại và ứng dụng
