Vật liệu bán dẫn

Vật liệu bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) là vật liệu có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Vật liệu bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Được gọi là 'bán dẫn' (chữ 'bán' theo nghĩa Hán Việt có nghĩa là một nửa), vì vật liệu này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Tính chất bán dẫn có thể thay đổi khi có tạp chất, các loại tạp chất khác nhau có thể tạo ra tính chất bán dẫn khác nhau. Khi hai vật liệu bán dẫn khác nhau tiếp xúc với nhau, chúng tạo ra một lớp tiếp xúc. Các tính chất của các hạt mang điện như electron, các ion và lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở để tạo nên diode, bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.

Các thiết bị bán dẫn mang lại một loạt các tính chất hữu ích như có thể điều chỉnh chiều và đường đi của dòng điện theo một hướng khác, thay đổi điện trở nhờ ánh sáng hoặc nhiệt. Vì các thiết bị bán dẫn có thể thay đổi tính chất thông qua tạp chất hay ánh sáng hoặc nhiệt, nên chúng thường được sử dụng để mở rộng, đóng ngắt mạch điện hay chuyển đổi năng lượng.

Quan điểm hiện đại sử dụng vật lý lượng tử để giải thích các tính chất của vật liệu bán dẫn thông qua sự chuyển động của các hạt mang điện tích trong cấu trúc tinh thể. Tạp chất có thể làm thay đổi đáng kể tính chất của vật liệu bán dẫn. Nếu ta pha tạp chất và tạo ra nhiều lỗ trống hơn trong vật liệu bán dẫn, ta gọi là vật liệu bán dẫn loại p; ngược lại, nếu tạo ra nhiều electron chuyển động tự do hơn trong vật liệu bán dẫn, ta gọi là vật liệu bán dẫn loại n. Việc pha tỷ lệ chính xác các tạp chất và kết hợp các loại vật liệu bán dẫn p-n với nhau có thể tạo ra các linh kiện điện tử với hiệu suất hoạt động cực cao.

Nguyên tố silic, germani và các hợp chất của gallium được sử dụng phổ biến nhất làm vật liệu bán dẫn trong các linh kiện điện tử.

Lần đầu tiên chất bán dẫn được áp dụng vào thực tế là vào năm 1904 với máy dò Cat's-whisker (hay còn gọi là 'máy dò râu mèo') sử dụng một diode bán dẫn tinh khiết. Sau đó, nhờ vào sự phát triển của thuyết vật lý lượng tử, bóng bán dẫn đã được phát minh vào năm 1947 và mạch tích hợp đầu tiên xuất hiện vào năm 1958.

Khoa học vật liệu hiện đại đã khám phá ra chất bán dẫn hữu cơ và chúng đã bắt đầu có những ứng dụng ban đầu như diode phát quang hữu cơ (OLED), pin mặt trời hữu cơ (Organic solar cell) và transistor trường hữu cơ (OFET).

Thuộc tính

Độ dẫn điện biến đổi

Chất bán dẫn trong trạng thái tự nhiên tỏ ra kém dẫn điện vì chúng yêu cầu dòng điện và electron bị ngăn chặn bởi dải hóa trị của chúng, ngăn chặn dòng electron mới vào. Có các kỹ thuật cho phép chất bán dẫn hoạt động như chất dẫn điện, tạo ra hai loại n và p, tương ứng với sự thừa và thiếu electron. Sự mất cân bằng electron này tạo ra dòng điện trong vật liệu.

Các dị thể là các tình trạng pha tạp xảy ra khi hai vật liệu bán dẫn khác nhau kết hợp với nhau. Ví dụ, có thể kết hợp p-pha tạp và n-pha tạp của germanium. Điều này dẫn đến trao đổi electron và lỗ trống giữa các vật liệu bán dẫn pha tạp. Germanium pha tạp n có thừa electron, trong khi germanium pha tạp p có quá nhiều lỗ trống. Quá trình này sẽ điều chỉnh đến khi đạt trạng thái cân bằng thông qua quá trình tái hợp, tạo ra các ion tích điện và hiệu ứng điện trường.

Kích thích electron là sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn, làm nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và gây ra tình trạng không cân bằng. Điều này giới thiệu electron và lỗ trống vào hệ thống, tương tác qua quá trình khuếch tán. Khi cân bằng nhiệt bị phá vỡ, lượng lỗ trống và electron sẽ thay đổi. Sự gián đoạn này có thể xảy ra do chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, tạo ra electron và lỗ trống. Quá trình tạo ra và tự hủy electron và lỗ trống gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

Trên các vật liệu bán dẫn, sự chênh lệch về điện thế sẽ đưa chúng ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình trạng không cân bằng. Điều này đưa vào hệ thống electron và lỗ trống thông qua quá trình khuếch tán. Bất cứ khi nào cân bằng nhiệt bị xáo trộn trên vật liệu bán dẫn, lượng lỗ trống và electron sẽ thay đổi. Sự gián đoạn như vậy có thể xảy ra do chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, tạo ra electron và lỗ trống. Quá trình này được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

Sự khác biệt về điện thế trên vật liệu bán dẫn sẽ khiến nó rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt và tạo ra tình trạng không cân bằng. Điều này giới thiệu các electron và lỗ trống vào hệ thống, tương tác qua quá trình khuếch tán. Khi cân bằng nhiệt bị xáo trộn trong vật liệu bán dẫn, số lượng lỗ trống và electron sẽ thay đổi. Sự gián đoạn như vậy có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ hoặc photon, có thể xâm nhập vào hệ thống và tạo ra các electron và lỗ trống. Quá trình tạo ra và tự hủy electron và lỗ trống được gọi là thế hệ và tái tổ hợp.

Phát xạ nhẹ xảy ra khi các electron trong các chất bán dẫn nhất định bị kích thích và phát ra ánh sáng thay vì nhiệt. Các loại chất bán dẫn này được sử dụng để tạo ra các diode phát sáng và các chấm lượng tử huỳnh quang.

Trong một số chất bán dẫn cụ thể, electron được kích thích có thể lệch khỏi trạng thái thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. Chúng được áp dụng trong việc chế tạo các diode phát sáng và các chấm lượng tử huỳnh quang.

Độ dẫn nhiệt cao của chất bán dẫn có thể được áp dụng để tản nhiệt và nâng cao quản lý nhiệt cho các thiết bị điện tử.

Chất bán dẫn có đặc tính dẫn nhiệt cao có thể được sử dụng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt trong các thiết bị điện tử.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt xảy ra khi các chất bán dẫn chuyển đổi năng lượng từ nhiệt thành các dạng năng lượng khác, có thể được áp dụng trong các ứng dụng công nghệ xanh.

Các chất bán dẫn có tính năng lượng nhiệt điện cao làm chúng hữu ích trong các thiết bị phát điện nhiệt, cũng như có các thông số nhiệt điện cao giúp chúng phù hợp trong các hệ thống làm mát nhiệt điện.

Hiệu ứng trường trong chất bán dẫn

Khi hai lớp p-n kết hợp với nhau, điều này dẫn đến sự trao đổi điện tích tại giao diện p-n. Các electron từ lớp n chuyển sang lớp p và các lỗ trống từ lớp p chuyển sang lớp n do quá trình trung hòa điện tích. Một sản phẩm của quá trình này là tạo ra một điện trường, gọi là ion hóa điện tích.

Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Tính dẫn điện của vật liệu rắn được giải thích bằng lý thuyết vùng năng lượng. Trong nguyên tử, electron tồn tại ở các mức năng lượng rời rạc (các trạng thái quantized). Tuy nhiên, trong chất rắn, khi các nguyên tử kết hợp thành mạng lưới, các mức năng lượng này bị phủ lấp và tạo thành các vùng năng lượng, chia thành ba vùng chính là:

• Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất trong thang năng lượng, là vùng mà electron bị liên kết mạnh với nguyên tử và không di chuyển tự do.
• Vùng dẫn (Conduction band): Là vùng có mức năng lượng cao nhất, là nơi electron có thể di chuyển tự do (như các electron tự do) và electron ở vùng này là electron dẫn, có nghĩa là chất có khả năng dẫn điện khi có electron tồn tại ở vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ electron ở vùng dẫn tăng.
• Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào, do đó electron không thể tồn tại ở vùng cấm. Trong các chất bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách từ đáy vùng dẫn đến đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy thuộc vào độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Do đó, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể giải thích một cách đơn giản thông qua lý thuyết vùng năng lượng như sau:

• Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị chồng lấp lên nhau (không có vùng cấm), do đó luôn có electron ở vùng dẫn và vì thế kim loại luôn luôn dẫn điện.
• Các chất bán dẫn có vùng cấm với độ rộng nhất định. Ở nhiệt độ tuyệt đối (0K), mức Fermi nằm ở giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các electron tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi nâng cao nhiệt độ, các electron nhận thêm năng lượng nhiệt ($k_B.T$ với $k_B$ là hằng số Boltzmann), nhưng năng lượng này chưa đủ để electron vượt qua vùng cấm, vì thế electron vẫn ở vùng hóa trị. Khi nâng cao nhiệt độ đến mức đủ cao, một số electron nhận đủ năng lượng để vượt qua vùng cấm và chúng nhảy lên vùng dẫn, làm cho chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng, mật độ electron ở vùng dẫn cũng tăng, do đó tính dẫn điện của chất bán dẫn cũng tăng (hay điện trở suất giảm theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở của chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

$R=R_0\exp <!--\; \; -->\left(\frac{\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{E}_g}{2k_{B}T}\right)$

với: $R_0$ là một hằng số, $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{E}_g$ là độ rộng vùng cấm. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang-bán dẫn).

Bán dẫn pha tạp

Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống (viết tắt cho chữ tiếng Anh positive, nghĩa là dương). Khi đó, lỗ trống là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), electron là hạt tải điện không cơ bản hay thiểu số).

Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm - negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Khi đó, electron là hạt tải điện cơ bản (hay đa số), lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản (hay thiểu số).

Chất bán dẫn không suy biến là chất có nồng độ hạt dẫn không cao, chất bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn hơn 10 nguyên tử/cm³ được gọi là bán dẫn suy biến và có tính chất giống như kim loại vì vậy nó dẫn điện tốt, năng lượng của hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn suy biến không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Một cách đơn giản, chúng ta có thể lý giải hiện tượng bán dẫn pha tạp qua lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, các mức pha tạp xuất hiện trong vùng cấm, tạo điều kiện cho electron dễ dàng chuyển động lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị, từ đó tạo nên tính dẫn điện của vật liệu. Do đó, chỉ cần pha tạp với một lượng nhỏ cũng có thể làm thay đổi đáng kể tính chất dẫn điện của chất bán dẫn.

Công cụ bán dẫn điện

• Diode
• Transistor
• MOSFET