Sự thú vị của chất bán dẫn, từ đèn LED đến tấm pin mặt trời

Chất bán dẫn là gì?

Bất kỳ chất nào có độ dẫn điện nằm giữa độ dẫn điện của chất cách điện (như cao su, thủy tinh) và chất dẫn điện (như kim loại), đều được gọi là chất bán dẫn. Mặc dù độ dẫn điện của chúng có thể thay đổi, nhưng chất bán dẫn thường không cho phép dòng electron chảy tự do. Trong một số trường hợp, cấu hình mạng tinh thể của chất bán dẫn ở cấp độ nguyên tử cho phép electron di chuyển linh hoạt.  

Chất bán dẫn đóng vai trò cơ bản trong việc chế tạo mạch điện tử nhờ khả năng điều chỉnh dòng năng lượng độc đáo của chúng. Việc phát minh ra các thiết bị như bóng bán dẫn, diode, vi mạch, là các thành phần cơ bản của hệ thống điện tử hiện đại, tận dụng rất nhiều ưu thế từ tính chất điện đặc biệt của chất bán dẫn.

Nguyên lý hoạt động của chất bán dẫn

Về cơ bản, vật liệu bán dẫn gồm vùng hóa trị và vùng dẫn điện ở cấp độ nguyên tử. Vùng dẫn điện là nơi electron được phép di chuyển và dẫn điện, vùng hóa trị là mảng các mức năng lượng electron nơi các electron được gắn vào nguyên tử. Khoảng cách vùng năng lượng là sự chênh lệch năng lượng giữa vùng dẫn điện và vùng hóa trị.

Trong chất dẫn điện, electron có thể lưu thông tự do vì vùng hóa trị và vùng dẫn điện trùng nhau. Trong chất cách điện, khoảng cách giữa các vùng quá lớn, khiến electron không thể di chuyển đến vùng dẫn điện. Tuy nhiên, trong chất bán dẫn, khi có năng lượng, electron có thể dịch chuyển đến vùng dẫn điện do khoảng cách vùng hẹp hơn của chúng.

Các chất bán dẫn nội tại, đặc biệt là silicon, có độ dẫn điện kém ở nhiệt độ môi trường vì chúng có rất ít electron trong vùng dẫn điện. Tuy nhiên, việc bổ sung các electron, kích thích vào vùng dẫn điện, độ dẫn điện của vật liệu sẽ tăng lên khi năng lượng được cung cấp dưới dạng nhiệt, ánh sáng hoặc điện trường.

Một phương pháp quan trọng để thay đổi đặc tính điện của chất bán dẫn là pha tạp. Chúng ta có thể thay đổi độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn bằng cách thêm một lượng nhỏ tạp chất cụ thể, điều này sẽ thay đổi số lượng và loại hạt mang điện của vật liệu.

Bằng cách đưa thêm các hạt mang điện tích bổ sung - electron tự do đối với vật liệu loại n hoặc lỗ trống đối với vật liệu loại p - việc pha tạp sẽ khuếch đại hiệu ứng này và tăng đáng kể độ dẫn điện của vật liệu.

Các vật liệu bán dẫn phổ biến

1. Silicon (Si). Vật liệu bán dẫn sử dụng phổ biến nhất là silicon. Nó rất lý tưởng cho các thiết bị điện do có khoảng cách vùng 1,1 eV. Silicon là nền tảng của ngành điện tử nhờ các đặc tính độc đáo, cho phép nó hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ môi trường, chịu được nhiệt độ khắc nghiệt. Đây là vật liệu sử dụng cho pin mặt trời, bóng bán dẫn, vi mạch nhờ dễ chế tạo và nguồn cung dồi dào.

2. Germanium (Ge). Bóng bán dẫn và các thiết bị bán dẫn khác sử dụng nhiều germanium. Nó có thể hoạt động trơn tru trong các ứng dụng ở nhiệt độ thấp vì khoảng cách vùng hẹp hơn (0,66 eV) so với silicon. Mặc dù vậy, về cơ bản, silicon đã thay thế germanium trong hầu hết thiết bị hiện nay do độ nhạy nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực, chẳng hạn như điện tử tốc độ cao và quang học hồng ngoại, vẫn sử dụng germanium.

3. Gallium Arsenide (GaAs). Gallium arsenide đặc biệt có lợi thế trong điện tử tần số cao và quang học. Nó có khả năng hoạt động ở tần số cao hơn và chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng hiệu quả hơn silicon nhờ khoảng cách vùng 1,42 eV. Đèn LED, vi sóng và các mạch tốc độ cao đều thường sử dụng gallium arsenide.

4. Các vật liệu khác. Trong những trường hợp cụ thể đòi hỏi công suất lớn hơn, khả năng chịu nhiệt độ cao và hiệu suất được cải thiện, các vật liệu như gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), indium phosphide (InP) được sử dụng. Ví dụ, gallium nitride sử dụng rộng rãi trong công nghệ đèn LED và điện tử công suất.

Ứng dụng của chất bán dẫn

1. Transistor. Linh kiện cơ bản của các mạch điện ngày nay là transistor. Chúng đóng vai trò là linh kiện trung tâm của mạch kỹ thuật số, được sử dụng để chuyển mạch và khuếch đại. Máy tính, điện thoại thông minh, các thiết bị sử dụng vi mạch, gồm hàng nghìn transistor thực hiện nhiều chức năng khác nhau.

2. Diode. Linh kiện bán dẫn, được gọi là diode, chỉ cho phép dẫn dòng điện một chiều duy nhất. Chúng được sử dụng trong xử lý tín hiệu, bộ chỉnh lưu, máy phát điện. Một loại diode đặc biệt tạo ra ánh sáng khi dòng điện chạy qua, gọi là diode phát quang (LED), sử dụng trong đèn chiếu sáng và màn hình.

3. Pin mặt trời. Tấm pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu bán dẫn như silicon. Hiệu ứng quang điện là cách pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Đây là cách trang trại điện mặt trời hay hệ thống điện mặt trời mái nhà sản xuất điện từ ánh sáng mặt trời.

4. Mạch tích hợp (IC). Nhiều transistor, diode và các linh kiện bổ sung được đặt trên một tấm bán dẫn tạo nên mạch tích hợp. Chúng cho phép các hệ thống điện tử thiết kế nhỏ hơn, có thể thấy trong hầu hết thiết bị điện tử, như máy tính và điện thoại di động.

5. Quang điện tử. Chất bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị tương tác với ánh sáng, bao gồm laser, LED và bộ tách sóng quang. Các ứng dụng này rất quan trọng trong hệ thống truyền thông, màn hình và công nghệ hình ảnh y tế.

Sự phát triển của công nghệ bán dẫn theo thời gian

Kể từ khi ra đời vào giữa thế kỷ 20, khoa học về chất bán dẫn có những bước tiến vượt bậc. Lịch sử ban đầu của ngành điện tử hoàn toàn thay đổi khi John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley sản xuất bóng bán dẫn năm 1947. Kể từ đó, chất bán dẫn giúp tạo ra các thiết bị điện mạnh mẽ, nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Mạch tích hợp, nền tảng của đổi mới công nghệ trong điện toán, được tạo ra khi các bóng bán dẫn tích hợp vào vi mạch, dẫn đến sự bùng nổ các thiết bị nhanh hơn, mạnh hơn, giá cả hợp lý hơn. Trong các tiến bộ gần đây về công nghệ chất bán dẫn, việc tạo ra các vật liệu mới như graphene và chấm lượng tử, mang lại hiệu suất vượt trội, đang là xu hướng trong đổi mới chất bán dẫn.

Xu hướng phát triển chất bán dẫn trong những năm tới, người ta dự đoán chip sẽ tiếp tục nhỏ hơn và mạnh hơn, làm cơ sở cho các thế hệ siêu máy tính tiếp theo tiến bộ hơn. Với mục tiêu giảm thiểu rác thải điện tử, các nghiên cứu tập trung vào phát minh các sản phẩm thân thiện với môi trường, đặc biệt là chất bán dẫn phân hủy sinh học và chất bán dẫn tiêu thụ ít năng lượng hơn.