- Chất bán dẫn là gì
Chất bán dẫn có tầm ảnh hưởng vô cùng to lớn đối với xã hội loài người. Bạn có thể tìm thấy chất bán dẫn trong con chip vi vi xử lí cũng như transitor. Mọi thứ được máy tính hóa hoặc sử dụng sóng radio đều phụ thuộc vào chất bán dẫn.
Ngày nay, phần lớn các loại chip bán dẫn hoặc transito đều do silic tạo nên. Bạn đã từng nghe thấy những cái tên như “ thung lũng silicon và ngành công nghiệp silicon và đó là lí do tại sao silic đóng vai trò cốt lõi trong các thiết bị điện tử.
Đi-ốt chính là thiết bị đơn giản nhất nằm trong nhóm linh kiện bán dẫn, và do đó đay chính là một ví dụ tuyệt vời sẽ giúp bạn hiểu được chất bán dẫn hoạt động như thế nào. Trong bài viết này, bạn sẽ biết được chất bán dẫn là gì?, chất pha tạp hoạt động ra sao?, và chất bán dẫn đã tạo ra diot như thế nào?. Tuy nhiên việc đầu tiên cần phải làm đó là tìm hiểu về silic.
- Nguyên tố silic, đặc tính của silic, vị trí của silic trong bảng tuần hoàn
Silic là một nguyên tố rất thông dụng, nó chính là nguyên tố chính trong cát, trong thạch anh. Nếu bạn tra nguyên tố silic trong bảng tuần hoàn hóa học, bạn có thể thấy, silic nằm cạnh nguyên tố nhôm, dưới nguyên tố các bon và trên nguyên tố ger-ma-ni.
Cacbon, silic và germani (Ger-ma-ni cũng là một chat bán dẫn giống với silic) nó có một tính chất đặc biệt là trong cấu trúc e của chúng có 4e nằm ở vòng ngoài. Chính đặc điểm này khiến chúng có thể hình thành nên các tinh thể trong suốt đẹp mắt. 4e ở vòng ngoài hình thành liên liên hết hóa trị hoàn hảo với 4 nguyên tử bên cạnh và tạo nên một mạng lưới liên kết. Đối với nguyên tử các bon, tinh thể của chúng có thể hình thành nên kim cương. Đối với silic, tinh thể của chúng hình thành nên loại vật liệu có ánh bạc, hoặc ánh kim.
Kim loại thường có xu hướng dẫn điện tốt vì chúng luôn có “e tự do” nó có thể di chuyển dễ dàng giữa các nguyên tử và dòng điện thì lại liên quan tới dòng e. Trong khi đó, các tinh thể silic lại vừa có tính chất giống kim loại vừa có tính chất không giống và trong thực tế silic là nguyên tố kim loại..Tất cả các e ở vòng ngoài của tinh thể silic đều được nằm trong liên kết hóa trị bền vững, vì vậy chúng không thể di chuyển xung quanh.Tinh thể silic tinh khiết thì được coi là một chất cách điện, rất rất ít có dòng điện chạy qua nó.
Tuy nhiên bạn có thể thay đổi điều đó khi bạn quan sát quá trình sau đây, quá trình này gọi là quá trình pha tạp.Bạn có thể thay đổi được tính chất của silic và biến nó thành chất dẫn điện bằng cách pha tạp chúng. Trong quá tình pha tạp, bạn cần pha trộn một lượng nhỏ tạp chất vào trong tinh thể silic.
- Phân loại chất bán dẫn
Có hai loại tạp chất đó là:
– Loại N: đối với kiểu pha tạp N, nguyên tố phốt-pho và nguyên tố asen được trộn thêm vào silic với một lượng nhỏ. Phốt-pho và asen là hai nguyên tố có 5 e lớp ngoài cùng, vì vậy chúng nằm ngoài khi chúng đi vào mạng lưới tinh thể. E thứ 5 không có gì để liên kết vì vậy chúng di chuyển tự do. Chỉ với một lượng nhỏ tạp chất cũng có thể đủ để tạo ra số e tự do để tạo ra dòng điện đi qua silic. Silic loại N là chất dẫn điện tốt. E mang điện tích âm (negative) nên chúng được gọi là loại N
– Loại P: đối với việc pha tạp cho này, nguyên tố Bo và Gali được pha tạp. Bo và Gali cả hai nguyên tố đều có 3e ở lớp ngoài cùng. Khi pha tạp chúng vào mạng lưới tinh thể silic, chúng sẽ hình thành nên các lỗ trên mạng lưới, các lỗ này không có Si– để liên kết. Việc thiếu e tạo ra ảnh hưởng của điện tích dương, do đó chúng có tên là loại P (positive). Các lỗ có thể dẫn dòng điện đi qua. Chúng nhận một e thì phía lân cận và di chuyển vào các lỗ lấp đầy chỗ trống. Silic loại P cũng là chất dẫn điện tốt.
Trong vòng một phút pha tạp của loại N hoặc loại P có thể khiến tinh thể silic từ một chất cách điện thành chất dẫn điện- do đó chúng mới có tên là chất bán dẫn.
Silic loại N và loại P bản thân chúng không có gì đặc biệt; tuy nhiên khi ghép chúng lại với nhau chúng sẽ tạo ra những tính chất rất thú vị tạo vị trí tiếp giáp. Đó là những điều diễn ra trong đi-ốt.
Đi ốt là loại thiết bị đơn giản nhất được làm bằng chất bán dẫn. Đi-ốt cho dòng đi qua theo một chiều duy nhất. Bạn cũng có thể nhìn thất biển báo một chiều tại các bến ga, bến tàu điện ngầm. Mỗi đi ốt là một đòng một chiều của e.
Khi bạn ghép hai loại P và N lại với nhau như hình vẽ dưới đây bạn sẽ được chứng kiến một hiện tượng vô cùng thú vị xảy ra. Hiện tượng này chính là yếu tố khiến cho nó là vật có đặc tính vô cùng độc đáo.
Mặc dù chất bán dẫn loại N và P đều là hai chất dẫn điện, nhưng khi ghép chúng như sơ đồ trong hình vẽ thì lại không có dòng điện nào đi qua cả. E của loại N bị hút về cực dương của pin, và các lỗ chứa điện tích dương của loại P bị hút về phía cực âm của pin. Không có dòng chạy qua phần tiếp giáp là bởi các lỗ và e mỗi bên đều di chuyển sai hướng.
Nếu bạn đảo chiều pin, thì đi ốt sẽ thực sự trở thành chất dẫn điện. Khi đó các e tự do của loại N sẽ bị đẩy bởi cực âm của pin và điều này cũng xảy ra tương tự ở cực còn lại. Tại khu vực tiếp giáp e và các lỗ gặp nhau, e đi lấp đầy các lỗ. Khi e và các lỗ chuẩn bị dừng hoặc nghỉ để thoát ra ngoài thì các lỗ mới và e sẽ được thay thế vào vị trí của cặp trước. Hiệu ứng này chính là dòng điện đi qua khu vực tiếp giáp.
