Chất bán dẫn là gì? 4 lĩnh vực ứng dụng quan trọng

Bạn không biết rõ chất bán dẫn là gì? Yên tâm, bài viết của Đại học FPT Cần Thơ đã giải thích chi tiết khái niệm và ứng dụng. Xem ngay!

Nội dung bài viết

1. Chất bán dẫn là gì?

2. Tính chất của chất bán dẫn là gì?

3. Các loại chất bán dẫn

4. Ứng dụng của chất bán dẫn

5. Tại sao chất bán dẫn được dùng để sản xuất chip?

Bạn có từng thắc mắc về những con chip nhỏ bé ẩn chứa sức mạnh to lớn trong điện thoại, máy tính hay tivi của mình? Hay bạn muốn khám phá bí mật tạo nên sự đa dạng của các thiết bị điện tử thông minh?

Trong bài viết này, Đại học FPT Cần Thơ sẽ đưa bạn đến với hành trình khám phá chất bán dẫn là gì và những ứng dụng quan trọng của nó. Theo dõi ngay!

Chất bán dẫn là gì?

Thế nào là chất bán dẫn? Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Ở nhiệt độ thấp, nó hoạt động như chất cách điện, nhưng khi nhiệt độ tăng hoặc có sự tác động của tạp chất, nó bắt đầu dẫn điện.

Đặc điểm chính:

• Độ dẫn điện thay đổi theo nhiệt độ và tạp chất: Khi nhiệt độ tăng hoặc có tạp chất được thêm vào, độ dẫn điện của chất bán dẫn sẽ tăng lên.
• Có thể là nguyên tố tinh khiết hoặc hợp chất: Silicon (Si), Germanium (Ge) là những ví dụ về chất bán dẫn nguyên tố tinh khiết, trong khi Gallium arsenide (GaAs), Cadmium selenide (CdSe) là ví dụ về bán dẫn hợp chất.

Tính chất của chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn sở hữu những đặc tính độc đáo, đóng vai trò nền tảng cho sự phát triển của ngành công nghệ hiện đại. Dưới đây là những điểm chính về tính chất:

• Điện trở trung bình: Khả năng dẫn điện ở nhiệt độ phòng nhưng điện trở cao hơn so với kim loại. Khả năng dẫn điện có thể thay đổi tùy thuộc vào môi trường và ứng dụng.
• Băng rộng bandgap: Khoảng năng lượng giữa dải dẫn và dải hóa trị, quyết định khả năng dẫn điện và quang dẫn của chất bán dẫn. Bandgap có thể điều chỉnh để tạo ra các loại chất phù hợp cho ứng dụng cụ thể.
• Điện động học nhiệt: Dẫn điện tốt hơn ở nhiệt độ cao và kém hơn ở nhiệt độ thấp, giúp hoạt động ổn định trong môi trường có biến đổi nhiệt độ.
• Tùy chỉnh bandgap: Bandgap có thể được điều chỉnh bằng cách doping hoặc chọn cấu trúc tinh thể và chất cơ bản, tạo ra các loại bán dẫn với tính năng đa dạng.
• Cảm biến và khuếch đại: Khả năng kiểm soát và tăng cường dòng điện và tín hiệu điện, ứng dụng trong transistor, cảm biến và bộ khuếch đại.
• Hợp chất hóa học: Tạo ra các loại vật liệu bán dẫn đặc biệt với tính chất khác nhau khi kết hợp với các nguyên tố khác.
• Chất bán dẫn quang học: Phát xạ và thu ánh sáng, ứng dụng trong các thiết bị quang học và laser (GaAs, InP).

Nhờ những tính chất độc đáo này, chất bán dẫn trở thành vật liệu không thể thiếu trong sản xuất:

• Vi mạch điện tử: Transistor, IC, vi xử lý
• Thiết bị quang điện tử: LED, laser, pin mặt trời
• Cảm biến: Cảm biến nhiệt độ, áp suất, khí
• Bộ khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu âm thanh, sóng vô tuyến

Các loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn được phân loại thành hai loại chính: Bán dẫn tinh khiết và Bán dẫn tạp chất. Mỗi loại có đặc tính và ứng dụng riêng biệt, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực điện tử.

>> Xem thêm:

• Chip bán dẫn là gì? Cấu tạo và quy trình sản xuất
• Top 6 phần mềm thiết kế mạch điện tử

Chất bán dẫn tinh khiết

Chất bán dẫn tinh khiết, hay còn gọi là chất bán dẫn thuần, là loại bán dẫn không chứa tạp chất. Silicon (Si) và Germanium (Ge) là hai ví dụ điển hình cho loại này.

Đặc điểm:

• Điện trở suất cao: Ở nhiệt độ thấp, bán dẫn tinh khiết có điện trở suất rất cao, hạn chế dòng điện di chuyển qua vật liệu.
• Độ dẫn điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt kích thích các electron trong nguyên tử silicon hoặc germanium, khiến chúng giải phóng khỏi liên kết cộng hóa trị và trở thành electron tự do. Do đó, khả năng dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng dần theo nhiệt độ.
• Hệ số nhiệt điện trở âm: Khác với kim loại, bán dẫn thuần có hệ số nhiệt điện trở âm. Điều này có nghĩa là điện trở của chúng giảm khi nhiệt độ tăng.

Chất bán dẫn tạp chất

Chất bán dẫn pha tạp chất là loại chất bán dẫn có chứa tạp chất, là các nguyên tố hoặc hợp chất khác, nhằm tăng hoặc giảm độ dẫn điện của bán dẫn. Tạp chất có thể được thêm vào bán dẫn tinh khiết bằng các kỹ thuật như pha tạp nhiệt hoặc pha tạp hóa học.

Dựa vào loại tạp chất được pha vào, bán dẫn tạp chất được chia thành hai loại chính:

• Chất bán dẫn loại N: Loại này chứa tạp chất thuộc nhóm V của bảng tuần hoàn (như Photpho, Asen, Antimon). Các nguyên tố này có 5 electron hóa trị, với một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân. Khi tạp chất được thêm vào bán dẫn tinh khiết, nó tạo ra các electron tự do. Electron này là hạt mang điện chính trong bán dẫn loại N.
• Chất bán dẫn loại P: Loại này chứa tạp chất thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn (như Bo, Gali, Indium). Các nguyên tố này có 3 electron hóa trị, dẫn đến sự tạo ra lỗ trống khi một electron từ nguyên tử khác được chia sẻ với nguyên tử tạp chất. Lỗ trống này là hạt mang điện chính trong chất bán dẫn loại P.

Đặc điểm:

• Độ dẫn điện cao hơn chất bán dẫn tinh khiết: Do có sự hiện diện của các electron tự do (loại N) hoặc lỗ trống (loại P), chất bán dẫn tạp chất dẫn điện tốt hơn so với chất bán dẫn tinh khiết.
• Có thể điều chỉnh độ dẫn điện: Bằng cách thay đổi tỷ lệ tạp chất, ta có thể điều chỉnh độ dẫn điện của chất bán dẫn tạp chất, từ đó tạo ra các linh kiện điện tử có chức năng đa dạng.
• Được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử: Chất bán dẫn tạp chất là vật liệu quan trọng trong sản xuất diode, transistor, mạch tích hợp, và nhiều linh kiện điện tử khác.

Ứng dụng của chất bán dẫn

Chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong đời sống hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử và công nghệ. Nhờ những tính chất đặc biệt, chất bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ tiêu biểu.

>> Xem thêm:

• Chip điện tử là gì? 6 công nghệ chip phổ biến
• Thiết kế vi mạch học trường nào? Top 9

Ứng dụng của chất bán dẫn trong sản xuất linh kiện điện tử

• Diode: Diode là linh kiện điện tử cơ bản được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện, lọc nhiễu, bảo vệ mạch điện. Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo nhiều loại diode khác nhau, bao gồm diode chỉnh lưu, diode zener, diode Schottky.
• Transistor: Transistor là linh kiện điện tử đóng vai trò khuếch đại tín hiệu, điều khiển dòng điện. Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo hai loại transistor chính là transistor lưỡng cực (BJT) và transistor hiệu ứng trường (FET).
• Mạch tích hợp (IC): Mạch tích hợp là tập hợp nhiều linh kiện điện tử được thu nhỏ và tích hợp trên một chip bán dẫn. Chất bán dẫn đóng vai trò then chốt trong sản xuất IC, giúp tạo nên các vi xử lý, bộ nhớ, mạch logic.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong thiết bị điện tử

• Máy tính: Chất bán dẫn là vật liệu chủ yếu để chế tạo các linh kiện quan trọng trong máy tính như CPU, GPU, RAM. Nhờ có chất bán dẫn, máy tính ngày càng trở nên mạnh mẽ, nhỏ gọn và tiết kiệm điện năng hơn.
• Điện thoại di động: Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo các bộ xử lý, bộ nhớ, chip thu phát sóng, trong điện thoại di động. Nhờ có chất bán dẫn, điện thoại di động ngày càng trở nên thông minh, đa chức năng và kết nối internet nhanh hơn.
• Tivi: Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo các bộ xử lý hình ảnh, màn hình LCD, LED trong tivi. Nhờ có chất bán dẫn, tivi ngày càng có hình ảnh sắc nét, sống động và tiết kiệm điện năng hơn.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong công nghệ quang học

• LED: LED (Light Emitting Diode) là nguồn sáng phát quang dựa trên hiện tượng bán dẫn. LED được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng, màn hình hiển thị, bảng quảng cáo. Nhờ có LED, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường hơn so với bóng đèn truyền thống.
• Laser: Laser là nguồn sáng khuếch đại bằng ánh sáng. Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo các diode laser, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như cắt, khắc, đo lường, y tế.
• Pin mặt trời: Pin mặt trời là thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo các tế bào quang điện, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển năng lượng tái tạo.

Ứng dụng của chất bán dẫn trong công nghệ năng lượng

• Pin bán dẫn: Pin bán dẫn là loại pin sử dụng chất bán dẫn để lưu trữ điện năng. Pin bán dẫn có nhiều ưu điểm so với pin truyền thống như dung lượng cao, tuổi thọ dài, thân thiện với môi trường.
• Xe điện: Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo các bộ điều khiển động cơ, bộ sạc pin trong xe điện. Nhờ có chất bán dẫn, xe điện ngày càng trở nên phổ biến hơn nhờ khả năng vận hành êm ái, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.
• Hệ thống điện thông minh: Chất bán dẫn được sử dụng để chế tạo các bộ điều khiển, cảm biến trong hệ thống điện thông minh. Nhờ có chất bán dẫn, hệ thống điện thông minh giúp tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu quả sử dụng điện và an toàn cho người sử dụng.

Ngoài những ứng dụng kể trên, chất bán dẫn còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như y tế, khoa học vật liệu. Nhờ những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng rộng rãi, chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nâng cao chất lượng cuộc sống con người.

Tại sao chất bán dẫn được dùng để sản xuất chip?

Chất bán dẫn được sử dụng để sản xuất chip vì những lý do sau:

• Khả năng dẫn điện: Khả năng dẫn điện của chất bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách pha tạp chất, tạo ra hai loại vật liệu bán dẫn: loại n và loại p. Đặc tính này cho phép tạo ra các transistor, là thành phần cơ bản của chip, có khả năng khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu điện tử.
• Khả năng thu nhỏ: Kích thước của transistor có thể thu nhỏ xuống kích thước rất nhỏ, cho phép tích hợp hàng tỷ transistor lên một mạch tích hợp (IC) hay còn gọi là chip. Điều này góp phần tạo nên sự thu nhỏ kích thước và tăng hiệu quả của các thiết bị điện tử hiện đại.
• Tốc độ xử lý: Chất bán dẫn có thể dẫn điện nhanh hơn kim loại, giúp cho chip có tốc độ xử lý cao hơn.
• Tiêu thụ điện năng thấp: Chất bán dẫn tiêu thụ điện năng thấp hơn kim loại, giúp cho chip tiết kiệm điện hơn.
• Khả năng tích hợp: Chất bán dẫn có thể tích hợp nhiều loại linh kiện điện tử khác nhau trên cùng một chip, giúp giảm kích thước và chi phí sản xuất.

Ngoài những lý do trên, chất bán dẫn còn có nhiều ưu điểm khác như độ tin cậy cao, dễ sản xuất và giá thành rẻ. Nhờ những ưu điểm này, chất bán dẫn đã trở thành vật liệu không thể thiếu trong sản xuất chip và đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghệ điện tử hiện đại.

Kết

Trên là bài viết giải đáp về thắc mắc chất bán dẫn là gì. Hy vọng bạn đã có cái nhìn tổng quan về bán dẫn và ứng dụng ngành Thiết kế vi mạch. Nếu quan tâm ngành học liên quan đến chất bán dẫn tại Đại học FPT, thí sinh có thể liên hệ Fanpage Đại học FPT Cần Thơ hoặc đăng ký tư vấn tại đây.