Trong bài đăng này, chúng ta sẽ tìm hiểu một cách toàn diện về các nguyên lý hoạt động cơ bản của các thiết bị bán dẫn và cách cấu trúc bên trong của chất bán dẫn hoạt động dưới tác động của điện.
Giá trị điện trở suất giữa các vật liệu bán dẫn này không có đặc tính dẫn điện hoàn toàn cũng không phải chất cách điện hoàn toàn, nó nằm giữa hai giới hạn này.
Tính năng này có thể xác định thuộc tính bán dẫn của vật liệu, tuy nhiên sẽ rất thú vị nếu biết cách hoạt động của chất bán dẫn giữa chất dẫn điện và chất cách điện.
Điện trở suất
Theo định luật Ohm, điện trở của một thiết bị điện tử được định nghĩa là tỷ số giữa hiệu điện thế trên linh kiện với cường độ dòng điện chạy qua linh kiện.
Bây giờ sử dụng phép đo điện trở có thể đặt ra một vấn đề, giá trị của nó thay đổi khi kích thước vật lý của vật liệu điện trở thay đổi.
Ví dụ, khi một vật liệu điện trở được tăng chiều dài, giá trị điện trở của nó cũng tăng theo tỷ lệ thuận.
Tương tự như vậy, khi độ dày của nó tăng lên, giá trị điện trở của nó giảm tương ứng.
Sự cần thiết ở đây là xác định một vật liệu có thể chỉ ra thuộc tính dẫn điện hoặc phản đối dòng điện bất kể kích thước, hình dạng hoặc hình dáng vật lý của nó.
Độ lớn để biểu thị giá trị điện trở cụ thể này được gọi là Điện trở suất, có synbol ρ, (Rho)
Đơn vị đo điện trở suất là Ohm-mét (Ω.m), và nó có thể được hiểu là một tham số nghịch với độ dẫn điện.
Để có được sự so sánh giữa các điện trở suất của một số vật liệu, chúng được phân thành 3 loại chính: Chất dẫn điện, Chất cách điện và Chất bán dẫn. Biểu đồ dưới đây cung cấp các chi tiết cần thiết:
Như bạn có thể thấy trong hình trên, có sự khác biệt không đáng kể giữa điện trở suất của các vật dẫn như vàng và bạc, trong khi đó, có thể có một lượng khác biệt đáng kể về điện trở suất giữa các vật cách điện như thạch anh và thủy tinh.
Điều này là do phản ứng của chúng với nhiệt độ môi trường xung quanh làm cho kim loại dẫn điện hiệu quả hơn chất cách điện
Dây dẫn
Từ biểu đồ trên, chúng ta hiểu rằng dây dẫn có điện trở suất nhỏ nhất, thường có thể tính bằng microohms / mét.
Do điện trở suất thấp của chúng, dòng điện có thể đi qua chúng dễ dàng, do sự sẵn có của một lượng lớn các electron.
Tuy nhiên, các điện tử này chỉ có thể được đẩy khi chúng là một áp suất trên vật dẫn, và áp suất này có thể được hình thành bằng cách đặt một điện áp lên vật dẫn.
Do đó, khi một vật dẫn được đặt vào với sự chênh lệch điện thế dương / âm, các điện tử tự do của mỗi nguyên tử của vật dẫn bị buộc phải tách ra khỏi nguyên tử mẹ của chúng và chúng bắt đầu trôi qua trong vật dẫn, và thường được gọi là dòng điện .
Mức độ mà các electron này có thể di chuyển phụ thuộc vào mức độ dễ dàng đặt chúng ra khỏi nguyên tử của chúng, phản ứng với sự chênh lệch điện áp.
Kim loại thường được coi là chất dẫn điện tốt, và trong số các kim loại, vàng, bạc, đồng và nhôm là những chất dẫn điện tốt nhất theo thứ tự.
Vì những vật dẫn này có rất ít điện tử trong vùng hóa trị của nguyên tử, chúng dễ dàng bị loại bỏ bởi sự khác biệt về điện thế và chúng bắt đầu nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử tiếp theo thông qua một quá trình gọi là 'Hiệu ứng Domino', dẫn đến dòng điện chạy qua vật dẫn.
Mặc dù vàng và bạc là những chất dẫn điện tốt nhất, nhưng đồng và nhôm lại được ưa chuộng hơn để làm dây và cáp do giá thành rẻ và phong phú, cũng như độ bền vật lý của chúng.
Mặc dù thực tế là đồng và nhôm là những chất dẫn điện tốt, chúng vẫn có một số điện trở, bởi vì không có gì có thể lý tưởng 100%.
Mặc dù nhỏ nhưng điện trở do các dây dẫn này cung cấp có thể trở nên đáng kể khi áp dụng dòng điện cao hơn. Cuối cùng, điện trở đối với dòng điện cao hơn trên các dây dẫn này bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Chất cách điện
Trái với chất dẫn điện, chất cách điện là chất dẫn điện không tốt. Chúng thường ở dạng phi kim loại và có rất ít điện tử dễ bị tổn thương hoặc tự do với nguyên tử mẹ của chúng.
Có nghĩa là các electron của các phi kim loại này được liên kết chặt chẽ với các nguyên tử mẹ của chúng, rất khó bị tách ra khi có hiệu điện thế.
Do đặc điểm này, khi có hiệu điện thế, các electron không thể di chuyển ra khỏi nguyên tử dẫn đến không có dòng electron và do đó không có sự dẫn truyền.
Tính chất này dẫn đến giá trị điện trở đối với chất cách điện rất cao, theo thứ tự nhiều triệu Ohms.
Các vật liệu như thủy tinh, đá cẩm thạch, PVC, nhựa, thạch anh, cao su, mica, bakelite là những ví dụ về chất cách điện tốt.
Cũng giống như chất dẫn điện, chất cách điện đóng một vai trò quan trọng không kém trong lĩnh vực điện tử. Không có chất cách điện sẽ không thể cách ly sự khác biệt điện áp giữa các giai đoạn của mạch, dẫn đến ngắn mạch.
Ví dụ, chúng ta thấy việc sử dụng sứ và thủy tinh trong các tháp căng thẳng cao để truyền tải điện xoay chiều một cách an toàn qua các dây cáp. Trong dây dẫn, chúng tôi sử dụng PVC để cách điện các cực âm và dương, và trong PCB, chúng tôi sử dụng Bakelite để cách ly các rãnh đồng với nhau.
Khái niệm cơ bản về chất bán dẫn
Các vật liệu như silic (Si), gecmani (Ge) và arsenide Gali thuộc loại vật liệu bán dẫn cơ bản. Đó là bởi vì những vật liệu này có đặc tính là dẫn điện ngay lập tức dẫn đến không dẫn điện và cách điện thích hợp. Do tính chất này, các vật liệu này được đặt tên là chất bán dẫn.
Những vật liệu này thể hiện rất ít điện tử tự do trên các nguyên tử của chúng, chúng được nhóm chặt chẽ trong một kiểu hình thành mạng tinh thể. Tuy nhiên, các electron vẫn có thể tách ra và chảy, nhưng chỉ khi các điều kiện cụ thể được sử dụng.
Có thể nói điều này, có thể nâng cao tốc độ dẫn trong chất bán dẫn này bằng cách đưa hoặc thay thế một số loại nguyên tử 'cho' hoặc 'nhận' vào bố cục tinh thể, cho phép giải phóng thêm 'điện tử tự do' và 'lỗ trống' hoặc phó ngược lại.
Điều này được thực hiện bằng cách đưa một lượng nhất định vật liệu bên ngoài vào vật liệu hiện có như silicon hoặc Germanium.
Bản thân các vật liệu như silicon và Germanium được phân loại là chất bán dẫn nội tại, do bản chất hóa học cực kỳ tinh khiết của chúng và sự hiện diện của vật liệu bán dẫn hoàn chỉnh.
Điều này cũng có nghĩa là, bằng cách áp dụng một lượng tạp chất có kiểm soát vào chúng, chúng tôi có thể xác định tốc độ dẫn trong các vật liệu nội tại này.
Chúng ta có thể đưa các loại tạp chất được gọi là chất cho hoặc chất nhận vào các vật liệu này để tăng cường chúng bằng các điện tử tự do hoặc lỗ trống tự do.
Trong các quá trình này khi một tạp chất được thêm vào vật liệu bên trong theo tỷ lệ 1 nguyên tử tạp chất trên 10 triệu nguyên tử vật liệu bán dẫn, nó được gọi là Doping .
Với việc đưa vào cơ thể đủ tạp chất, vật liệu bán dẫn có thể được biến đổi thành vật liệu loại N hoặc loại P.
Silicon là một trong những vật liệu bán dẫn phổ biến nhất, có 4 điện tử hóa trị trên lớp vỏ ngoài cùng của nó, và cũng được bao quanh bởi các nguyên tử liền kề tạo thành quỹ đạo tổng cộng là 8 điện tử.
Liên kết giữa hai nguyên tử silicon được phát triển theo cách mà nó cho phép chia sẻ một electron với nguyên tử liền kề của nó, dẫn đến một liên kết ổn định tốt.
Ở dạng tinh khiết, một tinh thể silic có thể có rất ít điện tử hóa trị tự do, do đó nó có các đặc tính của một chất cách điện tốt, có các giá trị điện trở cực hạn.
Việc kết nối vật liệu silicon với một điểm khác biệt tiềm ẩn sẽ không giúp ích cho bất kỳ sự dẫn truyền nào qua nó, trừ khi một số loại phân cực âm hoặc dương được tạo ra trong đó.
Và để tạo ra các phân cực như vậy, quá trình Doping được thực hiện vào các vật liệu này bằng cách thêm các tạp chất như đã thảo luận trong các đoạn trước.
Hiểu cấu trúc nguyên tử silicon
Trong những hình ảnh trên, chúng ta thấy cấu trúc của một mạng tinh thể silicon tinh khiết thông thường trông như thế nào. Đối với tạp chất, thông thường các vật liệu như Asen, Antimon hoặc Phốt pho được đưa vào trong các tinh thể bán dẫn biến chúng thành bên ngoài, có nghĩa là 'có tạp chất'.
Các tạp chất được đề cập được tạo thành từ 5 electron ở dải ngoài cùng của chúng được gọi là tạp chất 'Pentavalent', để chia sẻ với các nguyên tử liền kề của chúng.
Điều này đảm bảo rằng 4 trong số 5 nguyên tử có thể tham gia với các nguyên tử silicon liền kề, ngoại trừ một 'điện tử tự do' duy nhất có thể được đặt tự do khi kết nối điện áp.
Trong quá trình này, bởi vì các nguyên tử không tinh khiết bắt đầu 'tặng' từng electron trên nguyên tử lân cận của chúng, các nguyên tử 'Pentavalent' được đặt tên là 'các nhà tài trợ'.
Sử dụng Antimon để Doping
Antimon (Sb) và Phosphorous (P) thường trở thành lựa chọn tốt nhất để đưa tạp chất 'Pentavalent' vào silicon. 
Trong Antimon, 51 electron được thiết lập trên 5 lớp vỏ xung quanh hạt nhân của nó, trong khi dải ngoài cùng của nó bao gồm 5 electron.
Do đó, vật liệu bán dẫn cơ bản có thể thu được các điện tử mang dòng điện bổ sung, mỗi điện tử được quy cho một điện tích âm. Do đó nó được đặt tên là 'vật liệu loại N'.
Ngoài ra, các electron được đặt tên là 'Các sóng mang đa số' và các lỗ trống phát triển sau đó được gọi là 'Các sóng mang thiểu số'.
Khi một chất bán dẫn pha tạp Antimon chịu một điện thế, các điện tử bị bật ra sẽ được thay thế ngay lập tức bởi các điện tử tự do từ nguyên tử Antimon. Tuy nhiên, vì quá trình này cuối cùng vẫn giữ một electron tự do lơ lửng bên trong tinh thể pha tạp chất, điều này khiến nó trở thành một vật liệu mang điện tích âm.
Trong trường hợp này, chất bán dẫn có thể được gọi là loại N nếu nó có mật độ chất cho cao hơn mật độ chất nhận của nó. Có nghĩa là khi có số lượng điện tử tự do cao hơn số lượng lỗ trống, gây ra sự phân cực âm, như được chỉ ra dưới đây.
Hiểu chất bán dẫn loại P
Nếu chúng ta xem xét tình huống ngược lại, đưa tạp chất 3 electron 'hóa trị ba' vào tinh thể bán dẫn, chẳng hạn nếu chúng ta đưa vào nhôm, boron hoặc indium, có chứa 3 electron trong liên kết hóa trị của chúng, do đó liên kết 4rth sẽ không thể hình thành.
Do đó, việc kết nối toàn diện trở nên khó khăn, cho phép chất bán dẫn có nhiều hạt mang điện tích dương. Những hạt tải điện này được gọi là 'lỗ trống' trên toàn bộ mạng bán dẫn, do thiếu rất nhiều điện tử.
Bây giờ, do sự hiện diện của các lỗ trong tinh thể silicon, một điện tử gần đó bị hút vào lỗ, cố gắng lấp đầy khe. Tuy nhiên, ngay sau khi các electron cố gắng thực hiện điều này, nó sẽ rời khỏi vị trí của nó tạo ra một lỗ trống mới ở vị trí cũ của nó.
Điều này đến lượt nó lại thu hút điện tử gần đó tiếp theo, điện tử này lại để lại một lỗ trống mới trong khi cố gắng chiếm lấy lỗ trống tiếp theo. Quá trình tiếp tục tạo ra một ấn tượng rằng thực sự các lỗ đang di chuyển hoặc truyền qua chất bán dẫn, mà chúng ta thường nhận ra là dạng dòng thông thường của dòng điện.
Khi 'các lỗ trống dường như di chuyển' làm phát sinh sự thiếu hụt các điện tử cho phép toàn bộ tinh thể pha tạp có được một cực dương.
Vì mỗi nguyên tử tạp chất trở nên chịu trách nhiệm tạo ra một lỗ trống, những tạp chất hóa trị ba này được gọi là 'Chất nhận' do thực tế là chúng tiếp tục nhận các điện tử tự do liên tục trong quá trình này.
Boron (B) là một trong những chất phụ gia hóa trị ba được sử dụng phổ biến cho quá trình pha tạp đã giải thích ở trên.
Khi boron được sử dụng làm vật liệu pha tạp, nó gây ra sự dẫn điện chủ yếu có các hạt mang điện tích dương.
Điều này dẫn đến việc tạo ra vật liệu loại P có các lỗ trống dương được gọi là 'Hạt tải điện đa số', trong khi các electron tự do được gọi là 'Hạt tải điện thiểu số'.
Điều này giải thích cách vật liệu cơ bản bán dẫn biến thành loại P do mật độ nguyên tử chất nhận của nó tăng lên so với nguyên tử cho.
Cách Boron được sử dụng để Doping
Tóm tắt khái niệm cơ bản về chất bán dẫn
Chất bán dẫn loại N (Được pha tạp chất Pentavalent như Antimon chẳng hạn)
Các chất bán dẫn như vậy được pha tạp chất với các nguyên tử tạp chất Pentavalent được gọi là Donor, vì chúng thể hiện sự dẫn điện thông qua chuyển động của các electron và do đó chúng được gọi là Chất bán dẫn Loại N.
Trong Bán dẫn loại N, chúng ta tìm thấy:
- Các nhà tài trợ được tính phí tích cực
- Số lượng điện tử tự do dồi dào
- Số lượng 'lỗ trống' tương đối ít hơn so với 'các electron tự do'
- Kết quả của sự pha tạp, các chất cho điện tích dương và các điện tử tự do mang điện tích âm được tạo ra.
- Việc áp dụng sự khác biệt về điện thế dẫn đến sự phát triển của các electron mang điện tích âm và các lỗ trống mang điện tích dương.
Chất bán dẫn loại P (Được pha tạp chất thứ ba như Boron chẳng hạn)
Các chất bán dẫn như vậy được pha tạp chất với các nguyên tử tạp chất Hóa trị ba được gọi là Chất chấp nhận, vì chúng thể hiện sự dẫn điện thông qua chuyển động của các lỗ và do đó chúng được gọi là Chất bán dẫn Loại P.
Trong Bán dẫn loại N, chúng ta tìm thấy:
- Người chấp nhận bị tính phí phủ định
- Số lượng lỗ dồi dào
- Số lượng electron tự do tương đối nhỏ hơn so với sự có mặt của các lỗ trống.
- Doping dẫn đến việc tạo ra các chất nhận tích điện âm và các lỗ trống tích điện dương.
- Việc đặt một hiệu điện thế gây ra sự tạo ra các lỗ trống tích điện dương và các electron tự do mang điện tích âm.
Tự nhiên, các chất bán dẫn loại P và N trở nên trung hòa về điện một cách tự nhiên.
Thông thường, Antimon (Sb) và Boron (B) là hai nguyên liệu được sử dụng làm thành viên doping do chúng có sẵn rất nhiều. Chúng cũng được đặt tên là 'mettaloids'.
Đã nói điều này, nếu bạn nhìn vào bảng tuần hoàn, bạn sẽ tìm thấy nhiều vật liệu tương tự khác có 3 hoặc 5 electron ở dải nguyên tử ngoài cùng của chúng. Có nghĩa là, những vật liệu này cũng có thể trở nên phù hợp với mục đích pha tạp.
Bảng tuần hoàn 
Trước: Mạch cho chó ăn bằng điện thoại di động có điều khiển Tiếp theo: Tìm hiểu về mạch khuếch đại
