Kiến thức cơ bản về bán dẫn: Vật liệu và thiết bị

Trong video hướng dẫn này, chúng ta sẽ thảo luận về các vật liệu bán dẫn và cách chúng trở thành các linh kiện điện tử hữu ích — cụ thể là thông qua pha tạp chất bán dẫn.

Chất bán dẫn là gì?

Từ “bán dẫn” đã trở nên gắn liền với công nghệ điện tử tinh vi đã biến đổi nhanh chóng cuộc sống của con người trong nửa sau của thế kỷ XX. Tuy nhiên, về bản chất, chất bán dẫn không đáng kể: nó chỉ đơn giản là một vật liệu thể hiện độ dẫn điện tầm thường – nghĩa là nó dẫn điện kém hơn chất dẫn điện nhưng dẫn điện hơn chất cách điện.

Năng lượng nhiệt làm cho các điện tử hóa trị thoát ra khỏi cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn và do đó trở thành các điện tử “tự do”. Các electron di động này là các điện tích âm có thể di chuyển dưới tác dụng của điện trường tác dụng, và các lỗ trống do các electron tự do này để lại hoạt động như các điện tích dương di động . Cả electron và lỗ trống đều tham gia vào dòng điện của chất bán dẫn, và các đặc tính điện của chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi số lượng electron tự do và lỗ trống có trong vật liệu.

Biểu đồ bên trái biểu diễn mạng tinh thể thông thường của chất bán dẫn và biểu đồ bên phải bao gồm một cặp electron-lỗ trống. 

Các chất bán dẫn thông thường không bị biến đổi không cung cấp nhiều chức năng điện hữu ích. Bước đầu tiên trong việc biến chất bán dẫn thành một phương tiện của cuộc cách mạng công nghệ được gọi là doping .

Doping bán dẫn kích thích

Chúng ta có thể kiểm soát số lượng hạt tải điện trong chất bán dẫn bằng cách đưa các vật liệu khác vào cấu trúc mạng tinh thể. Cụ thể hơn, chúng tôi đưa vào các vật liệu có số lượng điện tử hóa trị khác nhau.

Giả sử chất bán dẫn của chúng ta là silicon (Si), là nguyên tố nhóm IV và do đó có bốn electron hóa trị. Như trong sơ đồ trước, các nguyên tử silic kết hợp thông qua liên kết cộng hóa trị thành một cấu trúc mạng tinh thể đều đặn. Một nguyên tố nhóm V như phốt pho (P) có năm điện tử hóa trị, và nếu chúng ta tiêm phốt pho vào silic, mỗi nguyên tử được đưa vào sẽ đưa một điện tử tự do vào mạng tinh thể của chất bán dẫn:

Pha tạp chất với nguyên tố nhóm V tạo ra các electron tự do. 

Trong tình huống này, phốt pho hoạt động như một chất pha tạp và silicon trở thành chất bán dẫn loại n : nó đã nhận thêm các điện tử tự do thông qua pha tạp, và khi một điện trường được đặt vào, dòng điện sẽ chủ yếu do các điện tử mang điện tích âm . Do đó, trong chất bán dẫn loại n, các điện tử là hạt tải điện đa số và lỗ trống là hạt tải điện thiểu số .

Mặt khác, nếu chúng ta pha tạp chất với nguyên tố nhóm III như boron (B), thì mỗi nguyên tử pha tạp sẽ tạo thêm một lỗ trống. Điều này biến silicon thành một chất bán dẫn loại p : các lỗ trống nhiều hơn các điện tử tự do, và dòng điện sẽ chủ yếu do chuyển động của các điện tích dương. Do đó, trong chất bán dẫn loại p, lỗ trống là hạt tải điện đa số và electron là hạt tải điện thiểu số.

Pha tạp chất với nguyên tố nhóm III tạo ra các lỗ. 

Yếu tố tiêm vào không phải là biến số duy nhất trong các thủ tục doping. Chúng ta cũng có thể kiểm soát nồng độ dopant, từ đó ảnh hưởng đến hoạt động điện của chất bán dẫn. Khi một chất bán dẫn chứa một nồng độ nguyên tử pha tạp tương đối cao, chúng ta gọi nó là chất bị pha tạp nhiều . Nếu nó chứa một nồng độ tương đối thấp của các nguyên tử pha tạp, nó được pha tạp nhẹ . Ví dụ, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, sẽ được thảo luận trong một hướng dẫn trong tương lai, sử dụng silicon pha tạp nhiều cho các vùng nguồn và thoát.   

Phần kết luận

Nếu mục đích là tạo ra các linh kiện điện tử hữu ích, thì bản thân vật liệu pha tạp chất không thực sự tốt hơn chất bán dẫn ban đầu. Tuy nhiên, khi chúng ta đặt một chất bán dẫn loại n cạnh một chất bán dẫn loại p, mọi thứ sẽ thay đổi. Cấu trúc này, được gọi là giao nhau pn, là chủ đề của hướng dẫn tiếp theo.