Tiết lộ 5 ứng dụng thiết yếu nhất của chất bán dẫn 

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống tiêu biểu nhất là sản xuất chip thông minh và linh kiện điện tử. Chất bán dẫn là một trong những nhân tố quan trọng để tạo ra các linh kiện như diode, transistor… Cùng tìm hiểu 5 ứng dụng thiết yếu nhất của chất bán dẫn qua bài viết dưới đây. 

1. Chất bán dẫn là gì? 8 thông tin quan trọng nhất

1.1 Khái niệm và ví dụ 

Khái niệm

• Chất bán dẫn là các phần tử thực hiện chức năng của dây dẫn hoặc chất cách điện một cách chọn lọc, tùy thuộc vào nhiệt độ, áp suất, bức xạ và từ trường hoặc điện trường.
• Chất bán dẫn là chất rắn kết tinh có độ dẫn điện trung bình, vì vậy chúng có thể được sử dụng theo cách kép như một chất dẫn điện và chất cách điện.

Chất bán dẫn trong tự nhiên 

Ví dụ về chất bán dẫn

• Hợp kim Germanium và silicon (Si/Ge) được sử dụng trong các mạch tích hợp tốc độ cao cho radar và bộ khuếch đại của các dụng cụ điện, chẳng hạn như guitar điện.
• Gallium arsenide (GaAs), được sử dụng rộng rãi trong các bộ khuếch đại tín hiệu, cụ thể là các tín hiệu có mức tăng cao và độ ồn thấp.

1.2 Phân loại chất bán dẫn

• Chất bán dẫn tinh khiết: Lớp ngoài cùng đều có bốn điện tử hoá trị.
• Chất bán dẫn pha tạp chất: Để tăng cường khả năng dẫn điện của chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp, người ta tiến hành pha trộn bán dẫn tinh khiết với một nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn tạo ra hai loại bán dẫn pha tạp chất chủ đạo

1.3 Tính chất của chất bán dẫn

• Hiệu ứng trường (bán dẫn): Khi kết hợp hai lớp P - N với nhau, trao đổi điện tích sẽ xảy ra tại lớp tiếp xúc P - N. Các điện tử từ P sẽ chuyển sang lớp N và ngược lại, khiến cho các lỗ trống lớp N chuyển sang lớp P do quá trình trung hòa về điện. Kết quả của quá trình này là ion sẽ tích điện và tạo ra một điện trường.

Sự trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc P - N 

• Độ dẫn điện biến đổi: Chất bán dẫn có pha tạp chất loại N, P được biến đổi để có thể hoạt động giống như vật liệu dẫn điện.
• Dị thể: Khi hai vật liệu bán dẫn pha tạp khác nhau được nối với nhau hình thành nên dị thể. Hiện tượng này sẽ xảy ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng bởi một quá trình gọi là tái hợp. 
• Electron kích thích: Cấu hình electron ở trạng thái kích thích dùng để chỉ nguyên tử có các electron ở mức năng lượng cao hơn mức cần thiết.  
• Phát xạ ánh sáng: Khi các electron bị kích thích, nó có thể thư giãn bằng cách phát ra ánh sáng thay vì tạo ra nhiệt. 

Diode phát sáng 

• Độ dẫn nhiệt cao: Chất bán dẫn có tính dẫn nhiệt cao, vì vậy chúng thường được dùng để tản nhiệt và cải thiện quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử.
• Chuyển đổi năng lượng nhiệt: Chất bán dẫn có các yếu tố năng lượng nhiệt điện lớn trong các máy phát nhiệt điện. 

1.4 Quá trình doping chất bán dẫn

Quá trình doping chất bán dẫn 

• Độ dẫn của chất bán dẫn có thể dễ dàng được sửa đổi bằng cách đưa tạp chất vào mạng tinh thể của chúng. 
• Quá trình thêm tạp chất được kiểm soát vào chất bán dẫn được gọi là doping. Lượng tạp chất được thêm vào một chất bán dẫn nguyên chất để thay đổi độ dẫn của nó.

1.5 Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

• Vùng hóa trị: vùng có năng lượng thấp nhất, điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
• Vùng dẫn: có mức năng lượng cao nhất, trong đó điện tử sẽ linh động, có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn.
• Vùng trống (vùng cấm): là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. 

1.6 Sự hình thành lớp chuyển tiếp P - N

• Tại lớp chuyển tiếp P – N, có sự khuếch tán electron từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P và khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại P sang bán loại N. 
• Khi electron gặp lỗ trống, chúng liên kết vào một cặp electron và lỗ trống biến mất. Ở lớp chuyển tiếp P – N hình thành lớp nghèo (không có hạt tải điện).

Sự hình thành lớp nghèo 

• Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn N có các ion đôno tích điện dương, ở về phía bán dẫn loại p có các axepto tích điện âm. Điện trở của lớp nghèo rất lớn.
• Dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp P – N chỉ theo một chiều từ P sang N, ta nói lớp chuyển tiếp P – N có tính chất chỉnh lưu.

1.7 Dòng điện trong chất bán dẫn

Silic có 4 electron lớp ngoài cùng 

• Ở điều kiện nhiệt độ thấp xung quanh mỗi nguyên tử silic ở lớp ngoài cùng có 8 electron. Do đó, silic không dẫn điện vì không có hạt tải điện chuyển động.
• Ở nhiệt độ cao, liên kết giữa các nguyên tử silic kém bền vững, electron có thể thoát ra tạo thành electron tự do đồng thời tạo ra lỗ trống.
• Khi một electron đến lấp đầy lỗ trống dẫn đến liên kết mới được hình thành không tạo ra bất kỳ điện tích dư thừa nào. 
• Khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu chất bán dẫn, các electron và lỗ trống sẽ chuyển động thành dòng ngược chiều nhau tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn.

1.8 Tầm quan trọng của chất bán dẫn

• Chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong sản xuất thiết bị và linh kiện điện tử.
• Chất bán dẫn cũng được dùng để chế tạo các transistor trong chip điện tử, dùng để chế tạo linh kiện trong điện thoại, máy tính, xe, máy bay,..
• Hiện nay, chất bán dẫn phổ biến nhất là Silicon (Si) vì giá thành rẻ và dễ tinh chế. Silicon là một chất bán dẫn lý tưởng cho việc dẫn điện, chiếm vị thế vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử hiện đại vì với cấu tạo hoàn hảo của mình. 
• Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêm asen, bo, gali hay phosphor để làm vật liệu bán dẫn dẫn điện tốt trong các transistor, pin mặt trời hay các thiết bị bán dẫn khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử và các ứng dụng kỹ thuật cao. 
• Không những được sử dụng nhiều trong công nghiệp, silic còn là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với cây trồng trong nông nghiệp. 
• Các kết quả nghiên cứu khoa học cho thấy, cây được cung cấp đủ silic thì khả năng tái tạo diệp lục thuận lợi hơn, tăng khả năng quang hợp, khả năng chống chịu với sâu bệnh gây hại, bệnh nấm, cho năng suất cao.

2. Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

2.1 Chất bán dẫn được dùng để sản xuất chip

Chất bán dẫn trong chip điện tử 

• Chất bán dẫn cho phép dòng điện chạy qua đồng thời hoạt động như một chất cách điện nên nó thích hợp để dùng để điều khiển dòng điện. 
• Chip điện tử hoạt động dựa vào cơ chế bật, tắt để tạo ra tín hiệu, vì thế chất bán dẫn thích hợp để tạo ra chip điện tử vì có thể điều khiển dòng điện bật, tắt đúng lúc.
• Chip bán dẫn được làm từ silicon được gắn vào các vi mạch cung cấp năng lượng cho nhiều loại hàng hóa và linh kiện điện tử hiện đại.
• Những con chip này là không thể thiếu trong tất cả các công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo, điện toán lượng tử, mạng không dây tiên tiến, ứng dụng blockchain, 5G, máy bay không người lái, robot, trò chơi và các công nghệ đeo trên người,... 

Trí tuệ nhân tạo trong tương lai 

2.2 Chất bán dẫn trong sản phẩm kỹ thuật số

• Chất bán dẫn được ứng dụng trong điện thoại di động, máy ảnh, TV, máy giặt, tủ lạnh, bóng đèn LED, diode,...  
• Đèn LED sử dụng vật liệu dẫn là nhôm nguyên chất, không chứa các electron tự do dẫn điện. Còn với các vật liệu pha tạp thì sinh ra nhiều electron dẫn điện hơn.
• Chất bán dẫn trong Diode được cấu thành bởi hai bán dẫn P và N được ghép lại với nhau, sự tương tác giữa hai tấm bán dẫn này tạo ra ánh sáng.

Diode bán dẫn tạo ra ánh sáng 

2.3 Chất bán dẫn trong cơ sở hạ tầng xã hội

• Chất bán dẫn cũng đóng một vai trò quan trọng trong các máy ATM, xe lửa, truyền thông và nhiều thiết bị khác trong cơ sở hạ tầng xã hội.
• Trong mạng lưới y tế, chất bán dẫn được sử dụng để cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe người cao tuổi... 

Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống 

2.4 Chất bán dẫn trong linh kiện điện tử

• Chất bán dẫn là những nhân tố cấu thành nên các linh kiện điện tử như transistor, các loại thẻ nhớ, SSD, HDD,…

Chất bán dẫn trong SSD và HDD 

2.5 Chất bán dẫn trong thiết bị điện tử

Hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác của nồi cơm điện

• Nồi cơm điện có thể nấu cơm một cách hoàn hảo là nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác có sử dụng chất bán dẫn. 
• Chất bán dẫn trong bộ phận điều khiển sử dụng rơ le để chuyển đổi chế độ từ nấu sang giữ ấm.

Hệ thống cảm biến nhiệt độ 

Bộ vi xử lý của máy tính

• Bộ vi xử lý của máy tính CPU cũng được làm từ các nguyên liệu chất bán dẫn.

Chất bán dẫn trong CPU 

• Transistor hay tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử.
• Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. 

Linh kiện bán dẫn transistor 

Cảm biến nhiệt độ trong điều hòa không khí

• Chất bán dẫn được ứng dụng trong cảm biến nhiệt độ của điều hòa không khí.
• Cảm biến điều hòa từ chất bán dẫn là một linh kiện rất nhỏ có tác dụng kiểm soát nhiệt độ trên dàn lạnh cũng như nhiệt độ của không khí trong phòng. 
• Điều này giúp thiết bị có khả năng tự động làm mát và ngắt động cơ khi nhiệt phòng đã cài đặt từ trước. 

Trên đây là ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống phổ biến nhất. Chất bán dẫn không được bày bán một cách phổ thông trong các cửa hàng giống như các thiết bị điện. Tuy nhiên, chúng là những nhân tố cấu thành nên các linh kiện điện tử mà chúng ta sử dụng hàng ngày.