Semiconductor là gì? Thuật ngữ mà kỹ sư không thể không biết

Việc làm kỹ thuật

1. Định nghĩa về semiconductor

Semiconductor là một thuật ngữ để chỉ chất bán dẫn hay vật liệu bán dẫn. Một số nơi khác gọi semiconductor là thiết bị bán dẫn. Về bản chất của những thuật ngữ này gần như là giống nhau vì đều thể hiện tính chất bán dẫn như điện trở suất, cấu trúc tinh thể đồng nhất,...

Hiện nay, các kỹ sư vật liệu không chỉ nghiên cứu về tính chất của các vật liệu bán dẫn mà còn sản xuất ra vật liệu bán dẫn theo mong muốn và yêu cầu công việc. Đối với các ngành điện tử, khoa học vật liệu và một số ngành liên quan khác đều cần nắm rõ những vấn đề xoay quanh vật liệu này.

1.1. Cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn

Được hình thành từ vật chất rắn do vậy chất bán dẫn phụ thuộc nhiều vào cấu trúc tinh thể của bản thân nó. Cấu trúc của vật chất rắn có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể và vô định hình. Ở trạng thái tinh thể, các nút mạng được sắp xếp theo trật tự tạo nên cấu trúc khó bị phá vỡ. Còn ở trạng thái vô định hình, các tinh thể sắp xếp hỗn loạn, có nơi tập trung nhiều nút mạng, có nơi tập trung ít nút mạng. Tùy vào từng loại cấu trúc mà tính chất vật liệu bán dẫn cũng khác nhau.

1.1.1. Sự đối xứng của tinh thể

Sự đối xứng của tinh thể được nghiên cứu và sử dụng qua một vài thông số cơ bản sau: mạng tinh thể, chỉ số miller và định luật nhiễu xạ Bragg.

Mạng tinh thể bao gồm các nút mạng được sắp xếp với nhau, trong đó mặt phẳng đi qua các nút mạng gọi là mặt phẳng mạng. Các nút mạng có thể là cùng một nguyên tố hoặc gồm những nguyên tố khác nhau. Mỗi nguyên tố đều ảnh hưởng đến sự đối xứng của tinh thể được thể hiện qua bán kính ion của nguyên tử đó. Mạng tinh thể được chia làm 7 hệ cơ bản và 14 ô mạng Bravais. Các ô mạng cơ sở khác nhau cho phép nút mạng sắp xếp khác nhau.

Chỉ số miller dùng để xác định phương và mặt mạng và được ký hiệu bởi ba thông số h, k, l.

Trong nghiên cứu vật liệu rắn không thể không nhắc tới thuật ngữ nhiễu xạ. Nhiễu xạ được sử dụng để nghiên cứu, quan sát các tính chất của vật liệu rắn thông qua các tia X hoặc tia Laser. Đối với chất bán dẫn, chúng tôi đề cập ở đây một định luật cần thiết đó là định luật nhiễu xạ của Bragg.

1.1.2. Liên kết của tinh thể trong vật liệu bán dẫn

Một số liên kết chủ yếu có thể kể đến đó chính là liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại và liên kết VanderWaals.

Liên kết ion được định nghĩa đơn giản là sự liên kết hóa học giữa các ion trái dấu theo nguyên tắc trái dấu hút nhau, cùng dấu đẩy nhau. Sự khác nhau về điện tích ion có thể khiến các ô mạng bị đẩy ra xa hoặc được hút lại gần nhau.

Liên kết cộng hóa trị là một loại liên kết hóa học khác trong đó các nguyên tử, phân tử sẽ góp chung electron của mình để liên kết với nhau.

Liên kết VanderWaals là liên kết yếu nhất trong các liên kết ở trên nên hầu như gây ít ảnh hưởng. Tuy nhiên trong một số trường hợp cần lưu ý đến liên kết VanderWaals.

Các liên kết trên giúp các nút mạng hút nhau và tạo thành cấu trúc. Nghiên cứu về liên kết sẽ giúp xác định được các nguyên tố nên thêm vào hay loại bỏ.

Xem thêm:  BIM là gì? Ứng dụng của mô hình này trong xây dựng ra sao

1.2. Phân loại các hợp chất bán dẫn

1.2.1. Theo thành phần hóa học

Theo thành phần hóa học thì hợp chất bán dẫn semiconductor có thể được chia làm 4 loại như sau: bán dẫn theo nguyên tố, bán dẫn theo hợp chất, chất bán dẫn vô cơ hoặc hữu cơ.

1.2.2. Theo thông số và tính chất

Theo thông số thông dụng nhất ở đây, timviec365.vn đề cập tới chất bán dẫn theo cấu trúc bao gồm vật liệu bán dẫn đơn và đa tinh thể, chất bán dẫn gốm và vô định hình. Thực chất, cấu trúc gốm cũng là một loại đa tinh thể song chất bán dẫn gốm ở đây là chất bán dẫn được tạo ra theo phương pháp sản xuất gốm.

Ngoài ra có thể dựa vào tính chất và sự phân vùng để phân loại các semiconductor. Các semiconductor này có đặc điểm là chịu được nhiệt độ cao và có thể phát xạ hay hấp thụ các tia có bước sóng ngắn.

1.2.3. Theo lĩnh vực sử dụng

Do tính chịu được nhiệt độ cao nên semiconductor thường được sử dụng nhiều để sản xuất linh kiện hay mạch điện tử. Hơn nữa nó cũng được sử dụng trong lĩnh vực quang điện tử. Một số ngành vật liệu khác như vật liệu nhiệt, vật liệu dẫn và vật liệu có tính chất từ tính.

Tìm hiểu: Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn

2. Tính chất của chất bán dẫn

Tính chất của chất bán dẫn thể hiện ở tính chất động và tính chất quang.

Tạo ra từ trường hay điện trường đã gây nên tính chất động, điển hình là tính chất dẫn điện và dẫn nhiệt. Để chứng minh các tính chất này người ta quan tâm đến thông số gradient nhiệt độ và thông qua các phương trình khác như Boltzmann.

Semiconductor còn tồn tại tính chất quang bao gồm các thông số như chỉ số khúc xạ, chiết suất , các hệ số truyền qua của ánh sáng,... Nghiên cứu quá trình hấp thụ và tái hợp là ưu tiên hàng đầu. Ngoài ra, semiconductor có thể gây nên hiệu ứng quang điện do tính chịu nhiệt độ cao.

Tham khảo: Việc làm kỹ sư cơ khí tại đây!

3. Các cấu trúc phổ biến trong semiconductor

Các linh kiện có tính chất bán dẫn hay được làm từ hợp chất bán dẫn đã tồn tại từ rất nhiều năm nay, khoảng hơn 130 năm. Kèm theo sự phát triển đó, các kỹ sư và nhà nghiên cứu vật liệu đã tạo ra và ứng dụng hơn 60 chủng loại của vật liệu bán dẫn và hơn một trăm phiên bản khác nhau được tạo ra. Các loại bán dẫn trên đều được tạo ra từ cấu trúc của chúng.

Về cơ bản để tạo ra quy mô ứng dụng nhiều như vậy xuất phát từ bốn chủng loại cơ bản, đó là bán dẫn tiếp xúc kim loại, bán dẫn P-N đồng chất và dị chất, vật liệu kết hợp giữa kim loại, chất điện môi và chất bán dẫn. Hầu như các kỹ sư đều được học và biết về các vấn đề này nhất là các kỹ sư cơ điện (kỹ sư MEP) hay kỹ sư HVAC.

Bán dẫn tiếp xúc kim loại là chủng loại đầu tiên được tạo ra cách đây hơn một trăm năm bởi Schottky.

Bán dẫn P-N hay còn gọi là bán dẫn chuyển tiếp P-N hiện nay là chất bán dẫn có cấu trúc cơ bản nhất và xuất hiện trong các vật liệu. Chuyển tiếp P-N là sự chuyển tiếp điện tử giữa phần P và phần N. Điện tử dịch chuyển từ một phần sang phần còn lại, nếu điện tử dịch chuyển từ phần N sang phần P thì sẽ để lại các lỗ trống trong phần N. Khi đó điện tử từ phần P sẽ lại di chuyển sang và lấp đầy lỗ trống bên phần N. Giữa hai phần có màng ranh giới.

Chuyển tiếp dị chất là sự chuyển tiếp giữa hai semiconductor khác nhau khi tiếp xúc với nhau. Sự khác nhau này có thể là về cấu trúc, tính chất,... Cơ chế xảy ra phụ thuộc vào mức năng lượng tiếp xúc vì khi hai vật bán dẫn tiếp xúc với nhau, các nhà nghiên cứu quan sát và phát hiện rằng mức năng lượng giữa chúng có sự thay đổi lớn. Trong trường hợp này, người ta phân thành chuyển tiếp P-N và chuyển tiếp N-P.

Cấu trúc của chất bán dẫn kim loại, điện môi và bán dẫn chủ yếu là SiO2 - là oxit chủ đạo trong ngành vật liệu gốm.

Xem thêm: Revit là gì và tại sao nó lại được ưa chuộng đến như vậy

Khoa học vật liệu là gì

4. Ứng dụng của chất bán dẫn trong đời sống

Không thể phủ nhận tầm quan trọng của chất bán dẫn trong đời sống hiện nay. Sở dĩ ít người có thể biết hoặc hình dung đến chất bán dẫn do chất bán dẫn ít được bày bán công khai. Semiconductor được sử dụng nhiều nhất trong sản xuất vật liệu. Ứng dụng của các semiconductor được sử dụng nhiều trong các cảm biến nhiệt độ như nồi cơm điện, điều hoà. Một số khác trong sản phẩm kỹ thuật số ứng dụng cao như điện thoại, TV, internet,...

Trên đây là toàn bộ vấn đề cơ bản về semiconductor hay còn gọi là chất bán dẫn mà timviec365.vn đã tổng hợp. Chúng tôi hy vọng qua bài viết người đọc có thể hiểu cơ bản semiconductor là gì.

Xem thêm: Làm rõ P&ID là gì và cách đọc thuận miệng đúng quy chuẩn