2.1. KHÁI NIỆM, ĐỊNH NGHĨA, TÍNH CHẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN

2.1.1. Khái niệm

• Định nghĩa: Chất bán dẫn (Semiconductor) là những vật liệu có độ dẫn điện nằm trung gian giữa chất dẫn điện (kim loại) và chất cách điện (điện môi).

• Vật liệu điển hình: Silic (Si) và Germani (Ge). Trong đó, Silic được dùng phổ biến nhất trong công nghệ điện tử hiện đại do chịu nhiệt tốt và trữ lượng lớn.

• Cấu trúc nguyên tử: Các nguyên tử bán dẫn nhóm IV có 4 electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Ở trạng thái tinh khiết (bán dẫn tinh khiết), các electron này tạo liên kết cộng hóa trị bền vững với các nguyên tử lân cận.

2.1.2. Các tính chất của chất bán dẫn

1. Tính nhạy nhiệt: Ở nhiệt độ 0 tuyệt đối ($0K$), bán dẫn đóng vai trò là chất cách điện. Khi nhiệt độ tăng, các liên kết bị phá vỡ tạo ra các electron tự do, độ dẫn điện tăng nhanh (điện trở suất giảm).

2. Tính nhạy quang: Khi chiếu ánh sáng có năng lượng phù hợp vào bề mặt bán dẫn, điện trở của nó sẽ giảm mạnh (ứng dụng làm quang điện trở).

3. Tính nhạy tạp chất (Quan trọng nhất): Khi pha trộn một lượng rất nhỏ tạp chất (tỷ lệ $1/10^6$), độ dẫn điện của bán dẫn tăng lên hàng triệu lần.

   • Bán dẫn loại N (Negative): Pha tạp chất nhóm V (như Photpho - P). Nguyên tử tạp chất dư 1 electron $\rightarrow$ Electron là hạt dẫn đa số.

   • Bán dẫn loại P (Positive): Pha tạp chất nhóm III (như Bo - B). Nguyên tử tạp chất thiếu 1 electron tạo ra "Lỗ trống" $\rightarrow$ Lỗ trống là hạt dẫn đa số.

2.2. QUÁ TRÌNH ĐỘNG TRONG CHẤT BÁN DẪN

Trong chất bán dẫn, dòng điện không chỉ là dòng chuyển động của electron mà còn liên quan đến các quá trình vật lý phức tạp:

1. Sự sinh ra và tái hợp:

   • Sự sinh ra: Năng lượng (nhiệt, quang) làm đứt liên kết, tạo ra cặp Electron - Lỗ trống.

   • Sự tái hợp: Một electron tự do gặp một lỗ trống và "rơi" vào đó, làm biến mất cả hai hạt dẫn và giải phóng năng lượng.

2. Sự khuếch tán (Diffusion): Các hạt dẫn chuyển động từ vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng độ thấp (ngay cả khi không có điện trường bên ngoài). Đây là nguyên lý hình thành tiếp giáp P-N.

3. Sự trôi (Drift): Sự chuyển động có hướng của các hạt dẫn dưới tác động của điện trường bên ngoài.

4. Lớp tiếp giáp P-N (Tiền đề của Diode): Khi ghép bán dẫn P và N lại với nhau, hiện tượng khuếch tán xảy ra tại mặt tiếp xúc tạo nên vùng nghèo (vùng cấm). Vùng này chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều.