Chất bán dẫn loại N và Chất Bán dẫn loại P, Chất bán dẫn PN (Tìm hiểu đầy đủ về 3 loại Chất Bán dẫn này)

Ở Chuyên đề này, Bytuong sẽ cùng nhà khoa học/doanh nhân tìm hiểu rõ về 3 loại Chất bán dẫn loại N và Chất bán dẫn loại P, Chất bán dẫn loại kết hợp PN. 3 Loại Chất bán dẫn rất phổ biến và quan trọng.

Đầu tiên là: Chất bán dẫn loại N

Chất bán dẫn loại N là gì? Tại sao lại gọi là Chất bán dẫn kèm thêm chữ N ở phía sau?

Chất bán dẫn Loại N Còn được gọi là chất bán dẫn điện tử. Chất bán dẫn loại N là chất bán dẫn tạp chất trong đó nồng độ electron tự do lớn hơn nhiều so với nồng độ lỗ trống . | Lỗ trống trong chất bán dẫn loại N

>> CHẤT BÁN DẪN LÀ GÌ (2024)? Tìm hiểu đầy đủ về Chất Bán dẫn, ngành bán dẫn. Ứng dụng chất bán dẫn, giai đoạn phát triển Chất bán

Chất bán dẫn là những chất có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện , có thể chia thành chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N tùy theo sự khác biệt về chất mang (hoặc khuyết tật tinh thể ).Độ dẫn của chất bán dẫn có liên quan đến chất mang (khuyết tật tinh thể) . ) có mối quan hệ chặt chẽ với mật độ . Trong chất bán dẫn có hai loại chất mang là lỗ trống trong vùng hóa trị và electron trong vùng dẫn.Chất bán dẫn chủ yếu dẫn điện được gọi là chất bán dẫn loại N. Ngược lại, chất bán dẫn chủ yếu dẫn điện bằng lỗ chất bán dẫn loại P. “N” có nghĩa là điện âm , lấy từ chữ cái đầu tiên của tiếng Anh Phủ định. Trong loại chất bán dẫn này, những chất tham gia dẫn điện (tức là chất mang dẫn điện) chủ yếu là các electron tích điện âm, đến từ các nhà tài trợ trong chất bán dẫn. Bất kỳ chất bán dẫn nào được pha tạp tạp chất cho hoặc có nhiều chất cho hơn chất nhận đều là chất bán dẫn loại N. Ví dụ, các chất bán dẫn như germani hoặc silicon có chứa lượng thích hợp các nguyên tố hóa trị 5 như asen, phốt pho, antimon, v.v..

Vì lượng điện tích dương và điện tích âm trong chất bán dẫn loại N bằng nhau nên chất bán dẫn loại N trung hòa về điện . Các electron tự do chủ yếu được cung cấp bởi các nguyên tử tạp chất và các lỗ trống được hình thành do kích thích nhiệt . Càng kết hợp nhiều tạp chất thì nồng độ polyion ( electron tự do ) càng cao và độ dẫn điện càng mạnh.

Tiếng anh của Chất bán dẫn loại N là: n-type semiconductor

Nguyên tắc (Cách) tạo ra Chất bán dẫn loại N (được tạo ra như thế nào)

Cả sự pha tạp và khuyết tật đều có thể gây ra sự gia tăng nồng độ electron trong vùng dẫn . Đối với vật liệu bán dẫn germani và silicon , các nguyên tố pha tạp Nhóm V (phốt pho, asen, antimon, v.v.), khi các nguyên tử tạp chất thay thế các nguyên tử germani và silicon trong mạng tinh thể theo cách thay thế , có thể cung cấp ngoài việc đáp ứng sự phối hợp liên kết cộng hóa trị. electron, làm tăng nồng độ electron trong vùng dẫn của chất bán dẫn, loại nguyên tử tạp chất này được gọi là chất cho. Các nhà sản xuất chất bán dẫn hỗn hợp Nhóm III-V thường sử dụng các nguyên tố Nhóm IV hoặc Nhóm VI. Một số chất bán dẫn oxit như ZnO , Ta 2 O 5 , v.v. thường thiếu oxy trong tỷ lệ hóa học, những chỗ khuyết oxy này có thể đóng vai trò là chất cho nên loại oxit này thường dẫn điện , tức là N- loại bán dẫn. , gia nhiệt chân không có thể nâng cao hơn nữa mức độ thiếu oxy, biểu hiện ở độ dẫn điện tử mạnh hơn.

Sự phát triển của Chất bán dẫn loại N

Thành phần cơ bản nhất của thiết bị bán dẫn là tiếp giáp PN , tiếp giáp PN có chức năng dẫn thuận và cách điện ngược, do đó, thiết bị bán dẫn thể hiện những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt như tính toán logic, truyền tín hiệu và chuyển đổi năng lượng. Kể từ khi diode bán dẫn đầu tiên ra đời tại Bell Labs vào năm 1947 , chất bán dẫn đã cách mạng hóa hoàn toàn hoạt động sản xuất và lối sống của con người. Xã hội toàn cầu dần bước vào thời đại thông tin từ thời đại điện , và tăng tốc hướng tới kỷ nguyên Internet vạn vật và trí tuệ nhân tạo. . Là cơ sở vật chất cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng mới trong tương lai , ngành bán dẫn vẫn còn đầy tiềm năng phát triển, đặc biệt là các ngành như trí tuệ nhân tạo, truyền thông 5G, phương tiện năng lượng mới và Internet năng lượng đã mang lại những điểm tăng trưởng mới cho sự phát triển của ngành bán dẫn.

Ứng dụng của chất bán dẫn loại N trong thực tiễn

(1) Đối với đèn LED

Kể từ khi ra đời vào những năm 1960, đèn LED đã được coi là sự kết thúc của các thiết bị chiếu sáng như ống huỳnh quang, bóng đèn, thậm chí có người còn tin rằng đèn LED sẽ mở ra một kỷ nguyên chiếu sáng mới và cuối cùng sẽ xuất hiện trong mọi dịp cần đến ánh sáng. Nguyên lý hoạt động của đèn LED hoàn toàn khác với các loại đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang thông thường hiện nay, đèn LED thực chất là một thiết bị bán dẫn.

Phần cốt lõi của đèn LED là một tấm wafer bao gồm chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N. Một lớp mỏng có đặc tính dẫn điện đặc biệt sẽ xuất hiện ở giao diện của chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N, thường được gọi là PN Junction. Linh kiện bán dẫn). Điểm nối PN có thể tạo ra lực cản đối với chuyển động khuếch tán của các hạt tải điện đa số trong chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N. Khi đặt một điện áp thuận vào điểm nối PN, dòng điện sẽ chạy từ cực dương đến cực âm của đèn LED, trong khi ở phía tiếp giáp PN. Điểm nối PN các sóng mang thiểu số tương tác với Hầu hết các sóng mang kết hợp lại và năng lượng dư thừa được chuyển thành ánh sáng và giải phóng. LED thực hiện việc chuyển đổi ánh sáng quang điện dựa trên nguyên tắc này. Tùy thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu bán dẫn, đèn LED có thể phát ra ánh sáng ở các dải bước sóng và màu sắc khác nhau từ tia cực tím đến hồng ngoại.

Nếu một lượng vết của các nguyên tố hóa trị năm như phốt pho, antimon và asen được thêm vào vật liệu bán dẫn như silicon hoặc germanium, nó sẽ trở thành chất bán dẫn chủ yếu dẫn điện tử, nghĩa là chất bán dẫn loại N. Trong chất bán dẫn loại N, các electron (tích điện âm) được gọi là hạt tải điện đa số; lỗ trống (tích điện dương) được gọi là hạt tải điện thiểu số.

(2) Ứng dụng trong cặp nhiệt điện bán dẫn

Điện lạnh nhiệt điện là ứng dụng của hiệu ứng nhiệt điện, chủ yếu là hiệu ứng Peltier, trong công nghệ làm lạnh. Các thiết bị làm lạnh nhiệt điện thực tế bao gồm các cặp nhiệt điện bán dẫn có hiệu ứng nhiệt điện đáng kể và hiệu suất làm lạnh nhiệt điện cao.

Cặp nhiệt điện bán dẫn bao gồm chất bán dẫn loại N và chất bán dẫn loại P. Vật liệu loại N có dư electron và có thế nhiệt điện âm. Vật liệu loại P thiếu electron và có thế năng nhiệt điện dương, khi các electron đi qua nút từ loại P sang loại N, nhiệt độ của nút giảm và năng lượng của nó phải tăng lên và năng lượng tăng lên tương đương với năng lượng được tiêu thụ bởi nút. Ngược lại, khi các electron di chuyển từ vật liệu loại N sang vật liệu loại P, nhiệt độ của mối nối sẽ tăng lên.

Mạch cặp nhiệt điện tiếp xúc trực tiếp không có sẵn trong các ứng dụng thực tế nên phương pháp kết nối trong hình bên dưới được sử dụng thay thế. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng việc đưa vật liệu thứ ba (mảnh và dây nối bằng đồng) vào mạch chênh lệch nhiệt độ sẽ không làm thay đổi đặc tính của mạch mạch.

Bằng cách này, các thành phần bán dẫn có thể sử dụng nhiều phương thức kết nối khác nhau để đáp ứng yêu cầu của người dùng. Khi một thành phần bán dẫn loại P và một thành phần bán dẫn loại N được kết nối để tạo thành một cặp nhiệt điện và nguồn điện một chiều được kết nối, sự chênh lệch nhiệt độ và truyền nhiệt sẽ xảy ra ở khớp.

Ở khớp trên, dòng điện có chiều từ N đến P, nhiệt độ giảm xuống và nhiệt được hấp thụ là đầu lạnh; còn ở khớp dưới, dòng điện có chiều từ P đến N, nhiệt độ tăng lên và nhiệt thoát ra , vậy là kết thúc nhiệt.

Như thể hiện trong hình, một số cặp nhiệt điện bán dẫn được mắc nối tiếp trên mạch và song song để truyền nhiệt, tạo thành một nhiệt điện làm lạnh thông thường. Sau khi nối nguồn điện một chiều như hình, mặt trên của pin nhiệt điện là đầu lạnh và phía dưới là đầu nóng. Với sự trợ giúp của nhiều phương pháp tản nhiệt khác nhau như bộ tản nhiệt bằng nhôm, đầu nóng của nhiệt điện liên tục tản nhiệt và duy trì nhiệt độ nhất định, đầu lạnh của nhiệt điện được đặt trong môi trường làm việc để hấp thụ nhiệt và làm mát.Đây là nguyên lý làm việc của máy làm mát nhiệt điện.

Chất bán dẫn loại P là gì? Chất bán dẫn loại Lỗ

Chất bán dẫn loại P hay còn gọi là chất bán dẫn loại lỗ. Chất bán dẫn loại P là chất bán dẫn tạp chất trong đó nồng độ lỗ trống lớn hơn nhiều so với nồng độ electron tự do. Chất bán dẫn loại P được hình thành bằng cách pha tạp các nguyên tố hóa trị ba (như boron) vào tinh thể silicon nguyên chất để thay thế vị trí của các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể. Trong chất bán dẫn loại P, lỗ trống là hạt tải điện đa số và electron tự do là hạt tải điện thiểu số và lỗ trống là hạt dẫn điện chính. Càng có nhiều tạp chất thì nồng độ electron (lỗ trống) càng cao và độ dẫn điện càng mạnh.

Pha tạp các nguyên tố hóa trị ba (chẳng hạn như boron) vào tinh thể silicon nguyên chất sẽ thay thế vị trí của các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể .

Điều này tạo thành một chất bán dẫn loại P. Trong chất bán dẫn loại P, lỗ trống là hạt tải điện đa số và electron tự do là hạt tải điện thiểu số và lỗ trống là hạt dẫn điện chính . Càng có nhiều tạp chất thì nồng độ electron (lỗ trống) càng cao và độ dẫn điện càng mạnh.

Đặc điểm/đặc trưng chất bán dẫn loại P

Càng có nhiều tạp chất thì nồng độ electron ( lỗ trống và độ dẫn điện càng mạnh.

Chất bán dẫn loại P được tạo ra và hình thành như thế nào?

Chất bán dẫn loại P được hình thành bằng cách pha tạp các nguyên tố hóa trị ba (chẳng hạn như boron) vào tinh thể silicon nguyên chất để thay thế vị trí của các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể . Trong chất bán dẫn loại P, lỗ trống là hạt tải điện đa số, electron tự do là hạt tải điện thiểu số và lỗ trống là hạt dẫn điện chính. Vì lượng điện tích dương và điện tích âm trong chất bán dẫn loại P bằng nhau nên chất bán dẫn trung hòa về điện. Các lỗ trống chủ yếu được tạo ra bởi các nguyên tử tạp chất và các electron tự do được hình thành do kích thích nhiệt.

Chất bán dẫn loại PN

Chất bán dẫn kết hợp PN được làm từ chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p thông qua pha tạp. Khi các electron và lỗ trống ở cả hai phía của mối nối PN gặp nhau trong mối nối, sự tái hợp sẽ xảy ra. Các electron và lỗ trống do quá trình tái hợp tạo ra cũng sẽ tạo ra sự tái hợp mới, hiệu ứng này sẽ được truyền vào bên trong tiếp giáp PN, tạo thành dòng điện không cân bằng, là dòng điện thuận trong chip. Các mối nối PN được sử dụng rộng rãi trong các bộ chỉnh lưu máy phát điện, các bộ điều chỉnh điện áp, máy biến áp, thiết bị quang điện tử và các công nghệ khác.

Thị trường ngành Bán dẫn năm 2024 qua các số liệu về thị trường ngành máy tính, điện thoại, chip ai, xe năng lượng mới

Thị trường sẽ phát triển

Nghiên cứu của International Data Corporation cho thấy doanh thu bán dẫn toàn cầu sẽ giảm 12,0% so với cùng kỳ năm 2023 xuống còn 526,5 tỷ USD, nhưng cao hơn mức dự báo 519 tỷ USD mà cơ quan này đưa ra vào tháng 9. Dự kiến ​​sẽ tăng trưởng 20,2% so với cùng kỳ năm 2024, đạt 633 tỷ USD, cao hơn dự báo trước đó là 626 tỷ USD.

Với sự hỗ trợ của việc trao quyền cho AI và đổi mới thiết bị đầu cuối , lĩnh vực điện tử (Bán dẫn) dự kiến ​​sẽ bước vào con đường thịnh vượng trở lại vào năm 2024 và điện khí hóa sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của nội dung bán dẫn trong tương lai.

Về mặt đổi mới thiết bị đầu cuối , sự phục hồi của PC, ô tô, điện thoại di động và các ngành công nghiệp, ô tô lái xe thông minh AI PC, điện thoại di động AI, v.v. dự kiến ​​sẽ thúc đẩy nhu cầu của người tiêu dùng, từ đó thúc đẩy sự phát triển của các chuỗi cung ứng liên quan. Về mặt trao quyền cho AI , AIGC đã tạo ra một cuộc cách mạng trong mô hình tạo nội dung. Nhu cầu về sức mạnh tính toán rất lớn. HBM, GPU, v.v. đang thiếu hụt. Kho lưu trữ, sức mạnh tính toán trong nước và các quy trình tiên tiến tương ứng và bao bì tiên tiến có được hưởng lợi. Hiện tại, hàng tồn kho chất bán dẫn tiếp tục cạn kiệt và một số lĩnh vực như CIS và lưu trữ đã chạm đáy, cho thấy nhu cầu dự kiến ​​sẽ tăng vào năm 2024.

Tóm lại, điều đáng chú ý là: các phân khúc thị trường liên quan Chất bán dẫn/ngành bán dẫn sẽ có đà tăng trưởng hoặc khởi sắc vào năm 2024 là điện thoại thông minh, máy chủ, ô tô, máy tính cá nhân và thị trường AI .

điện thoại thông minh (lĩnh vực ứng dụng chất bán dẫn)

Sau gần ba năm trì trệ, lượng xuất xưởng trên thị trường điện thoại thông minh toàn cầu đạt 1,15 tỷ chiếc vào năm 2023, giảm 4,7% so với cùng kỳ năm trước.Thị trường điện thoại thông minh cuối cùng đã bắt đầu lấy lại đà vào quý 3 năm 2023 .

Nghiên cứu của Counterpoint cho thấy sau khi doanh số bán điện thoại thông minh toàn cầu giảm trong 27 tháng liên tiếp so với cùng kỳ năm ngoái, số lượng giao dịch bán hàng lần đầu vào tháng 10 năm 2023 đã tăng 5% so với cùng kỳ năm ngoái. Các tổ chức nghiên cứu thị trường bên thứ ba như IDC dự đoán rằng thị trường điện thoại thông minh toàn cầu có thể trở lại đúng hướng tăng trưởng vào năm 2024, với số lượng điện thoại thông minh xuất xưởng trên toàn cầu tăng 4,5% so với cùng kỳ năm ngoái.

máy tính cá nhân (lĩnh vực sử dụng chất bán dẫn quan trọng)

Theo ước tính mới nhất của TrendForce, lô hàng máy tính xách tay toàn cầu sẽ đạt 167 triệu chiếc vào năm 2023, giảm 10,2% so với cùng kỳ năm ngoái. Tuy nhiên, khi áp lực tồn kho giảm bớt, thị trường toàn cầu dự kiến ​​sẽ quay trở lại chu kỳ cung cầu lành mạnh vào năm 2024. Tổng lượng xuất xưởng trên thị trường máy tính xách tay dự kiến ​​sẽ đạt 172 triệu chiếc vào năm 2024, tăng hàng năm 3,2%. Động lực tăng trưởng chính đến từ nhu cầu thay thế trong thị trường kinh doanh thiết bị đầu cuối và sự mở rộng của máy tính xách tay chơi game và Chromebook.

Máy chủ và trung tâm dữ liệu (Lĩnh vực đặc biệt cần chất bán dẫn)

Trendforce ước tính rằng các máy chủ AI (bao gồm cả những máy chủ được trang bị FPGA, GPU, ASIC, v.v.) sẽ được xuất xưởng hơn 1,2 triệu chiếc vào năm 2023, với tốc độ tăng trưởng hàng năm là 37%, chiếm 9% tổng số lô hàng máy chủ và sẽ tăng hơn 1% vào năm 2024. 38% và máy chủ AI sẽ chiếm hơn 12%.

Khi chatbot, AI tổng hợp, v.v. phát triển trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, các nhà cung cấp giải pháp đám mây như Google, Microsoft và Amazon đã tăng cường đầu tư vào AI, thúc đẩy nhu cầu về máy chủ AI .

Xe năng lượng mới (không thể thiếu chất bán dẫn)

Khi xu hướng bốn hiện đại hóa mới tiếp tục phát triển, nhu cầu về chip trong ô tô tiếp tục tăng .

Từ điều khiển hệ thống điện cơ bản đến công nghệ không người lái, hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến và hệ thống giải trí trên ô tô, tất cả đều phụ thuộc rất nhiều vào chip điện tử. Dữ liệu do Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Trung Quốc cung cấp cho thấy số lượng chip ô tô cần thiết cho xe sử dụng nhiên liệu truyền thống là 600 đến 700, trong khi số lượng chip ô tô cần cho xe điện sẽ tăng lên 1.600 mỗi chiếc. ô tô thông minh dự kiến ​​có thể tăng lên 3.000 chiếc/xe.

chip AI (không thể phát triển nếu không có chất bán dẫn)

Một số tổ chức dự đoán thị trường chip dùng để thực hiện trí tuệ nhân tạo đang tăng trưởng với tốc độ hơn 20% mỗi năm. Quy mô thị trường chip AI sẽ đạt 53,4 tỷ USD vào năm 2023, tăng 20,9% so với năm 2022 và sẽ tăng 25,6% vào năm 2024, đạt 67,1 tỷ USD. Đến năm 2027, doanh thu chip AI dự kiến ​​sẽ tăng hơn gấp đôi thị trường năm 2023, đạt 119,4 tỷ USD.

Các nhà phân tích của Gartner chỉ ra rằng trong tương lai, việc triển khai quy mô lớn các chip AI tùy chỉnh sẽ thay thế kiến ​​trúc chip thống trị hiện tại và có thể thích ứng với nhiều khối lượng công việc dựa trên AI khác nhau, đặc biệt là các khối lượng công việc dựa trên công nghệ AI tổng hợp .

AI đã được sử dụng trong suốt năm 2023 và nó vẫn sẽ trở thành một từ khóa quan trọng vào năm 2024.