Linh kiện bán dẫn là gì?
Linh kiện bán dẫn (semiconductor device) là linh kiện điện tử được chế tạo từ vật liệu bán dẫn — vật liệu có điện trở suất nằm giữa kim loại dẫn điện và chất cách điện. Silicon (Si) và Germanium (Ge) là hai vật liệu bán dẫn phổ biến nhất; trong đó Si chiếm hơn 95% ứng dụng thực tế nhờ nguồn nguyên liệu dồi dào, nhiệt độ làm việc cao hơn (đến 150 °C), và quy trình chế tạo chip (CMOS) đã được tối ưu hàng thập kỷ.
Vật liệu bán dẫn — Si và Ge
| Thông số | Silicon (Si) | Germanium (Ge) |
|---|---|---|
| Năng lượng vùng cấm (Eg) | 1,12 eV | 0,67 eV |
| Điện áp phân cực thuận Vf | ~0,6–0,7 V | ~0,2–0,3 V |
| Nhiệt độ làm việc tối đa | ~150 °C | ~75 °C |
| Ứng dụng phổ biến | Mọi IC, MOSFET, IGBT | Diode RF, detector cũ |
Tiếp giáp P-N — nền tảng của mọi linh kiện
Khi pha tạp chất nhóm III (Bo) vào Si ta được vùng P (thừa lỗ trống). Pha tạp chất nhóm V (Phốt-pho, Asen) ta được vùng N (thừa electron). Ghép P-N lại tạo ra tiếp giáp P-N: vùng hiếm (depletion region) xuất hiện, tạo điện trường nội ngăn dòng khuếch tán. Phân cực thuận (anode + > cathode −) phá vỡ hàng rào điện thế → dòng chạy qua. Phân cực ngược → chặn dòng. Đây là nguyên lý cốt lõi của mọi linh kiện bán dẫn.
Phân loại linh kiện bán dẫn
- Diode — 1 tiếp giáp P-N: chỉnh lưu, bảo vệ, phát quang (LED), ổn áp (Zener).
- BJT (Bipolar Junction Transistor) — 2 tiếp giáp P-N: khuếch đại tín hiệu nhỏ, đóng cắt dòng trung bình. BC547, TIP122, 2N3055.
- MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) — điều khiển bằng điện áp cổng Vgs: điện trở thấp, tần số cao, phổ biến trong nguồn xung và motor driver. IRF540N, IRLZ44N.
- IGBT — kết hợp BJT + MOSFET: công suất lớn (600 V–6500 V), dùng trong biến tần, hàn điện, UPS. G4PC50W, FGA25N120.
- Thyristor (SCR, TRIAC, DIAC) — đóng cắt AC công suất lớn: dimmer đèn, điều chỉnh tốc độ động cơ AC.
- Optocoupler — cách ly quang học: PC817, 4N35 dùng trong PLC, mạch cách ly RS-485.
Ứng dụng thực tế
Một bộ nguồn xung (SMPS) 12 V/5 A điển hình sử dụng: diode cầu để chỉnh lưu AC→DC, MOSFET để đóng cắt tần số cao (100 kHz), diode Schottky ở đầu ra để chỉnh lưu phụ, optocoupler để cách ly vòng hồi tiếp. Toàn bộ chuỗi này không có linh kiện bán dẫn nào hoạt động được.