Vì sao khả năng dẫn điện của chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện khác biệt nhau nhiều đến vậy?

Đó là do sự khác nhau trong kết cấu vật chất của chúng. Chúng ta biết rằng, vật chất do nguyên tử hợp thành. Electron trong nguyên tử chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử. Bất luận là chất dẫn điện, chất bán dẫn hay là chất cách điện, bên trong đều có rất nhiều electron. Trong kim loại, lực hút của hạt nhân nguyên tử đối với electron rất yếu ớt, có khá đông electron có thể chuyển động tự do. Cho nên, electron trong kim loại gọi là electron tự do. Một khi có điện trường đặt lên, các electron tự do trong kim loại răm rắp chịu sự chỉ huy của điện trường, đều chuyển động về một hướng. Thế là hình thành nên dòng điện. Nhưng trong chất cách điện, các electron mang điện âm phải chịu sức hút của hạt nhân nguyên tử mang điện dương, không thể tuỳ tiện tách ra, giống như rơi vào một “cái bẫy” vậy. Nếu các electron bị ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử rất mạnh, thì giống như “cái bẫy” rất sâu, chúng không sao “thoát thân” được để trở thành electron tự do, cũng tức là không hình thành nên dòng điện được.

Tình trạng chất bán dẫn nằm ở giữa hai loại hình kể trên. Ở nhiệt độ thấp, electron chịu sự ràng buộc của hạt nhân nguyên tử không thể dẫn điện. Nhưng sự ràng buộc đó yếu hơn một ít so với ảnh hưởng trong chất cách điện. Theo đà lên cao của nhiệt độ, chuyển động của electron mạnh lên. Một bộ phận electron liền có thể giãy thoát khỏi sự ràng buộc, biến thành electron tự do tham gia dẫn điện. Dùng phương pháp rọi sáng cũng có thể cung cấp năng lượng cho electron như vậy. Nhiệt độ càng cao, số electron giãy thoát ràng buộc càng nhiều, khả năng dẫn điện càng mạnh, qua đó mà biến đổi khả năng dẫn điện của chất bán dẫn.

Trộn tạp chất là một biện pháp quan trọng nhất nhằm tăng cường khả năng dẫn điện của chất bán dẫn. Chỉ trộn vào có một phần triệu tạp chất là đã có thể làm cho khả năng dẫn điện của chất bán dẫn được nâng cao gấp hơn một triệu lần. Nguyên tử silic có hoá trị bốn, nếu như trộn vào đó một chút tạp chất photpho (P) hoặc asen (As) v.v. đều có hoá trị năm, chúng thay vào vị trí của một nguyên tử silic thì liền thừa ra một electron. Electron ấy liền tham gia dẫn điện. Loại chất bán dẫn trộn tạp chất như vậy gọi là chất bán dẫn kiểu n. Nếu tạp chất trộn vào là bo hoặc inđi chỉ có hoá trị ba, thì sẽ thiếu đi một electron, thừa ra một lỗ trống mang điện dương.

Chính là cái lỗ trống mang điện dương đó sẽ tham gia dẫn điện. Loại chất bán dẫn trộn tạp chất như vậy gọi là chất bán dẫn kiểu p. Chất bán dẫn kiểu n và kiểu p tiếp xúc nhau hình thành một cái lớp chuyển tiếp p-n. Lợi dụng lớp chuyển tiếp p-n có thể làm thành các linh kiện bán dẫn như điện trở, đèn hai cực, đèn ba cực v.v.

Sử dụng các linh kiện bán dẫn đó để tiến đến chế tạo các loại mạch điện. Có thể thấy rằng, vật liệu bán dẫn giữ một vai trò hết sức quan trọng trong kĩ thuật điện tử.

Từ khoá: Chất dẫn điện; Chất cách điện; Chất bán dẫn; Dẫn điện; Lớp chuyển tiếp p-n; Electron tự do.