Chất bán dẫn và độ dẫn điện

Bây giờ hai khối có cùng kích thước và cùng một nguồn điện. Ta chỉ đổi vật liệu. Điện trở suất là tính chất của vật liệu, cho biết nó cản trở dòng điện nhiều hay ít. Dòng điện là lượng điện tích đi qua một tiết diện trong mỗi giây. Đồng có rất nhiều electron tự do, nên dòng lớn. Silic đioxit là chất cách điện, gần như không có electron tự do, nên dòng nhỏ đến mức xem như bằng không. Điện trở suất càng lớn thì dòng càng nhỏ.

Bây giờ silicon chen vào giữa. Ba khối cùng kích thước, cùng nối vào một nguồn điện, ở khoảng ba trăm ken vin. Trong đồng, dòng lớn nhất. Trong silicon nội tại, dòng nhỏ hơn đồng rất nhiều, nhưng vẫn lớn hơn trong silic đioxit. Trong silic đioxit, dòng nhỏ nhất. Như vậy điện trở suất của silicon nằm giữa đồng và chất cách điện. Trên hình, chấm chạy nhanh hay chậm chỉ là quy ước để thể hiện dòng lớn hay nhỏ, không phải tốc độ trôi thật của electron. Thật ra dòng ở ba vật liệu chênh nhau rất nhiều bậc, chủ yếu vì số hạt tải khác nhau.

Vì sao ba vật liệu lại khác nhau đến vậy? Ta nhìn vào bên trong, lúc này chưa cần nguồn điện. Các vòng tròn là nguyên tử đứng yên trong mạng. Các chấm xanh là electron tự do, có thể chuyển động khắp vật liệu. Ta gọi chúng là hạt tải điện. Đồng có rất nhiều hạt tải. Silicon nội tại chỉ có vài hạt. Silic đioxit gần như không có hạt nào. Hạt tải càng ít thì dòng càng nhỏ.

Ta quay về mạng tinh thể silicon tinh khiết. Mỗi nguyên tử nối với bốn nguyên tử bên cạnh bằng các liên kết, và mỗi liên kết giữ hai electron. Ở nhiệt độ phòng, dao động nhiệt thỉnh thoảng đủ mạnh để bật một electron ra khỏi liên kết. Electron này trở thành electron tự do. Chỗ nó để lại là một lỗ trống. Một cặp electron và lỗ trống ra đời cùng lúc, và cả hai đều có thể mang dòng. Nhưng số cặp như vậy rất ít.

Muốn có nhiều hạt tải hơn, ta thay vài nguyên tử silicon bằng nguyên tử khác ngay lúc chế tạo. Bên trái là phốt pho. Nó thừa một electron so với nhu cầu của các liên kết, nên electron thừa này tự do chuyển động. Bên phải là bo. Nó thiếu một electron, nên để lại một lỗ trống. Hai nguyên tử tạp chất vẫn đứng yên trong mạng. Chỉ electron và lỗ trống mới di chuyển.

Hạt tải là điện tích, nên chịu lực của điện trường. Ta nối nguồn vào hai đầu mỗi khối. Điện trường đi từ cực dương sang cực âm. Trong khối loại nờ, electron mang điện âm nên bị kéo ngược chiều điện trường. Trong khối loại pi, lỗ trống mang điện dương nên bị kéo cùng chiều điện trường. Các nguyên tử tạp chất vẫn đứng yên. Lỗ trống chỉ chạy trong khối loại pi. Tới mép, electron từ dây lấp đầy nó, còn ở mép bên kia một lỗ trống mới được sinh ra. Điện trường càng mạnh, hạt tải càng bị kéo mạnh. Đó là cách điện áp điều khiển hạt tải, và ta sẽ dùng ý này ở các bài sau.