เครื่องใช้ไฟฟ้าพื้นฐาน - อุปกรณ์กึ่งตัวนำ

ก semiconductorเป็นสารที่มีความต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน คุณสมบัติของความต้านทานไม่ได้เป็นเพียงสิ่งเดียวที่ตัดสินว่าวัสดุเป็นเซมิคอนดักเตอร์ แต่มีคุณสมบัติบางประการดังนี้

• สารกึ่งตัวนำมีค่าความต้านทานซึ่งน้อยกว่าฉนวนและมากกว่าตัวนำ

• สารกึ่งตัวนำมีอุณหภูมิติดลบร่วม ความต้านทานในเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้นตามการลดลงของอุณหภูมิและในทางกลับกัน

• คุณสมบัติการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะเปลี่ยนไปเมื่อมีการเติมสารเจือปนของโลหะที่เหมาะสมซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญมาก

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในด้านอิเล็กทรอนิกส์ ทรานซิสเตอร์ได้เข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศขนาดใหญ่ซึ่งขนาดและต้นทุนของอุปกรณ์ลดลงและการปฏิวัตินี้ยังคงเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนนำไปสู่สิ่งประดิษฐ์ใหม่ ๆ เช่นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในตัว ภาพประกอบต่อไปนี้แสดงการจำแนกประเภทของเซมิคอนดักเตอร์

การนำในสารกึ่งตัวนำ

หลังจากมีความรู้เกี่ยวกับอิเล็กตรอนแล้วเราก็มารู้ว่าเปลือกนอกสุดมี valence electronsซึ่งติดแน่นกับนิวเคลียส อะตอมดังกล่าวมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเมื่อนำเข้าใกล้อะตอมอื่นเวเลนซ์อิเล็กตรอนของทั้งสองอะตอมนี้รวมกันเป็น“Electron pairs”. พันธะนี้ไม่แข็งแรงมากนักและด้วยเหตุนี้จึงเป็นCovalent bond.

ตัวอย่างเช่นอะตอมเจอร์เมเนียมมี 32 อิเล็กตรอน 2 อิเล็กตรอนในวงโคจรแรก 8 ในวงโคจรที่สอง 18 ในวงโคจรที่สามขณะที่ 4 ในวงโคจรสุดท้าย อิเล็กตรอน 4 ตัวนี้เป็นเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมเจอร์เมเนียม อิเล็กตรอนเหล่านี้มักจะรวมตัวกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอนดังแสดงในรูปต่อไปนี้

การสร้างรู

เนื่องจากพลังงานความร้อนที่จ่ายให้กับคริสตัลอิเล็กตรอนบางตัวจึงมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ออกจากที่ของมันและทำลายพันธะโควาเลนต์ พันธะโควาเลนต์ที่หักเหล่านี้ส่งผลให้อิเล็กตรอนอิสระเดินไปมาแบบสุ่ม แต่moved away electrons สร้างพื้นที่ว่างหรือความจุด้านหลังซึ่งเรียกว่าเป็น hole.

หลุมนี้ซึ่งแสดงถึงอิเล็กตรอนที่หายไปถือได้ว่าเป็นหน่วยประจุบวกในขณะที่อิเล็กตรอนถือเป็นหน่วยประจุลบ อิเล็กตรอนที่ได้รับการปลดปล่อยจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม แต่เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอกบางส่วนอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามที่ใช้ แต่หลุมที่สร้างขึ้นเนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางของสนามที่ใช้

รูปัจจุบัน

เป็นที่เข้าใจกันดีอยู่แล้วว่าเมื่อพันธะโคเวเลนต์ขาดจะมีการสร้างรูขึ้น ที่จริงแล้วคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์มีแนวโน้มที่ดีในการสร้างพันธะโคเวเลนต์ ดังนั้นหลุมมักจะไม่มีอยู่ในคริสตัล สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้ดีขึ้นจากรูปต่อไปนี้แสดงโครงตาข่ายคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์

อิเล็กตรอนเมื่อถูกย้ายจากที่ A จะเกิดรู เนื่องจากแนวโน้มในการก่อตัวของพันธะโคเวเลนต์อิเล็กตรอนจาก B จะถูกเปลี่ยนไปเป็น A ในตอนนี้อีกครั้งเพื่อปรับสมดุลของพันธะโคเวเลนต์ที่ B อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจาก C ไปเป็น B ซึ่งจะสร้างเส้นทางต่อไป การเคลื่อนที่ของรูในกรณีที่ไม่มีฟิลด์ที่ใช้นี้เป็นแบบสุ่ม แต่เมื่อใช้สนามไฟฟ้าหลุมจะลอยไปตามสนามที่ใช้ซึ่งถือว่าเป็นhole current. สิ่งนี้เรียกว่าเป็นกระแสรู แต่ไม่ใช่กระแสอิเล็กตรอนเนื่องจากการเคลื่อนที่ของรูทำให้เกิดการไหลของกระแส

อิเล็กตรอนและโฮลขณะเคลื่อนที่แบบสุ่มอาจพบกันเพื่อสร้างคู่ การรวมตัวกันใหม่นี้ส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยความร้อนซึ่งจะทำลายพันธะโคเวเลนต์อื่น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอัตราการสร้างอิเล็กตรอนและโฮลจะเพิ่มขึ้นดังนั้นอัตราการรวมตัวกันใหม่จึงเพิ่มขึ้นซึ่งส่งผลให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและโฮลเพิ่มขึ้น เป็นผลให้การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้นและความต้านทานลดลงซึ่งหมายถึงค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ

Intrinsic Semiconductors

สารกึ่งตัวนำในรูปแบบที่บริสุทธิ์มากกล่าวกันว่าเป็น intrinsic semiconductor. คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นี้มีดังนี้ -

• อิเล็กตรอนและโฮลถูกสร้างขึ้นโดยการกระตุ้นด้วยความร้อนเท่านั้น
• จำนวนอิเล็กตรอนอิสระเท่ากับจำนวนโฮล
• ความสามารถในการนำไฟฟ้ามีขนาดเล็กที่อุณหภูมิห้อง

เพื่อเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ภายในควรเพิ่มสิ่งสกปรกบางอย่าง กระบวนการเพิ่มสิ่งสกปรกนี้เรียกว่าDoping. ตอนนี้สารกึ่งตัวนำที่เจือปนอยู่ภายในนี้เรียกว่า Extrinsic Semiconductor

ยาสลบ

กระบวนการเพิ่มสิ่งสกปรกลงในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เรียกว่ายาสลบ สิ่งเจือปนที่เพิ่มเข้ามาโดยทั่วไปมักเป็นสิ่งเจือปนที่เป็นเพนทาวาเลนต์และไตรวาเลนต์

Pentavalent Impurities

• pentavalentสิ่งสกปรกคือสิ่งที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวในวงโคจรด้านนอกสุด ตัวอย่าง: บิสมัทพลวงสารหนูฟอสฟอรัส

• อะตอมเพนทาวาเลนต์เรียกว่า a donor atom เนื่องจากมันบริจาคอิเล็กตรอนหนึ่งตัวให้กับแถบการนำของอะตอมเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์

Trivalent Impurities

• trivalentสิ่งสกปรกคือสิ่งที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสามตัวในวงโคจรนอกสุด ตัวอย่าง: แกลเลียมอินเดียมอะลูมิเนียมโบรอน

• อะตอมของ trivalent เรียกว่าเป็น acceptor atom เพราะรับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจากอะตอมของสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำภายนอก

สารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์ซึ่งเกิดจากการเติมสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์เรียกว่าเป็น extrinsic semiconductor. เซมิคอนดักเตอร์ภายนอกมีสองประเภทขึ้นอยู่กับประเภทของสิ่งเจือปนที่เพิ่มเข้ามา เป็นเซมิคอนดักเตอร์ภายนอกชนิด N และสารกึ่งตัวนำภายนอกชนิด P

N-Type Extrinsic Semiconductor

สารเจือปนเพนทาวาเลนต์จำนวนเล็กน้อยจะถูกเพิ่มเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์เพื่อส่งผลให้สารกึ่งตัวนำ Ntype ภายนอก สิ่งเจือปนที่เพิ่มขึ้นมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว

ตัวอย่างเช่นถ้าอะตอมของอาร์เซนิกถูกเพิ่มเข้าไปในอะตอมเจอร์เมเนียมเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัวจะติดกับอะตอม Ge ในขณะที่อิเล็กตรอนตัวหนึ่งยังคงเป็นอิเล็กตรอนอิสระ ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดนี้เป็นกระแสอิเล็กตรอน ดังนั้นสิ่งเจือปนเมื่อเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์จึงให้อิเล็กตรอนสำหรับการนำ

• ในเซมิคอนดักเตอร์ภายนอกชนิด N เนื่องจากการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านอิเล็กตรอนอิเล็กตรอนเป็นพาหะส่วนใหญ่และรูเป็นพาหะของชนกลุ่มน้อย

• เนื่องจากไม่มีการเติมประจุบวกหรือลบอิเล็กตรอนจึงเป็นกลางทางไฟฟ้า

• เมื่อสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับสารกึ่งตัวนำชนิด N ซึ่งมีการเติมสารเจือปนเพนทาวาเลนต์อิเล็กตรอนอิสระจะเดินทางไปยังขั้วบวก สิ่งนี้เรียกว่าเป็นค่าการนำไฟฟ้าเชิงลบหรือชนิด N

P-Type Extrinsic Semiconductor

สารเจือปนไตรวาเลนท์จำนวนเล็กน้อยจะถูกเพิ่มเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์เพื่อส่งผลให้สารกึ่งตัวนำภายนอกชนิด P สิ่งเจือปนที่เพิ่มขึ้นมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว ตัวอย่างเช่นถ้าอะตอมของโบรอนถูกเพิ่มเข้าไปในอะตอมเจอร์เมเนียมเวเลนซ์อิเล็กตรอนสามตัวจะติดกับอะตอม Ge เพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์สามพันธะ แต่อิเล็กตรอนอีกหนึ่งตัวในเจอร์เมเนียมยังคงอยู่โดยไม่สร้างพันธะใด ๆ เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนในโบรอนเหลืออยู่ในการสร้างพันธะโคเวเลนต์จึงถือว่าช่องว่างเป็นรู ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

การเจือปนของโบรอนเมื่อเติมเข้าไปในปริมาณเล็กน้อยจะมีรูจำนวนมากซึ่งช่วยในการนำ รูทั้งหมดนี้เป็นรูปัจจุบัน

• ในเซมิคอนดักเตอร์ภายนอกชนิด P เนื่องจากการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านรูหลุมเป็นพาหะส่วนใหญ่ในขณะที่อิเล็กตรอนเป็นพาหะของชนกลุ่มน้อย

• สิ่งเจือปนที่เพิ่มในที่นี้จะให้รูที่เรียกว่า acceptorsเพราะพวกมันรับอิเล็กตรอนจากอะตอมเจอร์เมเนียม

• เนื่องจากจำนวนรูเคลื่อนที่ยังคงเท่ากับจำนวนตัวรับสารกึ่งตัวนำ Ptype จึงยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้า

• เมื่อสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P ซึ่งมีการเติมสารเจือปนเล็กน้อยรูจะเคลื่อนที่ไปทางอิเล็กโทรดลบ แต่ด้วยความเร็วที่ช้ากว่าอิเล็กตรอน เรียกว่าเป็นการนำไฟฟ้าชนิด P

• ในการนำไฟฟ้าชนิด P นี้เวเลนซ์อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากพันธะโควาเลนต์หนึ่งไปยังอีกพันธะหนึ่งซึ่งแตกต่างจาก N-type

ทำไมซิลิคอนจึงเป็นที่ต้องการในเซมิคอนดักเตอร์

ในบรรดาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เช่นเจอร์เมเนียมและซิลิกอนวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ได้แก่ Silicon (Si). ซิลิคอนเป็นที่ต้องการมากกว่าเจอร์เมเนียมด้วยเหตุผลหลายประการเช่น -

• ช่องว่างแถบพลังงานคือ 0.7ev ในขณะที่ 0.2ev สำหรับเจอร์เมเนียม

• การสร้างคู่ความร้อนมีขนาดเล็กลง

• การก่อตัวของชั้น SiO2 นั้นง่ายสำหรับซิลิกอนซึ่งช่วยในการผลิตชิ้นส่วนจำนวนมากพร้อมกับเทคโนโลยีการรวมเข้าด้วยกัน

• ศรีพบได้ง่ายในธรรมชาติกว่า Ge

• เสียงรบกวนในส่วนประกอบที่ประกอบด้วย Si น้อยกว่าใน Ge

ดังนั้นซิลิคอนจึงถูกใช้ในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากซึ่งใช้ในการสร้างวงจรที่แตกต่างกันเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ ส่วนประกอบเหล่านี้มีคุณสมบัติเฉพาะและการใช้งานเฉพาะ

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์หลัก ได้แก่ - ตัวต้านทาน, ตัวต้านทานตัวแปร, ตัวเก็บประจุ, ตัวเก็บประจุแบบแปรผัน, ตัวเหนี่ยวนำ, ไดโอด, ไดโอดอุโมงค์, ไดโอด Varactor, ทรานซิสเตอร์, BJTs, UJTs, FETs, MOSFETs, LDR, LED, เซลล์แสงอาทิตย์, เทอร์มิสเตอร์, Varistor, Transformer, สวิตช์ , รีเลย์ ฯลฯ