สารกึ่งตัวนำ (3) End

สารกึ่งตัวนำ (3) End

5. ประโยชน์ของสารกึ่งตัวนำ

       5.1 ไดโอด

               ไดโอดซึ่งทำจากสารกึ่งตัวนำที่มีหัวต่อ PN หนึ่งหัวต่อ ความต้านทานไฟฟ้าของไดโอดนี้จะมี

                     -    ค่าสูงในทิศทางย้อน

                     -    ค่าต่ำในทิศทางตาม

                เมื่อป้อนแรงดันไฟสลับให้ไดโอดด้วยคุณสมบัติข้างต้น กระแสไฟฟ้าจะไหลได้ในทิศทางตามเท่านั้น ไดโอดจึงสามารถตัดกระแสไฟฟ้าได้

                เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าในทิศทางตาม กระแสไฟฟ้าในทิศทางตามจะเริ่มไหลที่ค่าแรงดันไฟฟ้าค่าหนึ่ง เรียกว่า แรงดันแพร่ซึม ซึ่งมีค่าเฉพาะ (เจอเมเนียมมีค่า 0.3 ~ 0.4 โวลต์ ซิลิ คอนมีค่า 0.7 ~ 0.8 โวลต์)

                กระแสไฟฟ้าในทิศทางย้อนมีค่า 1 ส่วนใน 10⁷ ของกระแสไฟฟ้าในทิศทางตาม จึงมีค่าน้อยมาก แต่ไม่ถึงกับเป็นศูนย์ เหตุผลเพราะ ในเนื้อสารส่วนที่เป็น P ยังมีอิเล็กตรอน และในเนื้อสารส่วนที่เป็น N ยังมีโฮล พาหะเหล่านี้ยังทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้โดยเคลื่อนที่ผ่านจุดบกพร่องที่มีอยู่ในข่ายผลึกของอะตอม อุณหภูมิยังมีผลต่อกระแสไฟฟ้าในทิศทางย้อนได้ กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าจะมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

                เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับทิศ (สวิชชิ่ง) จากทิศทางตามเป็นทิศทางย้อน จะเกิดความช้าในการ เปลี่ยนทิศขึ้น เนื่องจากกว่าที่พาหะในหัวต่อ PN จะหายไปหมดต้องใช้เวลาบ้างนั่นเอง ปรกติ สวิชชิ่งไดโอดจะมีค่าเวลานี้ประมาณ 10^-8 ~10^-9วินาที ซึ่งมีค่าที่น้อยมาก

ภาพประกอบที่ 12 แสดงค่ากระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าในทิศตามและย้อน

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor27.jpg

                ไดโอดมีหลายชนิดแล้วแต่การใช้งาน เฉพาะที่แตกต่างกัน เช่น

-          ซีนเนอร์ไดโอด (ใช้ควบคุมเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้า)

-          วาแรคเตอร์ไดโอด (ใช้ปรับความถี่)

-          ชอตกี้ไดโอด (การสวิตชิ่งที่มีความเร็วสูง)

                นอกจากนี้ยังมีไดโอดที่ใช้งานย่านความถี่ ไมโครเวฟ เช่น

-          ทันแนลไดโอด

-          อิมแพทไดโอด (ใช้ในการกำเนิดและ ขยายสัญญาณไมโครเวฟ)

-          กันน์ไดโอด

          5.2 โฟโตไดโอด

                 โฟโตไดโอด คือ สิ่งประดิษฐ์รับแสงที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ จะเปลี่ยนสัญญาณแสงให้เป็น สัญญาณไฟฟ้า เมื่อแสงตกกระทบอิเล็กตรอนที่ยึดติดอยู่กับอะตอมในข่ายผลึกจะแตกหลุด เกิดเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และโฮลอิสระขึ้น อิเล็กตรอน และโฮลเหล่านี้จะเคลื่อนที่เข้าไปในเขตปลอดพาหะ เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าย้อนด้วยปริมาณที่แปรเปลี่ยนตามความเข้มแสง เรียกว่า กระแสโฟโต

ภาพประกอบที่ 13 แสดงโฟโตไดโอด

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor28.jpg

                 โฟโตไดโอดใช้ประโยชน์ในงาน
                        - วัดความเข้มแสง
                        - ชัตเตอร์แสง
                        - กำหนดตำแหน่งของเครื่องมือกล
                        - การวัดระยะทางไกลด้วยแสงอินฟาเรด
                        - ตรวจจับสัญญาณแสงที่ความถี่สูง

       5.3  โฟโตทรานซิสเตอร์

                 โฟโตทรานซิสเตอร์ คือ โฟโตไดโอดที่มีการขยายสัญญาณ โดยใช้หัวต่อ PN ที่ประกอบด้วยส่วนที่เป็นเบส และคอลเลคเตอร์ เป็นที่รับแสง กระแสโฟโตที่เกิดขึ้นจะไหลไปอีมิตเตอร์ เนื่องด้วยปรากฏการณ์ทรานซิสเตอร์กระแสอีมิตเตอร์ จะมีขนาดเป็นประมาณ 500 เท่าของกระแสโฟโตที่เกิดขึ้นในตอนแรกเมื่อถูกแสง

                  โฟโตทรานซิสเตอร์ใช้ประโยชน์ในงาน
                        - เครื่องควบคุมแสง
                        - ตรวจสอบแผ่นการ์ดหรือเทปเจาะรู
                        - ตัวเชื่อมแสงกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ภาพประกอบที่ 14 แสดงโฟโตทรานซิสเตอร์

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor29.jpg

         5.4  เซลล์แสงอาทิตย์

              

               เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานเหมือนโฟโตไดโอด เมื่อมีแสงตกกระทบจะเกิดพาหะอิสระขึ้น ข้อ แตกต่างคือไม่ต้องป้อนแรงดันไฟฟ้าภายนอกให้กับหัวต่อ PN
               อิเล็กตรอนและโฮลจะเกิดขึ้นในเขตปลอดพาหะของหัวต่อ PN สนามไฟฟ้าภายในของเขตปลอดพาหะจะแยกพาหะไฟฟ้าทั้งสองนี้ไปคนละข้าง เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าไหลสู่วงจรภายนอก เซลล์แสงอาทิตย์จึงทำหน้าที่แปรพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า
               เซลล์แสงอาทิตย์ใช้ประโยชน์ในงาน
                      - ผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานแสง อาทิตย์ด้วยประสิทธิภาพ 12% ~ 5%
                      - วัดความเข้มแสง ไดโอดเปล่งแสง (LED) ไดโอดเปล่งแสง คือ ไดโอดที่เปล่ง
แสงได้ โดยเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าให้เป็นแสงที่ตามองเห็น หรือให้เป็นแสงอินฟราเรด (L : Light (แสง) E : Emitting (เปล่ง) D : ไดโอด)

        5.5  ไดโอดเปล่งแสง

                ไดโอดเปล่งแสงทำจากผลึกสารกึ่งตัวนำที่มีหัวต่อ PN เมื่อมีการป้อนแรงดันไฟฟ้าตาม อิเล็กตรอนในส่วนที่เป็น N และโฮลในส่วนที่เป็น P จะเคลื่อนที่เข้าหารอยต่อ อิเล็กตรอนและโฮลจะรวมตัวกัน และปล่อยแสงออกมา ในสภาพการรวมตัวของอิเล็กตรอนอิสระ พลังงานอิสระ จะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของแสง

                 สีของแสงที่เปล่งจะขึ้นกับชนิดของผลึก สารกึ่งตัวนำและชนิดของสารเจือปน

ภาพประกอบที่ 15 แสดงไดโอดเปล่งแสง

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor30.jpg

                 นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน โดยใช้สารประกอบกึ่งตัวนำกลุ่ม II-VI ด้วย

ภาพประกอบที่ 16 แสดงไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor31.jpg

ภาพประกอบที่ 17 แสดงชนิดของผลึกสารกึ่งตัวนำที่ทำให้ไดโอดเปล่งแสงเป็นสีต่างๆ

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor32.jpg

           5.6  ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์

                 ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ใช้เป็นตัวขยายสัญญาณไฟฟ้า หรือทำหน้าที่เป็นสวิตช์ การทำงานต้องอาศัยประจุไฟฟ้าสองชนิด คือ อิเล็กตรอนและโฮล จึงเรียกว่า ไบโพลาร์ ทรานซิสเตอร์

ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์มีโครงสร้าง PNP หรือ NPN

                    ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยหัวต่อ PN จำนวน ๒ หัวต่อ คือ หัวต่อระหว่าง อีมิตเตอร์ - เบส และ เบส - คอลเลคเตอร์

ภาพประกอบที่ 18 แสดงไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor33.jpg

                หัวต่อเบส - คอลเลคเตอร์ ถูกไบแอสย้อนด้วยแรงดัน V_CB เกิดกระแสคอลเลคเตอร์ I_C ซึ่งมีค่าต่ำไหลในวงจรด้านคอลเลคเตอร์

                เมื่อไบแอสตามหัวต่ออีมิตเตอร์ - เบสด้วยแรงดัน V_EB อิเล็กตรอนจะถูกฉีดจากอีมิตเตอร์สู่เบส (เรียกว่า กระแสอีมิตเตอร์) อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งจะไหลเป็นกระแสเบส แต่กระแสส่วนใหญ่ไหลไปถึงหัวต่อเบส - คอลเลคเตอร์ และถูกสนามไฟฟ้าที่เกิดจากไบแอสย้อนกวาดเข้าไปเป็นกระแสคอลเลคเตอร์ จากลักษณะสมบัติเช่นนี้จึงเป็นการใช้กระแสเบสค่าน้อยเพื่อควบคุมกระแสคอลเลคเตอร์ที่มีค่าโต เรียกว่า การขยายสัญญาณกระแส

                ในกรณีทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ก็ให้คิด คล้ายกันเพียงเปลี่ยนทิศทางของประจุไฟฟ้า

            5.7  พลานาร์ทรานซิสเตอร์

                 เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำแบบพลานาร์ เป็นกรรมวิธีสำคัญในการสร้างทรานซิสเตอร์ไอซี และสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำชนิดต่างๆ

                 จุดเด่นของพลานาร์ทรานซิสเตอร์ ได้แก่

-          มีการใช้ขั้นซิลิคอนไดออกไซด์ปิดผิวไว้ ทำให้มีความเชื่อถือได้สูง

-          มีขนาดเล็กจิ๋ว จึงเหมาะกับการใช้งานที่ความถี่สูง

-          แว่นผลึก 1 แผ่น สามารถนำไปทำสิ่งประดิษฐ์ได้มากกว่า 10,000 ตัว ทำให้

ราคาการผลิตต่อตัวมีค่าต่ำ

ภาพประกอบที่ 19 แสดงพลานาร์ทรานซิสเตอร์

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor34.jpg

             5.8  ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)

ภาพประกอบที่ 20 แสดงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังขยายหนึ่งแสนเท่า

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor35.jpg

        ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า แตกต่างจากไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ที่ใช้การทำงานของพาหะชนิดเดียว อิเล็กตรอน หรือโฮล อย่างหนึ่งอย่างใด จึงเป็นยูนิโพลาร์ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบ่งตามกรรมวิธีการสร้างได้เป็น 2 ชนิดคือ

-          ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบหัวต่อ

-          ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS

                          5.8.1 ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบหัวต่อ

                                  เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าตรงแก่ปลายทั้งสองของผลึกสารกึ่งตัวนำชนิด N กระแสอิเล็กตรอน จะไหลจากซอสไปเดรน ช่อง (Channel) ที่อิเล็กตรอนไหลจะถูกกำหนดด้วยแรงดันไฟลบ ที่ป้อนให้แก่ส่วน P ที่แพร่ซึมไว้ทั้งสองข้างของช่อง เมื่อแรงดันไฟลบที่เกทมีค่าสูงขึ้น สนามไฟฟ้าจะส่งผลให้เขตปลอดพาหะขยายตัวโตขึ้น บีบให้ช่องไหลของอิเล็กตรอนมีขนาดแคบลง ดังนั้น แรงดันไฟที่เกทจึงสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากซอสไปเดรนได้

ภาพประกอบที่ 21 แสดงทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบหัวต่อ

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor36.jpg

                          

                            5.8.2 ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS (MOSFET)

        

                                 MOSFET มาจาก M : Metal (โลหะ) O : Oxide (ออกไซด์) S : Semiconductor (สารกึ่งตัวนำ) F : Field (สนามไฟฟ้า) E : Effect (ผล) T : Transistor (ทรานซิสเตอร์) เป็นทรานซิสเตอร์ที่ใช้หลักการทำงานที่ แรงดันเกทควบคุมสภาพการนำไฟฟ้าที่ชั้นบางๆ ที่บริเวณผิวของผลึกสารกึ่งตัวนำ

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS มีส่วนสำคัญในการพัฒนาไอซีที่มีขนาดใหญ่ (LSI) ตัวอย่าง มอสทรานซิสเตอร์ชนิด P ชัลแนล (แบบเอนฮันสเมนท์) เมื่อแรงดันเกทเป็น 0 กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลจากซอสไปเดรนได้

                                   เมื่อมีแรงดันไฟลบที่เกท อิเล็กตรอนจะถูกกดให้เคลื่อนห่างผิว ในขณะที่โฮลจะถูกดึงให้เคลื่อนใกล้ผิว เกิดเป็นชั้น P บางๆ ที่สามารถนำไฟฟ้าได้ เกิดกระแสไฟฟ้าไหลจากซอส (ชนิด P) ผ่านช่อง (ชนิด P) ไปยังเดรน (ชนิด P) ได้ กระแสไฟฟ้านี้จึงถูกควบคุมปริมาณด้วยแรงดันเกท

การใช้งานด้านไฟฟ้ากำลัง

                                   สารกึ่งตัวนำสามารถนำมาใช้ในงานเพื่อสร้างเป็นสิ่งประดิษฐ์ได้ เช่น

                -          เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์

                -          เพาเวอร์มอสเฟท

                -          ไธรีสเตอร์

                -          ไธแอค ไดแอค เพื่อใช้ควบคุมไฟฟ้าที่กำลังควบคุมมอเตอร์ ใช้ทำ

                          เครื่องส่งวิทยุ กำลังสูงความถี่สูง ใช้ทำแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากำลัง ฯลฯ

        5.9 ไอซี IC (Integrated Circuits)

                      ทำขึ้นในแว่นผลึกสารกึ่งตัวนำซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบของวงจร เช่น ไดโอดทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ฯลฯ ที่ต่อเป็นวงจรไว้ จึงเป็นวงจรขนาดจิ๋ว มีความเชื่อถือได้สูงมาก มีราคาต่อชิ้นถูก กินไฟต่ำ และทำงานได้รวดเร็ว

                      ไอซีแบ่งตามความหนาแน่นขององค์ประกอบ วงจรต่อชิ้น คือ
                             - SSI (Small Scale Integration) ไม่เกิน 100
                             - MSI (Medium Scale Integration) 100 ~ ไม่เกิน 1,000
                             - LSI (Large Scale Integration) 1,000 ~ ไม่เกิน 100,000
                             - VLSI (Very Large Scale Integration) มากกว่า 100,000

ภาพประกอบที่ 22 แสดงภาพตัดขวางของไอซี

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor37.jpg

                 ไอซีเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นในแว่นผลึกซิลิคอนได้เป็นจำนวนมาก ซึ่งสามารถตัดแยกเป็นชิ้นๆ ได้ เรียกว่า ไอซีชิบ

ภาพประกอบที่ 23 แสดงภาพขยายของไอซี

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor38.jpg

                       ไอซีเหล่านี้สามารถใช้งานเป็นวงจรตรรก วงจรจำ ไมโครคอมพิวเตอร์ ไมโครโพรเซสเซอร์ ฯลฯ อุตสาหกรรมผลิตไอซีกลายเป็นอุตสาหกรรมที่เป็นฐานรองรับความก้าวหน้าเทคโนโลยีด้านต่างๆ มากมาย ตั้งแต่เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ เทคโนโลยีอวกาศ เทคโนโลยีการแพทย์ เทคโนโลยีสาธารณสุข เทคโนโลยีสิ่งแวดล้อม ฯลฯ จึงมีผลกระทบต่อสังคมและมนุษยชาติในยุคอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก

สารกึ่งตัวนำ (2)

สารกึ่งตัวนำ (2)

3.  ประเภทของสารกึ่งตัวนำ

        สารกึ่งตัวนำเป็นสารที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เช่น ซิลิกอน เยอรมันเนียม เทลลูเนียมเป็นต้น สารดังกล่าวเหล่านี้มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ คือมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระอยู่น้อยจึงไม่สามารถให้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมาก ฉะนั้นลำพังสารนี้อย่างเดียวแล้วไม่สามารถทำประโยชน์อะไรได้มากนัก ดังนั้น เพื่อที่จะให้ได้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมากเราจึงต้องมีการปรุงแต่งโดยการเจือปนอะตอมของธาตุอื่นลงไปในเนื้อสารเนื้อเดียวเหล่านี้ หรือเอาอะตอมของธาตุบางชนิดมาทำปฏิกิริยากันให้ได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ สารกึ่งตัวนำที่สร้างขึ้นโดยวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ หรือสารกึ่งตัวนำแบบสารประกอบตามลำดับ ซึ่งจะเป็นสารที่ใช้ทำทรานซิสเตอร์ และไดโอดชนิดต่างๆ

สำหรับสารกึ่งตัวนำที่มีเฉพาะอะตอมของธาตุชนิดเดียว คือไม่มีอะตอมของธาตุชนิดอื่นปนอยู่เลยแสดงดังรูป

ภาพประกอบที่ 5 สมบัติการนำไฟฟ้าของธาตุชนิดต่างๆ

ที่มา: http://www.myfirstbrain.com/thaidata/image.asp?ID=10293

            
          3.1  สารกึ่งตัวนําบริสุทธิ์

               สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ คือ ธาตุกึ่งตัวนำที่ยังไม่ได้เติมสารเจือปน (Doping) ใดๆ ลงไป ธาตุกึ่งตัวนำที่นิยมนำไปทำเป็นสารกึ่งตัวนำในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ก็คือ ธาตุกึ่งตัวนำซิลิกอน และธาตุกึ่งตัวนำเยอรมันเนียม ธาตุทั้งสองชนิดนี้จะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว แต่อิเล็กตรอนทั้งหมดจะไม่เท่ากัน โดยซิลิคอนจะมีอิเล็กตรอนทั้งหมด 14 ตัว ส่วนเยอรมันเนียมจะมีอิเล็กตรอนทั้งหมด 32 ตัว ต่อหนึ่งอะตอม

                   โครงสร้างอะตอมของธาตุซิลิกอน และโครงสร้างอะตอมของธาตุเยอรมันเนียมเมื่ออยู่รวมกันหลายๆ อะตอมจะจับกันเป็นผลึกในรูปของพันธะโควาเลนซ์ (Covalence Bond) ดังนั้นหนึ่งอะตอมจะต้องใช้อิเล็กตรอนร่วมกันกับอะตอมข้างเคียง 4 อะตอม จึงจะมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดครบ 8 ตัว เพื่อให้อะตอมอยู่ในสภาพเสถียร

ภาพประกอบที่ 6 แสดงการใช้อิเล็กตรอนวงนอกสุดร่วมกัน

ที่มา: http://www.sptc.ac.th/prapruet/devicesweb/books/book_1_files/image010.gif

            3.2  สารกึ่งตัวนําไม่บริสุทธิ์

                   

                 สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ คือการนำเอาธาตุซิลิคอนหรือธาตุเยอรมันเนียมบริสุทธิ์มาเติมเจือปนลงไป โดยใช้ธาตุเจือปนที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว หรือธาตุเจือปนที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 5 ตัว ลงไปในอัตราส่วน 108: 1 คือธาตุกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ 108 ส่วนต่อสารเจือปน 1 ส่วน ซึ่งจะทำให้ได้สารกึ่งตัวนำใหม่ขึ้นมา คือถ้าเติมธาตุเจือปนที่วาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวลงไป ตัวนำชนิดเอ็น แต่ถ้าเติมธาตุเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว ลงไปจะได้สารกึ่งตัวนำชนิดพี ธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว ที่นำมาใช้เป็นธาตุเจือปนเช่นโบรอน อินเดียม แกลเลียม และอลูมิเนียม ส่วนธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวที่นำมาใช้เป็นธาตุเจือปน เช่น ฟอสฟอรัส อาเซนิค

                     3.2.1 สารกึ่งตัวนำชนิด N (N-Type)

                         สารกึ่งตัวนำชนิด N เป็นสารกึ่งตัวนำที่ได้จากการเติมสารเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว เช่น ฟอสฟอรัส อาเซนิค อย่างใดอย่างหนึ่งลงไปในธาตุซิลิคอนหรือเยอรมันเนียมบริสุทธิ์ จะทำให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของแต่ละอะตอมแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนซึ่งกันและกัน หรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตัว ทำให้เหลืออิเล็กตรอน 1 ตัว ที่ไม่สามารถจับตัวกับอะตอมข้างเคียง เรียกอิเล็กตรอนตัวนี้ว่า อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งจะแสดงประจุลบออกมา

ภาพประกอบที่ 7 แสดงโครงสร้างการจับตัวกันของอิเล็กตรอนวงนอกสุด ระหว่าง Si กับ P

ที่มา: http://www.sptc.ac.th/prapruet/devicesweb/books/book_1_files/image012.gif

                      3.2.2 สารกึ่งตัวนำชนิด P (P-Type)

                               

                          สารกึ่งตัวนำชนิด P เป็นสารกึ่งตัวนำที่ได้จากการเติมธาตุเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน  3 ตัว เช่น โบรอน อินเดียม แกลเลียม อย่างใดอย่างหนึ่งลงไปในธาตุซิลิคอนหรือธาตุเยอรมันเนียมบริสุทธิ์ จะทำให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของแต่ละอะตอมแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนซึ่งกันและกันหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตัว ส่วนอะตอมของธาตุเจือปนจะขาดอิเล็กตรอนอีก  1  ตัว เพราะธาตุเจือปนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว เรียกส่วนที่ขาดอิเล็กตรอนนี้ว่าโฮล ซึ่งแปลว่า หลุม หรือ รู โฮลนี้จะแสดงประจุบวกออกมา

ภาพประกอบที่ 8 แสดงโครงสร้างการจับตัวกันของอิเล็กตรอนวงนอกสุดระหว่าง Si กับ Br

ที่มา: http://www.sptc.ac.th/prapruet/devicesweb/books/book_1_files/image014.gif

4.  รอยต่อ PN

        เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และ สารกึ่งตัวนำชนิด N มาเชื่อมต่อกัน จะเกิดการรวมตัวระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลบริเวณใกล้รอยต่อนั้น โดยอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะรวมตัวกับโฮลของสารกึ่งตัวนำชนิด P ทำให้อะตอมบริเวณรอยต่อของสารกึ่งตัวนำชนิด N จะขาดอิเล็กตรอนไปเกิดเป็นสภาวะเป็นประจุไฟฟ้าบวก ซึ่งจะต้านการเคลื่อนที่ของโฮล ในขณะที่ อะตอมบริเวณรอยต่อของสาร P จะมีอิเล็กตรอนเกินมา ทำให้มีประจุไฟฟ้าลบซึ่งจะผลักอิเล็กตรอนอิสระที่จะวิ่งข้ามมาทางฝั่ง ของสาร P ดังรูป

ภาพประกอบที่ 9 แสดงโครงสร้างของรอยต่อ P-N ของสารกึ่งตัวนำ

ที่มา: http://kpp.ac.th/elearning/elearning3/images-u/u-7/703.jpg

          บริเวณดังกล่าว จึงเป็นบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) โดยจะเสมือนกำแพงกั้นไม่ให้อิเล็กตรอน และโฮลของอะตอมอื่นๆ ภายในสารกึ่งตัวนำมารวมกัน ถ้าต้องการให้พาหะทั้งสองฝั่งมารวมตัวกัน จะต้องให้แรงดันไฟฟ้า แก่สารให้มากกว่าระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากประจุบริเวณรอยต่อ โดยถ้าเป็นสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากซิลิกอน ระดับแรงดันดังกล่าวจะอยู่ประมาณ 0.7 โวลท์ และ ในกรณีสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากเยอรมันเนียม ระดับแรงดันดังกล่าวจะมีค่าต่ำกว่า โดยจะมีค่าประมาณ 0.3 โวลท์

              4.1 รอยต่อ PN เมื่อถูกไบแอสไปข้างหน้า (ไบแอสตรง)     

                      เมื่อเราจ่ายแรงดันให้แก่สารในลักษณะต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่เข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด  P และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเพิ่มมากขึ้น โดยถ้าแรงดันแบตเตอรี่ที่จ่ายมีระดับแรงดันสูงกว่าแรงดันต้านกลับบริเวณรอยต่อ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงพอ ที่จะข้ามมายังฝั่งตรงข้ามได้ เกิดมีกระแสไฟฟ้าไหล เราเรียกการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า ดังรูป

ภาพประกอบที่ 10 แสดงการไบแอสตรง

ที่มา: http://kpp.ac.th/elearning/elearning3/images-u/u-7/704.jpg

              
           4.2 รอยต่อ PN เมื่อถูกไบแอสย้อนกลับ

                 ในทางตรงกันข้ามหากเราทำการจ่ายแรงดันสลับด้าน โดยให้ขั้วบวกของแบตเตอรี่ต่อเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด P จะทำให้มีการฉุดรั้งอิเล็กตรอนไม่ให้ข้ามมายังฝั่งตรงข้าม ทำให้ไม่เกิดกระแสไหล

                  ในสภาวะไบแอสกลับนี้ พาหะส่วนน้อย คือ อิเล็กตรอนในสาร P และ โฮลในสาร N จะถูกกระตุ้นจากแบตเตอรี่ให้มารวมกัน ทำให้เกิดกระแสไหลแต่มีปริมาณน้อยมากมีค่าเป็น ไมโครแอมป์หรือนาโนแอมป์ เราเรียกกระแสนี้ว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอนจะมีขนาดของกระแสรั่วไหล ต่ำกว่า เยอรมันเนียม

ภาพประกอบที่ 11 แสดงไบแอสย้อนกลับ

ที่มา: http://kpp.ac.th/elearning/elearning3/images-u/u-7/705.jpg

สารกึ่งตัวนำ (1)

1. บทนำ

        สารบางชนิดนำไฟฟ้าได้ดี เช่น ทองแดง เหล็ก สังกะสี สารบางชนิดไม่นำไฟฟ้า แต่เป็นฉนวนไฟฟ้า เช่น แก้ว ยาง พลาสติก สารที่มีคุณสมบัติไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้า เรียกว่า สารกึ่งตัวนำ เนื่องจากเราสามารถควบคุมการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำได้ เราจึงนำเอาสารกึ่งตัวนำมาประดิษฐ์สร้างเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีชื่อ เรียกว่า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ได้มากมาย เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และวงจรไอซี ในเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวัน เช่น ใน วิทยุ โทรทัศน์ โทรศัพท์ คอมพิวเตอร์ ล้วนแล้วแต่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนประกอบสำคัญทั้งสิ้น สารกึ่งตัวนำที่ใช้ประโยชน์มากที่สุด ได้แก่ ซิลิคอน ซึ่ง เป็นธาตุที่ถลุงได้จากทราย และเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในโลกชนิดหนึ่ง

ภาพประกอบที่ 1 แสดงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประเภทต่างๆ

ที่มา: http://img03.taobaocdn.com/imgextra/i3/259133613/T29oXEXbhaXXXXXXXX_!!259133613.jpg

2.  ความหมายของสารกึ่งตัวนำ

        สสารทุกชนิดประกอบด้วยส่วนประกอบเล็กๆ ที่เรียกว่า “โมเลกุล” มารวมตัวกัน โดยแต่ละโมเลกุลก็จะประกอบด้วยส่วนที่เล็กมากๆ ซึ่งเรียกว่าอะตอม เช่น โมเลกุลของน้ำจะประกอบด้วยอะตอม 3 อะตอม คืออะตอมของไฮโดรเจน (Hydrogen) 2 อะตอม และ อะตอมของออกซิเจน (Oxygen) 1 อะตอมมารวมกัน โดยอะตอมแต่ละอะตอมจะมีแกนกลางซึ่งเรียกว่านิวเคลียส ซึ่งจะมีนิวตรอนและโปรตอนอยู่ภายใน  และจะมีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียส หลายๆวง โดยอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุดเรียกว่า วาเลนอิเล็กตรอน (Valence Electron) จะมีผลต่อความสามารถในการนำไฟฟ้าของสสารนั้น สสารที่เป็นตัวนำ (Conductor) จะมีอิเล็กตรอนวงนอกเพียง 1-3 ตัว ดังนั้นเมื่อมันได้รับพลังงานความร้อน หรือ พลังงานไฟฟ้า อิเล็กตรอนก็จะหลุดออกมาจากวงโคจรเป็นอิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron) ได้ทันที ทำให้สามารถเคลื่อนตัวไปในสสารได้อย่างอิสระ ซึ่งเราเรียกการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนนี้ว่า “กระแสไฟฟ้า”  ดังนั้นสสารที่เป็นตัวนำจึงมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดี  ส่วนสสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกตั้งแต่ 5-8 ตัว เราจะเรียกว่า “ฉนวน” (Insulator) จะมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ไม่ดีนัก เพราะมีอิเล็กตรอนอิสระน้อย  สำหรับสสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว เช่น ซิลิกอน (Silicon) และเยอร์มันเนียม (Germanium) จะมีสภาพการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เราเรียกว่า “สารกึ่งตัวนำ” (Semiconductor)

      2.1 ประวัติความเป็นมา

               เมื่อวิทยาการไฟฟ้าได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ ในสมัยแรกๆ วัสดุไฟฟ้าที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้า ต่างๆ มักได้แก่ ตัวนำไฟฟ้า เช่น สายทองแดง โลหะชนิดต่างๆ และฉนวนไฟฟ้า เช่น ยาง ลูกถ้วยเซรามิก เมื่อมีการพัฒนาหลอดสุญญากาศขึ้นมา เพื่อทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถขยายสัญญาณไฟฟ้า กำเนิดความถี่ ฯลฯ วัสดุไฟฟ้าก็ยังคงเป็นพวกตัวนำและฉนวนอยู่เช่นเดิม

               สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน มีการค้นพบมานาน พร้อมๆ กับวัสดุชนิดอื่นๆ แต่มิได้นำมาใช้ประโยชน์อย่างจริงจัง จนกระทั่งปี พ.ศ.2490 ซึ่งมีการคิดค้นทรานซิสเตอร์ได้สำเร็จเป็นครั้งแรก สารกึ่งตัวนำจึงได้รับความสนใจ และมีบทบาทในการพัฒนาวิทยาการด้านอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก เพราะสามารถทำงานทดแทนหลอดสุญญากาศได้เกือบทั้งหมด ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา กินไฟฟ้าน้อย และมีราคาถูก

                ปัจจุบันเราจะพบสิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ทำจากสารกิ่งตัวนำอยู่ในอุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชนิด ที่เราใช้งานในชีวิตประจำวัน เช่น วิทยุ โทรทัศน์ โทรศัพท์ เครื่องซักผ้า เตาไมโครเวฟ รถยนต์ เครื่องคอมพิวเตอร์ ฯลฯ ดังนั้น สารกึ่งตัวนำจึงกลายเป็นวัสดุไฟฟ้าที่มีความสำคัญต่อการใช้ชีวิต ในโลกยุคปัจจุบันและอนาคต

             2.2 ตัวนำและฉนวน

                 สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุทางไฟฟ้า ที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำ และฉนวน สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติพิเศษที่แตกต่างจากตัวนำและฉนวน คือ การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำจะเปลี่ยนแปลงได้ตาม - อุณหภูมิ - แสงที่ตกกระทบ - ปริมาณสารเจือปน – ปริมาณของจุดบกพร่องในเนื้อสาร

ภาพประกอบที่ 2 แสดงโครสร้างของสสารแต่ละประเภท

ที่มา: http://kpp.ac.th/elearning/elearning3/images-u/u-7/701.jpg

           2.3  คุณสมบัติทางไฟฟ้า     

                สารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำไฟฟ้า และฉนวนไฟฟ้า จึงเป็นสารที่เราสามารถควบคุมคุณสมบัตินำไฟฟ้าของมันได้ โดยการเติมสารเจือปนลงไปในขณะที่เตรียมสารกึ่งตัวนำนั้นๆในเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็น วิทยุ โทรทัศน์ โทรศัพท์ เครื่องซักผ้า เตาไมโครเวฟ คอมพิวเตอร์ เราจะพบเห็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำเป็นส่วนประกอบที่สำคัญอยู่ในนั้น อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำบางชนิดเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีขาต่อ 2 ขา เรียกว่า ไดโอด ทำหน้าที่ดัดกระแสไฟฟ้าอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำบางชนิดเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีขาต่อ 3 ขา เรียกว่า ทรานซิสเตอร์ ทำหน้าที่เป็นตัวปิดเปิดสัญญาณไฟฟ้า หรือทำหน้าที่ขยายสัญญาณไฟฟ้า อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำบางชนิดเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีขาต่อหลายสิบขา เรียกว่า วงจรไอซี ทำหน้าที่เป็นวงจรตรรก วงจรจำ วงจรขยายสัญญาณ วงจรปรับแรงดัน วงจรกำหนดความถี่ ฯลฯ

                 สารกึ่งตัวนำจึงเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิด สารกึ่งตัวนำที่นำมาผลิตเป็นอุตสาหกรรมมากที่สุด ได้แก่ ซิลิคอน ซึ่งเป็น ธาตุที่ถลุงได้จากทราย ซิลิคอนเป็นทรัพยากรธรรมชาติที่มีมากที่สุดในโลก ทำให้อุปกรณ์ สารกึ่งตัวนำมีราคาถูก มีขนาดจิ๋ว น้ำหนักเบา จึงทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าสมัยใหม่ที่ใช้ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำมีขนาดกะทัดรัด และกินไฟฟ้าน้อย สารกึ่งตัวนำจึงเปรียบเสมือน วัสดุพื้นฐานของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบัน

         2.4 การเติมสารเจือปน สารกึ่งตัวนำชนิด N และ P

                  เมื่อมีการเติมอะตอมของสารเจือปนที่อยู่ในหมู่ v (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน 5 อิเล็กตรอน) ลงไปในผลึกสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน 4 อิเล็กตรอน) จะเกิดอิเล็กตรอนอิสระ 1 ตัว ทำให้สารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV นี้นำไฟฟ้าได้แบบ N อะตอม สารเจือปนที่ทำหน้าที่จ่ายอิเล็กตรอนอิสระได้นี้ เรียกว่า โดเนอร์ (Donor : ผู้ให้) และมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก สารเจือปนชนิด N ได้แก่ ฟอสฟอรัส (P) อาเซนิก (As) แอนติโมนี (Sb)

ภาพประกอบที่ 3 แสดงการเติมสารเจือปนชนิด N

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor14.jpg

                   เมื่อมีการเติมอะตอมของสารเจือปนที่อยู่ใน หมู่ III (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน 3 อิเล็กตรอน) ลงไปในผลึกสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV จะขาดอิเล็กตรอน 1 ตัว เราเรียกสถานะนี้ว่า โฮล (Hole แปลว่า หลุม) โฮลจะจับอิเล็กตรอนที่อยู่ข้างเคียงได้ จึงทำให้เกิดโฮลข้างเคียง จนดูเหมือนว่าโฮลเคลื่อนที่ได้ ผลึกที่มีโฮลเคลื่อนที่ได้นี้จึงมีการนำไฟฟ้าแบบ P อะตอมของสารเจือปนที่ให้เกิดโฮลนี้ เรียกว่า เอกเซบเตอร์ (Acceptor : ผู้รับ) เมื่อรับ อิเล็กตรอนมาแล้ว อะตอมนี้จึงมีประจุไฟฟ้าเป็น ลบ สารเจือปนชนิด P ได้แก่ โบรอน (B) อินเดียม (In)

ภาพประกอบที่ 4แสดงการเติมสารเจือปนชนิด P

ที่มา: http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/6/semiconductor/semiconductor16.jpg