สารกึ่งตัวนำ (1)
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
2.3 คุณสมบัติทางไฟฟ้า
2.4 การเติมสารเจือปน สารกึ่งตัวนำชนิด
N และ P
 |
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
|
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น