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