บทที่ 10 สารกึ่งตัวนำ
สารกึ่งตัวนำ (อังกฤษ: semiconductor)
คือ วัสดุที่มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน
เป็นวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์ มักมีตัวประกอบของ germanium,
selenium, silicon วัสดุเนื้อแข็งผลึกพวกหนึ่งที่มีสมบัติเป็นตัวนำ
หรือสื่อไฟฟ้าก้ำกึ่งระหว่างโลหะกับอโลหะหรือฉนวน ความเป็นตัวนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และสิ่งไม่บริสุทธิ์ที่มีเจือปนอยู่ในวัสดุพวกนี้ ซึ่งอาจเป็นธาตุหรือสารประกอบก็มี เช่น ธาตุเจอร์เมเนียม ซิลิคอน ซีลีเนียม และตะกั่วเทลลูไรด์ เป็นต้น วัสดุกึ่งตัวนำพวกนี้มีความต้านทานไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเป็นลักษณะตรงข้ามกับโลหะทั้งปวง ที่อุณหภูมิ ศูนย์ เคลวิน วัสดุพวกนี้จะไม่ยอมให้ไฟฟ้าไหลผ่านเลย เพราะเนื้อวัสดุเป็นผลึกโควาเลนต์
ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหลายจะถูกตรึงอยู่ในพันธะโควาเลนต์หมด
(พันธะที่หยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม) แต่ในอุณหภูมิธรรมดา
อิเล็กตรอนบางส่วนมีพลังงาน
เนื่องจากความร้อนมากพอที่จะหลุดไปจากพันธะ ทำให้เกิดที่ว่างขึ้น
อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาเป็นสาเหตุให้สารกึ่งตัวนำ
นำไฟฟ้าได้เมื่อมีมีสนามไฟฟ้ามาต่อเข้ากับสารนี้ สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์
เป็นสารที่เกิดขึ้นจากการเติมสารเจือปนลงไปในสารกึ่งตัวนำแท้
เช่น ซิลิกอน หรือเยอรมันเนียม
เพื่อให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์นี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ
สารกึ่งตัวนำประเภทเอ็น (N-Type) และสารกึ่งตัวนำประเภทพี (P-Type)สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์
สารกึ่งตัวนำที่นำมาใช้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ คือ ซิลิกอน (Si) และเจอเมเนียม (Ge) ธาตุทั้งสองอยู่ในแถวที่ 4 ของตารางธาตุ มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว ในสภาวะปกติอยู่ในรูปผลึกเรียงตัวแบบเตตระฮีดรอล (tetrahedral) อะตอมตัวหนึ่งของสารกึ่งตัวนำจะจับกับอะตอมอื่นอีก 4 อะตอม การรวมตัวกันโดยพันธะโควาเลนต์ คือใช้วาเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน จึงเหมือนกับว่าอะตอมหนึ่งของสารกึ่งตัวนำมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 8 ตัว วาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว เป็นของอะตอมสารกึ่งตัวนำในอะตอมนั้น ส่วนวาเลนซ์อิเล็กตรอนอีก 4 ตัว ใช้ร่วมกับอะตอมอื่น ดังนั้นอิเล็กตรอนของสารกึ่งตัวนำจึงยึดแน่นกับอะตอมมาก สารกึ่งตัวนำจึงเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี อย่างไรก็ตามเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อิเล็กตรอนได้รับพลังงานความร้อนหลุดจากอะตอมได้บ้าง ทำให้พบอิเล็กตรอนในแถบพลังงานนำ สารกึ่งตัวนำจึงนำไฟฟ้าได้ การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำจะขึ้นกับอุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิสูงอิเล็กตรอนในแถบนำมากจะนำไฟฟ้าได้ดี ถ้าอุณหภูมิต่ำจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี
เมื่ออิเล็กตรอนหลุดจากอะตอม ทำให้พันธะโควาเลนซ์เกิดช่องว่างขึ้น อิเล็กตรอนจากที่อื่นสามารถเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่ได้มีลักษณะคล้ายกับหลุมที่อิเล็กตรอนอาจจะตกลงไป จึงเรียกช่องว่างนี้ว่า โฮล (Hole) ถ้าหากว่าอิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียงมีพลังงานเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่โฮล อิเล็กตรอนข้างเคียงก็จะเกิดโฮลขึ้น คล้ายกับว่าโฮลเคลื่อนจากอะตอมเดิมไปยังอะตอมข้างเคียง ถ้ายังมีอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเคลื่อนเข้ามาแทนที่โฮลต่อเนื่องกันหลาย ๆ อะตอม โฮลจะเคลื่อนที่ไปตามอะตอมเหล่านั้น เนื่องจากอะตอมที่เกิดโฮลมีสภาพเป็นบวกเพราะขาดอิเล็กตรอน โฮลจึงเป็นตัวพาประจุบวกในสารกึ่งตัวนำ ซึ่งในสารกึ่งตัวนำนี้จะมีตัวพาประจุ 2 ชนิด คืออิเล็กตรอนพาประจุลบ และโฮลพาประจุบวก
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์
สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) จะมีสภาพการนำ ไฟฟ้าที่ไม่ดี เพราะอิเล็กตรอนวงนอกจะจับตัวรวมกัน โดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน เพื่อให้เกิดภาวะเสถียร เสมือนมีอิเล็กตรอนวงนอก 8 ตัวจึงไม่เหมาะต่อการใช้งาน ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมีการเติมสารอื่นเข้าไป เพื่อให้เกิดสภาพนำ ไฟฟ้าที่ดีกว่าเดิมเหมาะกับการใช้งาน โดยการเติมสารหรือที่เรียกกันทับศัพท์ว่าปริมาณอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดจากพลังงานความร้อนและแสงสว่าง ยังคงมีจำนวนน้อยเกินไป ทำให้สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้ไม่ดีเท่าที่ควร ในทางปฏิบัติจะเติมอะตอมอื่นที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 หรือ 5 ลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ เพื่อทำให้ปริมาณอิเล็กตรอนหรือโฮลเพิ่มขึ้น อะตอมที่เติมลงไปมีชื่อว่า อะตอมสารเจือ (impurity atom) การเติมสารเจือ เรียกว่าการโด๊ป (Doping) สารกึ่งตัวนำที่มีอะตอมสารเจือ เจือปนอยู่ เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ (extrinsic semiconductor) หรือสารกึ่งตัวนำสารเจือ (doping semiconductor)
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์มี 2 ชนิดคือ สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดเอ็น (N-type semiconductor) และสารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดพี (P-type semiconductor)
สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดเอ็นเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมาก เกิดจากการเติมอะตอมที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว เช่น แอนติโมนี, ฟอสฟอรัส หรือ อาเซนิก
อะตอมสารเจือสามารถให้อิเล็กตรอนได้จึงมีชื่อเรียกว่า อะตอมผู้ให้ (donor atom) อะตอมสารเจือประมาณหนึ่งต่อล้านเป็นชนิดเอ็นเพราะว่ามีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะของประจุลบอยู่มาก อย่างไรก็ตามในแถบวาเลนซ์ก็มีโฮลอยู่บ้าง สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นมีอิเล็กตรอนในแถบนำเป็นพาหะส่วนใหญ่ (majority carrier) มีโฮลเป็นพาหะส่วนน้อย
สารกึ่งตัวนำชนิดพี
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดพี เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีโฮลอยู่มาก เกิดจากการเติมอะตอมที่มีวาเลนซ์อิเล็ก 3 ตัว เช่น โบรอน, เจอเมเนียม หรืออินเดียม
เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของอะลูมิเนียม ทำให้เกิดที่ว่างซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) ขึ้นในแขนร่วมของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนข้างโฮลจะเคลื่อนที่ไปอยู่ในโฮลทำให้ดูคล้ายกับโฮลเคลื่อนที่ได้จึงทำให้กระแสไหลได้
การโดป (Doping) สารนั้น จะมีได้ 2 ลักษณะคือ
1. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว เช่น อลูมิเนียม หรือแกลเลียม ลงไป ทำ ให้เกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอนคือจะมีที่ว่างของอิเล็กตรอนซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) มากกว่าจำ นวนอิเล็กตรอนอิสระ ด้วยเหตุที่โฮลมีสภาพเป็นประจุไฟฟ้าบวกและเป็นพาหะส่วนใหญ่ของสาร ส่วนอิเล็กตรอนจะเป็นพาหะส่วนน้อย เราจึงเรียกสารกึ่งตัวนำ ประเภทนี้ว่า สารกึ่งตัวนำ ชนิด P (P-type Semiconductor)
2. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว เช่น สารหนู หรือฟอสฟอรัส ลงไป ทำ ให้เกิดสภาวะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าจำ นวนของโฮล ด้วยเหตุที่อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบและเป็นพาหะส่วนใหญ่ ส่วนโฮลเป็นพาหะส่วนน้อยของสารเราจึงเรียกว่าเป็น สารกึ่งตัวนำ ชนิด N (N-type Semiconductor)
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
บริเวณดังกล่าว จึงเป็นบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) โดยจะเสมือนกำแพงกั้นไม่ให้อิเล็กตรอน และโฮลของอะตอมอื่นๆ ภายในสารกึ่งตัวนำมารวมกัน ถ้าต้องการให้พาหะทั้งสองฝั่งมารวมตัวกัน จะต้องให้แรงดันไฟฟ้า แก่สารให้มากกว่าระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากประจุบริเวณรอยต่อ โดยถ้าเป็นสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากซิลิกอน ระดับแรงดันดังกล่าวจะอยู่ประมาณ 0.7 โวลท์ และ ในกรณีสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากเยอรมันเนียม ระดับแรงดันดังกล่าวจะมีค่าต่ำกว่า โดยจะมีค่าประมาณ 0.3 โวลท์
การไบแอสรอยต่อ PN
เมื่อเราจ่ายแรงดันให้แก่สารในลักษณะ ต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่เข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด P และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเพิ่มมากขึ้น โดยถ้าแรงดันแบตเตอรี่ที่จ่ายมีระดับแรงดันสูงกว่าแรงดันต้านกลับบริเวณรอยต่อ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงพอ ที่จะข้ามมายังฝั่งตรงข้ามได้ เกิดมีกระแสไฟฟ้าไหล เราเรียกการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า การไบอัสตรง (Forward Bias) ดังรูปที่ 4
ในทางตรงกันข้ามหากเราทำ การจ่ายแรงดันสลับด้าน โดยให้ขั้วบวกของแบตเตอรี่ต่อเข้ากับสารกึ่งตัวนำ ชนิด N และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำ ชนิด P จะทำ ให้มีการฉุดรั้งเล็กตรอนไม่ให้ข้ามมายังฝั่งตรงข้าม ทำ ให้ไม่เกิดกระแสไหล เราเรียกลักษณะการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า การไบอัสกลับ (Reveres Bias)
ในสภาวะไบอัสกลับนี้ พาหะส่วนน้อย คือ อิเล็กตรอนในสาร P และ โฮลในสาร N จะถูกกระตุ้นจากแบตเตอรี่ให้มารวมกัน ทำให้เกิดกระแสไหลแต่มีปริมาณน้อยมากมีค่าเป็น ไมโครแอมป์หรือนาโนแอมป์ เราเรียกกระแสนี้ว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอนจะมีขนาดของกระแสรั่วไหล ต่ำกว่า เยอรมันเนียม
