การเรียนรู้พื้นฐานของสารกึ่งตัวนำ

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





ในโพสต์นี้เราได้เรียนรู้อย่างละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานพื้นฐานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และโครงสร้างภายในของเซมิคอนดักเตอร์ทำงานอย่างไรภายใต้อิทธิพลของกระแสไฟฟ้า

ค่าความต้านทานระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้ไม่มีลักษณะตัวนำที่สมบูรณ์หรือฉนวนที่สมบูรณ์มันอยู่ระหว่างสองขีด จำกัด นี้



คุณลักษณะนี้อาจกำหนดคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ของวัสดุอย่างไรก็ตามการทราบว่าเซมิคอนดักเตอร์ทำงานอย่างไรระหว่างตัวนำและฉนวน

ความต้านทาน

ตามกฎของโอห์มความต้านทานไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของความต่างศักย์ระหว่างส่วนประกอบต่อกระแสที่ไหลผ่านส่วนประกอบ



ขณะนี้การใช้การวัดความต้านทานอาจทำให้เกิดปัญหาหนึ่งค่าของมันจะเปลี่ยนไปเมื่อมิติทางกายภาพของวัสดุต้านทานเปลี่ยนแปลง

ตัวอย่างเช่นเมื่อวัสดุต้านทานมีความยาวเพิ่มขึ้นค่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนด้วย
ในทำนองเดียวกันเมื่อความหนาเพิ่มขึ้นค่าความต้านทานจะลดลงตามสัดส่วน

ความต้องการในที่นี้คือการกำหนดวัสดุที่อาจบ่งบอกถึงคุณสมบัติของการนำหรือต่อต้านกระแสไฟฟ้าโดยไม่คำนึงถึงขนาดรูปร่างหรือลักษณะทางกายภาพ

ขนาดสำหรับการแสดงค่าความต้านทานเฉพาะนี้เรียกว่า Resistivity ซึ่งมี synbol ρ, (Rho)

หน่วยของการวัดค่าความต้านทานคือโอห์มมิเตอร์ (Ω.m) และอาจเข้าใจได้ว่าเป็นพารามิเตอร์ที่ผกผันของการนำไฟฟ้า

เพื่อให้ได้การเปรียบเทียบระหว่างความต้านทานของวัสดุหลายชนิดสิ่งเหล่านี้แบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก ๆ ได้แก่ ตัวนำฉนวนและกึ่งตัวนำ แผนภูมิด้านล่างให้รายละเอียดที่จำเป็น:

ดังที่คุณเห็นในรูปด้านบนมีความแตกต่างเล็กน้อยในความต้านทานของตัวนำเช่นทองและเงินในขณะที่ความต้านทานอาจมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างฉนวนเช่นควอตซ์และแก้ว

เนื่องจากการตอบสนองต่ออุณหภูมิโดยรอบซึ่งทำให้โลหะมีตัวนำที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าฉนวน

ตัวนำ

จากแผนภูมิด้านบนเราเข้าใจว่าตัวนำมีค่าความต้านทานน้อยที่สุดซึ่งโดยทั่วไปอาจอยู่ในไมโครโอห์ม / มิเตอร์

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่มีความต้านทานต่ำจึงสามารถไหลผ่านได้ง่ายเนื่องจากมีอิเล็กตรอนจำนวนมาก

อย่างไรก็ตามอิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถผลักดันได้ก็ต่อเมื่อเป็นแรงดันคร่อมตัวนำและความดันนี้สามารถเกิดขึ้นได้โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าข้ามตัวนำ

ดังนั้นเมื่อนำตัวนำไปใช้กับความต่างศักย์บวก / ลบอิเล็กตรอนอิสระของแต่ละอะตอมของตัวนำจะถูกบังคับให้หลุดออกจากอะตอมแม่ของพวกมันและพวกมันจะเริ่มลอยข้ามภายในตัวนำและโดยทั่วไปเรียกว่าการไหลของกระแส .

ระดับที่อิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ได้นั้นขึ้นอยู่กับว่าพวกมันสามารถแยกออกจากอะตอมได้ง่ายเพียงใดเพื่อตอบสนองต่อความต่างศักย์ไฟฟ้า

โดยทั่วไปแล้วโลหะถือเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีและในบรรดาโลหะทองเงินทองแดงและอลูมิเนียมเป็นตัวนำที่ดีที่สุดอย่างเป็นระเบียบ

เนื่องจากตัวนำเหล่านี้มีอิเล็กตรอนน้อยมากในวงวาเลนซ์ของอะตอมพวกมันจึงหลุดออกจากความต่างศักย์ได้อย่างง่ายดายและพวกมันจะเริ่มกระโดดจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมถัดไปด้วยกระบวนการที่เรียกว่า 'Domino Effect' ซึ่งส่งผลให้เกิดกระแสไหล ตัวนำ

แม้ว่าทองและเงินจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด แต่ทองแดงและอลูมิเนียมก็เป็นที่ต้องการในการทำสายไฟและสายเคเบิลเนื่องจากมีต้นทุนต่ำและมีมากมายรวมถึงความทนทานทางกายภาพด้วย

แม้ว่าทองแดงและอลูมิเนียมจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี แต่ก็ยังมีความต้านทานอยู่บ้างเพราะไม่มีสิ่งใดสมบูรณ์แบบ 100%

แม้ว่าความต้านทานที่นำเสนอโดยตัวนำเหล่านี้มีเพียงเล็กน้อยก็สามารถมีนัยสำคัญได้เมื่อใช้กระแสที่สูงขึ้น ในที่สุดความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นของตัวนำเหล่านี้จะกระจายไปเป็นความร้อน

ฉนวน

ตรงกันข้ามกับตัวนำฉนวนเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี โดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้จะอยู่ในรูปของอโลหะและมีอิเล็กตรอนที่เปราะบางหรือมีอิสระน้อยมากกับอะตอมแม่ของมัน

หมายถึงอิเล็กตรอนของอโลหะเหล่านี้ถูกยึดติดแน่นกับอะตอมแม่ของมันซึ่งยากมากที่จะหลุดออกไปด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้า

เนื่องจากคุณสมบัตินี้เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าอิเล็กตรอนจึงไม่สามารถเคลื่อนที่ออกจากอะตอมได้ส่งผลให้อิเล็กตรอนไม่ไหลจึงไม่มีการนำไฟฟ้าเกิดขึ้น

คุณสมบัตินี้นำไปสู่ค่าความต้านทานที่สูงมากต่อฉนวนตามลำดับหลายล้านโอห์ม

วัสดุเช่นแก้วหินอ่อนพีวีซีพลาสติกควอตซ์ยางไมกาเบกาไลต์เป็นตัวอย่างของฉนวนที่ดี

เช่นเดียวกับตัวนำฉนวนมีบทบาทสำคัญในการยื่นอิเล็กทรอนิกส์ หากไม่มีฉนวนจะเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้นตอนวงจรซึ่งนำไปสู่การลัดวงจร

ตัวอย่างเช่นเราเห็นการใช้เครื่องเคลือบดินเผาและแก้วในเสาแรงสูงเพื่อส่งไฟฟ้ากระแสสลับผ่านสายเคเบิลอย่างปลอดภัย ในสายไฟเราใช้ PVC สำหรับฉนวนขั้วบวกขั้วลบและใน PCB เราใช้ Bakelite เพื่อแยกรางทองแดงออกจากกัน

พื้นฐานของสารกึ่งตัวนำ

วัสดุเช่นซิลิกอน (Si) เจอร์เมเนียม (Ge) และแกลเลียมอาร์เซไนด์อยู่ภายใต้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ขั้นพื้นฐาน เป็นเพราะวัสดุเหล่านี้มีลักษณะของการนำไฟฟ้าในระดับกลางทำให้ไม่มีการนำไฟฟ้าที่เหมาะสมหรือฉนวนที่เหมาะสม เนื่องจากคุณสมบัตินี้วัสดุเหล่านี้จึงถูกตั้งชื่อเป็นเซมิคอนดักเตอร์

วัสดุเหล่านี้มีอิเล็กตรอนอิสระน้อยมากในอะตอมของพวกมันซึ่งรวมกลุ่มกันอย่างแน่นหนาในรูปแบบตาข่ายผลึก ถึงกระนั้นอิเล็กตรอนยังสามารถหลุดออกและไหลได้ แต่เมื่อใช้เงื่อนไขเฉพาะเท่านั้น

เมื่อกล่าวเช่นนี้จึงเป็นไปได้ที่จะเพิ่มอัตราการนำในเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้โดยการแนะนำหรือแทนที่อะตอมของ 'ผู้บริจาค' หรือ 'ตัวรับ' บางชนิดให้เป็นโครงร่างผลึกทำให้สามารถปลดปล่อย 'อิเล็กตรอนอิสระ' และ 'หลุม' หรือรอง ในทางกลับกัน

สิ่งนี้ดำเนินการโดยการนำวัสดุภายนอกจำนวนหนึ่งเข้ากับวัสดุที่มีอยู่เช่นซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียม

โดยตัวของมันเองวัสดุอย่างซิลิกอนและเจอร์เมเนียมถูกจัดประเภทเป็นเซมิคอนดักเตอร์ภายในเนื่องจากลักษณะทางเคมีที่บริสุทธิ์มากและการมีอยู่ของวัสดุกึ่งตัวนำที่สมบูรณ์

นอกจากนี้ยังหมายความว่าด้วยการใช้ปริมาณสิ่งเจือปนที่ควบคุมได้เราสามารถกำหนดอัตราการนำในวัสดุที่อยู่ภายในเหล่านี้ได้

เราสามารถแนะนำประเภทของสิ่งสกปรกที่เรียกว่าผู้บริจาคหรือตัวรับให้กับวัสดุเหล่านี้เพื่อปรับปรุงสิ่งเหล่านี้ด้วยอิเล็กตรอนอิสระหรือฟรีโฮล

ในกระบวนการเหล่านี้เมื่อสิ่งเจือปนถูกเพิ่มเข้าไปในวัสดุภายในในสัดส่วน 1 อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ต่อ 10 ล้านอะตอมของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์จะเรียกว่า ยาสลบ .

ด้วยการแนะนำสิ่งเจือปนที่เพียงพอวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามารถเปลี่ยนเป็นวัสดุประเภท N หรือ P-Type ได้

ซิลิคอนเป็นหนึ่งในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดโดยมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัวอยู่ทั่วเปลือกนอกสุดและยังล้อมรอบด้วยอะตอมที่อยู่ติดกันซึ่งก่อให้เกิดวงโคจรทั้งหมด 8 อิเล็กตรอน

พันธะระหว่างอะตอมของซิลิกอนทั้งสองได้รับการพัฒนาในลักษณะที่ทำให้สามารถแบ่งปันอิเล็กตรอนหนึ่งตัวกับอะตอมที่อยู่ติดกันซึ่งนำไปสู่พันธะที่มีเสถียรภาพที่ดี

ผลึกซิลิกอนในรูปบริสุทธิ์อาจมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอิสระน้อยมากเนื่องจากเป็นคุณสมบัติของฉนวนที่ดีซึ่งมีค่าความต้านทานสูง

การเชื่อมต่อวัสดุซิลิกอนกับความต่างศักย์จะไม่ช่วยให้เกิดการนำไฟฟ้าใด ๆ ผ่านไปได้เว้นแต่จะมีการสร้างขั้วบวกหรือขั้วลบบางชนิดเข้าไป

และในการสร้างขั้วดังกล่าวกระบวนการของ Doping จะถูกนำไปใช้ในวัสดุเหล่านี้โดยการเพิ่มสิ่งสกปรกตามที่กล่าวไว้ในย่อหน้าก่อนหน้า

ทำความเข้าใจโครงสร้างซิลิคอนอะตอม

ภาพของตาข่ายคริสตัลซิลิกอน

อะตอมของซิลิกอนแสดงอิเล็กตรอน 4 ตัวในวงโคจรเวเลนซ์

ในภาพด้านบนเราจะเห็นว่าโครงสร้างของตาข่ายคริสตัลซิลิกอนบริสุทธิ์ปกติมีลักษณะอย่างไร สำหรับสิ่งเจือปนโดยปกติแล้ววัสดุเช่นสารหนูพลวงหรือฟอสฟอรัสจะถูกนำมาใช้ภายในผลึกเซมิคอนดักเตอร์เพื่อเปลี่ยนให้เป็นภายนอกซึ่งหมายถึง 'มีสิ่งเจือปน'

สิ่งสกปรกที่กล่าวถึงนั้นประกอบด้วยอิเล็กตรอน 5 ตัวบนวงนอกสุดที่เรียกว่าสิ่งเจือปน 'Pentavalent' เพื่อใช้ร่วมกับอะตอมที่อยู่ติดกัน
สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่า 4 ใน 5 อะตอมสามารถรวมกับอะตอมของซิลิกอนที่อยู่ติดกันได้โดยไม่รวม 'อิเล็กตรอนอิสระ' เพียงตัวเดียวซึ่งสามารถตั้งค่าเป็นอิสระได้เมื่อเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้า

ในกระบวนการนี้เนื่องจากอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์เริ่ม 'บริจาค' อิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมใกล้เคียงอะตอม 'Pentavalent' จึงถูกตั้งชื่อเป็น 'ผู้บริจาค'

การใช้พลวงสำหรับยาสลบ

แอนติโมนี (Sb) และฟอสฟอรัส (P) มักจะกลายเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการนำสิ่งเจือปน 'เพนทาวาเลนต์' ไปสู่ซิลิคอน อะตอมของพลวงแสดงอิเล็กตรอน 5 ตัวในวงโคจรเวเลนซ์ สารกึ่งตัวนำชนิด p

ใน Antimony 51 อิเล็กตรอนจะติดตั้งบนเปลือกหอย 5 เปลือกรอบนิวเคลียสในขณะที่วงนอกสุดประกอบด้วยอิเล็กตรอน 5 ตัว
ด้วยเหตุนี้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์พื้นฐานจึงสามารถรับอิเล็กตรอนที่มีกระแสไฟฟ้าเพิ่มเติมได้โดยแต่ละตัวมีประจุลบ ดังนั้นจึงมีชื่อว่า 'วัสดุประเภท N'

นอกจากนี้อิเล็กตรอนยังได้รับการขนานนามว่าเป็น 'Majority Carriers' และรูที่พัฒนาต่อมาจะเรียกว่า 'Minority Carriers'

เมื่อสารกึ่งตัวนำที่เจือ Antimony อยู่ภายใต้ศักย์ไฟฟ้าอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะหลุดออกจะถูกแทนที่ด้วยอิเล็กตรอนอิสระจากอะตอมของ Antimony ทันที อย่างไรก็ตามเนื่องจากกระบวนการนี้ทำให้อิเล็กตรอนอิสระลอยอยู่ภายในคริสตัลเจืออยู่ในที่สุดจึงทำให้มันเป็นวัสดุที่มีประจุลบ

ในกรณีนี้เซมิคอนดักเตอร์อาจเรียกได้ว่าเป็นชนิด N หากมีความหนาแน่นของผู้บริจาคสูงกว่าความหนาแน่นของตัวรับ หมายถึงเมื่อมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระสูงกว่าเมื่อเทียบกับจำนวนหลุมทำให้เกิดโพลาไรเซชันเป็นลบดังที่ระบุไว้ด้านล่าง

ทำความเข้าใจ P-Type Semiconductor

หากเราพิจารณาสถานการณ์ในทางกลับกันการแนะนำสิ่งเจือปน 'Trivalent' 3 อิเล็กตรอนลงในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ตัวอย่างเช่นถ้าเราแนะนำอลูมิเนียมโบรอนหรืออินเดียมซึ่งมีอิเล็กตรอน 3 ตัวในพันธะเวเลนซ์ดังนั้นพันธะที่ 4 จึงไม่สามารถก่อตัวได้

ด้วยเหตุนี้การเชื่อมต่ออย่างทั่วถึงจึงเป็นเรื่องยากทำให้เซมิคอนดักเตอร์มีพาหะที่มีประจุบวกจำนวนมาก พาหะเหล่านี้เรียกว่า 'หลุม' บนโครงตาข่ายเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดเนื่องจากมีอิเล็กตรอนหายไปจำนวนมาก

ตอนนี้เนื่องจากมีรูในผลึกซิลิกอนอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้ ๆ จะถูกดึงดูดเข้ามาที่รูพยายามที่จะเติมเต็มช่อง อย่างไรก็ตามทันทีที่อิเล็กตรอนพยายามทำสิ่งนี้มันจะหลุดจากตำแหน่งเพื่อสร้างหลุมใหม่ในตำแหน่งก่อนหน้า

สิ่งนี้จะดึงดูดอิเล็กตรอนตัวถัดไปซึ่งจะออกจากรูใหม่อีกครั้งในขณะที่พยายามครอบครองรูถัดไป กระบวนการดำเนินต่อไปโดยให้ความรู้สึกว่าจริง ๆ แล้วรูกำลังเคลื่อนที่หรือสตรีมผ่านเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งโดยทั่วไปเรารับรู้ว่าเป็นรูปแบบการไหลแบบเดิมของกระแส

เมื่อ 'หลุมดูเหมือนจะเคลื่อนที่' ทำให้เกิดการขาดแคลนอิเล็กตรอนทำให้คริสตัลที่เจือทั้งหมดได้รับขั้วบวก

เนื่องจากอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์แต่ละตัวมีหน้าที่ในการสร้างหลุมสิ่งสกปรกเล็กน้อยเหล่านี้จึงถูกเรียกว่า 'ตัวรับ' เนื่องจากสิ่งเหล่านี้รับอิเล็กตรอนอิสระอย่างต่อเนื่องในกระบวนการ
โบรอน (B) เป็นหนึ่งในสารเติมแต่งไตรวาเลนต์ซึ่งนิยมใช้สำหรับกระบวนการเติมสารที่อธิบายไว้ข้างต้น

เมื่อใช้โบรอนเป็นวัสดุยาสลบจะทำให้การนำส่วนใหญ่มีพาหะที่มีประจุบวก
สิ่งนี้ส่งผลให้การสร้างวัสดุประเภท P มีรูบวกที่เรียกว่า 'Majority carriers' ในขณะที่อิเล็กตรอนอิสระเรียกว่า 'Minority carriers'

สิ่งนี้อธิบายว่าวัสดุฐานเซมิคอนดักเตอร์เปลี่ยนเป็นชนิด P ได้อย่างไรเนื่องจากความหนาแน่นของอะตอมตัวรับที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับอะตอมของผู้บริจาค

โบรอนใช้สำหรับยาสลบอย่างไร

อะตอมโบรอนแสดงอิเล็กตรอน 3 ตัวในพันธะวาเลนซ์ชั้นนอก

ตารางธาตุสำหรับเซมิคอนดักเตอร์

สรุปพื้นฐานของเซมิคอนดักเตอร์

N-Type Semiconductor (เจือด้วย Pentavalent Impurity เช่น Antimony เป็นต้น)

สารกึ่งตัวนำดังกล่าวซึ่งเจือด้วยอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ของเพนทาวาเลนต์ถูกเรียกว่าเป็นผู้บริจาคเนื่องจากพวกมันแสดงการนำผ่านการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนดังนั้นจึงเรียกว่า N-Type Semiconductors
ใน N-type Semiconductor เราพบ:

  1. ผู้บริจาคที่คิดค่าบริการเป็นบวก
  2. อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก
  3. จำนวน 'หลุม' ค่อนข้างน้อยกว่าเมื่อเทียบกับ 'อิเล็กตรอนอิสระ'
  4. อันเป็นผลมาจากการใช้ยาสลบผู้บริจาคที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบจะถูกสร้างขึ้น
  5. การประยุกต์ใช้ความต่างศักย์ส่งผลให้เกิดการพัฒนาของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและรูที่มีประจุบวก

P-Type Semiconductor (ตัวอย่างเช่นเจือด้วย Trivalent Impurity เช่นโบรอน)

สารกึ่งตัวนำดังกล่าวซึ่งเจือด้วยอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ของ Trivalent เรียกว่าตัวรับเนื่องจากแสดงการนำผ่านการเคลื่อนที่ของรูจึงเรียกว่า P-Type Semiconductors
ใน N-type Semiconductor เราพบ:

  1. ผู้ยอมรับที่ถูกเรียกเก็บเงินในทางลบ
  2. จำนวนหลุมมากมาย
  3. อิเล็กตรอนอิสระมีจำนวนค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับการมีรู
  4. การเจือปนส่งผลให้เกิดตัวรับประจุลบและหลุมที่มีประจุบวก
  5. การใช้แรงดันไฟฟ้าที่ยื่นทำให้เกิดหลุมที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบ

เซมิคอนดักเตอร์ประเภท P และ N นั้นเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยธรรมชาติ
โดยทั่วไปพลวง (Sb) และโบรอน (B) เป็นวัสดุสองชนิดที่ใช้เป็นสารต้องห้ามเนื่องจากมีจำนวนมาก สิ่งเหล่านี้มีชื่อว่า 'mettaloids'

พูดอย่างนี้ถ้าคุณดูตารางธาตุคุณจะพบวัสดุอื่น ๆ ที่คล้ายคลึงกันซึ่งมีอิเล็กตรอน 3 หรือ 5 ตัวอยู่ในวงอะตอมวงนอกสุด เป็นนัยว่าวัสดุเหล่านี้ยังสามารถเหมาะสำหรับวัตถุประสงค์ของยาสลบ
ตารางธาตุ




คู่ของ: วงจรป้อนสุนัขที่ควบคุมด้วยโทรศัพท์มือถือ ถัดไป: ทำความเข้าใจเกี่ยวกับวงจรเครื่องขยายเสียง