ตัวอย่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

ตามความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้า วัสดุแบ่งออกเป็นสามประเภท: ตัวนำ ฉนวน และเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของตัวนำคือโลหะ เช่น ทองแดง Cu อลูมิเนียม Al และเงิน Ag; และฉนวนโพลีเมอร์และแก้ว ชั้นที่สามจะกล่าวถึงด้านล่าง: เซมิคอนดักเตอร์

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์อยู่ในคุณสมบัติของฉนวนและตัวนำSilicon Si และ Germanium Ge เป็นตัวอย่างที่รู้จักกันดีของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งมักใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ. คุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้หลายระดับ โดยเพิ่มปริมาณอะตอมแปลกปลอมที่ควบคุมได้ให้กับวัสดุ

เซมิคอนดักเตอร์ทำหน้าที่เป็นฉนวนที่อุณหภูมิต่ำ แต่ถ้าเพิ่มขึ้น พวกมันจะทำหน้าที่เป็นตัวนำ ความเป็นคู่ของการนำไฟฟ้านี้เกิดจากการที่วาเลนซ์อิเล็กตรอนของวัสดุถูกผูกมัดอย่างหลวม ๆ กับนิวเคลียสของพวกมัน ปรมาณู แต่ไม่เพียงพอ เพื่อให้อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะทำให้อะตอมหมุนเวียนผ่านโครงตาข่ายอะตอมของ วัสดุ. ทันทีที่อิเล็กตรอนออกจากอะตอม มันจะทิ้งรูไว้แทนที่ซึ่งสามารถเติมด้วยอิเล็กตรอนอีกตัวที่หมุนเวียนอยู่ในตาข่ายได้

นี่เป็นกรณีขององค์ประกอบทางเคมีที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ได้แก่ Silicon Si และ Germanium Ge ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัวที่ระดับสุดท้าย ควรสังเกตว่า การเพิ่มพลังงานให้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ นอกจากการถ่ายเทความร้อนแล้ว ยังสามารถใช้แสงได้อีกด้วย

เพื่อให้เข้าใจพฤติกรรมของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ได้ดีขึ้น จะใช้ทฤษฎีวงดนตรี

ทฤษฎีวงดนตรี

 แนวคิดของ วงวาเลนเซีย ซึ่งเป็นพลังงานสะสมที่ครอบครองโดยวาเลนซ์อิเล็กตรอน.

นอกจากนี้ ทฤษฎีนี้ยังจัดการกับคำจำกัดความของ Conduction Band เป็นพลังงานรวมที่อิเล็กตรอนต้องดึงออกจากอะตอม อิเล็กตรอนที่อยู่ในแถบการนำไฟฟ้าสามารถหมุนเวียนผ่านวัสดุได้หากมีแรงดันไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนระหว่างจุดสองจุด

จากทั้งสอง Bands จะศึกษากรณีของ Conductor, Insulator และ Semiconductor เพื่อให้มีมุมมองสำหรับกรณีหลัง

สำหรับตัวนำไฟฟ้า พลังงานของแถบวาเลนเซียมีค่ามากกว่าอิเล็กตรอนของแถบการนำไฟฟ้า ในลักษณะที่แถบคาบเกี่ยวกันและอิเล็กตรอนของวาเลนเซียจำนวนมากถูกวางไว้บนตัวนำได้ง่ายมาก ดังนั้นจึงมีตัวเลือกให้หมุนเวียนอยู่ตรงกลาง

สำหรับฉนวน ในทางกลับกัน Energy of the Conduction Band นั้นมากกว่า Energy of the Valencia Band มาก มีช่องว่างระหว่างวาเลนเซียแบนด์และ Conduction Band เพื่อให้อิเลคตรอนของวาเลนเซียไม่สามารถเข้าถึง Conduction Band ซึ่งจะว่างเปล่า นั่นคือเหตุผลที่ฉนวนไม่ดำเนินการ วัสดุเหล่านี้สามารถนำไฟฟ้าได้ที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น

ในกรณีของเซมิคอนดักเตอร์ วง Conduction Band ยังคงมากกว่าวงวาเลนเซีย แต่ช่องว่างระหว่างทั้งสองนั้นเล็กกว่ามาก เพื่อให้อิเลคตรอนบาเลนเซียกระโดดไปที่ Conduction Band และสามารถหมุนเวียนผ่านสื่อได้ด้วยการเพิ่มขึ้นอย่างกระฉับกระเฉง เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดจากแถบวาเลนเซียไปยังแถบการนำไฟฟ้า มันจะทิ้งไข่ไว้ในแถบวาเลนเซียซึ่งถือว่าเป็นพาหะของกระแสไฟฟ้าด้วย

ในเซมิคอนดักเตอร์ ตัวนำกระแสไฟฟ้าสองประเภทมีความโดดเด่น: อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ และรูที่มีประจุบวก

ประเภทของสารกึ่งตัวนำ 

เซมิคอนดักเตอร์มีสองประเภทตามความบริสุทธิ์ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในสถานะบริสุทธิ์เรียกว่าสารกึ่งตัวนำภายใน และยังมี Extrinsic Semiconductors ที่บริสุทธิ์แต่ปนเปื้อนสิ่งเจือปนในสัดส่วนที่เล็กมาก เหมือนอนุภาคหนึ่งในทุกๆ ล้าน

กระบวนการปนเปื้อนนี้เรียกว่า Doping ซึ่งจะแสดงออกมาเป็นสองประเภท

ยาสลบชนิดแรกคือ Type N, ซึ่งใน วัสดุปนเปื้อนด้วยความจุ 5 อะตอมเช่น ฟอสฟอรัส P, สารหนู As หรือพลวง Sb. โดยเกี่ยวข้องกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่ห้าในโครงสร้างของ อะตอมเตตระวาเลนต์ ถูกบังคับให้เคลื่อนที่ผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ โดยไม่พบตำแหน่งที่มั่นคงซึ่ง ถูกวาง. เซตของอิเล็กตรอนที่หลงทางเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กตรอนส่วนใหญ่

ยาสลบชนิดที่สองคือ Type P, ซึ่งใน วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ปนเปื้อนด้วยอะตอมของความจุ3เช่น โบรอน บี แกลเลียม แก หรืออินเดียมอิน หากอะตอมนี้ถูกนำเข้าสู่วัสดุ จะมีรูที่อิเล็กตรอนควรไป รูจะเคลื่อนผ่านโครงสร้างของวัสดุได้ง่าย ราวกับว่าเป็นพาหะของประจุบวก ในกรณีนี้ หลุมเป็นพาหะส่วนใหญ่

การประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์: ไดโอด

ไดโอดเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยการรวมตัวของผลึกเซมิคอนดักเตอร์ภายนอกสองชิ้น หนึ่งประเภท N และอีกประเภท P การรวมอิเล็กตรอนประเภท N ส่วนเกินบางส่วนจะผ่านไปยังคริสตัลประเภท P และส่วนหนึ่งของรูประเภท P จะผ่านไปยังคริสตัลประเภท N แถบที่เรียกว่า Transition Zone ถูกสร้างขึ้นที่ทางแยกซึ่งมีสนามไฟฟ้าที่มีลักษณะเหมือนa กั้นที่ขวางทางอิเล็กตรอนจากโซน N ไปยังโซน P และรูจากโซน P ไปยังโซน NS.

เมื่อไดโอดเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ จะเกิดสองกรณีที่แตกต่างกัน: Forward Bias และ Reverse Bias

ใน Direct Polarization ขั้วบวกเชื่อมต่อกับคริสตัล P และขั้วลบกับคริสตัล N สิ่งนี้ทำให้เขตการเปลี่ยนแปลงแคบลงมาก ทำลายสิ่งกีดขวางและปล่อยให้กระแสไหลผ่านได้ฟรี ในสภาวะนี้ ไดโอดจะเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

ใน Reverse Polarization ขั้วบวกเชื่อมต่อกับคริสตัล N และขั้วลบกับคริสตัล P สิ่งนี้ทำให้เขตการเปลี่ยนภาพกว้างขึ้นมาก เสริมความแข็งแกร่งให้กับสิ่งกีดขวางที่ป้องกันกระแสไหลผ่าน ในกรณีนี้ ไดโอดเป็นฉนวน

แอพพลิเคชั่นของ Diode นั้นมีหลากหลาย อย่างไรก็ตาม แอปพลิเคชั่นที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือแอปพลิเคชั่นที่ใช้เป็นวงจรเรียงกระแส วงจรเรียงกระแสเป็นระบบที่สามารถแปลงสัญญาณอินพุตสลับไซน์เป็นสัญญาณอื่นที่มีความรู้สึกเดียวกัน เพื่อแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงในภายหลัง ก่อนแก้ไขกระแสไฟจะใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อลดค่าแรงดันไฟ

ตัวอย่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

ตามกลุ่มที่มีอยู่ในตารางธาตุ นี่คือตัวอย่างบางส่วนขององค์ประกอบของเซมิคอนดักเตอร์:

กลุ่ม IIIA: โบรอน B, อะลูมิเนียม Al, Gallium Ga, Indium In.

กลุ่มภาษีมูลค่าเพิ่ม: Silicon Si, Germanium Ge.

กลุ่ม VA: ฟอสฟอรัส P, สารหนู As, Antimony Sb.

กลุ่ม VIA: กำมะถัน S, Selenium Se, Tellurium Te.