อุปกรณ์กึ่งตัวนำ: ประเภทการใช้งานและตัวอย่าง - ดูดาส

เซมิคอนดักเตอร์เป็นองค์ประกอบที่มีประสิทธิภาพการทำงานของสื่อกระแสการคัดเลือกหรือฉนวนขึ้นอยู่กับสภาพภายนอกที่พวกเขาจะยัดเยียดเช่นอุณหภูมิ, ความดัน, การฉายรังสีและสนามไฟฟ้าหรือแม่เหล็ก

ในตารางธาตุมีองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์ 14 ชนิดซึ่ง ได้แก่ ซิลิคอนเจอร์เมเนียมซีลีเนียมแคดเมียมอลูมิเนียมแกลเลียมโบรอนอินเดียมและคาร์บอน สารกึ่งตัวนำเป็นของแข็งที่มีลักษณะเป็นผลึกที่มีการนำไฟฟ้าปานกลางดังนั้นจึงสามารถใช้ dually เป็นตัวนำและฉนวนได้

หากใช้เป็นตัวนำภายใต้เงื่อนไขบางประการจะอนุญาตให้มีการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้า แต่ในทิศทางเดียวเท่านั้น นอกจากนี้ยังไม่มีการนำไฟฟ้าสูงเท่ากับโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

เซมิคอนดักเตอร์ใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเช่นทรานซิสเตอร์ไดโอดและวงจรรวม นอกจากนี้ยังใช้เป็นอุปกรณ์เสริมหรือส่วนเสริมสำหรับเซ็นเซอร์ออปติคัลเช่นเลเซอร์โซลิดสเตตและอุปกรณ์ไฟฟ้าบางอย่างสำหรับระบบส่งกำลังไฟฟ้า

ในปัจจุบันองค์ประกอบประเภทนี้ถูกนำมาใช้เพื่อการพัฒนาทางเทคโนโลยีในด้านโทรคมนาคมระบบควบคุมและการประมวลผลสัญญาณทั้งในงานในประเทศและในอุตสาหกรรม

ประเภท

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มีหลายประเภทขึ้นอยู่กับสิ่งสกปรกที่มีอยู่และการตอบสนองทางกายภาพต่อสิ่งเร้าในสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน

เซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริง

เป็นองค์ประกอบที่มีโครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียว ในบรรดาสารกึ่งตัวนำภายในประเภทนี้ ได้แก่ ซิลิโคและเจอร์เมเนียม

โครงสร้างโมเลกุลของสารกึ่งตัวนำภายในคือ tetrahedral; นั่นคือมีพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมรอบ ๆ สี่อะตอมดังที่แสดงในภาพด้านล่าง

แต่ละอะตอมของสารกึ่งตัวนำภายในมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว นั่นคืออิเล็กตรอน 4 ตัวโคจรอยู่ในเปลือกนอกสุดของแต่ละอะตอม ในทางกลับกันอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะสร้างพันธะกับอิเล็กตรอนที่อยู่ติดกัน

ด้วยวิธีนี้แต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอน 8 ตัวในชั้นผิวเผินที่สุดซึ่งสร้างพันธะที่มั่นคงระหว่างอิเล็กตรอนและอะตอมที่ประกอบเป็นโครงตาข่ายคริสตัล

เนื่องจากการกำหนดค่านี้อิเล็กตรอนจึงเคลื่อนที่ไม่สะดวกภายในโครงสร้าง ดังนั้นภายใต้เงื่อนไขมาตรฐานเซมิคอนดักเตอร์ที่อยู่ภายในจึงทำงานเหมือนฉนวน

อย่างไรก็ตามความสามารถในการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำภายในจะสูงขึ้นเมื่อใดก็ตามที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเนื่องจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนบางตัวดูดซับพลังงานความร้อนและแยกออกจากพันธะ

อิเล็กตรอนเหล่านี้จะกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระและหากมีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้านำไปสู่การไหลเวียนของกระแสไฟฟ้าภายในตาข่ายคริสตัล

ในกรณีนี้อิเล็กตรอนอิสระจะกระโดดเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้าและไปที่ขั้วบวกของแหล่งกำเนิดศักย์ (เช่นแบตเตอรี่)

การเคลื่อนที่ของเวเลนซ์อิเล็กตรอนทำให้เกิดสุญญากาศในโครงสร้างโมเลกุลซึ่งแปลเป็นผลคล้ายกับที่เกิดจากประจุบวกในระบบซึ่งเป็นสาเหตุที่ถือว่าพวกมันเป็นพาหะของประจุบวก

จากนั้นจะมีผลย้อนกลับเนื่องจากอิเล็กตรอนบางตัวสามารถตกลงจากแถบการนำไฟฟ้าไปยังเปลือกวาเลนซ์ที่ปล่อยพลังงานในกระบวนการซึ่งเรียกว่าการรวมตัวกันใหม่

เซมิคอนดักเตอร์ภายนอก

พวกเขาสอดคล้องโดยรวมสิ่งสกปรกภายในตัวนำภายใน นั่นคือโดยการผสมผสานองค์ประกอบ trivalent หรือ pentavalent

กระบวนการนี้เรียกว่ายาสลบและมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของวัสดุเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางไฟฟ้า

โดยการแทนที่อะตอมเซมิคอนดักเตอร์ภายในสำหรับอะตอมของส่วนประกอบอื่นสามารถรับเซมิคอนดักเตอร์ภายนอกได้สองประเภทซึ่งมีรายละเอียดด้านล่าง

สารกึ่งตัวนำชนิด P

ในกรณีนี้สิ่งเจือปนเป็นองค์ประกอบของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความสามารถพิเศษ นั่นคือมีอิเล็กตรอนสาม (3) ตัวในเปลือกวาเลนซ์

องค์ประกอบที่ล่วงล้ำภายในโครงสร้างเรียกว่าองค์ประกอบยาสลบ ตัวอย่างขององค์ประกอบเหล่านี้สำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด P ได้แก่ โบรอน (B) แกลเลียม (Ga) หรืออินเดียม (In)

การขาดเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ทั้งสี่ของเซมิคอนดักเตอร์ภายในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P มีช่องว่างในพันธะที่ขาดหายไป

สิ่งนี้ทำให้ทางเดินของอิเล็กตรอนที่ไม่ได้อยู่ในโครงผลึกผ่านรูนี้ซึ่งมีประจุบวก

เนื่องจากมีประจุบวกของหลุมพันธะตัวนำประเภทนี้จึงถูกกำหนดด้วยตัวอักษร "P" ดังนั้นจึงได้รับการยอมรับว่าเป็นตัวรับอิเล็กตรอน

การไหลของอิเล็กตรอนผ่านรูในพันธะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ไหลเวียนไปในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสที่ได้จากอิเล็กตรอนอิสระ

สารกึ่งตัวนำชนิด N

องค์ประกอบที่ล่วงล้ำในการกำหนดค่าถูกกำหนดโดยองค์ประกอบ pentavalent นั่นคือพวกที่มีอิเล็กตรอนห้า (5) ตัวในแถบวาเลนซ์

ในกรณีนี้สิ่งสกปรกที่รวมอยู่ในเซมิคอนดักเตอร์ภายในเป็นองค์ประกอบต่างๆเช่นฟอสฟอรัส (P) พลวง (Sb) หรือสารหนู (As)

สารเจือปนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพิ่มเติมซึ่งไม่มีพันธะโควาเลนต์ให้ผูกติดอยู่โดยอัตโนมัติโดยอัตโนมัติที่จะเคลื่อนที่ผ่านตาข่ายคริสตัล

ที่นี่กระแสไฟฟ้าไหลเวียนผ่านวัสดุเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระมากเกินไปจากสารเจือปน ดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์ประเภท N จึงถือว่าเป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน

ลักษณะเฉพาะ

เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะการทำงานแบบคู่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานความหลากหลายของการใช้งานและต้นทุนต่ำ ลักษณะเด่นของเซมิคอนดักเตอร์มีรายละเอียดด้านล่าง

- การตอบสนอง (เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหรือฉนวน) อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความไวขององค์ประกอบต่อแสงสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในสิ่งแวดล้อม

- ถ้าเซมิคอนดักเตอร์อยู่ภายใต้อุณหภูมิต่ำอิเล็กตรอนจะยังคงรวมกันอยู่ในแถบวาเลนซ์ดังนั้นจึงไม่มีอิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้นสำหรับการหมุนเวียนของกระแสไฟฟ้า

ในทางกลับกันถ้าเซมิคอนดักเตอร์สัมผัสกับอุณหภูมิสูงการสั่นสะเทือนจากความร้อนอาจส่งผลต่อความแข็งแรงของพันธะโควาเลนต์ของอะตอมของธาตุทำให้อิเล็กตรอนอิสระสำหรับการนำไฟฟ้า

- การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสัดส่วนของสิ่งสกปรกหรือองค์ประกอบของยาสลบภายในเซมิคอนดักเตอร์ภายใน

ตัวอย่างเช่นถ้าอะตอมของโบรอน 10 อะตอมรวมอยู่ในหนึ่งล้านอะตอมของซิลิคอนอัตราส่วนดังกล่าวจะเพิ่มการนำไฟฟ้าของสารประกอบเป็นพันเท่าเมื่อเทียบกับการนำของซิลิกอนบริสุทธิ์

- การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์แตกต่างกันไปในช่วงระหว่าง 1 ถึง 10 ^-6 S.cm ^-1ขึ้นอยู่กับชนิดขององค์ประกอบทางเคมีที่ใช้

- สารกึ่งตัวนำคอมโพสิตหรือภายนอกสามารถมีคุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าที่เหนือกว่าคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ภายในมากตัวอย่างเช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซึ่งใช้เป็นส่วนใหญ่ในความถี่วิทยุและการใช้งานด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ

การประยุกต์ใช้งาน

สารกึ่งตัวนำถูกใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นวัตถุดิบในการประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจำวันของเราเช่นวงจรรวม

หนึ่งในองค์ประกอบหลักของวงจรรวมคือทรานซิสเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ตอบสนองฟังก์ชั่นในการให้สัญญาณเอาต์พุต (ออสซิลเลเตอร์ขยายหรือแก้ไข) ตามสัญญาณอินพุตเฉพาะ

นอกจากนี้เซมิคอนดักเตอร์ยังเป็นวัสดุหลักสำหรับไดโอดที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

สำหรับการออกแบบไดโอดจะมีการสร้างรอยต่อเซมิคอนดักเตอร์ภายนอกชนิด P และชนิด N โดยการสลับองค์ประกอบของผู้บริจาคอิเล็กตรอนและพาหะกลไกการปรับสมดุลจะทำงานระหว่างทั้งสองโซน

ดังนั้นอิเล็กตรอนและโฮลในทั้งสองโซนจึงตัดกันและเสริมกันตามความจำเป็น สิ่งนี้เกิดขึ้นได้สองวิธี:

- การถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากโซน N ไปยังโซน P เกิดขึ้นโซนชนิด N ได้รับโซนประจุบวกเป็นส่วนใหญ่

- มีทางผ่านของรูรับอิเล็กตรอนจากโซนชนิด P ไปยังโซนชนิด N โซนประเภท P ได้รับประจุลบส่วนใหญ่

ในที่สุดสนามไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นเพื่อกระตุ้นการไหลเวียนของกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น นั่นคือจากโซน N ถึงโซน P

นอกจากนี้การใช้เซมิคอนดักเตอร์ภายในและภายนอกร่วมกันสามารถผลิตอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่คล้ายกับหลอดสุญญากาศที่มีปริมาตรหลายร้อยเท่า

การใช้งานประเภทนี้ใช้กับวงจรรวมเช่นชิปไมโครโปรเซสเซอร์ที่ครอบคลุมพลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก

อุปกรณ์กึ่งตัวนำมีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้ในชีวิตประจำวันเช่นอุปกรณ์สายสีน้ำตาลเช่นโทรทัศน์เครื่องเล่นวิดีโอเครื่องเสียง คอมพิวเตอร์และโทรศัพท์มือถือ

ตัวอย่าง

เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์คือซิลิกอน (Si) สารนี้มีอยู่ในอุปกรณ์ที่ประกอบเป็นวงจรรวมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตประจำวันของเรา

ซิลิคอนเจอร์เมเนียมอัลลอย (SiGe) ใช้ในวงจรรวมความเร็วสูงสำหรับเรดาร์และแอมพลิฟายเออร์ของเครื่องมือไฟฟ้าเช่นกีต้าร์ไฟฟ้า

อีกตัวอย่างหนึ่งของเซมิคอนดักเตอร์คือแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องขยายสัญญาณโดยเฉพาะสำหรับสัญญาณที่มีอัตราขยายสูงและระดับเสียงต่ำ

อ้างอิง

ไบรอัน, M. (nd). เซมิคอนดักเตอร์ทำงานอย่างไร ดึงมาจาก: electronics.howstuffworks.com
แลนดิน, P. (2014). เซมิคอนดักเตอร์ภายในและภายนอก สืบค้นจาก: pelandintecno.blogspot.com
Rouse, M. (nd). สารกึ่งตัวนำ. ดึงมาจาก: whatis.techtarget.com
เซมิคอนดักเตอร์ (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. ลอนดอนสหราชอาณาจักร ดึงมาจาก: britannica.com
Wikipedia, สารานุกรมเสรี (2018). สารกึ่งตัวนำ. สืบค้นจาก: es.wikipedia.org

อุปกรณ์กึ่งตัวนำ: ประเภทการใช้งานและตัวอย่าง - ดูดาส - 2024