ความรู้ด้านสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor)

สารกึ่งตัวนำ คือ วัสดุที่มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า อยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน กล่าวคือ บางสภาวะจะทำตัวเป็นฉนวนไฟฟ้า และ บางสภาวะจะทำตัวเป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น ซิลิกอน เจอร์เมเนียม เทลลูเนียม เป็นต้น สารดังกล่าวเหล่านี้ มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ คือ มีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระอยู่น้อย จึงไม่สามารถให้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมาก ฉะนั้น เพื่อที่จะให้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมาก เราจึงต้องมีการปรุงแต่ง โดยการเจือปนอะตอมของธาตุอื่นลงไปในเนื้อสารเนื้อเดียวเหล่านี้จะเกิดเป็น สารประกอบ ที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ สารกึ่งตัวนำที่สร้างขึ้นโดยวิธีดังกล่าวนี้ เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ หรือสารกึ่งตัวนำแบบสารประกอบ ตามลำดับ ซึ่งจะนำไปใช้ในการสร้างอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เช่น ไดโอด ทรานชิสเตอร์ ฯลฯ การค้นพบสารกึ่งตัวนำ นับเป็นการค้นพบที่ฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ครั้งยิ่งใหญ่ 

ในทางไฟฟ้าสามารถจำแนกลักษณะของสารได้เป็น 3 กลุ่ม นั่นคือ ตัวนำ (Conductor) ฉนวน (Insulator) และสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ซึ่งแต่ละชนิดจะมีโครงสร้างของอะตอมไม่เหมือนกัน

ชนิดของสารกึ่งตัวนำ

ตามหลักทางวิทยาศาสตร์แล้ว สารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดี โดยการเติมสารเจือปนลงไป หรือที่เรียกกันทับศัพท์ว่า "การโดป" (Doping) การโดปสารนั้น สามารถแบ่งออกได้ 2 ชนิด ประกอบไปด้วย

สารกึ่งตัวนำ ประเภท N (Negative-type Semiconductor | N-Type)

สารกึ่งตัวนำชนิด N มีโครงสร้างที่เกิดจากการเติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 5 ตัว เช่น สารหนู(Arsenic) พลวง (Antimony) ฟอสฟอรัส (Phosphorus) ลงไป จากเดิมที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว ทำให้มีอิเล็กตรอน 9 ตัว เกิดสภาวะจำนวนอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าจำนวนของโฮล 1 ตัว  เรียกว่าสภาวะ อิเล็กตรอนอิสระ  (กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ  โฮล (Hole) น้อยกว่าจำนวนอิเล็กตรอน) จึงทำให้ สารกึ่งตัวนำชนิด N พยายามที่จะปล่อยอิเล็กตรอนส่วนที่เกินเคลื่อนที่ออกไปได้อย่างอิสระ จึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้เช่นเดียวกับตัวนำทั่วไป

สารกึ่งตัวนำ ประเภท P (Positive-type Semiconductor | P-Type)

สารกึ่งตัวนำชนิด P มีโครงสร้างที่เกิดจากการเติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว เช่น โบรอน(Boron) อลูมิเนียม(Aluminum) หรือแกลเลียม(Gallium) ลงไป จากเดิมที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว ทำให้มีอิเล็กตรอน 7 ตัว เกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอน คือ ทำให้เกิดที่ว่างของอิเล็กตรอน ซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) มากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ จึงทำให้สารกึ่งตัวนำชนิด P พยายามดึงอิเล็กตรอนที่มีสภาพเป็นประจุไฟฟ้าลบ เคลื่อนที่ไปอยู่ในโฮล ที่ส่วนใหญ่มีสภาพเป็นประจุไฟฟ้าบวก ทำให้ดูคล้ายกับโฮลเคลื่อนที่ได้ จึงทำให้กระแสไหลได้

ภาพจาก scimath.org