สารกึ่งตัวนำคืออะไร

นอกจากตัวนำไฟฟ้าแล้ว ยังมีสารหลายชนิดในธรรมชาติที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าตัวนำโลหะอย่างมาก สารประเภทนี้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำประกอบด้วย: องค์ประกอบทางเคมีบางอย่าง เช่น ซีลีเนียม ซิลิคอน และเจอร์เมเนียม สารประกอบกำมะถัน เช่น แทลเลียมซัลไฟด์ แคดเมียมซัลไฟด์ ซิลเวอร์ซัลไฟด์ คาร์ไบด์ เช่น กากเพชร คาร์บอน (เพชร) โบรอน ดีบุก ฟอสฟอรัส พลวง สารหนู เทลลูเรียม ไอโอดีน และสารประกอบจำนวนหนึ่งที่มีองค์ประกอบอย่างน้อยหนึ่งองค์ประกอบจากกลุ่ม 4-7 ของระบบ Mendeleev นอกจากนี้ยังมีสารกึ่งตัวนำอินทรีย์

ธรรมชาติของการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับประเภทของสิ่งเจือปนที่มีอยู่ในวัสดุฐานของเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีการผลิตของส่วนประกอบ

เซมิคอนดักเตอร์ — สารที่มี การนำไฟฟ้า 10-10 — 104 (โอห์ม x ซม.)-1 อยู่ที่คุณสมบัติเหล่านี้ระหว่างตัวนำและฉนวนความแตกต่างระหว่างตัวนำ สารกึ่งตัวนำ และฉนวนตามทฤษฎีแบนด์มีดังนี้: ในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์และฉนวนอิเล็กทรอนิกส์ มีแถบพลังงานต้องห้ามระหว่างแถบที่เติม (วาเลนซ์) และแถบตัวนำ

ทำไมสารกึ่งตัวนำจึงนำกระแสได้

สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าได้หากอิเล็กตรอนวงนอกในอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์มีพันธะค่อนข้างอ่อนกับนิวเคลียสของอะตอมเหล่านั้น หากสารกึ่งตัวนำประเภทนี้สร้างสนามไฟฟ้า จากนั้นภายใต้อิทธิพลของพลังของสนามนี้ อิเล็กตรอนวงนอกของอะตอมสิ่งเจือปนของสารกึ่งตัวนำจะออกจากขอบเขตของอะตอมและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ

อิเล็กตรอนอิสระจะสร้างกระแสการนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำภายใต้อิทธิพลของแรงสนามไฟฟ้า ดังนั้นธรรมชาติของกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าจึงเหมือนกับตัวนำที่เป็นโลหะ แต่เนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระต่อหน่วยปริมาตรของสารกึ่งตัวนำน้อยกว่าหลายเท่าต่อหน่วยปริมาตรของตัวนำที่เป็นโลหะ จึงเป็นเรื่องปกติที่ในสภาวะอื่นๆ ทั้งหมดจะเหมือนกัน กระแสในสารกึ่งตัวนำจะน้อยกว่าในโลหะหลายเท่า ตัวนำ

สารกึ่งตัวนำมีค่าการนำไฟฟ้าแบบ "โฮล" หากอะตอมของสิ่งเจือปนไม่เพียงแต่ไม่ปล่อยอิเล็กตรอนวงนอกเท่านั้น แต่ในทางกลับกัน มีแนวโน้มที่จะจับอิเล็กตรอนของอะตอมของสารหลักของสารกึ่งตัวนำ หากอะตอมของสิ่งเจือปนดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของสารหลักจากนั้นในพื้นที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอน - "รู" จะเกิดขึ้นในภายหลัง

อะตอมของสารกึ่งตัวนำที่สูญเสียอิเล็กตรอนเรียกว่า "รูอิเล็กตรอน" หรือเรียกง่ายๆ ว่า "รู"ถ้า "โฮล" เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนที่ถ่ายโอนจากอะตอมข้างเคียง มันจะถูกกำจัดและอะตอมจะกลายเป็นกลางทางไฟฟ้า และ "โฮล" จะเคลื่อนที่ไปยังอะตอมข้างเคียงที่สูญเสียอิเล็กตรอนไป ดังนั้น หากใช้สนามไฟฟ้ากับสารกึ่งตัวนำที่มีสื่อนำ «โฮล» «โฮลอิเล็กตรอน» จะเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของสนามไฟฟ้านี้

ความเอนเอียงของ «รูอิเล็กตรอน» ในทิศทางของการกระทำของสนามไฟฟ้านั้นคล้ายกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวกในสนาม ดังนั้นจึงเป็นปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำไม่สามารถแยกความแตกต่างอย่างเคร่งครัดตามกลไกของการนำไฟฟ้าได้ เนื่องจากสารกึ่งตัวนำนี้สามารถมีค่าการนำไฟฟ้าแบบ "โฮล" ได้ในระดับหนึ่งหรืออีกระดับหนึ่ง

เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะดังนี้:

• ประเภทของการนำไฟฟ้า (อิเล็กทรอนิกส์ - n-type, รู -p -type);

• ความต้านทาน;

• อายุการใช้งานของตัวพาประจุ (ส่วนน้อย) หรือความยาวการแพร่กระจาย อัตราการรวมตัวกันของพื้นผิว

• ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่

ดูสิ่งนี้ด้วย: ลักษณะกระแส-แรงดันของสารกึ่งตัวนำ ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุด

อุณหภูมิเป็นสิ่งที่ส่งผลต่อลักษณะของเซมิคอนดักเตอร์ การเพิ่มขึ้นส่วนใหญ่นำไปสู่การลดลงของความต้านทานและในทางกลับกัน เช่น สารกึ่งตัวนำมีลักษณะเชิงลบ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน… ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ สารกึ่งตัวนำจะกลายเป็นฉนวน

อุปกรณ์จำนวนมากใช้เซมิคอนดักเตอร์ ในกรณีส่วนใหญ่จะต้องได้รับในรูปของผลึกเดี่ยวเพื่อให้มีคุณสมบัติที่ต้องการ เซมิคอนดักเตอร์จะถูกเจือด้วยสิ่งเจือปนต่างๆ ข้อกำหนดที่เพิ่มขึ้นกำหนดไว้สำหรับความบริสุทธิ์ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เริ่มต้น

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

การรักษาความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์

การบำบัดความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์ — การให้ความร้อนและความเย็นของเซมิคอนดักเตอร์ตามโปรแกรมที่กำหนดเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้า

การเปลี่ยนแปลง: การเปลี่ยนแปลงของผลึก ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ ความเข้มข้นของตำแหน่งที่ว่างหรือข้อบกพร่องของโครงสร้าง ประเภทของการนำไฟฟ้า ความเข้มข้น ความคล่องตัว และอายุการใช้งานของตัวพาประจุ นอกจากนี้ สี่ข้อสุดท้ายยังเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องของโครงสร้าง หรือการแพร่กระจายของสิ่งเจือปนในกลุ่มของผลึก

การให้ความร้อนแก่ตัวอย่างเจอร์เมเนียมจนถึงอุณหภูมิ >550 °C ตามด้วยการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วส่งผลให้ตัวรับความร้อนมีความเข้มข้นสูงขึ้น อุณหภูมิจะสูงขึ้น การหลอมครั้งต่อไปที่อุณหภูมิเดียวกันจะคืนค่าความต้านทานเริ่มต้น

กลไกที่เป็นไปได้ของปรากฏการณ์นี้คือการละลายของทองแดงในเจอร์เมเนียมแลตทิซที่ฟุ้งกระจายจากพื้นผิวหรือเคยสะสมอยู่บนความคลาดเคลื่อน การหลอมที่ช้าทำให้ทองแดงสะสมบนข้อบกพร่องของโครงสร้างและออกจากโครงตาข่าย การปรากฏตัวของข้อบกพร่องทางโครงสร้างใหม่ระหว่างการระบายความร้อนอย่างรวดเร็วก็เป็นไปได้เช่นกัน กลไกทั้งสองสามารถลดอายุการใช้งานซึ่งได้รับการทดลองแล้ว

ในซิลิกอนที่อุณหภูมิ 350 — 500 ° การก่อตัวของผู้บริจาคความร้อนจะเกิดขึ้นในระดับความเข้มข้น ยิ่งสูง ออกซิเจนยิ่งละลายในซิลิกอนมากขึ้นในระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ตัวให้ความร้อนจะถูกทำลาย

การให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิในช่วง 700 — 1300 ° ช่วยลดอายุการใช้งานของตัวพาประจุชนกลุ่มน้อยลงอย่างมาก (ที่ > 1,000 ° การแพร่กระจายของสิ่งสกปรกออกจากพื้นผิวจะมีบทบาทชี้ขาด) ซิลิกอนความร้อนที่ 1,000-1300 °ส่งผลต่อการดูดกลืนแสงและการกระเจิงของแสง

การประยุกต์ใช้สารกึ่งตัวนำ

ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ เซมิคอนดักเตอร์พบการใช้งานที่กว้างที่สุด พวกเขามีผลกระทบอย่างมากต่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปได้ที่จะลดน้ำหนักและขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมาก การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกด้านนำไปสู่การสร้างและปรับปรุงอุปกรณ์ที่หลากหลายจำนวนมากโดยใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับไมโครเซลล์ ไมโครโมดูล ฮาร์ดวงจร ฯลฯ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์นั้นแทบไม่มีความเฉื่อย อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างขึ้นอย่างระมัดระวังและปิดผนึกอย่างดีสามารถมีอายุการใช้งานได้หลายหมื่นชั่วโมง อย่างไรก็ตาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์บางชนิดมีขีดจำกัดอุณหภูมิเพียงเล็กน้อย (เช่น เจอร์เมเนียม) แต่การชดเชยอุณหภูมิหรือการแทนที่วัสดุฐานของอุปกรณ์ด้วยวัสดุอื่นไม่ใช่เรื่องยากนัก (เช่น ซิลิกอน ซิลิกอนคาร์ไบด์) ช่วยลดข้อเสียนี้ลงได้อย่างมาก ของเทคโนโลยีการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ส่งผลให้การกระจายพารามิเตอร์ที่มีอยู่และความไม่เสถียรลดลง

สารกึ่งตัวนำในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

หน้าสัมผัสโลหะของสารกึ่งตัวนำและจุดแยกของรูอิเล็กตรอน (จุดแยก n-p) ที่สร้างขึ้นในสารกึ่งตัวนำจะใช้ในการผลิตไดโอดสารกึ่งตัวนำชุมทางคู่ (p-n-p หรือ n-R-n) — ทรานซิสเตอร์และไทริสเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้เพื่อแก้ไข สร้าง และขยายสัญญาณไฟฟ้า

คุณสมบัติโฟโตอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ใช้ในการสร้างโฟโตรีซีสเตอร์ โฟโตไดโอด และโฟโตทรานซิสเตอร์ เซมิคอนดักเตอร์ทำหน้าที่เป็นส่วนที่ใช้งานของออสซิลเลเตอร์ (แอมพลิฟายเออร์) ของการสั่น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์… เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านทางแยก pn ในทิศทางไปข้างหน้า ตัวพาประจุ—อิเล็กตรอนและรู—จะรวมตัวกันอีกครั้งพร้อมกับการปล่อยโฟตอน ซึ่งใช้ในการสร้าง LED

ไฟ LED

คุณสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ทำให้สามารถสร้างความต้านทานเทอร์โมอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ เทอร์โมคัปเปิลของเซมิคอนดักเตอร์ เทอร์โมคัปเปิลและเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก และการทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ตามผล Peltier — ตู้เย็นเทอร์โมอิเล็กทริกและเทอร์โมสเตบิไลเซอร์

สารกึ่งตัวนำใช้ในเครื่องแปลงความร้อนเชิงกลและพลังงานแสงอาทิตย์ในอุปกรณ์ไฟฟ้า — เครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกและเครื่องแปลงไฟฟ้าแบบโฟโตอิเล็กทริก (เซลล์แสงอาทิตย์)

ความเค้นเชิงกลที่ใช้กับสารกึ่งตัวนำจะเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้า (ผลจะรุนแรงกว่าโลหะ) ซึ่งเป็นพื้นฐานของสเตรนเกจของสารกึ่งตัวนำ

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ได้แพร่หลายไปทั่วโลก ปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาและการผลิต:

• เครื่องมือวัด, คอมพิวเตอร์,

• อุปกรณ์สำหรับการสื่อสารและการขนส่งทุกประเภท

• สำหรับระบบอัตโนมัติของกระบวนการทางอุตสาหกรรม

• อุปกรณ์วิจัย,

• จรวด,

• อุปกรณ์ทางการแพทย์

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์อื่นๆ

การใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้คุณสร้างอุปกรณ์ใหม่และปรับปรุงอุปกรณ์เก่า ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ดังกล่าวจะลดขนาด น้ำหนัก การใช้พลังงาน และลดการสร้างความร้อนในวงจร เพิ่มความแข็งแรง คุณช่วยให้คุณเพิ่มอายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์