การนำสารกึ่งตัวนำ

สารที่สามารถนำหรือไม่นำไฟฟ้าไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการแบ่งตัวนำและไดอิเล็กตริกเท่านั้น นอกจากนี้ยังมีเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิกอน ซีลีเนียม เจอร์เมเนียม และแร่ธาตุและโลหะผสมอื่นๆ ที่ควรค่าแก่การแยกเป็นกลุ่มต่างหาก

สารเหล่านี้นำกระแสไฟฟ้าได้ดีกว่าไดอิเล็กตริก แต่แย่กว่าโลหะ และค่าการนำไฟฟ้าของสารเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิหรือแสงสว่างที่เพิ่มขึ้น ลักษณะเฉพาะของเซมิคอนดักเตอร์นี้ทำให้นำไปใช้กับเซ็นเซอร์วัดแสงและอุณหภูมิได้ แต่การใช้งานหลักยังคงเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ตัวอย่างเช่น หากคุณดูที่ผลึกซิลิกอน คุณจะพบว่าซิลิกอนมีวาเลนซ์เท่ากับ 4 นั่นคือที่เปลือกนอกของอะตอมมีอิเล็กตรอน 4 ตัวที่จับกับอะตอมของซิลิกอนที่อยู่ใกล้เคียงสี่อะตอมในผลึก หากคริสตัลดังกล่าวได้รับผลกระทบจากความร้อนหรือแสง วาเลนซ์อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นและปล่อยให้อะตอมของพวกมันกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ - ก๊าซอิเล็กตรอนจะปรากฏในปริมาตรเปิดของเซมิคอนดักเตอร์ - เช่นเดียวกับในโลหะ นั่นคือ ก็จะเกิดอาการค้าง

แต่สารกึ่งตัวนำแตกต่างจากโลหะตรงที่การนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนและโฮลต่างกัน ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้นและมันคืออะไร? เมื่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนออกจากตำแหน่งของมัน บริเวณที่ขาดประจุลบ—“หลุม”—จะก่อตัวขึ้นในบริเวณเดิมเหล่านั้น ซึ่งตอนนี้มีประจุบวกมากเกินไป

อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้เคียงจะกระโดดเข้าไปใน «รู» ที่เป็นผลลัพธ์ได้อย่างง่ายดาย และทันทีที่รูนี้เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนที่กระโดดเข้าไปในรูนั้น รูก็จะก่อตัวขึ้นอีกครั้งแทนที่อิเล็กตรอนที่กระโดด

นั่นคือปรากฎว่ารูเป็นพื้นที่เคลื่อนที่ที่มีประจุบวกของสารกึ่งตัวนำ และเมื่อต่อสารกึ่งตัวนำเข้ากับวงจรที่มีแหล่งกำเนิด EMF อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวกของแหล่งกำเนิดและโฮลไปยังขั้วลบ นี่คือลักษณะการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์

การเคลื่อนที่ของโฮลและอิเลคตรอนนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำที่ไม่มีสนามไฟฟ้าจะวุ่นวาย หากใช้สนามไฟฟ้าภายนอกกับคริสตัล อิเล็กตรอนที่อยู่ภายในจะเคลื่อนที่สวนทางกับสนาม และรูจะเคลื่อนไปตามสนาม นั่นคือปรากฏการณ์ของการนำภายในจะเกิดขึ้นในสารกึ่งตัวนำ ซึ่งจะไม่เพียง เกิดจากอิเล็กตรอน แต่ยังเกิดจากรู

ในเซมิคอนดักเตอร์ การนำไฟฟ้าจะเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของปัจจัยภายนอกบางอย่างเสมอ: เนื่องจากการฉายรังสีด้วยโฟตอน จากผลกระทบของอุณหภูมิ เมื่อใช้สนามไฟฟ้า เป็นต้น

ระดับ Fermi ในเซมิคอนดักเตอร์อยู่ตรงกลางของช่องว่างแถบ การเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ด้านบนไปยังแถบการนำไฟฟ้าด้านล่างนั้นต้องการพลังงานกระตุ้นเท่ากับแถบเดลต้าแถบช่องว่าง (ดูรูป) และทันทีที่อิเล็กตรอนปรากฏขึ้นในแถบการนำไฟฟ้า รูจะถูกสร้างขึ้นในแถบเวเลนซ์ ดังนั้นพลังงานที่ใช้จะถูกแบ่งเท่า ๆ กันระหว่างการก่อตัวของพาหะปัจจุบันคู่หนึ่ง

ครึ่งหนึ่งของพลังงาน (สอดคล้องกับครึ่งหนึ่งของความกว้างแถบ) ถูกใช้ไปกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและครึ่งหนึ่งในการสร้างรู เป็นผลให้จุดเริ่มต้นตรงกับกึ่งกลางของความกว้างของแถบ พลังงาน Fermi ในเซมิคอนดักเตอร์คือพลังงานที่อิเล็กตรอนและโฮลถูกกระตุ้น ตำแหน่งที่ Fermi level อยู่สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ตรงกลางช่องว่างของแบนด์สามารถยืนยันได้ด้วยการคำนวณทางคณิตศาสตร์

ภายใต้อิทธิพลของปัจจัยภายนอก เช่น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การสั่นสะเทือนทางความร้อนของโครงผลึกของสารกึ่งตัวนำจะนำไปสู่การทำลายพันธะเวเลนต์บางส่วน ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนบางส่วนกลายเป็นพาหะอิสระที่แยกออกจากกัน .

ในเซมิคอนดักเตอร์พร้อมกับการก่อตัวของหลุมและอิเล็กตรอน กระบวนการรวมตัวกันใหม่เกิดขึ้น: อิเล็กตรอนผ่านเข้าไปในแถบเวเลนซ์จากแถบการนำไฟฟ้าโดยให้พลังงานแก่ตาข่ายคริสตัลและปล่อยควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าดังนั้น แต่ละอุณหภูมิจะสอดคล้องกับความเข้มข้นของโฮลและอิเล็กตรอนในสภาวะสมดุล ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิตามนิพจน์ต่อไปนี้:

นอกจากนี้ยังมีการนำสารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์ เมื่อสารที่แตกต่างกันเล็กน้อยถูกนำเข้าไปในผลึกของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ที่มีวาเลนซ์สูงหรือต่ำกว่าสารตั้งต้น

ถ้าบริสุทธิ์ เช่น ซิลิกอนชนิดเดียวกัน จำนวนโฮลและอิเลคตรอนอิสระเท่ากัน นั่นคือ เกิดขึ้นเป็นคู่ๆ ตลอดเวลา ดังนั้นในกรณีของสิ่งเจือปนที่เติมเข้าไปในซิลิกอน เช่น สารหนู ซึ่งมี วาเลนซ์ 5 จำนวนหลุมจะน้อยกว่าจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ นั่นคือ สารกึ่งตัวนำประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากซึ่งมีประจุลบ สารกึ่งตัวนำจะเป็นชนิด n (ลบ) และถ้าคุณผสมอินเดียมซึ่งมีความจุ 3 ซึ่งน้อยกว่าซิลิคอน ก็จะมีรูมากขึ้น—มันจะเป็นสารกึ่งตัวนำประเภท p (บวก)

ทีนี้ ถ้าเรานำเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกันมาสัมผัสกัน เราก็จะได้จุดเชื่อมต่อ p-n ที่จุดสัมผัส อิเลคตรอนที่เคลื่อนที่จาก n-region และโฮลที่เคลื่อนที่จาก p-region จะเริ่มเคลื่อนที่เข้าหากัน และในด้านตรงข้ามของหน้าสัมผัสจะมีบริเวณที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน (ด้านตรงข้ามของ pn-junction ) : a positive ประจุจะสะสมในบริเวณ n และประจุลบในบริเวณ p ส่วนต่าง ๆ ของคริสตัลที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนผ่านจะมีประจุตรงกันข้าม ตำแหน่งนี้สำคัญมากสำหรับการทำงานของทุกคน อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์.

ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของอุปกรณ์ดังกล่าวคือไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งใช้ทางแยก pn เพียงจุดเดียวซึ่งเพียงพอที่จะทำงานให้สำเร็จ - เพื่อดำเนินการกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น

อิเลคตรอนจากบริเวณ n เคลื่อนไปทางขั้วบวกของแหล่งพลังงาน และโฮลจากบริเวณ p เคลื่อนไปทางขั้วลบ ประจุบวกและลบที่เพียงพอจะสะสมใกล้กับทางแยก ความต้านทานของทางแยกจะลดลงอย่างมาก และกระแสจะไหลผ่านวงจร

ในการเชื่อมต่อย้อนกลับของไดโอดกระแสจะออกมาน้อยลงหลายหมื่นเท่าเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะถูกพัดพาอิเล็กตรอนและหลุมไปในทิศทางที่ต่างกันจากทางแยก หลักการนี้ได้ผล วงจรเรียงกระแสไดโอด.