สารกึ่งตัวนำ

ข้อมูลเบื้องต้น

สารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำเป็นสารที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เช่น ซิลิกอน เยอรมันเนียม เทลลูเนียมเป็นต้น สารดังกล่าวเหล่านี้มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ คือมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระอยู่น้อยจึงไม่สามารถให้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมาก ฉะนั้นลำพังสารนี้อย่างเดียวแล้วไม่สามารถทำประโยชน์อะไรได้มากนัก ดังนั้น เพื่อที่จะให้ได้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมากเราจึงต้องมีการปรุงแต่งโดยการเจือปนอะตอมของธาตุอื่นลงไปในเนื้อสารเนื้อเดียวเหล่านี้ หรือเอาอะตอมของธาตุบางชนิดมาทำปฏิกิริยากันให้ได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ สารกึ่งตัวนำที่สร้างขึ้นโดยวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ หรือสารกึ่งตัวนำแบบสารประกอบตามลำดับ ซึ่งจะเป็นสารที่ใช้ทำทรานซิสเตอร์ และไดโอดชนิดต่าง ๆ

สำหรับสารกึ่งตัวนำที่มีเฉพาะอะตอมของธาตุชนิดเดียว คือไม่มีอะตอมของธาตุชนิดอื่นปนอยู่เลยแสดงดังรูปที่ 7

สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ เป็นสารที่เกิดขึ้นจากการเติมสารเจือปนลงไปในสารกึ่งตัวนำแท้ เช่น ซิลิกอน หรือเยอรมันเนียม เพื่อให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์นี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ สารกึ่งตัวนำประเภทเอ็น (N-Type) และสารกึ่งตัวนำประเภทพี (P-Type)

ก. สารกึ่งตัวนำประเภท เอ็น (N-Type)

เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของสารหนู ทำให้มีอิเล็กตรอนเกินขึ้นมา 1 ตัว เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในก้อนผลึกนั้นจึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้เช่นเดียวกับตัวนำทั่วไป

ข. สารกึ่งตัวนำประเภท พี (P-Type)

เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของอะลูมิเนียม ทำให้เกิดที่ว่างซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) ขึ้นในแขนร่วมของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนข้างโฮลจะเคลื่อนที่ไปอยู่ในโฮลทำให้ดูคล้ายกับโฮลเคลื่อนที่ได้จึงทำให้กระแสไหลได้ดังรูปที่ 10

ข้อสังเกต จากรูปที่ 10 จะเห็นได้ว่าโฮลจะเคลื่อนที่จากศักดาไฟฟ้าสูงไปยังศักดาไฟฟ้าต่ำ

การเติมสารเจือปน

สารกี่งตัวนำชนิด N และ P

เมื่อมีการเติมอะตอมของสารเจือปนที่อยู่ในหมู่ V (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน ๕ อิเล็กตรอน) ลงไปใน ผลึกสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน ๔ อิเล็กตรอน) จะเกิดอิเล็กตรอนอิสระ ๑ ตัว ทำให้สารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV นี้นำไฟฟ้าได้แบบ N อะตอม สารเจือปนที่ทำหน้าที่จ่ายอิเล็กตรอนอิสระได้นี้เรียกว่า โดเนอร์ (Donor : ผู้ให้) และมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก สารเจือปนชนิด N ได้แก่ ฟอสฟอรัส (P) อาเซนิก (As) แอนติโมนี (S b)

เมื่อมีการเติมอะตอมของสารเจือปนที่อยู่ในหมู่ III (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน ๓ อิเล็กตรอน ลงไปในผลึกสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV จะขาดอิเล็กตรอน ๑ ตัว เราเรียกสถานะนี้ว่า โฮล (Hole แปลว่า หลุม) โฮลจะจับอิเล็กตร อนที่อยู่ข้างเคียงได้ จึงทำให้เกิดโฮลข้างเคียง จนดูเหมือนว่าโฮลเคลื่อนที่ได้ ผลึกที่มีโฮลเคลื่อนที่ได้นี้จึงมีการนำไฟฟ้าแบบ P อะตอมของสารเจือปนที่ให้เกิดโฮลนี้ เรียกว่า เอกเซบเตอร์ (Acceptor : ผู้รับ) เมื่อรับอิเล็กตรอนมาแล้ว อะตอมนี้จึง มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ สารเจือปนชนิด P ได้แก่ โบรอน (B) อินเดียม (In)

วิธีการเติมสารเจือปน

การเติมสารเจือปนให้กระจายในเนื้อผลึกสารกึ่งตัวนำอย่างสม่ำเสมอนั้น จะกระทำตอนปลูกผลึกสารกึ่งตัวนำ ซึ่งมี ๒ วิธี ได ้แก่ วิธี CZ (วิธี Czochralski : การดึงผลึก) และวิธี FZ (วิธี Floating Zone : การเลื่อนโซนผลึก)

วิธี CZ

ได้แก่ ใส่สารเจือปนที่ควบคุมปริมาณได้ ในเนื้อสารกึ่งตัวนำที่หลอมเหลวในเบ้าที่มีอุณหภูมิสูง แล้วใช้แท่งเม็ดผลึก ไปล่อเพื่อดึงเป็นผลึกเดี่ยว

ผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำที่ทำได้โดยวิธี CZ นี้จะใช้ในการทำ

- ทรานซิสเตอร์

- ไอซี

วิธี FZ

เป็นวิธีการทำผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำโดยการนำเอาแท่งผลึกย่อยมาวางยึดในแนวตั้งฉาก ภายใต้สุญญากาศหรือบรรยากาศของก๊าซเฉื่อย แล้วนำเอาขดลวดไฟฟ้าความถี่สูงที่มีลักษณะเป็นวงแหวนสวมครอบไว้ เมื่อป้อนไฟฟ้าความถี่จนสูงจนเนื้อส ารกึ่งตัวนำบริเวณนั้นหลอมละลาย เป็นของเหลว ส่วนที่เป็นของเหลวนี้จะไม่หลุดร่วงเนื่องจากแรงตึงผิวของของเหลวเมื่อเลื่อนขดลวดไปอย่างช้า ๆ โซนของเ หลวก็จะเลื่อนตามไปด้วย ส่วนที่เย็นตัวลงอย่างช้า ๆ ก็จะกลายเป็นเนื้อผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำ วิธีการเดินสารเจือปนในผลึกเดี่ยวของสารกึ่ง ตัวนำที่ทำโดยวิธี FZ ได้แก่

(๑) ใช้ก๊าซฟอสฟิน (PH3) หรือก๊าซไดโบเรน (B2H6) ผสมเข้าไปในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อยในขณะปลูกผลึก

(๒) ใช้สารเจือปนที่ควบคุมปริมาณผสมไว้ในเนื้อผลึกย่อยก่อนการปลูกผลึก

(๓) นำผลึกเดี่ยวซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงใส่ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเพื่ออาบรังสีนิวตรอน อะตอมของซิลิคอน (Si) จะเปลี่ยนเป็นฟอสฟอรัส (P) ด ้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามปริมาณการอาบรังสีนิวตรอน

ผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำที่ทำได้โดยวิธี FZ นี้จะใช้ในการทำ

- ทรานซิสเตอร์

- อุปกรณไฟฟ้ากำลัง เช่น ไธรีสเตอร์ ไดโอดกำลัง

ที่มา

http://web.ku.ac.th/schoolnet/snet7/phy3_1.htm

http://kanchanapisek.or.th/kp6/BOOK19/chapter9/t19-9-l1.htm#sect1

เนื้อเรื่อง

สารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำเป็นสารที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เช่น ซิลิกอน เยอรมันเนียม เทลลูเนียมเป็นต้น สารดังกล่าวเหล่านี้มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ คือมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระอยู่น้อยจึงไม่สามารถให้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมาก ฉะนั้นลำพังสารนี้อย่างเดียวแล้วไม่สามารถทำประโยชน์อะไรได้มากนัก ดังนั้น เพื่อที่จะให้ได้กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมากเราจึงต้องมีการปรุงแต่งโดยการเจือปนอะตอมของธาตุอื่นลงไปในเนื้อสารเนื้อเดียวเหล่านี้ หรือเอาอะตอมของธาตุบางชนิดมาทำปฏิกิริยากันให้ได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ สารกึ่งตัวนำที่สร้างขึ้นโดยวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ หรือสารกึ่งตัวนำแบบสารประกอบตามลำดับ ซึ่งจะเป็นสารที่ใช้ทำทรานซิสเตอร์ และไดโอดชนิดต่าง ๆ

สำหรับสารกึ่งตัวนำที่มีเฉพาะอะตอมของธาตุชนิดเดียว คือไม่มีอะตอมของธาตุชนิดอื่นปนอยู่เลยแสดงดังรูปที่ 7

สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ เป็นสารที่เกิดขึ้นจากการเติมสารเจือปนลงไปในสารกึ่งตัวนำแท้ เช่น ซิลิกอน หรือเยอรมันเนียม เพื่อให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์นี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ สารกึ่งตัวนำประเภทเอ็น (N-Type) และสารกึ่งตัวนำประเภทพี (P-Type)

ก. สารกึ่งตัวนำประเภท เอ็น (N-Type)

เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของสารหนู ทำให้มีอิเล็กตรอนเกินขึ้นมา 1 ตัว เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในก้อนผลึกนั้นจึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้เช่นเดียวกับตัวนำทั่วไป

ข. สารกึ่งตัวนำประเภท พี (P-Type)

เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของอะลูมิเนียม ทำให้เกิดที่ว่างซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) ขึ้นในแขนร่วมของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนข้างโฮลจะเคลื่อนที่ไปอยู่ในโฮลทำให้ดูคล้ายกับโฮลเคลื่อนที่ได้จึงทำให้กระแสไหลได้ดังรูปที่ 10

ข้อสังเกต จากรูปที่ 10 จะเห็นได้ว่าโฮลจะเคลื่อนที่จากศักดาไฟฟ้าสูงไปยังศักดาไฟฟ้าต่ำ

การเติมสารเจือปน

สารกี่งตัวนำชนิด N และ P

เมื่อมีการเติมอะตอมของสารเจือปนที่อยู่ในหมู่ V (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน ๕ อิเล็กตรอน) ลงไปใน ผลึกสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน ๔ อิเล็กตรอน) จะเกิดอิเล็กตรอนอิสระ ๑ ตัว ทำให้สารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV นี้นำไฟฟ้าได้แบบ N อะตอม สารเจือปนที่ทำหน้าที่จ่ายอิเล็กตรอนอิสระได้นี้เรียกว่า โดเนอร์ (Donor : ผู้ให้) และมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก สารเจือปนชนิด N ได้แก่ ฟอสฟอรัส (P) อาเซนิก (As) แอนติโมนี (S b)

เมื่อมีการเติมอะตอมของสารเจือปนที่อยู่ในหมู่ III (อะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุดจำนวน ๓ อิเล็กตรอน ลงไปในผลึกสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ IV จะขาดอิเล็กตรอน ๑ ตัว เราเรียกสถานะนี้ว่า โฮล (Hole แปลว่า หลุม) โฮลจะจับอิเล็กตร อนที่อยู่ข้างเคียงได้ จึงทำให้เกิดโฮลข้างเคียง จนดูเหมือนว่าโฮลเคลื่อนที่ได้ ผลึกที่มีโฮลเคลื่อนที่ได้นี้จึงมีการนำไฟฟ้าแบบ P อะตอมของสารเจือปนที่ให้เกิดโฮลนี้ เรียกว่า เอกเซบเตอร์ (Acceptor : ผู้รับ) เมื่อรับอิเล็กตรอนมาแล้ว อะตอมนี้จึง มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ สารเจือปนชนิด P ได้แก่ โบรอน (B) อินเดียม (In)

วิธีการเติมสารเจือปน

การเติมสารเจือปนให้กระจายในเนื้อผลึกสารกึ่งตัวนำอย่างสม่ำเสมอนั้น จะกระทำตอนปลูกผลึกสารกึ่งตัวนำ ซึ่งมี ๒ วิธี ได ้แก่ วิธี CZ (วิธี Czochralski : การดึงผลึก) และวิธี FZ (วิธี Floating Zone : การเลื่อนโซนผลึก)

วิธี CZ

ได้แก่ ใส่สารเจือปนที่ควบคุมปริมาณได้ ในเนื้อสารกึ่งตัวนำที่หลอมเหลวในเบ้าที่มีอุณหภูมิสูง แล้วใช้แท่งเม็ดผลึก ไปล่อเพื่อดึงเป็นผลึกเดี่ยว

ผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำที่ทำได้โดยวิธี CZ นี้จะใช้ในการทำ

- ทรานซิสเตอร์

- ไอซี

วิธี FZ

เป็นวิธีการทำผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำโดยการนำเอาแท่งผลึกย่อยมาวางยึดในแนวตั้งฉาก ภายใต้สุญญากาศหรือบรรยากาศของก๊าซเฉื่อย แล้วนำเอาขดลวดไฟฟ้าความถี่สูงที่มีลักษณะเป็นวงแหวนสวมครอบไว้ เมื่อป้อนไฟฟ้าความถี่จนสูงจนเนื้อส ารกึ่งตัวนำบริเวณนั้นหลอมละลาย เป็นของเหลว ส่วนที่เป็นของเหลวนี้จะไม่หลุดร่วงเนื่องจากแรงตึงผิวของของเหลวเมื่อเลื่อนขดลวดไปอย่างช้า ๆ โซนของเ หลวก็จะเลื่อนตามไปด้วย ส่วนที่เย็นตัวลงอย่างช้า ๆ ก็จะกลายเป็นเนื้อผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำ วิธีการเดินสารเจือปนในผลึกเดี่ยวของสารกึ่ง ตัวนำที่ทำโดยวิธี FZ ได้แก่

(๑) ใช้ก๊าซฟอสฟิน (PH3) หรือก๊าซไดโบเรน (B2H6) ผสมเข้าไปในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อยในขณะปลูกผลึก

(๒) ใช้สารเจือปนที่ควบคุมปริมาณผสมไว้ในเนื้อผลึกย่อยก่อนการปลูกผลึก

(๓) นำผลึกเดี่ยวซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงใส่ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเพื่ออาบรังสีนิวตรอน อะตอมของซิลิคอน (Si) จะเปลี่ยนเป็นฟอสฟอรัส (P) ด ้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามปริมาณการอาบรังสีนิวตรอน

ผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำที่ทำได้โดยวิธี FZ นี้จะใช้ในการทำ

- ทรานซิสเตอร์

- อุปกรณไฟฟ้ากำลัง เช่น ไธรีสเตอร์ ไดโอดกำลัง

ที่มา

http://web.ku.ac.th/schoolnet/snet7/phy3_1.htm

http://kanchanapisek.or.th/kp6/BOOK19/chapter9/t19-9-l1.htm#sect1