สารกึ่งตัวนำคืออะไร

            สสารทุกชนิดประกอบด้วยส่วนประกอบเล็ก ๆ ที่เรียกว่า “โมเลกุล” มารวมตัวกัน โดยแต่ละโมเลกุลก็จะประกอบด้วยส่วนที่เล็กมาก ๆ ซึ่งเรียกว่าอะตอม เช่น โมเลกุลของน้ำจะประกอบด้วยอะตอม 3 อะตอม คืออะตอมของไฮโดรเจน (Hydrogen) 2 อะตอม และ อะตอมของออกซิเจน (Oxygen) 1 อะตอมมารวมกัน โดยอะตอมแต่ละอะตอมจะมีแกนกลางซึ่งเรียกว่านิวเคลียส ซึ่งจะมีนิวตรอนและโปรตอนอยู่ภายใน  และจะมีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียส หลายๆวง

            โดยอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุดเรียกว่า วาเลนอิเล็กตรอน (Valence Electron) จะมีผลต่อความสามารถในการนำไฟฟ้าของสสารนั้น สสารที่เป็นตัวนำ (Conductor) จะมีอิเล็กตรอนวงนอกเพียง 1-3 ตัว ดังนั้นเมื่อมันได้รับพลังงานความร้อน หรือ พลังงานไฟฟ้า อิเล็กตรอนก็จะหลุดออกมาจากวงโคจรเป็นอิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron) ได้ทันที ทำให้สามารถเคลื่อนตัวไปในสสารได้อย่างอิสระ ซึ่งเราเรียกการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนนี้ว่า “กระแสไฟฟ้า”  ดังนั้นสสารที่เป็นตัวนำจึงมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดี  ส่วนสสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกตั้งแต่ 5-8 ตัว เราจะเรียกว่า “ฉนวน” (Insulator) จะมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ไม่ดีนัก เพราะมีอิเล็กตรอนอิสระน้อย  สำหรับสสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว เช่น ซิลิกอน (Silicon) และเยอร์มันเนียม (Germanium) จะมีสภาพการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เราเรียกว่า “สารกึ่งตัวนำ” (Semiconductor)

สารกึ่งตัวนำ ชนิด P และ ชนิด N                  สารกึ่งตัวนำ บริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) จะมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี เพราะอิเล็กตรอนวงนอกจะจับตัวรวมกัน โดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน เพื่อให้เกิดภาวะเสถียร เสมือนมีอิเล็กตรอนวงนอก 8 ตัว จึงไม่เหมาะต่อการใช้งาน ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมีการเติมสารอื่นเข้าไป เพื่อให้เกิดสภาพนำไฟฟ้าที่ดีกว่าเดิม เหมาะกับการใช้งาน โดยการเติมสารหรือที่เรียกกัน ทับศัพท์ว่า การโดป (Doping) สารนั้น จะมีได้ 2 ลักษณะคือ 1. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว เช่น อลูมิเนียม หรือ แกลเลียม ลงไป ทำให้เกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอน คือจะมีที่ว่างของอิเล็กตรอน ซึ่งเรียกว่าโฮล (Hole) มากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ ด้วยเหตุที่โฮลมีสภาพเป็นประจุไฟฟ้าบวก และเป็นพาหะส่วนใหญ่ของสาร ส่วนอิเล็กตรอน จะเป็นพาหะส่วนน้อย เราจึงเรียกสารกึ่งตัวนำประเภทนี้ว่า สารกึ่งตัวนำ ชนิด P (P-type Semiconductor) 2. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว เช่น สารหนู หรือ ฟอสฟอรัส ลงไป ทำให้เกิดสภาวะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าจำนวนของโฮล ด้วยเหตุที่อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบและเป็นพาหะส่วนใหญ่ ส่วนโฮลเป็นพาหะส่วนน้อยของสาร เราจึงเรียกว่าเป็น สารกึ่งตัวนำชนิด N (N-type Semiconductor)    รอยต่อ PN             เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และ สารกึ่งตัวนำชนิด N มาเชื่อมต่อกัน จะเกิดการรวมตัวระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลบริเวณใกล้รอยต่อนั้น โดยอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะรวมตัวกับโฮลของสารกึ่งตัวนำชนิด P ทำให้อะตอมบริเวณรอยต่อของสารกึ่งตัวนำชนิด N จะขาดอิเล็กตรอนไปเกิดเป็นสภาวะเป็นประจุไฟฟ้าบวก ซึ่งจะต้านการเคลื่อนที่ของโฮล ในขณะที่ อะตอมบริเวณรอยต่อของสาร P จะมีอิเล็กตรอนเกินมา ทำให้มีประจุไฟฟ้าลบซึ่งจะผลักอิเล็กตรอนอิสระที่จะวิ่งข้ามมาทางฝั่ง ของสาร P ดังรูป               บริเวณดังกล่าว จึงเป็นบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) โดยจะเสมือนกำแพงกั้นไม่ให้อิเล็กตรอน และโฮลของอะตอมอื่นๆ ภายในสารกึ่งตัวนำมารวมกัน ถ้าต้องการให้พาหะทั้งสองฝั่งมารวมตัวกัน จะต้องให้แรงดันไฟฟ้า แก่สารให้มากกว่าระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากประจุบริเวณรอยต่อ โดยถ้าเป็นสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากซิลิกอน ระดับแรงดันดังกล่าวจะอยู่ประมาณ 0.7 โวลท์ และ ในกรณีสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากเยอรมันเนียม ระดับแรงดันดังกล่าวจะมีค่าต่ำกว่า โดยจะมีค่าประมาณ 0.3 โวลท์ การไบอัสรอยต่อ PN              เมื่อเราจ่ายแรงดันให้แก่สารในลักษณะ ต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่เข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด  P และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเพิ่มมากขึ้น โดยถ้าแรงดันแบตเตอรี่ที่จ่ายมีระดับแรงดันสูงกว่าแรงดันต้านกลับบริเวณรอยต่อ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงพอ ที่จะข้ามมายังฝั่งตรงข้ามได้ เกิดมีกระแสไฟฟ้าไหล เราเรียกการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า  การไบอัสตรง (Forward Bias)  ดังรูปที่ 7.4              ในทางตรงกันข้ามหากเราทำการจ่ายแรงดันสลับด้าน โดยให้ขั้วบวกของแบตเตอรี่ต่อเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด P จะทำให้มีการฉุดรั้งอิเล็กตรอนไม่ให้ข้ามมายังฝั่งตรงข้าม ทำให้ไม่เกิดกระแสไหล เราเรียกลักษณะการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า การไบอัสกลับ (Reveres Bias)              ในสภาวะไบอัสกลับนี้ พาหะส่วนน้อย คือ อิเล็กตรอนในสาร P  และ โฮลในสาร N  จะถูกกระตุ้นจากแบตเตอรี่ให้มารวมกัน ทำให้เกิดกระแสไหลแต่มีปริมาณน้อยมากมีค่าเป็น ไมโครแอมป์หรือนาโนแอมป์ เราเรียกกระแสนี้ว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอนจะมีขนาดของกระแสรั่วไหล ต่ำกว่า เยอรมันเนียม