ประเภทเซมิคอนดักเตอร์การใช้งานและตัวอย่าง

สารกึ่งตัวนำ พวกเขาเป็นองค์ประกอบที่ทำหน้าที่ของตัวนำหรือฉนวนเลือกขึ้นอยู่กับเงื่อนไขภายนอกที่พวกเขาถูกยัดเยียดเช่นอุณหภูมิความดันรังสีและสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า.

ในตารางธาตุมีองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์ 14 ธาตุซึ่งประกอบด้วยซิลิคอน, เจอร์เมเนียม, ซีลีเนียม, แคดเมียม, อลูมิเนียม, แกลเลียม, โบรอน, อินเดียมและคาร์บอน เซมิคอนดักเตอร์เป็นของแข็งผลึกที่มีการนำไฟฟ้าปานกลางดังนั้นพวกเขาสามารถนำมาใช้ในทางที่สองเป็นตัวนำและฉนวน.

หากใช้เป็นตัวนำภายใต้เงื่อนไขบางประการอนุญาตให้มีการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้า แต่มีเพียงทิศทางเดียวเท่านั้น นอกจากนี้พวกเขาไม่ได้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงเท่ากับโลหะที่เป็นตัวนำ.

เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเช่นทรานซิสเตอร์ไดโอดและวงจรรวม พวกเขายังใช้เป็นอุปกรณ์เสริมหรืออุปกรณ์เสริมสำหรับเซ็นเซอร์แสงเช่นเลเซอร์ solid-state และอุปกรณ์พลังงานบางอย่างสำหรับระบบส่งกำลังไฟฟ้า.

ในปัจจุบันองค์ประกอบประเภทนี้กำลังถูกใช้สำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีในด้านโทรคมนาคมระบบควบคุมและการประมวลผลสัญญาณทั้งในการใช้งานภายในประเทศและอุตสาหกรรม.

ดัชนี

• 1 ประเภท
  • 1.1 เซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริง
  • 1.2 เซมิคอนดักเตอร์ภายนอก
• 2 ลักษณะ
• 3 แอปพลิเคชัน
• 4 ตัวอย่าง
• 5 อ้างอิง

ชนิด

มีสารกึ่งตัวนำชนิดต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับสิ่งสกปรกที่มีอยู่และการตอบสนองทางกายภาพต่อสิ่งเร้าทางสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน.

สารกึ่งตัวนำที่แท้จริง

เป็นองค์ประกอบที่มีโครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียว ในบรรดาสารกึ่งตัวนำชนิดนี้ที่อยู่ภายในคือซิลิกาและเจอร์เมเนียม.

โครงสร้างโมเลกุลของสารกึ่งตัวนำภายในคือ tetrahedral นั่นคือมันมีพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมสี่อะตอมโดยรอบดังที่แสดงในภาพด้านล่าง.

อะตอมของสารกึ่งตัวนำภายในแต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอน 4 ตัว นั่นคืออิเล็กตรอน 4 ดวงกำลังโคจรอยู่ที่ชั้นนอกสุดของแต่ละอะตอม ในทางกลับกันอิเล็กตรอนเหล่านี้แต่ละรูปแบบจะสร้างพันธะกับอิเล็กตรอนที่อยู่ติดกัน.

ด้วยวิธีนี้แต่ละอะตอมมี 8 อิเล็กตรอนในชั้นผิวเผินที่สุดซึ่งก่อให้เกิดการรวมกันระหว่างอิเล็กตรอนและอะตอมที่ประกอบกันเป็นผลึกคริสตัล.

เนื่องจากการกำหนดค่านี้อิเล็กตรอนจึงไม่เคลื่อนที่ภายในโครงสร้างได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นภายใต้เงื่อนไขมาตรฐานสารกึ่งตัวนำที่อยู่ภายในทำตัวเป็นฉนวน.

อย่างไรก็ตามการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ภายในนั้นเพิ่มขึ้นเมื่อใดก็ตามที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนบางตัวดูดซับพลังงานความร้อนและแยกออกจากพันธะ.

อิเล็กตรอนเหล่านี้จะกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระและหากได้รับการแก้ไขอย่างเหมาะสมโดยความต่างศักย์ไฟฟ้าพวกมันสามารถมีส่วนช่วยในการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้าภายในโครงผลึก.

ในกรณีนี้อิเล็กตรอนอิสระกระโดดไปที่แถบการนำไฟฟ้าและไปที่ขั้วบวกของแหล่งที่มีศักยภาพ (ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่).

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนของวาเลนซ์ทำให้เกิดสุญญากาศในโครงสร้างโมเลกุลซึ่งแปลเป็นผลคล้ายกับสิ่งที่จะสร้างประจุบวกในระบบดังนั้นพวกมันจึงถือว่าเป็นพาหะของประจุบวก.

จากนั้นจะเกิดการผกผันเนื่องจากอิเลคตรอนบางตัวสามารถตกจากแถบการนำทางจนกระทั่งชั้นวาเลนซ์ปลดปล่อยพลังงานในกระบวนการซึ่งได้รับชื่อการรวมตัวกันใหม่.

สารกึ่งตัวนำภายนอก

พวกเขาสอดคล้องโดยรวมสิ่งสกปรกภายในตัวนำที่แท้จริง; นั่นคือโดยการรวมองค์ประกอบ trivalent หรือ pentavalent.

กระบวนการนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อยาสลบและมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของวัสดุเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางไฟฟ้าของสิ่งเหล่านี้.

ด้วยการแทนที่อะตอมสารกึ่งตัวนำที่อยู่ภายในสำหรับอะตอมขององค์ประกอบอื่นจะสามารถรับสารกึ่งตัวนำภายนอกสองชนิดซึ่งมีรายละเอียดด้านล่าง.

เซมิคอนดักเตอร์ประเภท P

ในกรณีนี้สิ่งเจือปนเป็นองค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์ trivalent นั่นคือมีสาม (3) อิเล็กตรอนในเปลือกวาเลนซ์.

องค์ประกอบที่ล่วงล้ำภายในโครงสร้างเรียกว่าองค์ประกอบการเติม ตัวอย่างขององค์ประกอบเหล่านี้สำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด P คือโบรอน (B) แกลเลียม (Ga) หรืออินเดียม (ใน).

การขาดอิเล็กตรอนของวาเลนซ์เพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์สี่ตัวของเซมิคอนดักเตอร์ที่อยู่ภายในสารกึ่งตัวนำชนิด P มีช่องว่างในการเชื่อมโยงที่หายไป.

สิ่งนี้ทำให้เส้นทางของอิเล็กตรอนที่ไม่ได้อยู่ในเครือข่ายของผลึกผ่านช่องพาหะของประจุบวกนี้.

เนื่องจากประจุบวกของช่องว่างของการเชื่อมโยงตัวนำชนิดนี้จึงถูกเรียกด้วยตัวอักษร "P" และดังนั้นพวกมันจึงได้รับการยอมรับว่าเป็นตัวรับอิเล็กตรอน.

การไหลของอิเล็กตรอนผ่านช่องว่างของพันธะก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ไหลในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสที่ได้จากอิเล็กตรอนอิสระ.

เซมิคอนดักเตอร์ประเภท N

องค์ประกอบที่ล่วงล้ำในการกำหนดค่าถูกกำหนดโดยองค์ประกอบเพนทาวาเลนท์ นั่นคือผู้ที่มีห้า (5) อิเล็กตรอนในวงวาเลนซ์.

ในกรณีนี้สิ่งสกปรกที่รวมอยู่ในสารกึ่งตัวนำภายในคือองค์ประกอบเช่นฟอสฟอรัส (P), พลวง (Sb) หรือสารหนู (เป็น).

สารเจือปนมีอิเล็กตรอนที่มีความจุพิเศษโดยที่ไม่มีการเชื่อมโยงโควาเลนต์เพื่อเข้าร่วมจะมีอิสระในการเคลื่อนที่ผ่านเครือข่ายผลึกโดยอัตโนมัติ.

ที่นี่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเนื่องจากมีส่วนเกินของอิเล็กตรอนอิสระจากสารเจือปน ดังนั้นสารกึ่งตัวนำชนิด N จึงถือเป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน.

คุณสมบัติ

เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะการทำงานแบบคู่ของพวกเขาประหยัดพลังงานความหลากหลายของการใช้งานและต้นทุนต่ำ คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดของสารกึ่งตัวนำมีรายละเอียดด้านล่าง.

- การตอบสนองของมัน (ตัวนำหรือฉนวน) อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความไวขององค์ประกอบต่อแสงสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กของสภาพแวดล้อม.

- หากเซมิคอนดักเตอร์อยู่ภายใต้อุณหภูมิต่ำอิเล็กตรอนจะถูกจับเข้าด้วยกันในวงวาเลนซ์ดังนั้นจะไม่มีอิเลคตรอนอิสระเกิดขึ้นสำหรับการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้า. 

ในทางตรงกันข้ามหากเซมิคอนดักเตอร์ถูกสัมผัสกับอุณหภูมิสูงการสั่นสะเทือนจากความร้อนสามารถส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงของพันธะโควาเลนต์ของอะตอมองค์ประกอบทำให้เหลืออิเล็กตรอนอิสระสำหรับการนำไฟฟ้า.

- การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสัดส่วนของสิ่งสกปรกหรือองค์ประกอบยาสลบภายในเซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริง.

ตัวอย่างเช่นถ้าอะตอมของโบรอนรวมอยู่ในอะตอมซิลิคอนหนึ่งล้านอะตอมอัตราส่วนนั้นจะเพิ่มการนำไฟฟ้าของสารประกอบหนึ่งพันครั้งเมื่อเทียบกับการนำไฟฟ้าของซิลิคอนบริสุทธิ์.

- ความนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์แตกต่างกันไปในช่วงระหว่าง 1 และ 10^-6 S.cm^-1, ขึ้นอยู่กับประเภทขององค์ประกอบทางเคมีที่ใช้.

- Compound หรือ Extrinsic Semiconductor สามารถมีคุณสมบัติทางแสงและไฟฟ้าได้ดีกว่าคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำที่อยู่ภายในตัวอย่างของด้านนี้คือ Gallium arsenide (GaAs) ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในคลื่นวิทยุและการใช้งานอื่น ๆ ของ optoelectronic.

การใช้งาน

เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นวัตถุดิบในการประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นส่วนหนึ่งของชีวิตประจำวันของเราเช่นวงจรรวม.

หนึ่งในองค์ประกอบหลักของวงจรรวมคือทรานซิสเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ตอบสนองการทำงานของการให้สัญญาณเอาต์พุต (oscillatory, amplified หรือ rectified) ตามสัญญาณอินพุตที่ระบุ.

นอกจากนี้เซมิคอนดักเตอร์ยังเป็นวัสดุหลักของไดโอดที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้ผ่านกระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียวเท่านั้น.

สำหรับการออกแบบไดโอดจะเกิดข้อต่อสารกึ่งตัวนำภายนอกชนิด P และชนิด N ขึ้นโดยการสลับองค์ประกอบของตัวพาและผู้บริจาคอิเลคตรอนกลไกสมดุลระหว่างทั้งสองโซนจะทำงาน.

ดังนั้นอิเล็กตรอนและหลุมในทั้งสองโซนจะตัดกันและเติมเต็มซึ่งกันและกันเมื่อจำเป็น สิ่งนี้เกิดขึ้นได้สองวิธี:

- การถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากโซน N-type ไปยังโซน P เกิดขึ้นโซน N-type จะได้รับโซนการโหลดเป็นบวกส่วนใหญ่.

- ทางเดินของรูนำอิเล็กตรอนจากโซน P-type ไปยังโซน N-type จะถูกนำเสนอโซน P-type จะได้รับประจุลบส่วนใหญ่.

ในที่สุดสนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นที่ก่อให้เกิดการไหลเวียนของกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น นั่นคือจากโซน N ถึงโซน P.

นอกจากนี้การใช้การรวมกันของเซมิคอนดักเตอร์ภายในและภายนอกสามารถผลิตอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่คล้ายกับหลอดสุญญากาศที่มีปริมาณหลายร้อยเท่า.

การใช้งานประเภทนี้ใช้กับวงจรรวมเช่นชิปไมโครโปรเซสเซอร์ที่ครอบคลุมพลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก.

อุปกรณ์กึ่งตัวนำมีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้ในชีวิตประจำวันของเราเช่นอุปกรณ์สายสีน้ำตาลเช่นโทรทัศน์เครื่องเล่นวิดีโออุปกรณ์เสียง คอมพิวเตอร์และโทรศัพท์มือถือ.

ตัวอย่าง

สารกึ่งตัวนำที่ใช้มากที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์คือซิลิคอน (Si) วัสดุนี้มีอยู่ในอุปกรณ์ที่ประกอบเป็นวงจรรวมที่เป็นส่วนหนึ่งของวันต่อวันของเรา.

เจอร์เมเนียมและซิลิคอนอัลลอยด์ (SiGe) ใช้ในวงจรรวมความเร็วสูงสำหรับเรดาร์และแอมพลิฟายเออร์ของเครื่องมือไฟฟ้าเช่นกีต้าร์ไฟฟ้า.

อีกตัวอย่างของเซมิคอนดักเตอร์คือแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องขยายสัญญาณโดยเฉพาะสัญญาณที่มีอัตราขยายสูงและระดับเสียงต่ำ.

การอ้างอิง

1. Brian, M. (s.f. ) อุปกรณ์กึ่งตัวนำทำงานอย่างไร ดึงมาจาก: electronics.howstuffworks.com
2. Landin, P. (2014) เซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริงและภายนอก ดึงมาจาก: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, M. (s.f. ) สารกึ่งตัวนำ สืบค้นจาก: whatis.techtarget.com
4. เซมิคอนดักเตอร์ (1998) Encyclopædia Britannica, Inc. ลอนดอน, สหราชอาณาจักร ดึงมาจาก: britannica.com
5. เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร? ( N.d. ) © Hitachi High-Technologies Corporation สืบค้นจาก: hitachi-hightech.com
6. Wikipedia, สารานุกรมเสรี (2018) สารกึ่งตัวนำ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org