โครงสร้างของเซมิคอนดักเตอร์ การประยุกต์สารกึ่งตัวนำ แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสาร

เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร และกินกับอะไร?

เซมิคอนดักเตอร์- วัสดุโดยที่โลกเทคโนโลยีและอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่คิดไม่ถึง เซมิคอนดักเตอร์แสดงคุณสมบัติของโลหะและอโลหะภายใต้เงื่อนไขบางประการ ในแง่ของความต้านทานไฟฟ้า เซมิคอนดักเตอร์จะมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างตัวนำที่ดีและไดอิเล็กทริก เซมิคอนดักเตอร์แตกต่างจากตัวนำในการพึ่งพาการนำไฟฟ้าจำเพาะต่อการปรากฏตัวขององค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์ (องค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์) ในตาข่ายคริสตัลและความเข้มข้นขององค์ประกอบเหล่านี้ตลอดจนอุณหภูมิและการสัมผัสกับรังสีประเภทต่างๆ
คุณสมบัติพื้นฐานของสารกึ่งตัวนำ- เพิ่มการนำไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น
เซมิคอนดักเตอร์เป็นสารที่มีช่องว่างของแถบความถี่ตามคำสั่งของอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หลายตัว ตัวอย่างเช่น เพชรสามารถจัดเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างกว้าง และอินเดียมอาร์เซไนด์สามารถจัดเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแคบได้
ช่องว่างแถบความถี่คือความกว้างของช่องว่างพลังงานระหว่างด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าและด้านบนของแถบเวเลนซ์ ซึ่งไม่อนุญาตให้มีสถานะสำหรับอิเล็กตรอน

ขนาดของช่องว่างแถบความถี่มีความสำคัญเมื่อสร้างแสงใน LED และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ และกำหนดพลังงานของโฟตอนที่ปล่อยออกมา

สารกึ่งตัวนำประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมีหลายชนิด: ซิลิกอน, Ge เจอร์เมเนียม, สารหนู, Se ซีลีเนียม, เทเทลลูเรียมและอื่น ๆ รวมถึงโลหะผสมและสารประกอบเคมีทุกชนิดเช่น: ซิลิคอนไอโอไดด์, แกลเลียมอาร์เซไนด์, เทลลูไรต์ปรอท ฯลฯ ) โดยทั่วไปแล้ว สารอนินทรีย์เกือบทั้งหมดในโลกรอบตัวเรานั้นเป็นสารกึ่งตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติคือซิลิคอน ซึ่งตามการประมาณการคร่าวๆ คิดเป็นเกือบ 30% ของเปลือกโลก
ขึ้นอยู่กับว่าอะตอมของธาตุเจือปนปล่อยอิเล็กตรอนหรือจับมัน อะตอมเจือปนเรียกว่าอะตอมของผู้บริจาคหรือผู้รับ

เซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็นประเภท n และประเภท p ขึ้นอยู่กับประเภทของการนำไฟฟ้า

สารกึ่งตัวนำชนิด n

เซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็นประเภท n และประเภท p ขึ้นอยู่กับประเภทของการนำไฟฟ้า

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n มีลักษณะเป็นสารเจือปนและนำกระแสไฟฟ้าได้เหมือนกับโลหะ องค์ประกอบเจือปนที่เพิ่มลงในเซมิคอนดักเตอร์เพื่อผลิตเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n เรียกว่าองค์ประกอบผู้บริจาค คำว่า "n-type" มาจากคำว่า "negative" ซึ่งหมายถึงประจุลบที่อิเล็กตรอนอิสระพาไป

ทฤษฎีกระบวนการถ่ายโอนค่าธรรมเนียมอธิบายไว้ดังนี้:

ธาตุเจือปนซึ่งมีชื่อว่าเพนทาวาเลนต์ในฐานะสารหนูจะถูกเติมลงในซิลิคอน Si ชนิดเตตระวาเลนท์ ในระหว่างปฏิกิริยา อะตอมของสารหนูแต่ละอะตอมจะเข้าสู่พันธะโควาเลนต์กับอะตอมของซิลิคอน แต่อะตอมของสารหนูอิสระลำดับที่ห้ายังคงอยู่ ซึ่งไม่มีพันธะเวเลนซ์อิ่มตัว และมันจะเคลื่อนไปยังวงโคจรอิเล็กตรอนที่อยู่ห่างไกล ซึ่งจำเป็นต้องใช้พลังงานน้อยลงในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจะแตกตัวและกลายเป็นอิสระ สามารถบรรทุกประจุได้ ดังนั้นการถ่ายโอนประจุจึงดำเนินการโดยอิเล็กตรอน ไม่ใช่รู กล่าวคือ เซมิคอนดักเตอร์ชนิดนี้นำกระแสไฟฟ้าเหมือนกับโลหะ
Antimony Sb ยังปรับปรุงคุณสมบัติของหนึ่งในเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญที่สุด - เจอร์เมเนียม Ge

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด p

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด p นอกเหนือจากฐานสารเจือปนแล้ว ยังมีลักษณะพิเศษโดยธรรมชาติของรูที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า สิ่งเจือปนที่เพิ่มในกรณีนี้เรียกว่าสิ่งเจือปนที่เป็นตัวรับ
“p-type” มาจากคำว่า “บวก” ซึ่งหมายถึงประจุบวกของพาหะส่วนใหญ่
ตัวอย่างเช่น อะตอมอินเดียมไตรวาเลนต์จำนวนเล็กน้อยจะถูกเติมลงในเซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอน Si แบบเตตระวาเลนต์ ในกรณีของเรา อินเดียมจะเป็นธาตุที่ไม่บริสุทธิ์ อะตอมที่สร้างพันธะโควาเลนต์กับอะตอมซิลิคอน 3 อะตอมที่อยู่ใกล้เคียงกัน แต่ซิลิคอนมีพันธะอิสระหนึ่งพันธะในขณะที่อะตอมอินเดียมไม่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน ดังนั้นมันจึงจับเวเลนซ์อิเล็กตรอนจากพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมซิลิคอนที่อยู่ใกล้เคียง และกลายเป็นไอออนที่มีประจุลบ ก่อตัวขึ้นเรียกว่ารู และด้วยเหตุนี้ จึงเป็นรู การเปลี่ยนแปลง
ตามรูปแบบเดียวกัน In ndium จะให้ค่าการนำไฟฟ้าของรูแก่ Ge เจอร์เมเนียม

ศึกษาคุณสมบัติขององค์ประกอบและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ศึกษาคุณสมบัติการสัมผัสระหว่างตัวนำกับเซมิคอนดักเตอร์ ทดลองในการผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ O.V. Losev ได้สร้างต้นแบบของ LED สมัยใหม่ในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920

เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุผลึกที่นำไฟฟ้าได้ไม่ดีเท่าโลหะ แต่ก็ไม่ได้แย่เท่ากับฉนวนส่วนใหญ่ โดยทั่วไปอิเล็กตรอนของเซมิคอนดักเตอร์จะเกาะกันแน่นกับนิวเคลียสของพวกมัน อย่างไรก็ตาม หากพลวงอะตอมหลายอะตอมซึ่งมีอิเล็กตรอน "มากเกินไป" ถูกนำเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนอิสระของพลวงจะช่วยให้ซิลิคอนมีประจุลบ

เมื่ออะตอมหลายอะตอมของเซมิคอนดักเตอร์ถูกแทนที่ด้วยอินเดียม ซึ่งเกาะติดอิเล็กตรอนเพิ่มเติมเข้ากับตัวมันเองได้อย่างง่ายดาย "ช่องว่าง" หรือตามที่นักฟิสิกส์กล่าวว่า "รู" จะก่อตัวขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งมีประจุบวก

คุณสมบัติเหล่านี้ของเซมิคอนดักเตอร์ได้นำไปสู่การใช้ทรานซิสเตอร์อย่างแพร่หลาย - อุปกรณ์สำหรับขยายกระแสไฟฟ้า ปิดกั้นหรือส่งผ่านในทิศทางเดียวเท่านั้น ในทรานซิสเตอร์ NPN ทั่วไป ชั้นของเซมิคอนดักเตอร์เชิงบวก (P) (ฐาน) จะถูกประกบอยู่ระหว่างสองชั้นของเซมิคอนดักเตอร์เชิงลบ (N) (ตัวปล่อยและตัวสะสม) เมื่อสัญญาณอ่อน เช่น จากอินเตอร์คอม ผ่านฐานของทรานซิสเตอร์ NPN การปล่อยอิเล็กตรอนจะขยายสัญญาณ

โครงสร้างของเซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด N มีอิเล็กตรอนมากเกินไปซึ่งมีประจุลบ เซมิคอนดักเตอร์ชนิด P ขาดอิเล็กตรอน แต่มีรูมากเกินไป (ช่องว่างสำหรับอิเล็กตรอน) ที่มีประจุบวก

คุณสมบัติที่โดดเด่นของเซมิคอนดักเตอร์

ต่างจากตัวนำซึ่งมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก และฉนวนซึ่งแทบไม่มีเลย เซมิคอนดักเตอร์มีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนเล็กน้อย และสิ่งที่เรียกว่ารู (วงกลมสีขาว) ซึ่งเป็นช่องว่างที่เหลือจากอิเล็กตรอนอิสระ ทั้งหลุมและอิเล็กตรอนนำกระแสไฟฟ้า

ทรานซิสเตอร์ NPN

ทรานซิสเตอร์พีเอ็นพี

รูจะเคลื่อนจากตัวปล่อยประจุบวก (+) ไปยังฐานลบ (ชั้น N) จากนั้นผ่านตัวสะสมประจุบวกไปยังขั้วลบ (-) เพื่อขยายกระแสไฟฟ้า

ไดโอดคืออะไร?

ในทิศทางหนึ่งใช่ อีกทางหนึ่งไม่ใช่ สัญญาณอินพุตไดโอดระบุกระแสสลับ จากกราฟด้านขวาจะเห็นว่ามีเพียงกระแสตรงเท่านั้นที่ผ่านไดโอด

เมื่ออิเล็กตรอนที่มีประจุลบ (ลูกบอลสีน้ำเงิน) และรูที่มีประจุบวก (ลูกบอลสีชมพู) เคลื่อนที่ออกจากจุดเชื่อมต่อของชั้นซิลิคอนชนิด N และชนิด P ในไดโอด กระแสไฟฟ้าจะถูกขัดจังหวะ ในภาพขวาล่าง อิเล็กตรอนและรูเคลื่อนไปทางทางแยก และด้วยเหตุนี้ ไดโอดจึงนำกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น โดยเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรง

บทความนี้ไม่มีอะไรสำคัญหรือน่าสนใจเป็นพิเศษ เพียงตอบคำถามง่ายๆ สำหรับ "หุ่นจำลอง": คุณสมบัติหลักที่ทำให้เซมิคอนดักเตอร์แตกต่างจากโลหะและไดอิเล็กทริกคืออะไร

เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุ (คริสตัล วัสดุโพลีคริสตัลไลน์และอสัณฐาน ธาตุหรือสารประกอบ) โดยมีช่องว่างของแถบความถี่ (ระหว่างแถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์)

เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เป็นผลึกและสารอสัณฐานซึ่งในแง่ของการนำไฟฟ้านั้นจะมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างโลหะ (σ = 10 4 ÷10 6 โอห์ม -1 ซม. -1) และไดอิเล็กทริก (σ = 10 -10 ۞10 -20 โอห์ม - 1 ซม. -1) อย่างไรก็ตามค่าขอบเขตการนำไฟฟ้าที่กำหนดนั้นมีความไม่แน่นอนมาก

ทฤษฎีวงดนตรีทำให้สามารถกำหนดเกณฑ์ที่ทำให้สามารถแบ่งของแข็งออกเป็นสองชั้น - โลหะและเซมิคอนดักเตอร์ (ฉนวน) โลหะมีลักษณะพิเศษคือการมีระดับอิสระในแถบเวเลนซ์ ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปได้โดยได้รับพลังงานเพิ่มเติม เช่น เนื่องจากการเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้า คุณสมบัติที่โดดเด่นของโลหะคือในสถานะไม่ตื่นเต้น (ที่ 0 K) ในพื้นดินพวกมันมีอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเช่น อิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายนอก

ในเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนที่ 0 K แถบวาเลนซ์จะถูกเติมให้เต็ม และแถบการนำจะถูกแยกออกจากแถบนั้นด้วยช่องว่างของแถบและไม่มีตัวพา ดังนั้นสนามไฟฟ้าที่ไม่แรงเกินไปจึงไม่สามารถเสริมกำลังอิเล็กตรอนที่อยู่ในแถบเวเลนซ์และถ่ายโอนไปยังแถบการนำไฟฟ้าได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคริสตัลดังกล่าวที่ 0 K ควรเป็นฉนวนในอุดมคติ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือคริสตัลถูกฉายรังสี อิเล็กตรอนสามารถดูดซับควอนตัมของพลังงานความร้อนหรือพลังงานการแผ่รังสีที่เพียงพอที่จะเคลื่อนที่เข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านนี้ รูจะปรากฏขึ้นในแถบเวเลนซ์ ซึ่งสามารถมีส่วนร่วมในการถ่ายโอนไฟฟ้าได้เช่นกัน ความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับ ( -อีก/ เคที), ที่ไหน อีก - ความกว้างของเขตต้องห้าม ด้วยมูลค่าอันมหาศาล อีก (2-3 eV) ความน่าจะเป็นนี้มีขนาดเล็กมาก

ดังนั้นการแบ่งสารออกเป็นโลหะและอโลหะจึงมีพื้นฐานที่ชัดเจนมาก ในทางตรงกันข้าม การแบ่งอโลหะออกเป็นเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริกไม่มีพื้นฐานดังกล่าวและมีเงื่อนไขเพียงอย่างเดียว

ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าสารที่มีช่องว่างของแถบสามารถจัดเป็นไดอิเล็กทริกได้ อีกµ 2÷3 eV แต่ต่อมาปรากฎว่าหลายตัวเป็นเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ยิ่งไปกว่านั้น ยังแสดงให้เห็นว่า ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปนหรืออะตอมส่วนเกิน (เหนือองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์) ของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่ง ผลึกชนิดเดียวกันสามารถเป็นได้ทั้งเซมิคอนดักเตอร์และฉนวน สิ่งนี้ใช้กับคริสตัลของเพชร ซิงค์ออกไซด์ แกลเลียมไนไตรด์ เป็นต้น แม้แต่ไดอิเล็กทริกทั่วไปเช่นแบเรียมและสตรอนเซียมไททาเนตรวมถึงรูไทล์เมื่อลดลงบางส่วนก็ยังได้รับคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งสัมพันธ์กับการปรากฏตัวของอะตอมของโลหะส่วนเกินในพวกมัน

การแบ่งอโลหะออกเป็นเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริกก็มีความหมายเช่นกัน เนื่องจากเป็นที่ทราบกันว่ามีคริสตัลจำนวนหนึ่งซึ่งค่าการนำไฟฟ้าทางอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมีนัยสำคัญไม่ว่าจะโดยการนำสิ่งเจือปนเข้าไปหรือโดยการส่องสว่างหรือการให้ความร้อน นี่เป็นเพราะโฟโตอิเล็กตรอนมีอายุสั้นมาก หรือการมีอยู่ของกับดักลึกในคริสตัล หรือการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนต่ำมาก เช่น ด้วยความเร็วที่ต่ำมากในการดริฟท์ในสนามไฟฟ้า

ค่าการนำไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้น n ประจุ e และการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ ดังนั้นการขึ้นต่ออุณหภูมิของการนำไฟฟ้าของวัสดุต่าง ๆ จึงถูกกำหนดโดยการขึ้นต่ออุณหภูมิของพารามิเตอร์ที่ระบุ สำหรับการชาร์จตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด จคงที่และไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ในวัสดุส่วนใหญ่ ค่าการเคลื่อนที่มักจะลดลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากความรุนแรงของการชนกันระหว่างอิเล็กตรอนและโฟนันที่กำลังเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น กล่าวคือ เนื่องจากการกระเจิงของอิเล็กตรอนโดยการสั่นสะเทือนของโครงผลึก ดังนั้นพฤติกรรมที่แตกต่างกันของโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ และไดอิเล็กทริกจึงสัมพันธ์กับความเข้มข้นของตัวพาประจุและการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก:

1) ในโลหะ ความเข้มข้นของตัวพาประจุ n สูงและเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ตัวแปรที่รวมอยู่ในสมการการนำไฟฟ้าคือความคล่องตัว และเนื่องจากความคล่องตัวลดลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิ ค่าการนำไฟฟ้าจึงลดลงด้วย

2) ในเซมิคอนดักเตอร์และไดอิเล็กทริก nมักจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามอุณหภูมิ การเติบโตอย่างรวดเร็วนี้ nมีส่วนช่วยที่สำคัญที่สุดต่อการเปลี่ยนแปลงการนำไฟฟ้ามากกว่าความคล่องตัวที่ลดลง ดังนั้นค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในแง่นี้ไดอิเล็กทริกถือได้ว่าเป็นกรณีที่ จำกัด เนื่องจากค่าที่อุณหภูมิปกติ nในสารเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก ที่อุณหภูมิสูง ค่าการนำไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกแต่ละตัวจะถึงระดับเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากการเพิ่มขึ้น n- สิ่งที่ตรงกันข้ามก็สังเกตได้เช่นกัน - ที่อุณหภูมิต่ำเซมิคอนดักเตอร์บางตัวจะกลายเป็นฉนวน

อ้างอิง

1. เวสต์ ก. เคมีของของแข็ง ส่วนที่ 2 ต่อ จากภาษาอังกฤษ - อ.: มีร์ 2531 - 336 หน้า
2. ผลึกศาสตร์สมัยใหม่ ต.4. คุณสมบัติทางกายภาพของคริสตัล - ม.: เนากา, 2524.

นักศึกษากลุ่ม 501 คณะเคมี: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.

นอกจากตัวนำไฟฟ้าแล้ว ยังมีสารหลายชนิดในธรรมชาติที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าตัวนำโลหะอย่างมีนัยสำคัญ สารประเภทนี้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำได้แก่: องค์ประกอบทางเคมีบางชนิด เช่น ซีลีเนียม ซิลิคอน และเจอร์เมเนียม สารประกอบซัลเฟอร์ เช่น แทลเลียมซัลไฟด์ แคดเมียมซัลไฟด์ ซิลเวอร์ซัลไฟด์ คาร์ไบด์ เช่น คาร์บอรันดัมคาร์บอน (เพชร)โบรอน, ดีบุกสีเทา, ฟอสฟอรัส, พลวง, สารหนู, เทลลูเรียม, ไอโอดีนและสารประกอบอีกจำนวนหนึ่งที่มีองค์ประกอบอย่างน้อยหนึ่งองค์ประกอบของกลุ่มที่ 4 - 7 ของระบบธาตุ นอกจากนี้ยังมีสารกึ่งตัวนำอินทรีย์

ธรรมชาติของการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับประเภทของสิ่งเจือปนที่มีอยู่ในวัสดุฐานของเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีการผลิตของส่วนประกอบต่างๆ

เซมิคอนดักเตอร์คือสารที่มีค่า 10 -10 - 10 4 (โอห์ม x ซม.) -1 ซึ่งตามคุณสมบัติเหล่านี้ อยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน ความแตกต่างระหว่างตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ และฉนวนตามทฤษฎีแถบความถี่มีดังนี้ ในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์และฉนวนอิเล็กทรอนิกส์ จะมีช่องว่างพลังงานระหว่างแถบเต็ม (วาเลนซ์) และแถบการนำไฟฟ้า

เหตุใดสารกึ่งตัวนำจึงนำกระแสไฟฟ้า

เซมิคอนดักเตอร์มีค่าการนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์หากอิเล็กตรอนชั้นนอกในอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์นั้นจับกับนิวเคลียสของอะตอมเหล่านี้ค่อนข้างอ่อน หากสนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้ภายใต้อิทธิพลของแรงของสนามนี้อิเล็กตรอนด้านนอกของอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ของเซมิคอนดักเตอร์จะออกจากขอบเขตของอะตอมและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ

อิเล็กตรอนอิสระจะสร้างกระแสการนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ภายใต้อิทธิพลของแรงสนามไฟฟ้า ดังนั้นลักษณะของกระแสไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์จึงเหมือนกับในตัวนำโลหะ แต่เนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระในปริมาตรหน่วยของเซมิคอนดักเตอร์น้อยกว่าในปริมาตรหน่วยของตัวนำโลหะหลายเท่า จึงเป็นเรื่องธรรมดาที่ภายใต้สภาวะที่เหมือนกันอื่น ๆ ทั้งหมด กระแสในเซมิคอนดักเตอร์จะน้อยกว่าใน a หลายเท่า ตัวนำโลหะ

เซมิคอนดักเตอร์มีค่าการนำไฟฟ้าแบบ "รู" หากอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ไม่เพียงแต่ไม่ปล่อยอิเล็กตรอนภายนอกออกไป แต่ในทางกลับกันมีแนวโน้มที่จะจับอิเล็กตรอนจากอะตอมของสารหลักของเซมิคอนดักเตอร์ หากอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์รับอิเล็กตรอนจากอะตอมของสารหลักจากนั้นในระยะหลังจะมีบางสิ่งเช่นพื้นที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอนเกิดขึ้น - "รู"

อะตอมของเซมิคอนดักเตอร์ที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปเรียกว่า "รูอิเล็กตรอน" หรือเรียกง่ายๆ ว่า "รู" หาก "รู" เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายโอนจากอะตอมข้างเคียง มันจะถูกกำจัดออก และอะตอมจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า และ "รู" จะถูกแทนที่ด้วยอะตอมข้างเคียงที่สูญเสียอิเล็กตรอนไป ดังนั้น หากเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าแบบ "รู" ถูกสัมผัสกับสนามไฟฟ้า "รูอิเล็กตรอน" จะเลื่อนไปในทิศทางของสนามไฟฟ้านี้

อคติ "รูอิเล็กตรอน" ในทิศทางของสนามไฟฟ้าจะคล้ายกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวกในสนาม จึงแสดงถึงปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

เซมิคอนดักเตอร์ไม่สามารถแยกแยะได้อย่างเข้มงวดโดยกลไกของการนำไฟฟ้าตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาเมื่อใช้การนำไฟฟ้าแบบ "รู" เซมิคอนดักเตอร์ที่กำหนดอาจมีการนำไฟฟ้าทางอิเล็กทรอนิกส์ในระดับหนึ่งหรืออย่างอื่นก็ได้

เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะดังนี้:

ประเภทของการนำไฟฟ้า (อิเล็กทรอนิกส์ - ชนิด n, รู - ชนิด p);

ความต้านทาน;

อายุการใช้งานของตัวพาประจุ (ส่วนน้อย) หรือความยาวการแพร่กระจาย อัตราการรวมตัวกันใหม่ของพื้นผิว

ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อน

ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุด

อุณหภูมิมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณลักษณะของเซมิคอนดักเตอร์ การเพิ่มขึ้นของมันส่วนใหญ่จะนำไปสู่การลดความต้านทานและในทางกลับกันเช่น เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะเป็นลบ - เมื่อใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ สารกึ่งตัวนำจะกลายเป็นฉนวน

เซมิคอนดักเตอร์เป็นพื้นฐานของอุปกรณ์หลายชนิด ในกรณีส่วนใหญ่จะต้องได้มาในรูปของผลึกเดี่ยว เพื่อให้มีคุณสมบัติตามที่ระบุ เซมิคอนดักเตอร์จะถูกเจือด้วยสิ่งเจือปนต่างๆ ความต้องการที่เพิ่มขึ้นนั้นอยู่ที่ความบริสุทธิ์ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ต้นทาง

เซมิคอนดักเตอร์พบการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่อย่างกว้างขวางที่สุด ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อความก้าวหน้าทางเทคนิค ด้วยเหตุนี้จึงสามารถลดน้ำหนักและขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมาก การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกด้านนำไปสู่การสร้างและปรับปรุงอุปกรณ์ต่างๆ จำนวนมากโดยใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับไมโครเซลล์ ไมโครโมดูล วงจรโซลิดสเตต ฯลฯ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์นั้นไม่มีความเฉื่อยเลย อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างขึ้นอย่างระมัดระวังและปิดผนึกอย่างดีสามารถมีอายุการใช้งานนับหมื่นชั่วโมง อย่างไรก็ตาม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์บางชนิดมีขีดจำกัดอุณหภูมิต่ำ (เช่น เจอร์เมเนียม) แต่การชดเชยอุณหภูมิไม่ซับซ้อนมากนัก หรือการเปลี่ยนวัสดุหลักของอุปกรณ์ด้วยวัสดุอื่น (เช่น ซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์) ส่วนใหญ่จะช่วยลดข้อเสียนี้ การปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ช่วยลดการกระจายและความไม่เสถียรของพารามิเตอร์ที่มีอยู่

หน้าสัมผัสโลหะเซมิคอนดักเตอร์และทางแยกรูอิเล็กตรอน (ทางแยก n-p) ที่สร้างขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์ใช้ในการผลิตไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ ทางแยกคู่ (p-n-p หรือ n-p-n) - ทรานซิสเตอร์และไทริสเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการแก้ไข สร้าง และขยายสัญญาณไฟฟ้า

ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของโฟโตอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ โฟโตรีซีสเตอร์ โฟโตไดโอด และโฟโตทรานซิสเตอร์จะถูกสร้างขึ้น เซมิคอนดักเตอร์ทำหน้าที่เป็นส่วนสำคัญของเครื่องกำเนิดการสั่น (เครื่องขยายเสียง) เมื่อกระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านจุดเชื่อมต่อ pn ในทิศทางไปข้างหน้า ตัวพาประจุ - อิเล็กตรอนและรู - จะรวมตัวกันอีกครั้งพร้อมกับการปล่อยโฟตอน ซึ่งใช้ในการสร้าง LED

คุณสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์ทำให้สามารถสร้างความต้านทานความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์, เทอร์โมอิลิเมนต์ของเซมิคอนดักเตอร์, เทอร์โมไพล์และเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกและการระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกของเซมิคอนดักเตอร์โดยอาศัยเอฟเฟกต์ Peltier - ตู้เย็นเทอร์โมอิเล็กทริกและเทอร์โมสเตบิไลเซอร์

เซมิคอนดักเตอร์ใช้ในการแปลงพลังงานความร้อนและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า - เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โมอิเล็กทริก และเครื่องแปลงโฟโตอิเล็กทริก (แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์) โดยไม่ต้องใช้เครื่องจักร

ความเค้นทางกลที่ใช้กับเซมิคอนดักเตอร์จะเปลี่ยนความต้านทานไฟฟ้า (ผลกระทบจะรุนแรงกว่าโลหะ) ซึ่งเป็นพื้นฐานของสเตรนเกจของเซมิคอนดักเตอร์

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แพร่หลายไปทั่วโลก โดยปฏิวัติอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาและการผลิต:

อุปกรณ์วัด, คอมพิวเตอร์,

อุปกรณ์สำหรับการสื่อสารและการขนส่งทุกประเภท

สำหรับกระบวนการอัตโนมัติในอุตสาหกรรม

อุปกรณ์สำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

เทคโนโลยีจรวด,

อุปกรณ์ทางการแพทย์

อุปกรณ์และเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ

การใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ใหม่และปรับปรุงอุปกรณ์เก่าได้ซึ่งหมายถึงการลดขนาดน้ำหนักการใช้พลังงานและทำให้การสร้างความร้อนในวงจรลดลงการเพิ่มความแข็งแกร่งความพร้อมในการดำเนินการทันที และสามารถเพิ่มอายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้

เซมิคอนดักเตอร์ได้ชื่อมาเนื่องจากมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างตัวนำ (โลหะ อิเล็กโทรไลต์ ฯลฯ) ซึ่งมีค่าการนำไฟฟ้าสูง และฉนวน (พอร์ซเลน ไมกา ยาง และอื่นๆ) ซึ่งแทบไม่มีค่าการนำไฟฟ้าเลย

หากเราเปรียบเทียบความหนาแน่นจำเพาะของสารต่างๆ ในหน่วยโอห์ม × ซม. ปรากฎว่าตัวนำมี: ρ คุณ= 10 -6 - 10 -3 โอห์ม × ซม.; ความต้านทานของเซมิคอนดักเตอร์: ρ คุณ= 10 -3 - 10 8 โอห์ม × ซม.; และย: ρ คุณ= 10 8 - 10 20 โอห์ม × ซม. สารกึ่งตัวนำประกอบด้วย: ออกไซด์ของโลหะ - ออกไซด์ (Al 2 O 3, Cu 2 O, ZnO, TiO 2, VO 2, WO 2, MoO 3); สารประกอบซัลเฟอร์ - ซัลไฟด์ (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); สารประกอบที่มีซีลีเนียม - ซีลีไนด์; สารประกอบที่มีเทลลูเรียม - เทลลูไรด์; โลหะผสมบางชนิด (MgSb 2, ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); องค์ประกอบทางเคมี - เจอร์เมเนียม, ซิลิคอน, เทลลูเรียม, ซีลีเนียม, โบรอน, คาร์บอน, ซัลเฟอร์, ฟอสฟอรัส, สารหนูรวมถึงสารประกอบเชิงซ้อนจำนวนมาก (กาลีน, คาร์บอรันดัมและอื่น ๆ )

รูปที่ 1. เจอร์เมเนียม

รูปที่ 2. ซิลิคอน

รูปที่ 3 เทลลูเรียม

การศึกษาคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ที่สมบูรณ์และกว้างขวางดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต A.F. Ioffe และเพื่อนร่วมงานของเขา

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์แตกต่างอย่างมากจากคุณสมบัติของตัวนำและฉนวน ค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การส่องสว่าง การมีอยู่และความเข้มของสนามไฟฟ้า และปริมาณของสิ่งเจือปน ที่อุณหภูมิปกติ เซมิคอนดักเตอร์จะมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนหนึ่งซึ่งเป็นผลมาจากการแตกของพันธะอิเล็กทรอนิกส์ เซมิคอนดักเตอร์มีสองประเภท: อิเล็กทรอนิกส์และรู ตัวพาประจุในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการนำไฟฟ้าเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และเมื่อมีรูนำเป็นพันธะที่ไม่มีอิเล็กตรอน

พิจารณาการทดลองต่อไปนี้ ลองใช้ความร้อนที่ปลายด้านหนึ่งจากนั้นปลายตัวนำที่ให้ความร้อนจะได้รับประจุบวก สิ่งนี้อธิบายได้จากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากปลายร้อนไปยังปลายเย็น ส่งผลให้เกิดการขาดแคลนอิเล็กตรอนที่ปลายร้อนของตัวนำ (ประจุบวก) และอิเล็กตรอนส่วนเกินที่ปลายเย็น (ประจุลบ) การไหลของกระแสไฟฟ้าในระยะสั้นผ่านตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากปลายด้านหนึ่งของตัวนำไปยังอีกด้านหนึ่ง ดังนั้นที่นี่เรากำลังพูดถึงตัวนำที่มีค่าการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม มีสสารที่มีพฤติกรรมแตกต่างออกไปในระหว่างการทดลอง เช่น ขอบที่ได้รับความร้อนของสารดังกล่าวจะได้รับประจุลบ และขอบเย็นจะได้รับประจุบวก สิ่งนี้เป็นไปได้หากเราถือว่าการถ่ายโอนปัจจุบันดำเนินการโดยประจุบวก

รูปที่ 4 พันธะระหว่างอะตอมของสาร

รูปที่ 5 การนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์

รูปที่ 6 การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์

รูปที่ 7 ค่าการนำไฟฟ้าของรูของเซมิคอนดักเตอร์

มาทำความรู้จักกับการนำไฟฟ้าประเภทอื่นในเซมิคอนดักเตอร์ - การนำไฟฟ้าของรู ในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ อิเล็กตรอนทุกตัวที่จับกับนิวเคลียสอย่างอ่อนจะมีส่วนร่วมในพันธะอิเล็กทรอนิกส์ ในรูปที่ 4 กพันธะที่เติมระหว่างอะตอมของสสารจะแสดงตามอัตภาพ “รู” เป็นองค์ประกอบของโครงผลึกของสารที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปซึ่งสอดคล้องกับลักษณะของประจุบวก (รูปที่ 4, ข).

พันธะที่ปล่อยออกมาอาจถูกเติมเต็มอีกครั้งหาก “รู” จับอิเล็กตรอนจากพันธะข้างเคียง (รูปที่ 4, วี- ซึ่งจะทำให้ "รู" ย้ายไปยังตำแหน่งใหม่ ในสารเซมิคอนดักเตอร์ภายใต้สภาวะปกติ ทิศทางการปล่อยอิเล็กตรอนและตำแหน่งของการก่อตัวของ "รู" นั้นไม่เป็นระเบียบ หากใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่กับเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ อิเล็กตรอนและ "รู" จะเคลื่อนที่ (อันแรกต้านทิศทางของแรงสนาม ส่วนอันที่สองไปในทิศทางตรงกันข้าม) หากจำนวน "รู" ที่เกิดขึ้นเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา เช่นเดียวกับในกรณีของเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะต่ำ (ค่าการนำไฟฟ้าภายใน) การปรากฏตัวของสิ่งเจือปนจากต่างประเทศแม้แต่น้อยก็สามารถเปลี่ยนกลไกการนำไฟฟ้าได้: ทำให้เป็นแบบอิเล็กทรอนิกส์หรือเป็นรู ลองดูตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจง ลองใช้เจอร์เมเนียม (Ge) เป็นสารกึ่งตัวนำ ในผลึกเจอร์เมเนียม แต่ละอะตอมจะถูกพันธะกับอะตอมอื่นอีกสี่อะตอม เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือเป็นผลมาจากการฉายรังสี พันธะคู่ของคริสตัลอาจแตกหักได้ ในกรณีนี้ จะเกิดจำนวนอิเล็กตรอนและ "รู" ที่เท่ากัน (รูปที่ 5)

มาเติมสารหนูลงในเจอร์เมเนียมเป็นสิ่งเจือปนกัน สิ่งเจือปนดังกล่าวมีอิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัดอย่างอ่อนจำนวนมาก อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์มีระดับพลังงานของตัวเอง ซึ่งอยู่ระหว่างระดับพลังงานของแถบอิสระและแถบเต็ม ใกล้กับระดับหลัง (รูปที่ 6) สิ่งเจือปนดังกล่าวทำให้อิเล็กตรอนเข้าสู่เขตปลอดอากรและเรียกว่าสิ่งเจือปนของผู้บริจาค เซมิคอนดักเตอร์จะมีอิเล็กตรอนอิสระ ในขณะที่พันธะทั้งหมดจะเต็มไป เซมิคอนดักเตอร์จะมีค่าการนำไฟฟ้าอยู่ในช่วงอิสระ

หากตอนนี้อินเดียมถูกเติมเข้าไปเป็นสิ่งเจือปนในเจอร์เมเนียม แทนที่จะเป็นสารหนู จะเกิดสิ่งต่อไปนี้ สิ่งเจือปนดังกล่าวมีอิเล็กตรอนที่มีพันธะอ่อนแอจำนวนเล็กน้อย และระดับพลังงานของสิ่งเจือปนนั้นอยู่ระหว่างระดับพลังงานของแถบอิสระและแถบเต็ม ใกล้กับแถบอิสระ (รูปที่ 7) สิ่งเจือปนประเภทนี้จะรับอิเล็กตรอนเข้าสู่โซนของพวกมันจากโซนเติมที่อยู่ติดกัน และเรียกว่าสิ่งเจือปนที่เป็นตัวรับ ในเซมิคอนดักเตอร์จะมีพันธะที่ไม่สำเร็จ - "รู" ในกรณีที่ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ เซมิคอนดักเตอร์จะมีรูนำไฟฟ้าในแถบที่เต็มไป

ตอนนี้ประสบการณ์ในการให้ความร้อนแก่เซมิคอนดักเตอร์จะชัดเจนขึ้น เมื่อปลายที่ให้ความร้อนได้รับประจุลบ และปลายเย็นได้รับประจุบวก ภายใต้อิทธิพลของความร้อน พันธะที่ปลายร้อนจะเริ่มสลายตัว ทำให้เกิด "รู" และอิเล็กตรอนอิสระ หากเซมิคอนดักเตอร์มีสิ่งเจือปน "รู" จะเริ่มเคลื่อนที่ไปที่ปลายเย็นและชาร์จประจุบวก และปลายที่ได้รับความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์จะมีประจุลบ

เมื่อสรุปการพิจารณาเซมิคอนดักเตอร์แล้ว เราได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้

การเพิ่มสิ่งเจือปนลงในเซมิคอนดักเตอร์ จะทำให้เซมิคอนดักเตอร์มีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าหรือรูได้เหนือกว่า จากนี้จะได้รับเซมิคอนดักเตอร์ประเภทต่อไปนี้ เซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ n-ประเภท (ลบ) และมีค่าการนำไฟฟ้าของรู - พี-ประเภท (บวก)

เรายังขอเชิญคุณชมวิดีโอให้ความรู้เกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์:

รายการ=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I