E-Book เรื่อง สารกึ่งตัวนำ

สาขาวชิ าชา่ งไฟฟา้ (ELECTRICAL POWER) วทิ ยาลยั เทคนคิ บรู พาปราจนี (BURAPAPRACHIN TECHNICAL COLLEGE) ใบความรทู้ ่ี 2 เรอ่ื ง สารกงึ่ ตวั นา จดุ ประสงคก์ ารสอน........... สามารถอธบิ ายความแตกตา่ ง ระหวา่ งโครงสรา้ งอะตอมของ ตวั นา ฉนวนและสารกงึ่ ตวั นา อธบิ ายไดว้ า่ สารกง่ึ ตวั นาชนดิ P และ N สรา้ งไดอ้ ยา่ งไร อธบิ ายโครงสรา้ งแลตทซิ ได้ ครนู าวี วทิ ยาลยั เทคนคิ บรู พาปราจนี 18 หมู่ 12 ต.ศรมี หาโพธิ อ.ศรมี หาโพธิ จ.ปราจนี บรุ ี 25140 WWW.BURAPAPRACHIN.AC.TH สอบถามโทร 086-0208987

1 ใบความรู้ที่ 2 เร่ือง สารกงึ่ ตวั นาธรรมชาติของสารสารทุกชนิดเมื่อทาใหม้ ีขนาดเล็กที่สุดจะตอ้ งเป็นอะตอมของธาตทุ ่ปี ระกอบกนั เป็ นสารน้นั อะตอมประกอบดว้ ยแกนกลางเป็นนิวเคลียสลอ้ มรอบดว้ ยอิเลก็ ตรอนอิเล็คตรอนวง่ิ วนรอบ ๆ นิวเคลียส เพราะนิวเคลียสมีประจุไฟฟ้ าบวก อิเลค็ ตรอนมีประจุไฟฟ้ าลบ(1.6 x10 -19 คูลอมบ)์ วงโคจรของอิเลค็ ตรอนเป็นรูปวงรีรอบนิวเคลียสจานวนอิเลค็ ตรอนของอะตอมใช้จาแนกสารเป็นธาตตุ า่ ง ๆ กนั เช่น ธาตไุ ฮโดรเยน็ มี 1อิเลค็ ตรอนโคจร ฮีเลียม มี 2 อิเล็คตรอนโคจรสารที่มีจานวนอิเล็คตรอนมาก ๆ จะไม่มีวงโคจรทบั ซ้ากนั แตจ่ ะมียา่ นวงโคจรเรียกวา่ เชลล์ ช่ือ k l m nของกล่มุ อิเล็คตรอนอิเลค็ ตรอนทอ่ี ยวู่ งใน ๆ จะยดึ อยกู่ บั นิวเครียส ส่วนท่ีอยวู่ งนอกสุดจะหลุดออกจากอะตอมไดง้ า่ ย เรียกวา่ วาเลน็ ซ์อิเลค็ ตรอการไหลของกระแสไฟฟ้ ากระแสไฟฟ้ าเกิดจากการเคล่ือนทขี่ องประจไุ ฟฟ้ าในสาร ในโลหะเช่น ทองแดงอิเลค็ ตรอนทอ่ี ยวู่ งนอกสุด จะหลุดจากวงโคจรแลว้ เคล่ือนที่ในเน้ือสารสารตวั นากระแสไฟฟ้ าเรียกส้นั ๆ วา่ ตวั นา เป็นสารท่มี ี

2ฟรีอิเล็คตรอนเป็นจานวนมาก เช่น โลหะทองแดง โลหะเงิน โลหะอลูมิเนียม อโลหะคาร์บอนบางรูปแบบ เป็นตน้ ไฟฟ้ าไหลผา่ นไดส้ ารชนิดน้ีไดอ้ ยา่ งสะดวกมีความตา้ นทานนอ้ ยมากสารฉนวนกระแสไฟฟ้ าเรียกกนั วา่ฉนวน เป็ นสารทีม่ ีฟรีอิเลค็ ตรอนนอ้ ยมาก เช่น ยาง พวี ซี ี กระดาษ เป็นตน้ ไฟฟ้ าใหลผา่ นไดย้ ากหรือไม่ไหลเลยมีความตา้ นทานมาก สารกง่ึ ตัวนากระแสไฟฟ้ าสารก่ึงตวั นาไดแ้ ก่สารท่มี ีคุณสมบตั อิ ยรู่ ะหวา่ งตวั นากบั ฉนวน มีอิเลค็ ตรอนอยทู่ เ่ี ชลลน์ อกสุดจานวน 4ตวั จากจานวนมากท่ีสุดมีได้ 8 ตวั มีหลายสารทร่ี ู้จกั กนั ดีท่สี ุดคือ ซิลิกอน และ เยอร์มาเนียม เรียกสารเหล่าน้ีวา่ สารเตตะวาเลนซ์ เรียกสารเหล่าน้ีบริสุทธ์ิวา่ สารก่ึงตวั นาอินทรินซิคหรือสารก่ึงตวั นาเน้ือแท้อะตอมของซิลิคอนและเยอร์มาเนียมจะเกาะกบั อะตอมขา้ งเคยี งสร้างตวั เป็ นผลึกโดยไม่มีอิเลค็ ตรอนตวัใดเหลือเป็นอิเลค็ ตรอนอิสระเลย หรือทกุ อะตอมไม่มีอิเล็คตรอนขาดหรือเกินเลยวิธีนาไฟฟ้ าของสารกงึ่ ตัวนาเนื้อแท้ในสภาวะเยน็ ๆ สารก่ึงตวั นาเน้ือแท้ จะไม่มีฟรีอเิ ลค็ ตรอนเลย หรือบอนดร์ ะหวา่ งอะตอมไม่แตกจากกนั แต่เมื่ออุณหภูมิเพม่ิ ข้นึ ทาใหบ้ อนดแ์ ตก มีฟรีอิเล็คตรอนและฟรีโฮลเกิดข้นึ เป็นคู่ ๆ สารก่ึงตวั นาบริสุทธจ์ ะมีคูฟ่ รีอิเล็คตรอนและโฮล แลว้ เคลื่อนท่ีไปในเน้ือสาร เมื่อคู่ใดมาพบจะเกิดการรวมกนั ข้นึ

3ก่อนทีจ่ ะมีการพบอิเล็คตรอนนกั วทิ ยาศาสตร์อธิบายวา่ กระแสไฟฟ้ าไหลจากข้วั บวกผา่ นโหลดไปยงั ข้วัลบ แตเ่ มื่อมีการพบอิเลค็ ตรอน พบวา่ อิเล็กตรอนเคลื่อนทจี่ ากข้วั ลบผา่ นโหลดไปยงั ข้วั บวก ปัจจุบนั เรายอมรับท้งั สองกรณี คือ1 อิเล็คตรอนไหลจากข้วั ลบไปยงั ข้วั บวก2 กระแสไฟฟ้ าปกตไิ หลจากข้วั บวกไปยงั ข้วั ลบ ในทางปฏิบตั ิเราคิดเพยี งทางใดทางหน่ึงเท่าน้นัความรู้เบือ้ งต้นของสารก่งึ ตวั นา (INTRODUCTION TO SEMICONDUCTOR)สารกึ่งตัวนาบริสุทธ์ิ (Intrinsic Semiconductor)ผลึกซิลิกอน แตกตา่ งจาก ฉนวนทว่ั ๆ ไป ตรงที่อิเล็กตรอนวงนอก อาจหลุดไปจากตาแหน่งในอะตอมเมื่ออุณหภูมิส่ิงแวดลอ้ มสูง เกินกวา่ ศนู ยอ์ งศาสมั บรู ณ์ (absolute zero) ทง้ิ หลุมวา่ ง (hole) ไวท้ ีต่ าแหน่งน้นั รอจบั อิเล็กตรอนจากตาแหน่งอื่น ทอี่ ยใู่ กลก้ นั รูปท่ี 1 อิเล็กตรอนในผลึกซิลิกอนบริสุทธ์ิ

4อิเล็กตรอนในผลึกซิลกิ อนบริสุทธ์ิ หลุดออกไปจากตาแหน่งเป็ นอิเลก็ ตรอนอิสระ ท้ิงตาแหน่ง โฮลไว้ เม่ือใหค้ วามตา่ งศกั ยแ์ ก่ผลึกซิลิกอนบริสุทธ์ิ ท้งั โฮล และ อิเลก็ ตรอนอิสระ จะทาใหม้ ีกระแสไฟฟไหลในวงจร อยา่ งไรกต็ าม กระแสดงั กล่าวมีไม่มากนกั รูปท่ี 2 แสดงการเคลื่อนทีข่ องอิเลก็ ตรอน และ โฮลการเคล่ือนท่ีของอิเลก็ ตรอน และ โฮลในผลึกซิลิกอนบริสุทธ์ิ เมื่อต่อเขา้ กบั ความต่างศกั ยจ์ ากแบตเตอร่ีกระแสไฟฟ้ า ท่ไี หลในสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิ จะมีท้งั กระแสท่เี กิดจากอิเลก็ ตรอนอิสระ และ กระแสโฮลอิเล็กตรอนทีห่ ลุดออกไปจากโครงผลึก เน่ืองจากไดร้ ับพลงั งานจากภายนอกจะเคลื่อนทไ่ี ดอ้ ยา่ งอิสระภายในกอ้ นสารก่ึงตวั นาน้นั รูปท่ี 3 แสดงการนากระแสในสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิ

5ซ่ึงมีท้งั กระแสอิเล็กตรอน และ กระแสโฮล ในขณะเดียวกนั อิเลก็ ตรอนอาจ เคล่ือนทีเ่ ป็ นช่วงส้นั ๆ ลงไปในช่องวา่ งท่ีอิเลก็ ตรอนอิสระ หลุดออกไป (โฮล) กระบวนการนากระแส ในลกั ษณะน้ี เรียกวา่ hole conduction reference สารก่ึงตวั นาดดั แปลง (Extrinsic Semiconductor) เม่ือนกั วทิ ยาศาสตร์คน้ พบ คุณสมบตั ิเฉพาะตวั ของซิลิกอน และ เจอร์มนั เนียม นบั เป็นจุดเร่ิมตน้ ของยคุ อิเลก็ ทรอนิกสส์ ารก่ึง ตวั นา ธาตทุ ้งั สองชนิด มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตวั หากเตมิ สารเจอื ปน (impurities) หรือทเ่ี รียกวา่ สารโดป๊ (dopants) ลงไปในโครงสรา้ งผลึก จะไดค้ ุณสมบตั ิของสารก่ึงตวั นาทีแ่ ตกตา่ งกนั ออกไปจากสาร ก่ึงตวั นาบริสุทธ์ื รูปท4่ี แสดงอิเลก็ ตรอนวงนอกของธาตซุ ิลิกอน และ เจอร์มนั เนียมอิเล็กตรอนวงนอกของธาตซุ ิลิกอน และ เจอร์มนั เนียมซิลิกอน และ เจอร์มนั เนียม บริสุทธ์ิ เป็นวสั ดุต้งัตน้ ท่ีนาไปผลิตส่ิงประดิษฐส์ ารก่ึงตวั นา อะตอมของแต่ละธาตุ มีอิเลก็ ตรอนวงนอก 4 ตวั ท่ีอุณหภมู ิเดียวกนั เจอร์มนั เนียม มีอิเล็กตรอนอิสระ สูงกวา่ จงึ นากระแสไดด้ ีกวา่ ปัจจุบนั นิยมใชซ้ ิลิกอน ผลิตสิ่งประดิษฐ์ สารก่ึงตวั นามากกวา่ เพราะใชไ้ ดท้ ี่อุณหภูมิสูงกวา่ เจอร์มนั เนียม

6รูปที่ 5 แสดงตาแหน่งอะตอมของซิลิกอน ในหน่วยเซล ตวั เลขทแ่ี สดง เป็นตาแหน่งของอะตอม เป็ น สดั ส่วนของ lattice constantผลึกซิลิกอนเหมือนกบั เพชร ซ่ึง Ashcroft และ Mermin (Ashcroft, N. W. and Mermin, N. D., SolidState Physics, Saunders, 1976.) เรียกวา่ เป็ นหน่วยเซลแบบ two interpenetrating FCC เสน้ เชื่อมในรูป2 จะลากไปยงั บอนด์ ท่ีใกลท้ สี่ ุด ค่าคงตวั แลททิซ (lattice constant) ของซิลิกอนเป็น 0.543 nm. เจอร์มนั เนียม มีโครงสรา้ งหน่วยเซลแบบเดียวกนั โดยมีค่าคงตวั แลททซิ เป็ น 0.566 nm. อะตอมซิลิกอนจบั ตวั กนั เป็ นพนั ธะโควาเลนท์ และเกาะกนั เป็นผลึก รูปขา้ งล่างน้ี แสดงโครงสรา้ งผลึกของซิลิกอน ซ่ึงมีลกั ษณะเดียวกบั ผลึกของเพชร ผลึกน้ีเป็นสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิ (intrinsic semiconductor) ซ่ึงสามารถนากระแสไดเ้ ล็กนอ้ ย ทอ่ี ุณหภมู ิหอ้ ง ในทน่ี ้ีตอ้ งการแสดงให้เห็นวา่ อะตอมซิลิกอน มีอิเลก็ ตรอนวงนอก 4 ตวั และใชร้ ่วมกบั อะตอมทอี่ ยขู่ า้ งเคยี ง เกาะกนั เป็ นพนั ธะโควาเลนท์ อยา่ งไร กต็ าม หากมีอะตอมอ่ืน แทรกเขา้ มาในผลกึ ซิลิกอน สภาพการใชอ้ ิเล็กตรอนวงนอก ก็จะเปลี่ยนแปลงไป

7 รูปที่ 6 แสดงอิเล็กตรอนวงนอกของธาตุ โบรอน ซิลิกอน และ อนั ตโิ มนี หรือ พลวงอิเล็กตรอนวงนอก ของธาตุ จะเป็นตวั กาหนดคุณสมบตั ทิ างปฏกิ ริยาเคมีของธาตุน้นั กบั ธาตอุ ่ืน และกาหนดคุณสมบตั ทิ างไฟฟ้ าของธาตนุ ้นั คุณสมบตั ิทางไฟฟ้ า กาหนดโดย ทฤษฎีแถบพลงั งาน (bandtheory of solids) ซ่ึงอธิบายในแง่พลงั งานท่ีอิเล็กตรอนตอ้ งการ ท่ีจะทาใหห้ ลุดไปจากอะตอม และกลายเป็ นอิเล็กตรอนอิสระการโด๊ปสารกง่ึ ตัวนาเมื่อเตมิ สารเจอื ปนลงไปในผลึก ซิลิกอน หรือ เจอร์มนั เนียม เพยี งเล็กนอ้ ย จะทาใหค้ ุณสมบตั ทิ างไฟฟ้ าของกอ้ นสารก่ึงตวั นาน้นั เปลี่ยนแปลงไป เกิดเป็นสารก่ึงตวั นาชนิด N หรือสารก่ึงตวั นาชนิด P

8Pentavalent impurities( อิเล็กตรอนวงนอก 5 ตวั ) ทาใหเ้ กิดสารก่ึงตวั นาชนิด N ในหน่วยเซลของซิลิกอน มีอิเล็กตรอนอิสระเกิดข้นึ ในกอ้ นสารก่ึงตวั นาTrivalent impurities( อิเล็กตรอนวงนอก 3 ตวั ) ทาใหเ้ กิดสารก่ึงตวั นาชนิด P ในหน่วยเซลของซิลิกอน การจบั คู่ทาใหเ้ กิดช่องวา่ งทข่ี าดอิเลก็ ตรอน เรียกช่องวา่ งน้ีวา่ โฮล รูปท่ี 7 สารก่ึงตวั นาชนิด N และ P เมื่อ โด๊ป ซิลิกอนดว้ ยอะตอมของพลวง (Sb)สารก่ึงตวั นาชนิด N และ P เม่ือ โด๊ป ซิลิกอนดว้ ยอะตอมของพลวง (Sb)จะมีอิเล็กตรอนวงนอก เกินมา1 ตวั เนื่องจากพลวง มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตวั ทาให้ สารก่ึง ตวั นาที่โดป๊ แลว้ มีอิเล็กตรอนอิสระ มากเรียกสารก่ึงตวั นาน้ีวา่ สารก่ึงตวั นาชนิด N

9 รูปท่ี 8 เมื่อเติมสารเจอื ปน ท่ีมีอิเลก็ ตรอนวงนอก 5 ตวั เช่น พลวง สารหนู หรือ ฟอสฟอรัสเมื่อเตมิ สารเจอื ปน ที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตวั เช่น พลวง สารหนู หรือ ฟอสฟอรัส ซ่ึงจะเพมิ่ จานวนอิเล็กตรอนอิสระ แก่สารก่ึงตวั นา ทาใหค้ วามนาไฟฟ้ าของสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิ เพมิ่ ข้นึ การเตมิฟอสฟอรสั แก่ สารก่ึงตวั นา อาจใชก้ ารแพร่กา๊ ซ ฟอสฟีน (PH3) ลงไปในผลึกซิลิกอนรูปท่ี 9 เมื่อเติมสารท่ีมีอิเล็กตรอนอิสระ 3 ตวั เช่น โบรอน อลูมิเนียม หรือ แกลเลี่ยม ลงไปในสารก่ึง ตวั นาบริสุทธ์ิ

10เม่ือเติมสารที่มีอิเล็กตรอนอิสระ 3 ตวั เช่น โบรอน อลูมิเนียม หรือ แกลเล่ียม ลงไปในสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิ พนั ธะระหวา่ ซิลิกอน กบั สาร ดงั กล่าวแลว้ จะมีอิเลก็ ตรอนวงนอก 7 ตวั เกิดเป็นช่องวา่ งของอิเลก็ ตรอน เรียกวา่ โฮล (holes) การเติมโบรอน อาจใชว้ ธิ ีการแพร่ก๊าซ ไดโบเรน (diborane - B2H6) ลงไปใน ผลึกซิลิกอนเม่ือใชท้ ฤษฎี แถบความถ่ี (band theory) มาอธบิ ายการนากระแสไฟฟ้ าของสารก่ึงตวั นาทีโ่ ดป๊ แลว้ ได้วา่ อิเล็กตรอนในอะตอมของสารโด๊ป ทาใหร้ ะดบั พลงั งานของพนั ธะเพม่ิ ข้ึน ในสารก่ึงตวั นาชนิด Nพลงั งานของอิเลก็ ตรอนวงนอก จะอยดู่ า้ นบน ของแถบช่องวา่ งของพลงั งาน (band gap) ดงั น้นั ดว้ ยพลงั งานเพยี งเลก็ นอ้ ย สามารถจะกระตนุ้ ใหอ้ ิเลก็ ตรอนมีระดบั พลงั งานในแถบ นากระแส (conductionband) รูปที่ 7 แสดงระดบั พลงั งานของอิเล็กตรอนในสาร N และ โฮล ในสาร Pระดบั พลงั งานของอิเลก็ ตรอนในสาร N และ โฮล ในสาร Pส่วนในสารก่ึงตวั นาชนิด P โฮล ซ่ึงมีระดบัพลงั งานในแถบช่องวา่ งของพลงั งาน จะดึงอิเลก็ ตรอน จากแถบพลงั งานของ วาเลนซ์ อิเล็กตรอน และท้ิงโฮลไวในวาเลนซ์แบนด์ ได้ รอยต่อ สาร N และ สาร P

11แบบทดสอบก่อนเรียน 1. อะตอมของวสั ดุตวั นาประกอบดว้ ยจานวนวาเลนซ์อิเล็กตรอนจานวน................................. 2. อะตอมของฉนวนประกอบดว้ ยก่ีวาเลนซอ์ ิเล็กตรอน.................................... 3. วสั ดุตวั นาส่วนใหญท่ ่นี ิยมนามาผลิตอุปกรณ์สารก่ึงตวั นา 2 ชนิดคอื ................../...................... 4. วสั ดุตวั นาชนิด P สร้างไดอ้ ยา่ งไร .............................................................................................. 5. วสั ดุตวั นาชนิด N สรา้ งไดอ้ ยา่ งไร ..............................................................................................แบบทดสอบหลงั เรียน 1. อะตอมของวสั ดุตวั นาประกอบดว้ ยจานวนวาเลนซอ์ ิเลก็ ตรอนจานวน................................. 2. อะตอมของฉนวนประกอบดว้ ยก่ีวาเลนซอ์ ิเลก็ ตรอน.................................... 3. วสั ดุตวั นาส่วนใหญ่ทีน่ ิยมนามาผลิตอุปกรณ์สารก่ึงตวั นา 2 ชนิดคอื ................../...................... 4. วสั ดุตวั นาชนิด P สร้างไดอ้ ยา่ งไร .............................................................................................. 5. วสั ดุตวั นาชนิด N สรา้ งไดอ้ ยา่ งไร ..............................................................................................

12หนังสืออ้างองิภทั รียา กิตติเดชาชาญ , อิเลก็ ทรอนิกส์ในงานอตุ สาหกรรม. กรุงเทพฯ : สานกั พมิ พบ์ ริษทั ซีเอด็ ยเู คชน่ัจากดั (มหาชน)วเิ ชียร อูปแกว้ , อิเลก็ ทรอนิกส์อตุ สาหกรรม. กรุงเทพฯ : สานกั พมิ พศ์ ูนยส์ ่งเสริมวชิ าการ,2549SOMPOT TAMSAILOM Electric Electrical Department Nakornnayok Technical Collegehttp://www.elecnet.chandra.ac.thhttp://www.utc.ac.th/~swm/end.htmhttp://www2.cmtc.ac.th/~silp/opamp/book/lesson6.dochttp://web.udru.ac.th/~electronics/luechai/job/semi/Induc4.html

13