สารกึ่งตัวนำ

1 วิชา อุปกรณอ์ ิเลก็ ทรอนกิ ส์ บทที่ 1 รหัสวิชา 2104 – 2205 บทที่ 1 สารกึง่ ตัวนา วัตถปุ ระสงค์ 1. เข้าใจอะตอมของฉนวน ตัวนา และสารกึง่ ตัวนา 2. อธิบายสารกึง่ ตวั นา ชนดิ ตา่ งๆได้ 3. เขา้ ใจการไบแอส รอยตอ่ พี-เอน็ ของสารก่งึ ตัวนา 1.1 อะตอม วัสดุทุกชนิดในโลก เกิดจาการรวมตัวของอะตอมหลาย ๆ อะตอม (Atom) อะตอม คือ อนุภาคขนาดเล็กมาก ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตามเปล่า โครงสร้างของอะตอม ประกอบไปด้วย (1) แกนกลาง หรือนิวเคลียส (Nuclease) ซ่ึงมีประจุไฟฟ้าบวก ในนิวเคลียส จะประกอบไปด้วยอนุภาค อีก 2 ชนิด คือ นิวตรอน (Neutron) และโปรตรอน (Proton) ซึ่งมี จานวนเท่ากัน และเท่ากับจานวนของอิเล็กตรอน (2)อิเล็กตรอน (Electron) ซึ่งโคจรอยู่รอบ ๆ นิวเคลยี ส อิเล็กตรอนจะมปี ระจุไฟฟ้าลบอยทู่ ตี่ วั ของมนั ดังรูปท่ี 1-1 รูปท่ี 1-1 อะตอมของวัสดุ NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 1

2 วิชา อุปกรณอ์ ิเลก็ ทรอนกิ ส์ บทที่ 1 รหสั วิชา 2104 – 2205 1.2 ฉนวน ตวั นา และสารกึ่งตัวนา ฉนวน (Insulator) หมายถึง วัสดุท่ีมีความต้านทานไฟฟ้าสูง วัสดุที่มีคุณสมบัติเป็น ฉนวน คือวัสดุที่อะตอมของมันมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด จานวน 8 ตัว วัสดุกลุ่มน้ีจะมีแรงยึด เหนี่ยวระหว่างอะตอมของวัสดุที่แน่นหนามาก พลังงานจากภายนอกไม่สามารถทาให้ อิเล็กตรอน (Electron) ท้ัง 8 ตัว ท่ีเกาะเกี่ยวกันอยู่หลุดออกไปได้ กระแสไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) จึงไมส่ ามารถไหลผ่านฉนวนได้ โครงสรา้ งอะตอมของฉนวนแสดงในรูปที่ 1-2 รปู ที่ 1-2 โครงสรา้ งอะตอมของฉนวน รปู ที่ 1-3 โครงสร้างอะตอมของตวั นา ตัวนา (Conductor) หมายถึง วัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าต่ามาก หรือมีค่าความนา ไฟฟ้า (Conductor) สูงมาก กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวัดสุตัวนาได้ดี วัสดุท่ีมีคุณสมบัติเป็น ตัวนา อะตอมของมันจะมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดน้อยท่ีสุด คือมีเพียง 1 ตัว เท่าน้ัน แรงยึด เหนี่ยวระหว่างอะตอม ของมันจึงต่ามาก พลังงานจากภายนอกเพียงเล็กน้อย จะทา ให้ อิเล็กตรอนวงนอกสุด หลุดออกมาจากการเกาะเก่ียว ทาให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลได้ โดยง่าย โครงสรา้ งอะตอมของตวั นาแสดงในรูปท่ี 1-3 สารก่ึงตัวนา (Semiconductor) หมายถึง วัสดุที่มีคุณสมบัติก่ึงฉนวน และกึ่งตัวนา แสดงว่ามีอิเล็กตรอนวงนอกสุด (Valance Electron) จานวน 4 ตัว จึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง อะตอมปานกลาง เม่ือมีพลังงานไฟฟ้าจานวนหน่ึง จ่ายให้กับมันในขั้วท่ีถูกต้อง มันจะ นากระแสได้ (เป็นตัวนา) และหากจ่ายไฟฟ้าในข้ัวท่ีกลับกัน มันจะไม่นาไฟฟ้า (เป็นฉนวน) NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 2

3 วิชา อปุ กรณ์อเิ ล็กทรอนิกส์ บทที่ 1 รหสั วิชา 2104 – 2205 โครงสร้างอะตอมของวัสดุท่ีเป็นสารก่ึงตัวนาแสดงในรูปท่ี 1-4 สารกึ่งตัวนาที่นิยมใช้กัน อยา่ งแพรห่ ลาย เชน่ ซิลคิ อน (Silicon) และเยอรมาเนียม (Germanium) เปน็ ต้น รปู ท่ี 1-4 โครงสรา้ งอะตอมของสารกง่ึ ตวั นา 1.3 สารก่งึ ตวั นาซลิ ิคอน (Silicon Semiconductor) ซิลิคอน อะตอม (Silicon Atom ; Si) เป็นอะตอมของสารกึ่งตัวนาชนิดหนึ่งที่สาคัญ และนามาใชส้ ร้างเป็นอุปกรณ์สารก่ึงตัวนาเกือบทุกชนิด อะตอมของซิลิคอนจะมีอิเล็กตรอน วงนอกสุด จานวน 4 ตัว แต่ละอะตอมจะแบ่งปันการเกาะเกี่ยวกัน กับซิลิคอนอะตอมอื่น ๆ ทาใหเ้ กดิ แถบยดึ เหน่ียว (Bond) ในแนวต้ัง และแนวนอน ทาให้วัสดุสารกึ่งตัวนารวมกันเป็น ช้ิน หรือเป็นผลึกได้ ดังรูปท่ี 1-6 ส่วนภาพ 1-5 แสดงการเกาะเกี่ยวกันของอะตอม ซิลิคอน บริสทุ ธ์ิ (Intrinsic Silicon) รปู ที่ 1-5 แสดงการเกาะเก่ียวกันของ รูปที่ 1-6 แสดงโครงสร้างอะตอมของ อิเลก็ ตรอนวงนอกสดุ ของอะตอมซลิ ิคอน ผลึกซลิ คิ อนบรสิ ทุ ธิ์ NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 3

4 วิชา อุปกรณอ์ ิเลก็ ทรอนกิ ส์ บทที่ 1 รหัสวชิ า 2104 – 2205 เม่ือมีพลังงานจากภายนอก เช่น ไฟฟ้า ความร้อน หรือพลังงานจากแสงอาทิตย์ (พลังงานเหล่านี้ส่งคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา) มากระทบต่อสารกึ่งตัวนา หากพลังงานมีค่า มากกว่าแรงยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนวงนอกสุดของอะตอมซิลิคอน จะทาให้อิเล็กตรอน หลุดออกมา เรียกว่า อเิ ล็กตรอนอิสระ (Free Electron) ซง่ึ คอื กระแสไฟฟ้า มีประจุดเป็นลบ(-) และตาแหน่งท่ีมันหลุดออกมาจะเกิดช่องว่าง หรือโฮล (Hole) มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (+) ดัง รูปท่ี 1-7 รูปที่ 1-7 การเกิดอิเล็กตรอนอสิ ระ และโฮลในสารกึ่งตวั นาซิลิคอน 1-3-1 สารก่งึ ตัวนาชนดิ เอ็น (N-type Semiconductor) เมอื่ นาสารกง่ึ ตัวนาบริสุทธิ์ มาเติมด้วยธาตุชนิดอื่นท่ีมีอะตอมต่างกันเข้ามา เรียกว่าการ โด๊ป (Doping) จะเปล่ียนคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารก่ึงตัวนาบริสุทธิ์ ให้เป็นสารก่ึงตัวนา ชนดิ เอน็ หรือสารก่งึ ต้านชนิดพี (P-type Semiconductor) อะตอมของฟอสฟอรัส (Phosphorus Atom : P) ฟอสฟอรัสเป็นธาตุลาดับท่ี 15 ใน ตารางธาตุ มีจานวนอเิ ลก็ ตรอนวงนอกสูด 5 ตวั เม่อื นาฟอสฟอรัส 1 อะตอม ไปเติมลงในผลึก ซิลคิ อนบรสิ ทุ ธ์ิ จะเกดิ อเิ ลก็ ตรอนส่วนเกนิ มา 1 ตวั และหาเติมอะตอมฟอสฟอรสั เข้าไป 7 ตัว จะทาให้เกิดอเิ ลก็ ตรอนส่วนเกนิ 7 ตวั ดังรูปที่ 1-8 NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 4

5 วิชา อปุ กรณอ์ เิ ลก็ ทรอนกิ ส์ บทท่ี 1 รหสั วชิ า 2104 – 2205 รปู ที่ 1-8 การเตมิ อะตอมของฟอสฟอรัสเขา้ ไปในผลกึ ซิลคิ อน สารก่ึงตัวนาชนิด-เอ็น จะมี ป ร ะ จุ พ า ห ะ ข้ า ง ม า ก เ ป็ น ล บ (Majority charge carriers are negative) และมีประจุพาหะข้างน้อย เป็นโฮล ภาพท่ีเขียนแทนสารกึ่ง ตวั นาชนดิ เอ็นแสดงในรูปท่ี 1-9 รปู ที่ 1-9 สารกึ่งตัวนาชนดิ -เอน็ 1-3-2 สารก่ึงตวั นาชนิด-พี (P-Type Semiconductor) อะตอมของโบรอน (Boron Atom ; B) โบรอน (B) คือ ธาตทุ อ่ี ย่ใู นลาดบั ท่ี 5 ในตาราง ธาตุ เปน็ ธาตทุ ่ีมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดจานวน 3 ตัว และเมื่อเติมโบรอน 1 อะตอมเขา้ ไปใน ซิลคิ อนบรสิ ุทธ์ิ จะทาใหเ้ กิดช่องวา่ ง หรอื โฮล 1 ตาแหน่ง โฮลนจี้ ะมปี ระจไุ ฟฟา้ บวก (+) ดัง แสดงในรปู ที่ 1 – 10 NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 5

6 วิชา อปุ กรณ์อเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ บทที่ 1 รหสั วิชา 2104 – 2205 รูปท่ี 1-10 อะตอมของโบรอนเติมในสารซิลคิ อนบริสุทธิ์ เ มื่ อ เ ติ ม อ ะ ต อ ม ข อ ง โ บ ร อ น จานวนมาก ๆ จะทาให้สารกึ่ง ตั ว น า บ ริ สุ ท ธิ์ ก ล า ย เ ป็ น ส า ร กึ่ ง ตัวนาชนิด-พี ภายในสารกึ่งตัวนา ชนิด-พี จะมีประจุข้างมากเป็น บวก (+) เพราะมีโฮล จานวนมาก น่นั เอง รปู ของผลึกสารก่ึงตวั นา ชนิด-พี (ซิลิคอน) แสดงในรูปท่ี 1-11 รปู ท่ี 1-11 สารกึง่ ตวั นาซิลคิ อนชนิด-พี NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 6

7 วิชา อปุ กรณ์อิเล็กทรอนกิ ส์ บทท่ี 1 รหัสวชิ า 2104 – 2205 1.4 สารกึ่งตวั นา พี-เอน็ และการไบแอส 1-4-1 รอยต่อ พ-ี เอ็น (P-N Junction) คือ การนาสารกึ่งตัวนาชนิด – พี มาต่อกับสารก่ึงตัวนาชนิด-เอ็น เม่ือเกิดการต่อกันจะ เกิดปรากฏการณ์ตามลาดับดังน้ี เกิดการเคล่ือนท่ีของอิเล็กตรอน จากสาร-เอ็น บริเวณใกล้ รอยต่อ ขา้ มรอยต่อไปจบั กับโฮลใน สาร-พี ทาให้อิเล็กตรอนจับคู่กับ โฮล ทาให้เกิดสภาวะเป็นกลาง คือ ไม่มีประจุไฟฟ้าบริเวณรอยต่อ พี- เอ็น เพราะไม่มีประจุไฟฟ้าบวก หรือ ลบ อยู่เลย เราเรียกว่าบริเวณ ปลอดพาหะ (Depletion Layer) รอยต่อด้านสาร-พี จะสูญเสียโฮล ไป จึงเกิดศักดาไฟฟ้าลบ ส่วนทาง สาร-เอ็น สูญเสียอิเล็กตรอนไป จึง เกิดศักดาไฟฟ้าบวก จึงทาให้เกิด แรงดันไฟฟ้าตาคร่อมรอยต่อ พี- เอ็น ของสารกึ่งตัวนาชนิดซิลิคอน (Junction Voltage) มีค่าประมาณ 0.6 V ดังแสดงในรูปที่ 1-12 รูปท่ี 1-12 รอยตอ่ ของสารกง่ึ ตวั นา พี-เอน็ และการเกดิ บรเิ วณปลอด พาหะและแรงดนั ตกคร่อมรอยตอ่ พ-ี เอ็น NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 7

8 วิชา อุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์ บทท่ี 1 รหัสวชิ า 2104 – 2205 1-4-2 การไบแอส (Bias) การไบแอส ให้รอยต่อ พี-เอ็น ทาได้ 2 วิธี คือ การให้ไบแอสตรง (Forward Bias) และ การให้ไบแอสกลับ (Reverse Bias) การไบแอส หมายถึง การป้อนแรงดันไฟฟ้าเข้าที่สารกึ่ง ตัวนาชนิดพแี ละเอน็ การไบแอสกลับ คือ การจ่ายแรงดันไฟฟ้าข้ัวบวก (+) เข้าท่ีสารก่ึงตัวนาชนิดเอ็น (N- type to positive) และจ่ายขั้วลบ (-) ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าเข้าที่สารกึ่งตัวนาชนิดพี (P-type to negative) เมื่อต่อไบแอสกลับให้กับรอยต่อ พี-เอ็น จะทาให้บริเวณปลอดพาหะกว้างมากขึ้น จะมกี ระแสไฟฟา้ ไหลเข้ารอยต่อได้ เปรียบเหมอื นสภาวะที่รอยต่อ พี-เอ็น ทางานคล้ายฉนวน “สรุปได้ว่า เมื่อรอยต่อ พี-เอ็น ได้รับไบแอสกลับจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวมัน” แต่ ในทางปฏิบัติจะมีกระแสร่ัวไหล (Leakage Current) ไหลผ่านจานวนน้อยมาก มีค่าเพียง ไมโครแอมแปรเ์ ทา่ นน้ั ดงั แสดงในรปู ที่ 1-13 รูปที่ 1-13 การไบแอสกลับรอยต่อ พี-เอ็น การไบแอสตรง คอื การจา่ ยไฟฟา้ ขว้ั บวก (+) ให้กบั สารกึ่งตัวนาชนดิ พี และแหล่งต่อข้ัว ลบ (-) ให้กับสารกึ่งตัวนาชนิดเอ็น จะทาให้อิเล็กตรอนที่มีอยู่จานวนมาก (Majority) ใน ช้ินสารกึ่งตัวนาชนิด-เอ็น เคลื่อนท่ีข้ามรอยต่อทันที เกิดกระแสไฟฟ้าจานวนมากไหลผ่าน รอยต่อ พี-เอ็น ได้ อย่างไรก็ตามยังคงมีแรงดันตกคร่อมรอยต่อประมาณ 0.6 V เม่ือมีกระแส ไหลผ่านรอยต่อ พี-เอ็น ดังรูปท่ี 1-14 ให้ซิลิคอน อะตอม (Silicon Atom ; Si - atom) เป็น อะตอมของสารก่ึงตัวนาชนดิ หนงึ่ ทสี่ าคญั และนามาใช้สร้างเปน็ อุปกรณ์สารก่ึงตัวนาเกือบทุก ชนิด อะตอมของซลิ คิ อมจะมี NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 8

9 วิชา อุปกรณ์อิเล็กทรอนกิ ส์ บทท่ี 1 รหัสวชิ า 2104 – 2205 รูปท่ี 1-14 การไบแอสตรง ที่รอยตอ่ พี-เอ็น ----------------------------------------------------------------------------------------- NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 9

10 วิชา อปุ กรณอ์ ิเล็กทรอนิกส์ บทท่ี 1 รหัสวิชา 2104 – 2205 แบบฝกึ หดั เรือ่ ง สารกึง่ ตวั นา จงเลอื กคาตอบท่ีถูกตอ้ งทส่ี ุดเพยี งคาตอบเดยี ว 1.อะตอมของซลิ ิคอน มอี เิ ลก็ ตรอนวงนอกสดุ กี่ตวั ก. 2 ตวั ข. 3 ตัว ค. 4 ตัว ง. 5 ตัว 2.สารกงึ่ ตัวนาซิลิคอนชนดิ พี เกดิ จากการเติมสารชนดิ ใดเขา้ ไปในผลึกซลิ คิ อน ก. โบรอน ข. แคลเซยี ม ค. ฟอสฟอรสั ง. โปรแตสเซยี ม 3.เมอ่ื สาสารก่งึ ตัวนาชนดิ พี-เอ็น มาตอ่ กันจะเกิดสงิ่ ใดก่อน ก. บริเวณปลอดพาหะ ข. ไดโอด ค. แรงดันตาครอ่ ม 0.6V ง. กระแสไม่ไหลผ่านรอยตอ่ 4.วสั ดุที่เป็นตัวนา จะมจี านวนของอเิ ล็กตรอนวงนอกสดุ ก่ตี ัว ก. 8 ตวั ข. 4 ตวั ค. 2 ตัว ง. 1 ตัว 5.ข้อใดกลา่ วถกู ต้อง เรอ่ื ง สารกง่ึ ตัวนา ก. สารท่ีมคี ุณสมบัติเป็นตัวนา ข. สารที่มคี ณุ สมบตั เิ ปน็ ตัวนาและเป็นฉนวนก็ได้ ค. สารทีม่ ีคณุ สมบัติดีกวา่ ฉนวน ง. สารท่ีมีคุณสมบัติดกี ว่าตัวนา 6.โฮล ในสารกงึ่ ตัวนาจะมีประจุไฟฟา้ เปน็ ก. ลบ ข. บวก ค. กลาง ง. บวก – ลบ NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หน้า 10

11 วิชา อุปกรณอ์ เิ ล็กทรอนิกส์ บทที่ 1 รหัสวชิ า 2104 – 2205 7.อิเลก็ ตรอนในสารก่ึงตัวนาจะเคลือ่ นทไ่ี ปได้ดว้ ยสาเหตใุ ด ก. ไดร้ ับความรอ้ น ข.ได้รบั แสงสว่าง ค. ได้รับความเยน็ ง. ข้อ ก. และขอ้ ข. ถูก 8.ข้อใดคอื สารกงึ่ ตวั นาชนิดเอ็น ก. มีโฮลจานวนมาก ข. มจี านวนอิเลก็ ตรอนมาก มีประจไุ ฟฟา้ ทีร่ อยต่อ 0.6V ค. มีจานวนโฮลเทา่ กบั อิเล็กตรอน ง. 9.ขอ้ ใดกลา่ วถงึ สารกึ่งตัวนา ไม่ถกู ต้อง ก. มีแรงดนั ตกครอ่ มรอยตอ่ 0.6 V ข. มีอิเล็กตรอนวงนอกสดุ 3 ตัว ค. เมื่อไบแอสตรง บริเวณปลอดพาหะ จะแคบลง ง. เมื่อไบแอสกลบั บริเวณปลอดพาหะ จะกวา้ งข้นึ 10. การไบแอสตรง ให้กบั รอยตอ่ พี-เอน็ หมายถงึ ข้อใด ก. มแี รงดนั ตกครอ่ มรอยต่อ 0.6 V ข. สารพี ได้ แรงดันบวก สาร เอ็น ไดแ้ รงดนั ลบ ค. เม่ือไบแอสตรง บริเวณปลอดพาหะจะกว้างขนึ้ ง. ข้อ ก และ ข ถูกตอ้ ง NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา้ 11