ข้อดีของเซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์คือสารที่มีค่าการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวนที่ดี เซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่มีสิ่งเจือปนเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริง เจอร์เมเนียมและซิลิกอนเป็นสารกึ่งตัวนำภายในที่ใช้กันมากที่สุด ทั้ง Ge (เลขอะตอม 32) และซิลิกอน (เลขอะตอม 14) อยู่ในกลุ่มที่สี่ของตารางธาตุและเป็นเทตระวาเลนต์

ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ Ge และ Si บริสุทธิ์ทำตัวเหมือนฉนวนที่สมบูรณ์แบบ แต่ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น สำหรับ Ge พลังงานจับของอิเล็กตรอนในพันธะโควาเลนต์คือ 0.7 eV ถ้าพลังงานนี้ถูกจ่ายให้ในรูปของความร้อน พันธะบางส่วนจะขาด และอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกมา

ที่อุณหภูมิปกติ อิเล็คตรอนบางตัวจะถูกปลดปล่อยจากอะตอมของผลึก Ge หรือ Si และพวกมันจะเดินเตร่อยู่ในคริสตัล การไม่มีอิเลคตรอนในที่ซึ่งถูกยึดครองไว้ก่อนหน้านี้หมายถึงประจุบวก ณ ที่นั้น กล่าวกันว่ามีการสร้าง "รู" ขึ้นในตำแหน่งที่ปล่อยอิเล็กตรอน หลุม (ว่าง) มีค่าเท่ากับประจุบวกและมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอน

เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดไปที่รู รูใหม่จะถูกสร้างขึ้นที่ตำแหน่งที่อิเล็กตรอนเคยอยู่มาก่อน การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทิศทางเดียวจะเท่ากับการเคลื่อนที่ของรูในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นในเซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริง รูและอิเล็กตรอนจึงถูกสร้างขึ้นพร้อมกัน และทั้งคู่ทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุ

เซมิคอนดักเตอร์ภายนอกมีสองประเภท: n-type และ p-type

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n: ธาตุต่างๆ เช่น สารหนู (As) พลวง (Sb) และฟอสฟอรัส (P) เป็นสารเพนตาวาเลนต์ ขณะที่ Ge และ Si มีลักษณะเป็นเตตระวาเลนต์ ถ้าพลวงจำนวนเล็กน้อยถูกเติมลงในผลึก Ge หรือ Si เป็นสิ่งเจือปน จากนั้นจากอิเล็กตรอนวาเลนต์ทั้ง 5 ตัว สี่ตัวจะสร้างพันธะโควาเลนต์กับอะตอมของ Ge ที่อยู่ใกล้เคียง แต่อิเลคตรอนที่ 5 ของพลวงนั้นแทบจะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในคริสตัล

หากใช้แรงดันไฟฟ้าที่มีศักยภาพกับ Ge-crystal ที่เจือปน อิเล็กตรอนอิสระใน Ge ที่เจือปนจะเคลื่อนไปที่ขั้วบวก และค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระที่มีประจุลบเพิ่มการนำไฟฟ้าของคริสตัล Ge ที่เจือปน จึงเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n

สารกึ่งตัวนำชนิด p: ถ้าเติมสิ่งเจือปนไตรวาเลนต์ เช่น อินเดียม อะลูมิเนียม หรือโบรอน (มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว) สัดส่วนที่น้อยมากกับเทตระวาเลนต์ Ge หรือ Si จากนั้นพันธะโควาเลนต์สามตัวจะก่อตัวขึ้นด้วยอะตอม Ge สามตัว แต่เวเลนซ์อิเล็กตรอนที่สี่ของ Ge ไม่สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์กับอินเดียมได้เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนเหลือสำหรับการจับคู่

การขาดหรือขาดของอิเล็กตรอนเรียกว่ารู แต่ละหลุมถือเป็นบริเวณที่มีประจุบวก ณ จุดนั้น เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าของ Ge ที่เจือด้วยอินเดียมเกิดจากรู จึงเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p

ดังนั้น n-type และ p-type จึงเป็นเซมิคอนดักเตอร์สองประเภทและอธิบายการใช้งานดังนี้: เซมิคอนดักเตอร์และเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n ถูกเชื่อมเข้าด้วยกัน และส่วนต่อประสานทั่วไปเรียกว่าจุดเชื่อมต่อ p-n ไดโอด.

p-n junction diode ใช้เป็นวงจรเรียงกระแสในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามขั้วซึ่งทำโดยการประกบวัสดุประเภท n ชิ้นบาง ๆ ระหว่าง วัสดุประเภท p ที่ใหญ่กว่าสองชิ้น หรือเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p บางๆ ระหว่างชิ้น n-type ที่ใหญ่กว่าสองชิ้น เซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้นจึงมีทรานซิสเตอร์สองประเภท: p-n-p และ n-p-n ทรานซิสเตอร์ใช้เป็นเครื่องขยายเสียงในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

การเปรียบเทียบระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ไดโอดกับสุญญากาศจะช่วยให้มองเห็นข้อดีของเซมิคอนดักเตอร์ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

• ไม่มีเส้นใยในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างจากไดโอดสุญญากาศ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนเพื่อปล่อยอิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามารถทำงานได้ทันทีหลังจากเปิดสวิตช์อุปกรณ์วงจร
• เซมิคอนดักเตอร์ต่างจากไดโอดสูญญากาศในขณะที่ทำงาน
• เมื่อเทียบกับหลอดสุญญากาศ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องมีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่ำเสมอ
• เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็ก วงจรที่เกี่ยวข้องจึงมีขนาดกะทัดรัดมาก
• เซมิคอนดักเตอร์ต่างจากหลอดสุญญากาศ นอกจากนี้ยังมีขนาดเล็กกว่าและใช้พื้นที่น้อยลงและใช้พลังงานน้อยลง
• เมื่อเทียบกับหลอดสุญญากาศ เซมิคอนดักเตอร์มีความไวต่ออุณหภูมิและการแผ่รังสีอย่างมาก
• เซมิคอนดักเตอร์มีราคาถูกกว่าไดโอดสูญญากาศและมีอายุการเก็บรักษาไม่จำกัด
• อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องดูดฝุ่นในการทำงาน

โดยสรุป ข้อดีของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีมากกว่าหลอดสุญญากาศ ด้วยการถือกำเนิดของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ทำให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่มีความซับซ้อน ทนทาน และเข้ากันได้มากขึ้น

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดคือทรานซิสเตอร์ ซึ่งใช้ในการผลิตลอจิกเกตและวงจรดิจิตอล การใช้งานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ยังขยายไปถึงวงจรแอนะล็อก ซึ่งใช้ในออสซิลเลเตอร์และแอมพลิฟายเออร์

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ยังใช้ในวงจรรวมซึ่งทำงานที่แรงดันและกระแสไฟสูงมาก การใช้งานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ก็มีให้เห็นในชีวิตประจำวันเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ชิปคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงทำจากเซมิคอนดักเตอร์ โทรศัพท์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และหุ่นยนต์ยังใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อีกด้วย