ดูต้นฉบับสำหรับ สารกึ่งตัวนำ

{{เก็บกวาด}}
'''สารกึ่งตัวนำ''' ({{langx|en|semiconductor}}) คือ วัสดุที่มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เป็นวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์ มักมีตัวประกอบของ germanium, selenium, silicon วัสดุเนื้อแข็งผลึกพวกหนึ่งที่มีสมบัติเป็นตัวนำ หรือสื่อ[[ไฟฟ้า]]ก้ำกึ่งระหว่าง[[โลหะ]]กับ[[อโลหะ]]หรือ[[ฉนวน]] ความเป็น[[ตัวนำไฟฟ้า]]ขึ้นอยู่กับ[[อุณหภูมิ]] และสิ่งไม่บริสุทธิ์ที่มีเจือปนอยู่ในวัสดุพวกนี้ ซึ่งอาจเป็น[[ธาตุเคมี|ธาตุ]]หรือ[[สารประกอบ]]ก็มี เช่น ธาตุ[[เจอร์เมเนียม]] [[ซิลิคอน]] [[ซีลีเนียม]] และ[[ตะกั่วเทลลูไรด์]] เป็นต้น วัสดุกึ่งตัวนำพวกนี้มีความต้านทานไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเป็นลักษณะตรงข้ามกับโลหะทั้งปวง

ที่อุณหภูมิ ศูนย์ [[เคลวิน]] วัสดุพวกนี้จะไม่ยอมให้ไฟฟ้าไหลผ่านเลย เพราะเนื้อวัสดุเป็น[[ผลึกโควาเลนต์]] ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหลายจะถูกตรึงอยู่ในพันธะโควาเลนต์หมด (พันธะที่หยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม) แต่ในอุณหภูมิธรรมดา [[อิเล็กตรอน]]บางส่วนมีพลังงาน เนื่องจากความร้อนมากพอที่จะหลุดไปจากพันธะ ทำให้เกิดที่ว่างขึ้น อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาเป็นสาเหตุให้สารกึ่งตัวนำ นำไฟฟ้าได้เมื่อมีมีสนามไฟฟ้ามาต่อเข้ากับสารนี้

สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ เป็นสารที่เกิดขึ้นจากการเติมสารเจือปนลงไปในสารกึ่งตัวนำแท้ 
เช่น ซิลิกอน หรือเยอรมันเนียม เพื่อให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์นี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ สารกึ่งตัวนำประเภทเอ็น (N-Type) และสารกึ่งตัวนำประเภทพี (P-Type)

== สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์<ref name=":0">นิพนธ์  ตั้งประเสริฐ.  (2542).  ฟิสิกส์ว่าด้วยของแข็ง2.  พิมพ์ครั้งที่ 1.  กรุงเทพฯ.  มหาวิทยาลัยรามคำแหง.</ref>==
สารกึ่งตัวนำที่นำมาใช้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์  คือ  ซิลิกอน (Si) และเจอเมเนียม (Ge)  ธาตุทั้งสองอยู่ในแถวที่  4  ของตารางธาตุ  มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน  4  ตัว  ในสภาวะปกติอยู่ในรูปผลึกเรียงตัวแบบเตตระฮีดรอล (tetrahedral)  อะตอมตัวหนึ่งของสารกึ่งตัวนำจะจับกับอะตอมอื่นอีก  4  อะตอม  การรวมตัวกันโดย[[พันธะโควาเลนต์]] คือใช้วาเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน  จึงเหมือนกับว่าอะตอมหนึ่งของสารกึ่งตัวนำมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน  8  ตัว  วาเลนซ์อิเล็กตรอน  4  ตัว  เป็นของอะตอมสารกึ่งตัวนำในอะตอมนั้น  ส่วนวาเลนซ์อิเล็กตรอนอีก  4  ตัว  ใช้ร่วมกับอะตอมอื่น  ดังนั้น[[อิเล็กตรอน]]ของสารกึ่งตัวนำจึงยึดแน่นกับอะตอมมาก  สารกึ่งตัวนำจึงเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี  อย่างไรก็ตามเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น  อิเล็กตรอนได้รับ[[พลังงานความร้อน]]หลุดจากอะตอมได้บ้าง  ทำให้พบอิเล็กตรอนในแถบพลังงานนำ  สารกึ่งตัวนำจึงนำไฟฟ้าได้  การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำจะขึ้นกับอุณหภูมิ  ถ้าอุณหภูมิสูงอิเล็กตรอนในแถบนำมากจะนำไฟฟ้าได้ดี  ถ้าอุณหภูมิต่ำจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี

เมื่ออิเล็กตรอนหลุดจากอะตอม  ทำให้พันธะโควาเลนซ์เกิดช่องว่างขึ้น  อิเล็กตรอนจากที่อื่นสามารถเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่ได้มีลักษณะคล้ายกับหลุมที่อิเล็กตรอนอาจจะตกลงไป  จึงเรียกช่องว่างนี้ว่า  [[โฮล]] (Hole) ถ้าหากว่าอิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียงมีพลังงานเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่โฮล  อิเล็กตรอนข้างเคียงก็จะเกิดโฮลขึ้น  คล้ายกับว่าโฮลเคลื่อนจากอะตอมเดิมไปยังอะตอมข้างเคียง  ถ้ายังมีอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเคลื่อนเข้ามาแทนที่โฮลต่อเนื่องกันหลาย ๆอะตอม  โฮลจะเคลื่อนที่ไปตามอะตอมเหล่านั้น  เนื่องจากอะตอมที่เกิดโฮลมีสภาพเป็นบวกเพราะขาดอิเล็กตรอน  โฮลจึงเป็นตัวพาประจุบวกในสารกึ่งตัวนำ  ซึ่งในสารกึ่งตัวนำนี้จะมีตัวพาประจุ  2  ชนิด  คืออิเล็กตรอนพาประจุลบ  และโฮลพาประจุบวก

=== การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ ===
ในสารกึ่งตัวนำมีพาหะของประจุอยู่  2  ชนิด  คือ  อิเล็กตรอนและโฮล  ความหนาแน่นกระแสจะขึ้นกับปริมาณพาหะทั้ง  2  ชนิด  ดังนั้น 

<math>J = (n\mu_n +p\mu_p)eE  =  \sigma E</math>  

เมื่อ       

* n  =  จำนวนอิเล็กตรอน  

* p  =  จำนวนโฮล

*<math>\mu_i</math>  =  ความคล่องตัวของอิเล็กตรอน

*<math>\mu_p</math>  =  ความคล่องตัวของโฮล

ดังนั้น  

<math>\sigma  =  (n\mu_n  +  p\mu_p)e</math> 

ในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์  (pure semi-conductor, intrinsic semiconductor)  จำนวนโฮลเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน  เพราะว่า  โฮลเกิดจากการแตกตัวของอิเล็กตรอนจากอะตอม

<math>n  =  p  =  n_i</math>

เมื่อ      <math>n_i</math>  =  ปริมาณพาหะ (โฮล  หรือ  อิเล็กตรอน)  ในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์

=== ความหนาแน่นของพาหะในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ===
จากสถิติ[[เฟอร์มี-ดิแรค]]

<math>f(E)  =  \frac{1}{1+e^\frac{(E-E_f)}{kT}}</math>

และจำนวนอิเล็กตรอนต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร

<math>dN  =  \frac{m}{h^3} \sqrt{2mE}8\pi dE</math>

จำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมด

<math>\int\limits_{0}^{E_f} dN =  n  \longrightarrow  n  =  \int\limits_{0}^{E'} \frac{\frac{m}{h^3}\sqrt{2mE}8\pi dE}{1 + e^\frac{(E-E_f)}{kT}}</math>

เมื่อ    E'  =  พลังงานที่ชอบบนของแถบนำ


เนื่องจาก  <math>(E - E_f)/kT  </math>  มากกว่า  1  มาก  ดังนั้น  เราอาจประมาณว่า

<math>\frac{1}{1+e^\frac{(E-E_f)}{kT}}  \thickapprox   e^-\frac{(E-E_f)}{kT}</math>

ดังนั้น

<math>n  = \int\limits_{0}^{\infty} \frac{m}{h^3}\sqrt{2mE}8\pi e^-\frac{(E-E_f)}{kT} dE</math>

จำนวนโฮล  หาได้จาก

<math>p  = \int\limits_{0}^{E_v} \frac{m}{h^3}\sqrt{2mE}8\pi e^-\frac{(E-E_f)}{kT} dE</math>


หลังจากอินทิเกรตจะได้

<math>n_1  =  2\biggl(\frac{2\pi m_n kT}{h^2}\biggr)^\frac{3}{2}  e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}
             =  N_c  e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}</math>

<math>p_1  =  n_1  =  2\biggl(\frac{2\pi m_p kT}{h^2}\biggr)^\frac{3}{2}  e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}
             =  N_v  e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}</math>

เมื่อ  <math>N_c,N_v</math>  =  ความหนาแน่นของสเตทในแถบนำและแถบวาเลนซ์
<br />
== สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์<ref name=":0" />==
ปริมาณอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดจากพลังงานความร้อนและแสงสว่าง  ยังคงมีจำนวนน้อยเกินไป  ทำให้สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้ไม่ดีเท่าที่ควร  ในทางปฏิบัติจะเติมอะตอมอื่นที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน  3  หรือ  5  ลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์  เพื่อทำให้ปริมาณอิเล็กตรอนหรือโฮลเพิ่มขึ้น  อะตอมที่เติมลงไปมีชื่อว่า  อะตอมสารเจือ  (impurity atom)  การเติมสารเจือ  เรียกว่าการโด๊ป  (Doping)  สารกึ่งตัวนำที่มีอะตอมสารเจือ  เจือปนอยู่  เรียกว่า  สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ (extrinsic semiconductor)  หรือสารกึ่งตัวนำสารเจือ  (doping semiconductor)  

สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์มี  2  ชนิดคือ  สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดเอ็น  (N-type semiconductor)  และสารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดพี (P-type  semiconductor)

=== สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น ===
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดเอ็นเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมาก  เกิดจากการเติมอะตอมที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน  5  ตัว  เช่น  แอนติโมนี,  [[ฟอสฟอรัส]]  หรือ อาเซนิก

อะตอมสารเจือสามารถให้อิเล็กตรอนได้จึงมีชื่อเรียกว่า  อะตอมผู้ให้  (donor  atom)  อะตอมสารเจือประมาณหนึ่งต่อล้านเป็นชนิดเอ็นเพราะว่ามีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะของประจุลบอยู่มาก  อย่างไรก็ตามในแถบวาเลนซ์ก็มีโฮลอยู่บ้าง  สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นมีอิเล็กตรอนในแถบนำเป็นพาหะส่วนใหญ่ (majority carrier)  มีโฮลเป็นพาหะส่วนน้อย

=== สารกึ่งตัวนำชนิดพี ===
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ชนิดพี  เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีโฮลอยู่มาก  เกิดจากการเติมอะตอมที่มีวาเลนซ์อิเล็ก  3  ตัว  เช่น  [[โบรอน]],  เจอเมเนียม  หรืออินเดียม

เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของอะลูมิเนียม ทำให้เกิดที่ว่างซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) ขึ้นในแขนร่วมของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนข้างโฮลจะเคลื่อนที่ไปอยู่ในโฮลทำให้ดูคล้ายกับโฮลเคลื่อนที่ได้จึงทำให้กระแสไหลได้ 

[[หมวดหมู่:วัสดุศาสตร์]]
[[หมวดหมู่:สารกึ่งตัวนำ| ]]
[[หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์]]
{{โครงวัสดุศาสตร์}}