สารกึ่งตัวนำ หนึ่งในส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในวงจรคอมพิวเตอร์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความสำคัญต่อแผงวงจรไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีอยู่หลายชนิด ดังนี้

- ตัวต้านทาน (Resistor) ทำหน้าที่ในการต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า

- ตัวเก็บประจุ (Capacitor) ทำหน้าที่สะสมประจุไฟฟ้า หรือคายประจุไฟฟ้าให้กับวงจร

- ซิลิกอนชิป (Silicon chip)หรือวงจรไอซี เป็นวงจรที่รวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดต่าง ๆ ไว้ด้วยกัน ใช้สำหรับบันทึกข้อมูลหรือประมวลผล

- ทรานซิสเตอร์(Transistor) ทำหน้าที่เปิด – ปิดสัญญาณไฟฟ้า หรือขยายสัญญาณไฟฟ้า

- ไดโอด (Diode) ทำหน้าที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าให้ไหลทางเดียว

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ถูกนำไปใช้ประโยชน์มากมาย เช่น เป็นแผงวงจรในคอมพิวเตอร์ ใช้บันทึกข้อมูลในบัตร ATMหรือในโทรศัพท์มือถือ และเป็นส่วนประกอบเครื่องใช้ไฟฟ้าอีกด้วย

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดทำมาจากสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และวงจรไอซี ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้ แยกตามจำนวนขาของอุปกรณ์ โดยไดโอดมีขาต่อ 2 ขา ทรานซิสเตอร์มีขาต่อ 3 ขา และวงจรไอซีมีขาต่อหลายสิบขา แล้วสารกึ่งตัวนำมีความสำคัญต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้อย่างไร ทำไมถึงต้องใช้สารกึ่งตัวนำเป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์เหล่านี้

สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) คือ วัสดุที่มีสัมบัติของการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน ส่วนมากจะมีส่วนประกอบของธาตุเจอร์เมเนียม (Germanium) ซิลิคอน (Silicon) ซึ่งเป็นธาตุกึ่งโลหะ และซีลีเนียม (Selenium) โดยความสามารถในการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ นั่นคือ ที่อุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์เคลวิน สารกึ่งตัวนำจะไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ เนื่องจาก เนื้อวัสดุกึ่งตัวนำจะเป็นผลึกโควาเลนต์ อิเล็กตรอนทั้งหมดที่อยู่ในเนื้อวัสดุจะถูกตรึงอยู่ในพันธะโควาเลนต์ ซึ่งเป็นพันธะที่ทำให้อะตอมสามารถยึดเหนี่ยวอยู่ด้วยกันได้ ทำให้ไม่มีอิเล็กตรอนที่เป็นอิสระอยู่ในผลึก เมื่อไม่มีอิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ได้ จึงทำให้สารกึ่งตัวนำไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ แต่ในอุณหภูมิสูงกว่าปกติ อิเล็กตรอนบางส่วนจะได้รับพลังงานจากความร้อนเพียงพอที่จะทำให้หลุดออกจากพันธะ กลายเป็นอิเล็กตรอนที่อิสระและสามารถเคลื่อนที่ได้ สารกึ่งตัวนำจึงสามารถนำไฟฟ้าได้

การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิจะมีสมบัติตรงข้ามกับโลหะ เนื่องจากโลหะจะมีอิเล็กตรอนอิสระ (free electron) และเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอยู่แล้ว ทำให้นำไฟฟ้าได้ดี แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ไอออนบวกที่อยู่ตรงกลางจะเกิดการสั่นด้วยความถี่สูง อิเล็กตรอนอิสระที่เคยเคลื่อนที่ได้อย่างสะดวกก็จะเคลื่อนที่ได้ยากขึ้น ดังนั้นเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้น การนำไฟฟ้าของโลหะจึงลดลง

นอกจากการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแล้ว ยังขึ้นอยู่กับสิ่งไม่บริสุทธิ์ที่เจือปนอยู่ในเนื้อสารด้วย ดังนั้นเราจึงแบ่งประเภทสารกึ่งตัวนำได้เป็น 2 ประเภท คือ สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ และสารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์

สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์

อย่างที่เคยกล่าวไปในตอนต้นว่าที่อุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์เคลวิน หรือ ศูนย์องศาสัมบูรณ์ จะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระที่สามารถเคลื่อนที่ได้อยู่ในโครงสร้างของวัสดุที่เป็นสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ทำให้สารกึ่งตัวนำไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ หรือมีการผ่านสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มของสนามมากพอเข้าไป วิธีการนี้จะทำอิเล็กตรอนบางส่วนหลุดออกจากพันธะ เมื่ออิเล็กตรอนหลุดออกมา จะทำให้เกิดช่องว่างขึ้น เราเรียกแทนช่องว่างนี้ว่า โฮล (Hole) และเมื่อมีช่องว่างเกิดขึ้น จะมีอิเล็กตรอนตัวอื่นเคลื่อนที่มาแทนในตำแหน่งโฮลถัด ๆ กัน การเคลื่อนที่เข้าแทนที่ของอิเล็กตรอนเป็นเส้นตรง ทำให้มองได้ว่าโฮลมีการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในทิศตรงข้ามกับทิศที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยเช่นกัน ทั้งที่จริงแล้วโฮลนั้นอยู่กับที่ ถ้าเราใส่สนามไฟฟ้าให้สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ตรงข้ามกับทิศของสนามไฟฟ้า ส่วนโฮลจะเคลื่อนที่ทิศเดียวกับทิศของสนามไฟฟ้า การนำไฟฟ้าจึงเกิดขึ้นได้จากการเคลื่อนของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล

สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์

จากข้อมูลข้างต้น เราคงทราบกันแล้วว่า การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นั้นเกิดได้บางสภาวะเท่านั้น และเนื่องจากสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นั้น มีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระอยู่น้อย จึงทำให้การนำไฟฟ้าเป็นไปได้ไม่ดีนัก ดังนั้นเพื่อเป็นการปรับปรุงสารกึ่งตัวบริสุทธิ์ให้มีประสิทธิภาพในการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น เราจึงมีการผสมสารเจือปนบางอย่างให้กับสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ เราจึงเรียกสารกึ่งตัวนำที่ได้จากการใส่สารเจือปนว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ ซึ่งแบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ สารกึ่งตัวนำชนิด N และสารกึ่งตัวนำชนิด P

- สารกึ่งตัวนำชนิด N(N - Type) ทำได้โดยการผสมสารเจือปนโดเนอร์ (Donor) ในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ในอัตราส่วนที่พอเหมาะ ซึ่งสารเจือปนโดเนอร์จะทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอนอิสระ (Donor แปลว่า ผู้ให้) เป็นธาตุหมู่ V ได้แก่ ฟอสฟอรัส (P) อาเซนิก (As) และแอนติโมนี (Sb) ซึ่งหลังจากการเจือปนโดเนอร์ ที่เป็นธาตุหมู่ V ไปในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ที่เป็นธาตในหมู่ IV ซึ่งมีอิเล็กตรอนในวงนอกสุดเพียง 4 ตัว จึงทำให้มีอิเล็กตรอนอิสระเกินมาในสารกึ่งตัวนำ 1 ตัว โดยอิเล็กตรอนอิสระที่เกินมานั้น สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในผลึกของสารกึ่งตัวนำชนิดนี้ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ และเนื่องจากในผลึกมีอิเล็กตรอนเกินมา ทำให้มีประจุลบมากกว่าประจุบวก ดังนั้น สารกึ่งตัวนำชนิด N จึงมีประจุเป็นลบ

รูปที่ 1 ซิลิกอน (Si) ที่เจือปนด้วยแอนติโมนี (Sb) ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระเกินมา 1ตัวเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด N - Type

- สารกึ่งตัวนำชนิด P(P - Type) ทำได้โดยการผสมสารเจือปนแอคแซ็ปเตอร์ (Acceptor) ในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ในอัตราส่วนที่พอเหมาะ ซึ่งสารเจือปนแอคแซ็ปเตอร์จะทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนอิสระ (Acceptor แปลว่า ผู้รับ) เป็นธาตุหมู่ III ได้แก่ โบรอน (B) แกลเลี่ยม (Ga) อลูมิเนียม (Al) และอินเดียม (In) ซึ่งหลังจากการเจือปนแอคแซ็ปเตอร์ ที่เป็นธาตุหมู่ III ไปในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ที่เป็นธาตในหมู่ IV ซึ่งมีอิเล็กตรอนในวงนอกสุด 4 ตัว จะทำให้อิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำหายไป 1 ตัว ทำให้เกิดช่องว่าง หรือ โฮล ขึ้นในสารกึ่งตัวนำชนิดนี้ และเนื่องจากมีอิเล็กตรอนในผลึกหายไป ทำให้ประจุลบน้อยกว่าประจุบวก ดังนั้น สารกึ่งตัวนำชนิด P จึงมีประจุเป็นบวก

รูปที่ 2 ซิลิกอน (Si) ที่เจือปนด้วยโบรอน (B) ทำให้ขาดอิเล็กตรอน 1 ตัว เป็นสารกึ่งตัวนำชนิด P – Type

เมื่อเรารู้จักกับสารกึ่งตัวนำกันแล้ว จะเห็นว่าเราสามารถควบคุมการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำได้ ดังนั้นถ้าเรานำสารกึ่งตัวนำมาเป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เราก็จะสามารถควบคุมการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์เหล่านั้นได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ไดโอด เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ได้เกิดจากการนำสารกึ่งตัวนำชนิด P – Type มาต่อกับสารกึ่งตัวนำชนิด N – Type กลายเป็นหัวต่อ PN การต่อในที่นี้จะใช้วิธีปลูกผลึก บริเวณที่เป็นหัวต่อ PN จะเป็นรอยต่อระหว่างผลึกสารกึ่งตัวนำชนิด P และผลึกสารกึ่งตัวนำชนิด N โดยบริเวณรอยต่อจะมีเขตปลอดพาหะ (Depletion region) เมื่อจ่ายแรงดันไฟถูกขั้วให้ไดโอด หรือจ่ายแรงดันไฟบวกให้ด้านที่เป็น P บริเวณเขตปลอดพาหะจะแคบ ไดโอดจะมีความต้านทานต่ำและยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ เรียกภาวะนี้ว่า ไบอัสตรง (forward bias) แต่ถ้าจ่ายแรงดันไฟกลับขั้วให้กับไดโอด หรือจ่ายแรงดันไฟบวกให้ด้านที่เป็น N บริเวณเขตปลอดพาหะจะกว้างขึ้น ไดโอดจะมีความต้านทานสูงและไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ เรียกภาวะนี้ว่า ไบอัสกลับ (reverse bias) แสดงดังรูป

รูปที่ 3 แสดงการทำงานของไดโอด โดยสัญลักษณ์ A แทนขาแอโนด และ K แทนขาแคโทด

จากข้อความข้างต้น จะเห็นว่าการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทริกนิกส์ที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ สามารถควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าได้จากสมบัติของสารกึ่งตัวนำ และเราก็สามารถประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทริกนิกส์เหล่านี้ไปควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ ได้อีกหลายชนิด

เรียบเรียงโดย

นราภรณ์ ตั้งหทัยทิพย์

• [1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/dope.html
• [2] https://wiki.stjohn.ac.th/groups/poly1/wiki/d24e0/_.html
• [3] อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น. https://goo.gl/Qzoyhb (สืบค้นเมื่อวันที่ 5 มกราคม พ.ศ. 2560)