สารกึ่งตัวนำภายในและภายนอก: ความแตกต่างและการประยุกต์

เซมิคอนดักเตอร์เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในเทคโนโลยีปัจจุบัน ซึ่งมีอยู่ในอุปกรณ์หลากหลายประเภทที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงคอมพิวเตอร์ วัสดุประเภทนี้ได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เนื่องจากสามารถควบคุมการไหลของไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัด อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดจะเหมือนกัน และนี่คือที่มาของคำศัพท์สองคำที่อาจสร้างความสับสนสำหรับผู้ที่ไม่คุ้นเคยกับสาขานี้: เซมิคอนดักเตอร์ภายในและภายนอก

ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ การทราบความแตกต่างระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสองประเภทนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจวิธีการทำงานของอุปกรณ์ และเหตุใดแอปพลิเคชันบางอย่างจึงชอบแอปพลิเคชันอื่นมากกว่ากัน ในบทความนี้ เราจะแจกแจงรายละเอียดคุณลักษณะของเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสองประเภทอย่างละเอียด และโครงสร้างที่มีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของสารกึ่งตัวนำทั้งสองประเภทอย่างละเอียด เตรียมเซลล์ประสาทของคุณให้พร้อมเพราะเรากำลังจะดำดิ่งสู่หนึ่งในเสาหลักของฟิสิกส์วัสดุและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่!

สารกึ่งตัวนำภายในคืออะไร?

ลอส สารกึ่งตัวนำภายใน พวกมันมีโครงสร้างที่บริสุทธิ์ ซึ่งหมายความว่าพวกมันไม่มีสิ่งเจือปนใด ๆ ที่เกิดขึ้นผ่านกระบวนการเติมสารต้องห้าม เซมิคอนดักเตอร์ประเภทนี้ถือเป็น 'สถานะพื้น' ของวัสดุ เนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของวัสดุโดยเฉพาะ ซิลิคอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) เป็นสารกึ่งตัวนำภายในที่พบมากที่สุด เนื่องจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ที่อุณหภูมิห้อง สารกึ่งตัวนำภายในจะมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนในเปลือกเวเลนซ์ของพวกมันจะได้รับพลังงานมากพอที่จะกระโดดเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้กระแสไหลได้ ปรากฏการณ์นี้ทำให้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ภายในค่อนข้างน่าสนใจสำหรับการใช้งานที่จำเป็นต้องมีการควบคุมการนำไฟฟ้าผ่านความร้อนอย่างเข้มงวด

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าในเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ จำนวนอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าและจำนวนรูในแถบเวเลนซ์จะเท่ากัน ซึ่งส่งผลให้เกิดความสมดุลที่สมบูรณ์แบบระหว่างตัวพาประจุทั้งสองตัว ซึ่งบ่งบอกว่าสภาพนำไฟฟ้าในวัสดุภายในนั้นเป็นปรากฏการณ์ที่สะอาดและเป็นระเบียบมาก

สารกึ่งตัวนำภายนอกคืออะไร?

ตรงกันข้ามกับสารกึ่งตัวนำภายใน สารกึ่งตัวนำภายนอก พวกมันคือสิ่งที่เจือด้วยสิ่งสกปรกเพื่อปรับปรุงความสามารถในการขับขี่ สิ่งเจือปนเหล่านี้มักมาจากธาตุไตรวาเลนต์ (เช่น อลูมิเนียม) หรือเพนตะวาเลนต์ (เช่น ฟอสฟอรัส) และเมื่อเติมในปริมาณที่ควบคุม พวกมันจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์พื้นฐาน การเติมนี้สร้างความอิ่มตัวของอิเล็กตรอน (เซมิคอนดักเตอร์ชนิด N) หรือความอิ่มตัวของรู (เซมิคอนดักเตอร์ชนิด P)

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด N คือสารที่วัสดุถูกเจือด้วยองค์ประกอบที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าที่เซมิคอนดักเตอร์ต้องการสำหรับพันธะโควาเลนต์ อิเล็กตรอนส่วนเกินนี้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ซึ่งจะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเพิ่มขึ้นอย่างมาก ฟอสฟอรัส พลวง และสารหนูเป็นตัวอย่างทั่วไปของสารเจือปนที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N

ในทางกลับกัน เซมิคอนดักเตอร์ประเภท P คือสารที่วัสดุถูกเจือด้วยองค์ประกอบที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ ซึ่งทำให้เกิดการก่อตัวของรู รูเหล่านี้มีพฤติกรรมเหมือนกับประจุบวกเคลื่อนที่ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ โบรอน แกลเลียม และอินเดียมเป็นตัวอย่างขององค์ประกอบเจือปนที่ใช้ในการสร้างเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P

การเปรียบเทียบระหว่างสารกึ่งตัวนำภายในและภายนอก

เซมิคอนดักเตอร์ทั้งภายในและภายนอกมีบทบาทพื้นฐานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ความแตกต่างอยู่ที่องค์ประกอบทางเคมีและวิธีการทำงานของสารกึ่งตัวนำภายใต้เงื่อนไขบางประการ ต่อไป เราจะทำการเปรียบเทียบคุณลักษณะสำคัญระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสองประเภทอย่างละเอียดถี่ถ้วน:

• ความบริสุทธิ์ของวัสดุ: เซมิคอนดักเตอร์จากภายในมีความบริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์จากภายนอกถูกเจือด้วยสิ่งเจือปนเพื่อปรับปรุงการนำไฟฟ้า
• การนำไฟฟ้า: เซมิคอนดักเตอร์จากภายในมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำภายนอก ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น
• ผู้ให้บริการโหลด: ในสารกึ่งตัวนำภายใน จำนวนอิเล็กตรอนและจำนวนรูจะเท่ากัน ในเซมิคอนดักเตอร์ภายนอก ความเท่าเทียมกันนี้จะถูกทำลายเนื่องจากการเติม ส่งผลให้มีอิเล็กตรอนมากเกินไป (ชนิด N) หรือรู (ชนิด P)
• เทคโนโลยีและการใช้งาน: เซมิคอนดักเตอร์ภายนอกมีประโยชน์มากกว่าสำหรับการใช้งานจริงเนื่องจากสามารถนำไฟฟ้าได้มากกว่า สิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เกือบทั้งหมด รวมถึงทรานซิสเตอร์และไดโอด

สารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N

สารกึ่งตัวนำภายนอกมีสองประเภทหลักคือ สารกึ่งตัวนำชนิด N มีอิเล็กตรอนอิสระมากขึ้น ในขณะที่ สารกึ่งตัวนำชนิด P มันมีรูมากขึ้น อิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์ประเภท N ทำหน้าที่เป็นอนุภาคที่มีประจุหลักในการนำไฟฟ้า ในขณะที่ในเซมิคอนดักเตอร์ประเภท P รู (อนุภาคที่มีประจุบวก) คือสิ่งที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งระหว่างทั้งสองประเภทคือลักษณะการทำงานเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานภายนอก เมื่อใช้ความต่างศักย์ระหว่างสองภูมิภาค (PN) เราจะเรียกว่าอะไร ทางแยก PNซึ่งเป็นโครงสร้างที่สำคัญต่อการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไดโอด เมื่อทางแยกเป็น "โพลาไรซ์" ในทิศทางเดียว จะช่วยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ หากขั้วกลับกัน มันจะทำหน้าที่เป็นฉนวน

ความสำคัญของการเติมสารกึ่งตัวนำภายนอก

ในเซมิคอนดักเตอร์ภายนอก กระบวนการเติมสารเจือปนจะนำสิ่งเจือปนเข้าไปในคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อเปลี่ยนสมดุลตามธรรมชาติและเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้า ในการสร้างเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N จะใช้สารเจือปนที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว ในขณะที่สารกึ่งตัวนำชนิด P วัสดุฐานจะถูกเจือด้วยองค์ประกอบที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียง 3 ตัว กระบวนการนี้ส่งผลโดยตรงต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ และปรับปรุงประสิทธิภาพในการใช้งานที่จำเป็นต้องควบคุมกระแสไฟฟ้าอย่างแม่นยำ

การเติมสารต้องห้ามนี้นำไปใช้ได้หลากหลาย เช่น การสร้างทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และวงจรรวม ท่ามกลางส่วนประกอบสำคัญอื่นๆ ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

การประยุกต์เซมิคอนดักเตอร์ภายนอกและภายใน

เซมิคอนดักเตอร์จากภายในมีการใช้งานที่จำกัดเนื่องจากมีการนำไฟฟ้าต่ำ อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้มีประโยชน์ในสภาพแวดล้อมที่ต้องการการตอบสนองที่แม่นยำต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เช่น ในเซ็นเซอร์อุณหภูมิ ในส่วนของเซมิคอนดักเตอร์ภายนอก เนื่องจากความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ดีกว่า จึงถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายประเภท ตั้งแต่ทรานซิสเตอร์ไปจนถึงไดโอดและวงจรรวม

ตัวอย่างเช่น ในไมโครโปรเซสเซอร์ ความสามารถในการสลับระหว่างสถานะการนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N ภายนอกและชนิด P ช่วยให้คอมพิวเตอร์ดำเนินการเชิงตรรกะ จัดเก็บและประมวลผลข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เป็นที่น่าสังเกตว่าสาขาเซมิคอนดักเตอร์ยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในด้านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) อุปกรณ์จึงได้รับการพัฒนาเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

สำหรับวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ การทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างเซมิคอนดักเตอร์จากภายในและภายนอกถือเป็นสิ่งสำคัญไม่เพียงแต่ในการออกแบบอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการปรับปรุงเทคโนโลยีที่มีอยู่ด้วย