สารกึ่งตัวนำ
วัสดุที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าเป็นกลางระหว่างตัวนำและฉนวน
แท่งซิลิคอนโมโนคริสตัล
การผลิต
อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์
การปรับขนาด MOSFET
( โหนดกระบวนการ )
อนาคต

สารกึ่งตัวนำคือวัสดุที่อยู่ระหว่างตัวนำและฉนวนซึ่งมีความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้า[1]ในหลายกรณีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำอาจเปลี่ยนแปลงไปในทางที่เป็นประโยชน์ได้โดยการใส่สิ่งเจือปน (" การเจือปน ") เข้าไปในโครงสร้างผลึกเมื่อมีบริเวณที่มีการเจือปนต่างกันสองแห่งอยู่ในผลึกเดียวกัน รอย ต่อ ของ สารกึ่งตัวนำจะถูกสร้างขึ้น พฤติกรรมของตัวพาประจุซึ่งรวมถึงอิเล็กตรอนไอออนและรูอิเล็กตรอน ที่รอย ต่อเหล่านี้เป็นพื้นฐานของไดโอดทรานซิสเตอร์ และ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยที่สุดตัวอย่างของสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ซิลิกอนเจอร์เมเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์และธาตุที่อยู่ใกล้ " บันไดโลหะ " ในตารางธาตุหลังจากซิลิกอนแล้ว แกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นสารกึ่งตัวนำที่พบมากเป็นอันดับสองและใช้ในไดโอดเลเซอร์เซลล์แสงอาทิตย์วงจรรวมความถี่ไมโครเวฟและอื่นๆ ซิลิกอนเป็นองค์ประกอบสำคัญในการผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ส่วน ใหญ่

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามารถแสดงคุณสมบัติที่มีประโยชน์ต่างๆ ได้มากมาย เช่น การส่งกระแสได้ง่ายกว่าในทิศทางหนึ่ง ความต้านทานแปรผัน และความไวต่อแสงหรือความร้อน เนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วยการเจือปนสารและการใช้สนามไฟฟ้าหรือแสง อุปกรณ์ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์จึงสามารถใช้ขยายสัญญาณ สวิตชิ่ง และแปลงพลังงานได้ คำว่าเซมิคอนดักเตอร์ยังใช้เพื่ออธิบายวัสดุที่ใช้ในสายเคเบิลที่มีความจุสูง แรงดันปานกลางถึงสูงเป็นส่วนหนึ่งของฉนวน และวัสดุเหล่านี้มักเป็นพลาสติก XLPE ( โพลีเอทิลีนเชื่อมขวาง ) ที่มีคาร์บอนแบล็ก[2]

ค่าการนำไฟฟ้าของซิลิกอนจะเพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มอะตอม ที่มีวาเลนต์ห้าอะตอม ( แอนติโมนีฟอสฟอรัสหรืออาร์เซนิก ) หรืออะตอมที่มีวาเลนต์สามอะตอม ( โบรอนแกลเลียมอินเดียม) ในปริมาณเล็กน้อย (ประมาณ 1 ใน10 8) [3]กระบวนการนี้เรียกว่าการเจือปนสาร และสารกึ่งตัวนำที่ได้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำที่มีการเจือปนสารหรือสารกึ่งตัวนำนอกแท้นอกจากการเจือปนสารแล้ว ค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิ ซึ่งขัดแย้งกับพฤติกรรมของโลหะที่ค่าการนำไฟฟ้าจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น[4]

ความเข้าใจในคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำในปัจจุบันนั้นอาศัยฟิสิกส์ควอนตัมในการอธิบายการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุในโครงตาข่ายผลึก [ 5]การเจือปนสารจะทำให้จำนวนตัวพาประจุภายในผลึกเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อสารกึ่งตัวนำถูกเจือปนด้วยธาตุในกลุ่ม V สารกึ่งตัวนำจะประพฤติตัวเหมือนตัวให้ประจุ ที่สร้าง อิเล็กตรอนอิสระซึ่งเรียกว่าการเจือปน " ประเภท n " เมื่อสารกึ่งตัวนำถูกเจือปนด้วยธาตุในกลุ่ม III สารกึ่งตัวนำจะประพฤติตัวเหมือนตัวรับที่สร้างรูอิสระ ซึ่งเรียกว่าการเจือปน " ประเภท p " วัสดุสารกึ่งตัวนำที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะถูกเจือปนภายใต้เงื่อนไขที่แม่นยำเพื่อควบคุมความเข้มข้นและบริเวณของสารเจือปนประเภท p และ n คริสตัล ของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำตัวเดียว สามารถมีบริเวณประเภท p และ n ได้หลายบริเวณรอยต่อ p–nระหว่างบริเวณเหล่านี้เป็นสาเหตุของพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประโยชน์ การใช้หัววัดแบบจุดร้อนจะทำให้สามารถระบุได้อย่างรวดเร็วว่าตัวอย่างสารกึ่งตัวนำนั้นเป็นแบบ p หรือ n [6]

สมบัติบางประการของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ได้รับการสังเกตในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 และทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 การประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์ในทางปฏิบัติครั้งแรกในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือการพัฒนาเครื่องตรวจจับหนวดแมว ในปี 1904 ซึ่ง เป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ดั้งเดิมที่ใช้ใน เครื่องรับ วิทยุ ในยุคแรก การพัฒนาในฟิสิกส์ควอนตัมนำไปสู่การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ในปี 1947 [7]และวงจรรวมในปี 1958

คุณสมบัติ

ค่าการนำไฟฟ้าแปรผัน

สารกึ่งตัวนำในสภาพธรรมชาติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดีเนื่องจากกระแสไฟฟ้าต้องการการไหลของอิเล็กตรอน และสารกึ่งตัวนำมีแถบวาเลนซ์ที่เต็ม ทำให้อิเล็กตรอนใหม่ไม่สามารถไหลผ่านได้ เทคนิคที่พัฒนาขึ้นหลายอย่างทำให้สารกึ่งตัวนำมีพฤติกรรมเหมือนสารตัวนำ เช่นการเจือปน สาร หรือเกตการดัดแปลงเหล่านี้มีผลลัพธ์สองแบบคือแบบ nและแบบ pซึ่งหมายถึงอิเล็กตรอนเกินหรือขาดตามลำดับ จำนวนอิเล็กตรอนที่สมดุลกันจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านสารทั้งหมด[8]

เฮเทอโรจันก์ชั่น

รอยต่อแบบเฮเทอโรเกิดขึ้นเมื่อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชนิดที่ถูกโดปต่างกันมาเชื่อมเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น การกำหนดค่าอาจประกอบด้วยเจอร์เมเนียมที่ถูกโดปด้วย p และเจอร์เมเนียมที่ถูกโดปด้วย n ส่งผลให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนและโฮลระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ถูกโดปด้วยต่างกัน เจอร์เมเนียมที่ถูกโดปด้วย n จะมีอิเล็กตรอนส่วนเกิน และเจอร์เมเนียมที่ถูกโดปด้วย p จะมีโฮลส่วนเกิน การถ่ายโอนเกิดขึ้นจนกว่าจะถึงจุดสมดุลโดยกระบวนการที่เรียกว่าการรวมตัวกันใหม่ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากชนิด n มาสัมผัสกับโฮลที่เคลื่อนที่จากชนิด p [9]ผลลัพธ์ของกระบวนการนี้คือแถบแคบๆ ของไอออน ที่เคลื่อนที่ไม่ได้ ซึ่งทำให้เกิดสนามไฟฟ้าข้ามรอยต่อ [5] [8]

อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้น

ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์จะทำให้วัสดุนั้นหลุดออกจากภาวะสมดุลทางความร้อนและสร้างสถานการณ์ที่ไม่สมดุล ซึ่งจะทำให้มีอิเล็กตรอนและโฮลเข้าสู่ระบบ ซึ่งจะโต้ตอบกันผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการแพร่แบบแอมบิโพลาร์เมื่อใดก็ตามที่สมดุลทางความร้อนถูกรบกวนในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ จำนวนของโฮลและอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไป การรบกวนดังกล่าวอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิหรือโฟตอนซึ่งสามารถเข้าสู่ระบบและสร้างอิเล็กตรอนและโฮลได้ กระบวนการที่สร้างหรือทำลายอิเล็กตรอนและโฮลเรียกว่าการสร้างและการรวมตัวกันใหม่ตามลำดับ[8]

การปล่อยแสง

ในสารกึ่งตัวนำบางชนิด อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นสามารถผ่อนคลายได้โดยการปล่อยแสงแทนที่จะผลิตความร้อน[10]การควบคุมองค์ประกอบของสารกึ่งตัวนำและกระแสไฟฟ้าทำให้สามารถจัดการคุณสมบัติของแสงที่ปล่อยออกมาได้[11]สารกึ่งตัวนำเหล่านี้ใช้ในการสร้างไดโอดเปล่งแสงและจุดควอนตัมเรือง แสง

การนำความร้อนสูง

สารกึ่งตัวนำที่มีค่าการนำความร้อนสูงสามารถใช้ในการระบายความร้อนและปรับปรุงการจัดการความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สารกึ่งตัวนำมีบทบาทสำคัญในยานยนต์ไฟฟ้าLEDความสว่างสูงและโมดูลพลังงานรวมถึงการใช้งานอื่นๆ[12] [13] [14]

การแปลงพลังงานความร้อน

สารกึ่งตัวนำมี ค่าตัวประกอบกำลังเทอร์โมอิเล็กทริกสูงทำให้มีประโยชน์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์ โมอิเล็ก ท ริก นอกจากนี้ยังมีค่าความดีความชอบเทอ ร์โมอิเล็กทริกที่สูง ทำให้มีประโยชน์ในเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก[15]

วัสดุ

ผลึก ซิลิกอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่นิยมใช้มากที่สุดในไมโครอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตวอลตาอิคส์

ธาตุและสารประกอบจำนวนมากมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ รวมถึง: [16]

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดคือของแข็งที่เป็นผลึก แต่ยังมีเซมิคอนดักเตอร์แบบอะมอร์ฟัสและของเหลวที่เป็นที่รู้จักอีกด้วย ได้แก่ ซิลิคอนอะมอร์ฟัสที่ถูกทำให้เป็นไฮโดรเจนและส่วนผสมของอาร์เซนิก ซีลีเนียม และเทลลูเรียมในสัดส่วนที่หลากหลาย สารประกอบเหล่านี้มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าแบบปานกลางและการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของการนำไฟฟ้าตามอุณหภูมิเช่นเดียวกับเซมิคอนดักเตอร์ที่รู้จักกันดีกว่า รวมถึงความต้านทานเชิงลบ เป็นครั้งคราว วัสดุที่ไม่เป็นระเบียบดังกล่าวไม่มีโครงสร้างผลึกที่แข็งเหมือนเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป เช่น ซิลิกอน โดยทั่วไปแล้วจะใช้ใน โครงสร้าง ฟิล์มบางซึ่งไม่ต้องการวัสดุที่มีคุณภาพอิเล็กทรอนิกส์สูงกว่า เนื่องจากไม่ไวต่อสิ่งเจือปนและความเสียหายจากรังสีมากนัก

การเตรียมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดในปัจจุบันเกี่ยวข้องกับการใช้สารกึ่งตัวนำ โดยด้านที่สำคัญที่สุดคือวงจรรวม (IC) ซึ่งพบได้ในเดสก์ท็อปแล็ปท็อปสแกนเนอร์โทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ สารกึ่งตัวนำสำหรับ IC ผลิตเป็นจำนวนมาก เพื่อสร้างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เหมาะสม ความบริสุทธิ์ทางเคมีถือเป็นสิ่งสำคัญที่สุด ความไม่สมบูรณ์แบบเพียงเล็กน้อยอาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อการทำงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากขนาดของวัสดุที่ใช้[8]

นอกจากนี้ ยังต้องมีความสมบูรณ์ของผลึกในระดับสูง เนื่องจากความผิดพลาดในโครงสร้างผลึก (เช่นการเคลื่อนตัว การเกิดฝาแฝดและความผิดพลาดในการเรียงซ้อน ) จะรบกวนคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำของวัสดุ ความผิดพลาดของผลึกเป็นสาเหตุหลักของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีข้อบกพร่อง ยิ่งผลึกมีขนาดใหญ่ การบรรลุถึงความสมบูรณ์ที่จำเป็นก็ยิ่งยากขึ้น กระบวนการผลิตจำนวนมากในปัจจุบันใช้แท่งผลึกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 100 ถึง 300 มม. (3.9 ถึง 11.8 นิ้ว) ปลูกเป็นทรงกระบอกและหั่นเป็นแผ่น เวเฟอร์

มีกระบวนการหลายอย่างที่ใช้ในการเตรียมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สำหรับไอซี กระบวนการหนึ่งเรียกว่าการเกิดออกซิเดชันด้วยความร้อนซึ่งจะสร้างซิลิกอนไดออกไซด์บนพื้นผิวของซิลิกอน กระบวนการ นี้ใช้เป็นฉนวนเกตและ ออกไซด์ ของสนามกระบวนการอื่นๆ เรียกว่าโฟโตมาสก์และโฟโตลิโทกราฟีกระบวนการนี้คือสิ่งที่สร้างรูปแบบบนวงจรในวงจรรวมแสงอัลตราไวโอเลตจะใช้ร่วมกับ ชั้น โฟโตเรซิสต์เพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่สร้างรูปแบบสำหรับวงจร[8]

การกัดเป็นกระบวนการถัดไปที่จำเป็น ส่วนของซิลิกอนที่ไม่ได้ถูกปกคลุมด้วย ชั้น โฟโตเรซิสต์จากขั้นตอนก่อนหน้าสามารถกัดได้แล้ว กระบวนการหลักที่ใช้ในปัจจุบันโดยทั่วไปเรียกว่าการกัดพลาสมาการกัดพลาสมาโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับก๊าซกัดที่สูบเข้าไปในห้องแรงดันต่ำเพื่อสร้างพลาสมาก๊าซกัดทั่วไปคือคลอโรฟลูออโรคาร์บอนหรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าฟรีออนแรงดันไฟฟ้าความถี่วิทยุ สูงระหว่างแคโทดและแอโนดคือสิ่งที่สร้างพลาสมาในห้องเวเฟอร์ซิลิกอนตั้งอยู่บนแคโทด ซึ่งทำให้มันถูกกระแทกโดยไอออนที่มีประจุบวกที่ถูกปล่อยออกมาจากพลาสมา ผลลัพธ์คือซิลิกอนที่ถูกกัดแบบแอนไอโซทรอปิก [ 5] [8]

กระบวนการสุดท้ายเรียกว่าการแพร่ซึ่งเป็นกระบวนการที่ทำให้สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำที่ต้องการ กระบวนการนี้เรียกอีกอย่างว่าการเจือปนกระบวนการนี้จะนำอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์เข้าสู่ระบบ ซึ่งจะสร้างรอยต่อ p–nขึ้น เพื่อให้อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ฝังอยู่ในเวเฟอร์ซิลิกอน ก่อนอื่นเวเฟอร์จะถูกนำไปวางไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิ 1,100 องศาเซลเซียส อะตอมจะถูกฉีดเข้าไปและแพร่กระจายไปพร้อมกับซิลิกอนในที่สุด หลังจากกระบวนการเสร็จสิ้นและซิลิกอนมีอุณหภูมิห้องแล้ว กระบวนการเจือปนก็จะเสร็จสิ้น และเวเฟอร์ ซิลิกอน ก็เกือบจะพร้อมแล้ว[5] [8]

ฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำ

แถบพลังงานและการนำไฟฟ้า

การเติมสถานะอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุประเภทต่างๆ ที่จุดสมดุลโดยความสูงคือพลังงาน ในขณะที่ความกว้างคือความหนาแน่นของสถานะที่พร้อมใช้งานสำหรับพลังงานบางอย่างในวัสดุที่ระบุไว้ เฉดสีจะเป็นไปตามการกระจายของแฟร์มี–ดิแรก ( สีดำ : สถานะทั้งหมดถูกเติม สีขาว : ไม่มีสถานะใดถูกเติม) ในโลหะและเซมิเมทัลระดับแฟร์มี E Fอยู่ภายในแถบอย่างน้อยหนึ่งแถบ
ในฉนวนและสารกึ่งตัวนำ ระดับแฟร์มีจะอยู่ภายในแบนด์แก๊ปอย่างไรก็ตาม ในสารกึ่งตัวนำ แบนด์จะอยู่ใกล้ระดับแฟร์มีเพียงพอที่จะเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนหรือโฮล เนื่องจากความร้อน "อินทริน" หมายถึงสารกึ่งตัวนำที่แท้จริง
แก้ไข

สารกึ่งตัวนำถูกกำหนดโดยพฤติกรรมการนำไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งอยู่ระหว่างพฤติกรรมของตัวนำและฉนวน[19]ความแตกต่างระหว่างวัสดุเหล่านี้สามารถเข้าใจได้ในแง่ของสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอน ซึ่งแต่ละสถานะอาจมีอิเล็กตรอนอยู่ 0 หรือ 1 ตัว (ตามหลักการกีดกันของเพาลี ) สถานะเหล่านี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างแถบอิเล็กตรอนของวัสดุการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะที่เคลื่อนที่ออกจากตำแหน่ง (ขยายผ่านวัสดุ) อย่างไรก็ตาม เพื่อที่จะขนส่งอิเล็กตรอน สถานะจะต้องถูกเติมเต็มบางส่วนซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่เพียงบางส่วนของเวลาเท่านั้น[20]หากสถานะถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนเสมอ สถานะนั้นจะเฉื่อยชา และปิดกั้นไม่ให้อิเล็กตรอนตัวอื่นผ่านสถานะนั้น พลังงานของสถานะควอนตัมเหล่านี้มีความสำคัญ เนื่องจากสถานะจะถูกเติมเต็มบางส่วนก็ต่อเมื่อพลังงานอยู่ใกล้ระดับแฟร์มี เท่านั้น (ดูสถิติของแฟร์มี–ดิแรก )

วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงนั้นมาจากการที่มีสถานะที่เติมบางส่วนจำนวนมากและสถานะที่กระจายตัวมาก โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้า ที่ดี และมีสถานะที่เติมบางส่วนจำนวนมากที่มีพลังงานใกล้เคียงกับระดับแฟร์มี ในทางตรงกันข้ามฉนวน จะมีสถานะที่เติมบางส่วนเพียงเล็กน้อย โดยระดับแฟร์มีจะอยู่ภายใน แบนด์แก๊ปซึ่งมีสถานะพลังงานเพียงเล็กน้อยที่จะครอบครอง สิ่งสำคัญคือ ฉนวนสามารถทำให้นำไฟฟ้าได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิ การให้ความร้อนจะให้พลังงานเพื่อส่งเสริมอิเล็กตรอนบางส่วนข้ามแบนด์แก๊ป ทำให้เกิดสถานะที่เติมบางส่วนทั้งในแถบสถานะที่อยู่ใต้แบนด์แก๊ป ( แถบวาเลนซ์ ) และแถบสถานะที่อยู่เหนือแบนด์แก๊ป ( แถบการนำไฟฟ้า ) สารกึ่งตัวนำ (แบบเนื้อแท้) มีแบนด์แก๊ปที่เล็กกว่าของฉนวน และที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนจำนวนมากสามารถถูกกระตุ้นเพื่อข้ามแบนด์แก๊ปได้[21]

อย่างไรก็ตาม สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นั้นไม่มีประโยชน์มากนัก เนื่องจากไม่เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีนักหรือเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีนัก อย่างไรก็ตาม คุณลักษณะที่สำคัญอย่างหนึ่งของสารกึ่งตัวนำ (และฉนวนไฟฟ้าบางชนิดที่เรียกว่ากึ่งฉนวนไฟฟ้า ) ก็คือ การนำไฟฟ้าสามารถเพิ่มและควบคุมได้ด้วยการเจือปนสารเจือปนและเกทด้วยสนามไฟฟ้า การเจือปนสารเจือปนและเกทจะทำให้แถบการนำไฟฟ้าหรือแถบวาเลนซ์เข้าใกล้ระดับแฟร์มีมากขึ้น และเพิ่มจำนวนสถานะที่เติมบางส่วนได้อย่างมาก

วัสดุ เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างบางชนิดมักเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์เมื่อไม่ได้เจือปนสารใดๆ วัสดุเหล่านี้จะมีค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกับฉนวนไฟฟ้ามากกว่า อย่างไรก็ตาม วัสดุเหล่านี้สามารถเจือปนสารใดๆ ได้ (ทำให้มีประโยชน์เท่ากับเซมิคอนดักเตอร์) เซมิคอนดักเตอร์มีการใช้งานเฉพาะในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เป็นสารตั้งต้นสำหรับHEMTตัวอย่างของเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปคือแกลเลียมอาร์เซไนด์ [ 22]วัสดุบางชนิด เช่นไททาเนียมไดออกไซด์สามารถใช้เป็นวัสดุฉนวนสำหรับบางการใช้งานได้ ในขณะที่สามารถใช้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างกว้างสำหรับแอปพลิเคชันอื่นๆ ได้

ตัวพาประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอนและโฮล)

การเติมบางส่วนของสถานะที่ด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปในแถบนั้น อิเล็กตรอนไม่ได้คงอยู่อย่างไม่มีกำหนด (เนื่องมาจากการรวมตัว ทางความร้อนตามธรรมชาติ ) แต่สามารถเคลื่อนที่ไปมาได้สักระยะหนึ่ง ความเข้มข้นที่แท้จริงของอิเล็กตรอนโดยทั่วไปจะเจือจางมาก ดังนั้น (ไม่เหมือนในโลหะ) จึงเป็นไปได้ที่จะคิดถึงอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำเป็นก๊าซในอุดมคติ แบบคลาสสิก ซึ่งอิเล็กตรอนจะบินไปมาอย่างอิสระโดยไม่ต้องอยู่ภายใต้หลักการกีดกันของเพาลีในสารกึ่งตัวนำส่วนใหญ่ แถบการนำไฟฟ้ามีความสัมพันธ์การกระจาย แบบพาราโบลา และด้วยเหตุนี้ อิเล็กตรอนเหล่านี้จึงตอบสนองต่อแรง (สนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก ฯลฯ) ในลักษณะเดียวกับที่ตอบสนองต่อในสุญญากาศ แม้ว่าจะมีมวลที่มีประสิทธิภาพ ต่างกัน ก็ตาม[21]เนื่องจากอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนก๊าซในอุดมคติ เราจึงอาจคิดเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าในแง่ที่เรียบง่ายมาก เช่นแบบจำลองของดรู และแนะนำแนวคิด ต่างๆ เช่นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

สำหรับการเติมบางส่วนที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์ การแนะนำแนวคิดของหลุมอิเล็กตรอน นั้นเป็นประโยชน์ แม้ว่าอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์จะเคลื่อนที่ไปมาตลอดเวลา แต่แถบวาเลนซ์ที่เต็มโดยสมบูรณ์จะเฉื่อย ไม่นำกระแสไฟฟ้าใดๆ หากอิเล็กตรอนถูกนำออกจากแถบวาเลนซ์ แสดงว่าเส้นทางที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ตามปกตินั้นขาดประจุไปแล้ว สำหรับวัตถุประสงค์ของกระแสไฟฟ้า การรวมกันของแถบวาเลนซ์เต็ม ลบอิเล็กตรอนออกไป สามารถแปลงเป็นภาพของแถบที่ว่างเปล่าโดยสิ้นเชิงซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวกที่เคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับอิเล็กตรอน เมื่อรวมกับ มวลที่มีประสิทธิภาพ เชิงลบของอิเล็กตรอนที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์ เราจะได้ภาพของอนุภาคที่มีประจุบวกที่ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เช่นเดียวกับที่อนุภาคที่มีประจุบวกปกติจะทำในสุญญากาศ โดยมีมวลที่มีประสิทธิภาพเชิงบวกอีกเช่นกัน[21]อนุภาคนี้เรียกว่าโฮล และการรวบรวมของโฮลในแถบวาเลนซ์สามารถเข้าใจได้ในแง่คลาสสิกแบบง่ายๆ อีกครั้ง (เช่นเดียวกับอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้า)

การสร้างและการรวมตัวใหม่ของพาหะ

เมื่อรังสีไอออไนซ์กระทบกับสารกึ่งตัวนำ รังสีอาจกระตุ้นอิเล็กตรอนให้หลุดออกจากระดับพลังงานและทำให้เกิดช่องว่างขึ้น กระบวนการนี้เรียกว่าการสร้างคู่อิเล็กตรอน-ช่องว่าง นอกจากนี้ คู่อิเล็กตรอน-ช่องว่างยังถูกสร้างขึ้นจาก พลังงานความร้อนอย่างต่อเนื่องโดยไม่มีแหล่งพลังงานภายนอกใดๆ

คู่อิเล็กตรอน-โฮลก็มีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันใหม่เช่นกันการอนุรักษ์พลังงานต้องการให้เหตุการณ์การรวมตัวใหม่เหล่านี้ ซึ่งอิเล็กตรอนสูญเสียพลังงาน ในปริมาณ ที่มากกว่าแบนด์แก็ปมาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานความร้อน (ในรูปแบบของโฟนอน ) หรือการแผ่รังสี (ในรูปแบบของโฟตอน )

ในบางรัฐ การสร้างและการรวมตัวใหม่ของคู่อิเล็กตรอน-โฮลอยู่ในสภาวะสมดุล จำนวนคู่อิเล็กตรอน-โฮลในสถานะคงที่ ที่อุณหภูมิที่กำหนดจะถูกกำหนดโดยกลศาสตร์สถิติควอนตัม กลไก ทางกลศาสตร์ควอนตัมที่แม่นยำของการสร้างและการรวมตัวใหม่ถูกควบคุมโดยการอนุรักษ์พลังงานและการอนุรักษ์โมเมนตัม

เนื่องจากความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนและโฮลจะมาบรรจบกันนั้นแปรผันตามผลคูณของจำนวน ดังนั้นผลคูณจึงอยู่ในสถานะคงที่เกือบคงที่ที่อุณหภูมิที่กำหนด โดยที่ไม่มีสนามไฟฟ้าที่มีนัยสำคัญ (ซึ่งอาจ "ขับ" พาหะของทั้งสองประเภทออกไป หรือเคลื่อนย้ายพาหะเหล่านั้นจากบริเวณข้างเคียงที่มีพาหะมากกว่ามาบรรจบกัน) หรือการสร้างคู่ที่ถูกขับเคลื่อนจากภายนอก ผลคูณเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ เนื่องจากความน่าจะเป็นในการได้รับพลังงานความร้อนเพียงพอที่จะสร้างคู่เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ โดยมีค่าประมาณexp(− E G / kT )โดยที่kคือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ และE Gคือแบนด์แก็ป

ความน่าจะเป็นของการพบกันจะเพิ่มขึ้นโดยกับดักพาหะ – สิ่งเจือปนหรือการเคลื่อนตัวที่อาจดักอิเล็กตรอนหรือรูและยึดไว้จนกว่าคู่จะเสร็จสมบูรณ์ กับดักพาหะดังกล่าวบางครั้งถูกเพิ่มเข้าไปโดยตั้งใจเพื่อลดเวลาที่จำเป็นในการเข้าถึงสถานะคงที่[23]

การใช้สารกระตุ้น

การเจือสารอาร์เรย์ซิลิคอน บริสุทธิ์ สารกึ่งตัวนำที่มีส่วนประกอบเป็นซิลิคอนจะกลายเป็นสารเจือปนเมื่อ มีการใส่สิ่งเจือปน เช่นโบรอนและแอนติโมนี เข้าไป

ค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำสามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายๆ โดยการนำสิ่งเจือปนเข้าไปในโครงตาข่ายผลึก ของ สารกึ่งตัวนำ กระบวนการเติมสิ่งเจือปนที่ควบคุมได้ลงในสารกึ่งตัวนำเรียกว่าการเจือปนปริมาณของสิ่งเจือปนหรือสารเจือปนที่เติมลงใน สารกึ่ง ตัวนำที่แท้จริง (บริสุทธิ์) จะทำให้ระดับค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำนั้นเปลี่ยนแปลงไป[24]สารกึ่งตัวนำที่ถูกเจือปนเรียกว่า สารเจือปนภายนอก [25]การเติมสิ่งเจือปนลงในสารกึ่งตัวนำที่บริสุทธิ์จะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปเป็นจำนวนหลายพันหรือหลายล้านเท่า[26]

ตัวอย่างโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ ขนาด 1 ซม. 3มีลำดับของอะตอม 10 22อะตอม[27]ในโลหะ อะตอมแต่ละอะตอมจะบริจาคอิเล็กตรอนอิสระอย่างน้อยหนึ่งตัวเพื่อการนำไฟฟ้า ดังนั้น โลหะขนาด 1 ซม. 3จึงมีอิเล็กตรอนอิสระประมาณ 10 22อิเล็กตรอน[28]ในขณะที่ตัวอย่างเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์ขนาด 1 ซม. 3ที่อุณหภูมิ 20  °C มีอิเล็กตรอนอิสระประมาณ4.2 × 10 22อะตอม แต่เพียง2.5 × 10 13อิเล็กตรอนอิสระและ2.5 × 10 13รู การเติมสารหนู (สิ่งเจือปน) 0.001% จะทำให้มีอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้น 10 17 ตัวในปริมาตรเดียวกัน และค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็น 10,000 เท่า[29] [30]

วัสดุที่เลือกเป็นสารเจือปนที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติอะตอมของทั้งสารเจือปนและวัสดุที่จะทำการเจือปน โดยทั่วไปแล้ว สารเจือปนที่สร้างการเปลี่ยนแปลงที่ควบคุมได้ตามต้องการนั้นจะถูกจัดประเภทเป็นตัวรับ อิเล็กตรอน หรือตัวให้อิเล็กตรอนสารกึ่งตัวนำที่ถูกเจือปนด้วย สาร ให้อิเล็กตรอน นั้น เรียกว่าประเภท n ในขณะที่สาร กึ่งตัวนำที่ถูกเจือปนด้วยสารให้อิเล็กตรอนนั้นเรียกว่าประเภท p การกำหนดประเภท n และ p ระบุว่าตัวพาประจุใดทำหน้าที่เป็น ตัวพาประจุส่วนใหญ่ของวัสดุตัวพาประจุตรงข้ามนั้นเรียกว่าตัวพาประจุส่วนน้อยซึ่งดำรงอยู่ได้เนื่องจากการกระตุ้นด้วยความร้อนในความเข้มข้นที่ต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับตัวพาประจุส่วนใหญ่[31]

ตัวอย่างเช่นซิลิคอน ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สี่ตัวที่เชื่อมอะตอมซิลิคอนแต่ละอะตอมเข้ากับอะตอมข้างเคียง[32]ในซิลิคอน สารเจือปนที่พบมากที่สุดคือ ธาตุ กลุ่ม IIIและกลุ่ม Vธาตุกลุ่ม III ทั้งหมดมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สามตัว ซึ่งทำให้ทำหน้าที่เป็นตัวรับเมื่อใช้เพื่อเจือปนซิลิคอน เมื่ออะตอมตัวรับแทนที่อะตอมซิลิคอนในผลึก สถานะว่าง ("หลุม") อิเล็กตรอนจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ โครงตาข่ายและทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุ ธาตุกลุ่ม V มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ห้าตัว ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวให้ การแทนที่อะตอมเหล่านี้ด้วยซิลิคอนจะสร้างอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้นหนึ่งตัว ดังนั้น ผลึกซิลิคอนที่ถูกเจือปนด้วยโบรอนจะสร้างสารกึ่งตัวนำชนิด p ในขณะที่ผลึกซิลิคอนที่ถูกเจือปนด้วยฟอสฟอรัสจะสร้างสารชนิด n [33]

ระหว่างการผลิตสารเจือปนสามารถแพร่กระจายเข้าไปในตัวเซมิคอนดักเตอร์ได้โดยสัมผัสกับสารประกอบก๊าซของธาตุที่ต้องการ หรืออาจใช้ การฝังไอออน เพื่อวางตำแหน่งบริเวณที่เจือปนอย่างแม่นยำ

สารกึ่งตัวนำแบบอะมอร์ฟัส

วัสดุบางชนิดเมื่อเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นสถานะอะมอร์ฟัสคล้ายแก้วจะมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ B, Si , Ge, Se และ Te และมีทฤษฎีต่างๆ มากมายที่อธิบายคุณสมบัติเหล่านี้ได้[34] [35]

ประวัติศาสตร์ยุคแรกของเซมิคอนดักเตอร์

ประวัติศาสตร์ของความเข้าใจเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำเริ่มต้นด้วยการทดลองเกี่ยวกับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ คุณสมบัติของค่าสัมประสิทธิ์เวลา-อุณหภูมิของความต้านทาน การแก้ไข และความไวต่อแสง เริ่มมีการสังเกตตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19

Karl Ferdinand Braunพัฒนาเครื่องตรวจจับคริสตัล ซึ่งเป็น อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เครื่องแรกในปี พ.ศ. 2417

โทมัส โยฮันน์ ซีเบคเป็นคนแรกที่สังเกตเห็นว่าสารกึ่งตัวนำแสดงคุณสมบัติพิเศษ โดยการทดลองเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ซีเบคได้ผลลัพธ์ที่ชัดเจนกว่ามากเมื่อใช้สารกึ่งตัวนำในปี ค.ศ. 1821 [36]ในปี ค.ศ. 1833 ไมเคิล ฟาราเดย์รายงานว่าความต้านทานของตัวอย่างซิลเวอร์ซัลไฟ ด์ ลดลงเมื่อถูกความร้อน ซึ่งขัดแย้งกับพฤติกรรมของสารโลหะ เช่น ทองแดง ในปี ค.ศ. 1839 อเล็กซานเดอร์ เอ็ดมอนด์ เบคเคอเรลรายงานการสังเกตแรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรไลต์ของแข็งและของเหลวเมื่อถูกแสงกระทบ ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์โฟโตวอลตาอิกในปี ค.ศ. 1873 วิลโลบี สมิธสังเกตเห็นว่าตัวต้านทานซีลีเนียม แสดงความต้านทานที่ลดลงเมื่อแสงกระทบ ในปี 1874 Karl Ferdinand Braunได้สังเกตการนำไฟฟ้าและการแก้ไขในซัลไฟด์ ของโลหะ แม้ว่า Peter Munck af Rosenschöld (sv) ซึ่งเขียนบทความให้กับ Annalen der Physik und Chemie ในปี 1835 จะค้นพบผลกระทบนี้มาก่อนหน้านี้มาก[37]และArthur Schusterพบว่าชั้นออกไซด์ของทองแดงบนสายไฟมีคุณสมบัติในการแก้ไขไฟฟ้าซึ่งจะหยุดลงเมื่อสายไฟได้รับการทำความสะอาดWilliam Grylls Adamsและ Richard Evans Day ได้สังเกตผลกระทบจากโฟโตวอลตาอิกในซีลีเนียมในปี 1876 [38]

การอธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้อย่างเป็นเอกภาพนั้นต้องใช้ทฤษฎีฟิสิกส์สถานะของแข็งซึ่งได้รับการพัฒนาอย่างมากในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 ในปี 1878 เอ็ดวิน เฮอร์เบิร์ต ฮอลล์ได้สาธิตการเบี่ยงเบนของตัวนำประจุที่ไหลโดยสนามแม่เหล็กที่ใช้ ซึ่งก็คือปรากฏการณ์ฮอลล์การค้นพบอิเล็กตรอนโดยเจเจ ทอมสันในปี 1897 ได้กระตุ้นให้เกิดทฤษฎีการนำไฟฟ้าโดยใช้อิเล็กตรอนในของแข็งคาร์ล เบเดเกอร์โดยการสังเกตปรากฏการณ์ฮอลล์ที่มีเครื่องหมายย้อนกลับกับโลหะ ได้ตั้งทฤษฎีว่าคอปเปอร์ไอโอไดด์มีตัวนำประจุบวก โยฮัน โคเอนิกส์เบอร์เกอร์ [de]ได้จัดประเภทวัสดุของแข็ง เช่น โลหะ ฉนวน และ "ตัวนำแปรผัน" ในปี 1914 แม้ว่าโจเซฟ ไวส์ นักศึกษาของเขาได้แนะนำคำว่าHalbleiter (สารกึ่งตัวนำในความหมายสมัยใหม่) ไปแล้วในวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขา วิทยานิพนธ์ในปี 1910 [39] [40] Felix Blochเผยแพร่ทฤษฎีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านโครงตาข่ายอะตอมในปี 1928 ในปี 1930 B. Gudden  [de]กล่าวว่าสภาพนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำเกิดจากความเข้มข้นของสิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อย ในปี 1931 ทฤษฎีแบนด์ของการนำไฟฟ้าได้รับการกำหนดโดยAlan Herries Wilsonและแนวคิดของแบนด์แก๊ปได้รับการพัฒนาWalter H. SchottkyและNevill Francis Mottพัฒนาแบบจำลองของกำแพงศักย์และลักษณะของรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำในปี 1938 Boris Davydov ได้พัฒนาทฤษฎีของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าคอปเปอร์ออกไซด์ โดยระบุผลกระทบของรอยต่อ p–nและความสำคัญของพาหะส่วนน้อยและสถานะพื้นผิว[37]

ความสอดคล้องกันระหว่างการทำนายทางทฤษฎี (โดยอิงจากการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม) และผลการทดลองบางครั้งก็ไม่ดี ต่อมาจอห์น บาร์ดี นได้อธิบาย ว่าเป็นเพราะพฤติกรรม "ไวต่อโครงสร้าง" อย่างมากของเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์จะเปลี่ยนแปลงอย่างมากเมื่อพิจารณาจากสิ่งเจือปนในปริมาณเล็กน้อย[37]วัสดุบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 ที่มีสารปนเปื้อนในปริมาณที่แตกต่างกันทำให้ผลการทดลองแตกต่างกันออกไป สิ่งนี้กระตุ้นให้เกิดการพัฒนาเทคนิคการทำให้บริสุทธิ์ของวัสดุที่ดีขึ้น ซึ่งส่งผลให้โรงกลั่นเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่สามารถผลิตวัสดุที่มีความบริสุทธิ์ในระดับส่วนต่อล้านล้านส่วนได้

อุปกรณ์ที่ใช้สารกึ่งตัวนำถูกสร้างขึ้นในตอนแรกโดยอาศัยความรู้เชิงประจักษ์ ก่อนที่ทฤษฎีสารกึ่งตัวนำจะให้คำแนะนำในการสร้างอุปกรณ์ที่มีความสามารถและเชื่อถือได้มากขึ้น

อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์ใช้คุณสมบัติไวต่อแสงของซีลีเนียมในการส่งเสียงผ่านลำแสงในปี 1880 เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้งานได้ซึ่งมีประสิทธิภาพต่ำถูกสร้างขึ้นโดยชาร์ลส์ ฟริตส์ในปี 1883 โดยใช้แผ่นโลหะเคลือบด้วยซีลีเนียมและชั้นทองบาง ๆ อุปกรณ์นี้เริ่มมีประโยชน์เชิงพาณิชย์ในเครื่องวัดแสงสำหรับการถ่ายภาพในช่วงทศวรรษที่ 1930 [37] Jagadish Chandra Boseใช้เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าสำหรับตรวจจับไมโครเวฟแบบสัมผัสจุดที่ทำจากตะกั่วซัลไฟด์ในปี 1904 เครื่องตรวจจับหนวดแมวที่ใช้กาเลนาธรรมชาติหรือวัสดุอื่น ๆ กลายเป็นอุปกรณ์ทั่วไปในการพัฒนาวิทยุอย่างไรก็ตาม การทำงานค่อนข้างคาดเดาไม่ได้และต้องปรับด้วยมือเพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ในปี 1906 HJ Roundสังเกตการเปล่งแสงเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่าน ผลึก ซิลิกอนคาร์ไบด์ซึ่งเป็นหลักการเบื้องหลังไดโอดเปล่งแสงOleg Losevสังเกตการเปล่งแสงที่คล้ายกันในปี 1922 แต่ในเวลานั้นยังไม่มีการใช้ผลกระทบในทางปฏิบัติ เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าที่ใช้คอปเปอร์ออกไซด์และซีลีเนียมได้รับการพัฒนาในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 และกลายมาเป็นสิ่งสำคัญทางการค้าในฐานะทางเลือกทดแทนเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบหลอดสุญญากาศ[38] [37]

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ชิ้นแรกใช้กาเลนารวมถึงเครื่องตรวจจับคริสตัลของนักฟิสิกส์ ชาวเยอรมัน เฟอร์ดินานด์ บราวน์ ในปี พ.ศ. 2417 และ เครื่องตรวจจับคริสตัล วิทยุ ของนักฟิสิกส์ชาวอินเดีย จากาดิช จันทรา โบส ในปี พ.ศ. 2444 [41] [42]

ในช่วงหลายปีก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง อุปกรณ์ตรวจจับอินฟราเรดและอุปกรณ์สื่อสารได้กระตุ้นให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุตะกั่ว-ซัลไฟด์และตะกั่ว-เซเลไนด์ อุปกรณ์เหล่านี้ใช้สำหรับตรวจจับเรือและเครื่องบิน สำหรับเครื่องวัดระยะอินฟราเรด และสำหรับระบบสื่อสารด้วยเสียง เครื่องตรวจจับคริสตัลแบบจุดสัมผัสจึงมีความสำคัญต่อระบบวิทยุไมโครเวฟ เนื่องจากอุปกรณ์หลอดสุญญากาศที่มีอยู่ไม่สามารถทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับที่ความถี่สูงกว่า 4,000 MHz ได้ ระบบเรดาร์ขั้นสูงต้องอาศัยการตอบสนองที่รวดเร็วของเครื่องตรวจจับคริสตัล การวิจัยและการพัฒนา วัสดุ ซิลิกอน จำนวนมาก เกิดขึ้นระหว่างสงครามเพื่อพัฒนาเครื่องตรวจจับที่มีคุณภาพสม่ำเสมอ[37]

ทรานซิสเตอร์ในยุคแรกๆ

John Bardeen , William ShockleyและWalter Brattainพัฒนาทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัส ไบโพลาร์ ในปีพ.ศ. 2490

เครื่องตรวจจับและวงจรเรียงกระแสกำลังไม่สามารถขยายสัญญาณได้ มีการพยายามหลายครั้งในการพัฒนาเครื่องขยายสัญญาณโซลิดสเตตและประสบความสำเร็จในการพัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์จุดสัมผัสซึ่งสามารถขยายได้ 20 เดซิเบลหรือมากกว่า นั้น [43]ในปี 1922 Oleg Losev ได้พัฒนาเครื่องขยายสัญญาณ ความต้านทานเชิงลบสองขั้วสำหรับวิทยุ แต่เขาเสียชีวิตในระหว่างการปิดล้อมเลนินกราดหลังจากสร้างสำเร็จ ในปี 1926 Julius Edgar Lilienfeldได้จดสิทธิบัตรอุปกรณ์ที่คล้ายกับทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามแต่ไม่สามารถใช้งานได้จริง R. Hilsch  [de]และRW Pohl  [de]ได้สาธิตเครื่องขยายสัญญาณโซลิดสเตตในปี 1938 โดยใช้โครงสร้างที่คล้ายกับกริดควบคุมของหลอดสุญญากาศ แม้ว่าอุปกรณ์จะแสดงอัตราขยายพลังงาน แต่ความถี่ตัดออกคือหนึ่งรอบต่อวินาที ซึ่งต่ำเกินไปสำหรับการใช้งานจริงใดๆ แต่สามารถใช้งานทฤษฎีที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ[37]ที่Bell Labs , William Shockleyและ A. Holden เริ่มตรวจสอบเครื่องขยายสัญญาณโซลิดสเตตในปี 1938 รอยต่อ p–n แรกในซิลิกอนถูกสังเกตโดยRussell Ohlประมาณปี 1941 เมื่อพบว่าตัวอย่างมีความไวต่อแสง โดยมีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างสิ่งเจือปนประเภท p ที่ปลายด้านหนึ่งและประเภท n ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ชิ้นส่วนที่ตัดจากตัวอย่างที่ขอบเขต p–n พัฒนาแรงดันไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับแสง

ทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานได้ตัวแรกคือทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสซึ่งประดิษฐ์โดยJohn Bardeen , Walter Houser BrattainและWilliam Shockleyที่ Bell Labs ในปี 1947 ก่อนหน้านี้ Shockley ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับเครื่องขยายสัญญาณเอฟเฟกต์สนามที่ทำจากเจอร์เมเนียมและซิลิกอน แต่เขาล้มเหลวในการสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้ดังกล่าว ก่อนที่จะใช้เจอร์เมเนียมในการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสในที่สุด[44]ในฝรั่งเศส ในช่วงสงครามHerbert Mataréได้สังเกตการขยายสัญญาณระหว่างจุดสัมผัสที่อยู่ติดกันบนฐานเจอร์เมเนียม หลังสงคราม กลุ่มของ Mataré ได้ประกาศเปิดตัวเครื่องขยายสัญญาณ " Transistron " ไม่นานหลังจาก Bell Labs ประกาศเปิดตัว " ทรานซิสเตอร์ "

ในปีพ.ศ. 2497 นักเคมีฟิสิกส์ มอร์ริส ทาเนนบอมได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อ ซิลิคอนตัวแรกขึ้น ที่เบลล์แล็บส์ [ 45]อย่างไรก็ตามทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อ ในยุคแรก เป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่และยากต่อการผลิตเป็นจำนวนมากจึงจำกัดการใช้งานเฉพาะทางได้เพียงบางส่วนเท่านั้น[46]

ดูเพิ่มเติม

อ้างอิง

  1. ^ Tatum, Jeremy (13 ธันวาคม 2016). "ความต้านทานและอุณหภูมิ". LibreTexts . สืบค้นเมื่อ2023-12-22 .
  2. ^ Worzyk, Thomas (11 สิงหาคม 2009). สายไฟฟ้าใต้น้ำ: การออกแบบ การติดตั้ง การซ่อมแซม แง่มุมด้านสิ่งแวดล้อม Springer. ISBN 978-3-642-01270-9-
  3. ^ "การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ". www.mks.com . สืบค้นเมื่อ2024-04-01 .
  4. ^ "Joshua Halpern". Chemistry 003. 2015-01-12 . สืบค้นเมื่อ2024-04-01 .
  5. ^ abcd Feynman, Richard. Feynman บรรยายเรื่องฟิสิกส์
  6. ^ "2.4.7.9 การทดลอง "hot-probe"". ecee.colorado.edu . เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อ 6 มีนาคม 2021 . สืบค้นเมื่อ27 พฤศจิกายน 2020 .
  7. ^ Shockley, William (1950). อิเล็กตรอนและโฮลในสารกึ่งตัวนำ: พร้อมการประยุกต์ใช้กับอิเล็กทรอนิกส์ทรานซิสเตอร์ RE Krieger Pub. Co. ISBN 978-0-88275-382-9-
  8. ^ abcdefg Neamen, Donald A. (2003). Semiconductor Physics and Devices (PDF) . Elizabeth A. Jones. เก็บถาวรจากแหล่งเดิม(PDF)เมื่อ 27 ตุลาคม 2022
  9. ^ "Electron-Hole Recombination". Engineering LibreTexts . 2016-07-28 . สืบค้นเมื่อ2024-04-01 .
  10. ^ โดย Abdul Al-Azzawi. "แสงและทัศนศาสตร์: หลักการและการปฏิบัติ" 4 มีนาคม 2550
  11. ^ "คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ - ภาพรวม | หัวข้อ ScienceDirect" www.sciencedirect.com . สืบค้นเมื่อ2023-12-14 .
  12. ^ หวัง หยางกัง ไต้ เสี่ยวผิง หลิว กัวโหยว วู่ อี้ป๋อ โจนส์ หยุน หลี่ และสตีฟ (5 ตุลาคม 2559) "สถานะและแนวโน้มของการบรรจุโมดูลเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า" การสร้างแบบจำลองและการจำลองสำหรับการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้า IntechOpen ISBN 978-953-51-2637-9, ดึงข้อมูลเมื่อ 2024-01-24
  13. ^ Arik, Mehmet และ Stanton Weaver. "การจัดการความร้อนในระดับชิปของแพ็คเกจ LED ความสว่างสูง" การประชุมนานาชาติครั้งที่สี่เกี่ยวกับ Solid State Lightingเล่มที่ 5530 SPIE, 2004
  14. ^ Boteler, L.; Lelis, A.; Berman, M.; Fish, M. (2019). "Thermal Conductivity of Power Semiconductors—When Does It Matter?". 2019 IEEE 7th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA) . IEEE. หน้า 265–271. doi :10.1109/WiPDA46397.2019.8998802. ISBN 978-1-7281-3761-2. รหัส S2CID  211227341
  15. ^ "เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก (TECs) ทำงานอย่างไร". ii-vi.com . สืบค้นเมื่อ2021-11-08 .
  16. ^ BG Yacobi, วัสดุเซมิคอนดักเตอร์: บทนำสู่หลักการพื้นฐาน , Springer 2003 ISBN 0-306-47361-5 , หน้า 1–3 
  17. ^ Dong, Renhao; Han, Peng; Arora, Himani; Ballabio, Marco; Karakus, Melike; Zhang, Zhe; Shekhar, Chandra; Adler, Peter; Petkov, Petko St.; Erbe, Artur; Mannsfeld, Stefan CB (2018). "การขนส่งประจุแบบแถบที่มีความคล่องตัวสูงในกรอบโลหะ-อินทรีย์สองมิติแบบกึ่งตัวนำ" Nature Materials . 17 (11): 1027–1032. Bibcode :2018NatMa..17.1027D. doi :10.1038/s41563-018-0189-z. ISSN  1476-4660. PMID  30323335. S2CID  53027396
  18. ^ Arora, Himani (2020). การขนส่งประจุในวัสดุสองมิติและการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์(PDF)เดรสเดน: Qucosa
  19. ^ Yu, Peter (2010). Fundamentals of Semiconductors . เบอร์ลิน: Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-00709-5-
  20. ^ เช่นเดียวกับสูตร Mott สำหรับการนำไฟฟ้า ดูCutler, M.; Mott, N. (1969). "Observation of Anderson Localization in an Electron Gas". Physical Review . 181 (3): 1336. Bibcode :1969PhRv..181.1336C. ​​doi :10.1103/PhysRev.181.1336.
  21. ^ abc Charles Kittel (1995) บทนำสู่ฟิสิกส์สถานะของแข็ง , ฉบับที่ 7 Wiley , ISBN 0-471-11181-3 
  22. ^ JW Allen (1960). "แกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นสารกึ่งฉนวน" Nature . 187 (4735): 403–05. Bibcode :1960Natur.187..403A. doi :10.1038/187403b0. S2CID  4183332.
  23. ^ Louis Nashelsky, Robert L.Boylestad (2006). Electronic Devices and Circuit Theory (พิมพ์ครั้งที่ 9) อินเดีย: Prentice-Hall of India Private Limited. หน้า 7–10 ISBN 978-81-203-2967-6-
  24. ^ Nave, R. "Doped Semiconductors" . สืบค้นเมื่อ 3 พฤษภาคม 2021 .
  25. ^ Y., Roshni (5 กุมภาพันธ์ 2019). "ความแตกต่างระหว่างสารกึ่งตัวนำแบบแท้จริงและแบบภายนอก" สืบค้นเมื่อ3 พฤษภาคม 2021
  26. ^ "บทเรียน 6: สารกึ่งตัวนำนอกแท้" (PDF) . เก็บถาวรจากแหล่งเดิม(PDF)เมื่อ 28 มกราคม 2023 . สืบค้นเมื่อ28 มกราคม 2023 .
  27. ^ "ปัญหาเซลล์หน่วยทั่วไป" สืบค้นเมื่อ3 พฤษภาคม 2021
  28. ^ Nave, R. “กฎของโอห์ม มุมมองจุลทรรศน์”. เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อ 3 พฤษภาคม 2021 . สืบค้นเมื่อ 3 พฤษภาคม 2021 .
  29. ^ Van Zeghbroeck, Bart (2000). "ความหนาแน่นของพาหะ". เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อ 3 พฤษภาคม 2021 . สืบค้นเมื่อ3 พฤษภาคม 2021 .
  30. ^ "โครงสร้างแบนด์และความ เข้มข้นของตัวพา (Ge)" สืบค้นเมื่อ3 พฤษภาคม 2021
  31. ^ " การเจือปนสาร: เซมิคอนดักเตอร์ n และ p" สืบค้นเมื่อ3 พฤษภาคม 2021
  32. ^ Nave, R. "Silicon and Germanium" . สืบค้นเมื่อ 3 พฤษภาคม 2021 .
  33. ^ Honsberg, Christiana; Bowden, Stuart. "Semiconductor Materials" สืบค้นเมื่อ3 พฤษภาคม 2021
  34. ^ "สารกึ่งตัวนำอะสัณฐาน 1968" (PDF) .
  35. ^ Hulls, K.; McMillan, PW (22 พฤษภาคม 1972). "สารกึ่งตัวนำแบบอะมอร์ฟัส: การทบทวนทฤษฎีปัจจุบัน". Journal of Physics D: Applied Physics . 5 (5): 865–82. doi :10.1088/0022-3727/5/5/205. S2CID  250874071.
  36. ^ "คีรี" (PDF) .
  37. ^ abcdefg มอร์ริส, ปีเตอร์ โรบิน (22 กรกฎาคม 1990). ประวัติศาสตร์ของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์โลก IET ISBN 9780863412271– ผ่านทาง Google Books
  38. ^ ab Lidia Łukasiak & Andrzej Jakubowski (มกราคม 2010). "History of Semiconductors" (PDF) . วารสารโทรคมนาคมและเทคโนโลยีสารสนเทศ : 3. เก็บถาวรจากแหล่งเดิม(PDF)เมื่อ 22 มิถุนายน 2013 . สืบค้นเมื่อ3 สิงหาคม 2012 .
  39. ^ Busch, G (1989). "ประวัติศาสตร์ยุคแรกของฟิสิกส์และเคมีของสารกึ่งตัวนำ-จากข้อสงสัยสู่ข้อเท็จจริงภายในหนึ่งร้อยปี" European Journal of Physics . 10 (4): 254–64. Bibcode :1989EJPh...10..254B. doi :10.1088/0143-0807/10/4/002. S2CID  250888128.
  40. ↑ Überlingen.), Josef Weiss (de (22 กรกฎาคม พ.ศ. 2453) "Experimentelle Beiträge Zur Elektronentheorie Aus dem Gebiet der Thermoelektrizität, Inaugural-Dissertation ... von J. Weiss, ..." Druck- und Verlags-Gesellschaft – ผ่าน Google หนังสือ
  41. ^ "ไทม์ไลน์". The Silicon Engine . พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์. สืบค้นเมื่อ22 สิงหาคม 2019 .
  42. ^ "1901: Semiconductor Rectifiers Patented as "Cat's Whisker" Detectors". The Silicon Engine . พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์. สืบค้นเมื่อ23 สิงหาคม 2019 .
  43. ^ Peter Robin Morris (1990) A History of the World Semiconductor Industry , IET, ISBN 0-86341-227-0 , หน้า 11–25 
  44. ^ "1947: การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัส". The Silicon Engine . พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์. สืบค้นเมื่อ 23 สิงหาคม 2019 .
  45. ^ "1954: Morris Tanenbaum fabricates the first silicon transistor at Bell Labs". The Silicon Engine . พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์. สืบค้นเมื่อ 23 สิงหาคม 2019 .
  46. ^ Moskowitz, Sanford L. (2016). นวัตกรรมวัสดุขั้นสูง: การจัดการเทคโนโลยีระดับโลกในศตวรรษที่ 21. John Wiley & Sons . หน้า 168. ISBN 9780470508923-

อ่านเพิ่มเติม

  • AA Balandin & KL Wang (2006). Handbook of Semiconductor Nanostructures and Nanodevices (ชุด 5 เล่ม)สำนักพิมพ์ American Scientific สำนักพิมพ์ISBN 978-1-58883-073-9-
  • Sze, Simon M. (1981). Physics of Semiconductor Devices (ฉบับที่ 2) . John Wiley and Sons (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4-
  • Turley, Jim (2002). คู่มือสำคัญเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ Prentice Hall PTR. ISBN 978-0-13-046404-0-
  • Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties . Springer. ISBN 978-3-540-41323-3-
  • ซาดาโอะ อาดาจิ (2012). คู่มือเกี่ยวกับค่าคงที่ออปติคอลของสารกึ่งตัวนำ: ในตารางและรูปภาพสำนักพิมพ์ World Scientific Publishing ISBN 978-981-4405-97-3-
  • GB Abdullayev, TD Dzhafarov, S. Torstveit (ผู้แปล) การแพร่กระจายของอะตอมในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ Gordon & Breach Science Pub., 1987 ISBN 978-2-88124-152-9 
  • การบรรยายของ Feynman เกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์
วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์
วิกิคำคมมีคำคมเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Semiconductor&oldid=1250204776"