สารกึ่งตัวนำ — ชนิด P, ชนิด N และรอยต่อ PN

สารกึ่งตัวนำคือวัสดุที่สามารถออกแบบการนำไฟฟ้าได้ ในซิลิคอน สารเจือผู้ให้ทำให้เกิดวัสดุ ชนิด n ที่มีอิเล็กตรอนเป็นพาหะส่วนใหญ่ สารเจือผู้รับทำให้เกิดวัสดุ ชนิด p ที่มีโฮลเป็นพาหะส่วนใหญ่ และเมื่อนำทั้งสองมารวมกันจะเกิด รอยต่อ PN ที่นำกระแสได้ง่ายกว่ามากเมื่อไบอัสตรงมากกว่าเมื่อไบอัสกลับ

แนวคิดเดียวนี้อธิบายอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานได้มากมาย ไดโอด LED เซลล์แสงอาทิตย์ และโครงสร้างทรานซิสเตอร์จำนวนมาก ล้วนขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของพาหะในบริเวณสารกึ่งตัวนำที่ผ่านการโดป

สารกึ่งตัวนำคืออะไร

ในภาพแบบแถบพลังงานอย่างง่าย สารกึ่งตัวนำมีแถบเวเลนซ์ที่เต็ม แถบนำไฟฟ้าที่เกือบว่าง และมีแบนด์แกปที่เล็กพอให้พฤติกรรมของพาหะเปลี่ยนแปลงได้ภายใต้สภาวะการทำงานของอุปกรณ์ทั่วไป ซิลิคอนบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิห้องมีพาหะเคลื่อนที่ได้อยู่บ้าง แต่มีน้อยกว่าโลหะมาก

ดังนั้นคำถามสำคัญจึงไม่ใช่แค่ว่า “มันนำไฟฟ้าหรือไม่?” คำถามที่มีประโยชน์กว่าคือ “อะไรทำให้จำนวนและการเคลื่อนที่ของพาหะประจุเปลี่ยนไป?” ในสารกึ่งตัวนำ คำตอบมักเป็นการโดป สนามไฟฟ้า อุณหภูมิ หรือแสง

สารกึ่งตัวนำชนิด P กับชนิด N

วัสดุสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์มักเรียกว่า intrinsic เมื่อคุณเติมอะตอมสิ่งเจือปนในปริมาณเล็กน้อยอย่างตั้งใจ คุณจะได้สารกึ่งตัวนำแบบ extrinsic

ในซิลิคอน สารเจือผู้ให้ เช่น ฟอสฟอรัส สามารถให้อิเล็กตรอนที่ยึดเหนี่ยวอย่างหลวมเพิ่มมาอีกหนึ่งตัว สิ่งนี้ทำให้เกิดวัสดุ ชนิด n ซึ่งอิเล็กตรอนเป็นพาหะส่วนใหญ่

สารเจือผู้รับ เช่น โบรอน ทำให้ผลึกขาดอิเล็กตรอนสำหรับพันธะไปหนึ่งตัวในภาพการเกิดพันธะอย่างง่าย สิ่งนี้ทำให้เกิดวัสดุ ชนิด p ซึ่งโฮลเป็นพาหะส่วนใหญ่

โฮลไม่ใช่โปรตอน และไม่ใช่อนุภาคมูลฐานแยกต่างหาก มันเป็นวิธีที่สะดวกในการติดตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่หายไปในชุดสถานะที่เกือบเต็ม ในหลายปัญหา การมองโฮลเป็นพาหะเคลื่อนที่ที่มีประจุบวกจะช่วยให้ตามฟิสิกส์ได้ง่ายขึ้นมาก

การโดปเปลี่ยนการนำไฟฟ้าอย่างไร

การโดปเปลี่ยนว่าพาหะชนิดใดเคลื่อนที่ได้ง่ายที่สุด ในวัสดุชนิด n มีอิเล็กตรอนสำหรับการนำไฟฟ้ามากกว่าซิลิคอนแท้อย่างมาก ในวัสดุชนิด p การเคลื่อนที่ของโฮลจะกลายเป็นส่วนหลักของการนำไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ผลึกยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยรวม ประเด็นนี้สำคัญมาก ชนิด p ไม่ได้หมายความว่าของแข็งทั้งก้อนมีประจุบวกสุทธิ และชนิด n ก็ไม่ได้หมายความว่ามีประจุลบสุทธิ

รอยต่อ PN เกิดขึ้นได้อย่างไร

เมื่อบริเวณชนิด p และชนิด n ถูกนำมาต่อกัน พาหะจะไม่แยกจากกันอย่างสมบูรณ์ อิเล็กตรอนใกล้รอยต่อจะแพร่จากด้าน n ไปยังด้าน p และโฮลจะแพร่จากด้าน p ไปยังด้าน n

ใกล้ขอบเขตนั้น พาหะจำนวนมากจะรวมตัวกันใหม่ ผลที่ตามมาคือเหลือสารเจือที่แตกตัวเป็นไอออนและตรึงอยู่กับที่ ได้แก่ ไอออนผู้ให้ที่มีประจุบวกบริเวณขอบด้าน n และไอออนผู้รับที่มีประจุลบบริเวณขอบด้าน p

บริเวณนี้เรียกว่า บริเวณพร่องพาหะ เพราะมันพร่องพาหะเคลื่อนที่ได้ส่วนใหญ่ออกไป ไม่ได้หมายความว่าสสารหายไป ประจุที่ถูกเปิดเผยเหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าภายในและกำแพงศักย์ในตัวที่ต้านการแพร่ต่อไป

กำแพงศักย์ที่ก่อตัวขึ้นเองนี้คือกุญแจสำคัญของพฤติกรรมไดโอด การอธิบายไบอัสตรงหรือไบอัสกลับใด ๆ ต้องติดตามว่าเกิดอะไรขึ้นกับกำแพงศักย์นี้

ตัวอย่างคำนวณ: ไบอัสตรงกับไบอัสกลับในไดโอดซิลิคอน

พิจารณาไดโอดซิลิคอนอย่างง่ายที่สร้างจากบริเวณชนิด p หนึ่งด้านและบริเวณชนิด n หนึ่งด้าน

กรณีที่ 1: ไม่มีแบตเตอรี่ภายนอก

ทันทีที่รอยต่อก่อตัว การแพร่และการรวมตัวใหม่จะสร้างบริเวณพร่องพาหะ สนามไฟฟ้าในตัวจะผลักต้านการแพร่ของพาหะต่อไป ทำให้รอยต่อเข้าสู่สมดุล

กรณีที่ 2: ไบอัสตรง

ตอนนี้ต่อด้าน p เข้ากับขั้วบวกของแบตเตอรี่ และต่อด้าน n เข้ากับขั้วลบ นี่คือ ไบอัสตรง

ภายใต้เงื่อนไขนี้ สนามไฟฟ้าภายนอกจะลดกำแพงศักย์เชิงผลที่รอยต่อ บริเวณพร่องพาหะจะแคบลง และพาหะส่วนใหญ่สามารถข้ามรอยต่อได้ง่ายขึ้น ดังนั้นกระแสจึงเพิ่มขึ้นได้มาก

กรณีที่ 3: ไบอัสกลับ

สลับแบตเตอรี่ให้ด้าน p เป็นลบและด้าน n เป็นบวก นี่คือ ไบอัสกลับ

ตอนนี้สนามไฟฟ้าภายนอกจะเพิ่มกำแพงศักย์และทำให้บริเวณพร่องพาหะกว้างขึ้น พาหะส่วนใหญ่จะถูกดึงออกจากรอยต่อ ดังนั้นการนำกระแสตามปกติจึงยังมีค่าน้อย รอยต่อจริงยังคงมีกระแสรั่วขณะไบอัสกลับอยู่บ้าง และแรงดันไบอัสกลับที่สูงมากอาจทำให้เกิดการพังทลายได้ ดังนั้นภาพว่า “ไม่มีกระแสเลย” จึงไม่ถูกต้อง

นี่คือแนวคิดหลักของไดโอดในตัวอย่างเดียว รอยต่อไม่ใช่วาล์วกลทางเดียว แต่มันคือระบบของพาหะและสนามไฟฟ้าที่มีกำแพงศักย์เปลี่ยนไปตามไบอัสที่ป้อนเข้า

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในโจทย์สารกึ่งตัวนำ

• บอกว่าวัสดุชนิด p มีประจุบวกโดยรวม ทั้งที่จริงแล้วยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยรวม
• มองโฮลเป็นอนุภาคประจุบวกจริง ๆ เหมือนโปรตอน ทั้งที่มันเป็นแบบจำลองของพฤติกรรมอิเล็กตรอนที่หายไป
• คิดว่าบริเวณพร่องพาหะคือที่ว่างเปล่า ทั้งที่จริงแล้วมันเป็นบริเวณที่มีพาหะเคลื่อนที่ได้น้อยมากและมีสารเจือที่แตกตัวเป็นไอออนตรึงอยู่จำนวนมาก
• สมมติว่าไบอัสกลับหมายถึงกระแสเป็นศูนย์พอดี อุปกรณ์จริงมักมีกระแสรั่วเล็กน้อย และแรงดันไบอัสกลับที่สูงพอสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมได้อย่างสิ้นเชิง
• ท่องจำว่า “ไบอัสตรงดี ไบอัสกลับไม่ดี” โดยไม่ติดตามว่าเกิดอะไรขึ้นกับกำแพงศักย์และการเคลื่อนที่ของพาหะ

รอยต่อ PN และสารกึ่งตัวนำถูกใช้ที่ไหน

สารกึ่งตัวนำปรากฏอยู่ทุกที่ที่อุปกรณ์ต้องการพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่ควบคุมได้ แทนที่จะเป็นเพียงการนำไฟฟ้าแบบโลหะธรรมดา รอยต่อ PN เป็นพื้นฐานของไดโอดเรียงกระแส LED โฟโตไดโอด เซลล์แสงอาทิตย์ และส่วนสำคัญจำนวนมากของการออกแบบทรานซิสเตอร์

เมื่อเข้าใจชนิด p ชนิด n และบริเวณพร่องพาหะแล้ว แนวคิดทางอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากจะลึกลับน้อยลง ทรานซิสเตอร์จะไม่ใช่แค่สัญลักษณ์ในวงจรอีกต่อไป แต่มันคือโครงสร้างที่ควบคุมการไหลของพาหะด้วยการจัดรูปบริเวณสารกึ่งตัวนำและสนามไฟฟ้า

ลองกรณีที่คล้ายกัน

ลองทำเวอร์ชันของคุณเองกับ LED หรือเซลล์แสงอาทิตย์ ตั้งคำถามเดิมตามลำดับนี้: พาหะส่วนใหญ่อยู่ที่ไหน มีสนามอะไรที่รอยต่อ และอะไรเปลี่ยนไปเมื่อคุณใช้ไบอัสตรง ไบอัสกลับ หรือแสง