อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำจากวัสดุที่ไม่ใช่ตัวนำที่ดีหรือฉนวนที่ดี อุปกรณ์ดังกล่าวพบการใช้งานที่หลากหลายเนื่องจากความกะทัดรัดความน่าเชื่อถือและต้นทุนต่ำ ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่องพวกเขาพบว่ามีการใช้งานในอุปกรณ์ไฟฟ้าเซ็นเซอร์ออพติคัลและตัวปล่อยแสงรวมถึงเลเซอร์โซลิดสเตต พวกเขามีความสามารถในการจัดการกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่หลากหลายด้วยการจัดอันดับปัจจุบันจากนาโนนาโน (10 −9)แอมแปร์) มากกว่า 5,000 แอมแปร์และพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่ขยายได้มากกว่า 100,000 โวลต์ ที่สำคัญกว่านั้นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ให้ยืมตัวเองเพื่อรวมเข้ากับวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน แต่สามารถผลิตได้ง่าย พวกเขากำลังและจะเป็นในอนาคตอันใกล้นี้องค์ประกอบที่สำคัญสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่รวมถึงการสื่อสารผู้บริโภคการประมวลผลข้อมูลและอุปกรณ์ควบคุมอุตสาหกรรม
หลักการเซมิคอนดักเตอร์และทางแยก
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์
วัสดุโซลิดสเตตแบ่งออกเป็นสามประเภท: ฉนวน, เซมิคอนดักเตอร์และตัวนำ (ที่อุณหภูมิต่ำตัวนำตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนอาจกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด) รูปที่ 1 แสดงตัวนำไฟฟ้าσ (และความต้านทานที่สอดคล้องกันρ = 1 / σ) ที่เกี่ยวข้องกับวัสดุสำคัญบางอย่างในแต่ละชั้นเรียน อินซูเลเตอร์เช่นควอทซ์ผสมและกระจกมีการนำต่ำมากในลำดับที่ 10 -18ถึง 10 -10ซีเมนส์ต่อเซนติเมตร; และตัวนำเช่นอลูมิเนียมมีความนำไฟฟ้าสูงโดยทั่วไปจาก 10 4ถึง 10 6ซีเมนส์ต่อเซนติเมตร ตัวนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์อยู่ระหว่างสุดขั้วเหล่านี้
การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปมีความไวต่ออุณหภูมิการส่องสว่างสนามแม่เหล็กและอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์จำนวนนาที ตัวอย่างเช่นการเติมสิ่งเจือปนน้อยกว่า 0.01 เปอร์เซ็นต์สามารถเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ได้โดยคำสั่งขนาดสี่หรือมากกว่านั้น (เช่น 10,000 ครั้ง) ช่วงการนำไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์สำหรับสารกึ่งตัวนำทั่วไปห้าตัวได้รับในรูปที่ 1
การศึกษาวัสดุสารกึ่งตัวนำเริ่มต้นขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีการตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก ตารางแสดงส่วนของตารางธาตุที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์ องค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์เป็นองค์ประกอบที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวเช่นซิลิกอน (Si), เจอร์เมเนียม (Ge), และดีบุกสีเทา (Sn) ในคอลัมน์ที่สี่และซีลีเนียม (Se) และเทลเลียม (Te) ในคอลัมน์ VI อย่างไรก็ตามมีเซมิคอนดักเตอร์สารประกอบจำนวนมากที่ประกอบด้วยสององค์ประกอบขึ้นไป ตัวอย่างเช่น Gallium arsenide (GaAs) เป็นสารประกอบไบนารี III-V ซึ่งเป็นการรวมกันของแกลเลียม (Ga) จากคอลัมน์ที่สามและสารหนู (เป็น) จากคอลัมน์ V
ส่วนของตารางธาตุที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์
| ระยะเวลา | คอลัมน์ | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| ครั้งที่สอง | สาม | IV | V | พระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว | |
| 2 | โบรอน
B |
คาร์บอน
C. |
ไนโตรเจน
N |
||
| 3 | แมกนีเซียม
Mg |
อลูมิเนียม
อัล |
ซิลิกอน
ศรี |
ฟอสฟอรัส
P |
กำมะถัน
S |
| 4 | สังกะสี
สังกะสี |
แกลเลียม
Ga |
เจอร์เมเนียม
Ge |
สารหนู
เป็น |
ซีลีเนียม
Se |
| 5 | แคดเมียม
Cd |
อินเดียม
ใน |
ดีบุก
Sn |
พลวง
Sb |
เทลลูเรียม
เต |
| 6 | ปรอท
ปรอท |
ตะกั่ว
Pb |
|||
สารประกอบที่ประกอบขึ้นด้วยธาตุสามารถเกิดขึ้นได้จากสามคอลัมน์ที่แตกต่างกันเช่นอินดัสเทรียมปรอท (HgIn 2 Te 4) สารประกอบ II-III-VI พวกเขายังสามารถเกิดขึ้นได้จากองค์ประกอบจากสองคอลัมน์เช่นอลูมิเนียมแกลเลียม arsenide (Al x Ga 1 - x As) ซึ่งเป็นสารประกอบที่ประกอบไปด้วย III-V ซึ่งทั้ง Al และ Ga มาจากคอลัมน์ที่สามและตัวห้อย x สัมพันธ์กัน ไปยังองค์ประกอบขององค์ประกอบทั้งสองจาก 100 เปอร์เซ็นต์ Al (x = 1) ถึง 100 เปอร์เซ็นต์ Ga (x = 0) ซิลิกอนบริสุทธิ์เป็นวัสดุที่สำคัญที่สุดสำหรับการใช้งานวงจรรวมและสารประกอบ III-V ไบนารีและสารประกอบสามส่วนมีความสำคัญมากที่สุดสำหรับการปล่อยแสง
ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์สองขั้วในปี 1947 เซมิคอนดักเตอร์ถูกใช้เป็นอุปกรณ์สองขั้วเท่านั้นเช่นวงจรเรียงกระแสและโฟโตไดโอด ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำที่สำคัญ อย่างไรก็ตามมันพิสูจน์แล้วว่าไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานหลายอย่างเนื่องจากอุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุมีกระแสรั่วไหลสูงที่อุณหภูมิสูงขึ้นเพียงปานกลาง ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1960 ซิลิคอนได้กลายเป็นสิ่งทดแทนที่ใช้ในทางปฏิบัติได้จริงโดยแทนที่เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เหตุผลหลักสำหรับเรื่องนี้คือสองเท่า: (1) อุปกรณ์ซิลิกอนมีกระแสการรั่วไหลที่ต่ำกว่ามากและ (2) ซิลิคอนไดออกไซด์ที่มีคุณภาพสูง (SiO 2) ซึ่งเป็นฉนวนนั้นง่ายต่อการผลิต ปัจจุบันเทคโนโลยีซิลิคอนเป็นเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าที่สุดในบรรดาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดและอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนมีส่วนประกอบของสารกึ่งตัวนำมากกว่า 95% ที่จำหน่ายทั่วโลก
สารกึ่งตัวนำสารประกอบหลายตัวมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางแสงที่ไม่มีอยู่ในซิลิคอน เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้โดยเฉพาะแกลเลียมอาร์เซไนด์ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการใช้งานความเร็วสูงและออปโตอิเล็กทรอนิกส์
