สารกึ่งตัวนำเป็นสิ่งเบิกทางไปสู่อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ วัสดุนี้เป็นตัวนำไฟฟ้าที่เกือบจะเป็นฉนวนไฟฟ้าต่างจากโลหะตรง
ที่มีอิเล็กตรอน 2-3 ตัวเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ขณะที่อิเล็กตรอนกระโดดจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งแล้วจะทิ้ง "หลุม"
ซึ่งแสดงตัวเหมือนประจุบวกแต่เคลื่อนที่ ในทิศทางตรงกันข้ามการเติมสารบางอย่างเข้าไปในสารกึ่งตัวนำด้วยกระบวนการ
ที่เรียกว่าการโด๊ป(doping)จะทำให้การนำไฟฟ้าของมันเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างที่มั่นคงนั่นคือการควบคุมอิเล็กตรอนได้ด้วยไฟฟ้า
ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำที่นำไปใช้เป็นส่วนประกอบมาตั้งแต่สมัยเริ่มมีวิทยุปัจจุบันยังคง มีความสำคัญในทาง อิเล็กทรอนิกส์
ต้นทศวรรษ1940มีการค้นพบธาตุหายากอย่างเจอร์มาเนียม(germanium)ซึ่งดูเหมือนจะเป็นความหวังสำหรับเครื่องเรดาร์ตรวจ
หาที่มีคุณภาพดีขึ้นกว่าแต่ก่อนจนกระทั่งปี ค.ศ. 1945จึงได้มีความพยายามที่จะประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำขึ้นเพื่อใช้ขยายสัญญาณ




 
เครื่องรับวิทยุผลึก เวเฟอร์ซิลิคอน
  ผลึกซิลิคอน ล็อกเก็ตซิลิคอน
วัสดุที่มีอยู่มากมาย ธาตุที่เป็นสารกึ่งตัวนำ
ตารางธาตุ   เล็กและเร็ว
ไดโอดซิลิคอน ตัวทำกระแสตรงที่เป็นโลหะ
คาร์บอรันดัม

ผู้เขียน : รศ. ยุทธ อัครมาส
เรียบเรียงจาก : หนังสืออิเลกทรอนิกส์ หน้าที่ 36



เครื่องรับวิทยุผลึก

เครื่องรับวิทยุผลึกที่นิยมกันมากในช่วงทศวรรษ 1920 ได้ชื่อจากการเรียกตามอย่างผลึกสาร
กึ่งตัวนำที่ใช้ทำวิทยุเมื่อเราบิดลวดเส้นเล็กมากขนาดเท่ากับหนวดแมวจะเห็นจุด ๆ หนึ่ง จุดเช่น
นี้บนผลึกที่กระแสทางเดียวผ่านไปได้ทำให้สัญญาณเสียงที่เกาะคลื่นวิทยุไปกระตุ้นให้เกิดเสียงที่
หูฟัง ในทศวรรษ1940 นักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มพยายามทำความเข้าใจกับสิ่งประดิษฐ์ซึ่งพัฒนามา
จากวิธีการลองถูกลองผิดชนิดนี้ว่าทำงานได้ผลดีอย่างไร ผลสำเร็จนี้ได้นำไปสู่การขยายตัว
อย่างมหาศาลของ

 

 



เวเฟอร์ซิลิคอน

เมื่อนำผลึกสารกึ่งตัวนำชิ้นใหญ่มาเฉือนออกและขัดให้เรียบจะได้แผ่นบางหรือเวเฟอร์
ซึ่งเมื่อนำไปเพิ่มเติมส่วนประกอบในระดับจุลภาคทางอิเล็กทรอนิกส์โดยเลือกทางโปให้
เหมาะสมจนได้เป็นวงจรเบ็ดเสร็จสารกึ่งตัวนำที่นิยมใช้กันคือซิลิคอนเนื่องจากมีราคา
ถูกและคงทน


 

 




ผลึกซิลิคอน

ซิลิคอนยังจะเป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุดไปอีกนาน ส่วนที่เหมือนกับเจอร์มาเนียม
คู่แข่งของมันในสมัยแรกๆก็คืออะตอมของซิลิคอนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดอยู่4ตัวแต่ต่างกับเจอร์
มาเนียมตรงที่ซิลิคอนหาได้ง่ายกว่านับว่าเป็นธาตุที่มีมากเป็นลำดับสองในโลกรองจากออกซิเจน
อิเล็กตรอนของมันเคลื่อนที่ได้น้อยกว่าอิเล็กตรอนของเจอร์มาเนียมและมีความไวต่ออุณหภูมิต่ำ
กว่าด้วยผลึกใหญ่ขนาดนี้เกิดขึ้นได้จากการดึง ออกมาจากอ่างหลอมอย่างช้า ๆ

 

 




ล็อกเก็ตซิลิคอน

สมบัติของซิลิคอนเป็นที่รู้กันมาร่วมศตวรรษแล้ว ซิลิคอนชิ้นหนานี้เดิมเป็นชิ้นส่วนของเครื่องตรวจ
หาคลื่นวิทยุแต่ตอนนี้มันถูกนำมาใส่กรอบทำเป็นเครื่องประดับเสียแล้ว มันเคยถูกใช้ในปี ค.ศ. 1910
 บนเรือบรรทุกสินค้าของอังกฤษลำแรกที่ติดตั้งวิทยุชื่อเอส เอส นันซัช (Ss Nonsuch)

 

 




วัสดุที่มีอยู่มากมาย

จุดเริ่มต้นที่มาสำหรับไมโครชิปคือ ทรายซึ่งเป็นสารประกอบของซิลิคอนและออกซิเจนการ
หลอมทรายกับวัสดุอื่นทำให้สกัดสารซิลิคอนออกมาได้แต่การทำผลึกให้มีคุณภาพดีพอสำหรับ
ชิปนั้น จะต้องสกัดซ้ำอีกหลายครั้งจนสิ่งเจือปนลดลงเหลือน้อยกว่าหนึ่งในล้านล้านอะตอม


 

 



ธาตุที่เป็นสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำที่โด๊ปแล้วซิลิคอนโดยตัวมันเองนำกระแสค่อนข้างน้อย เพราะมีอิเล็กตรอน
ไม่กี่ตัวที่มีพลังงานเพียงพอที่จะหนีออกจากอะตอมของมันเองได้อิเล็กตรอนตัวอื่นจะกระโดด
ไปยังหลุมที่ว่างนี้โดยทิ้งหลุมใหม่ไว้ข้างหลังอิเล็กตรอนและหลุมที่เคลื่อนไปต่างก็นำกระแสไป
กันคนละครึ่ง การเติมอะตอมที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัวปนเข้าไปด้วยสัดส่วนหนึ่งจะไปเพิ่ม
ซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีกว่า เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นตัวนำ กระแสเองเกือบทั้งหมดส่วนการเติม
อะตอมที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว นั้นจะไปลดจำนวนอิเล็กตรอนและเพิ่มจำนวนหลุมกลาย
"ชนิดพี (p-type)" โดยมีหลุมเป็นตัวนำกระแสเกือบทั้งหมด


 

 




ตารางธาตุ

ธาตุส่วนใหญ่ในตารางธาตุเป็นโลหะ ธาตุทางด้านขวาของตาราง ประมาณ 20 ชนิดที่เป็น
อโลหะส่วนธาตุสารกึ่งตัวนำจะเรียงอยู่ระหว่างโลหะ กับอโลหะ และมีบางตัวที่เป็นสารกึ่งตัว
นำเฉพาะบางสถานะเท่านั้นนอกจากนี้ยังมีสารประกอบของสารกึ่งตัวนำหลายชนิดซึ่งเกิดขึ้น
จากธาตุ สารกึ่งตัวนำมากกว่า 1 ชนิดขึ้นไป

 

 




เล็กและเร็ว

ไดโอดซิลิคอนขนาดจิ๋วนี้ใช้สำหรับการควบคุมสัญญาณขนาดที่ยิ่งเล็กของมันแสดงถึงการควบคุมสัญญาณ
ที่ความถี่ยิ่งสูงขึ้น


 

 


ไดโอดซิลิคอน

ผลึกซิลิคอนที่มีทั้งชนิดพีและชนิดเอ็นอยู่ชิดกันเกิดเป็นไดโอดที่นำไฟฟ้าในทิศทางเดียวเท่านั้นหลุมรั่วออก
จากบริเวณชนิดพีเข้าไปยังบริเวณชนิดเอ็นและอิเล็กตรอนก็ทำงานตรงกันข้ามสิ่งนี้เป็นเหตุทำให้เกิดการเสีย
ดุลทางไฟฟ้าซึ่งลงท้ายแล้วส่งผลให้อิเล็กตรอนหยุดเคลื่อนที่เมื่อจ่ายความต่างศักย์ เข้าไปทางหนึ่งที่ไปเพิ่ม
การเสียดุล จึงทำให้ไม่มีกระแสไหล แต่เมื่อให้ความต่างศักย์ค่าต่ำๆ เข้าไปอีกทางหนึ่งเพื่อแก้การเสียดุล
กระแสจะผ่านได้ไดโอดขนาดใหญ่ที่แสดงอยู่นี้ทั้งคุ่มีขนาดเท่าตัวจริงใช้สำหรับเครื่องจ่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่ซึ่งต้าน
ความต่างศักย์ กลับทางได้สูงถึง400 โวลต์และทน กระแสได้ถึง 240 แอมแปร์


 

 




ตัวทำกระแสตรงที่เป็นโลหะ

มีการใช้สารกึ่งตัวนำอยู่เช่นกันตลอดยุคของหลอดวิทยุเทอร์มิออนิกสารกึ่งตัวนำที่ทำจาก
ทองแดงยึดติดกับออกไซด์ของทองแดงสามารถนำไฟฟ้าในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทาง
หนึ่งคือไดโอดนั่นเองแผ่นทองแดงออกไซด์ที่เรียงซ้อนกันใช้ในการทำกระแสตรงโดย
เปลี่ยนความต่างศักย์ไฟกระแสสลับของไฟฟ้าในบ้านให้เป็นความต่างศักย์สม่ำเสมอเพื่อ
ใช้กับหลอดวิทยุตัวตรวจหาชนิดหนวดแมวที่ใช้ในวิทยุผลึกเป็นไดโอดทำกระแสตรง
ที่เกิดจากการยึดติดกันระหว่างโลหะและสารกึ่งตัวนำ




คาร์บอรันดัม

เมื่อนำสารที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันคือซิลิคอนกับคาร์บอนรันดัม ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่อง
ตรวจหาคลื่นวิทยุสมัยแรกๆ แต่ปัจจุบันใช้ทำเป็นหินขัดเท่านั้น