สารานุกรมไทย
สำหรับเยาวชน เมนู 19
เล่มที่ ๑๙
เรื่องที่ ๑ การจัดการทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม
เรื่องที่ ๒ พืชน้ำมัน
เรื่องที่ ๓ การถนอมผลิตผลการเกษตร
เรื่องที่ ๔ ม้า
เรื่องที่ ๕ แมลง
เรื่องที่ ๖ เครื่องมือทางการแพทย์ที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูง
เรื่องที่ ๗ ศิลปการนับเบื้องต้น
เรื่องที่ ๘ ภูมิปัญญาชาวบ้าน
เรื่องที่ ๙ สารกึ่งตัวนำ
รายชื่อผู้เขียน

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๑๙ / เรื่องที่ ๙ สารกึ่งตัวนำ / สิ่งประดิษฐ์จากสารกึ่งตัวนำ

สิ่งประดิษฐ์จากสารกึ่งตัวนำ
สิ่งประดิษฐ์จากสารกึ่งตัวนำ

ไดโอด

ไดโอดซึ่งทำจากสารกึ่งตัวนำที่มีหัวต่อ PN หนึ่งหัวต่อ ความต้านทานไฟฟ้าของไดโอดนี้ จะมี
  • ค่าสูงในทิศทางย้อน
  • ค่าต่ำในทิศทางตาม
เมื่อป้อนแรงดันไฟสลับให้ไดโอดด้วยคุณสมบัติข้างต้น กระแสไฟฟ้าจะไหลได้ในทิศทางตามเท่านั้น ไดโอดจึงสามารถตัดกระแสไฟฟ้าได้

เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าในทิศทางตาม กระแสไฟฟ้าในทิศทางตาม จะเริ่มไหล ที่ค่าแรงดันไฟฟ้าค่าหนึ่ง เรียกว่า แรงดันแพร่ซึม ซึ่งมีค่าเฉพาะ (เจอเมเนียมมีค่า 0.3 ~ 0.4 โวลต์ ซิลิ คอนมีค่า 0.7 ~ 0.8 โวลต์)

กระแสไฟฟ้าในทิศทางย้อนมีค่า ๑ ส่วนใน ๑๐ ของกระแสไฟฟ้าในทิศทางตาม จึงมีค่าน้อยมาก แต่ไม่ถึงกับเป็นศูนย์ เหตุผลเพราะในเนื้อสารส่วนที่เป็น P ยังมีอิเล็กตรอน และในเนื้อสารส่วนที่เป็น N ยังมีโฮล พาหะเหล่านี้ยังทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ โดยเคลื่อนที่ผ่านจุดบกพร่อง ที่มีอยู่ในข่ายผลึกของอะตอม อุณหภูมิยังมีผลต่อกระแสไฟฟ้าในทิศทางย้อนได้ กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าจะมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับทิศ (สวิชชิ่ง) จาก ทิศทางตามเป็นทิศทางย้อน จะเกิดความช้าในการ เปลี่ยนทิศขึ้น เนื่องจากกว่าที่พาหะในหัวต่อ PN จะหายไปหมดต้องใช้เวลาบ้างนั่นเอง ปรกติ สวิชชิ่งไดโอดจะมีค่าเวลานี้ประมาณ 10-8 ~10-9 วินาที ซึ่งมีค่าที่น้อยมาก



ไดโอดมีหลายชนิดแล้วแต่การใช้งานเฉพาะที่แตกต่างกัน เช่น
  • ซีนเนอร์ไดโอด (ใช้ควบคุมเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้า)
  • วาแรคเตอร์ไดโอด (ใช้ปรับความถี่)
  • ชอตกี้ไดโอด (การสวิตชิ่งที่มีความเร็วสูง) 
นอกจากนี้ยังมีไดโอดที่ใช้งานย่านความถี่ไมโครเวฟ เช่น
  • ทันแนลไดโอด
  • อิมแพทไดโอด (ใช้ในการกำเนิด และขยายสัญญาณไมโครเวฟ)
  • กันน์ไดโอด

โฟโตไดโอด

โฟโตไดโอด คือ สิ่งประดิษฐ์รับแสงที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ จะเปลี่ยนสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า เมื่อแสงตกกระทบอิเล็กตรอน ที่ยึดติดอยู่กับอะตอมในข่ายผลึก จะแตกหลุด เกิดเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และโฮลอิสระขึ้น อิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้ จะเคลื่อนที่เข้าไปในเขตปลอดพาหะ เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าย้อน ด้วยปริมาณที่แปรเปลี่ยน ตามความเข้มแสง เรียกว่า กระแสโฟโต

โฟโตไดโอดใช้ประโยชน์ในงาน
  • วัดความเข้มแสง
  • ชัตเตอร์แสง
  • กำหนดตำแหน่งของเครื่องมือกล
  • การวัดระยะทางไกลด้วยแสงอินฟาเรด
  • ตรวจจับสัญญาณแสงที่ความถี่สูง

โฟโตทรานซิสเตอร์

โฟโตทรานซิสเตอร์ คือ โฟโตไดโอดที่มีการขยายสัญญาณ โดยใช้หัวต่อ PN ที่ประกอบด้วยส่วนที่เป็นเบสและคอลเลคเตอร์ เป็นที่รับแสง กระแสโฟโตที่เกิดขึ้น จะไหลไปอีมิตเตอร์ เนื่องด้วยปรากฏการณ์ทรานซิสเตอร์กระแสอีมิตเตอร์ จะมีขนาดเป็นประมาณ ๕๐๐ เท่าของกระแสโฟโต ที่เกิดขึ้นในตอนแรก เมื่อถูกแสง



โฟโตทรานซิสเตอร์ใช้ประโยชน์ในงาน
  • เครื่องควบคุมแสง
  • ตรวจสอบแผ่นการ์ดหรือเทปเจาะรู
  • ตัวเชื่อมแสงกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์
เซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานเหมือนโฟโตไดโอด เมื่อมีแสงตกกระทบ จะเกิดพาหะอิสระขึ้น ข้อแตกต่างคือ ไม่ต้องป้อนแรงดันไฟฟ้าภายนอกให้กับหัวต่อ PN

อิเล็กตรอนและโฮลจะเกิดขึ้นในเขตปลอดพาหะของหัวต่อ PN สนามไฟฟ้าภายในของเขตปลอดพาหะ จะแยกพาหะไฟฟ้าทั้งสองนี้ไปคนละข้าง เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าไหลสู่วงจรภายนอก เซลล์แสงอาทิตย์จึงทำหน้าที่แปรพลังงานแสงเป็น พลังงานไฟฟ้า

เซลล์แสงอาทิตย์ใช้ประโยชน์ในงาน
  • ผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยประสิทธิภาพ ๑๒% ~ ๕% 
  • วัดความเข้มแสง 
ไดโอดเปล่งแสง (LED)

ไดโอดเปล่งแสง คือ ไดโอดที่เปล่งแสงได้ โดยเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าให้เป็นแสงที่ตามองเห็น หรือให้เป็นแสงอินฟราเรด

L : Light (แสง)
E : Emitting (เปล่ง)
D : ไดโอด

ไดโอดเปล่งแสงทำจากผลึกสารกึ่งตัวนำ ที่มีหัวต่อ PN เมื่อมีการป้อนแรงดันไฟฟ้าตามอิเล็กตรอนในส่วนที่เป็น N และโฮลในส่วนที่เป็น P จะเคลื่อนที่เข้าหารอยต่ออิเล็กตรอนและโฮล จะรวมตัวกัน และปล่อยแสงออกมา ในสภาพการรวมตัวของอิเล็กตรอนอิสระ พลังงานอิสระจะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของแสง

สีของแสงที่เปล่ง จะขึ้นกับชนิดของผลึกสารกึ่งตัวนำ และชนิดของสารเจือปน



นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงินได้ โดยใช้สารประกอบกึ่งตัวนำกลุ่ม II-VI ด้วย

ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์

ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ใช้เป็นตัวขยายสัญญาณไฟฟ้า หรือทำหน้าที่เป็นสวิตช์ การทำงานต้องอาศัยประจุไฟฟ้าสองชนิด คือ อิเล็กตรอนและโฮล จึงเรียกว่า ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์มีโครงสร้าง PNP หรือ NPN ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยหัวต่อ PN จำนวน ๒ หัวต่อ คือ หัวต่อระหว่าง อีมิตเตอร์ - เบส และ เบส - คอลเลคเตอร์

หัวต่อเบส - คอลเลคเตอร์ ถูกไบอัสย้อน ด้วยแรงดัน VCB เกิดกระแสคอลเลคเตอร์ IC ซึ่งมีค่าต่ำไหลในวงจรด้านคอลเลคเตอร์

เมื่อไบอัสตามหัวต่ออีมิตเตอร์ - เบสด้วย แรงดัน VEB อิเล็กตรอนจะถูกฉีดจากอีมิตเตอร์สู่เบส (เรียกว่า กระแสอีมิตเตอร์) อิเล็กตรอนจำนวน หนึ่งจะไหลเป็นกระแสเบส แต่กระแสส่วนใหญ่ ไหลไปถึงหัวต่อเบส - คอลเลคเตอร์ และถูกสนามไฟฟ้า ที่เกิดจากไบอัสย้อนกวาดเข้าไปเป็น กระแสคอลเลคเตอร์ จากลักษณะสมบัติเช่นนี้ จึงเป็นการใช้กระแสเบสค่าน้อย เพื่อควบคุมกระแสคอลเลคเตอร์ที่มีค่าโต เรียกว่า การขยายสัญญาณกระแส

ในกรณีทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ก็ให้คิด คล้ายกันเพียงเปลี่ยนทิศทางของประจุไฟฟ้า

พลานาร์ทรานซิสเตอร์

เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำแบบพลานาร์เป็นกรรมวิธีสำคัญในการสร้างทรานซิสเตอร์ไอซี และสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำชนิดต่างๆ

จุดเด่นของพลานาร์ทรานซิสเตอร์ ได้แก่
  • มีการใช้ขั้นซิลิคอนไดออกไซด์ปิดผิวไว้ ทำให้มีความเชื่อถือได้สูง
  • มีขนาดเล็กจิ๋ว จึงเหมาะกับการใช้งานที่ความถี่สูง
  • แว่นผลึก ๑ แผ่น สามารถนำไปทำสิ่ง ประดิษฐ์ได้มากกว่า ๑๐,๐๐๐ ตัว ทำให้ ราคาการผลิตต่อตัวมีค่าต่ำ


ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแตกต่างจากไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ ที่ใช้การทำงานของพาหะชนิดเดียว อิเล็กตรอนหรือโฮลอย่างหนึ่งอย่างใด จึงเป็นยูนิโพลาร์ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบ่งตามกรรมวิธี การสร้างได้เป็น ๒ ชนิดคือ
  • ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบหัวต่อ
  • ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบหัวต่อ

เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าตรง แก่ปลายทั้งสองของผลึกสารกึ่งตัวนำชนิด N กระแสอิเล็กตรอนจะไหลจากซอสไปเดรน ช่อง (Channel) ที่อิเล็กตรอนไหล จะถูกกำหนดด้วยแรงดันไฟลบ ที่ป้อนให้แก่ส่วน P ที่แพร่ซึมไว้ทั้งสองข้างของช่อง เมื่อแรงดันไฟลบที่เกทมีค่าสูงขึ้น สนามไฟฟ้าจะส่งผลให้เขตปลอดพาหะขยายตัวโตขึ้น บีบให้ช่องไหลของอิเล็กตรอน มีขนาดแคบลง ดังนั้น แรงดันไฟที่เกท จึงสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากซอสไปเดรนได้



ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS (MOSFET)

MOSFET มาจาก

M : Metal (โลหะ)
O : Oxide (ออกไซด์)
S : Semiconductor (สารกึ่งตัวนำ)
F : Field (สนามไฟฟ้า)
E : Effect (ผล)
T : Transistor (ทรานซิสเตอร์)

เป็นทรานซิสเตอร์ที่ใช้หลักการทำงานที่แรงดันเกท ควบคุมสภาพการนำไฟฟ้าที่ชั้นบางๆ ที่บริเวณผิวของผลึกสารกึ่งตัวนำ

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS มีส่วนสำคัญในการพัฒนาไอซีที่มีขนาดใหญ่ (LSI)

ตัวอย่าง


มอสทรานซิสเตอร์ชนิด P ชัลแนล (แบบเอนฮันสเมนท์)

เมื่อแรงดันเกทเป็น ๐ กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลจากซอสไปเดรนได้ เมื่อมีแรงดัน ไฟลบที่เกท อิเล็กตรอนจะถูกกดให้เคลื่อนห่างผิว ในขณะที่โฮลจะถูกดึงให้เคลื่อนใกล้ผิว เกิดเป็นชั้น P บางๆ ที่สามารถนำไฟฟ้าได้ เกิดกระแสไฟฟ้าไหลจากซอส (ชนิด P) ผ่านช่อง (ชนิด P) ไปยังเดรน (ชนิด P) ได้ กระแสไฟฟ้านี้จึงถูกควบคุมปริมาณด้วยแรงดันเกท

การใช้งานด้านไฟฟ้ากำลัง

สารกึ่งตัวนำสามารถนำมาใช้ในงาน เพื่อสร้างเป็นสิ่งประดิษฐ์ด้านไฟฟ้ากำลังได้ เช่น
  • เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ 
  • เพาเวอร์มอสเฟท 
  • ไธรีสเตอร์ 
  • ไธแอค ไดแอค 
เพื่อใช้ควบคุมไฟฟ้าที่กำลังควบคุมมอเตอร์ ใช้ทำเครื่องส่งวิทยุกำลังสูงความถี่สูง ใช้ทำแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากำลัง ฯลฯ

ไอซี


IC : (Integrated Circuits) ทำขึ้นในแว่นผลึกสารกึ่งตัวนำ ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบของวงจร เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บป ระจุ ฯลฯ ที่ต่อเป็นวงจรไว้ จึงเป็นวงจรขนาดจิ๋ว มีความเชื่อถือได้สูงมาก มีราคาต่อชิ้นถูก กินไฟต่ำ และทำงานได้รวดเร็ว

ไอซีแบ่งตามความหนาแน่นขององค์ประกอบวงจรต่อชิ้น คือ
SSI (Small Scale Integration) ไม่เกิน ๑๐๐
MSI (Medium Scale Integration) ๑๐๐ ~ ไม่เกิน ๑,๐๐๐
LSI (Large Scale Integration) ๑,๐๐๐ ~ ไม่เกิน ๑๐๐,๐๐๐
VLSI (Very Large Scale Integration) มากกว่า ๑๐๐,๐๐๐


ไอซีเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นในแว่นผลึกซิลิคอนได้เป็นจำนวนมาก ซึ่งสามารถตัดแยกเป็นชิ้นๆ ได้ เรียกว่า ไอซีชิบ

ไอซีเหล่านี้สามารถใช้งานเป็นวงจรตรรก วงจรจำ ไมโครคอมพิวเตอร์ ไมโครโพรเซสเซอร์ ฯลฯ อุตสาหกรรมผลิตไอซีกลายเป็นอุตสาหกรรม ที่เป็นฐานรองรับความก้าวหน้าเทคโนโลยีด้านต่างๆ มากมาย ตั้งแต่เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ เทคโนโลยีอวกาศ เทคโนโลยีการแพทย์ เทคโนโลยีสาธารณสุข เทคโนโลยีสิ่งแวดล้อม ฯลฯ จึงมีผลกระทบต่อสังคม และมนุษยชาติ ในยุคอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก
หัวข้อก่อนหน้า