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 ๑๐๗ 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