NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 1

1 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

บทท 1 สารกงตวน า

วตถประสงค

1. เขาใจอะตอมของฉนวน ตวน า และสารกงตวน า 2. อธบายสารกงตวน า ชนดตางๆได 3. เขาใจการไบแอส รอยตอ พ-เอน ของสารกงตวน า

1.1 อะตอม วสดทกชนดในโลก เกดจาการรวมตวของอะตอมหลาย ๆ อะตอม (Atom) อะตอม คอ อนภาคขนาดเลกมาก ไมสามารถมองเหนไดดวยตามเปลา โครงสรางของอะตอม ประกอบไปดวย (1) แกนกลาง หรอนวเคลยส (Nuclease) ซงมประจไฟฟาบวก ในนวเคลยสจะประกอบไปดวยอนภาค อก 2 ชนด คอ นวตรอน (Neutron) และโปรตรอน (Proton) ซงมจ านวนเทากน และเทากบจ านวนของอเลกตรอน (2)อเลกตรอน (Electron) ซงโคจรอยรอบ ๆ นวเคลยส อเลกตรอนจะมประจไฟฟาลบอยทตวของมน ดงรปท 1-1

รปท 1-1 อะตอมของวสด

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 2

2 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

1.2 ฉนวน ตวน า และสารกงตวน า ฉนวน (Insulator) หมายถง วสดทมความตานทานไฟฟาสง วสดทมคณสมบตเปนฉนวน คอวสดทอะตอมของมนมอเลกตรอนวงนอกสด จ านวน 8 ตว วสดกลมนจะมแรงยดเหนยวระหวางอะตอมของวสดทแนนหนามาก พลงงานจากภายนอกไมสามารถท าใหอเลกตรอน (Electron) ทง 8 ตว ทเกาะเกยวกนอยหลดออกไปได กระแสไฟฟา (อเลกตรอน) จงไมสามารถไหลผานฉนวนได โครงสรางอะตอมของฉนวนแสดงในรปท 1-2

รปท 1-2 โครงสรางอะตอมของฉนวน รปท 1-3 โครงสรางอะตอมของตวน า

ตวน า (Conductor) หมายถง วสดทมความตานทานไฟฟาต ามาก หรอมคาความน าไฟฟา (Conductor) สงมาก กระแสไฟฟาจะไหลผานวดสตวน าไดด วสดทมคณสมบตเปนตวน า อะตอมของมนจะมอเลกตรอนวงนอกสดนอยทสด คอมเพยง 1 ตว เทานน แรงยดเหนยวระหวางอะตอม ของมนจงต ามาก พลงงานจากภายนอกเพยงเลกนอย จะท า ใหอเลกตรอนวงนอกสด หลดออกมาจากการเกาะเกยว ท าใหเกดกระแสไฟฟาไหลได โดยงาย โครงสรางอะตอมของตวน าแสดงในรปท 1-3 สารกงตวน า (Semiconductor) หมายถง วสดทมคณสมบตกงฉนวน และกงตวน า แสดงวามอเลกตรอนวงนอกสด (Valance Electron) จ านวน 4 ตว จงมแรงยดเหนยวระหวางอะตอมปานกลาง เมอมพลงงานไฟฟาจ านวนหนง จายใหกบมนในขวทถกตอง มนจะน ากระแสได (เปนตวน า) และหากจายไฟฟาในขวทกลบกน มนจะไมน าไฟฟา (เปนฉนวน)

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 3

3 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

โครงสรางอะตอมของวสดทเปนสารกงตวน าแสดงในรปท 1-4 สารกงตวน าทนยมใชกนอยางแพรหลาย เชน ซลคอน (Silicon) และเยอรมาเนยม (Germanium) เปนตน

รปท 1-4 โครงสรางอะตอมของสารกงตวน า

1.3 สารกงตวน าซลคอน (Silicon Semiconductor) ซลคอน อะตอม (Silicon Atom ; Si) เปนอะตอมของสารกงตวน าชนดหนงทส าคญและน ามาใชสรางเปนอปกรณสารกงตวน าเกอบทกชนด อะตอมของซลคอนจะมอเลกตรอน วงนอกสด จ านวน 4 ตว แตละอะตอมจะแบงปนการเกาะเกยวกน กบซลคอนอะตอมอน ๆ ท าใหเกดแถบยดเหนยว (Bond) ในแนวตง และแนวนอน ท าใหวสดสารกงตวน ารวมกนเปนชน หรอเปนผลกได ดงรปท 1-6 สวนภาพ 1-5 แสดงการเกาะเกยวกนของอะตอม ซลคอน บรสทธ (Intrinsic Silicon)

รปท 1-5 แสดงการเกาะเกยวกนของ รปท 1-6 แสดงโครงสรางอะตอมของ

อเลกตรอนวงนอกสดของอะตอมซลคอน ผลกซลคอนบรสทธ

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 4

4 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

เมอมพลงงานจากภายนอก เชน ไฟฟา ความรอน หรอพลงงานจากแสงอาทตย (พลงงานเหลานสงคลนแมเหลกไฟฟาออกมา) มากระทบตอสารกงตวน า หากพลงงานมคามากกวาแรงยดเหนยวของอเลกตรอนวงนอกสดของอะตอมซลคอน จะท าใหอเลกตรอนหลดออกมา เรยกวา อเลกตรอนอสระ (Free Electron) ซงคอกระแสไฟฟา มประจดเปนลบ(-) และต าแหนงทมนหลดออกมาจะเกดชองวาง หรอโฮล (Hole) มประจไฟฟาเปนบวก (+) ดงรปท 1-7

รปท 1-7 การเกดอเลกตรอนอสระ และโฮลในสารกงตวน าซลคอน

1-3-1 สารกงตวน าชนดเอน (N-type Semiconductor) เมอน าสารกงตวน าบรสทธ มาเตมดวยธาตชนดอนทมอะตอมตางกนเขามา เรยกวาการโดป (Doping) จะเปลยนคณสมบตทางไฟฟาของสารกงตวน าบรสทธ ใหเปนสารกงตวน าชนด เอน หรอสารกงตานชนดพ (P-type Semiconductor) อะตอมของฟอสฟอรส (Phosphorus Atom : P) ฟอสฟอรสเปนธาตล าดบท 15 ในตารางธาต มจ านวนอเลกตรอนวงนอกสด 5 ตว เมอน าฟอสฟอรส 1 อะตอม ไปเตมลงในผลกซลคอนบรสทธ จะเกดอเลกตรอนสวนเกนมา 1 ตว และหาเตมอะตอมฟอสฟอรสเขาไป 7 ตวจะท าใหเกดอเลกตรอนสวนเกน 7 ตว ดงรปท 1-8

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 5

5 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

รปท 1-8 การเตมอะตอมของฟอสฟอรสเขาไปในผลกซลคอน

สารกงตวน าชนด -เอน จะมป ร ะ จ พ า ห ะ ข า ง ม า ก เ ป น ล บ (Majority charge carriers are negative) และมประจพาหะขางนอยเปนโฮล ภาพทเขยนแทนสารกงตวน าชนดเอนแสดงในรปท 1-9

รปท 1-9 สารกงตวน าชนด-เอน

1-3-2 สารกงตวน าชนด-พ (P-Type Semiconductor) อะตอมของโบรอน (Boron Atom ; B) โบรอน (B) คอ ธาตทอยในล าดบท 5 ในตารางธาต เปนธาตทมอเลกตรอนวงนอกสดจ านวน 3 ตว และเมอเตมโบรอน 1 อะตอมเขาไปในซลคอนบรสทธ จะท าใหเกดชองวาง หรอ โฮล 1 ต าแหนง โฮลนจะมประจไฟฟาบวก (+) ดงแสดงในรปท 1 – 10

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 6

6 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

รปท 1-10 อะตอมของโบรอนเตมในสารซลคอนบรสทธ

รปท 1-11 สารกงตวน าซลคอนชนด-พ

เ ม อ เ ต ม อ ะตอมของ โบรอน จ านวนมาก ๆ จะท าใหสารกงตวน าบรสทธกลายเปนสารก งตวน าชนด-พ ภายในสารกงตวน าชนด-พ จะมประจขางมากเปนบวก (+) เพราะมโฮล จ านวนมากนนเอง รปของผลกสารกงตวน าชนด-พ (ซลคอน) แสดงในรปท 1-11

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 7

7 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

1.4 สารกงตวน า พ-เอน และการไบแอส 1-4-1 รอยตอ พ-เอน (P-N Junction) คอ การน าสารกงตวน าชนด – พ มาตอกบสารกงตวน าชนด-เอน เมอเกดการตอกนจะเกดปรากฏการณตามล าดบดงน เกดการเคลอนทของอเลกตรอน จากสาร-เอน บรเวณใกล

รอยตอ ขามรอยตอไปจบกบโฮลในสาร-พ ท าใหอเลกตรอนจบคกบโฮล ท าใหเกดสภาวะเปนกลาง คอ ไมมประจไฟฟาบรเวณรอยตอ พ-เอน เพราะไมมประจไฟฟาบวก หรอ ลบ อยเลย เราเรยกวาบรเวณปลอดพาหะ (Depletion Layer) รอยตอดานสาร-พ จะสญเสยโฮลไป จงเกดศกดาไฟฟาลบ สวนทางสาร-เอน สญเสยอเลกตรอนไป จงเกดศกดาไฟฟาบวก จงท าใหเกดแรงดนไฟฟาตาครอมรอยตอ พ -เอน ของสารกงตวน าชนดซลคอน (Junction Voltage) มคาประมาณ 0.6 V ดงแสดงในรปท 1-12 รปท 1-12 รอยตอของสารกงตวน า พ-เอน และการเกดบรเวณปลอดพาหะและแรงดนตกครอมรอยตอ

พ-เอน

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 8

8 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

1-4-2 การไบแอส (Bias) การไบแอส ใหรอยตอ พ-เอน ท าได 2 วธ คอ การใหไบแอสตรง (Forward Bias) และการใหไบแอสกลบ (Reverse Bias) การไบแอส หมายถง การปอนแรงดนไฟฟาเขาทสารกงตวน าชนดพและเอน การไบแอสกลบ คอ การจายแรงดนไฟฟาขวบวก (+) เขาทสารกงตวน าชนดเอน (N-type to positive) และจายขวลบ (-) ของแหลงจายไฟฟาเขาทสารกงตวน าชนดพ (P-type to negative) เมอตอไบแอสกลบใหกบรอยตอ พ-เอน จะท าใหบรเวณปลอดพาหะกวางมากขน จะมกระแสไฟฟาไหลเขารอยตอได เปรยบเหมอนสภาวะทรอยตอ พ-เอน ท างานคลายฉนวน “สรปไดวา เมอรอยตอ พ-เอน ไดรบไบแอสกลบจะไมมกระแสไฟฟาไหลผานตวมน” แตในทางปฏบตจะมกระแสรวไหล (Leakage Current) ไหลผานจ านวนนอยมาก มคาเพยง ไมโครแอมแปรเทานน ดงแสดงในรปท 1-13

รปท 1-13 การไบแอสกลบรอยตอ พ-เอน

การไบแอสตรง คอการจายไฟฟาขวบวก (+) ใหกบสารกงตวน าชนดพ และแหลงตอขวลบ (-) ใหกบสารกงตวน าชนดเอน จะท าใหอเลกตรอนทมอยจ านวนมาก (Majority) ในชนสารกงตวน าชนด-เอน เคลอนทขามรอยตอทนท เกดกระแสไฟฟาจ านวนมากไหลผานรอยตอ พ-เอน ได อยางไรกตามยงคงมแรงดนตกครอมรอยตอประมาณ 0.6 V เมอมกระแสไหลผานรอยตอ พ-เอน ดงรปท 1-14 ใหซลคอน อะตอม (Silicon Atom ; Si - atom) เปนอะตอมของสารกงตวน าชนดหนงทส าคญและน ามาใชสรางเปนอปกรณสารกงตวน าเกอบทกชนด อะตอมของซลคอมจะม

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 9

9 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

รปท 1-14 การไบแอสตรง ทรอยตอ พ-เอน

-----------------------------------------------------------------------------------------

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 10

10 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

แบบฝกหดเรอง สารกงตวน า

จงเลอกค าตอบทถกตองทสดเพยงค าตอบเดยว 1. อะตอมของซลคอน มอเลกตรอนวงนอกสดกตว

ก. 2 ตว ข. 3 ตว ค. 4 ตว ง. 5 ตว

2. สารกงตวน าซลคอนชนด พ เกดจากการเตมสารชนดใดเขาไปในผลกซลคอน

ก. โบรอน ข. แคลเซยม ค. ฟอสฟอรส ง. โปรแตสเซยม

3. เมอส าสารกงตวน าชนด พ-เอน มาตอกนจะเกดสงใดกอน

ก. บรเวณปลอดพาหะ ข. ไดโอด ค. แรงดนตาครอม 0.6V ง. กระแสไมไหลผานรอยตอ

4. วสดทเปนตวน า จะมจ านวนของอเลกตรอนวงนอกสดกตว

ก. 8 ตว ข. 4 ตว ค. 2 ตว ง. 1 ตว

5. ขอใดกลาวถกตอง เรอง สารกงตวน า

ก. สารทมคณสมบตเปนตวน า

ข. สารทมคณสมบตเปนตวน าและเปนฉนวนกได

ค. สารทมคณสมบตดกวาฉนวน

ง. สารทมคณสมบตดกวาตวน า

6. โฮล ในสารกงตวน าจะมประจไฟฟาเปน

ก. ลบ ข. บวก ค. กลาง ง. บวก – ลบ

NAPAT WATJANATEPIN ELWE(THAILAND) หนา 11

11 วชา อปกรณอเลกทรอนกส บทท 1

รหสวชา 2104 – 2205

7. อเลกตรอนในสารกงตวน าจะเคลอนทไปไดดวยสาเหตใด

ก. ไดรบความรอน ข.ไดรบแสงสวาง

ค. ไดรบความเยน ง. ขอ ก. และขอ ข. ถก

8. ขอใดคอสารกงตวน าชนดเอน

ก. มโฮลจ านวนมาก ข. มจ านวนอเลกตรอนมาก ค. มจ านวนโฮลเทากบอเลกตรอน ง. มประจไฟฟาทรอยตอ 0.6V

9. ขอใดกลาวถง สารกงตวน า ไมถกตอง

ก. มแรงดนตกครอมรอยตอ 0.6 V

ข. มอเลกตรอนวงนอกสด 3 ตว

ค. เมอไบแอสตรง บรเวณปลอดพาหะ

จะแคบลง

ง. เมอไบแอสกลบ บรเวณปลอดพาหะ

จะกวางขน

10. การไบแอสตรง ใหกบรอยตอ พ-เอน หมายถงขอใด

ก. มแรงดนตกครอมรอยตอ 0.6 V

ข. สารพ ได แรงดนบวก สาร เอน ไดแรงดนลบ

ค. เมอไบแอสตรง บรเวณปลอดพาหะจะกวางขน

ง. ขอ ก และ ข ถกตอง