สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor)

สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) คือวัสดุที่มีความกว้างของช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (energy gap) อยู่ระหว่างสารนำไฟฟ้า (conductor) กับฉนวน (insulator) สารกึ่งตัวนำจะไม่นำไฟฟ้าในสภาวะปกติแต่สามารถนำไฟฟ้าได้เมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยแสง ไฟฟ้า หรือความร้อนที่มีพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าช่องว่างระหว่างแถบพลังงานอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ ที่ได้รับพลังงานกระตุ้นจะหลุดจากโครงสร้างอะตอมข้ามช่องว่างระหว่างแถบพลังงานขึ้นไปอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) ที่มีระดับพลังงานสูงกว่า และสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทำให้เกิดสภาพนำไฟฟ้าได้ ธาตุที่มีสมบัติดังกล่าว ได้แก่ ซิลิคอน (Si) และเจอร์มาเนียม (Ge) ซึ่งใช้เป็นวัสดุหลักในชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

(ที่มา : https://wallstmavens.com/sites/default/files/field/image/shutterstock_161554664.jpg)

ชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตจากสารกึ่งตัวนำซิลิกอน 

สภาพนำภายใน (intrinsic conductivitiy)

สภาพนำภายในเป็นสมบัติของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (intrinsic semiconductor) ที่ประกอบด้วยโครงสร้างอะตอมของธาตุชนิดเดียวที่สามารถนำไฟฟ้าได้ด้วยตัวเอง เมื่อถูกกระตุ้นด้วยพลังงานความร้อนหรือกระแสไฟฟ้า โดยอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ (valence band) จะหลุดจากโครงสร้างอะตอม ข้ามช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน  ขึ้นไปอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) และสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ในขณะเดียวกันแถบ     วาเลนซ์ที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะเกิดหลุม (hole) ที่สามารถรับอิเล็กตรอนจากอะตอมข้างเคียงต่อเนื่องกันไปได้อย่างอิสระเสมือนว่าหลุมเคลื่อนที่ได้ในแถบวาเลนซ์ สารกึ่งตัวนำประเภทนี้มีสภาพการนำไฟฟ้าไม่ดีนักแต่จะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นเมื่อได้รับพลังงานกระตุ้นมากขึ้น

โครงสร้างผลึกซิลิคอนที่มีสภาพนําภายใน เมื่อได้รับการกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้า จะเกิดการนําไฟฟ้าผ่าน
ตัวนําประจุ 2 ชนิดคืออิเล็กตรอนในแถบนําไฟฟ้าและหลุมในแถบวาเลนซ์

โครงสร้างผลึกของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (pure silicon) สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (n-type silicon) ซึ่งเกิดจากการเจืออะตอมของธาตุฟอสฟอรัส (P) และสารกึ่งตัวนำชนิดพี (p-type silicon) ซึ่งเกิดจากการเจืออะตอมของธาตุโบรอน (B) ลงในโครงสร้างผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์

สภาพนำภายนอก (Extrinsic conductivity)

สภาพนำภายนอกเป็น สมบัติการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (intrinsic semiconductor) ที่ปรับปรุงโดยการเจือ (dope) อะตอมของธาตุเจือปนที่มีโครงสร้างอิเล็กตรอนต่างกันลงไปในโครงสร้างผลึกบริสุทธิ์แบ่งเป็น 2 กรณี ได้แก่

1. การเจือด้วยอะตอมของธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนของอะตอมโครงสร้างผลึก ทำให้มีจำนวนอิเล็กตรอนเกินในโครงสร้างผลึก โดยอิเล็กตรอนที่เกินนี้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเรียกว่า สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (n-type semiconductor) เช่น การเจืออะตอมของธาตุอาร์เซนิก (As) หรือฟอสฟอรัส (P) ลงในโครงสร้างผลึกของซิลิคอน (Si) หรือเจอร์มาเนียม (Ge)
2. การเจือด้วยอะตอมของธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยกว่าจำนวนอิเล็กตรอนของอะตอมโครงสร้างผลึกทำให้มีจำนวนหลุม (hole) เกินในโครงสร้างผลึกสามารถรับอิเล็กตรอนจากอะตอมข้างเคียงต่อเนื่องกันไปเสมือนว่าหลุมเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเรียกว่า สารกึ่งตัวนำชนิดพี (p-type semiconductor) เช่น การเจืออะตอมของธาตุอินเดียม (In) หรือโบรอน (B) ลงในโครงสร้างผลึกของซิลิคอนหรือเจอร์มาเนียม เป็นต้น

 แบบจำลองแถบพลังงาน (Energy band model)

แบบจำลองแถมพลังงานคือ แบบจำลองปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของธาตุรวมตัวกันเป็นโมเลกุลในโครงสร้างของเนื้อวัสดุแข็ง โดยระดับพลังงานย่อยของอิเล็กตรอนในกลุ่มอะตอมจะรวมตัวกันเกิดเป็นแถบพลังงาน (energy band) ที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่และช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (energy gap หรือ band gap; Eg) ที่ไม่มีอิเล็กตรอน แถบพลังงานชั้นในบริเวณที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสของกลุ่มอะตอมจะมีพลังงานตํ่า อะตอมสร้างพันธะระหว่างกันเกิดเป็นโครงสร้างทำให้อิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ เรียกว่า แถบวาเลนซ์ (valence band) ส่วนแถบพลังงานชั้นนอกจะมีพลังงานสูงกว่าและอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเรียกว่า แถบนำไฟฟ้า (conduction band) แบบจำลองแถบพลังงานสามารถนำมาใช้อธิบายสมบัติการนำไฟฟ้าที่แตกต่างกันของสารนำไฟฟ้า (conductor) เช่น โลหะ (metal) ฉนวน (insulator) และสารกึ่งตัวนำ

แถบวาเลนซ์ (valence band) และแถบนำไฟฟ้า (conduction band) ของโลหะจะอยู่ใกล้กันมีช่องว่างระหว่างแถบพลังงานแคบหรือซ้อนทับกัน ฉนวนมีช่องว่างระหว่างแถบพลังงานกว้าง สารกึ่งตัวนําจะมีความกว้างของช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (energy band) อยู่ระหว่างโลหะและฉนวน

ระดับเฟอร์มิ (Fermi level)

ระดับเฟอร์มิของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์

ระดับเฟอร์มิคือ ระดับพลังงานสมมติค่าหนึ่ง ซึ่งมีค่าสูงพอที่จะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ร้อยละ 50 ที่สภาวะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamic equilibrium) ณ เวลาใดๆ ในแบบจำลองแถบพลังงาน ที่มีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆ เป็นไปตามฟังก์ชั่นของเฟอร์มิ-ดิแรก (Fermi-Dirac distribution function) สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (intrinsic semiconductor) จะมีระดับพลังงานเฟอร์มิอยู่ที่กึ่งกลางของช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน ส่วนสารกึ่งตัวนำที่เติมธาตุเจือปนชนิดพี (p-type) จะมีระดับพลังงานเฟอร์มิอยู่ใกล้แถบวาเลนซ์ (valence band) และชนิดเอ็น (n-type) จะมีระดับพลังงานเฟอร์มิใกล้แถบนำไฟฟ้า (conduction band) ซึ่งสามารถนำมาใช้อธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบริเวณรอยต่อ P-N ได้

ระดับเฟอร์มิของสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและชนิดพี

รอยต่อพี-เอ็น (P-N junction)

ระดับเฟอร์มิที่เกิดขึ้นบริเวณรอยต่อพี-เอ็น (P-N junction)

บริเวณการพร่อง (depletion region)

รอยต่อพี-เอ็น คือรอยต่อที่เกิดขึ้นเมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิดพี (p-type) และชนิดเอ็น (n-type) ที่มีระดับพลังงานเฟอร์มิต่างกัน มาเชื่อมต่อกัน อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจากฝั่งสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นจะแพร่เข้าไปในฝั่งสารกึ่งตัวนำชนิดพี ในขณะที่หลุม (hole) ที่มีประจุบวกจะเคลื่อนที่เสมือนว่าแพร่กระจายในทิศทางตรงกันข้าม ในบริเวณแคบๆ ใกล้กับรอยต่อพี-เอ็น (P-N junction) นั้น แรงเหนี่ยวนำระหว่างประจุลบและประจุบวกที่สะสมในแต่ละฝั่งทำให้เกิดศักย์ภายใน (built-in potential) ขึ้นต่อต้านการแพร่ของประจุจากทั้งสองฝั่ง การแพร่จะดำเนินไปจนกว่าระดับพลังงานเฟอร์มิของทั้งสองฝั่งอยู่ระดับเดียวกันจึงเข้าสู่สมดุลทางไฟฟ้าโดยจะไม่มีการแพร่เกิดขึ้นอีกที่บริเวณแคบๆ ใกล้กับรอยต่อพี-เอ็นที่มีการเคลื่อนที่ของประจุจนกระทั่งเข้าสู่สมดุลนี้เรียกว่าบริเวณการพร่อง(depletion region) รอยต่อพี-เอ็น เป็นหลักการเบื้องต้นของการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์

การเกิดคู่อิเล็กตรอน-หลุม (electron-hole Pair)
บริเวณรอยต่อพี-เอ็น (p-n junction)

คู่อิเล็กตรอน-หลุม (Electron-hole pair)

คู่อิเล็กตรอน-หลุมคือ สภาพที่อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ (valence band) ของสารกึ่งตัวนำ ได้รับการกระตุ้นจากแสงไฟฟ้าหรือความร้อน ที่มีพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (energy band) จนมีพลังงานสูงพอที่อิเล็กตรอนจะหลุดจากโครงสร้างอะตอมขึ้นไปอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) ทำให้เกิดหลุม (hole) ในแถบวาเลนซ์ที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปซึ่งจะคงสภาพในช่วงเวลาสั้นๆ ก่อนที่อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานและเกิดการตกกลับ (recombination) ลงมายังแถบวาเลนซ์ตามเดิม คู่อิเล็กตรอน-หลุม ที่เกิดขึ้นตรงรอยต่อพี-เอ็น (P-N junction) ในบริเวณการพร่อง (depletion region) จะถูกเร่งด้วยศักย์ภายใน (built-in potential) ให้แยกคู่กัน เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าไหลออกไปสู่วงจรภายนอกได้ จำนวนคู่อิเล็กตรอน-หลุม และช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนคงสภาพก่อนการตกกลับ (recombination lifetime) เป็นตัวกำหนดสมบัติการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ และลักษณะเฉพาะทางไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประกอบขึ้นจากสารกึ่งตัวนำนั้น

Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานแสงอาทิตย์. In สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 27-28). กรุงเทพ, ประเทศไทย.