อุปกรณ์กึ่งตัวนำ

คน อุปกรณ์กึ่งตัวนำเช่นเจอร์เมเนียม, ซิลิคอน, คาร์บอน, ซีลีเนียมเป็นต้นเป็นวัสดุที่ไม่ใช่ตัวนำหรือฉนวน ค่าการนำไฟฟ้าของพวกมันอยู่ระหว่างหรือกึ่งกลางของค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำและฉนวน อุปกรณ์กึ่งตัวนำมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์และกำลังใช้อย่างกว้างขวางสำหรับการเตรียมอุปกรณ์โซลิดสเตตเช่นไดโอดทรานซิสเตอร์ ฯลฯ

ถึงแม้ว่าวาเลนซ์จะมีสารเหล่านี้อยู่ก็ตามเกือบเต็มและวงการนำไฟฟ้าเกือบจะว่างเปล่าเหมือนในกรณีของฉนวน แต่ช่องว่างพลังงานที่ต้องห้ามระหว่างวงวาเลนซ์กับวงการนำไฟฟ้านั้นมีขนาดเล็กมาก (เกือบ 1 อิเล็กตรอนโวลต์) ดังแสดงในรูปด้านล่าง

ดังนั้นสนามไฟฟ้าที่เล็กกว่าลูกถ้วยไฟฟ้าและตัวนำที่มากกว่าตัวนำจะต้องผลักอิเล็กตรอนวาเลนซ์ไปยังวงการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ข้ามวงการนำไฟฟ้าแม้ที่อุณหภูมิห้องเนื่องจากพลังงานความร้อนบางส่วนถูกส่งไปยังอิเล็กตรอนของวาเลนซ์

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆจำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอนข้ามไปยังแถบการนำไฟฟ้าและค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเพิ่มขึ้น ดังนั้นวัสดุเหล่านี้มีอุณหภูมิเชิงลบที่มีค่าความต้านทานร่วม

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไป

มีจำนวนมาก tetravalent วัสดุที่มีเช่นคาร์บอนในเพชรstat, ซิลิคอน, เจอร์เมเนียมและดีบุกสีเทา พลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการแบ่งพันธะโควาเลนต์ในวัสดุเหล่านี้คือ 7, 1.12, 0.75 และ 0.1 อิเล็กตรอนโวลต์ตามลำดับ

คาร์บอนในสถานะของเพชรทำตัวเหมือนเป็นลูกถ้วยต้องห้ามช่องว่างพลังงาน 7 eV สีเทาที่มีช่องว่างของพลังงานที่ต้องห้ามที่ 0.1 eV จะทำงานเหมือนตัวนำ ดังนั้นเจอร์เมเนียมและซิลิคอนจึงมีช่องว่างพลังงานเท่ากับ 0.75 และ 1.12 eV ตามลำดับจึงถือว่าเหมาะสมที่สุดสำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสองมีการกล่าวถึงด้านล่าง

เจอร์เมเนียม

เจอร์เมเนียม ถูกค้นพบในปี 1886 มันเป็นองค์ประกอบของโลกที่กู้คืนจากเถ้าของ coaks บางหรือจากฝุ่นปล่องควันของโรงหลอมสังกะสี เจอร์เมเนียมที่นำกลับมาใช้ใหม่อยู่ในรูปของผงเจอร์เมเนียมไดออกไซด์ จากนั้นจะถูกเปลี่ยนเป็นเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์

คน โครงสร้างอะตอม ของเจอร์เมเนียมแสดงอยู่ด้านล่าง

เลขอะตอมของมันคือ 32 มันมี 32 โปรตอนในนิวเคลียสและ 32 อิเล็กตรอนกระจายอยู่ในสี่วงโคจรรอบนิวเคลียส จำนวนอิเล็กตรอนในวงโคจรที่หนึ่งที่สองที่สามและสี่คือ 2, 8, 18 และ 4 ตามลำดับ เป็นที่ชัดเจนว่าเจอร์เมเนียมมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สี่ตัว อะตอมเจอร์เมเนียมต่างๆนั้นถูกยึดเข้าด้วยกันผ่านพันธะโควาเลนต์ดังแสดงในรูปด้านล่าง

คน แผนภาพพลังงาน ของ Germanium แสดงอยู่ด้านล่าง

ช่องว่างพลังงานที่ต้องห้าม (เช่น ช่องว่างระหว่างวงวาเลนซ์กับวงการนำไฟฟ้า) ในวัสดุนี้มีขนาดเล็กมาก ดังนั้นพลังงานขนาดเล็กมากก็เพียงพอที่จะยกอิเล็กตรอนจากวงเวเลนซ์ไปยังวงการนำ

ซิลิคอน

ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบที่มีอยู่ในส่วนใหญ่หินทั่วไป จริงๆแล้วทรายคือซิลิคอนไดออกไซด์ มันได้รับการรักษาทางเคมีและลดลงเป็นซิลิกอนบริสุทธิ์ซึ่งสามารถใช้สำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

รูปด้านล่างแสดงโครงสร้างอะตอมของซิลิคอน

เลขอะตอมของมันคือ 14 ดังนั้นมันจึงมีโปรตอน 14 ดวงในนิวเคลียสและมีอิเล็กตรอน 14 ดวงกระจายอยู่ในวงโคจรทั้งสามรอบนิวเคลียส จำนวนอิเล็กตรอนในวงโคจรที่หนึ่งที่สองและสามคือ 2, 8 และ 4 ตามลำดับ อะตอมซิลิกอนชนิดต่าง ๆ นั้นถูกยึดเข้าด้วยกันผ่านพันธะโควาเลนต์ดังแสดงในรูปด้านล่าง

คน แผนภาพพลังงาน ของวัสดุซิลิกอนที่แสดงด้านล่าง

ช่องว่างของพลังงานที่ต้องห้ามในวัสดุนี้มีขนาดค่อนข้างเล็ก นอกจากนี้ยังต้องการพลังงานขนาดเล็กเพื่อยกอิเลคตรอนจากวงวาเลนซ์ไปยังวงการนำ

ดังนั้นแม้ที่อุณหภูมิห้องหนึ่งนาทีปริมาณของอิเล็กตรอนของวาเลนซ์จะถูกยกขึ้นไปยังแถบการนำไฟฟ้าและจะก่อให้เกิดการนำกระแสในกรณีที่มีการใช้สนามไฟฟ้าสูง อย่างไรก็ตามที่อุณหภูมิห้องจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกยกขึ้นไปยังแถบการนำไฟฟ้าในกรณีของซิลิคอนนั้นค่อนข้างน้อยกว่าเจอร์เมเนียม

นี่คือเหตุผลว่าทำไมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนจึงเป็นที่ต้องการมากกว่าอุปกรณ์เจอร์เมเนียม