Electrical Properties of Materials and semiconductor

1. Electrical Properties of Materialsand semiconductor บทที่ 12คุณสมบัติทางไฟฟ้าและสารกึ่งตัวนำ 1302 212Engineering materials Assistant Professor Sukangkana Lee

2. จุดประสงค์การเรียนรู้จุดประสงค์การเรียนรู้ • อธิบายสมบัติการนำไฟฟ้า การเป็นฉนวน และกึ่งตัวนำไฟฟ้า • อธิบายการกระตุ้นของอิเลคตรอนเพื่อให้มีอิเลคตรอนอิสระในการนำไฟฟ้าได้ในสารกึ่งตัวนำ • อธิบายความแตกต่างระหว่าง intrinsic and Extrinsic semiconductor

3. Outline • การนำไฟฟ้าในโลหะ: Electrical Properties • ผลกระทบของสารเจือปนและผลของอุณหภูมิที่มีผลต่อการนำไฟฟ้าของโลหะ • Energy Band Model • สารกึ่งตัวนำ:Semiconductor

4. การนำไฟฟ้าของโลหะ • การนำไฟฟ้าของโลหะ เกิดจากพันธะโลหะ ซึ่งเกิดจากการที่อิเลคตรอนวงนอกสุดเคลื่อนที่โดยอิสระ • ถ้าไม่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า อิเลคตรอนจะเคลื่อนที่ไม่เป็นระเบียบ ทำให้ไม่มีการไหลของกระแสไฟฟ้า • แต่ถ้ามีการให้ความต่างศักย์ไฟฟ้า อิเลคตรอนจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน

5. อิเลคตรอนจะมีแรงผลักซึ่งกันและกัน เมื่อเคลื่อนที่เข้ามา ใกล้กันก็ส่งผลให้เกิดการเคลื่อนที่ไล่ตามกัน เกิดเป็นโซ่ของอิเลคตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง

6. Ohm’s law i = กระแสไฟฟ้า, A (Ampere) V = ความต่างศักย์ทางไฟฟ้า, V(Volt) R = ความต้านทานไฟฟ้า,  (Ohm)

7. ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า, (Electrical resistivity) จะเท่ากับ • ค่าสภาพการนำไฟฟ้า,  (Electrical conductivity) จะเป็นส่วนกลับกับ  A = พื้นที่หน้าตัด l = ความยาว

9. ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการนำไฟฟ้าของโลหะปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการนำไฟฟ้าของโลหะ • สารเจือปน (Impurity) การเติมธาตุผสมลงในโลหะบริสุทธิ์ จะทำให้การเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนเป็นไปด้วยความยากลำบากมากขึ้น ส่งผลให้โลหะมีสภาพต้านทานไฟฟ้ามากขึ้น Pure < alloy

10. ผลของปริมาณสารเจือปนต่อความต้านทานไฟฟ้าผลของปริมาณสารเจือปนต่อความต้านทานไฟฟ้า โลหะส่วนใหญ่ ความต้านทานไฟฟ้า มีความสัมพันธ์กับสารเจือปน เป็นเส้นตรง P Fe Cr Mn  สภาพต้านทานทางไฟฟ้า Al Ag Cu=1.6 เปอร์เซนต์สารเจือปนในทองแดงโดยน้ำหนัก

11. 2. อุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ทำให้แกนไอออนบวกเกิดการสั่นสะเทือน เป็นผลให้เกิดการขัดขวางการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนส่งผลให้โลหะมีสภาพต้านทานไฟฟ้ามากขึ้น

12. สภาพต้านทานไฟฟ้ามีความสัมพันธ์แบบเป็นเส้นตรงกับอุณหภูมิ ดังสมการ T= 0°C(1+T T) สมการ 12.4 เมื่อ 0°C= ค่าสภาพต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 0°C T= Temperature resistivity coefficient (°C-1) T = อุณหภูมิ (°C )

13. ผลของอุณหภูมิต่อความต้านทานไฟฟ้าผลของอุณหภูมิต่อความต้านทานไฟฟ้า โลหะส่วนใหญ่ ความต้านทานไฟฟ้า มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิ เป็นเส้นตรง Fe Ir สภาพต้านทานทางไฟฟ้า Mg Cu Ag อุณหภูมิ

14. Energy Band Model • The valence electrons of atoms ที่อยู่ใกล้ชิดกันและมีความแตกต่างกันเล็กน้อย ทำให้เกิด valence bands ที่เหลื่อมกันเล็กน้อยตามหลักการของ Pauli exclusion principle.

15. ตัวอย่างระดับชั้นพลังงานของโลหะตัวอย่างระดับชั้นพลังงานของโลหะ 4s อิเลคตรอนเต็ม Energy band of Magnesium Energy band of Cobolt

16. Energy band gap ระยะห่างระหว่างอะตอม Equilibrium Interatomic spacing The electron energy band structure for a solid material at the equilibrium interatomic separation.

17. Conduction band 3p Ef Eg 3s Valence band • The bands are separated by gaps, where electrons cannot exist. bandgap Al มี อิเลคตรอนวงนอกสุดทั้ง 3s และ 3p นำไฟฟ้าได้ดี Cu, Ag, Na มี อิเลคตรอนวงนอกสุดในชั้น 3s ไม่เต็ม แต่สามารถถูกกระตุ้นไปอยู่ชั้นระดับพลังงานที่สูงได้ นำไฟฟ้าได้ดี ฉนวนไฟฟ้า มีระยะห่างระหว่าง band ค่อนข้างมาก ต้องใช้พลังงานเท่ากับ Egในการกระตุ้นให้ e-กระโดดข้าม

18. Semiconductor สารกึ่งตัวนำ เป็นวัสดุที่มีสมบัติในการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่าง โลหะที่นำไฟฟ้าได้ และ นำไฟฟ้าไม่ได้ (ตารางที่ 1) The three semiconducting elements Si, Ge, and Sn from column IV A

19. มี 4 valence electrons Si Lattice

20. ประเภทของ Semiconductor มี 2 ประเภท คือ • Intrinsic semiconductor • Extrinsic semiconductor

21. 1. Intrinsic semiconductor • เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีความบริสุทธ์ ได้แก่ ธาตุบริสุทธ์ในหมู่ 4A คือ Si and Ge • มีโครงสร้างผลึกแบบ Diamond Cubic มีพันธะโควาเลนต์ • ในสภาวะปกติ พันธะโควาเลนต์จะแข็งแรงทำให้ไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ แต่ถ้าหากได้รับพลังงานกระตุ้นที่สูงพอ จนทำให้อิเลคตรอนหลุดออกมาและเคลื่อนที่ได้ ก็จะสามารถนำไฟฟ้าได้ ทำหน้าที่เป็นประจุลบและบริเวณที่อิเลคตรอน หลุดออกมาจะเกิดเป็น หลุม ที่ทำหน้าที่เป็นประจุบวก

22. การไหลของอิเลคตรอนและหลุมที่สวนทางกันเมื่อได้รับสนามไฟฟ้า

23. Ge crystal lattice Ge crystal structure at T= 0 K ไม่นำไฟฟ้า e- Hole + at T > 0 Kนำไฟฟ้าได้ T> 0 K มี thermal excite e-กระโดดข้าม gap

24. ที่ อุณหภูมิ 0K, valenceband ของ Intrinsic semiconductor เช่น Ge, Si จะถูกบรรจุเต็มด้วยอิเลคตรอน แต่ conduction band จะว่างเปล่า • เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อิเลคตรอนจะถูกกระตุ้นด้วยพลังงานความร้อน ทำให้กระโดดข้าม energy gap ไปยัง conduction band เกิดเป็นหลุม (Hole) ใน valenceband • ดังนั้น Intrinsic semiconductor จะนำไฟฟ้าได้ดี เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น (จะกลับกันกับโลหะ) • โดยค่าการนำไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิแบบ exponential

25. The Czochralski process • The growth of a large (10 or more inches in diameter!) single crystal of silicon. • In this process, a solid seed crystal is rotated and slowly extracted from a pool of molten Si.

26. Semiconductor compound สารกึ่งตัวนำประเภทสารประกอบ มักเป็นสารประกอบระหว่างธาตุหมู่ III และ V หรือ II และ VI Note: • สารประกอบ III-V เช่น GaP, GaAs, InP • สารประกอบ II-VI เช่น ZnSe, CdSe จะมีประสิทธิภาพน้อยกว่า III-V เพราะมี energy band gap มากกว่า ดีที่สุด

27. GaAsเป็นสารกึ่งตัวนำสารประกอบที่สำคัญที่สุดนิยมใช้ในอุปกรณ์ทางอิเลคทรอนิกส์ งานด้านอวกาศ และงานด้านทางการทหาร

28. มีข้อดีบางอย่าง ดีกว่า Si กล่าวคือ อิเลคตรอนจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า จึงนิยมใช้ในอุปกรณ์ High Speed digital integrated circuits ข้อเสียคือ • เทคโนโลยีการผลิตยังไม่ทันสมัย ทำให้มักมีความไม่สมบูรณ์ในผลึก • ราคาแพง

29. 2. Extrinsic semiconductor • เป็นสารกึ่งตัวนำที่ เป็นสารละลายของแข็งแบบเจือจางที่มีตัวถูกละลาย (ความเข้มขัน 100-1000 ppm) ซึ่งมีค่า valence electron แตกต่างจากตัวทำละลาย • การทำให้สารบริสุทธิ์เป็นสารละลายของแข็งโดยการ “Doping” • ที่อุณหภูมิต่ำ Extrinsic semiconductors จะมีค่า conductivity มากกว่า Intrinsic semiconductors

30. Extrinsic semiconductors มีอยู่ 2 ชนิดคือ • Extrinsic n type(negative) • Extrinsic p type(positive)

31. VA produce n-type semiconductors by contributing extra electrons. 5 valence electrons 3 valence electrons IIIA produce p-type semiconductors by producing a “hole”or electron deficiency

32. Extrinsic n type อิเลคตรอนมีค่าระดับพลังงานสูงใกล้กับค่าของ band gap จึงง่ายต่อการถูกกระตุ้นไปสู่ the conduction band.

33. Extrinsic p type Extra holes in the band gap allow excitation of valence band electrons, leaving mobile holes in the valence band.

34. p-n junctionin electronic applications ผลิตจาก intrinsic silicon single crystal จากนั้น จึงนำมา Dope ด้วยสารเจือปนจากธาตุหมู่ IV A เป็น n-type ก่อน แล้วค่อย dope ที่เหลือ เป็น p-type

35. p-n junction diode forward-biased ถ้าเราต่อขั้วลบกับด้าน n และขั้วบวกต่อเข้ากับด้าน p จะทำให้เกิดกระแสไหลมาก

36. p-n junction diode reverse-biased ถ้าเราต่อขั้วลบกับด้าน p และขั้วบวกต่อเข้ากับด้าน n จะทำให้เกิดกระแสไหลเพียงเล็กน้อย กระแสนี้เรียกว่า Leakage current

37. The MOSFET • ย่อมาจาก Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor • ระหว่าง gate และ Channel จะมีชั้นออกไซด์บางๆซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้ากั้น • ตัวอย่างเป็นแบบ p-typechannel แต่มี Source กับ drain เป็นสารกึ่งตัวนำชนิด n และมีชั้นของ SiO2กั้นไว้ระหว่าง Gate กับ Channel

38. Solar Cell n-type p-type ตัวอย่างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอนผลึกเดี่ยว ถ้าพลังงานของ โฟตอน สูงกว่า band gap energy ของ Si พลังงานของโฟตอนจะถูกถ่ายเทไปสู่อิเลคตรอนวงนอกสุด (valence electron) และทำให้อิเลคตรอนถูกกระตุ้นไปสู่ Conduction band ซึ่งทำให้อิเลคตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้ในสารกึ่งตัวนำ

39. Multicrystalline silicon