วัสดุช่างอุตสาหกรรม

ประวัติศาสตร์หน้าแรกของวงการอิเล็กทรอนิกส์ น่าจะเริ่มมาจากการประดิษฐ์หลอดรังสีคาโธด (Cathode Rays Tube) ของเซอร์ วิลเลียม ครุกส์ (Sir William Crookes) ในปี ค.ศ. 1875 อันนำไปสู่การค้นพบรังสีเอ็กซ์โดย เรินท์เกน (Wilhelm Conrad Roentgen)ในปี ค.ศ. 1895 และการค้นพบอิเล็กตรอนโดย ทอมสัน (Joseph Thomson) ในปี ค.ศ. 1897 จากนั้นในปี ค.ศ. 1904 เฟลมิง (John Ambrose Fleming) ได้ประดิษฐ์หลอดไดโอดขึ้นเป็นครั้งแรก ซึ่งก็เป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด จากนั้นอีก 2 ปีต่อมา ฟอเรสต์ (Lee De Forest) ก็สามารถประดิษฐ์หลอดไตรโอดซึ่งสามารถควบคุมกระแสการไหลของอิเล็กตรอนได้ ถัดมาอีก 13 ปี คือในปี ค.ศ. 1919 ชอตต์กี (Walter Schottky) คิดค้นหลอดสุญญากาศแบบหลายขั้ว นอกจากนั้นเขายังได้พัฒนาทฤษฎีที่ใช้อธิบายการไหลของอิเล็กตรอนและหลุมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

        พัฒนาการที่สำคัญของวงการอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1940 หลังจากที่หลอดสุญญากาศแสดงบทบาท ในฐานะอุปกรณ์ควบคุมในเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลายมาร่วม 3 ทศวรรษ โดยโอลห์ (Russell Shoemake Ohl) ค้นพบว่าผลึกซิลิกอนสามารถจะนำมาสร้างเป็นอุปกรณ์ไดโอดได้ ซึ่งนำไปสู่การคิดค้นทรานซิสเตอร์ของ ชอคลี (William Bradford Schockley) แบรตเทน (Walter H. Brattain) และ บาร์ดีน (John Bardeen) ในปี ค.ศ. 1948 หลังจากนั้นอุปกรณ์พวกสารกึ่งตัวนำได้เริ่มเข้ามาแทนที่หลอดสุญญากาศ ทำให้เครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มีขนาดเล็กลงและราคาถูกลงมาก อย่างไรก็ตามก็ยังไม่เป็นที่พึงพอใจของอุตสาหกรรมเท่าไรนัก เนื่องจากว่าการสร้างเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ยังคงต้องนำอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำนวนมากมาต่อเชื่อมกันให้เป็นวงจรรวม ซึ่งเป็นงานที่ค่อนข้างยุ่งยาก จึงเกิดแนวความคิดที่จะทำให้อุปกรณ์หล่านั้น รวมทั้งวงจร ถูกยุบรวมเข้าไปบนสารกึ่งตัวนำที่เป็นชิ้นเดียว และแล้วในปี ค.ศ. 1959 เออร์นี (Jean Hoerni) และ นอยซ์ (Robert Noyce) ก็สามารถพัฒนาแผงวงจรรวมดังกล่าว (Integrated Circuit หรือ IC) ได้สำเร็จ และเพียงปีเดียวเท่านั้นแผงวงจรรวมดังกล่าวก็เข้าไปแทนที่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแบบแยกส่วนถึง 90% เลยที่เดียว ในช่วงต้นๆ ของทศวรรษ 1960 นั้น วงจรรวมยังไม่มีความซับซ้อนมาก โดยอาจมีทรานซิสเตอร์ประมาณ 20-200 ตัวต่อแผ่นชิพหนึ่งแผ่น และเพิ่มขึ้นมาเป็น 200-5000 ตัวในช่วงปี 1970 ปัจจุบันนี้เรามีแผงวงจรรวมที่มีทรานซิสเตอร์นับล้านตัวเลยทีเดียว

   

สารกึ่งตัวนำ

ความหมายของสารกึ่งตัวนำ
สารกึ่งตัวนำ คือ สารที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน เช่น ซิลิคอนและเยอรมาเนียม
ประเภทของสารกึ่งตัวนำ
1. สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์
เราลองมาพิจารณาโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำที่บริสุทธิ์ โดยในที่นี้ขอยกตัวอย่าง ซิลิคอน จะพบว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมจะมีพันธะกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียง จึงไม่มีอิเล็กตรอนอิสระที่จะทำให้เกิดการนำไฟฟ้าได้ (การนำไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ) แต่เมื่ออุณหภูมิสิ่งแวดล้อมสูงเกินกว่า ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (absolute zero) ถ้าเราผ่านสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มมากพอเข้าไป จะทำให้อิเล็กตรอนบางตัวในพันธะหลุดออกมากลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และเกิดที่ว่างขึ้น เรียกว่า โฮล
โดยแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระและโฮลเคลื่อนที่ โดยอิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า ส่วนโฮลจะเคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า ดังรูปด้านล่าง จึงทำให้เกิดการนำไฟฟ้าขึ้น
ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล นั่นเอง
2. สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์
เนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในสารกึ่งตัวนำนั้นมีอยู่น้อย กระแสที่ไหลได้จึงมีน้อย ทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากนัก จึงต้องมีการปรุงแต่งโดยนำเอาอะตอมของธาตุอื่นเจือปนเข้าไป ทำให้กลายเป็น สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ ซึ่งจะสามารถนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น
สารที่นำมาใช้เจือปนนี้สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่
1. สารเจือปนโดเนอร์ (Donor impurity)
คือ ธาตุที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว (Pentavalent impurities) เช่น พลวง สารหนู หรือ ฟอสฟอรัส ซึ่งเมื่อเจือปนสารประเภทนี้เข้าไป จะทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระขึ้นในสารกึ่งตัวนำ
2. สารเจือปนแอคแซ็ปเตอร์ (Acceptor impurity)
คือ ธาตุที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว (Trivalent impurities) เช่น โบรอน อลูมิเนียม หรือ แกล-เลี่ยม ซึ่งเมื่อเจือปนสารประเภทนี้เข้าไป จะทำให้อิเล็กตรอนของสารกึ่งตัวนำหายไป 1 ตัว เกิดเป็นช่องว่างขึ้นในอะตอมของสารกึ่งตัวนำ เรียกว่า โฮล (Hole)

ดังนั้นสารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์ จึงแบ่งออกเป็น 2 ประเภทเช่นกัน คือ

1. สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (N - Type) เกิดจากการนำสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ผสมกับสารเจือปนโดเนอร์ ในอัตราส่วนที่พอเหมาะ ทำให้สารกึ่งตัวนำมีอิเล็กตรอนเกินมา 1 ตัว เรียกว่า อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งจะสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในผลึกนั้น จึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้

2. สารกึ่งตัวนำชนิดพี (P - Type) เกิดจากการเอาสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ผสมกับสารเจือปนแอคแซ็ปเตอร์ ในอัตราส่วนที่พอเหมาะ จะทำให้อิเล็กตรอนของสารกึ่งตัวนำหายไป 1 ตัว ทำให้เกิดที่ว่างขึ้นในอะตอมของสารกึ่งตัวนำ เรียกว่า โฮล (Hole) เป็นผลทำให้ มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าประจุบวก ดังนั้น สารกึ่งตัวนำชนิดพี จึงมีประจุเป็นบวก

สารกึ่งตัวนำกับการนำไปใช้

1. ไดโอด (Diode) เป็นการนำสารกึ่งตัวนำชนิดพีและสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น มาทำการต่อให้ติดกันตามหลักของวิชาฟิสิกส์ของแข็ง
โดยไดโอดจะมีความต้านทานต่ำมาก และยอมให้กระแสไหลผ่านได้ เมื่อต่อให้ศักย์ไฟฟ้าที่ปลายพีสูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่ปลายเอ็น (ต่อปลายพีเข้ากับขั้วบวกและต่อปลายเอ็นเข้ากับขั้วลบ) หรือที่เรียกว่า ไบแอสตรง นั่นเอง
แต่ถ้าเราต่อให้ที่ปลายพีมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าปลายเอ็น (ไบแอสกลับ) ไดโอดจะมีความต้านทานสูงมาก และไม่ยอมให้กระแสไหลผ่าน

2. ทรานซิสเตอร์ (Transistor) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่นำสาร P และสาร N 3 ชิ้น นำมาต่อเรียงกัน
โดยเรียงต่อกันได้ 2 แบบ ดังรูป ก และ ข ในรูป ก. ใช้สาร N 2 ชิ้น และสาร P 1 ชิ้น โดยมีสาร P อยู่ตรงกลาง จึง เรียกทรานซิสเตอร์ชนิดนี้ว่า NPN และต่อขาออกมา 3 ขา เป็นขา B (เบส), C(คอลเลคเตอร์), E(อีมิตเตอร์) โดยที่ขา B ต่อออก มาจากสาร P
ส่วนในรูป ข. ตรงกันข้ามกับรูป ก. และเรียกว่าชนิด PNP ส่วนขาที่ต่อออกมาเช่นเดียวกับรูป ก. ด้วย โครงสร้างดังกล่าวนี้ จะเหมือนกับไดโอด 2 ตัวชนกันดังรูป ค. และ ง. โดยใช้สาร P หรือ N ตรงกลางเป็นตัวร่วมกัน
จากรูปด้านบน สามารถเป็นสัญลักษณ์เพื่อให้ดูง่าย ๆ ดังรูปด้านล่างนี้ ในรูป a. เป็นของชนิด NPN สังเกตที่ลูกศรของเขา E จะชี้ ออกส่วนชนิด PNP แสดงในรูป b. สัญลักษณ์ต่างกันที่ขา E คือ ลูกศรที่ขา E จะชี้เข้า ทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อนี้ เรียกด้ายตัวย่อว่า BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR) ทรานซิสเตอร์ (BJT) ถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลาย เช่น วงจรขยายในเครื่องรับวิทยุและเครี่องรับโทรทัศน์หรือนำไปใช้ในวงจรอิ เล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิทซ์ (Switching) เช่น เปิด-ปิด รีเลย์ (Relay) เพื่อควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่น ๆ

บทที่ 6 ความรู้เบื้องต้นของสารกึ่งตัวนำ (INTRODUCTION TO SEMICONDUCTOR) สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) ผลึกซิลิกอน แตกต่างจาก ฉนวนทั่ว ๆ ไป ตรงที่อิเล็กตรอนวงนอก อาจหลุดไปจากตำแหน่งในอะตอม เมื่ออุณหภูมิสิ่งแวดล้อมสูง เกินกว่า ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (absolute zero) ทิ้งหลุมว่าง (hole) ไว้ที่ตำแหน่งนั้น รอจับอิเล็กตรอนจากตำแหน่งอื่น ที่อยู่ใกล้กัน รูป 1 อิเล็กตรอนในผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์ หลุดออกไปจากตำแหน่งเป็นอิเล็กตรอนอิสระ ทิ้งตำแหน่ง โฮล ไว้ เมื่อให้ความต่างศักย์แก่ผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์ ทั้ง โฮล และ อิเล็กตรอนอิสระ จะทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร อย่างไรก็ตาม กระแสดังกล่าวมีไม่มากนัก รูป 2 แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และ โฮล ในผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์ เมื่อต่อเข้ากับความต่างศักย์จากแบตเตอรี่ กระแสไฟฟ้า ที่ไหลในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ จะมีทั้งกระแสที่เกิดจากอิเล็กตรอนอิสระ และ กระแสโฮล อิเล็กตรอนที่หลุดออกไปจากโครงผลึก เนื่องจากได้รับพลังงานจากภายนอกจะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ภายในก้อนสารกึ่งตัวนำนั้น รูป 3 แสดงการนำกระแสในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ซึ่งมีทั้งกระแสอิเล็กตรอน และ กระแสโฮล ในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนอาจ เคลื่อนที่เป็นช่วงสั้น ๆ ลงไปในช่องว่างที่อิเล็กตรอนอิสระ หลุดออกไป (โฮล) กระบวนการนำกระแส ในลักษณะนี้ เรียกว่า hole conduction reference สารกึ่งตัวนำดัดแปลง (Extrinsic Semiconductor) เมื่อนักวิทยาศาสตร์ค้นพบคุณสมบัติเฉพาะตัวของซิลิกอน และ เจอร์มันเนียม นับเป็นจุดเริ่มต้นของยุค อิเล็กทรอนิกส์สารกึ่งตัวนำ ธาตุทั้งสองชนิด มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว หากเติมสารเจือปน (impurities) หรือที่เรียกว่าสารโด๊ป (dopants) ลงไปในโครงสร้างผลึก จะได้คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำที่แตกต่างกัน ออกไปจากสารกึ่งตัวนำบริสุทธื์ รูป 1 แสดงอิเล็กตรอนวงนอกของธาตุ ซิลิกอน และ เจอร์มันเนียม ซิลิกอน และ เจอร์มันเนียม บริสุทธิ์ เป็นวัสดุตั้งต้น ที่นำไปผลิตสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำ อะตอมของแต่ละธาตุ มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว ที่อุณหภูมิ เดียวกัน เจอร์มันเนียม มีอิเล็กตรอนอิสระ สูงกว่า จึงนำกระแสได้ดีกว่า ปัจจุบันนิยมใช้ซิลิกอน ผลิตสิ่งประดิษฐ์ สารกึ่งตัวนำมากกว่า เพราะใช้ได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า เจอร์มันเนียม รูป 2 รูป 3 แสดงตำแหน่งอะตอมของซิลิกอน ในหน่วยเซล ตัวเลขที่แสดง เป็นตำแหน่งของอะตอม เป็นสัดส่วนของ lattice constant ผลึกซิลิกอนเหมือนกับเพชร ซึ่ง Ashcroft และ Mermin (Ashcroft, N. W. and Mermin, N. D., Solid State Physics, Saunders, 1976.) เรียกว่า เป็นหน่วยเซลแบบ two interpenetrating FCC เส้นเชื่อมในรูป 2 จะลากไปยัง บอนด์ ที่ใกล้ที่สุด ค่าคงตัว แลททิซ (lattice constant) ของซิลิกอนเป็น 0.543 nm. เจอร์มันเนียม มีโครงสร้างหน่วยเซลแบบเดียวกัน โดยมีค่าคงตัว แลททิซ เป็น 0.566 nm. รูป 4 อะตอมซิลิกอน จับตัวกันเป็นพันธะโควาเลนท์ และเกาะกันเป็นผลึก รูปข้างล่างนี้ แสดงโครงสร้างผลึกของซิลิกอน ซึ่งมีลักษณะเดียวกับ ผลึกของเพชร ผลึกนี้เป็นสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (intrinsic semiconductor) ซึ่งสามารถนำกระแสได้เล็กน้อย ที่อุณหภูมิห้อง รูป 5 ในที่นี้ต้องการแสดงให้เห็นว่า อะตอมซิลิกอน มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว และใช้ร่วมกับอะตอมที่อยู่ข้างเคียง เกาะกันเป็นพันธะโควาเลนท์ อย่างไร ก็ตาม หากมีอะตอมอื่น แทรกเข้ามาในผลึกซิลิกอน สภาพการใช้อิเล็กตรอนวงนอก ก็จะเปลี่ยนแปลงไป รูป 5 แสดงอิเล็กตรอนวงนอกของธาตุ โบรอน ซิลิกอน และ อันติโมนี หรือ พลวง อิเล็กตรอนวงนอก ของธาตุ จะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางปฏิกริยาเคมีของธาตุนั้น กับธาตุอื่น และกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของธาตุนั้น คุณสมบัติทางไฟฟ้า กำหนดโดย ทฤษฎีแถบพลังงาน (band theory of solids) ซึ่งอธิบายในแง่พลังงานที่อิเล็กตรอนต้องการ ที่จะทำให้หลุดไปจากอะตอม และกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ การโด๊ปสารกึ่งตัวนำ เมื่อเติมสารเจือปนลงไปในผลึก ซิลิกอน หรือ เจอร์มันเนียม เพียงเล็กน้อย จะทำให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของก้อนสารกึ่งตัวนำนั้น เปลี่ยนแปลงไป เกิดเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด N หรือสารกึ่งตัวนำชนิด P Pentavalent impurities ( อิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว) ทำให้เกิดสารกึ่งตัวนำชนิด N ในหน่วยเซลของซิลิกอน มีอิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้นในก้อนสารกึ่งตัวนำ Trivalent impurities ( อิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว) ทำให้เกิดสารกึ่งตัวนำชนิด P ในหน่วยเซลของซิลิกอน การจับคู่ทำให้เกิดช่องว่างที่ขาดอิเล็กตรอน เรียกช่องว่างนี้ว่า โฮล รูป 1 สารกึ่งตัวนำชนิด N และ P เมื่อ โด๊ป ซิลิกอนด้วยอะตอมของพลวง (Sb) จะมีอิเล็กตรอนวงนอก เกินมา 1 ตัว เนื่องจากพลวง มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว ทำให้ สารกึ่ง ตัวนำที่โด๊ปแล้ว มีอิเล็กตรอนอิสระ มาก เรียกสารกึ่งตัวนำนี้ว่า สารกึ่งตัวนำชนิด N รูป 2 แสดงการโด๊ป ซิลิกอนด้วย พลวง และ โบรอน แต่ถ้าโด๊ป ซิลิกอนด้วย โบรอน (B) ซึ่ง มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว อิเล็กตรอนวงนอก ของพันธะโควาเลนท์ ระหว่าง ซิลิกอน กับโบรอน จะรวมกันได้ 7 ตัว ซึ่งยังไม่เสถียร พันธะนี้พร้อมจะรับอิเล็กตรอนภายนอกได้อีก 1 ตัว หากพันธะนี้อยู่ในบริเวณใด พร้อมจะดึงอิเล็กตรอน จากสิ่งแวดล้อมในบริเวณนั้น ได้อีก 1 ตัว เรียกสารกึ่งตัวนำนี้ว่า สารกึ่งตัวนำชนิด P รูป 3 เมื่อเติมสารเจือปน ที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว เช่น พลวง สารหนู หรือ ฟอสฟอรัส ซึ่งจะเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ แก่สารกึ่งตัวนำ ทำให้ความนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ เพิ่มขึ้น การเติมฟอสฟอรัสแก่ สารกึ่งตัวนำ อาจใช้การแพร่ก๊าซ ฟอสฟีน (PH3) ลงไปในผลึกซิลิกอน รูป 4 เมื่อเติมสารที่มีอิเล็กตรอนอิสระ 3 ตัว เช่น โบรอน อลูมิเนียม หรือ แกลเลี่ยม ลงไปในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ พันธะระหว่าซิลิกอน กับสาร ดังกล่าวแล้ว จะมีอิเล็กตรอนวงนอก 7 ตัว เกิดเป็นช่องว่างของอิเล็กตรอน เรียกว่า โฮล (holes) การเติมโบรอน อาจใช้วิธีการแพร่ก๊าซ ไดโบเรน (diborane - B2H6) ลงไปใน ผลึกซิลิกอน รูป 5 รูป 6 เมื่อใช้ทฤษฎี แถบความถี่ (band theory) มาอธิบายการนำกระแสไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำที่โด๊ปแล้ว ได้ว่า อิเล็กตรอนในอะตอมของสารโด๊ป ทำให้ระดับพลังงานของพันธะเพิ่มขึ้น ในสารกึ่งตัวนำชนิด N พลังงานของอิเล็กตรอนวงนอก จะอยู่ด้านบน ของแถบช่องว่างของพลังงาน (band gap) ดังนั้นด้วยพลังงานเพียงเล็กน้อย สามารถจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนมีระดับพลังงานในแถบ นำกระแส (conduction band) รูป 7 แสดงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในสาร N และ โฮล ในสาร P ส่วนในสารกึ่งตัวนำชนิด P โฮล ซึ่งมีระดับพลังงานในแถบช่องว่างของพลังงาน จะดึงอิเล็กตรอน จากแถบพลังงานของ วาเลนซ์ อิเล็กตรอน และทิ้งโฮลไวในวาเลนซ์แบนด์ ได้ รอยต่อ สาร N และ สาร P