สารกึ่งตัวนำชนิดพีและเอ็น

เมื่อเติมสารเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัวลงในซิลิกอนหรือเยอรมันเนียมบริสุทธิ์ สารจะทำการจับตัวกันด้วยกระบวนการ โควาเลนซ์บอนด์ ซิลิกอนและเยอรมันเนียมมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว สารเจือปนมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว ทำให้รวมแล้วมีวาเลนซ์ อิเล็กตรอน 7 ตัว ขาดไป 1 ตัว เกิดเป็นโฮลขึน ทำให้สามารถรับอิเล็กตรอนได้อีก 1 ตัว สารที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัวเรียกว่า สารเจือปนผู้รับ (acceptor impurity) สารเจือปนแบบนี้ได้แก่ โบรอน อลูมิเนียม แกลเลียม เป็นต้น สารกึ่งตัวนำที่ได้รับการโด็ปโดย สารเจือปนผู้รับจะกลายเป็น สารกึ่งตัวตำชนิดพี ( P-type semicondutor) มีอำนาจทางไฟฟ้าเป็นบวก
เมื่อเติมสารเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวลงในซิลิกอนหรือเยอรมันเนียมบริสุทธิ์ สารจะทำการจับตัวกันด้วยกระบวนการ โควาเลนซ์บอนด์ ซิลิกอนและเยอรมันเนียมมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว สารเจือปนมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว ทำให้รวมแล้วมีวาเลนซ์ อิเล็กตรอน 9 ตัว เกิดอิเล็กตรอนอิสระเหลือ 1 ตัว ทำให้สารกึ่งตัวนำพร้อมจะนำกระแสได้ หากมีพลังงานจากภายนอกกระตุ้นเพียงเล็กน้อย สารเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว เรียกว่า สารเจือปนผู้ให้ (donor impurity) สารเจือปนแบบนี้ได้แก่ สารหนู พลวง ฟอสฟอรัส เป็นต้น สารกึ่งตัวนำที่ได้รับการโด็ปโดยสารเจือปนผู้ให้ จะกลายเป็น สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น ( N-type semicondutor) มีอำนาจทางไฟฟ้าเป็นลบ
พาหะข้างมากและพาหะข้างน้อย
สารกึ่งตัวนำชนิด N มีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระเป็นจำนวนมากกว่าโฮล ส่วนสารกึ่งตัวนำชนิด P มีจำนวนโฮลมากกว่าอิเล็กตรอน อิสระ จำนวนของอิเล็กตรอนอิสระหรือโฮลนี้ เรียกว่า พาหะ (Carrier) ในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ มากกว่าโฮล อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้เรียกว่า พาหะข้างมาก (majority carrier) ส่วนโฮลที่มีจำนวนเพียงเล็กน้อยในเนื้อ สารเรียกว่า พาหะข้างน้อย (minority carrier) ในสารกึ่งตัวนำชนิด P จะมีโฮล เป็นพาหะข้างมาก ส่วนอิเล็กตรอนอิสระจะเป็น พาหะข้างน้อย

                 


รูปแสดงพาหะข้างน้อยและพาหะข้างมากในสารกึ่งตัวนำชนิด N และ P


รอยต่อพี-เอ็น
การนำสารกึ่งตัวนำพีและเอ็นมาเชื่อมต่อกัน ณ จุดที่เชื่อมต่อจะเกิดเป็นรอยต่อที่เรียกว่า รอยต่อพี-เอ็น (P - N junction) อิเล็กตรอนในสารเอ็นจะเคลื่อนที่ไปแทนที่โฮลในสารพีเกิดเป็นช่วงรอยต่อที่เรียกว่า ช่วงดีพลีชั่น (depletion region) และรอยต่อนี้ก็เกิดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น จะมีค่ามากน้อยขึ้นอยู่กับจำนวนประจุที่เกิดขึ้นที่รอยต่อนั้น


รูปแสดงการเกิดช่วงดีพลีชั่นเมื่อนำสารพีและเอ็นมาต่อกัน


การไบแอสสารกึ่งตัวนำพี-เอ็น
เมื่อนำสารพี-เอ็นมาต่อกันเกิดช่วงดีพลีชั่นขึ้น ทำให้ในสภาวะปกติสารกึ่งตัวนำพี-เอ็นนี้จะไม่สามารถนำกระแสได้ เมื่อต้องการ ให้นำกระแสก็ต้องมีพลังงานจากภายนอกจ่ายแรงดันให้แก่สารกึ่งตัวนำนั้น
เริ่มด้วยต่อแรงดันขั้วบวกเข้าที่สารพี และขั้วลบเข้าที่สารเอ็น อิเล็กตรอนจากขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดัน จะผลักอิเล็กตรอน ในสารเอ็นให้เคลื่อนที่ข้ามช่วงดีพลีชั่น ในขณะเดียวกันแรงดันที่จ่ายให้นี้ก็จะทำให้อิเล็กตรอนในสารพีเคลื่อนที่ออกมา และเคลื่อนที่ไป ยังขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดัน ดังนั้นจึงเกิดช่องว่างหรือโฮลขึ้น อิเล็กตรอนจากสารเอ็นจึงสามารถเข้ามารวมได้ทำให้สารกึ่งตัวนำ สามารถนำกระแสได้
การจ่ายแรงดันเข้าที่จุดต่อของสารพี-เอ็นนี้เรียกว่า การไบแอส (bias) ดังนั้นการทำให้สารกึ่งตัวนำพี-เอ็นนำกระแส ได้ต้องต่อขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดันเข้าที่สารพี และขั้วลบเข้าที่สารเอ็นการไบแอสแบบนี้เรียกว่า การไบแอสตรง (forward bias)
ถ้าจ่ายแรงดันสลับขั้วจากเดิมคือ ต่อขั้วบวกเข้าที่สารเอ็น และขั้วลบเข้าที่สารพี จะเรียกว่า ไบแอสกลับ (reverse bisa) เมื่อทำเช่นนี้อิเล็กตรอนที่สารเอ็นจะเคลื่อนที่ออกห่างจากรอยต่อ ในขณะเดียวกันอิเล็กตรอนจากแหล่งจ่ายแรงดันก็จะเข้าไปรวมกับโฮล ในสารพี ยิ่งทำให้ช่วงดีพลีชั่นเพิ่มมากขึ้น อิเล็กตรอนในสารเอ็นไม่สามารถข้ามช่วงดีพลีชั่นที่เพิ่มมากขึ้นไปรวมกับโฮลในสารพีได้ สารกึ่งตัวนำพี-เอ็นจำไม่นำกระแส


รูปแสดงการไหลของกระแสอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำ


ในความเป็นจริงทางปฏิบัติจะมีอิเล็กตรอนบางตัวที่อยู่ใกล้ๆ รอยต่อสามารถข้ามไปรวมกับโฮลในสารพีได้เล็กน้อย ส่งผลให้เกิด กระแสไหลขึ้นเป็นจำนวนน้อยมากๆ นั่นคือเกิดเป็นกระแสรั่วไหลขึ้น (leakage current) การไบแอสกลับหากจ่ากแรงดันสูงมากๆ และจ่าย เป็นระยะเวลานาน ก็จะทำให้สารกึ่งตัวนำนั้นเสียหาย แต่ก็มีการนำการไบแอสกลับนี้ไปใช้กับอุปกรณ์ที่เรียกว่า ซีเนอร์ไดโอด (Zener diode) อันเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมแรงดันให้คงที่

ข้อมูลจาก http://www.geocities.com/sayan_make/semiconductor/intro/pntype.htm