วัสดุอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์
วัสดุอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์คือของแข็งที่การตอบสนองทางไฟฟ้า, ไดอิเล็กตริก และทัศนศาสตร์ได้รับการออกแบบอย่างจงใจผ่านองค์ประกอบและโครงสร้างเพื่อใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่ชิปสารกึ่งตัวนำไปจนถึงจอแสดงผลและส่วนประกอบโฟโตนิกส์
Definition
วัสดุอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์คือของแข็งเชิงฟังก์ชันที่มีพฤติกรรมที่เป็นประโยชน์คือการตอบสนองทางไฟฟ้า, ไดอิเล็กตริก หรือทัศนศาสตร์ — การนำไฟฟ้า, การโพลาไรซ์, การเปล่งแสง หรือการแพร่กระจายของแสง — ซึ่งถูกควบคุมผ่านองค์ประกอบ, การเจือสาร และโครงสร้างผลึกของพวกมัน
Scope
สาขานี้ครอบคลุมเคมีของวัสดุที่กำหนดโดยหน้าที่ทางอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์: สารกึ่งตัวนำที่การนำไฟฟ้าถูกปรับโดยการเจือสาร, วัสดุไดอิเล็กตริกและเฟอร์โรอิเล็กตริกที่เก็บประจุและเชื่อมโยงกับสนามไฟฟ้า, และวัสดุเรืองแสงและโฟโตนิกส์ที่ปล่อย, ดูดซับ หรือควบคุมแสง. โดยเชื่อมโยงโครงสร้างแถบพลังงาน, เคมีของข้อบกพร่อง และสมมาตรของผลึกเข้ากับคุณสมบัติของอุปกรณ์ที่วัสดุเหล่านี้มีให้
Sub-topics
Core questions
- การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำถูกควบคุมโดยการเจือสารได้อย่างไร?
- อะไรที่ทำให้วัสดุไดอิเล็กตริกและเฟอร์โรอิเล็กตริกมีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสูงและการโพลาไรซ์ที่สลับได้?
- ของแข็งเปล่งและควบคุมแสงได้อย่างไร?
- องค์ประกอบและโครงสร้างกำหนดหน้าที่ทางอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์ได้อย่างไร?
Key concepts
- การเจือสารและพาหะนำประจุ
- ช่องว่างพลังงานและการดูดกลืนแสง
- สภาพยอมทางไฟฟ้าของไดอิเล็กตริก
- เฟอร์โรอิเล็กตริกและเพียโซอิเล็กตริก
- การเรืองแสง
- โครงสร้างโฟโตนิกส์
Key theories
- การเจือสารและการควบคุมพาหะในสารกึ่งตัวนำ
- การนำสิ่งเจือปนที่เป็นผู้ให้หรือผู้รับเข้าไปในสารกึ่งตัวนำจะเพิ่มอิเล็กตรอนอิสระหรือโฮล ซึ่งความเข้มข้นของสิ่งเหล่านี้จะกำหนดการนำไฟฟ้าและชนิดของพาหะ ทำให้สามารถควบคุมพฤติกรรมทางไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ ซึ่งอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำทั้งหมดขึ้นอยู่กับสิ่งนี้
- การโพลาไรซ์และสมมาตรในออกไซด์เชิงฟังก์ชัน
- การตอบสนองของไดอิเล็กตริก, เพียโซอิเล็กตริก และการสลับเฟอร์โรอิเล็กตริกเกิดขึ้นจากวิธีการที่ประจุเคลื่อนที่ภายใต้สนามไฟฟ้า ซึ่งถูกควบคุมโดยสมมาตรของผลึก; โครงสร้างที่ไม่สมมาตรแบบจุดศูนย์กลาง (non-centrosymmetric) อนุญาตให้เกิดพฤติกรรมแบบมีขั้วที่นำไปใช้ประโยชน์ในตัวเก็บประจุและแอคทูเอเตอร์
Clinical relevance
วัสดุอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์เป็นสารตั้งต้นของเทคโนโลยีสมัยใหม่: สารกึ่งตัวนำก่อตัวเป็นทรานซิสเตอร์และวงจรรวม, ไดอิเล็กตริกและเฟอร์โรอิเล็กตริกสร้างตัวเก็บประจุ, หน่วยความจำ, เซ็นเซอร์ และแอคทูเอเตอร์, และวัสดุเรืองแสงและโฟโตนิกส์ช่วยให้เกิดจอแสดงผล, แสงสว่าง, เลเซอร์ และการสื่อสารด้วยแสง
History
การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ในปี 1947 โดย Bardeen, Brattain และ Shockley ทำให้การเจือสารกึ่งตัวนำที่ควบคุมได้เป็นรากฐานของอิเล็กทรอนิกส์ การพัฒนาควบคู่กันของออกไซด์ไดอิเล็กตริกและเฟอร์โรอิเล็กตริก, สารเรืองแสง และต่อมาสารเปล่งแสงสารกึ่งตัวนำได้ขยายเคมีของของแข็งเชิงฟังก์ชันไปทั่วเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์ที่ตามมา
Key figures
- John Bardeen
- Walter Brattain
- William Shockley
Related topics
Seminal works
- callister2018
- west2014
- kittel2005
Frequently asked questions
- อะไรคือสิ่งที่แยกวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ออกจากของแข็งทั่วไป?
- ของแข็งใดๆ ก็มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทัศนศาสตร์ แต่สำหรับวัสดุอิเล็กทรอนิกส์นั้น คุณสมบัติของมันได้รับการออกแบบอย่างจงใจ — ผ่านองค์ประกอบ, การเจือสาร และโครงสร้าง — เพื่อให้มีฟังก์ชันเฉพาะของอุปกรณ์ เช่น การสลับกระแส, การเก็บประจุ หรือการเปล่งแสง
- ทำไมสมมาตรของผลึกจึงสำคัญมากสำหรับวัสดุเหล่านี้?
- สมมาตรเป็นตัวกำหนดว่าวัสดุสามารถแสดงการตอบสนองแบบใดได้บ้าง ตัวอย่างเช่น เพียโซอิเล็กตริกและเฟอร์โรอิเล็กตริกต้องการโครงสร้างที่ไม่สมมาตรแบบจุดศูนย์กลาง ดังนั้นองค์ประกอบเดียวกันที่จัดเรียงในสมมาตรที่แตกต่างกันจึงสามารถให้พฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์ที่แตกต่างกันมาก