เคมีของวัสดุสารกึ่งตัวนำ

เคมีของวัสดุสารกึ่งตัวนำศึกษาของแข็งที่มีสภาพนำไฟฟ้าระหว่างโลหะและฉนวน และสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำด้วยองค์ประกอบและการเจือสาร ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้สร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์

Definition

สารกึ่งตัวนำคือของแข็งที่มีช่องว่างพลังงานปานกลาง ซึ่งสภาพนำไฟฟ้าสามารถควบคุมได้ในช่วงหลายอันดับของขนาดด้วยอุณหภูมิและโดยเฉพาะอย่างยิ่งการเจือสาร; เคมีของวัสดุสารกึ่งตัวนำศึกษาองค์ประกอบ, ข้อบกพร่อง, และการเตรียมของแข็งดังกล่าว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีของของแข็งสารกึ่งตัวนำ: ช่องว่างพลังงานที่กำหนดสารกึ่งตัวนำ, การนำไฟฟ้าแบบอินทรินซิกเทียบกับเอ็กซ์ทรินซิก, และการเจือสารกึ่งตัวนำธาตุ เช่น ซิลิคอนและเจอร์เมเนียมด้วยสารให้และสารรับอิเล็กตรอน นอกจากนี้ยังครอบคลุมสารกึ่งตัวนำเชิงประกอบ — ตระกูล III-V และ II-VI — ซึ่งมีช่องว่างพลังงานโดยตรงที่ปรับแต่งได้เหมาะสำหรับการเปล่งแสง และวิธีการทำให้บริสุทธิ์, การเติบโตของผลึก, และการสะสมฟิล์มบางที่ผลิตวัสดุเกรดอุปกรณ์

Core questions

• ช่วงช่องว่างพลังงานใดที่กำหนดสารกึ่งตัวนำ?
• สารเจือแบบให้และสารเจือแบบรับควบคุมสภาพนำไฟฟ้าและชนิดของพาหะได้อย่างไร?
• สารกึ่งตัวนำเชิงประกอบขยายช่วงของช่องว่างพลังงานที่มีอยู่ได้อย่างไร?
• วัสดุสารกึ่งตัวนำเกรดอุปกรณ์ถูกทำให้บริสุทธิ์และเติบโตได้อย่างไร?

Key concepts

• ช่องว่างพลังงาน (Band gap)
• สารกึ่งตัวนำอินทรินซิกและเอ็กซ์ทรินซิก
• การเจือสารแบบให้และแบบรับ
• สารประกอบ III-V และ II-VI
• ช่องว่างพลังงานโดยตรงและโดยอ้อม
• การเติบโตของผลึกและการทำให้บริสุทธิ์

Key theories

การนำไฟฟ้าแบบอินทรินซิกและเอ็กซ์ทรินซิก

ในสารกึ่งตัวนำอินทรินซิก การนำไฟฟ้าอาศัยคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลที่สร้างขึ้นด้วยความร้อนข้ามช่องว่างพลังงาน การเจือสารด้วยอะตอมผู้ให้หรือผู้รับจะเพิ่มสถานะตื้นที่จัดหาพาหะที่มีเครื่องหมายที่เลือก ทำให้สภาพนำไฟฟ้าสามารถควบคุมได้ด้วยองค์ประกอบ

สารกึ่งตัวนำเชิงประกอบและการออกแบบช่องว่างพลังงาน

การรวมธาตุจากหมู่ III และ V หรือ II และ VI ทำให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานและไม่ว่าจะเป็นแบบโดยตรงหรือโดยอ้อมที่สามารถปรับแต่งได้ด้วยองค์ประกอบ ทำให้สามารถออกแบบวัสดุที่ตรงกับฟังก์ชันอิเล็กทรอนิกส์และการเปล่งแสงที่เฉพาะเจาะจง

Mechanisms

สารเจือแบบให้ (donor dopants) จะวางอิเล็กตรอนไว้ใต้แถบนำไฟฟ้าเล็กน้อย และสารเจือแบบรับ (acceptors) จะวางโฮลไว้เหนือแถบวาเลนซ์เล็กน้อย ดังนั้นพลังงานความร้อนเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้อิเล็กตรอนหรือโฮลแตกตัวเป็นไอออนและกำหนดความเข้มข้นของพาหะได้ การรวมตัวกันใหม่ของพาหะข้ามช่องว่างพลังงานโดยตรงจะเปล่งแสงออกมา ซึ่งเป็นพื้นฐานของแหล่งกำเนิดแสงสารกึ่งตัวนำ

Clinical relevance

วัสดุสารกึ่งตัวนำเป็นรากฐานของไมโครอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์: ซิลิคอนเจือสารใช้ทำทรานซิสเตอร์และวงจรรวม, สารกึ่งตัวนำเชิงประกอบใช้ทำไดโอดเปล่งแสง, เลเซอร์ไดโอด, และโฟโตดีเทคเตอร์, และความบริสุทธิ์และความสมบูรณ์ของผลึกที่ได้จากการทำเคมีอย่างระมัดระวังเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของอุปกรณ์

History

ความเข้าใจเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำตกผลึกขึ้นมาจากการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ในปี 1947 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเจือสารซิลิคอนและเจอร์เมเนียมที่ควบคุมได้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่สลับและขยายสัญญาณได้ การพัฒนาการหลอมแบบโซนและการเติบโตของผลึกเดี่ยวได้ให้วัสดุบริสุทธิ์พิเศษ และสารกึ่งตัวนำเชิงประกอบได้ขยายขอบเขตไปสู่การเปล่งแสงและอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง

Key figures

• William Shockley
• John Bardeen
• Walter Brattain

Seminal works

• callister2018
• kittel2005

Frequently asked questions

การเจือสารเปลี่ยนผลึกที่ดูเหมือนฉนวนให้กลายเป็นตัวนำที่มีประโยชน์ได้อย่างไร?

การเติมธาตุจำนวนเล็กน้อยที่มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์มากกว่าหรือน้อยกว่าธาตุเจ้าบ้านหนึ่งตัว จะนำระดับพลังงานตื้นเข้ามาใกล้ขอบแถบพลังงาน สิ่งเหล่านี้จะปล่อยอิเล็กตรอนหรือโฮลที่สามารถกระตุ้นได้ง่าย ทำให้สภาพนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหลายอันดับของขนาด และกำหนดว่าการนำไฟฟ้าเกิดจากพาหะประจุลบหรือประจุบวก

เหตุใดอุปกรณ์เปล่งแสงจึงใช้สารกึ่งตัวนำเชิงประกอบแทนซิลิคอน?

ซิลิคอนมีช่องว่างพลังงานโดยอ้อม ดังนั้นการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอน-โฮลจึงไม่ค่อยเปล่งโฟตอน สารกึ่งตัวนำเชิงประกอบหลายชนิดมีช่องว่างพลังงานโดยตรง ซึ่งการรวมตัวกันใหม่จะผลิตแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับไดโอดเปล่งแสงและเลเซอร์ไดโอด