|
เช่น ซิลิกอน หรือเยอรมันเนียม เพื่อให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์นี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ สารกึ่งตัวนำประเภทเอ็น (N-Type) และสารกึ่งตัวนำประเภทพี (P-Type)
==
== สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์<ref name=":0">นิพนธ์ ตั้งประเสริฐ. (2542). ฟิสิกส์ว่าด้วยของแข็ง2. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ. มหาวิทยาลัยรามคำแหง.</ref>==
สารกึ่งตัวนำที่นำมาใช้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ คือ ซิลิกอน (Si) และเจอเมเนียม (Ge) ธาตุทั้งสองอยู่ในแถวที่ 4 ของตารางธาตุ มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว ในสภาวะปกติอยู่ในรูปผลึกเรียงตัวแบบเตตระฮีดรอล (tetrahedral) อะตอมตัวหนึ่งของสารกึ่งตัวนำจะจับกับอะตอมอื่นอีก 4 อะตอม การรวมตัวกันโดย[[พันธะโควาเลนต์]] คือใช้วาเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน จึงเหมือนกับว่าอะตอมหนึ่งของสารกึ่งตัวนำมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 8 ตัว วาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว เป็นของอะตอมสารกึ่งตัวนำในอะตอมนั้น ส่วนวาเลนซ์อิเล็กตรอนอีก 4 ตัว ใช้ร่วมกับอะตอมอื่น ดังนั้น[[อิเล็กตรอน]]ของสารกึ่งตัวนำจึงยึดแน่นกับอะตอมมาก สารกึ่งตัวนำจึงเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี อย่างไรก็ตามเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อิเล็กตรอนได้รับ[[พลังงานความร้อน]]หลุดจากอะตอมได้บ้าง ทำให้พบอิเล็กตรอนในแถบพลังงานนำ สารกึ่งตัวนำจึงนำไฟฟ้าได้ การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำจะขึ้นกับอุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิสูงอิเล็กตรอนในแถบนำมากจะนำไฟฟ้าได้ดี ถ้าอุณหภูมิต่ำจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี
เมื่ออิเล็กตรอนหลุดจากอะตอม ทำให้พันธะโควาเลนซ์เกิดช่องว่างขึ้น อิเล็กตรอนจากที่อื่นสามารถเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่ได้มีลักษณะคล้ายกับหลุมที่อิเล็กตรอนอาจจะตกลงไป จึงเรียกช่องว่างนี้ว่า [[โฮล]] (Hole) ถ้าหากว่าอิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียงมีพลังงานเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่โฮล อิเล็กตรอนข้างเคียงก็จะเกิดโฮลขึ้น คล้ายกับว่าโฮลเคลื่อนจากอะตอมเดิมไปยังอะตอมข้างเคียง ถ้ายังมีอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเคลื่อนเข้ามาแทนที่โฮลต่อเนื่องกันหลาย ๆอะตอม โฮลจะเคลื่อนที่ไปตามอะตอมเหล่านั้น เนื่องจากอะตอมที่เกิดโฮลมีสภาพเป็นบวกเพราะขาดอิเล็กตรอน โฮลจึงเป็นตัวพาประจุบวกในสารกึ่งตัวนำ ซึ่งในสารกึ่งตัวนำนี้จะมีตัวพาประจุ 2 ชนิด คืออิเล็กตรอนพาประจุลบ และโฮลพาประจุบวก
=== การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ ===
ในสารกึ่งตัวนำมีพาหะของประจุอยู่ 2 ชนิด คือ อิเล็กตรอนและโฮล ความหนาแน่นกระแสจะขึ้นกับปริมาณพาหะทั้ง 2 ชนิด ดังนั้น
<math>J = (n\mu_n +p\mu_p)eE = \sigma E</math>
เมื่อ
* n = จำนวนอิเล็กตรอน
* p = จำนวนโฮล
*<math>\mu_i</math> = ความคล่องตัวของอิเล็กตรอน
*<math>\mu_p</math> = ความคล่องตัวของโฮล
ดังนั้น
<math>\sigma = (n\mu_n + p\mu_p)e</math>
ในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (pure semi-conductor, intrinsic semiconductor) จำนวนโฮลเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน เพราะว่า โฮลเกิดจากการแตกตัวของอิเล็กตรอนจากอะตอม
<math>n = p = n_i</math>
เมื่อ <math>n_i</math> = ปริมาณพาหะ (โฮล หรือ อิเล็กตรอน) ในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์
=== ความหนาแน่นของพาหะในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ===
จากสถิติ[[เฟอร์มี-ดิแรค]]
<math>f(E) = \frac{1}{1+e^\frac{(E-E_f)}{kT}}</math>
และจำนวนอิเล็กตรอนต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร
<math>dN = \frac{m}{h^3} \sqrt{2mE}8\pi dE</math>
จำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมด
<math>\int\limits_{0}^{E_f} dN = n \longrightarrow n = \int\limits_{0}^{E'} \frac{\frac{m}{h^3}\sqrt{2mE}8\pi dE}{1 + e^\frac{(E-E_f)}{kT}}</math>
เมื่อ E' = พลังงานที่ชอบบนของแถบนำ
เนื่องจาก <math>(E - E_f)/kT </math> มากกว่า 1 มาก ดังนั้น เราอาจประมาณว่า
<math>\frac{1}{1+e^\frac{(E-E_f)}{kT}} \thickapprox e^-\frac{(E-E_f)}{kT}</math>
ดังนั้น
<math>n = \int\limits_{0}^{\infty} \frac{m}{h^3}\sqrt{2mE}8\pi e^-\frac{(E-E_f)}{kT} dE</math>
จำนวนโฮล หาได้จาก
<math>p = \int\limits_{0}^{E_v} \frac{m}{h^3}\sqrt{2mE}8\pi e^-\frac{(E-E_f)}{kT} dE</math>
หลังจากอินทิเกรตจะได้
<math>n_1 = 2\biggl(\frac{2\pi m_n kT}{h^2}\biggr)^\frac{3}{2} e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}
= N_c e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}</math>
<math>p_1 = n_1 = 2\biggl(\frac{2\pi m_p kT}{h^2}\biggr)^\frac{3}{2} e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}
= N_v e^-\tfrac{(E_f-E_v)}{kT}</math>
เมื่อ <math>N_c,N_v</math> = ความหนาแน่นของสเตทในแถบนำและแถบวาเลนซ์
<br />
== สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์<ref name=":0" />==
ปริมาณอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดจากพลังงานความร้อนและแสงสว่าง ยังคงมีจำนวนน้อยเกินไป ทำให้สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้ไม่ดีเท่าที่ควร ในทางปฏิบัติจะเติมอะตอมอื่นที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 หรือ 5 ลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ เพื่อทำให้ปริมาณอิเล็กตรอนหรือโฮลเพิ่มขึ้น อะตอมที่เติมลงไปมีชื่อว่า อะตอมสารเจือ (impurity atom) การเติมสารเจือ เรียกว่าการโด๊ป (Doping) สารกึ่งตัวนำที่มีอะตอมสารเจือ เจือปนอยู่ เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ (extrinsic semiconductor) หรือสารกึ่งตัวนำสารเจือ (doping semiconductor)
| 