สิ่งประดิษฐ์จากสารกึ่งตัวนำ
ไดโอด โฟโตไดโอด
โฟโตทรานซิสเตอร์ เซลแสงอาทิตย์)
ไดโอดเปล่งแสง (LED) ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์
พลานาร์ทรานซิสเตอร์ ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)
ไดโอด


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

ไดโอดซึ่งทำจากสารกึ่งตัวนำที่มีหัวต่อ PN หนึ่งหัวต่อ ความต้านทานไฟฟ้าของไดโอดนี้จะมี
- ค่าสูงในทิศทางอ้อม
- ค่าต่ำในทิศทางตาม


เมื่อป้อนแรงดันไฟสลับให้ไดโอดด้วยคุณสมบัติข้างต้น กระแสไฟฟ้าจะไหลได้ในทิศทางตามเท่านั้น ไดโอดจึงสามารถดัดกระแสไฟฟ้าได้

เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าในทิศทางตามกระแสไฟฟ้าในทิศทางตามจะเริ่มไหลที่ค่าแรงดันไฟฟ้าค่าหนึ่ง เรียกว่า แรงดันแพร่ซึม ซึ่งมีค่าเฉพาะ (เจอเมเนียมมีค่า ๐.๓ ~ ๐.๔ โวลต์ ซิลิคอนมีค่า ๐.๗ ~ ๐.๘ โวลต์)

กระแสไฟฟ้าในทิศทางย้อนมีค่า ๑ ส่วนใน ๑๐๗ ของกระแสไฟฟ้าในทิศทางตาม จึงมีค่าน้อยมาก แต่ไม่ถึงกับเป็นศูนย์ เหตุผลเพราะในเนื้อสารส่วนที่เป็น P ยังมีอิเล็กตรอน และในเนื้อสารส่วนที่เป็น N ยังมีโฮล พาหะเหล่านี้ยังทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ โดยเคลื่อนที่ผ่านจุดบกพร่องที่มีอยู่ในข่ายผลึกของอะตอม อุณหภูมิยังมีผลต่อกระแสไฟฟ้าในทิศทางย้อนได้ กล่าวคือ กระแสไฟฟ้า จะมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับทิศ (สวิชชิ่ง) จากทิศทางตามเป็นทิศทางย้อน จะเกิดความช้าในการเปลี่ยนทิศขึ้น เนื่องจากว่าที่พาหะในหัวต่อ PN จะหายไปหมดต้องใช้เวลาบ้างนั่นเอง ปรกติสวิชชิ่งไดโอดจะมีค่าเวลานี้ประมาณ 10-8 ~ 10-9 วินาที ซึ่งมีค่าที่น้อยมาก

ไดโอดมีหลายชนิดแล้วแต่การใช้งานเฉพาะที่แตกต่างกัน เช่น
- ซีนเนอร์ไดโอด (ใช้ควบคุมเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้า)
- วาแรคเตอร์ไดโอด (ใช้ปรับความถี่)
- ชอตกี้ไดโอด (การสวิชชิ่งที่มีความเร็วสูง)


นอกจากนี้ยังมีไดโอดที่ใช้งานย่านความถี่ไมโครเวฟ เช่น
- ทันแนลไดโอด
- อิมแพทไดโอด (ใช้ในการกำเนิดและขยายสัญญาณไมโครเวฟ)
- กันน์ไดโอด
โฟโตไดโอด

[ ขยายดูภาพใหญ่ ]
โฟโตไดโอด คือ สิ่งประดิษฐ์รับแสงที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ จะเปลี่ยนสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า เมื่อแสงตกกระทบอิเล็กตรอนที่ยึดติดอยู่กับอะตอมในข่ายผลึกจะแตกหลุด เกิดเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และโฮลอิสระขึ้น อิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้จะเคลื่อนที่เข้าไปในเขตปลอดพาหะเกิดป็นกระแสไฟฟ้าย้อนด้วยปริมาณที่แปรเปลี่ยนตามความเข้มแสง เรียกว่า กระแสโฟโต
โฟโตไดโอดใช้ประโยชน์ในงาน
- วัดความเข้มแสง
- ชัตเตอร์แสง
- กำหนดตำแหน่งของเครื่องมือกล
- การวัดระยะทางไกลด้วยแสงอินฟาเรด
- ตรวจจับสัญญาณแสงที่ความถี่สูง
โฟโตทรานซิสเตอร์

[ ขยายดูภาพใหญ่ ]
โฟโตทรานซิสเตอร์ คือ โพโตไดโอดที่มีการขยายสัญญาณ โดยใช้หัวต่อ PN ที่ประกอบด้วยส่วนที่เป็นเบส และคอลเลคเตอร์เป็นที่รับแสงกระแสโฟโตที่เกิดขึ้นจะไหลไปอี มิตเตอร์ เนื่องด้วยปรากฏการณ์ทรานซิสเตอร์ กระแสอีมิตเตอร์จะมีขนาดเป็นประมาณ ๕๐๐ เท่าของกระแสโฟโตที่เกิดขึ้นในตอนแรกเมื่อถูกแสง
โฟโตทรานซิสเตอร์ใช้ประโยชน์ในงาน
- เครื่องควบคุมแสง
- ตรวจสอบแผ่นการ์ดหรือเทปเจาะรู
- ตัวเชื่อมแสงกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์
เซลล์แสงอาทิตย์


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานเหมือนโฟโตไดโอดเมื่อมีแสงตกกระทบจะเกิดพาหะอิสระขึ้น ข้อแตกต่างคือไม่ต้องป้อนแรงดันไฟฟ้าภายนอกให้กับหัวต่อ PN

อิเล็กตรอนและโฮลจะเกิดขึ้นในเขตปลอดพาหะของหัวต่อ PN สนามไฟฟ้าภายในของเขตปลอดพาหะจะแยกพาหะไฟฟ้าทั้งสองนี้ไปคน ละข้างเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าไหลสู่วงจรภายนอกเซลล์แสงอาทิตย์จึงทำหน้าที่แปรพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า
เซลล์แสงอาทิตย์ใช้ประโยชน์ในงาน
- ผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยประสิทธิภาพ ๑๒% ~ ๕%
- วัดความเข้มแสง
ไดโอดเปล่งแสง (LED)


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

ไดโอดเปล่งแสง คือ ไดโอดที่เปล่งแสงได้โดยเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าให้เป็นแสงที่ตามองเห็นหรือให้เป็นแสงอินฟาเรด
L : Light (แสง)
E : Emitting (เปล่ง)
D : ไดโอด
ไดโอดเปล่งแสงทำจากผลึกสารกึ่งตัวนำที่มีหัวต่อ PN เมื่อมีการป้อนแรงดันไฟฟ้าตามอิเล็กตรอนในส่วนที่เป็น N และโฮลในส่วนที่เป็น P จะเคลื่อนที่เข้าหารอยต่อ อิเล็กตรอนและโฮลจะรวมตัวกัน และปล่อยแสงออกมา ในสภาพการรวมตัวของอิเล็กตรอนอิสระ พลังงานอิสระจะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของแสง
สีของแสงที่เปล่งจะขึ้นกับชนิดของผลึกสารกึ่งตัวนำและชนิดสารเจือปน
นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงินได้โดยใช้สารประกอบกึ่งตัวนำกลุ่ม II-VI ด้วย
ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ใช้เป็นตัวขยายสัญญาณไฟฟ้า หรือทำหน้าที่เป็นสวิช
การทำงานต้องอาศัยประจุไฟฟ้าสองชนิดคือ อิเล็กตรอนและโฮล จึงเรียกว่า ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์
ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์มีโครงสร้าง PNP หรือ NPN
ไพโพลาร์ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยหัวต่อ PN จำนวน ๒ หัวต่อ คือ หัวต่อระหว่างอีมิตเตอร์ - เบส และ เบส - คอลเลคเตอร์
หัวต่อเบส - คอลเลคเตอร์ ถูกไบอัสย้อนด้วยแรงดัน VCB เกิดกระแสคอลเลคเตอร์ IC ซึ่งมีค่าต่ำไหลในวงจรด้านคอลเลคเตอร์
เมื่อไบอัสตามหัวต่ออีมิตเตอร์ - เบสด้วยแรงดัน VEB อิเล็กตรอนจะถูกฉีดจากอีมิตเตอร์สู่เบสเรียกว่า กระแสอีมิตเตอร์ อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งจะไหลเป็นกระแสเบส แต่กระแสส่วนใหญ่ไหลไปถึงหัวต่อเบส - คอลเลคเตอร์ และถูกสนามไฟฟ้าที่เกิดจากไบอัสย้อนกวาดเข้าไปเป็นกระแสคอลเลคเตอร์ จากลักษณะสมบัติเช่นนี้จึงเป็นการใช้กระแสเบสค่าน้อยเพื่อควบคุมกระแสคอลเลคเตอร์ที่มีค่าโต เรียกว่า การขยายสัญญาณกระแส
ในกรณีทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ก็ให้คิดคล้ายกันเพียงเปลี่ยนทิศทางของประจุไฟฟ้า
พลานาร์ทรานซิสเตอร์

[ ขยายดูภาพใหญ่ ]
เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำแบบพลานาร์เป็นวิธีสำคัญในการสร้างทรานซิสเตอร์ไอซีสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำชนิดต่าง ๆ
จุดเด่นของพลานาร์ทรานซิสเตอร์ ได้แก่
- มีการใช้ชั้นซิลิคอนไดออกไซด์ปิดผิวไว้ทำให้มีความเชื่อถือได้สูง
- มีขนาดเล็กจิ๋ว จึงเหมาะกับการใช้งานความถี่สูง
- แว่นผลึก ๑ แผ่น สามารถนำไปทำสิ่งประดิษฐ์ได้มากกว่า ๑๐,๐๐๐ ตัว ทำให้ราคาการผลิตต่อตัวมีค่าต่ำ
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแตกต่างจากไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ที่ใช้การทำงานของพาหะชนิดเดียว อิเล็กตรอน หรือโฮล อย่างหนึ่งอย่างใด จึงเป็นยูนิโพลาร์ทรานซิสเตอร์
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบ่งตามกรรมวิธีการสร้างได้เป็น ๒ ชนิด คือ
- ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบหัวต่อ
- ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบหัวต่อ
เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าตรงแก่ปลายทั้งสองของผลึกสารกึ่งตัวนำชนิด N กระแสอิเล็กตรอนจะไหลจากซอสไปเดรน ช่อง (Channel) ที่อิเล็กตรอน ไหลจะถูกกำหนดด้วยแรงดันไฟลบที่ป้อนให้แก่ส่วน P ที่แพร่ซึมไว้ทั้งสองข้างของช่อง เมื่อแรงดันไฟลบที่เกทมีค่าสูงขึ้น สนามไฟฟ้าจะส่งผลให้เขตปลอดพาหะขยายตัวโตขึ้นบีบให้ช่องไหลของอิเล็กตรอนมีขนาดแคบลง ดังนั้น แรงดันไฟที่เกทจึงสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากซอสไปเดรนได้
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS (MOSFET)
MOSFET มาจาก
M : Metal (โลหะ)
O : Oxide (ออกไซด์)
S : Semiconductor (สารกึ่งตัวนำ)
F : Field (สนามไฟฟ้า)
E : Effect (ผล)
T : Transistor (ทรานซิสเตอร์)
เป็นทรานซิสเตอร์ ที่ใช้หลักการทำงานที่แรงดันเกทควบคุมสภาพการนำไฟฟ้าที่ชั้นบาง ๆ ที่บริเวณผิวของผลึกสารกึ่งตัวนำ
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS มีส่วนสำคัญในการพัฒนาไอซีที่มีขนาดใหญ่ (LSI) ตัวอย่าง มอสทรานซิสเตอร์ชนิด P ชัลแนล (แบบเอนฮันสเมนท์)
เมื่อแรงดันเกทเป็น ๐ กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลจากซอสไปเดรนได้ เมื่อมีแรงดันไฟลบที่เกท อิเล็กตรอนจะถูกกดให้เคลื่อนห่างผิวในขณะที่โฮลจะถูกดึงให้เคลื่อนใกล้ผิว เกิดเป็นชั้น P บาง ๆ ที่สามารถนำไฟฟ้าได้ เกิดกระแสไฟฟ้าไหลจากซอส (ชนิด P) ผ่านช่อง (ชนิด P) ไปยังเดรน (ชนิด P) ได้ กระแสไฟฟ้านี้จึงถูกควบคุมปริมาณด้วยแรงดันเกท