สารกึ่งตัวนำ – คำจำกัดความ ประเภท และการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่

เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?

สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้ในระดับจำกัด โดยมีคุณสมบัติพิเศษคือสามารถควบคุมและปรับเปลี่ยนการนำไฟฟ้าได้โดยการนำ สารเจือปนที่เหมาะสมหรือเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขภายนอก เช่น อุณหภูมิ แรงดัน หรือสนามไฟฟ้า ในสภาวะปกติ สารกึ่งตัวนำจะทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้า แต่ในบางสถานการณ์ สารกึ่งตัวนำสามารถนำไฟฟ้าได้ ทำให้สารกึ่งตัวนำเหล่านี้มีความจำเป็นในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุสารกึ่งตัวนำที่พบมากที่สุดคือ ซิลิกอน (Si) และ เจอร์เมเนียม (Ge) แม้ว่าจะมีสารประกอบอื่นๆ อีกมากมายที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) วัสดุเหล่านี้ใช้ในการผลิต ชิ้นส่วนสารกึ่งตัวนำ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และวงจรรวม ซึ่งเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีสมัยใหม่

สารกึ่งตัวนำเจือปนและประเภทของสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำธรรมชาติ เช่น ซิลิกอนบริสุทธิ์ ไม่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเพียงพอสำหรับใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ เพื่อเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้า จึงใช้กระบวนการเจือปนสาร ซึ่งก็คือ การนำ ธาตุเคมี อื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อยใส่เข้าไปในโครงสร้างสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำที่ผ่าน การเจือปนสารสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทหลัก ขึ้นอยู่กับประเภทของสารเจือปน:

• สารกึ่งตัวนำชนิด N เกิดจากการเติมธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนสูงกว่า เช่น ฟอสฟอรัสหรือสารหนูลงในสารกึ่งตัวนำ การเติมสารเจือปนเหล่านี้เข้าไปจะทำให้มีอิเล็กตรอนส่วนเกินที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในวัสดุ ทำให้มีสภาพการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น
• สารกึ่งตัวนำชนิด P เกิดจากการเติมธาตุที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่า เช่น โบรอนหรืออะลูมิเนียมลงในสารกึ่งตัวนำ สารเจือปนเหล่านี้จะสร้างสิ่งที่เรียกว่าหลุมอิเล็กตรอน ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุบวก และยังช่วยปรับปรุงสภาพการนำไฟฟ้าของวัสดุอีกด้วย

เซมิคอนดักเตอร์ชนิดพิน

สารกึ่งตัวนำประเภทหนึ่งที่ก้าวหน้ากว่าคือ สารกึ่ง ตัวนำชนิดพิน ซึ่งเป็นโครงสร้างพิเศษที่ประกอบด้วยสามชั้น ได้แก่ ชั้นชนิดพีที่ถูกเจือปน ชั้นที่ไม่ได้เจือปน (i) และชั้นที่ถูกเจือปนประเภท n โครงสร้างชนิดพินใช้ในส่วนประกอบต่างๆ เช่น ไดโอดพิน โฟโตดีเทกเตอร์ และทรานซิสเตอร์กำลังไฟฟ้า เนื่องจากช่วยให้ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าได้ดีขึ้นและมีความต้านทานต่อการพังทลายสูง

การประยุกต์ใช้งานของสารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำถือเป็น รากฐานของอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ คุณสมบัติในการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ ทำให้สารกึ่งตัวนำสามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้แทบทุกชนิด ตัวอย่างที่สำคัญ ได้แก่:

• ทรานซิสเตอร์ – ส่วนประกอบขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือเครื่องขยายสัญญาณในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยทรานซิสเตอร์ทำให้สามารถสร้างวงจรลอจิกซึ่งเป็นพื้นฐานของคอมพิวเตอร์และไมโครโปรเซสเซอร์ได้
• ไดโอด – ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่นำกระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียว ใช้ในวงจรเรียงกระแส รวมถึงในเทคโนโลยี LED เช่น ไดโอดเปล่งแสง
• วงจรรวม – ระบบที่ซับซ้อนที่ประกอบด้วยส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก (ทรานซิสเตอร์ ไดโอด) ซึ่งทำหน้าที่เป็นหัวใจของคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ

นอกจากนี้ เซมิคอนดักเตอร์ยังมีการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีโฟโตวอลตาอิคส์ โดยใช้ใน การแปลงแสงแดดให้เป็นไฟฟ้า ใน แผงโซลาร์เซลล์

ประเภทของสารกึ่งตัวนำและความสำคัญ

สารกึ่งตัวนำสามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มหลัก ได้แก่ สารกึ่งตัวนำพื้นฐาน และ สารกึ่งตัวนำประกอบ สารกึ่งตัวนำพื้นฐานเป็นวัสดุที่มีส่วนประกอบเดียว เช่น ซิลิกอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) ในทางตรงกันข้าม สารกึ่งตัวนำประกอบประกอบด้วยธาตุสองชนิดขึ้นไป เช่น แกเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีวิทยุและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ สารกึ่งตัวนำแต่ละประเภทเหล่านี้มีคุณสมบัติเฉพาะของตัวเองที่สำคัญสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ซิลิกอนเป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันทั่วไปที่สุดใน การผลิตวงจรรวม ในขณะที่แกเลียมอาร์เซไนด์ใช้ในอุปกรณ์ความถี่สูง เช่น จานดาวเทียมและเรดาร์

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องใช้ สารเคมีคุณภาพสูง และกระบวนการทางเทคโนโลยีขั้นสูง บทบาทสำคัญในการผลิตวัสดุเหล่านี้คือ กลุ่ม PCC ซึ่งนำเสนอ สารเคมี ที่จำเป็นสำหรับกระบวนการทางเทคโนโลยีมากมาย เช่น การทำให้บริสุทธิ์และการทำให้เซมิคอนดักเตอร์มีความบริสุทธิ์ที่เหมาะสม ความบริสุทธิ์และคุณภาพของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิกอน มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและความเสถียรของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้น สุดท้าย กลุ่ม PCC จัดหาสารเคมีที่ใช้ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งใช้สำหรับการผลิตเวเฟอร์ซิลิกอน การเจือวัสดุ และการทำความสะอาดพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ ด้วยเทคโนโลยีขั้นสูงและโซลูชันที่เป็นนวัตกรรม กลุ่ม PCC สนับสนุนการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยและมีส่วนสนับสนุนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีทั่วโลก

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่ง เกี่ยวข้องกับขั้นตอนทางเทคโนโลยีมากมาย ขั้นตอนแรกคือการได้รับซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งจากนั้นจะถูกสร้างเป็นสิ่งที่เรียกว่าโมโนคริสตัลซิลิคอน จากนั้นโมโนคริสตัลเหล่านี้จะถูกตัดเป็นแผ่นบางๆ ที่เรียกว่าเวเฟอร์ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับขั้นตอนการผลิตต่อไป ขั้นตอนต่อไปคือการเจือปนสาร เช่น การใส่สารเจือปน เช่น โบรอนหรือฟอสฟอรัสลงในโครงสร้างซิลิคอนเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า จากนั้นเซมิคอนดักเตอร์จะถูกสร้างเป็นส่วนประกอบเฉพาะ เช่น ทรานซิสเตอร์หรือไดโอด โดยใช้เทคนิคโฟโตลิโทกราฟีที่แม่นยำ ในที่สุด เซมิคอนดักเตอร์จะถูกประกอบเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่ เช่น โปรเซสเซอร์หรือหน่วยความจำ ซึ่งใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด เซมิคอนดักเตอร์มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีสมัยใหม่ ความสามารถในการนำไฟฟ้าในลักษณะที่ควบคุมได้ทำให้เซมิคอนดักเตอร์มีความจำเป็นอย่างยิ่งในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่หลากหลาย เช่น ซิลิคอน เจอร์เมเนียม หรือแกลเลียมอาร์เซไนด์ และกระบวนการผลิตขั้นสูง ทำให้สามารถสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้ ในฐานะผู้จัดหาสารตั้งต้นทางเคมีสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ กลุ่มบริษัท PCC มีส่วนสนับสนุนการพัฒนาภาคส่วนนี้ด้วยการสนับสนุนกระบวนการทางเทคโนโลยีที่จำเป็นในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์คุณภาพสูง