อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานซึ่งประดิษฐ์ขึ้นจากสารกึ่งตัวนำได้แก่ ไดโอด (diode) ไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์ (BJT) ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET) และออปแอมป์ (Op-Amp)

สารกึ่งตัวนำ (Semiconductors)

วัสดุ ในโลกสามารถจัดประเภทตามคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้เป็น 3 กลุ่มได้แก่ ฉนวน สารกึ่งตัวนำ และตัวนำ

ฉนวน (Insulator) ช่องว่างพลังงานกว้าง (มากกว่า 5 eV) และไม่นำไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น แก้ว พลาสติก เซรามิก

สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ช่องว่างพลังงานแคบ นำไฟฟ้าเมื่อถูกควบคุมโดยการผสมสารเจือปน ตัวอย่างเช่น ซิลิคอน (Si) และ เยอรมันเนียม (Ge)

ตัวนำ (Conductor) แถบพลังงานเหลื่อมซ้อนกัน และนำไฟฟ้าได้ดี

พลังงานของอิเล็กตรอน W=qV ; 1 eV = 1.6x10-19 J

ซิลิคอนบริสุทธิ์ (intrinsic silicon)

ผลึกของซิลิคอนบริสุทธิ์ ซิลิคอนเป็นธาตุหมู่ 4 (มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด หรือ วาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว) เมื่อเรียงตัวเป็นผลึก อะตอมของซิลิคอนจะยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโควาเลนท์ ซึ่งเกิดขึ้นจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันกันอะตอมข้างเคียง 4 ตัว เสมือนว่าแต่ละตัวมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดครบ 8 ตัว

ผลของอุณหภูมิ ผลึกจะมีเสถียรภาพมากที่สุด เมื่ออยู่ในอุณหภูมิ 0 เคลวิน แต่เมื่อผลึกได้รับความร้อน จะเกิดคู่อิเล็กตรอน-โฮล (electron-hole pair) ขึ้นมา

การกำเนิดและกลับรวมกันใหม่ของคู่อิเล็กตรอน-โฮล (electron-hole pair generation and recombination) 

ซิลิคอนบริสุทธ์ในสภาวะเสถียร ที่อุณหภูมิ 0 เคลวิน วาเลนซ์อิเล็กตรอนทุกตัวอยู่ในแถบวาเลนซ์ ซึ่งเป็นแถบของระดับพลังงานวงนอกสุดของอะตอมซิลิคอน ส่วนแถบความนำนั้นว่างจากอิเล็กตรอนใดๆ

การกำเนิดคู่อิเล็กตรอน-โฮล วาเลนซ์อิเล็กตรอนที่ได้รับความร้อนจะเลื่อนระดับพลังงานขึ้นไปอยู่ในแถบความนำกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ

การกลับรวมกันใหม่ อิเล็กตรอนอิสระในบางครังจะคายพลังงานออกมาแล้วเลื่อนระดับลงมารวมตัวกับโฮล กลายเป็นวาเลนซ์อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์อย่างเดิม

การกำเนิดและกลับรวมกันใหม่
ในซิลิคอนบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิห้อง

ที่อุณหภูมิห้อง วาเลนซ์อิเล็กตรอนของซิลิคอนได้รับความร้อนจากสภาวะแวดล้อม ทำให้เกิดการกำเนิดคู่อิเล็กตรอน-โฮลจำนวนหนึ่ง ขณะเดียวกันก็เกิดการกลับรวมกันใหม่อย่างสมดุลกัน เมื่อเกิดคู่อิเล็กตรอน-โฮล อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่อย่างอิสระไปในผลึกอย่างไร้ทิศทาง

จำนวนคู่อิเล็กตรอน-โฮล จำนวนคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดขึ้นแปรผันตรงกับอุณหภูมิ

กระแสอิเล็กตรอน (electron current)
ในซิลิคอนบริสุทธิ์

ผลของสนามไฟฟ้า เมื่อป้อนสนามไฟฟ้าตกคร่อมผลึกของซิลิคอนที่อุณหภูมิห้อง จะทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนเข้าหาขั้วบวกกิดเป็นกระแสอิเล็กตรอนขึ้น

ในกรณีนี้โฮลที่อยู่ในแถบวาเลนซ์จะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้กระแสโฮล (hole current)
ในซิลิคอนบริสุทธิ์

การเลื่อนของวาเลนซ์อิเล็กตรอน แม้ว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอนจะไม่สามารถเคลื่อนที่ภายในผลึกซิลิคอนบริสุทธ์ได้อย่างอิสระ แต่สามารถเลื่อนไปรวมตัวกับโฮลของอะตอมใกล้เคียงกันได้ เมื่อวาเลนซ์อิเล็กตรอนเลื่อนไปยังอะตอมใกล้เคียง อะตอมต้นทางจะเกิดโฮลขึ้น

การเคลื่อนที่เสมือนของโฮล เมื่อเกิดโฮลขึ้น วาเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมใกล้เคียงอีกอะตอมหนึ่งจะเคลื่อนเข้ามาแทนที่ ทำให้ดูเสมือนว่าโฮลกำลังเคลื่อน

การดัดแปลงสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ให้เป็น
สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (มีอิเล็กตรอนมาก)

• n      ซิลิคอนบริสุทธิ์
  ณ อุณหภูมิ 0 เคลวิน วาเลนซ์อิเล็กตรอนถูกแบ่งใช้กับอะตอมเพื่อนบ้านหมด
  (ไม่นำไฟฟ้า)
• n      เจือปนด้วยฟอสฟอรัส
  อะตอมฟอสฟอรัสเข้าไปแทน ที่อะตอมซิลิคอนในบางตำแหน่งของผลึกโดยแบ่งใช้
  วาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัวกับเพื่อนบ้านที่เป็นซิลิคอน เหลือ1 ตัวเป็นอิสระ(เกิดกระแสอิเล็กตรอนได้ - จึงนำไฟฟ้า)