ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนคือ ตัวนำมีค่าการนำไฟฟ้าสูงและสารกึ่งตัวนำแสดงค่าการนำไฟฟ้าระดับกลาง ในขณะที่ฉนวนแสดงค่าการนำไฟฟ้าเล็กน้อย
ตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ และฉนวนเป็นสามประเภทที่เราสามารถจัดหมวดหมู่วัสดุใดๆ ขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้า
คอนดักเตอร์คืออะไร
ตัวนำหรือตัวนำไฟฟ้าเป็นวัตถุในงานวิศวกรรมไฟฟ้าที่อนุญาตให้มีการไหลของประจุในทิศทางเดียวหรือมากกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่งวัสดุตัวนำสามารถนำกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเองได้ตัวนำไฟฟ้าที่พบมากที่สุดคือโลหะและวัตถุที่เป็นโลหะ ในวัสดุเหล่านี้ กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นจากการไหลของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ รูที่มีประจุบวก และบางครั้งเกิดจากการมีไอออนบวกและประจุลบ
ที่สำคัญกว่านั้น เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องเดินทางจากไซต์ที่ผลิตกระแสไฟฟ้าไปยังไซต์ที่มีการใช้กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น ในที่นี้ อนุภาคที่มีประจุมักจะสะกิดพลังงานให้เพื่อนบ้านในปริมาณที่จำกัด และสิ่งนี้เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาลูกโซ่ระหว่างอนุภาคที่อยู่ใกล้เคียง โดยที่อนุภาคที่ปลายโซ่ดันพลังงานเข้าไปในวัตถุของผู้บริโภค ดังนั้นเราจึงสามารถสังเกตการถ่ายโอนโมเมนตัมแบบยาวระหว่างผู้ให้บริการที่ชาร์จมือถือได้
รูปที่ 01: ตัวนำไฟฟ้า
เมื่อพิจารณาข้อเท็จจริงสำคัญสองประการเกี่ยวกับความต้านทานและการนำไฟฟ้าเกี่ยวกับตัวนำ ความต้านทานจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุและขนาดของวัสดุ ในขณะที่ค่าการนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความต้านทาน นอกจากนี้อุณหภูมิของตัวนำยังมีผลกระทบอย่างมากต่อสิ่งนี้ ไม่เพียงแต่โลหะเท่านั้น แต่ยังสามารถมีรูปแบบอื่นๆ ของตัวนำได้เช่นกัน ซึ่งรวมถึงอิเล็กโทรไลต์ เซมิคอนดักเตอร์ ตัวนำยิ่งยวด สถานะพลาสมา และตัวนำที่ไม่ใช่โลหะ รวมถึงกราไฟต์
เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร
เซมิคอนดักเตอร์คือวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่อยู่ระหว่างการนำของตัวนำและฉนวน ที่สำคัญกว่านั้น สภาพต้านทานของวัสดุเหล่านี้มักจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ เราสามารถเปลี่ยนแปลงค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์โดยการแนะนำสิ่งเจือปน (กระบวนการนี้มีชื่อว่า “ยาสลบ”) ให้กับโครงสร้างผลึกของวัสดุดังนั้นเราจึงสามารถนำสื่อเหล่านี้ไปประยุกต์ใช้ต่าง ๆ ได้อย่างมีความสำคัญมาก
สองบริเวณที่มีโครงสร้างเจือต่างกันซึ่งเกิดขึ้นในโครงสร้างผลึกเดียวกันจะสร้างจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ รอยต่อเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับพฤติกรรมของตัวพาประจุในไดโอด ทรานซิสเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่อื่นๆ
ตัวอย่างทั่วไปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ ซิลิกอน เจอร์เมเนียม แกลเลียมอาร์เซไนด์ และธาตุเมทัลลอยด์ วัสดุทั่วไปที่ใช้สำหรับการสร้างเซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ เลเซอร์ไดโอด เซลล์แสงอาทิตย์ วงจรรวมความถี่ไมโครเวฟ ฯลฯ เป็นซิลิกอนและเจอร์เมเนียม
รูปที่ 02: เซมิคอนดักเตอร์ – ซิลิคอน
หลังจากกระบวนการเติมสาร จำนวนตัวพาประจุในโครงสร้างผลึกจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในเซมิคอนดักเตอร์อาจมีรูอิสระหรืออิเล็กตรอนอิสระที่ช่วยในการนำไฟฟ้า หากวัสดุมีรูว่างมากกว่า เราจะเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ "p-type" และหากมีอิเล็กตรอนอิสระ ก็จะเป็นของ "n-type" ในระหว่างกระบวนการเติมสาร เราสามารถเพิ่มวัสดุต่างๆ เช่น องค์ประกอบทางเคมีเพนตาวาเลนต์ ซึ่งรวมถึงพลวง ฟอสฟอรัส หรือสารหนู หรืออะตอมไตรวาเลนต์ เช่น โบรอน แกลเลียม และอินเดียม นอกจากนี้เรายังสามารถเพิ่มการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ได้ด้วยการเพิ่มอุณหภูมิ
ฉนวนคืออะไร
ฉนวนเป็นวัสดุที่ไม่สามารถนำกระแสไฟฟ้าไหลได้อย่างอิสระ เนื่องจากอะตอมของวัสดุประเภทนี้มีอิเล็กตรอนที่เกาะติดกับอะตอมอย่างแน่นหนาและไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ในทันที เมื่อพิจารณาถึงคุณสมบัติของความต้านทาน ความต้านทานจะสูงมากเมื่อเทียบกับตัวนำและเซมิคอนดักเตอร์ อโลหะเป็นตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของฉนวน
อย่างไรก็ตาม ไม่มีฉนวนที่สมบูรณ์แบบ เพราะมีประจุมือถือจำนวนเล็กน้อยที่สามารถบรรทุกกระแสไฟฟ้าได้นอกจากนี้ ฉนวนทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะนำไฟฟ้าเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าเพียงพอกับวัสดุ ซึ่งสามารถฉีกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมได้ มันคือแรงดันพังของฉนวน
มีการใช้ฉนวนที่แตกต่างกันออกไป รวมถึงการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อรองรับและแยกตัวนำไฟฟ้าโดยไม่ให้กระแสไหลผ่านตัวเอง นอกจากนี้ การเคลือบฉนวนแบบยืดหยุ่นมักจะใช้สำหรับสายไฟและสายเคเบิลเพื่อทำสายฉนวน เนื่องจากสายไฟที่สัมผัสกันได้ทำให้เกิดการต่อวงจร การลัดวงจร และอันตรายจากไฟไหม้ด้วย
สารกึ่งตัวนำตัวนำและฉนวนต่างกันอย่างไร
ตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ และฉนวนเป็นสามประเภทที่เราสามารถจัดหมวดหมู่วัสดุใดๆ ขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้า ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนคือ ตัวนำมีค่าการนำไฟฟ้าสูงและสารกึ่งตัวนำแสดงค่าการนำไฟฟ้าระดับกลาง ในขณะที่ฉนวนจะแสดงค่าการนำไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย
ตารางต่อไปนี้แสดงความแตกต่างระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ตัวนำและฉนวนสำหรับการเปรียบเทียบแบบเคียงข้างกัน
สรุป – ตัวนำ vs เซมิคอนดักเตอร์ vs ฉนวน
ตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ และฉนวนเป็นสามประเภทที่เราสามารถจัดหมวดหมู่วัสดุใดๆ ขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้า ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนคือ ตัวนำมีค่าการนำไฟฟ้าสูงและเซมิคอนดักเตอร์แสดงค่าการนำไฟฟ้าระดับกลาง ในขณะที่ฉนวนแสดงค่าการนำไฟฟ้าเล็กน้อย