បច្ចេកវិទ្យាអេឡិចត្រូនិច

បើកជំពូកទី ៤ / Opening of chapter 4

ដើម្បីឲ្យយល់ពីការប្រើប្រាស់ក្នុងជីវិតរស់នៅរបស់មនុស្ស វាចាំបាច់ត្រូវតែស្គាល់បច្ចេកទេសចំនួននឹងកែប្រែបច្ចេកទេសផ្សេងទៀត ។ ជំពូកនេះចាប់ផ្ដើមពីបច្ចេកវិទ្យាអគ្គិសនី ទ្រមង់អាតូម នុយក្លេអ៊ែ ហើយទីបំផុតគីមីនុយក្លេអ៊ែ ។ /

To understand how physics is used in daily life you must know the techniques that changed the other techniques. Chapter 4 starts from electronic technology, then the atomic model, the nucleus, and finally nuclear chemistry.

ស្រមៃថាអ្នកកំពុងដឹកទឹកតាមបំពង់បី ៖

• បំពង់ទីមួយធំទូលាយ ទឹកហូរស្រួល ។ នេះជា អង្គធាតុចម្លង ដូចជា ទង់ដែង ប្រាក់ មាស ។
• បំពង់ទីពីរតូចស្ទើរតែគ្មាន ទឹកមិនហូរទេ ។ នេះជា អ៊ីសូឡង់ ដូចជា កែវ មីកា ។
• បំពង់ទីបីធម្មតាមិនឲ្យទឹកហូរ តែបើគេបើកសន្ទះ (ដោយកម្ដៅ ដោយពន្លឺ ឬដោយលាយធាតុផ្សេង) ទឹកហូរបានខ្លះ ។ នេះជា ស៊ីមីកុងឌុចទ័រ ។

ស៊ីមីកុងឌុចទ័រ ជាអង្គធាតុមួយប្រភេទដែលមានលក្ខណៈ ពាក់កណ្តាលចម្លងអគ្គិសនី ។ ដោយវាជាអង្គធាតុពាក់កណ្តាលចម្លង វាមិនអនុញ្ញាតឲ្យចរន្តអគ្គិសនីឆ្លងកាត់ដោយងាយស្រួលដូចអង្គធាតុចម្លងទេ — វាប្រព្រឹត្តដូចអ៊ីសូឡង់ដែរ ។ ប៉ុន្តែនៅក្រោមលក្ខខណ្ឌដ៏ស្ថិតលក្ខណស់ [UNCLEAR: ដ៏ស្ថិតលក្ខណស់ — បីក្រុមអក្សរក្រោយពាក្យ «លក្ខខណ្ឌ»; បោះពុម្ពដូចនេះ អត្ថន័យ «លក្ខខណ្ឌជាក់លាក់»] ស៊ីមីកុងឌុចទ័រអាចចម្លងចរន្តអគ្គិសនីបាន ។

ចរន្តក្នុងស៊ីមីកុងឌុចទ័រ កើតឡើងពីអ្នកនាំបន្ទុក ពីរប្រភេទ ៖ អេឡិចត្រុង (បន្ទុកអវិជ្ជមាន) និង រន្ធ (កន្លែងខ្វះអេឡិចត្រុង ដែលប្រព្រឹត្តដូចបន្ទុកវិជ្ជមាន) ។ នេះជាភាពខុសគ្នាធំរវាងស៊ីមីកុងឌុចទ័រ និងលោហៈ ដែលមានតែអេឡិចត្រុង ។

គេប្រៀបធៀបអង្គធាតុទាំងបីដោយ រេស៊ីស្តីវីតេ $\rho$ ព្រោះ $\rho$ មិនអាស្រ័យលើប្រវែង ឬមុខកាត់នៃខ្សែ ។ សៀវភៅហៅវាថា «របស់ស៊ីស្ទីវីតេ» ។ លេខកាន់តែតូច ចម្លងកាន់តែល្អ ។

ក្រាមស៊ីមីកុងឌុចទ័រសុទ្ធមួយ ចម្លងចរន្តបានតិចតួចណាស់ ។ បើនៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ វាអាចចម្លងបានខ្លះៗ គឺចម្លងបានពាក់កណ្តាល ។ ដោយសារលក្ខណៈពិសេសនេះ គេយកសារធាតុស៊ីមីកុងឌុចទ័រទៅផលិតជាក្រាមពីរប្រភេទ គឺ ក្រាមប្រភេទ N និង ក្រាមប្រភេទ P ដោយលាយធាតុមិនសុទ្ធមួយភាគដ៏តូច គឺ $1/10$ លាន ($1$ ក្នុង $10$ លាន) ដើម្បីកែប្រែលក្ខណៈចម្លងអគ្គិសនី ។

ធៀបបាននឹងទឹកមួយកំសៀវដែលគ្មានរសជាតិ ៖ ដាក់អំបិលតែមួយក្អឹប ទឹកទាំងកំសៀវក៏ប្រៃ ។ ដូចគ្នា អាតូមធាតុមិនសុទ្ធតែមួយក្នុងដប់លានអាតូម ក៏ផ្លាស់ប្ដូរចរន្តរបស់ក្រាមទាំងមូល ។ ដំណើរការនេះហៅថា ដូប៉ាស (doping) ។

ក្រាមប្រភេទ N ធ្វើឡើងដោយលាយស៊ីលីស្យូមជាមួយធាតុដែលមានអេឡិចត្រុងវ៉ាឡង់ ៥ ដូចជា អាសេនិច (As) អង់ទីមូន (Sb) ផូស្វ័រ (P) ។ អាតូមបែបនេះហៅថា អាតូមដែលផ្ដល់ឱ្យ (donor) ។ អេឡិចត្រុងទី ៥ នៅសល់មិនចូលរួមក្នុងសម្ព័ន្ធ ដូច្នេះវាជាអេឡិចត្រុងសេរី — ជាអ្នកនាំបន្ទុក ។ ក្រុមនេះមានសញ្ញា $(-)$ ។

ក្រាមប្រភេទ P ធ្វើឡើងដោយលាយធាតុដែលមានអេឡិចត្រុងវ៉ាឡង់ ៣ ដូចជា បរ (B) អាំងឌីយ៉ូម (In) កាល្យូម (Ga) ។ អាតូមបែបនេះហៅថា អាតូមដែលទទួល (acceptor) ។ ដោយអាតូមបរខ្វះអេឡិចត្រុងមួយ ក៏កើតមានចន្លោះទំនេរមួយហៅថា រន្ធ ក្នុងសម្ព័ន្ធ ។ រន្ធតាងដោយសញ្ញា $(+)$ ហើយអាចទាញអេឡិចត្រុងពីអាតូមជិតខាងមកជំនួស ។

ភាពខុសគ្នា ៖ ក្រាម N មានអេឡិចត្រុងសេរីច្រើន (អ្នកនាំបន្ទុកភាគច្រើនជាអេឡិចត្រុង); ក្រាម P មានរន្ធច្រើន (អ្នកនាំបន្ទុកភាគច្រើនជារន្ធ) ។ ទាំងពីរនៅណឺតត្រូវគ្នា ៖ ក្រាម N មិនមានបន្ទុកអវិជ្ជមានសុទ្ធទេ ព្រោះអ៊ីយ៉ុងអាសេនិចមានបន្ទុកវិជ្ជមានសងវិញ ។

ដាក់ក្រាម P និងក្រាម N ជាប់គ្នា ។ នៅត្រង់ចុងបញ្ចប់នៃតំបន់មួយ និងចាប់ផ្ដើមតំបន់មួយទៀត គេហៅថា ស្រទាប់បញ្ចូប P–N ។

ភ្លាមនោះ អេឡិចត្រុងពី N ឆ្លងកាត់ស្រទាប់ P–N ទៅបំពេញរន្ធនៅខាង P ជិតៗស្រទាប់នោះ ។ តំបន់ដែលអេឡិចត្រុងរត់ចេញ និងតំបន់ដែលរន្ធត្រូវបំពេញ ក្លាយជាតំបន់គ្មានអ្នកនាំបន្ទុកសេរី — នៅសល់តែអ៊ីយ៉ុងជាប់នៅកន្លែង (អ៊ីយ៉ុងវិជ្ជមានខាង N និងអ៊ីយ៉ុងអវិជ្ជមានខាង P) ។

អ៊ីយ៉ុងទាំងនោះបង្កើតប៉ូតង់ស្យែលអគ្គិសនី និងកម្លាំងអគ្គិសនីចលករមួយ ដែលរារាំងអេឡិចត្រុងមិនឲ្យឆ្លងបន្ត ៖ នេះជា របាំង ។ តម្លៃរបាំងនេះប្រហែល ០,៣ V ចំពោះ Ge (ស៊ីម៉ានីញ៉ូម) និង ០,៧ V ចំពោះ Si (ស៊ីលីស្យូម) ។

គេអាចដាក់តង់ស្យុងទៅលើក្រាម P–N បានពីរករណី ៖

• ប៉ូលកម្មស្រស ៖ ភ្ជាប់ខាង P ទៅប៉ូល $(+)$ និងខាង N ទៅប៉ូល $(-)$ ។ ស្រទាប់បញ្ចូបរួមតូច ហើយចរន្តរត់ឆ្លងកាត់យ៉ាងងាយ តាមទិស P ទៅ N ។
• ប៉ូលកម្មច្រាស ៖ ភ្ជាប់ខាង P ទៅប៉ូល $(-)$ និងខាង N ទៅប៉ូល $(+)$ ។ ប៉ូល $(+)$ ទាញអេឡិចត្រុងសេរីចេញពីតំបន់ N ធ្វើឲ្យស្រទាប់បញ្ចូបរីកធំឡើង ហើយចរន្តស្ទើរតែមិនឆ្លងកាត់ ។

នៅប៉ូលកម្មស្រស តង់ស្យុងត្រូវឡើងដល់របាំង (០,៣ V ឬ ០,៧ V) សិន ទើបចរន្តកើនឡើងខ្លាំង ។ នៅប៉ូលកម្មច្រាស មានតែ ចរន្តច្រាស តូចមួយប៉ុណ្ណោះ ។

ឌីយ៉ូត ធ្វើពីក្រាម P និង N បញ្ចូលគ្នា ។ លក្ខណៈពិសេសរបស់វា ៖ អនុញ្ញាតឲ្យចរន្តឆ្លងកាត់បាន តែមួយទិស ។ វាមានប៉ូលពីរ ៖ អាណូត (ខាង P) និង កាតូត (ខាង N) ។

ធៀបបាននឹងសន្ទះទឹកមួយ ៖ ទឹកហូរបានតែខាងមួយ ។ ដូច្នេះ បើដាក់ឌីយ៉ូតក្នុងសៀគ្វីចរន្តឆ្លាស់ វាឲ្យតែកន្លះលំយោលវិជ្ជមានឆ្លងកាត់ ។ នេះហើយជាមូលដ្ឋាននៃ ការកែតម្រូវចរន្ត ៖ បំលែងចរន្តឆ្លាស់ទៅជាចរន្តជាប់ ។

ត្រង់ស៊ីស្ទ័រ មានតំបន់ក្រាមបី ៖ បាស (B) នៅកណ្ដាល និងតំបន់ពីរនៅសងខាង គឺ កូលីចទ័រ (C) និងអេមីទ័រ (E) ។

ធៀបបាននឹងសន្ទះទឹកដែលបើកដោយដៃតូចមួយ ៖ ដៃរបស់អ្នក (ចរន្តបាស $I_B$) តូចណាស់ តែវាបើកសន្ទះឲ្យទឹកហូរធំ (ចរន្តកូលីចទ័រ $I_C$) ។ ដូច្នេះ ត្រង់ស៊ីស្ទ័រអាច ពង្រីក ស៊ីញ្ញាល់ ។

ចរន្តអេមីទ័រជាចរន្តធំបំផុត ៖ $I_E=I_B+I_C$ ។ ចរន្តកូលីចទ័រមានប្រហែល $99\%$ នៃ $I_E$ ហើយ $1\%$ ទៀតជាចរន្តបាស ។ សមាមាត្រ $\beta =I_C/I_B$ ហៅថា មេគុណពង្រីក ។

ស៊ីមីកុងឌុចទ័រ ជាអង្គធាតុមួយប្រភេទដែលមានលក្ខណៈ ពាក់កណ្តាលចម្លងអគ្គិសនី ។ ដោយអង្គធាតុស៊ីមីកុងឌុចទ័រជាអង្គធាតុពាក់កណ្តាលចម្លងអគ្គិសនី ដូច្នេះវាមិនអនុញ្ញាតឲ្យចរន្តអគ្គិសនីឆ្លងកាត់វាដោយងាយស្រួល ដូចអង្គធាតុចម្លងបានទេ; វាប្រព្រឹត្តទៅដូចគ្នានឹងអ៊ីសូឡង់ដែរ ។ ប៉ុន្តែនៅក្រោមលក្ខខណ្ឌដ៏ស្ថិតលក្ខណស់ [UNCLEAR: ដ៏ស្ថិតលក្ខណស់ — អានតាមបោះពុម្ព អត្ថន័យ «លក្ខខណ្ឌជាក់លាក់»] ស៊ីមីកុងឌុចទ័រ អាចចម្លងចរន្តអគ្គិសនីបាន ។

លក្ខណៈចម្លងរបស់ស៊ីមីកុងឌុចទ័រ កំណត់ដោយចរន្តអេឡិចត្រុង និងចំនួន រន្ធទំនេរ (hole) ក្នុងសម្ភារៈចម្លង ។ លក្ខណៈចម្លងសំខាន់របស់វា គឺ រេស៊ីស្តីវីតេ ៖ អង្គធាតុចម្លងកាន់តែខ្ពស់ កាលណារេស៊ីស្តង់កាន់តែតូច; ដូច្នេះហើយទើបគេប្រើរេស៊ីស្តីវីតេញឹកញាប់ក្នុងការប្រៀបធៀបសារធាតុ ។

ក្រាមស៊ីមីកុងឌុចទ័រប្រភេទ N ជាក្រាមមួយប្រភេទដែលគេបង្កើតឡើងដោយការលាយជាតិស៊ីលីស្យូមជាមួយធាតុ អាសេនិច (As) ឬធាតុផ្សេងទៀតដូចជា អង់ទីមូន (Sb) និង ផូស្វ័រ (P) ។ នៅពេលវាចងសម្ព័ន្ធជាមួយអាតូមស៊ីលីស្យូម អេឡិចត្រុងរបស់អាតូមអាសេនិចមួយត្រូវនៅសល់ [UNCLEAR: ៤–៥ តួអក្សរ បោះពុម្ពដូច «គ្មានចំណុចរបស់វា»] មិនចូលរួមចងសម្ព័ន្ធក្នុងវ៉ាឡង់ជាមួយអាតូមស៊ីលីស្យូម ។ អេឡិចត្រុងនេះហៅថា អ្នកនាំបន្ទុក ក្នុងក្រុមនោះ ។

ធាតុមិនសុទ្ធដែលលាយជាមួយសារធាតុស៊ីមីកុងឌុចទ័រ ហៅថា អាតូមដែលផ្ដល់ឱ្យ ។ ដោយក្នុងក្រុមមានអេឡិចត្រុងសេរីខ្លះដែលមិនចងសម្ព័ន្ធក្នុងវ៉ាឡង់ ហើយអេឡិចត្រុងនោះមានបន្ទុក អវិជ្ជមាន គេកំណត់ក្រុមដែលមានសញ្ញា $(-)$ ចាំថា ក្រាមស៊ីមីកុងឌុចទ័រប្រភេទ N ។

ក្រាមស៊ីមីកុងឌុចទ័រប្រភេទ P ជាប្រភេទក្រាមដែលគេបង្កើតឡើងដោយលាយបន្ថែមធាតុមិនសុទ្ធណាដែលមានអេឡិចត្រុងវ៉ាឡង់ ៣ ។ ពួកនេះហៅថា អាតូមដែលទទួល ។ សារធាតុល្អបំផុតដែលគេអាចបង្កើតក្រាមប្រភេទ P មានដូចជា ៖ បរ (B), អាំងឌីយ៉ូម (In) និង កាល្យូម (Ga) ។

យកបរ (B) ដែលមានអេឡិចត្រុងវ៉ាឡង់ ៣ ។ អាតូមនេះមិនមានអេឡិចត្រុងវ៉ាឡង់គ្រប់គ្រាន់ដើម្បីបំពេញសម្ព័ន្ធក្នុងវ៉ាឡង់ជាមួយ (Si) ទេ ។ ដូច្នេះ អាតូមបរមួយខ្វះអេឡិចត្រុងមួយ ធ្វើឲ្យកើតមានចន្លោះទំនេរមួយហៅថា រន្ធ ក្នុងសម្ព័ន្ធក្នុងវ៉ាឡង់ ។

រន្ធ តាងដោយសញ្ញា $(+)$ ហើយអាចទាញអេឡិចត្រុងពីអាតូមជិតខាងមកចូលជំនួសបាន ។ អនុមាត្រាចរន្តអគ្គិសនីក៏ផ្លាស់ទៅតាមអ្នកនាំបន្ទុក ។ ដូច្នេះគេកំណត់ក្រាម (Si) នេះថាក្រាមវិជ្ជមាន ដែលហៅថា ក្រាមស៊ីមីកុងឌុចទ័រប្រភេទ P ។

ដោយសារគេត្រូវការអេឡិចត្រុងចេញពីក្រាមស៊ីមីកុងឌុចទ័រប្រភេទ N និងរន្ធពីក្រាមប្រភេទ P គេដាក់តំបន់ P និងតំបន់ N ជាប់គ្នា ។ នៅត្រង់ចុងបញ្ចប់នៃតំបន់មួយ និងចាប់ផ្ដើមទៅតំបន់មួយទៀត គេហៅថា ស្រទាប់បញ្ចូប P–N ។

នៅស្រទាប់នេះ អេឡិចត្រុងពី N ឆ្លងកាត់ទៅបំពេញរន្ធនៅខាង P ជិតៗ ហើយបន្សល់ទុកតំបន់មួយដែលគ្មានអ្នកនាំបន្ទុកសេរី មានតែអ៊ីយ៉ូងជាប់នៅកន្លែង ។ តំបន់នោះបង្កើតប៉ូតង់ស្យែលអគ្គិសនី និងកម្លាំងអគ្គិសនីចលករប្រហែល ០,៣ V ចំពោះ Ge និង ០,៧ V ចំពោះ Si ដែលជារបាំងរារាំងចរន្ត ។

នៅពេលគេភ្ជាប់ក្រាម P–N ទៅប៉ូលទាំងពីរនៃប្រភពអគ្គិសនី ដោយ ខាង P ទៅប៉ូល $(+)$ និង ខាង N ទៅប៉ូល $(-)$ នោះស្រទាប់បញ្ចូប P–N រួមតូច ហើយចរន្តអគ្គិសនីរត់ឆ្លងកាត់យ៉ាងងាយ តាមទិសពី P ទៅ N ។ ករណីនេះហៅថា ដំណាលស្រស ឬ ប៉ូលកម្មស្រស ។

ពេលតង់ស្យុងប្រភពកើនពី $0\text{V}$ ដល់ $0,3\text{V}$ (Ge) ឬពី $0\text{V}$ ដល់ $0,7\text{V}$ (Si) ចរន្តកើនតែតិចតួចបំផុត ព្រោះតង់ស្យុងមិនទាន់ឈ្នះរបាំង ។ តែពេលតង់ស្យុងឡើងលើសរបាំង ចរន្តកើនឡើងយ៉ាងឆាប់រហ័ស ។

កុំច្រឡំ៖ ប៉ូលកម្មស្រស = P ទៅ $(+)$, N ទៅ $(-)$; ស្រទាប់បញ្ចូប រួមតូច; ចរន្ត ឆ្លងបាន ។ បើភ្ជាប់បញ្ច្រាស នោះជាប៉ូលកម្មច្រាស ។

នៅប៉ូលកម្មច្រាស គេផ្គត់ផ្គង់តង់ស្យុង $V$ ដោយបញ្ច្រាសប៉ូល ៖ ខាង P ទៅប៉ូល $(-)$ និង ខាង N ទៅប៉ូល $(+)$ ។ នៅពេលប៉ូល $(+)$ របស់ប្រភពទាញអេឡិចត្រុងសេរីចេញពីអាតូមនៅតំបន់ N អេឡិចត្រុងនោះក្លាយជាអ៊ីយ៉ុងវិញ ហើយ ស្រទាប់បញ្ចូប P–N រីកធំឡើង ។ ដោយហេតុនេះ ចរន្តអគ្គិសនីមិនអាចឆ្លងកាត់បាន ។ ករណីនេះហៅថា ដំណាលច្រាស ឬ ប៉ូលកម្មច្រាស ។

ក្នុងករណីនេះ នៅមានចរន្តតូចមួយហៅថា ចរន្តច្រាស ដែលកើតពីអ្នកនាំបន្ទុកភាគតិច ។

កុំច្រឡំ៖ ប៉ូលកម្មច្រាស = P ទៅ $(-)$, N ទៅ $(+)$; ស្រទាប់បញ្ចូប រីកធំ; ចរន្ត ស្ទើរតែមិនឆ្លង ។

ឌីយ៉ូត ជាគ្រឿងបរិក្ខារអេឡិចត្រូនិចមួយប្រភេទ ដែលផលិតឡើងពីស៊ីមីកុងឌុចទ័រប្រភេទ N និង P បញ្ចូលគ្នា ។ លក្ខណៈពិសេសរបស់វា ៖ អាចឲ្យចរន្តអគ្គិសនីឆ្លងកាត់បាន តែមួយទិស ។ ឌីយ៉ូតមានប៉ូលពីរ គឺ អាណូត និង កាតូត ។ គេផលិតឌីយ៉ូតច្រើនប្រភេទ តាមប្រភេទចរន្តដែលត្រូវការប្រើប្រាស់ ។

ឌីយ៉ូតមាន ៧ ប្រភេទ គឺ ៖ ឌីយ៉ូតកែតម្រូវ, ឌីយ៉ូតសេណឺ, ឌីយ៉ូតបញ្ចេញពន្លឺ, ឌីយ៉ូតជូត, ឌីយ៉ូតអុបរក្រោម, ឌីយ៉ូតវ៉ារីកាប និងឌីយ៉ូតទុនណែល (សូមមើល ៣.១០ ដល់ ៣.១៦) ។

ឌីយ៉ូតកែតម្រូវ គេច្រើនប្រើវានៅក្នុងសៀគ្វី សម្រាប់បំលែងចរន្តឆ្លាស់ទៅជាចរន្តជាប់ ។ ឌីយ៉ូតប្រភេទនេះចម្លងចរន្តយ៉ាងងាយក្នុងទិសដៅកំណត់មួយ ហើយក្នុងមួយលំយោលរលក វាអនុញ្ញាតឲ្យតែ កន្លះលំយោលវិជ្ជមាន ប៉ុណ្ណោះឆ្លងកាត់បាន ។ គេអាចប្រើវាដើម្បីផលិតជាឧបករណ៍សម្រាប់បញ្ចូលចរន្តញ្ជូល ឬអាគុយបាន ហើយអាចកែទៅប្រើក្នុងការបំភ្លឺចរន្ត ឬស៊ីញ្ញាល់បានច្រើនករណីទៀត ។

ឌីយ៉ូតសេណឺ គេច្រើនប្រើវានៅក្នុងសៀគ្វីដែលមានចរន្តដំណាលច្រាស ដើម្បី រក្សាតង់ស្យុងចេញឲ្យនៅថេរ (និយតតង់ស្យុង) ។ វាមាននិមិត្តសញ្ញាដូចក្នុងរូប ៖ ត្រីកោណប៉ះរបារឈរ ដែលចុងរបារទាំងពីរបត់ជាមុំកែង ។