สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน[ 1 ^{] ค่า การนำไฟฟ้าของสารกึ่ง ตัวนำ}สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการเติมสารเจือปน (" การเจือปน ") ลงในโครงสร้างผลึกเมื่อมีสองบริเวณที่มีระดับการเจือปนต่างกันอยู่ในผลึกเดียวกัน จะเกิดเป็นรอยต่อสารกึ่งตัวนำคำว่า "สารกึ่งตัวนำ" บางครั้งใช้เพื่ออ้างถึงอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำเช่นไมโครชิปและโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ซึ่งทำงานโดยใช้คุณสมบัติทางกายภาพของสารกึ่งตัวนำ^{[ 2 ] [ 3 ]}

พฤติกรรมของตัวนำประจุซึ่งรวมถึงอิเล็กตรอนไอออนและโฮลอิเล็กตรอนณ จุดเชื่อมต่อเหล่านี้ เป็นพื้นฐานของไดโอดทรานซิสเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สมัยใหม่ ส่วนใหญ่ ตัวอย่างของสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ซิลิคอนเจอร์มาเนียม แกลเลียมอา ร์ เซ ไนด์ และธาตุต่างๆ ที่อยู่ใกล้ " ขั้นบันไดโลหะกึ่งตัวนำ" ในตารางธาตุรองจากซิลิคอน แกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นสารกึ่งตัวนำที่พบมากเป็นอันดับสอง และใช้ใน ได โอดเลเซอร์เซลล์แสงอาทิตย์วงจรรวมความถี่ไมโครเวฟและอื่นๆ ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบสำคัญในการผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ส่วน ใหญ่

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามารถแสดงคุณสมบัติที่มีประโยชน์หลากหลาย เช่น การนำกระแสไฟฟ้าได้ง่ายกว่าในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง การแสดงความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงได้ และความไวต่อแสงหรือความร้อน เนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการเจือปนและการใช้สนามไฟฟ้าหรือแสง อุปกรณ์ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์จึงสามารถใช้สำหรับการขยาย การสวิตช์ และการแปลงพลังงานคำว่าเซมิคอนดักเตอร์ยังใช้เพื่ออธิบายวัสดุที่ใช้ในสายเคเบิลที่มีความจุสูงแรงดันปานกลางถึงสูงซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของฉนวน และวัสดุเหล่านี้มักจะเป็นพลาสติก XLPE ( โพลีเอทิลีนแบบเชื่อมโยงข้าม ) ที่มีคาร์บอนแบล็ก^{[ 4 ]}

การนำไฟฟ้าของซิลิคอนสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเติมอะตอม เพนทาเวเลนต์ ( แอนติโมนีฟอสฟอรัสหรืออาร์เซนิก ) หรือไตรเวเลนต์ (โบรอน แกลเลียม อินเดียม) ในปริมาณเล็กน้อย( ประมาณ 1 ใน 10⁸ ^{) [ 5 ]}กระบวนการนี้เรียกว่าการโดป และสารกึ่งตัวนำที่ได้เรียกว่าสารกึ่งตัวนำโดปหรือสารกึ่งตัวนำภายนอกนอกจากการโดปแล้ว การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำยังสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิ ซึ่งตรงกันข้ามกับพฤติกรรมของโลหะที่การนำไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น^{[ 6 ]}

ความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำอาศัยฟิสิกส์ควอนตัมเพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของตัวนำประจุในโครงผลึก^{[ 7 ]}การเจือปนจะเพิ่มจำนวนตัวนำประจุภายในผลึกอย่างมาก เมื่อสารกึ่งตัวนำถูกเจือปนด้วยธาตุหมู่ V ธาตุเหล่านั้นจะทำหน้าที่เหมือนผู้ให้ ทำให้เกิด อิเล็กตรอนอิสระซึ่งเรียกว่าการเจือปนแบบ " n-type " เมื่อสารกึ่งตัวนำถูกเจือปนด้วยธาตุหมู่ III ธาตุเหล่านั้นจะทำหน้าที่เหมือนผู้รับทำให้เกิดรูอิสระ ซึ่งเรียกว่าการเจือปนแบบ " p-type " วัสดุสารกึ่งตัวนำที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะถูกเจือปนภายใต้เงื่อนไขที่แม่นยำเพื่อควบคุมความเข้มข้นและบริเวณของสารเจือปนแบบ p-type และ n-type ผลึก อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำหนึ่งชิ้น สามารถมีบริเวณแบบ p-type และ n-type ได้หลายบริเวณรอยต่อ p–nระหว่างบริเวณเหล่านี้มีหน้าที่รับผิดชอบต่อพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประโยชน์ การใช้โพรบจุดร้อนทำให้สามารถระบุได้อย่างรวดเร็วว่าตัวอย่างสารกึ่งตัวนำเป็นแบบ p-type หรือ n-type ^{[ 8 ]}

คุณสมบัติบางประการของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ได้รับการสังเกตในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 และช่วงต้นศตวรรษที่ 20 การประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์ในอิเล็กทรอนิกส์ในทางปฏิบัติครั้งแรกคือการพัฒนาเครื่องตรวจจับหนวดแมว ในปี 1904 ซึ่งเป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมที่ใช้ใน เครื่องรับ วิทยุ รุ่นแรกๆ การพัฒนาในฟิสิกส์ควอนตัมนำไปสู่การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ในปี 1947 ^{[ 9 ]}และวงจรรวมในปี 1958

สารกึ่งตัวนำในสภาพธรรมชาติเป็นตัวนำที่ไม่ดี เนื่องจากกระแสไฟฟ้าต้องอาศัยการไหลของอิเล็กตรอน และสารกึ่งตัวนำมีแถบวาเลนซ์ที่เต็มแล้ว ทำให้ไม่สามารถรับอิเล็กตรอนใหม่ได้ มีเทคนิคที่พัฒนาขึ้นหลายอย่างที่ทำให้วัสดุสารกึ่งตัวนำมีพฤติกรรมเหมือนวัสดุตัวนำ เช่นการเจือปนหรือการควบคุมด้วยเกต การดัดแปลง เหล่านี้มีผลลัพธ์สองอย่างคือชนิด nและชนิด pซึ่งหมายถึงอิเล็กตรอนที่มากเกินไปหรือน้อยเกินไปตามลำดับ หากมีจำนวนอิเล็กตรอนที่สมดุล กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวัสดุได้^{[ 10 ]}

โฮโมจังก์ชันเกิดขึ้นเมื่อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการเจือปนต่างกันสองชนิด ^{[ 11 ]}ถูกเชื่อมต่อกัน ตัวอย่างเช่น การกำหนดค่าอาจประกอบด้วยเจอร์มาเนียม ที่เจือปนแบบ p และแบบ n ซึ่งส่งผลให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนและโฮลระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีการเจือปนต่างกัน เจอร์มาเนียมที่เจือปนแบบ n จะมีอิเล็กตรอนส่วนเกิน และเจอร์มาเนียมที่เจือปนแบบ p จะมีโฮลส่วนเกิน การถ่ายโอนเกิดขึ้นจนกว่าจะถึงสมดุลโดยกระบวนการที่เรียกว่าการรวมตัวใหม่ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากชนิด n มาสัมผัสกับโฮลที่เคลื่อนที่จากชนิด p ^{[ 12 ]}ผลลัพธ์ของกระบวนการนี้คือแถบไอออน ที่ไม่เคลื่อนที่แคบๆ ซึ่งทำให้เกิดสนามไฟฟ้าข้ามรอยต่อ ^{[ 7 ] [ 10 ]}

ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าในวัสดุกึ่งตัวนำจะทำให้วัสดุนั้นหลุดออกจากสมดุลทางความร้อนและสร้างสถานการณ์ที่ไม่สมดุล ซึ่งจะนำอิเล็กตรอนและโฮลเข้ามาในระบบ และโฮลจะโต้ตอบกันผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการแพร่แบบแอมบิโพลาร์เมื่อใดก็ตามที่สมดุลทางความร้อนถูกรบกวนในวัสดุกึ่งตัวนำ จำนวนโฮลและอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนแปลง การรบกวนดังกล่าวอาจเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิหรือโฟตอนซึ่งสามารถเข้ามาในระบบและสร้างอิเล็กตรอนและโฮลได้ กระบวนการที่สร้างหรือทำลายอิเล็กตรอนและโฮลเรียกว่าการสร้างและการรวมตัวใหม่ตามลำดับ^{[ 10 ]}

ในสารกึ่งตัวนำบางชนิด อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นสามารถผ่อนคลายโดยการปล่อยแสงแทนที่จะสร้างความร้อน^{[ 13 ]}การควบคุมองค์ประกอบของสารกึ่งตัวนำและกระแสไฟฟ้าทำให้สามารถควบคุมคุณสมบัติของแสงที่ปล่อยออกมาได้^{[ 14 ]}สารกึ่งตัวนำเหล่านี้ใช้ในการสร้างไดโอดเปล่งแสงและควอนตัมดอท เรือง แสง

สารกึ่งตัวนำที่มีค่าการนำความร้อนสูงสามารถใช้สำหรับการระบายความร้อนและปรับปรุงการจัดการความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีบทบาทสำคัญในรถยนต์ไฟฟ้าLEDความสว่างสูงและโมดูลพลังงานรวมถึงการใช้งานอื่นๆ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

สารกึ่งตัวนำมีปัจจัยกำลังไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก สูง ทำให้มีประโยชน์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกเช่นเดียวกับตัวเลขประสิทธิภาพเทอร์โมอิเล็กทริก สูง ทำให้มีประโยชน์ในเครื่องทำความเย็นเทอร์โมอิเล็กทริก^{[ 18 ]}

ธาตุและสารประกอบจำนวนมากมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ ได้แก่: ^{[ 19 ]}

• ธาตุบริสุทธิ์บางชนิดพบได้ในหมู่ที่ 14ของตารางธาตุ ธาตุที่มีความสำคัญทางการค้ามากที่สุดในกลุ่มนี้คือซิลิคอนและเจอร์มาเนียมซิลิคอนและเจอร์มาเนียมถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ 4 ตัวในวงโคจรชั้นนอกสุด ซึ่งทำให้พวกมันสามารถรับหรือปล่อยอิเล็กตรอนได้เท่าๆ กันในเวลาเดียวกัน
• สารประกอบไบนารีโดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างธาตุในหมู่ 13 และ 15 เช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์หมู่ 12 และ 16 หมู่ 14 และ 16 และระหว่างธาตุต่าง ๆ ในหมู่ 14 เช่นซิลิคอนคาร์ไบด์
• สารประกอบไตรภาค ออกไซด์ และโลหะผสมบางชนิด
• สารกึ่งตัวนำอินทรีย์ผลิตจากสารประกอบอินทรีย์
• โครงสร้างโลหะอินทรีย์กึ่งตัวนำ^{[ 20 ] [ 21 ]}

วัสดุกึ่งตัวนำที่พบได้ทั่วไปส่วนใหญ่เป็นของแข็งผลึก แต่ก็มีวัสดุกึ่งตัวนำแบบอสัณฐาน และของเหลวด้วยเช่นกัน ซึ่งรวมถึง ซิลิคอนอสัณฐานที่เติมไฮโดรเจนและส่วนผสมของสารหนูซีลีเนียมและเทลลูเรียมในสัดส่วนต่างๆ สารประกอบเหล่านี้มีคุณสมบัติร่วมกับวัสดุกึ่งตัวนำที่รู้จักกันดีกว่า คือ มีการนำไฟฟ้าปานกลาง และมีการเปลี่ยนแปลงการนำไฟฟ้าอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิ รวมถึงความต้านทานเชิงลบเป็นบางครั้งวัสดุที่ไม่เป็นระเบียบเหล่านี้ขาดโครงสร้างผลึกที่แข็งแรงเหมือนวัสดุกึ่งตัวนำทั่วไป เช่น ซิลิคอน โดยทั่วไปแล้วจะใช้ใน โครงสร้าง ฟิล์มบางซึ่งไม่ต้องการวัสดุที่มีคุณภาพทางอิเล็กทรอนิกส์สูง เนื่องจากมีความไวต่อสิ่งเจือปนและความเสียหายจากรังสีค่อนข้างต่ำ

เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันเกือบทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการใช้สารกึ่งตัวนำ โดยส่วนที่สำคัญที่สุดคือวงจรรวม (IC) ซึ่งพบได้ในคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะแล็ปท็อป สมาร์ทโฟนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ สารกึ่งตัวนำสำหรับ IC ผลิตในปริมาณมาก ความบริสุทธิ์ทางเคมีเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในการสร้างวัสดุสารกึ่งตัวนำที่เหมาะสม ความไม่สมบูรณ์แบบเพียงเล็กน้อยก็อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อพฤติกรรมของวัสดุสารกึ่งตัวนำเนื่องจากขนาดการใช้งานของวัสดุ^{[ 10 ]}

นอกจากนี้ยังต้องการความสมบูรณ์แบบของผลึกในระดับสูง เนื่องจากข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึก (เช่นดิสโลเคชันแฝดและข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน ) จะรบกวนคุณสมบัติกึ่งตัวนำของวัสดุ ข้อบกพร่องของผลึกเป็นสาเหตุหลักของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่บกพร่อง ยิ่งผลึกมีขนาดใหญ่เท่าใด ก็ยิ่งยากที่จะบรรลุความสมบูรณ์แบบที่จำเป็นมากขึ้นเท่านั้น กระบวนการผลิตจำนวนมากในปัจจุบันใช้แท่ง ผลึกที่ มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 100 ถึง 300 มม. (3.9 ถึง 11.8 นิ้ว) ซึ่งปลูกเป็นทรงกระบอกและหั่นเป็นแผ่นเวเฟอร์รูปทรงกลมที่เป็นลักษณะเฉพาะของเวเฟอร์เหล่านี้มาจากแท่งผลึกเดี่ยวที่มักผลิตโดยใช้วิธี Czochralskiเวเฟอร์ซิลิคอนได้รับการแนะนำครั้งแรกในทศวรรษ 1940 ^{[ 22 ] [ 23 ]}

มีกระบวนการหลายอย่างที่ใช้ในการเตรียมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สำหรับ IC กระบวนการหนึ่งเรียกว่าการออกซิเดชันด้วยความร้อนซึ่งจะสร้างซิลิคอนไดออกไซด์บนพื้นผิวของซิลิคอนซึ่งใช้เป็นฉนวนเกตและออกไซด์สนามกระบวนการอื่นๆ เรียกว่าโฟโตมาสก์และโฟโตลิโทกราฟีกระบวนการนี้สร้างรูปแบบบนวงจรในวงจรรวมใช้แสงอัลตราไวโอเลต พร้อมกับชั้น โฟโตเรซิสต์เพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่สร้างรูปแบบสำหรับวงจร^{[ 10 ]}

ขั้นตอนการกัดเซาะเป็นกระบวนการถัดไปที่จำเป็น ส่วนของซิลิคอนที่ไม่ได้ถูกปกคลุมด้วย ชั้น โฟโตเรซิสต์จากขั้นตอนก่อนหน้านี้สามารถกัดเซาะได้ กระบวนการหลักที่ใช้กันโดยทั่วไปในปัจจุบันเรียกว่าการกัดเซาะด้วยพลาสมาการกัดเซาะด้วยพลาสมามักเกี่ยวข้องกับการปั๊มก๊าซกัดเซาะเข้าไปในห้องความดันต่ำเพื่อสร้างพลาสมาก๊าซกัดเซาะที่ใช้กันทั่วไปคือคลอโรฟลูออโรคาร์บอนหรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าฟรีออนแรงดันไฟฟ้าความถี่วิทยุ สูงระหว่างแคโทดและแอโนดเป็นสิ่งที่สร้างพลาสมาในห้องแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะอยู่บนแคโทด ซึ่งทำให้ถูกไอออนประจุบวกที่ปล่อยออกมาจากพลาสมาชน ผลที่ได้คือซิลิคอนที่ถูกกัดเซาะแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน^{[ 7 ] [ 10 ]}

กระบวนการสุดท้ายเรียกว่าการแพร่กระจาย (diffusion ) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ทำให้วัสดุกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติกึ่งตัวนำตามที่ต้องการ เรียกอีกอย่างว่าการเจือปน (doping ) กระบวนการนี้จะนำอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์เข้าไปในระบบ ซึ่งจะสร้างรอยต่อ p–n ขึ้นมาเพื่อให้ได้อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ฝังอยู่ในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน จะต้องนำเวเฟอร์ไปไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิ 1,100 องศาเซลเซียสก่อน จากนั้นจึงฉีดอะตอมเข้าไปและแพร่กระจายไปพร้อมกับซิลิคอน หลังจากกระบวนการเสร็จสิ้นและซิลิคอนมีอุณหภูมิถึงห้องแล้ว กระบวนการเจือปนก็เสร็จสมบูรณ์และเวเฟอร์ กึ่งตัวนำ ก็เกือบจะพร้อมใช้งานแล้ว^{[ 7 ] [ 10 ]}

สารกึ่งตัวนำถูกกำหนดโดยพฤติกรรมการนำไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน^{[ 24 ]}ความแตกต่างระหว่างวัสดุเหล่านี้สามารถเข้าใจได้ในแง่ของสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอน ซึ่งแต่ละสถานะอาจมีอิเล็กตรอนศูนย์หรือหนึ่งตัว (ตามหลักการกีดกันของ Pauli ) สถานะเหล่านี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างแถบอิเล็กตรอนของวัสดุการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของอิเล็กตรอนในสถานะที่กระจายตัว (ขยายไปทั่ววัสดุ) อย่างไรก็ตาม เพื่อที่จะขนส่งอิเล็กตรอน สถานะจะต้องถูกเติมเต็มบางส่วนโดยมีอิเล็กตรอนอยู่เพียงบางส่วนของเวลา^{[ 25 ]}หากสถานะถูกครอบครองด้วยอิเล็กตรอนตลอดเวลา สถานะนั้นจะเฉื่อยชา ขัดขวางการผ่านของอิเล็กตรอนอื่น ๆ ผ่านสถานะนั้น พลังงานของสถานะควอนตัมเหล่านี้มีความสำคัญ เนื่องจากสถานะจะถูกเติมเต็มบางส่วนก็ต่อเมื่อพลังงานของมันอยู่ใกล้ระดับ Fermi (ดูสถิติ Fermi–Dirac )

การนำไฟฟ้าสูงในวัสดุเกิดจากการมีสถานะที่บรรจุไม่เต็มจำนวนมากและการกระจายตัวของสถานะจำนวนมาก โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้า ที่ดี และมีสถานะที่บรรจุไม่เต็มจำนวนมากที่มีพลังงานใกล้ระดับเฟอร์มิ ในทางตรงกันข้ามฉนวน มีสถานะที่บรรจุไม่เต็มเพียงเล็กน้อย ระดับเฟอร์มิของฉนวนจะอยู่ภายใน ช่องว่างของแถบพลังงานโดยมีสถานะพลังงานให้ครอบครองเพียงเล็กน้อย ที่สำคัญ ฉนวนสามารถทำให้เป็นตัวนำได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิ ความร้อนจะให้พลังงานเพื่อกระตุ้นให้อิเล็กตรอนบางส่วนข้ามช่องว่างของแถบพลังงาน ทำให้เกิดสถานะที่บรรจุไม่เต็มทั้งในแถบของสถานะที่อยู่ใต้ช่องว่างของแถบพลังงาน ( แถบวาเลนซ์ ) และแถบของสถานะที่อยู่เหนือช่องว่างของแถบพลังงาน ( แถบนำไฟฟ้า ) สารกึ่งตัวนำ (แบบอินทรินสิก) มีช่องว่างของแถบพลังงานที่เล็กกว่าของฉนวน และที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนจำนวนมากสามารถถูกกระตุ้นให้ข้ามช่องว่างของแถบพลังงานได้^{[ 26 ]}

อย่างไรก็ตาม สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์นั้นไม่ค่อยมีประโยชน์นัก เนื่องจากไม่ใช่ทั้งฉนวนที่ดีและตัวนำที่ดีมากนัก แต่คุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งของสารกึ่งตัวนำ (และฉนวนบางชนิดที่เรียกว่าสารกึ่งฉนวน ) คือ การนำไฟฟ้าสามารถเพิ่มขึ้นและควบคุมได้โดยการเติมสารเจือปนและการควบคุมด้วยสนามไฟฟ้า การเติมสารเจือปนและการควบคุมจะทำให้แถบนำไฟฟ้าหรือแถบวาเลนซ์เข้าใกล้ระดับเฟอร์มิมากขึ้น และเพิ่มจำนวนสถานะที่เติมเต็มบางส่วนอย่างมาก

วัสดุเซมิ คอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้างกว่าบางชนิดบางครั้งเรียกว่าเซมิอินซูเลเตอร์เมื่อไม่มีการเจือปน วัสดุเหล่านี้จะมีค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกับฉนวนไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม สามารถเจือปนวัสดุเหล่านี้ได้ (ทำให้มีประโยชน์เช่นเดียวกับเซมิคอนดักเตอร์) เซมิอินซูเลเตอร์มีการใช้งานเฉพาะด้านในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เช่น พื้นผิวสำหรับHEMTตัวอย่างของเซมิอินซูเลเตอร์ทั่วไปคือแกลเลียมอาร์เซไนด์ [ ^{27 ] วัสดุ}บางชนิด เช่นไทเทเนียมไดออกไซด์สามารถใช้เป็นวัสดุฉนวนสำหรับการใช้งานบางอย่าง ในขณะที่ถูกจัดว่าเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้างสำหรับการใช้งานอื่นๆ

การเติมสถานะบางส่วนที่ด้านล่างของแถบนำไฟฟ้าสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปในแถบนั้น อิเล็กตรอนจะไม่คงอยู่ตลอดไป (เนื่องจากการรวมตัวกันใหม่ ทางความร้อนตามธรรมชาติ ) แต่พวกมันสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ในช่วงเวลาหนึ่ง ความเข้มข้นที่แท้จริงของอิเล็กตรอนมักจะเจือจางมาก ดังนั้น (ต่างจากในโลหะ) จึงเป็นไปได้ที่จะคิดว่าอิเล็กตรอนในแถบนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำเป็นเหมือนก๊าซในอุดมคติ แบบคลาสสิก ซึ่งอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปมาได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องอยู่ภายใต้หลักการกีดกันของ Pauliในสารกึ่งตัวนำส่วนใหญ่ แถบนำไฟฟ้ามีความสัมพันธ์การกระจายตัว แบบพาราโบลา ดังนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้จึงตอบสนองต่อแรง (สนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก ฯลฯ) เหมือนกับที่พวกมันจะทำในสุญญากาศ แม้ว่าจะมีมวลที่มีประสิทธิภาพ ที่แตกต่างกัน ก็ตาม^{[ 26 ]}เนื่องจากอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนก๊าซในอุดมคติ จึงอาจคิดถึงการนำไฟฟ้าในแง่ที่ง่ายมาก เช่นแบบจำลอง Drudeและแนะนำแนวคิดต่างๆ เช่น ความคล่องตัว ของ อิเล็กตรอน

สำหรับการเติมอิเล็กตรอนบางส่วนที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์นั้น การนำแนวคิดของช่องว่างอิเล็กตรอน มาใช้จะเป็นประโยชน์ แม้ว่าอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์จะเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา แต่แถบวาเลนซ์ที่เต็มแล้วจะเฉื่อยชา ไม่นำกระแสไฟฟ้า หากอิเล็กตรอนถูกนำออกจากแถบวาเลนซ์ วิถีการเคลื่อนที่ปกติของอิเล็กตรอนก็จะขาดประจุไป สำหรับการคำนวณกระแสไฟฟ้า การรวมกันของแถบวาเลนซ์ที่เต็มแล้ว ลบด้วยอิเล็กตรอน สามารถแปลงเป็นภาพของแถบที่ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์ซึ่งมีอนุภาคประจุบวกที่เคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับอิเล็กตรอน เมื่อรวมกับ มวลยังผล ที่เป็นลบของอิเล็กตรอนที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์ เราจะได้ภาพของอนุภาคประจุบวกที่ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเช่นเดียวกับอนุภาคประจุบวกปกติในสุญญากาศ โดยมีมวลยังผลที่เป็นบวกเช่นกัน^{[ 26 ]}อนุภาคนี้เรียกว่าโฮล และกลุ่มของโฮลในแถบวาเลนซ์สามารถเข้าใจได้อีกครั้งในแง่ของคลาสสิกอย่างง่าย (เช่นเดียวกับอิเล็กตรอนในแถบนำไฟฟ้า)

เมื่อรังสีไอออนไนซ์กระทบกับสารกึ่งตัวนำ มันอาจกระตุ้นให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากระดับพลังงานและทำให้เกิดช่องว่างขึ้น กระบวนการนี้เรียกว่าการสร้างคู่อิเล็กตรอน-ช่องว่าง นอกจากนี้คู่อิเล็กตรอน-ช่องว่างยังเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจากพลังงานความร้อนด้วย แม้ว่าจะไม่มีแหล่งพลังงานภายนอกใดๆ ก็ตาม

คู่ของอิเล็กตรอนและโฮลก็มีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันใหม่ได้เช่นกันหลักการอนุรักษ์พลังงานกำหนดว่าเหตุการณ์การรวมตัวกันใหม่เหล่านี้ ซึ่งอิเล็กตรอนสูญเสียพลังงาน ในปริมาณ ที่มากกว่าช่องว่างพลังงาน จะต้องเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยพลังงานความร้อน (ในรูปของโฟนอน ) หรือการแผ่รังสี (ในรูปของโฟตอน )

ในบางสถานะ การสร้างและการรวมตัวใหม่ของคู่อิเล็กตรอน-โฮลจะอยู่ในภาวะสมดุล จำนวนคู่อิเล็กตรอน-โฮลในสถานะคงที่ที่อุณหภูมิที่กำหนดจะถูกกำหนดโดยกลศาสตร์สถิติควอน ตัม กลไกทางกลศาสตร์ ควอนตัม ที่แม่นยำของการสร้างและการรวมตัวใหม่นั้นอยู่ภายใต้การควบคุมของการอนุรักษ์พลังงานและการอนุรักษ์โมเมนตัม

เนื่องจากความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนและโฮลจะมาพบกันนั้นเป็นสัดส่วนกับผลคูณของจำนวนของพวกมัน ดังนั้นผลคูณจึงเกือบจะคงที่ในสภาวะสมดุลที่อุณหภูมิที่กำหนด โดยมีเงื่อนไขว่าไม่มีสนามไฟฟ้าที่มีนัยสำคัญ (ซึ่งอาจ "ผลัก" ตัวนำทั้งสองชนิด หรือเคลื่อนย้ายพวกมันจากบริเวณใกล้เคียงที่มีตัวนำมากกว่ามาพบกัน) หรือการสร้างคู่ที่เกิดจากแรงกระตุ้นภายนอก ผลคูณเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ เนื่องจากความน่าจะเป็นที่จะได้รับพลังงานความร้อนเพียงพอที่จะสร้างคู่จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ โดยมีค่าประมาณexp(− E _G / kT )โดยที่kคือค่าคงที่ของ Boltzmann , Tคืออุณหภูมิสัมบูรณ์ และE _Gคือช่องว่างพลังงาน

ความน่าจะเป็นของการพบกันจะเพิ่มขึ้นโดยกับดักตัวนำ – สิ่งเจือปนหรือความคลาดเคลื่อนที่สามารถดักจับอิเล็กตรอนหรือโฮลและกักไว้จนกว่าจะเกิดการจับคู่ที่สมบูรณ์ กับดักตัวนำดังกล่าวบางครั้งถูกเพิ่มเข้าไปโดยเจตนาเพื่อลดเวลาที่จำเป็นในการเข้าสู่สภาวะคงที่^{[ 28 ]}

การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำสามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายโดยการนำสิ่งเจือปนเข้าไปในโครงผลึกกระบวนการเพิ่มสิ่งเจือปนที่ควบคุมได้ลงในสารกึ่งตัวนำเรียกว่าการเจือปนปริมาณของสิ่งเจือปนหรือสารเจือปนที่เพิ่มเข้าไปใน สารกึ่ง ตัวนำบริสุทธิ์จะทำให้ระดับการนำไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป^{[ 29 ]}สารกึ่งตัวนำที่เจือปนเรียกว่าสารกึ่งตัวนำภายนอก^{[ 30 ]}การเพิ่มสิ่งเจือปนลงในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์จะทำให้การนำไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปได้หลายพันหรือหลายล้านเท่า^{[ 31 ]}

ตัวอย่างโลหะหรือสารกึ่งตัวนำขนาด 1 cm³ ^{มี อะตอมประมาณ 10²²}อะตอม^{[ 32 ]}ในโลหะ อะตอมทุกอะตอมจะบริจาคอิเล็กตรอนอิสระอย่างน้อยหนึ่งตัวเพื่อการนำไฟฟ้า ดังนั้นโลหะขนาด 1 cm³ จึง^มีอิเล็กตรอนอิสระประมาณ 10²² ตัว^{[ 33 ] ใน}ขณะที่ตัวอย่างเจอร์มาเนียมบริสุทธิ์ขนาด 1 cm³ ^ที่อุณหภูมิ 20  °C มีอิเล็กตรอนอิสระประมาณ4.2 × 10 ²²อะตอม แต่เพียงอิเล็กตรอนอิสระ 2.5 × 10 ^{13 ตัว}และ2.5 × 10 ¹³รู การเติมสารหนู 0.001% (สิ่งเจือปน) จะให้อิเล็กตรอนอิสระเพิ่มอีก 10 ¹⁷ ตัว ในปริมาตรเดียวกัน และค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็น 10,000 เท่า^{[ 34 ] [ 35 ]}

วัสดุที่เลือกใช้เป็นสารเจือปนที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางอะตอมของทั้งสารเจือปนและวัสดุที่จะเจือปน โดยทั่วไป สารเจือปนที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ควบคุมได้ตามต้องการจะถูกจัดประเภทเป็นตัวรับ อิเล็กตรอน หรือตัวให้อิเล็กตรอน สารกึ่งตัวนำที่เจือปนด้วย สารเจือปน ที่เป็นตัวให้อิเล็กตรอนเรียก ว่า ชนิด nในขณะที่สารกึ่งตัวนำที่เจือปนด้วย สารเจือปน ที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนเรียกว่าชนิด p การกำหนดชนิด n และ p บ่งชี้ว่าตัวนำประจุใดทำหน้าที่เป็น ตัวนำส่วนใหญ่ของวัสดุตัวนำตรงข้ามเรียกว่าตัวนำส่วนน้อยซึ่งมีอยู่เนื่องจากการกระตุ้นด้วยความร้อนที่ความเข้มข้นต่ำกว่าตัวนำส่วนใหญ่มาก^{[ 36 ]}

ตัวอย่างเช่นซิลิคอน ที่เป็นสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ 4 ตัวที่ยึดอะตอมซิลิคอนแต่ละอะตอมกับอะตอมข้างเคียง^{[ 37 ]}ในซิลิคอน สารเจือปนที่พบได้บ่อยที่สุดคือ ธาตุ หมู่ IIIและหมู่ Vธาตุหมู่ III ทั้งหมดมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ 3 ตัว ทำให้ทำหน้าที่เป็นตัวรับเมื่อใช้ในการเจือปนซิลิคอน เมื่ออะตอมตัวรับเข้ามาแทนที่อะตอมซิลิคอนในผลึก จะเกิดสถานะว่าง (อิเล็กตรอน "โฮล") ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ แลตติสและทำหน้าที่เป็นตัวนำประจุ ธาตุหมู่ V มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ 5 ตัว ทำให้ทำหน้าที่เป็นตัวให้ การแทนที่อะตอมเหล่านี้ด้วยซิลิคอนจะสร้างอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้น ดังนั้น ผลึกซิลิคอนที่เจือปนด้วยโบรอนจะสร้างสารกึ่งตัวนำชนิด p ในขณะที่ผลึกที่เจือปนด้วยฟอสฟอรัสจะทำให้เกิดวัสดุชนิด n ^{[ 38 ]}

ในระหว่างกระบวนการผลิตสารเจือปนสามารถแพร่เข้าไปในเนื้อสารกึ่งตัวนำได้โดยการสัมผัสกับสารประกอบก๊าซของธาตุที่ต้องการ หรืออาจใช้ การฝังไอออน เพื่อกำหนดตำแหน่งของบริเวณที่เจือปนได้อย่างแม่นยำ

วัสดุบางชนิด เมื่อถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นสถานะอสัณฐานคล้ายแก้ว จะมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ ซึ่งรวมถึง B, Si , Ge, Se และ Te และมีทฤษฎีมากมายที่ใช้อธิบายคุณสมบัติเหล่านี้^{[ 39 ] [ 40 ]}

ประวัติศาสตร์แห่งความเข้าใจเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำเริ่มต้นจากการทดลองเกี่ยวกับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ คุณสมบัติต่างๆ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานเทียบกับเวลาและอุณหภูมิ การแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นกระแสตรง และความไวต่อแสง ถูกสังเกตพบตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19

โทมัส โยฮันน์ ซีเบคเป็นคนแรกที่สังเกตเห็นว่าสารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติพิเศษที่ทำให้การทดลองเกี่ยว กับ ปรากฏการณ์ซีเบคได้ผลลัพธ์ที่แข็งแกร่งขึ้นเมื่อใช้สารกึ่งตัวนำในปี พ.ศ. 2464 ^{[ 41 ]}ในปี พ.ศ. 2476 ไมเคิล ฟาราเดย์รายงานว่าความต้านทานของตัวอย่างซิลเวอร์ซัลไฟด์ลดลงเมื่อได้รับความร้อน ซึ่งขัดแย้งกับพฤติกรรมของสารโลหะ เช่น ทองแดง ในปี พ.ศ. 2482 อเล็กซานเดอร์ เอ็ดมอนด์ เบคเคอเรลรายงานการสังเกตแรงดันไฟฟ้าระหว่างของแข็งและอิเล็กโทรไลต์เหลวเมื่อถูกแสงส่อง กระทบ ซึ่ง เป็นปรากฏการณ์โฟโตโวลต์ในปี พ.ศ. 2416 วิลโลบี สมิธสังเกตว่าตัวต้านทานซีลีเนียม แสดงความต้านทานลดลงเมื่อมีแสงตกกระทบ ในปี พ.ศ. 2417 Karl Ferdinand Braunสังเกตเห็นการนำไฟฟ้าและการแก้ไข กระแสไฟฟ้า ในโลหะซัลไฟด์แม้ว่าปรากฏการณ์นี้จะถูกค้นพบก่อนหน้านี้โดย Peter Munck af Rosenschöld ( sv ) ซึ่งเขียนให้กับAnnalen der Physik und Chemieในปี พ.ศ. 2478 แต่ผลการค้นพบของ Rosenschöld กลับถูกละเลย^{[ 42 ]} Simon Szeกล่าวว่างานวิจัยของ Braun เป็นการศึกษาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อย่างเป็นระบบครั้งแรก^{[ 43 ]}ในปี พ.ศ. 2417 เช่นกันArthur Schusterพบว่าชั้นออกไซด์ของทองแดงบนสายไฟมีคุณสมบัติในการแก้ไขกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะหยุดลงเมื่อทำความสะอาดสายไฟWilliam Grylls Adamsและ Richard Evans Day สังเกตเห็นปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิกในซีลีเนียมในปี พ.ศ. 2419 ^{[ 44 ]}

การอธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้อย่างเป็นเอกภาพจำเป็นต้องใช้ทฤษฎีฟิสิกส์ของของแข็งซึ่งได้รับการพัฒนาอย่างมากในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 ในปี 1878 เอ็ดวิน เฮอร์เบิร์ต ฮอลล์ได้สาธิตการเบี่ยงเบนของตัวนำประจุที่ไหลโดยสนามแม่เหล็กที่ใช้ ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ฮอลล์การค้นพบอิเล็กตรอนโดยเจ.เจ. ทอมสันในปี 1897 กระตุ้นให้เกิดทฤษฎีการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนในของแข็งคาร์ล เบเดเกอร์โดยการสังเกตปรากฏการณ์ฮอลล์ที่มีเครื่องหมายตรงข้ามกับในโลหะ ได้ตั้งทฤษฎีว่าคอปเปอร์ไอโอไดด์มีตัวนำประจุบวก โยฮัน โคเอนิกส์เบอร์เกอร์ ได้จำแนกวัสดุของแข็งเป็นโลหะ ฉนวน และ "ตัวนำแปรผัน" ในปี 1914 แม้ว่าโจเซฟ ไวส์ นักศึกษาของเขาได้แนะนำคำว่าHalbleiter (สารกึ่งตัวนำในความหมายสมัยใหม่) ในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขา แล้วก็ตาม วิทยานิพนธ์ในปี พ.ศ. 2453 ^{[ 45 ] [ 46 ]}เฟลิกซ์ บล็อกได้ตีพิมพ์ทฤษฎีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านโครงสร้างอะตอมในปี พ.ศ. 2461 ในปี พ.ศ. 2473 เบอร์นาร์ด กุดเดน ได้กล่าวว่าการนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำเกิดจากความเข้มข้นเล็กน้อยของสิ่งเจือปน ในปี พ.ศ. 2474 ทฤษฎีแถบพลังงานของการนำไฟฟ้าได้รับการสร้างขึ้นโดยอลัน เฮอร์รีส์ วิลสันและแนวคิดของช่องว่างแถบพลังงานได้รับการพัฒนาวอลเตอร์ เอช. ชอตต์กีและเนวิลล์ ฟรานซิส มอตต์ได้พัฒนาแบบจำลองของกำแพงศักย์และลักษณะของรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำในปี พ.ศ. 2481 บอริส ดาวิดอฟ ได้พัฒนาทฤษฎีของตัวเรียงกระแสทองแดงออกไซด์ โดยระบุถึงผลกระทบของรอยต่อ p–nและความสำคัญของตัวพาประจุส่วนน้อยและสถานะพื้นผิว^{[ 42 ]}

ความสอดคล้องระหว่างการคาดการณ์ทางทฤษฎี (โดยอิงจากกลศาสตร์ควอนตัมที่กำลังพัฒนา) และผลการทดลองนั้นบางครั้งไม่ดีนัก ต่อมาจอห์น บาร์ดีน ได้อธิบาย ว่าเป็นผลมาจากพฤติกรรม "ไวต่อโครงสร้าง" อย่างมากของสารกึ่งตัวนำ ซึ่งคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำจะเปลี่ยนแปลงอย่างมากตามปริมาณสิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อย^{[ 42 ]}วัสดุบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ในช่วงทศวรรษ 1920 ที่มีสัดส่วนของสารปนเปื้อนในปริมาณเล็กน้อยที่แตกต่างกันทำให้ได้ผลการทดลองที่แตกต่างกัน สิ่งนี้กระตุ้นให้เกิดการพัฒนาเทคนิคการกลั่นวัสดุที่ดีขึ้น ซึ่งส่งผลให้โรงกลั่นสารกึ่งตัวนำสมัยใหม่ผลิตวัสดุที่มีความบริสุทธิ์ระดับส่วนต่อล้านล้านส่วน

ในระยะแรก อุปกรณ์ที่ใช้สารกึ่งตัวนำถูกสร้างขึ้นโดยอาศัยความรู้เชิงประจักษ์ ก่อนที่ทฤษฎีสารกึ่งตัวนำจะเข้ามาเป็นแนวทางในการสร้างอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพและน่าเชื่อถือมากขึ้น

อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์ใช้คุณสมบัติไวต่อแสงของซีลีเนียมในการส่งเสียงผ่านลำแสงในปี 1880 ชาร์ลส์ ฟริตส์ สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้งานได้จริง แต่มีประสิทธิภาพต่ำ ในปี 1883 โดยใช้แผ่นโลหะเคลือบด้วยซีลีเนียมและทองคำบางๆ อุปกรณ์นี้กลายเป็นประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ในเครื่องวัดแสงสำหรับการถ่ายภาพในช่วงทศวรรษ 1930 ^{[ 42 ]}จาคาดิช จันทรา โบสใช้ตัวเรียงกระแสตรวจจับไมโครเวฟแบบสัมผัสจุดที่ทำจากตะกั่วซัลไฟ ด์ ในปี 1904 เครื่องตรวจจับแบบหนวดแมวที่ใช้แร่กาเลนาธรรมชาติหรือวัสดุอื่นๆ กลายเป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปในการพัฒนาวิทยุอย่างไรก็ตาม การทำงานค่อนข้างคาดเดาไม่ได้และต้องปรับด้วยตนเองเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ในปี 1906 เอช.เจ. ราวด์สังเกตเห็นการปล่อยแสงเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นหลักการเบื้องหลังไดโอดเปล่งแสงโอเลก โลเซฟสังเกตเห็นการปล่อยแสงที่คล้ายกันในปี 1922 แต่ในขณะนั้นผลกระทบดังกล่าวยังไม่มีประโยชน์ในทางปฏิบัติวงจรเรียงกระแสกำลังไฟฟ้าที่ใช้คอปเปอร์ออกไซด์และซีลีเนียมได้รับการพัฒนาในช่วงทศวรรษ 1920 และกลายเป็นสิ่งสำคัญในเชิงพาณิชย์ในฐานะทางเลือกแทนวงจรเรียงกระแสหลอดสุญญากาศ^{[ 44 ] [ 42 ]}

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกใช้แร่กาเลนารวมถึงเครื่องตรวจจับคริสตัลของนักฟิสิกส์ ชาวเยอรมัน เฟอร์ดินานด์ บราวน์ ในปี พ.ศ. 2417 และ เครื่องตรวจจับคริสตัล วิทยุ ของนักฟิสิกส์ชาวอินเดีย จาคาดิช จันทรา โบส ในปี พ.ศ. 2444 ^{[ 47 ] [ 48 ]}

ในช่วงหลายปีก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง อุปกรณ์ตรวจจับและสื่อสารอินฟราเรดกระตุ้นให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุตะกั่วซัลไฟด์และตะกั่วซีลีไนด์ อุปกรณ์เหล่านี้ใช้สำหรับการตรวจจับเรือและเครื่องบิน สำหรับเครื่องวัดระยะอินฟราเรด และสำหรับระบบสื่อสารด้วยเสียง ตัวตรวจจับคริสตัลแบบจุดสัมผัสมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบวิทยุไมโครเวฟ เนื่องจากอุปกรณ์หลอดสุญญากาศที่มีอยู่ไม่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวตรวจจับที่ความถี่สูงกว่าประมาณ 4000 MHz ได้ ระบบเรดาร์ขั้นสูงอาศัยการตอบสนองที่รวดเร็วของตัวตรวจจับคริสตัล มีการวิจัยและพัฒนา วัสดุ ซิลิคอน จำนวนมาก ในช่วงสงครามเพื่อพัฒนาตัวตรวจจับที่มีคุณภาพสม่ำเสมอ^{[ 42 ]}

ตัวตรวจจับและตัวเรียงกระแสกำลังไม่สามารถขยายสัญญาณได้ มีความพยายามมากมายในการพัฒนาเครื่องขยายสัญญาณแบบโซลิดสเตท และประสบความสำเร็จในการพัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์แบบสัมผัสจุดซึ่งสามารถขยายสัญญาณได้ 20 dB หรือมากกว่า^{[ 49 ]}ในปี พ.ศ. 2465 Oleg Losev ได้พัฒนาเครื่องขยายสัญญาณ ความต้านทานเชิงลบแบบสองขั้วสำหรับวิทยุ แต่เขาเสียชีวิตในการปิดล้อมเมืองเลนินกราดหลังจากประสบความสำเร็จในการพัฒนา ในปี พ.ศ. 2469 Julius Edgar Lilienfeldได้จดสิทธิบัตรอุปกรณ์ที่คล้ายกับทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็กแต่อุปกรณ์นั้นไม่สามารถใช้งานได้จริง Rudolf Hilsch และRW Pohlในปี พ.ศ. 2481 ได้สาธิตเครื่องขยายสัญญาณแบบโซลิดสเตทโดยใช้โครงสร้างที่คล้ายกับกริดควบคุมของหลอดสุญญากาศ แม้ว่าอุปกรณ์จะแสดงการขยายกำลัง แต่ก็มีความถี่ตัดที่หนึ่งรอบต่อวินาที ซึ่งต่ำเกินไปสำหรับการใช้งานจริงใดๆ แต่เป็นการประยุกต์ใช้ทฤษฎีที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 42 ]}ที่Bell Labsวิลเลียม ช็อกลีย์และ เอ. โฮลเดน เริ่มทำการวิจัยเกี่ยวกับแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตทในปี พ.ศ. 2481 รอยต่อ p–n แรกในซิลิคอนถูกสังเกตโดยรัสเซล โอห์ลประมาณปี พ.ศ. 2484 เมื่อพบว่าตัวอย่างมีความไวต่อแสง โดยมีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างสิ่งเจือปนชนิด p ที่ปลายด้านหนึ่งและชนิด n ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ชิ้นส่วนที่ตัดจากตัวอย่างที่ขอบเขต p–n จะเกิดแรงดันไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับแสง

ทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่ใช้งานได้คือทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสซึ่งคิดค้นโดยJohn Bardeen , Walter Houser BrattainและWilliam Shockleyที่ Bell Labs ในปี 1947 ก่อนหน้านี้ Shockley ได้ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับเครื่องขยายสัญญาณแบบสนามแม่เหล็กที่ทำจากเจอร์มาเนียมและซิลิคอน แต่เขาล้มเหลวในการสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง ก่อนที่จะใช้เจอร์มาเนียมในการคิดค้นทรานซิสเตอร์แบบจุดสัมผัสในที่สุด^{[ 50 ]}ในฝรั่งเศส ระหว่างสงครามHerbert Mataréได้สังเกตเห็นการขยายสัญญาณระหว่างจุดสัมผัสที่อยู่ติดกันบนฐานเจอร์มาเนียม หลังสงคราม กลุ่มของ Mataré ได้ประกาศเครื่องขยายสัญญาณ " Transistron " ของพวกเขาไม่นานหลังจากที่ Bell Labs ประกาศ " ทรานซิสเตอร์ "

ในปี พ.ศ. 2497 นักเคมีฟิสิกส์มอร์ริส ทาเนนบอม ได้ประดิษฐ์ ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อซิลิคอนตัวแรกขึ้นที่ห้องปฏิบัติการเบลล์ [ ^{51 ] อย่างไรก็ตาม}ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อ ในยุคแรกๆ มีขนาดค่อนข้างใหญ่และยากต่อการผลิตในปริมาณมากซึ่งจำกัดการใช้งานไว้เฉพาะในแอปพลิเคชันเฉพาะทางบางอย่างเท่านั้น^{[ 52 ]}

• เดธเนียม
• การผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์
• อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์
• เทคนิคการวิเคราะห์คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ
• จำนวนทรานซิสเตอร์

• AA Balandin & KL Wang (2006). คู่มือโครงสร้างนาโนและอุปกรณ์นาโนเซมิคอนดักเตอร์ (ชุด 5 เล่ม)สำนักพิมพ์ American Scientific Publishers. ISBN 978-1-58883-073-9.
• Sze, Simon M. (1981). ฟิสิกส์ของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ (ฉบับที่ 2). John Wiley and Sons (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4.
• เทอร์ลีย์, จิม (2002). คู่มือสำคัญเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ . สำนักพิมพ์ Prentice Hall PTR. ISBN 978-0-13-046404-0.
• Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). พื้นฐานของสารกึ่งตัวนำ: ฟิสิกส์และคุณสมบัติของวัสดุ . Springer. ISBN 978-3-540-41323-3.
• Sadao Adachi (2012). คู่มือค่าคงที่ทางแสงของสารกึ่งตัวนำ: ในรูปแบบตารางและรูปภาพ . สำนักพิมพ์ World Scientific. ISBN 978-981-4405-97-3.
• GB Abdullayev, TD Dzhafarov, S. Torstveit (ผู้แปล), การแพร่กระจายของอะตอมในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์,สำนักพิมพ์ Gordon & Breach Science, 1987 ISBN 978-2-88124-152-9
• การบรรยายเรื่องเซมิคอนดักเตอร์ของเฟย์นแมน
• Basu, Prasanta Kumar (2023). "เซอร์ เจ.ซี. โบส คาดการณ์ถึงการมีอยู่ของสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n ในการทดลอง Coherer/Detector ของเขาหรือไม่?" ครบรอบ 75 ปีของทรานซิสเตอร์หน้า  17–28 . doi : 10.1002/9781394202478.ch3 . ISBN 978-1-394-20244-7.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์

Wikiquote มีคำคมที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์