CORE FUNDAMENTALS

Semiconductor
Device Physics

อ่าน 32 นาที อัพเดท 2026 Physics

รากฐานของวงการอิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่ Band Theory และ PN Junction ไปจนถึง Quantum Effects ในอุปกรณ์ระดับนาโน

01 บทนำ Semiconductor Physics

Semiconductor Physics เป็นรากฐานของวงการอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด ตั้งแต่ทรานซิสเตอร์ยุคแรกไปจนถึงชิปสมัยใหม่ระดับไม่กี่นาโนเมตร โดย Silicon (Si) ยังคงเป็นวัสดุหลักเพราะมี bandgap 1.12 eV ที่เหมาะสม ราคาคุ้มค่า และสามารถสร้าง SiO₂ ซึ่งเป็นฉนวนคุณภาพสูงได้ดี ความสำคัญของวิชานี้ไม่ได้อยู่แค่การท่องค่าคงที่ แต่คือการเข้าใจว่า carrier, electric field, temperature และ material property ส่งผลต่อการนำกระแสและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อย่างไร

💡

ทำไมต้อง Semiconductor?

วัสดุ semiconductor มีสภาพการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่าง conductor และ insulator และสามารถควบคุมได้ด้วยการ doping หรือสนามไฟฟ้า จึงเหมาะกับการสร้างอุปกรณ์สวิตช์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายชนิด

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 01 — FOUNDATION: Semiconductor & Circuit Fundamentals
เข้าใจ band theory, PN junction, MOSFET I-V characteristics, threshold voltage, carrier transport — พื้นฐานที่ทุก IC designer ต้องรู้
Tools: LTspice / Cadence Spectre (SPICE simulation)
Related: MOSFET Fundamentals · CMOS Logic Basics · SPICE Simulation · Silicon Crystal & Czochralski Growth
Path: IC Design Engineer, Process / Fab Engineer, Test Engineer (ATE / DFT), Power Semiconductor Engineer, RF / Analog IC Engineer, Leading-Edge Technology Engineer

02 Band Theory และ Energy Gap

Band Theory อธิบายว่าอิเล็กตรอนในของแข็งไม่ได้มีพลังงานต่อเนื่องทุกค่า แต่จะอยู่ในช่วงพลังงานที่อนุญาต คั่นด้วย Bandgap (Eg) ระหว่าง valence band และ conduction band ขนาดของ bandgap ส่งผลโดยตรงต่อจำนวน carrier ที่เกิดขึ้นเอง, ความไวต่ออุณหภูมิ และประเภทงานที่วัสดุนั้นเหมาะสม

INTRINSIC CARRIER CONCENTRATION

$$ n_i = \sqrt{N_c N_v} e^{-\frac{E_g}{2kT}} $$

ni(Si, 300K) ≈ 1.5×10¹⁰ /cm³

วัสดุ	Bandgap (eV)	ประเภท	Application
Si	1.12	Indirect	CMOS, Logic, Memory
GaAs	1.42	Direct	RF, Laser, Solar Cell
GaN	3.4	Direct	Power, LED, 5G RF
SiC	3.26	Indirect	Power Electronics, EV
Ge	0.67	Indirect	High-speed transistor

[ โครงสร้าง Diamond Cubic ของ Silicon (Si) — คลิกและลากเพื่อหมุน ]

03 PN Junction

PN Junction เกิดขึ้นเมื่อนำ p-type และ n-type semiconductor มาต่อกัน บริเวณรอยต่อจะเกิด Depletion Region ที่ carrier อิสระลดลงอย่างมากและสร้าง Built-in Potential (V_bi) จากการ diffusion ของ electron และ hole ในช่วงแรก เมื่อระบบเข้าสู่สมดุล สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะต้านการ diffusion เพิ่มเติม ทำให้รอยต่อมีสมบัติเป็นไดโอดตามธรรมชาติ

BUILT-IN POTENTIAL

$$ V_{bi} = \frac{kT}{q} \ln\left(\frac{N_a N_d}{n_i^2}\right) $$

ที่ 300K, V_bi ของ Si ≈ 0.6–0.8 V

⚠️

Forward vs Reverse Bias

Forward bias ช่วยลด barrier ทำให้ minority carrier ถูกฉีดข้ามรอยต่อและกระแสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่วน reverse bias จะเพิ่ม barrier ทำให้มีกระแสเพียงเล็กน้อยในรูป leakage จนกว่าจะเข้าสู่ breakdown — นี่คือหลักการพื้นฐานของ diode, photodiode และวงจรป้องกันแรงดันเกินหลายประเภท

CONCEPT

Depletion Approximation

สมมติว่า carrier หมดอย่างสมบูรณ์ใน depletion region ทำให้คำนวณ electric field, junction capacitance และ width ได้ง่ายพอสำหรับงานวิเคราะห์พื้นฐาน

BREAKDOWN

Avalanche & Zener

ที่ reverse bias สูง junction จะ breakdown ได้ทั้งแบบ Zener และ avalanche โดยชนิดที่เกิดขึ้นขึ้นกับ doping profile และ electric field ในรอยต่อ

[ 3D Model: Depletion Region / Built-in Potential — คลิกและลากเพื่อหมุน ]

04 Bipolar Junction Transistor (BJT)

BJT มี 3 ขา: Emitter, Base, Collector กระแส Base ขนาดเล็กควบคุมกระแส Collector ขนาดใหญ่ผ่านกลไก minority-carrier injection จึงให้ transconductance สูงเมื่อเทียบกับกระแส bias เดียวกัน แม้ปัจจุบัน MOSFET ครองตลาด logic แต่ BJT และอนุพันธ์อย่าง HBT ยังมีบทบาทใน RF amplifier, precision analog, bandgap reference และวงจรที่ต้องการ matching เชิงอนาล็อกที่ดี

COLLECTOR CURRENT

$$ I_C = \beta I_B = I_s e^{\frac{V_{BE}}{V_T}} $$

β (current gain) ทั่วไป 50–500, VT = kT/q ≈ 26 mV ที่ 300K และความสัมพันธ์แบบ exponential นี้เองที่ทำให้ BJT มี gm สูงแต่ก็ไวต่ออุณหภูมิและ process variation

05 MOSFET — Field Effect Transistor

MOSFET ทำงานโดยใช้ electric field จาก gate สร้างหรือควบคุม conductive channel ระหว่าง source และ drain เมื่อแรงดัน gate สูงเกิน threshold voltage จะเกิด inversion layer ใต้ gate oxide ทำให้กระแสไหลได้อย่างควบคุมได้ดี

เหตุผลที่ MOSFET กลายเป็นอุปกรณ์หลักของอุตสาหกรรมดิจิทัลคือ gate แทบไม่กินกระแส DC, สามารถย่อขนาดได้ดี, และนำไปสร้าง CMOS ที่ใช้พลังงานต่ำในสถานะคงที่ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อสเกลเล็กลงมากก็จะเริ่มเผชิญ short-channel effects, leakage และ variability ที่รุนแรงขึ้น

🔗

อ่านต่อใน MOSFET Deep Dive

หน้านี้ครอบคลุม MOSFET แบบ overview — สำหรับ FinFET, GAA, SPICE Model ดูที่ MOSFET Deep Dive →

06 Quantum Effects ใน Nanoscale

เมื่อ device scaling ลงสู่ below 10nm quantum mechanics เริ่มมีบทบาทชัดเจน เช่น tunneling current, quantum confinement และ discrete energy levels ปรากฏการณ์เหล่านี้ทำให้สมมติฐานแบบ classical device เริ่มใช้อธิบายไม่ครบ โดยเฉพาะใน gate dielectric ที่บางมาก, channel ที่แคบมาก และโครงสร้างแบบ nanosheet หรือ nanowire

TUNNELING PROBABILITY (WKB)

$$ T \approx e^{-2 \sqrt{\frac{2m^* \Phi_B}{\hbar^2}} d} $$

d = barrier width, ΦB = barrier height — ยิ่ง d เล็ก tunneling มากขึ้น

⚠️

Gate Oxide Tunneling

ที่ SiO₂ บางกว่า ~2nm อิเล็กตรอน tunnel ผ่านได้มากขึ้นจน leakage สูงเกินรับได้ เป็นสาเหตุสำคัญที่อุตสาหกรรมเปลี่ยนมาใช้ high-k dielectric (เช่น HfO₂) ร่วมกับ metal gate เพื่อรักษา gate control โดยไม่ต้องลด physical thickness ลงมากเกินไป

07 Doping & Carrier Control

การดัดแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าด้วยการเติมสารเจือ (Doping) คือหัวใจสำคัญของวิทยาการเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อเติมธาตุหมู่ V (เช่น P, As) จะให้อิเล็กตรอนอิสระ เรียกว่า N-type ส่วนการเติมธาตุหมู่ III (เช่น B, In) จะให้หลุมอิเล็กตรอน (Hole) อิสระ เรียกว่า P-type

กฎ Mass Action Law ($n \cdot p = n_i^2$) ยังคงเป็นจริงในสภาวะสมดุล ทำให้เราสามารถคำนวณจำนวนพาหะเสียงข้างน้อย (Minority Carrier) ได้ทันทีเมื่อกำหนดระดับของการ Doping ของพาหะเสียงข้างมาก การควบคุม Doping Profile อย่างแม่นยำด้วยวิธี Ion Implantation เล็กระดับนาโนเมตร คือข้อชี้วัดเทคโนโลยีของแต่ละโรงงาน (Fab)

08 Drift & Diffusion

กลไกการเกิดกระแสไฟฟ้าใน Semiconductor มีสองรูปแบบหลัก ซึ่งแตกต่างจากขดลวดทองแดงทั่วไป:

MECHANISM

Drift Current

กระแสที่เกิดจากการถูกลากด้วยสนามไฟฟ้า (Electric Field) ความเร็วของประจุจะแปรผันตรงกับความคล่องตัว (Mobility - μ) ของวัสดุนั้นๆ

MECHANISM

Diffusion Current

กระแสที่เกิดจากความแตกต่างของความหนาแน่น (Concentration Gradient) ประจุจะแพร่จากที่หนาแน่นมากไปน้อย แม้ไม่มีสนามไฟฟ้าขับเคลื่อน

09 Heterostructures & 2DEG

เมื่อเรานำ Semiconductor ที่มี Bandgap ไม่เท่ากันสองชนิดมาเชื่อมต่อกัน (เช่น AlGaN และ GaN) จะเรียกว่า Heterojunction ความไม่ต่อเนื่องของพลังงานที่รอยต่อจะกักเก็บอิเล็กตรอนไว้ในระนาบที่บางมาก เรียกว่า 2DEG (Two-Dimensional Electron Gas)

ที่ระดับ 2DEG อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องชนกับความต้านทานจากการ Doping เลย ส่งผลให้ระบบมีความเร็วทะลุขีดจำกัด (High Electron Mobility Transistor - HEMT) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีแกนหลักสำหรับเสาสัญญาณ 5G, เรดาร์ยานยนต์ และตัวแปลงไฟฟ้ากำลังสูงระดับอุตสาหกรรมในยุคปัจจุปัน

// QUICK QUIZ

Bandgap ของ Silicon คือเท่าไร?