อุปกรณือิเล็กทรอนิกส์

1

2 ในปัจจุบนั อุตสาหกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์พ่ึงพาวสั ดุสารก่ึงตวั นาในการสร้างอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์แทนการใชอ้ ุปกรณ์ท่ีใชห้ ลกั การของหลอดสุญญากาศ ทาให้อุปกรณ์ที่ไดม้ ีขนาดเล็กลงและมีน้าหนกั เบา ไมต่ อ้ งใชค้ วามร้อนในการอุ่นไส้หลอด มีความทนทานทางกล ในบทน้ีจะกล่าวถึงหลกั การของสารก่ึงตวั นาเบ้ืองตน้ รวมถึงไดโอดซ่ึงอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์พ้ืนฐาน2.1 สารกงึ่ ตวั นา (Semiconductor)สารก่ึงตวั นาเป็ นธาตุท่ีมีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าระหวา่ งตวั นาไฟฟ้า(Conductor) และฉนวนไฟฟ้า (Insulator) ซ่ึงเราสามารถแบง่ แยกไดโ้ ดยใชค้ ่า ความนาจาเพาะ (Resistivity; ρ) ซ่ึงหาไดจ้ ากการวดั คา่ ความตา้ นทาน Rของวสั ดุท่ีมีขนาด 1 ลูกบาศกเ์ ซนติเมตร ดงั รูปที่ 2.1 เนื่องจาก   RA , Ω-cm (2.1)ดงั น้นั จะไดว้ า่ l R   l   (1cm)  , A (1cm2 ) R 1 cm A = 1 cm2 l = 1 cm รูปที่ 2.1 สารก่ึงตวั นาที่นิยมใชไ้ ดแ้ ก่ธาตุ เยอร์มนั เนียม (Germanium; Ge) และซิลิกอน (Silicon; Si)ตารางท่ี 2.1 เป็นการเปรียบเทียบความตา้ นทานจาเพาะของสารก่ึงตวั กบั ตวั นาและฉนวนที่ดีเยยี่ มอยา่ งทองแดงและไมกา้ ตามลาดบั

3 ตารางที่ 2.1 ตวั นา สารก่ึงตวั นา ฉนวน  106  -cm   50 Ω-cm (Ge)   1012 Ω-cm(Cu)   50103 Ω-cm (Si) (Mica)การนาธาตุ Ge และ Si มาสร้างอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์มีเหตุผลสาคญั สองประการ 1. สามารถนาไปผา่ นกระบวนการใหม้ ีความบริสุทธ์ิสูงซ่ึงควรมีความบริสุทธ์ิข้นั ต่า 99.9999999 เปอร์เซ็นต์ (9N) ซ่ึงปัจจุบนั สามารถทา Si ไดบ้ ริสุทธ์ิถึง 10N 2. สามารถเปล่ียนแปลงคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าดว้ ยความร้อนหรือแสงสวา่ ง จึงเหมาะที่นาไป สร้างอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ท่ีไวตอ่ ความร้อนและแสงสวา่ ง (ก) (ข) รูปที่ 2.2 (ก) อะตอม Si และ (ข) อะตอม Cuรูปท่ี 2.2 เป็นภาพจาลองอะตอมอยา่ งง่ายของ Si และ Cu ซ่ึงจะเห็นไดว้ า่ อะตอมของ Si มีอิเลก็ ตรอนที่วงนอกสุดหรือ วาเลนตอ์ ิเลก็ ตรอนจานวน 4 ตวั การท่ีอะตอมจะเสถียรไดอ้ ะตอมจะใชอ้ ิเลก็ ตรอนร่วมกบั อะตอม Si ท่ีอยขู่ า้ งเคียงซ่ึงเรียกวา่ พนั ธะโควาเลนต์ ซ่ึงแสดงไวใ้ นรูปท่ี 2.3

4 รูปท่ี 2.3 ภาพจาลองพนั ธะโควาเลนตข์ องอะตอม Si หน่ึงอะตอม2.2 ระดบั พลงั งาน (Energy Levels) อิเลก็ ตรอนท่ีโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมจะแบ่งเป็นช้นั ๆ โดยในแตล่ ะช้นั จะมีระดบั พลงั งานแตกต่างกนั โดยอิเล็กตรอนท่ีมีวงจรโคจรท่ีห่างจากนิวเคลียสเท่าใด ก็ย่งิ มีระดบัพลงั งานสูงข้ึน รูปท่ี 2.4 เป็นภาพจาลองแถบพลงั งานของอิเล็กตรอนรอบๆนิวเคลียสของอะตอม ความแตกตา่ งของระดบั พลงั ท่ีทาใหว้ าเลนซ์อิเลก็ ตรอนหลุดจากวงโคจร ซ่ึงเรียกวา่ แถบพลงั งานวาเลนซ์ (Valence band) ท่ีใชใ้ นการยดึ เกาะติดกนั ระหวา่ งอะตอมกลายเป็นอิเลก็ ตรอนอิสระที่สามารถนาไฟฟ้าได้ ซ่ึงเรียกวา่ พลงั งานนากระแส (ConductionEnergy) น้ีเราเรียกวา่ พลงั งานช่องวา่ ง (Energy Gap; Eg) มีหน่วยเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ (eV)เมื่อวาเลนตอ์ ิเลก็ ตรอนไดร้ ับพลงั งานจากความร้อนหรือแสงสวา่ ง จะมีระดบั พลงั งานสูงกวา่ Egก็จะเขา้ สู่ระดบั พลงั งานนากระแสสาหรับวสั ดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้าจะมี Eg มากกวา่ 5 eV ส่วนวสั ดุท่ีเป็นตวั นาจะมีแถบพลงั งานนากระแสซอ้ นทบั กบั แถบพลงั งานวาเลนซ์

5 รูปท่ี 2.42.3 สารกง่ึ ตวั นาชนิด n และp คุณสมบตั ิทางไฟฟ้าของสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิสามารถเปลี่ยนแปลงไดด้ ว้ ยการเจือสารที่ไม่บริสุทธ์ิลงไป ซ่ึงเราเรียกวา่ การโดป (Doping) การเจือสารเจือปนเพียงเล็กนอ้ ย จะเปล่ียนแปลงโครงสร้างของแถบพลงั งานเป็นอยา่ งมาก (ก) (ข) รูปที่ 2.52.3.1 สารก่ึงตวั นาชนิด n (n-type Semiconductor) สารก่ึงตวั นาชนิด n ไดจ้ ากการเติมสารเจือท่ีเป็ นธาตุหมู่ 5 ซ่ึงมีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน5 ตวั เช่น แอนติโมนีSb, อาร์เซนิก As หรือ ฟอสฟอรัส P เป็นตน้ ลงใน Ge หรือ Si บริสุทธ์ิ

6รูปท่ี 2.5 ก แสดงใหเ้ ห็นวา่ การเติมสารเจือท่ีเป็ นธาตุหมู่ 5 (แอนติโมนี) ทาให้เกิดวาเลนซ์อิเล็กตรอนท่ีไม่มีคู่ที่อะตอมของสารเจือ อิเลก็ ตรอนท่ีไม่มีคูน่ ้ี เม่ือไดร้ ับพลงั งานเพียงเล็กนอ้ ยก็พร้อมที่จะเป็ นอิเลก็ ตรอนอิสระที่นาไฟฟ้าได้ สารก่ึงตวั นาชนิด n มีสภาพทางไฟฟ้าเป็นลบ(Negative)2.3.2 สารก่ึงตวั นาชนิด p (p-type Semiconductor) ส่วนสารก่ึงตวั นาชนิด p จะไดจ้ ากการเติมสารเจือท่ีเป็นธาตุหมู่ 3 ที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตวั ไดแ้ ก่ โบรอน B, แกลเล่ียม Ga หรือ อินเดี่ยม In เป็นตน้ ลงใน Ge หรือ Siบริสุทธ์ิ รูปที่ 2.5 ข แสดงใหเ้ ห็นวา่ การเติมสารเจือท่ีเป็ นธาตุหมู่ 3 (โบรอน) ทาใหข้ าดวาเลนซ์อิเล็กตรอนไปหน่ึงตวั เกิดเป็นช่องวา่ ง หรือ โฮล (Hole) ซ่ึงมีสมบตั ิทางไฟฟ้าเป็นบวก(Positive)2.4 พาหะข้างมากและพาหะข้างน้อย การเจือสารเจือหมู่ 5 ลงในสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิไม่เพียงทาใหเ้ กิดอิเลก็ ตรอนเป็ นพาหะนาไฟฟ้าเทา่ น้นั แต่ในตวั สารก่ึงตวั นายงั มีโฮลอยดู่ ว้ ย เพียงแต่มีปริมาณนอ้ ยกวา่อิเล็กตรอนเป็นอยา่ งมาก เราจึงเรียกอิเลก็ ตรอนใน สารก่ึงตวั นา n-type เป็นพาหะขา้ งมากและเรียกโฮลเป็นพาหะขา้ งนอ้ ย ส่วนกรณี สารก่ึงตวั นา p-type จะเรียกโฮลเป็นพาหะขา้ งมาก ส่วนอิเลก็ ตรอนเป็นพาหะขา้ งนอ้ ย ตารางท่ี 2.2 เป็นการสรุปชนิดของพาหะขา้ งมากและพาหะขา้ งในสารก่ึงตวั นา p-type และ n-type ตามลาดบั ตารางท่ี 2.2ชนิด พาหะขา้ งมาก พาหะขา้ งนอ้ ยp-type Semiconductor โฮล อิเล็กตรอนn-type Semiconductor อิเลก็ ตรอน โฮล2.5 รอยต่อ p-n (p-n Junction) สารก่ึงตวั นา p-type หรือ n-type เพยี งอยา่ งหน่ึงอยา่ งใด จะมีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าเป็นความตา้ นทานไฟฟ้า แต่หากเราสามารถสร้างรอยต่อระหวา่ งสารก่ึงตวั นาชนิด p และ n ได้อิเล็กตรอนใน สารก่ึงตวั นา n-type จะแพร่ขา้ มรอยต่อไปรวมกบั โฮลใน p-type จบั เป็นพนั ธะท่ีไมม่ ีพาหะนาไฟฟ้าหากพจิ ารณาคร่าวๆ ที่ความเขม้ ขน้ ของสารเจือที่เท่ากนั ก็อาจจะคิดวา่ อิเล็กตรอนจะรวมกบั โฮลจนหมดสิ้น และทาใหไ้ ม่พาหะนาไฟฟ้าตลอดท้งั เน้ือสาร ในความเป็ นจริง จะพบวา่ ไม่เป็น

7เช่นน้นั เนื่องจากอะตอมสารเจือ หมู่ 5 ในสารก่ึงตวั นา n-type เม่ือไมม่ ีอิเลก็ ตรอนใกลๆ้ ก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้า บวก และอะตอมสารเจือ หมู่ 3 ในสารก่ึงตวั นา p-type เม่ือไม่มีโฮลก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้าเป็นลบ จะสังเกตไดว้ า่ เกิดกาแพงสนามไฟฟ้า ขดั ขวางไมใ่ ห้อิเล็กตรอนขา้ มรอยต่อไปรวมกบั โฮล รูปท่ี 2.6 ภาพแสดงการเกิดบริเวณปลอดพาหะการรวมตวั ของอิเล็กตรอนกบั โฮลจนไม่มีพาหะนาไฟฟ้า (จึงไมน่ าไฟฟ้า) จะเกิดเฉพาะตรงบริเวณใกลๆ้ รอยต่อเท่าน้นั บริเวณท่ีเกิดการรวมตวั น้ีเรียกวา่ บริเวณปลอดพาหะ (DepletionRegion) ดงั ในรูปที่ 2.6โดยความกวา้ งของบริเวณปลอดพาหะในสภาพไร้สนามไฟฟ้าจากภายนอก จะข้ึนกบั ความเขม้ ขน้ ของสารเจือ และอุณหภูมิ2.6 การไบอสั การไบอสั เป็นการป้อนแรงดนั ไฟฟ้าใหก้ บั อุปกรณ์เพ่ือให้ทางานตามท่ีผอู้ อกแบบตอ้ งการโดยการไบอสั รอยต่อ p-n เป็ นการป้อนสนามไฟฟ้าภายนอกใหแ้ ก่รอยต่อ ซ่ึงมีผลต่อบริเวณปลอดพาหะ ซ่ึงสามารถทาไดส้ องแบบ คือ การไบอสั ตรง (Forward Bias)และการไบอสั กลบั(Reverse Bias) รูปท่ี 2.7 การไบอสั ตรงแก่รอยตอ่ p-n

8 รูปท่ี 2.8 การไบอสั กลบั แก่รอยต่อ p-nรูปที่ 2.7 แสดงการไบอสั ตรงแก่รอยต่อ p-n โดยการป้อนศกั ยไ์ ฟฟ้าบวกแก่สารก่ึงตวั นา p-typeและการป้อนศกั ยล์ บใหก้ บั สารก่ึงตวั นา n-type ซ่ึงจะผลกั ใหพ้ าหะขา้ งมากเขา้ หารอยต่อ ทาให้บริเวณปลอดพาหะแคบลง หากศกั ยไ์ ฟฟ้าท่ีป้อนน้ีมีค่าสูงกวา่ กาแพงศกั ยไ์ ฟฟ้าภายในรอยต่อก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลผา่ นรอยตอ่ ได้ ซ่ึงศกั ยไ์ ฟฟ้าที่รอยต่อของรอยต่อ p-n ท่ีสร้างจาก Geมีค่าประมาณ 0.3V และ Si จะมีคา่ ประมาณ 0.7 V ที่ 25 องศาเซลเซียสรูปที่ 2.8 แสดงการไบอสั กลบั แก่รอยต่อ p-n โดยป้อนศกั ยบ์ วกแก่สารก่ึงตวั นา n-type และศกั ย์ลบใหก้ บั สารก่ึงตวั นา p-type ซ่ึงจะดึงดูดใหพ้ าหะขา้ งมากเขา้ หาศกั ยไ์ ฟฟ้าท่ีป้อน จึงทาให้บริเวณปลอดพาหะกวา้ งยงิ่ ข้ึน อน่ึงการไบอสั กลบั น้ีไม่ขดั ขวางการเคล่ือนท่ีของพาหะขา้ งนอ้ ย

9รูปท่ี 2.9 กราฟคุณสมบตั ิแรงดนั -กระแสของรอย p-n2.7 คุณสมบัติ V-I ของรอยต่อ p-n รูปท่ี 2.9 เป็นกราฟ V-I ของรอยตอ่ p-n ท่ีสร้างจาก Si จะสงั เกตไดว้ า่ เมื่อแรงดนั ไบอสั ตรงVF มีค่าเป็นบวกประมาณ 0.7 โวลตก์ ระแสไฟฟ้าสามารถไหลผา่ นไดโอดไดอ้ ยา่ งสะดวก เมื่อพิจารณาความชนั ของเส้นกราฟจะพบวา่ มีความตา้ นทานต่าแต่เมื่อแรงดนั ไบอสั ตรงต่ากวา่ 0.7 โวลตก์ ระแสจะไหลผา่ นรอยต่อนอ้ ยมาก หากแรงดนั ตกคร่อมรอยตอ่ ม่ีคา่ นอ้ ยกวา่ ศูนยจ์ ะเป็นการใหไ้ บอสั กลบั กระแสที่ไหลผา่ นจะเกิดจากพาหะขา้ งนอ้ ย เม่ือพิจารณาความชนั จะพบวา่ มีความตา้ นทานสูงมาก แต่เมื่อใหแ้ รงดนั ไบอสั กลบั มีค่าต่ามากจนถึงจุดหน่ึงจะพบวา่ จะมีกระแสไฟฟ้าผา่ นรอยตอ่ เป็ นจานวนมาก เราเรียกแรงดนั ท่ีจุดน้ีวา่ แรงดนั พงั ทลาย (Break down Voltage; VBR)ผลของอุณหภูมิมีผลต่อรอยต่อดงั น้ี เม่ืออุณหภูมิเพ่มิ ข้ึน แรงดนั ตกคร่อมรอยต่อขณะไบอสั ตรงและแรงดนั พงั ทลาย VBRขณะไบอสั กลบั มีค่าลดลง กระแสรั่วในกรณีท่ี VBR<V<VF จะเพิม่สูงข้ึน2.8 ไดโอด ไดโอดเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มี 2 ขา ซ่ึงมีลกั ษณะพเิ ศษคือ กระแสไหลผา่ นไดใ้ นทิศทางเดียว ซ่ึงจากคุณสมบตั ิพเิ ศษน้ี จึงสามารถนาไดโอดมาใชเ้ ป็นตวั แปลงไฟฟ้ากระแสสลบั เป็นกระแสตรง วงจรในภาครับของวทิ ยุ เป็นตน้ 2.8.1โครงสร้างและสญั ลกั ษณ์ของไดโอดไดโอดสามารถไดจ้ ากรอยต่อ p-n โดยการดึงขาท่ี p-type เป็นขาแอโนด (Anode; A)และ n-typeเป็นขาแคโธด (Cathode; K) สญั ลกั ษณ์จะใชล้ ูกศรแทนขาแอโนด โดยทิศทางของลูกศรเป็ นทิศทางการไหลของกระแสสมมุติ (ตรงขา้ มกลบั ทิศทางการไหลของอิเลก็ ตรอน) และใชข้ ีดแทนขาแคโธด

10รูปที่ 2.10 โครงสร้างอยา่ งง่ายและสญั ลกั ษณ์ของไดโอด 2.8.2 ไดโอดอุดมคติเพือ่ ใหง้ ่ายต่อการวิเคราะห์การทางานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เราสามารถใชแ้ บบจาลองซ่ึงเป็นวงจรไฟฟ้าแบบพ้นื ฐานมาแทนการทางานของอุปกรณ์ที่เราพิจารณาอยู่ รูปท่ี 2.11 เป็นภาพแสดงการไบอสั ไดโอดท้งั แบบไบอสั ตรงและไบอสั กลบั รูปท่ี 2.12 ก แสดงการสวติ ช์ปิ ดวงจรแทนไดโอดเม่ือไดร้ ับไบอสั ตรงและรูปท่ี 2.12 ข ใชส้ วิตช์เปิ ดวงจรแทนไดโอดเมื่อไดร้ ับไบอสักลบั (ก) (ข) รูปที่ 2.11 ก. วงจรไดโอดแบบไบอสั ตรงและ ข. แบบไบอสั กลบั (ก) (ข) รูปท่ี 2.12 ก. การสวติ ชป์ ิ ดวงจรแทนไดโอดและ ข. การใชส้ วติ ชเ์ ปิ ดวงจรแทนไดโอด สาหรับ รูปที่ 2.11 รูปที่ 2.13 เป็นกราฟ V-I ของไดโอดอุดมคติ ซ่ึงจะเห็นไดว้ า่ ไดโอดอุดมคติไม่มีแรงดนั ตกคร่อมและความตา้ นทานเป็นศูนยเ์ ม่ือไบอสั ตรงและ ไดโอดอุดมคติมีกระแสร่ัวไหลเป็ นศูนยแ์ ละความตา้ นทานเป็นอนนั ตเ์ ม่ือไดร้ ับไบอสั กลบั

11 รูปที่ 2.13 คุณสมบตั ิ V-I ของไดโอดอุดมคติ 2.8.3 แบบจาลองไดโอดในทางปฏิบตั ิ ในทางปฏิบตั ิเราสามารถพิจารณาไดโอดใหใ้ กลเ้ คียงยงิ่ ข้ึนดว้ ยการคานึงถึงแรงดนั ตกคร่อมไดโอดขณะไบอสั ตรง โดยการแทนแรงดนั ตรงคร่อมดว้ ยสญั ลกั ษณ์แหล่งกาเนิดแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรง VF ดงั รูปที่ 2.14 ซ่ึงจะใชค้ ่าแรงดนั 0.3 V สาหรับไดโอดท่ีทาจาก Ge และ0.7 V สาหรับไดโอดท่ีทาจาก Siรูปที่ 2.15 แสดงกราฟคุณสมบตั ิ V-I ของซิลิกอนไดโอดรูปที่ 2.14 แบบจาลองไดโอดในทางปฏิบตั ิอยา่ งง่าย IFVR 0.7 V VFรูปท่ี 2.15 คุณสมบตั ิ V-I ของแบบจาลองอยา่ งง่ายของซิลิกอนไดโอด

122.8.4 รูปร่างของไดโอด รูปท่ี 2.16 แสดงใหเ้ ห็นตวั ถงั ของไดโอดโดยทว่ั ไป ซ่ึงมีอยหู่ ลายแบบ ข้ึนกบั ชนิด พิกดักาลงั ไฟฟ้า ตวั ถงั ของไดโอดบางชนิดสามารถสงั เกตขาแคโธดไดง้ ่ายๆจากขีดท่ีแตม้ ไว้ รูปท่ี 2.16