หน่วยที่ 1 เรื่องสารกึ่งตัวนำและไดโอด

หน่วยที่ 1 สารกง่ึ ตวั นาและไดโอด ครูสมพร บญุ ริน แผนกวิชาชา่ งไฟฟ้า วิทยาลยั เทคนคิ ลพบรุ ี

1 ใบความรทู้ ่ี 1 สอนคร้งั ท่ี 2 ชือ่ วิชา อปุ กรณอ์ เิ ลก็ ทรอนกิ ส์และวงจร รหสั วิชา 20104-2102 รวม 4 ชั่วโมง หนว่ ยที่ 1 ช่ือหน่วย สารกงึ่ ตวั นาและไดโอด จานวน 1 ชว่ั โมง ชื่อเร่ือง สารกงึ่ ตวั นาและไดโอด สาระสาคัญ ไดโอดเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ท่ีใช้งานอย่างแพร่หลาย ได้จากการนาสารก่ึงตัวนาชนิดเอน็ และชนดิ พมี าตอ่ กนั มคี ุณสมบตั ินากระแสไฟฟา้ ได้ทศิ ทางเดียว ดังนั้นผูเ้ รยี นจะต้องมีความรูค้ วามเข้าใจ เก่ยี วกบั สารกึ่งตัวนา โครงสร้างและสญั ลักษณ์ ชนดิ การทางานของไดโอด การคานวณวงจรไดโอด การ เลอื กไดโอดใช้งานและมที กั ษะเก่ยี วกบั การดขู ้ัวโอดการวดั และทดสอบไดโอดดว้ ยมลั ตมิ เิ ตอร์ สาระการเรียนรู้ 1.1 สารก่ึงตัวนา 1.1.1 สารก่ึงตัวนาบริสทุ ธิ์ 1.1.2 สารกง่ึ ตวั นาไมบ่ รสิ ทุ ธิ์ 1.2 ไดโอด 1.2.1 โครงสรา้ ง และสัญลกั ษณข์ องไดโอด 1.2.2 หลักการทางานของไดโอด 1.2.3 ลกั ษณะสมบตั ิของไดโอด 1.2.4 การดูข้วั ไดโอด 1.2.5 การเลือกไดโอดใชง้ าน 1.2.6 การวัดและทดสอบไดโอดด้วยมัลตมิ ิเตอร์ จุดประสงค์การเรียนรู้ จุดประสงคท์ ั่วไป 1. เพื่อใหม้ ีความรู้ ความเข้าใจเก่ียวกับสารกึง่ ตัวนาและไดโอด 2. มีคณุ ธรรม จรยิ ธรรม ค่านยิ มและคุณลักษณะอนั พึงประสงค์ จุดประสงค์เชิงพฤตกิ รรม เม่อื ผเู้ รยี น ศึกษาหน่วยการเรยี นนี้แล้วมคี วามสามารถดงั ต่อไปน้ี 1. บอกชอื่ ของสารกง่ึ ตัวนาบริสทุ ธิ์ได้ถกู ตอ้ ง 2. บอกคุณสมบัติของสารก่งึ ตัวนาไมบ่ รสิ ุทธ์ิ ได้ถกู ตอ้ ง 3. บอกโครงสรา้ งของไดโอดได้ถกู ตอ้ ง 4. บอกสัญลักษณข์ องไดโอดได้ถกู ตอ้ ง 5. อธิบายหลักการทางานของไดโอดได้ถกู ตอ้ ง 6. อธบิ ายลักษณะสมบตั ิของไดโอดได้ถูกตอ้ ง 7. บอกวิธกี ารดูข้วั ของไดโอดได้ถกู ต้อง 8. บอกหลกั การเลอื กไดโอดใช้งานได้ถกู ตอ้ ง สมพร บุญริน แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลงั วทิ ยาลัยเทคนิคลพบุรี

2 9. อธบิ ายการวดั และทดสอบไดโอดดว้ ยมัลติมิเตอร์ได้ถกู ตอ้ ง สารกึง่ ตัวนาและไดโอด (Diode) กล่าวนา สารก่งึ ตวั นา คือ สารที่มคี ุณสมบัติของทางไฟฟา้ อย่รู ะหวา่ งตวั นาและฉนวนถกู นาไปใชใ้ นการ สรา้ งอปุ กรณท์ างอเิ ล็กทรอนกิ สต์ ่าง ๆ เช่น ไดโอด ทรานซสิ เตอร์ เป็นต้น การคน้ พบสารกง่ึ ตัวนา นบั เป็นการคน้ พบท่ยี งิ่ ใหญ่ จนอาจกลา่ วไดว้ า่ เปน็ การปฏิวตั อิ ุตสาหกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์เลยทเี ดยี ว ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ท่ีสร้างจากสารก่ึงตัวนา มี 2 ขั้วคือ คือขั้วแอโนด (Anode: A) และขั้วแคโทด (Cathode: K) ถกู ออกแบบมาเพอ่ื ควบคมุ ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ยอมใหก้ ระแสไฟฟา้ ไหลไปในทิศทางเดยี ว และปอ้ งกันกระแสการไหลกลับทศิ ทางเดมิ หากมองหลักการ ทางานก็เหมือนกับ วาล์วน้าทิศทางเดียวไม่ยอมให้น้าไหลกลับ ซ่ึงนับเป็นประโยชน์อย่างมากในวงจร อิเล็กทรอนิกส์ เช่นวงจรแปลงกระแสไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง หรือป้องกันการสลับข้ัว ของวงจรอิเล็กทรอนกิ ส์ 1.1 สารกึ่งตัวนา สารกงึ่ ตัวนา (Semiconductor) คอื วสั ดุทีม่ ีคณุ สมบตั ขิ องการนาไฟฟ้าอย่รู ะหว่างตัวนาและ ฉนวน สาหรับสารที่เปน็ ตัวนาไฟฟ้าจะมีวาเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอนหรอื อิเลก็ ตรอนอสิ ระ 1-3 ตัว และสารที่เป็น ฉนวนไฟฟา้ จะมี วาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 5 ตวั ข้นึ ไป ธาตกุ ึง่ ตัวนาทีน่ ยิ มนาไปทาเป็นสารก่งึ ตวั นาใน อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนกิ ส์กค็ อื ธาตุซลิ ิคอน และธาตเุ ยอรมนั เนียม โดยความสามารถในการนาไฟฟา้ ของ สารก่ึงตัวนาจะข้ึนอย่กู ับอุณหภมู ิ น่นั คอื ท่อี ณุ หภูมเิ ขา้ ใกล้ศนู ยเ์ คลวิน สารก่ึงตวั นาจะไมส่ ามารถนา ไฟฟ้าได้ เน่อื งจาก เน้อื วัสดกุ งึ่ ตัวนาจะเปน็ ผลึกโควาเลนต์ อิเลก็ ตรอนท้งั หมดท่อี ยใู่ นเนอ้ื วสั ดุจะถูกตรงึ อยูใ่ นพนั ธะโควาเลนต์ ซง่ึ เป็นพนั ธะท่ที าให้อะตอมสามารถยึดเหนย่ี วอยูด่ ้วยกันได้ ทาใหไ้ มม่ ี อเิ ลก็ ตรอนอิสระ อยู่ในผลึก เมือ่ ไมม่ อี ิเล็กตรอนท่ีสามารถเคลือ่ นทีไ่ ด้ จึงทาให้สารก่งึ ตัวนาไมส่ ามารถ นาไฟฟา้ ได้ แตใ่ นอณุ หภูมสิ งู กวา่ ปกติ อเิ ลก็ ตรอนบางสว่ นจะไดร้ บั พลังงานจากความรอ้ นเพยี งพอท่จี ะ ทาให้หลดุ ออกจากพันธะ กลายเปน็ อเิ ล็กตรอนอิสระและสามารถเคลื่อนทไ่ี ด้ สารก่งึ ตวั นาจงึ สามารถนา ไฟฟา้ ได้ การนาไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนาซ่ึงข้ึนอยูก่ ับอุณหภมู ิจะมีสมบัติตรงข้ามกับโลหะ เน่ืองจากโลหะ จะมีอิเล็กตรอนอิสระและเคล่ือนที่ได้อย่างอิสระอยู่แล้ว ทาให้นาไฟฟ้าได้ดี แต่เมื่ออุณหภูมิสูงข้ึน ไอออนบวกทอ่ี ยตู่ รงกลางจะเกดิ การส่นั ด้วยความถ่ีสงู อเิ ล็กตรอนอสิ ระที่เคยเคลื่อนทไี่ ด้อย่างสะดวกก็ จะเคลอื่ นท่ีได้ยากข้ึน ดังน้นั เมอ่ื มีอุณหภูมิสงู ขึ้น การนาไฟฟ้าของโลหะจึงลดลง สมพร บญุ ริน แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลัง วิทยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

3 นอกจากการนาไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนาจะข้ึนอยู่กับอุณหภมู ิแล้ว ยังขน้ึ อย่กู บั สิง่ ไมบ่ ริสุทธิ์ท่ีเจือ ปนอยู่ในเน้อื สารด้วย ดังน้ันเราจึงแบ่งประเภทสารก่ึงตัวนาได้เป็น 2 ประเภท คือ สารกึ่งตัวนาบริสทุ ธิ์ และสารกึง่ ตัวนาไมบ่ ริสุทธ์ิซ่งึ สารกงึ่ ตัวนาไม่บริสุทธ์ิมี 2 ชนดิ คือ สารก่งึ ตัวนาชนิด N และสารกงึ่ ตัวนา ชนดิ P 1.1.1 สารกงึ่ ตวั นาบริสุทธ์ิ สารก่ึงตัวนาบรสิ ุทธิ์ ไม่สามารถนาไฟฟา้ ได้ การนาไฟฟา้ ของสารกงึ่ ตัวนาบรสิ ุทธจิ์ ะเกิดขึ้นได้ก็ ต่อเมอ่ื มอี ุณหภมู สิ ูงกวา่ ศนู ยอ์ งศาสัมบรู ณ์ หรือมกี ารผ่านสนามไฟฟ้าที่มคี วามเข้มของสนามมากเข้าไป วิธีการนจ้ี ะทาอเิ ล็กตรอนบางสว่ นหลดุ ออกจากพันธะ เมอ่ื อิเลก็ ตรอนหลุดออกมา จะทาใหเ้ กดิ ช่องวา่ ง ขนึ้ เราเรยี กแทนชอ่ งวา่ งนวี้ ่า โฮล (Hole) และเม่อื มชี ่องว่างเกดิ ขึน้ จะมอี เิ ล็กตรอนตวั อน่ื เคลือ่ นท่ีมา แทนในตาแหนง่ โฮลถดั ๆ กัน การเคลอื่ นทเ่ี ขา้ แทนทขี่ องอเิ ลก็ ตรอนเปน็ เสน้ ตรง ทาใหม้ องได้ว่า โฮลมกี ารเคลอื่ นท่ีเป็นเสน้ ตรงในทิศตรงข้ามกับทิศทีอ่ ิเลก็ ตรอนเคลอื่ นทีด่ ว้ ยเชน่ กนั ทงั้ ท่จี รงิ แลว้ โฮล นั้นอยกู่ ับท่ี ถา้ เราใส่สนามไฟฟ้าให้สารก่ึงตวั นาบริสุทธิ์ วาเลนซ์อิเลก็ ตรอนจะเคล่อื นท่ีตรงขา้ มกับทิศ ของสนามไฟฟา้ สว่ นโฮลจะเคล่อื นท่ีทิศเดียวกับทิศของสนามไฟฟา้ การนาไฟฟ้าจงึ เกิดขน้ึ ไดจ้ ากการ เคลื่อนของอิเล็กตรอนอสิ ระและโฮล ธาตกุ ง่ึ ตัวนาทนี่ ยิ มนาไปทาเปน็ สารก่งึ ตวั นาในอปุ กรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ก็คอื ธาตุซิลคิ อน และธาตุเยอรมันเนียม ธาตุท้ังสองชนดิ นจ้ี ะมวี าเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว โดยซลิ คิ อนจะมอี เิ ลก็ ตรอนทงั้ หมด 14 ตัว ส่วนเยอรมนั เนียมจะมีอิเลก็ ตรอนทั้งหมด 32 ตัว ต่อหนงึ่ อะตอม ดงั แสดงในรูปที่ 1.1 วาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 4 ตวั Si Ge รปู ท่ี 1.1 โครงสรา้ งอะตอมของธาตุซิลิคอนและเยอรมนั เนยี ม โครงสรา้ งอะตอมของธาตุซิลิคอนและโครงสรา้ งอะตอมของธาตุเยอรมันเนยี มเมือ่ อยู่รวมกนั หลาย ๆ อะตอมจะจับกันเปน็ ผลึกในรปู ของพันธะโควาเลนซ์ (Covalence Bond) ดงั น้ันหน่ึงอะตอม จะต้องใชอ้ ิเล็กตรอนรว่ มกันกับอะตอมข้างเคยี ง 4 อะตอม จึงจะมีอเิ ล็กตรอนวงนอกสุดครบ 8 ตวั เพื่อใหอ้ ะตอมอย่ใู นสภาพเสถยี ร สมพร บุญริน แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลัง วิทยาลัยเทคนิคลพบุรี

4 Si Si Ge Ge Si Ge Si Si Ge Ge ซลิ ิคอน เยอรมนั เนยี ม รูปท่ี 1.2 โครงสรา้ งอะตอมของธาตุซิลคิ อนและเยอรมนั เนียมเม่ืออยู่รว่ มกนั หลายอะตอม 1.1.2 สารกึง่ ตวั นาไมบ่ รสิ ุทธิ์ สารกึง่ ตวั นาไมบ่ รสิ ทุ ธิ์ไดจ้ าการนาสารกึ่งตวั นาบรสิ ทุ ธ์ิมาเติมสารเจอื ปนเข้าไปทาใหม้ ี คณุ สมบัติทางไฟฟ้าเปลีย่ นไป ซงึ่ แบง่ ได้เป็น 2 ชนิด คือ สารก่งึ ตัวนาชนดิ N (N-Type) และสารก่ึง ตวั นาชนดิ P (P-Type) 1.1.2.1 สารก่งึ ตวั นาชนดิ เอน็ (N-Type Semiconductor) สารกึ่งตัวนาชนิด N เป็นสารก่ึงตัวนาไม่บริสุทธิ์ท่ีได้จากการเติมสารเจือปนท่ีมีวาเลนซ์ อิเล็กตรอน 5 ตัว เช่นฟอสฟอรัส (P) อาเซนิค (As) แอนติโมนี (Sb) ลงไปในธาตุซิลิคอนหรือเยอรมัน เนียมบริสทุ ธิ์ จะทาใหอ้ ิเล็กตรอนวงนอกสดุ ของแต่ละอะตอมแลกเปล่ียนอิเล็กตรอนซง่ึ กันและกนั หรอื ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตัว ทาให้เหลืออิเล็กตรอน 1 ตัว ท่ีไม่สามารถจับตัวกบั อะตอมข้างเคยี ง สมพร บญุ รนิ แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

5 ดังแสดงในรูปท่ี 1.3 เรียกอเิ ลก็ ตรอนตวั นว้ี ่า อิเล็กตรอนอสิ ระ ซ่ึงจะแสดงประจุไฟฟา้ เปน็ ลบ Si Si อิเลก็ ตรอนอสิ ระซงึ่ จะแสดงประจุไฟฟา้ เปน็ ลบ P Si Si รปู ที่ 1.3 โครงสร้างอะตอมของสารก่งึ ตวั นาชนดิ N 1.1.2.2 สารก่งึ ตัวนาชนิด P (P-Type Semiconductor) เปน็ สารก่งึ ตัวนาไม่บรสิ ทุ ธทิ์ ่ีได้จากการเติมธาตุเจอื ปนทีม่ ีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 3 ตัว เชน่ โบรอน (B) อนิ เดียม (In) แกลเลียม (Ga) ลงไปในธาตุซลิ ิคอนหรือธาตุเยอรมนั เนยี มบริสทุ ธ์ิ จะทาใหอ้ เิ ล็กตรอน วงนอกสดุ ของแต่ละอะตอมแลกเปลย่ี นอิเลก็ ตรอนซึ่งกนั และกันหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตวั ส่วนอะตอมของธาตุเจือปนจะขาดอิเล็กตรอนอีก 1 ตัว เพราะธาตุเจือปนมอี ิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว เรยี กส่วนทขี่ าดอิเล็กตรอนนีว้ า่ โฮล (Hole) ซง่ึ จะแสดงประจุไฟฟ้าเป็นบวก ดังแสดงในรปู ท่ี 1.4 Si Si B โฮล (Hole) ซ่ึงจะแสดงประจุไฟฟ้าเป็นบวก Si Si รูปที่ 1.4 โครงสรา้ งอะตอมของสารกึ่งตัวนาชนิด P สมพร บุญริน แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลัง วทิ ยาลัยเทคนิคลพบุรี

6 1.2 ไดโอด ไดโอด (diode) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดสองขั้วคือข้ัวแอโนด (Anode: A) และข้ัว แคโทด (Cathode: K) สามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านได้ทิศทางเดียว นิยมใช้ในวงจรเรียง กระแสซง่ึ อยูใ่ นวงจรแหล่งจายไฟฟ้ากระแสตรง 1.2.1 โครงสร้างและสญั ลักษณข์ องไดโอด ไดโอดเกิดจากการนาสารกงึ่ ตวั นาไมบ่ รสิ ุทธ์ชิ นิด N (N-type) และสารกงึ่ ตัวนาไม่บริสุทธชิ์ นิด P (P-type) มาตอ่ กัน ซ่ึงจดุ ท่สี ารกงึ่ ตัวนาท้งั สองสมั ผัสกนั เรียกว่ารอยตอ่ (Junction) โดยข้ัวของ ไดโอดท่ีเป็นสารกึ่งตัวนาไม่บริสทุ ธช์ิ นดิ P เปน็ ขั้วแอโนด (Anode: A) และ ขั้วของไดโอดท่ีเป็นสารกึง่ ตวั นาไม่บรสิ ทุ ธชิ์ นิด N เปน็ ขั้วแคโทด (Cathode: K) ดงั แสดงในรูปท่ี 1.5 สญั ลักษณ์จะใชล้ กู ศรแทนขาแอโนดโดยทิศทางของลูกศรเป็นทศิ ทางการไหลของกระแส และ ใช้ขีดแทนข้วั แคโทด ดังแสดงในรูปท่ี 1.6 แอโนด (Anode: A) PN แคโทด (Cathode: K) รูปที่ 1.5 โครงสรา้ งของไดโอด แอโนด (A) แคโทด (K) รปู ท่ี 1.6 สัญลกั ษณ์ของไดโอด 1.2.2 หลกั การทางานของไดโอด ไดโอดจะยอมให้กระแสไหลผ่านได้ทางเดียวเท่านนั้ กระแสจะไหลย้อนกลับไมไ่ ด้สญั ลกั ษณ์ของ ไดโอดในอดุ มคติจะแสดงเปน็ รปู ลูกศรโดยจะมที ิศทางไหลของกระแสตามลกั ษณะช้ีของลูกศร 1.2.2.1 ไบแอสตรง (Forward Bias) - มีกระแสไหลผ่านไดโอด - ถือวา่ ไดโอดมีความตา้ นทานน้อยมาก - โดยทว่ั ไปถอื วา่ ไดโอดลดั วงจร สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลงั วทิ ยาลัยเทคนิคลพบุรี

7 A K AK IF E + E + IF - - รูปที่ 1.7 การตอ่ ไดโอดแบบไบแอสตรง (Forward Bias) 1.2.2.2 ไบแอสกลับ(Reverse Bias) KA IR =0 - ไมม่ กี ระแสไหลผา่ นไดโอด - ถือวา่ ไดโอดมีความตา้ นทานสูงมาก - โดยทั่วไปถือวา่ ไดโอดเปิดวงจร KA E + IR =0 E + - - รูปที่ 1.8 การตอ่ ไดโอดแบบไบแอสกลับ (Reverse Bias) 1.2.3 ลกั ษณะสมบัตขิ องไดโอด ไดโอดสามารถแบง่ ชนิดตามสารทใ่ี ช้ผลิตได้ 2 ชนดิ คอื 1. ไดโอดชนดิ ซลิ ิคอน เช่น ไดโอดเบอร์ 1N4148 1N4001 1N5401 เป็นต้น 2. ไดโอดชนดิ เยอรมนั เนยี ม เช่น ไดโอดเบอร์ 1N34A เป็นต้น ลักษณะของไดโอดเม่ือได้รับการไบแอสตรง (Forward Characteristics) จากรูปท่ี 1.9 กราฟ ส่วนบนด้านขวาแสดงถึงกระแสไฟฟ้าท่ีไหลผ่านไดโอด เม่ือไดโอดได้รับการไบแอสตรง ขั้วบวกของ แหล่งจา่ ยไฟต่อเข้ากบั ขว้ั แอโนด และขั้วลบของแหล่งจา่ ยไฟตอ่ เข้ากับข้ัวแคโทดของไดโอด จะเห็นได้ว่า เม่ือแรงดันไบแอสตรงท่ีให้กับไดโอดมีค่าน้อยกว่ากาแพงแรงดันไฟฟ้า ก็จะทาให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล ผา่ นไดโอด จนกระทั่งแรงดนั ไบแอสตรงมขี นาดมากกว่ากาแพงแรงดันภายในของไดโอด ซึง่ ถา้ เป็นของ สมพร บุญรนิ แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบุรี

8 ซิลิคอนไดโอดจะประมาณ 0.7 V และถ้าเป็นเยอรมันเนียมไดโอดจะมคี ่าประมาณ 0.3 V และเมื่อจ่าย แรงดันไบแอสตรงมากขึ้น กระแสไฟฟ้าทางตรงท่ีไหลผ่านไดโอดกจ็ ะเพิ่มข้ึนอย่างรวดเร็ว ดังนั้นไดโอด จึงอย่ใู นสภาวะเปิด (ON) หรือสวิตชป์ ดิ วงจรนนั่ เอง จดุ ของแรงดนั ไฟฟ้าทท่ี าให้เสน้ กราฟชันขึ้นอย่างรวดเร็วนม้ี ีช่อื เรียกว่า แรงดัน Knee Voltage หรอื อาจเรียกว่าแรงดันคัทอนิ ซึง่ แรงดนั ไฟฟ้านีจ้ ะใช้เปน็ ชือ่ เรียกของกาแพงแรงดันไฟฟ้าภายในไดโอด ได้อีกชื่อหน่ึง ซ่ึงมีค่าเท่ากับ 0.7 V สาหรับซิลิคอนไดโอด จากกราฟในรูปท่ี 1.9 จะเห็นว่าถึงแม้ กระแสไฟฟ้าไบแอสตรงจะเปล่ียนแปลงไปมากก็ตาม แต่แรงดันที่ตกคร่อมไดโอดก็ยังอยู่ในระดับท่ี เกือบจะคงที่ นน่ั คอื ประมาณ 0.7 V สาหรบั ซลิ คิ อนไดโอด (Si) 0.3 V สาหรับเยอรมันเนยี มไดโอด (Ge) Breakdown Voltage ID Ge R Si ID VD + Es - VD VD + ID - Es R Ge = 0.3 V , Si = 0.7 V รูปท่ี 1.9 กราฟลกั ษณะสมบัตขิ องไดโอด ลักษณะของไดโอดเม่ือได้รับการไบแอสกลับ (Reverse Characteristics) ส่วนของกราฟ ส่วนล่างด้านซ้าย แสดงถึงกระแสไฟฟ้าย้อนกลับท่ีไหลผ่านไดโอดเม่ือให้แรงดันไบแอสกลับ จากกราฟ จะเห็นว่าข้ัวลบของแหล่งจ่ายไฟต่อเข้ากับขั้วแอโนด และขั้วบวกต่อเข้ากับขั้วแคโทด ดังนั้น เมื่อป้อน แรงดันไบแอสกลับให้แก่ไดโอดก็จะทาให้กาแพงแรงดันของไดโอดเพ่ิมขึ้นจนกระท่ังมีขนาดเท่ากับ แรงดนั ของแหล่งจา่ ยไฟภายนอก ซึ่งในกรณีน้ีกระแสไฟฟา้ ท่ีจะไหลผา่ นไดโอดจึงมคี ่านอ้ ยหรอื เกือบเป็น ศูนย์ ดังน้ัน ไดโอดจึงอยู่ในสภาวะปิด (OFF) หรือสวิตช์เปิดวงจรน่ันเอง กระแสไฟฟ้าย้อนกลับท่ีไหล ผ่านไดโอดมคี า่ น้อยมาก (µA) เนอ่ื งจากกระแสไฟฟา้ ร่วั ไหล (Leakage Current) ทเ่ี กิดข้นึ นี้มีค่าน้อยจึง สมพร บญุ ริน แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลัง วิทยาลัยเทคนิคลพบุรี

9 ไม่นามาพิจารณา แต่ถ้าแรงดันย้อนกลับยังคงเพ่มิ ขึ้นจนกระท่ังถึงจุดพัง (Break Down) ของไดโอด ก็ จะทาให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างทันทีทันใด ซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่ทาให้เกิดการ เปล่ยี นแปลงของกระแสไฟฟา้ อยา่ งทันทีทนั ใดนี้เรียกวา่ แรงดนั พัง (Breakdown Voltage) 1.2.4 การดขู ั้วของไดโอด โดยปกติแล้วไดโอดถูกออกแบบให้มีรูปลักษณะที่แตกต่างกัน ซ่ึงรูปลักษณะเช่นนี้จะช่วย ป้องกันไม่ให้ไดโอดเสียหายงา่ ย สาหรับขนาดของไดโอดจะแสดงถึงอัตราทนกระแสไฟฟ้าที่ไดโอดยอม ใหไ้ หลผา่ นได้ สว่ นแถบคาดสีขาวที่พมิ พอ์ ยู่ทีข่ อบดา้ นใดด้านหนงึ่ จะแสดงถึงข้ัวแคโทด ดังแสดงในรูปที่ 1.10 สาหรบั ไดโอดขนาดใหญ่จะพมิ พส์ ัญลกั ษณ์ของไดโอดลงบนตัวอุปกรณ์เลย แถบสขี าวจะอยใู่ นตาแหน่งขัว้ ขัว้ แคโทด (K) แคโทด (K) ข้ัวแอโนด (A) รปู ท่ี 1.10 การดูข้วั ไดโอด สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลงั วทิ ยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

10 รปู ที่ 1.11 แสดงใหเ้ หน็ ตัวถังของไดโอดแบบต่าง ๆ 1.2.5 การเลือกไดโอดใชง้ าน การท่ีเราจะนาไดโอดใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เราจะต้องคานึงถึงอัตราทนกระแสสูงสุด (Forward maximum current) ทไ่ี ดโอดสามารถทนไดโ้ ดยไม่เกดิ การเสียหายเม่ือไดร้ ับไบแอสตรง และ ค่าทนแรงดันไบแอสกลับสูงสุดของไดโอด PIV (Peak inverse voltage) หรือ PRV (Peak Reverse Voltage) ที่ไดโอดสามารถทนได้โดยไม่เกิดการเสียหายเม่ือได้รับไบแอสกลับ ซ่ึงเราจะต้องเปิดดูจาก คู่มือของไดโอดเบอร์นัน้ ๆ ยกตัวอย่าง ไดโอดเบอร์ 1N4000-1N4007 ดังรูปท่ี 1.12 จากรูปที่ 1.12 คณุ สมบตั ขิ องไดโอดเบอร์ 1N4001 - คา่ ทนแรงดนั ไบแอสกลบั สงู สุดของไดโอดสาหรับไฟฟา้ กระแสตรง 50V สาหรบั ค่า Vrms 35V - อตั ราทนกระแสสงู สุด 1A - อตั ราทนกระแสสูงสดุ ช่วั ขณะเวลา 8ms มคี ่า 30A - กระแสไบแอสกลับ 5 µA ถึง 50 µA - แรงดนั ไบแอสตรงทกี่ ระแส 1A มคี ่าเท่ากบั 1V - อณุ หภมู ิท่ใี ช้งาน –65 oC ถงึ 150 oC สว่ นเบอร์ 1N4002-1N4007 จะแตกต่างกนั ท่ีค่าทนแรงดันไบแอสกลบั สูงสดุ ของ ไดโอด สว่ นค่าอื่น ๆ เหมอื นกัน สมพร บุญริน แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

11 รปู ที่ 1.12 คูม่ อื ไดโอดเบอร์ 1N4000-1N4007 ทมี่ า : http://www.diodes.com 1.2.6 การวัดและทดสอบไดโอดด้วยมลั ติมิเตอร์ 1.2.6.1 การวดั และทดสอบไดโอดด้วยมัลติมเิ ตอร์แบบแอนะลอก สมพร บญุ รนิ แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลงั วทิ ยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

12 α0 Ω x10 -+ วัดคา่ ความต้านทานไดป้ ระมาณ 50-70 Ω α0 Ω x10 -+ วดั คา่ ความตา้ นทานได้ อินฟินติ ี (∞) รปู ท่ี 1.13 การวัดและทดสอบไดโอดดว้ ยมลั ติมิเตอรแ์ บบแอนะลอกเมอ่ื ไดโอดปกติ การวดั และทดสอบไดโอดวา่ ดหี รอื เสยี นนั้ ทาได้โดยใช้มัลติมิเตอร์ตงั้ ยา่ นวดั คา่ ความต้านทาน Rx10 การวัดการขาดและการ ชอ็ ต ของไดโอด ไดโอดสภาวะปกติจะวัดดว้ ยโอห์มมิเตอรข์ ้นึ ครง้ั หนงึ่ และไมข่ ้นึ คร้งั หนึง่ ถ้าหากการวดั ไดโอดโดยการสลบั สายวัดทงั้ สองคร้ัง เขม็ มเิ ตอรข์ ึ้นช้ี 0 Ω ท้ังสองครัง้ แสดงว่าไดโอดช็อต ถา้ การวัดไดโอดโดยการสลบั สายวดั ทง้ั สองครั้ง เข็มมิเตอร์ไม่ข้นึ ช้ีทอี่ ินฟนิ ติ ี (∞) ทงั้ สองคร้ัง แสดงว่าไดโอดขาด การวดั หาขั้วของไดโอด ให้ใช้ครง้ั ทเี่ ข็มมิเตอร์ขน้ึ สามารถสรปุ ผล จะได้วา่ ขั้วบวก (สายวดั ลบ) ภายในแบตเตอรี่ของโอห์มมเิ ตอรว์ ดั ทขี่ ั้วใด ข้ัวนัน้ คอื ขว้ั แอโนด (A) ขวั้ ลบ (สายวดั บวก) ภายใน แบตเตอรี่ของโอห์มมิเตอรว์ ัดท่ีขว้ั ใด ขาน้นั คอื ข้วั แคโทด (K) การวัดลีค(รว่ั ) และการเส่อื มของไดโอดจะตัง้ ย่านวดั ของโอหม์ มเิ ตอร์ทย่ี ่าน Rx10k และวดั ไดโอดในสภาวะจา่ ยไบแอสกลับ คอื ข้วั ลบ (สายวัดบวก) ของแบตเตอรีภ่ ายในโอห์มมิเตอร์วัดที่ขาแอโนด (A) ขัว้ บวก (สายวดั ลบ) ของแบตเตอร่ภี ายในโอห์มมิเตอรว์ ดั ขว้ั แคโทด (K) ถา้ เข็มมิเตอร์ไม่ขึ้น ช้ีค่าที่ อนิ ฟินติ ี (∞) แสดงว่าไดโอดปกติ แต่ถ้าเข็มมิเตอร์ขึน้ ไม่ว่ามากหรือน้อยกต็ าม แสดงวา่ ไดโอดลีค(รว่ั ) หรือเส่อื ม สมพร บุญรนิ แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลัง วทิ ยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

13 1.2.6.2 การวัดและทดสอบไดโอดดว้ ยมัลติมเิ ตอรแ์ บบดิจิตอล ให้ตั้งย่านวัดไดโอด โดยวัดข้ัวท้ังสองของไดโอดด้วยไบแอสตรง คือ ให้ขั้วไฟลบ (มิเตอร์ ดิจติ อล ขัว้ ไฟลบออกจากข้วั ลบของมิเตอร์) ของมเิ ตอรต์ อ่ กับแคโทดและขั้วไฟบวกของมเิ ตอร์ตอ่ กับขา แอโนด มิเตอร์จะแสดงค่าแรงดันตกคร่อมรอยต่อของไดโอด (แรงดันคัทอิน) โดยแสดงค่าแรงดัน 0.5-0.7 V ในไดโอดชนิดซลิ ิคอนและแสดงค่า 0.2-0.4 V ในไดโอดชนดิ เยอรมันเนียม OL 0.60 -+ -+ รปู ท่ี 1.14 การวดั และทดสอบไดโอดดว้ ยมลั ตมิ เิ ตอรแ์ บบดจิ ติ อล สมพร บุญรนิ แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลัง วทิ ยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

14 สรุป - สารกึ่งตัวนาคือสารที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว ท่ีนิยมเอามาทาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือ ซิลิคอนและเยอรมันเนียม สารกึ่งตัวนาไม่บริสุทธ์ิมี 2 ชนิดคือ ชนิด P (P-Type Semiconductor) และชนิด N (N-Type Semiconductor) - ไดโอดเป็นอปุ กรณ์สารกงึ่ ตวั นาท่ีไดจ้ าการนาสารกึ่งตวั นาซลิ ิคอนหรอื เยอรมนั เนยี มไม่บริสุทธิ์ ชนิด P และ N มาต่อกัน มีข้ัวใช้งานจานวน 2 ข้ัว คือขั้วแอโนด (A) และข้ัวแคโทด (K) การต่อวงจร ไดโอดสามารถจดั วงจรได้ 2 แบบ คือ 1. ไบแอสตรง (Forward Bias) การต่อวงจรแบบนีจ้ ะมีกระแสไหลผ่านไดโอด แรงดันไบแอสตรง มขี นาดมากกว่ากาแพงแรงดนั ภายในของไดโอดซ่งึ ถ้าเปน็ ของซิลิคอนไดโอดจะมีค่าประมาณ 0.7 V และ ถา้ เปน็ เยอรมนั เนียมไดโอดจะมีค่าประมาณ 0.3 V 2. ไบแอสกลบั (Reverse Bias) การต่อวงจรแบบน้จี ะไม่มกี ระแสไหลผา่ นไดโอด - การที่เราจะนาไดโอดมาใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เราจะต้องคานึงถึงอัตราทนกระแส สูงสุดเม่ือไบแอสตรง และอัตราทนแรงดันไบแอสกลับสูงสุดของไดโอด (PIV) ซ่ึงจะต้องเปิดดูจากคู่มือ ของไดโอดเบอร์นั้น ๆ สามารถค้นหาคู่มือของไดโอด (data sheet) ได้จากเว็บ search engine เช่น www.google.com เปน็ ตน้ - การวัดและทดสอบไดโอดว่าดีหรือเสีย และหาขั้วของไดโอดนั้นทาได้โดยใช้มัลติมิเตอร์ตั้งย่าน วัดค่าความต้านทาน Rx10 ไดโอดสภาวะปกติจะวดั ด้วยโอหม์ มเิ ตอร์ขึ้นคร้ังหนึ่ง ถ้าเข็มมิเตอร์ขนึ้ ท้ัง 2 ครั้ง แสดงว่าไดโอดเสีย (ไดโอดลัดวงจร) และถ้าเข็มมิเตอร์ไม่ขึ้นท้ัง 2 ครั้ง แสดงว่าไดโอดเสีย (ไดโอด ขาด) สมพร บญุ รนิ แผนกวชิ าช่างไฟฟ้ากาลัง วิทยาลัยเทคนิคลพบุรี

15 บรรณานกุ รม นภัทร วัจนเทพนิ ทร.์ 2542. คมู่ อื การทดลองอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนกิ ส์และวงจร. กรุงเทพฯ : สกายบ๊กุ ส์ . บุญสบื โพธศิ์ รี ; และคณะ. 2550. งานไฟฟ้าและอเิ ล็กทรอนกิ สเ์ บอ้ื งตน้ . กรุงเทพมหานคร : สานกั พมิ พ์ ศนู ยส์ ่งเสรมิ อาชวี ะ. พันธ์ศกั ด์ิ พุฒมิ านิตพงศ์. 2554. อปุ กรณอ์ เิ ลก็ ทรอนิกสแ์ ละวงจร. กรงุ เทพมหานคร: สานักพมิ พ์ ศนู ย์สง่ เสรมิ อาชีวะ. มงคล ทองสงคราม. 2540. อิเลก็ ทรอนกิ ส์เบอ้ื งตน้ . กรุงเทพมหานคร: สานกั พมิ พ์ว.ี เจ. พรน้ิ ติ้ง. วิทยาลยั เทคนิคนครปฐม. 2542. ปฏิบัตอิ ปุ กรณอ์ เิ ลก็ ทรอนิกส์และวงจร โครงการจดั ทาตน้ แบบ การเรยี นการสอนวิชาชีพภาคปฏิบัติ. นครปฐม: กรมอาชวี ศึกษา กระทรวงศกึ ษาธกิ าร. อดุลย์ กัลยาแกว้ . 2554. อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนกิ ส์และวงจร. กรุงเทพมหานคร: สานกั พิมพ์ศนู ย์ สง่ เสริมอาชีวะ. บญุ ชยั งามวงศ์วฒั นา. 2558. “The PN Junction Diod,” [ออนไลน]์ . เขา้ ถงึ ไดจ้ าก: http://electronics.se-ed.com/contents/137s088/137s088_p04.asp, [สืบค้นเม่ือ 10 พฤศจิกายน 2558] Lewis Loflin. 2558. “How Diodes and Rectifiers Operate,” [ออนไลน]์ . เข้าถงึ ได้จาก: http://www.bristolwatch.com/ele/diodes.htm, [สบื ค้นเมื่อ 10 พฤศจกิ ายน 2558] สมพร บุญรนิ แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบุรี