เอกสารประกอบการสอนหน่วยที่ 1

บทท่ี 1 สารกง่ึ ตวั นำ และไดโอด จุดประสงคร์ ายวิชา 1.เพือ่ ให้นักเรียนสามารถอธบิ ายโครงสรา้ งพ้ืนฐานของอะตอมได้ 2.เพอ่ื ใหน้ ักเรียนสามารถอธิบายสารกึ่งตวั นำชนดิ N และ P ได้ 3.เพื่อใหน้ ักเรียนสามารถบอกโครงสร้างและสัญลักษณข์ องไดโอดได้ 4.เพอ่ื ให้นักเรยี นสามารถอธิบายคุณสมบัตสิ มบตั ิของไดโอดได้ 5.เพื่อให้นักเรยี นสามารถวดั และทดสอบหาขาของไดโอดด้วยโอห์มมิเตอรไ์ ด้ 6.เพอ่ื ใหน้ ักเรยี นสามารถประกอบวงจรเพื่อวัดหาคุณสมบตั ิของไดโอดได้ สารก่ึงตัวนำและไดโอด 1. โครงสรา้ งพนื้ ฐานทางอะตอมของสารกึ่งตวั นำ โดยทว่ั ไปแลว้ สสารสามารถแบง่ คณุ สมบัติทางไฟฟา้ ออกได้ 3 ประเภทใหญ่ๆ คือ 1.สารตัวนำไฟฟ้า หมายถึง ธาตุท่ีมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน จำนวน 1 – 3 ตัว ได้แก่ เงิน ทองคำ ทองแดง อะลูมิเนยี ม เหล็ก สงั กะสี ฯลฯ 2.สารกึง่ ตวั นำ ไฟฟ้า หมายถึง ธาตุท่ีมีวาเลนซอ์ ิเล็กตรอนจำนวน 4 ตัวท่พี บโดยท่ัวไปได้แก่ ซิลกิ อน เจอร์เมเนียม ซ่งึ เป็นท่ีนิยมนำมาใชง้ านทางอเิ ล็กทรอนกิ ส์เช่น นำมาสร้างเปน็ ไดโอด ทรานซสิ เตอร์ 3.สารฉนวนไฟฟ้า หมายถึง ธาตทุ ่ีมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวน 5 – 8 ตวั ไดแ้ กว่ ัสดุจำพวก ไมก้า แก้ว พลาสตกิ ไมแ้ หง้ ฯลฯ สสารต่างๆ ที่เราพบอยู่ทั่วไปนั้น ถ้าพิจารณาลงไปถึงส่วนประกอบขนาดเล็กท่ีประกอบกันเป็นสสาร น้ันแล้ว จะพบว่าประกอบด้วยโมเลกุล ซ่ึงโมเลกุลเป็นส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสารและยังแสดงสมบัติของ ธาตุน้ันอยู่ได้ ในแต่โมเลกุลจะประกอบด้วยส่วนท่ีเล็กลงไปอีกเรียกว่าอะตอม จากการทดลองของ นกั วิทยาศาสตร์ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่อยู่เป็นแกนกลางของอะตอม และมีอิเล็กตรอน โคจรรอบนิวเคลียสนั้น ภายในนิวเคลียสยังประกอบไปด้วยอนุภาคของโปรตรอนและนิวตรอนอยู่รวมกัน อิเล็กตรอนท่ีโคจรอยู่รอบนิวเคลียสนั้นเป็นลบ ส่วนโปรตรอนมีประจุเป็นบวก นิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสมี ประจุเป็นกลางทางไฟฟ้า โดยปกติแล้วอะตอมของธาตุต่างๆ จะเป็นกลางทางไฟฟ้า ในธาตุเดียวกันอะตอม ของธาตุนั้นจะมจี ำนวนโปรตรอนและอเิ ล็กตรอนเทา่ กนั

รูปที่ 1.1 แสดงโครงสรา้ งของสสารแต่ละประเภท รปู ท่ี 1.2 โครงสรา้ งพืน้ ฐานของอะตอม อะตอมของสารกึ่งตัวนำ ก็เช่นเดียวกัน จะประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่รอบ นิวเคลียสนั้น ด้วยเหตุที่สสารทุกชนิดจะต้องประกอบข้ึนด้วยอะตอมจำนวนมากและอะตอมเหล่านนั้นจะถูก แบ่ง สร้างขึ้นหรือทำให้สูญสลายไปไม่ได้ชนิดของอะตอมจึงขึ้นอยู่กับชนิดของธาตุ ซึ่งอะตอมของธาตุชนิด เดียวกันจะมีคุณสมบัติทางกายภาพ เคมีและมีมวลเหมือนกัน อะตอมของธาตุสองชนิดขึ้นไปถ้ารวมตัวกัน ทางเคมใี นจำนวนอะตอมที่แนน่ อนแลว้ จะได้สิง่ ทเี่ กดิ ขน้ึ ใหม่ เรยี กว่า “สารประกอบ” (Compound) 2.วงโคจรของอเิ ล็กตรอน จำนวนอิเล็กตรอนที่ว่ิงรอบนิวเคลียสจะว่ิงเป็นวงๆ โดยแต่ละวงโคจรจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ไม่ เท่ากัน เรียงลำดับจากน้อยไปหามาก แต่ละวงจะสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้จำนวนเท่าใดน้ันคำนวณได้จาก สูตร 2N2 โดย N คือตัวเลขท่ีบอกลำดับวงโคจรท่ีห่างจากนิวเคลียส วงโคจรอิเล็กตรอนท่ีอยู่ห่างจากนิวเคลียส จะบอกกำกับไว้เป็นตัวอักษร ซึ่งในวงในสุดท่ีติดกับนิวเคลียสจะนับเป็นวงแรกคือวง K และวงท่ีอยู่ออกห่างไป เรื่อยๆ ก็จะเป็น L,M,N,O,P,Q ตามลำดบั แต่ละวงจะมีอิเลก็ ตรอนได้สงู สดุ ตามสูตร 2N2 ดังน้นั วง K ซง่ึ เปน็ วงที่ 1จะมีคา่ n = 1 จำนวนอิเลก็ ตรอนสงู สุดเท่ากับ 2N2 = 2(1)2 = 2 ตวั วง L ซึ่งเป็นวงท่ี 2 จะมคี ่า n = 2 จำนวนอเิ ลก็ ตรอนสงู สดุ เท่ากับ 2N2 = 2(2)2 = 8 ตวั วง M ซงึ่ เปน็ วงที่ 3 จะมีค่า n = 3 จำนวนอเิ ล็กตรอนสงู สุดเทา่ กบั 2N2 = 2(3)2 = 18 ตัว

วงที่ 4 N = 32 ตวั ,วงที่ 5 O = 50 ตวั โดยต้ังแต่วง O เปน็ ต้นไป จำนวนอเิ ลก็ ตรอนที่บรรจุลงไปจะ ไมเ่ ต็มจำนวนตามสูตรที่ คำนวณได้ ในการคำนวณจำนวนอิเล็กตรอนในวงต่อ ๆ ไป ก็จะหาได้เช่นเดียวกับการใช้สูตรตามที่หาในวง ดังกล่าวขา้ งตน้ เพียงแต่จะต้องใชค้ ่า n ตามค่า n ของวงนั้นๆ คอื ในวง N จะมีค่า n = 4 วง O มคี ่า n = 5 วง P มคี ่า n = 6 และวง Q มีค่า n = 7 ดงั แสดงในรูปที่ 1.3 รปู ท่ี 1.3 วงโคจรต่าง ๆ ของอเิ ล็กตรอนรอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนในวง K แม้จะมีเพียงแค่ 2 ตัว แต่อยู่วงในสุด ดังน้ันการท่ีจะดึงเอาอิเล็กตรอนวง K ออกมาใช้งาน จะต้องใช้พลังงานมากท่ีสุด การจะนำอิเล็กตรอนมาใช้งานจึงจำเป็นต้องดึงอิเล็กตรอนจากวง โคจรนอกสุดมาใช้ โดยอิเล็กตรอนวงโคจรนอกสุดจะมีได้ไม่เกิน 8 ตัว เราเรียก อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่วงนอก สุดว่า “วาเลนซ์อิเล็กตรอน” (Valence electron) สำหรับอิเล็กตรอน วงโคจรนอกสุดของสารกึ่งตัวนำจะมี 4 ตัว เช่น ซิลิกอน (Silicon) จะมีจำนวนอิเล็กตรอนท้ังหมด 14 ตัว เจอร์เมเนียม (Germanium) จะมีจำนวน อิเล็กตรอนทั้งหมด 32 ตัว เราสามารถพิจารณาวงโคจร อิเล็กตรอนของซิลิกอนและเจอร์เมเนียมในแต่ละวง โคจรไดด้ งั รูปท่ี 1.4 ก) วงโคจรอเิ ล็กตรอนของซิลิกอน ข) วงโคจรอเิ ล็กตรอนของเจอรเ์ มเนยี ม รูปท่ี 1.4 วงโคจรอเิ ลก็ ตรอนของซิลิกอนและเจอร์เมเนยี ม

3.สารก่งึ ตวั นำบรสิ ทุ ธิ์ (Intrinsic semi - conductor) สารกึง่ ตัวนำบริสทุ ธิ์ คือ สารหรือธาตุที่ไมไ่ ด้มีการเติมสารเจือปน (Doping) ใด ๆ ลงไป สารกงึ่ ตัวนำ ท่ีนิยมใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ทำมาจากซิลิกอน เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไอซี ซึ่งใน ความเป็นจริงแลว้ ธาตหุ รอื สารแตล่ ะชนดิ จะมจี ำนวนอะตอมยึดตดิ กนั อย่เู ปน็ จำนวนมาก การที่มันยดึ ติดกนั ได้ ก็คือจะยึดติดกันเป็นผลึก(Crystal) โดยการแชร์ (Share) หรือเป็นการใช้อิเล็กตรอนวงนอกสุดร่วมกัน เพ่อื ทจ่ี ะทำใหม้ ีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอก สุดครบ 8 ตัว จะทำให้อะตอมมเี สถียรภาพ การยึดกนั เปน็ ผลกึ ของ อะตอมถูกเรียกว่า “พันธะโควาเลนซ์” (Covalence bond) จากการท่ีซิลิกอนมีจำนวนอิเล็กตรอนท้ังหมด 14 ตัวและเจอร์เมเนียม มีจำนวนอิเล็กตรอนท้ังหมด 32 ตัว ทำให้มีอิเล็กตรอนที่วงโคจรนอกสุด 4 ตัว เหมือนกัน เป็นคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ โดยปกติแล้ว อะตอมของสารก่ึงตัวนำชนิดซิลิกอนและ เจอร์เมเนยี มท่ี บริสทุ ธิจ์ ะยึดกนั เป็นผลึกและใชอ้ ิเล็กตรอนวงนอกสุดรว่ มกนั ดงั แสดงในรูปท่ี 1.5 ก) การยึดกันเปน็ ผลกึ ของอะตอมของซลิ ิกอนและเจอร์เมเนียมบรสิ ุทธ์ิ ข) การยึดกนั แบบพันธะโควาเลนซ์ รูปที่ 1.5 การยึดกันของอะตอมของสารกงึ่ ตวั นา ซลิ กิ อนและเจอรเ์ มเนยี ม

จากรูปท่ี 1.5 ก) เป็นการแสดงการยึดกันของอะตอมแต่ละอะตอมจำนวนมาก ที่ยึดเหน่ียวกันอย่าง หนาแน่นในลักษณะเป็นผลึก และเม่ือพิจารณาต่อไปในรูปท่ี 1.5 ข) จะเห็นว่าเม่ือแยกแต่ละอะตอมมา พจิ ารณา อิเล็กตรอนในแต่ละอะตอมที่อยูว่ งโคจรนอกสุด จะใช้อิเลก็ ตรอน ร่วมกันจนดเู สมือนว่ามอี ิเลก็ ตรอน วงโคจรนอกสุดครบ 8 ตัว สภาวะน้ีบ่งบอกได้ว่าสารก่ึงตัวนำ ซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียม ยังเป็นสารก่ึงตัวนำ บริสทุ ธ์อิ ย่แู ละมคี ณุ สมบัติการเป็นตวั นำไฟฟา้ ท่ีไมด่ ี 4.สารกึง่ ตวั นำไม่บริสทุ ธ์ิ (Extrinsic semi-conductor) สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ คือ ซิลิกอน หรือเจอร์เมเนียม ที่ผ่านการโด๊ป ซ่ึงก็คือ การเติมอะตอม ของ สารเจือปน(Impurity)บางอย่างลงไป โดยเราจะทำการเลือกอะตอมของสารเจือปนที่มีจำนวนวาเลนซ์ อิเล็กตรอน 3 หรอื 5 ตัว เติมลงในสารกง่ึ ตัวนำด้วยอัตราส่วน 108: 1 (สารกง่ึ ตัวนำ 108 สว่ น สารเจอื ปน 1 ส่วน) จะทำใหไ้ ดส้ ารก่ึงตวั นำใหม่ขึ้นมา เปน็ สารก่งึ ตัวนำชนิด N และสารกง่ึ ตวั นำ ชนดิ P 4.1 สารกงึ่ ตวั นำชนิด N (N - type semi -conductor) สารก่ึงตัวนำชนิด N เกิดจากการเติมอะตอมของสารเจือปนท่ีมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว เช่น ฟอสฟอรัส (Phosphorus ,P) สารหนู (Arsenic ,As) พลวง (Antimony) อย่างใดอย่างหน่ึงลง ไปในซิลิกอน หรือเจอร์เมเนียม รูปที่ 1.6 การเติมอะตอมของสารหนูลงในสารซิลิกอนทำให้ไดส้ ารกึ่งตัวนำชนิด N จากรูปที่ 1.6 จะเห็นได้ว่า เม่ือเราทำการเติมอะตอมของสารหนูลงในสารซิลิกอน จะทำให้มีวาเลนซ์ อิเล็กตรอนอีก 1 ตัว ท่ีไม่สามารถจับตัวกับอะตอมข้างเคียงได้ เรียกอิเล็กตรอนตัวที่ เกินมา 1 ตัวนี้ว่า “อิเล็กตรอนอสิ ระ” (Free electron) ซ่ึงจะทำการแสดงประจไุ ฟฟ้าลบออกมา ดงั นั้นสารกึ่งตัวนำชนิด N จงึ มี อเิ ลก็ ตรอนเป็นพาหะขา้ งมาก(Majority carriers) และมีโปรตอนเปน็ พาหะข้างน้อย(Minority carriers) 4.2 สารกงึ่ ตวั นำชนดิ P (P - type semi -conductor)

สารก่ึงตัวนำชนิด P เกิดจากการเติมอะตอมของสารเจือปน ที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว เช่น โบรอน(Boron , B) อลูมิเนียม(Aluminium , Al) แกลเลียม(Gallium ,Ga) อินเดียม (Indium ,In) อย่างใด อย่างหนงึ่ ลงในซลิ ิกอนหรือเจอรเ์ มเนยี ม รูปที่ 1.7 การเติมอะตอมของโบรอนลงในสารซลิ กิ อนทำให้ไดส้ ารกง่ึ ตัวนำชนดิ P จากรูปที่ 1.7 เม่ือเราทา การเติมอะตอมของสารโบรอนท่ีมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว ลงใน สารซิลิกอน จะเป็นผลทำให้ได้วาเลนซ์อิเล็กตรอนของสารซิลิกอนไม่ครบ 8 ตัว ขาดไป 1 ตัว ส่วนที่ขาด อเิ ล็กตรอนนี้จะเป็นพ้นื ที่วา่ ง เรียกว่า โฮล (Hole) หมายถงึ หลุมหรือรู โดยโฮลนี้ สามารถจะรับอิเล็กตรอนตัว ท่ีอยู่ใกล้เคียงท่ีได้รับพลังงานเพียงพอให้เข้ามาอยู่แทนท่ีโฮลได้ ดังนั้น สารกึ่งตัวนำชนิด P จึงมีโฮลเป็นพาหะ ข้างมากและมอี ิเล็กตรอนเปน็ พาหะข้างน้อย 4.3 รอยต่อ พี – เอน็ เมื่อเรานำสารกึง่ ตัวนำชนิดพีและชนิดเอ็นมาต่อประกบกันดงั แสดงในรูปที่ 1.8 ( ก) จะเกดิ ปรากฏการณ์ แลกเปลีย่ นพาหะสวนใหญ่ ซ่ึงกนั และกันโดยอิเล็กตรอน ซงึ่ เป็นพาหะส่วนใหญ่ในฝ่ัง เอ็น (N) จะเคลอื่ นท่ี ไปยังฝ่งั พี (P) ขณะเดียวกัน โฮลซง่ึ จะเป็นพาหะสว่ นใหญ่ ในฝังพกี จ็ ะเคลื่อนที่ไปฝง่ั เอน็ รปู ท่ี 1.8 (ก) การแพรข่ องพาหะส่วนใหญ่ในสารกงึ่ ตัวนำแบบพแี ละเอ็น (ข) การแพร่เมื่อเข้าส่สู ภาวะสมดลุ

อะตอมสารเจือผู้รับในสารก่ึงตัวนำชนิดพีเมื่อสญู เสียโฮลที่เคลื่อนท่ีไปยังฝ่ังเอ็นก็จะเปลี่ยนเป็นประจุ ลบ (สญั ลักษณ์ - ) ขณะที่อะตอมสารเจอื ผู้ให้ ในสารก่ึงตวั นำชนิดเอน็ ท่ีสูญเสยี อเิ ล็กตรอนที่เคลอื่ นท่ีไปยงั ฝ่ังพี ก็จะเปล่ียน เป็นประจุบวก (สัญลักษณ์ + ) การแพร่กันไปมาของพาหะทั้งสองฝ่ังจะหยุดเม่ือประจุลบ และ ประจุบวกที่เกิดข้ึน ดังกล่าวก่อให้เกิดแนวขวางกั้นศักย์ (Potential barrier) ทำให้พาหะท้ังสองไม่สามารถ เคล่ือนที่ผ่านไปได้ ในที่สุดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างกันน่ีจะเข้าสู่สภาวะสมดุล (Equilibrium state) ดัง แสดงในรูปท่ี 1.8 (ข) โดยบริเวณตรงกลางของรอยต่อพี - เอ็น จะมีสนามไฟฟ้ายับย้ังสูง จนกระท่ังพาหะทั้ง อเิ ลก็ ตรอนเละโฮลไมส่ ามารถจะอยู่ ได้เราเรยี กบรเิ วณนีว้ ่า “บรเิ วณปลอดพาหะ” (Depletion region) 4.4 รอยตอ่ สารกงึ่ ตัวนำพี – เอ็น ภายใต้การปอ้ นแรงดนั ไฟฟา้ รอยต่อสารกึ่งตัวนำพี-เอน็ ท่ีสภาวะสมดลุ เม่ือไดร้ ับการป้อนแรงดันไฟฟ้าหรือเรียกวา่ ไบอสั (Bias) แร งดนไฟฟ้าน้นั จะทำให้ท้งั อิเล็กตรอนและโฮลมีการเคลื่อนที่ ซ่งึ ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าผ่านสารกึ่งตวั นำทั้งชนิดพี และเอ็น โดยที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ ตรงข้ามกับทิศทางของสนามไฟฟ้าแต่ให้กระแสไฟฟ้าในทิศเดียวกันกับ สนามไฟฟ้า ขณะที่โฮล เคลื่อนท่ีและให้กระแสไฟฟ้าในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า ดังนั้นกระแสที่ไหลในสารกึ่ง ตัวนำจะมีทั้งกระแสท่ีเกิดจาก การเคลื่อนท่ีของอิเล็กตรอนและกระแสท่ีเกิดจากกการเคลื่อนที่ของโฮล โดย การไบอสั แรงดันไฟฟา้ ให้กับรอยต่อ สารก่งึ ตวั นำ แบบพี – เอน็ น้สี ามารถทำการป้อนไฟฟา้ ได้สองแบบคือ 4.4.1 การไบอัสตรง (Forword Bias)การป้อนแรงดันไฟฟ้าในลักษณะนี้ แสดงในรูปที่ 1.9 โดยสารกึ่ง ตัวนำชนดิ พี ต่อกับข้วั บวกของแบตเตอรีข่ ณะที่ข้วั ลบตอ่ กับสารก่ึงตวั นำชนิดเอ็น รปู ที่ 1.9 การไบอัสแรงดันไฟฟา้ แบบไบอัสตรง การไบอัสตรงดังกล่าวจะมีผลทำให้บริเวณปลอดพาหะแคบลงเพราะแรงดันไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ จะ ไป หักล้างกับแรงดันไฟฟ้ายับยั้งที่เกิดขณะสภาวะสมดุลทำให้ท้ังอิเล็กตรอนและโฮลเคลื่อนที่ข้ามฝั่งไปมาได้ สะดวก ก่อให้เกิดกระแสไหลผ่านรอยต่อสารกึ่งตัวนำ อันเน่ืองมาจากการเคล่ือนที่ของพาหะส่วนมากของท้ัง สองฝ่ัง 4.4.2 การไบอสั ยัอนกลับ (Reverse bias) การป้อนแรงดันไฟฟ้าในลักษณะนี้แสดงในรูปที่ 1.10 โดยจะมีข้ัวของแรงดันไฟฟ้าท่ี ตรงกันขัามกับ การไบอัสตรงกล่าวคือแรงดันไฟฟ้าข้ัวบวกจะต่อกับสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น ขณะที่แรงดันไฟฟ้าขั้วลบจะต่อเข้า กบั สารก่งึ ตวั นำชนิดพี

รปู ท่ี 1.10 การไบอัสแรงดันไฟฟาั แบบไบอัสย้อนกลบั การป้อนไฟฟ้าแบบไบอัสย้อนกลับนี้มีผลทำให้บริเวณปลอดพาหะมีความกว้างมากข้ึน เน่ืองจาก ทศิ ทางของแรงดัน ไฟฟ้า อันเน่อื งมาจากแบตเตอรี่จะไปเสริมทิศทางของแรงดันไฟฟ้าท่เี กิดภายในรอยตอ่ ทำ ให้พาหะส่วนใหญ่อันได้แก่ อิเล็กตรอนในฝ่ังเอ็นและโฮลในฝ่ังพีเคล่ือนท่ีขา้ มฝ่ังไปมาได้ยากข้ึน อยางไรก็ตาม กระแสไฟฟา้ ที่เกิดจากการไบอสั ย้อนกลับ นีจ้ ะยงั คงได้จากการเคล่อื นท่ีของพาหะส่วนน้อย อนั ไดแ้ ก่ โฮลในฝ่ัง เอ็นและอิเล็กตรอนในฝ่ังพี จึงมีค่ากระแสไหลน้ อยมากจนแทบจะเป็นศูนย์ ดังน้ันสารกึ่งตัวนำแบบรอยต่อพี - เอ็น เม่ือป้อนแรงดันไฟฟัาแบบไบอัสย้อนกลับจะทำตัวเหมือนฉนวน คือไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน และถ้าเราเพิ่มค่าแรงดันไฟฟัาที่ไบอัสกลับมากขึ้นจนถึงค่าๆ หนึ่ง จะทำให้รอยต่อพี - เอ็น ของสารกึ่งตัวนำ ดงั กล่าวเกิดพังทลาย (Breakdown) และเกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าขึน้ โดยฉับพลนั 5.ไดโอด (Diode) ไดโอด จัดเป็นสิ่งประดิษฐ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ท่ีทำมาจากสารกึ่งตัวนำจำพวกซิลิกอน หรือ เจอร์เมเนียม อยา่ งใดอย่างหนึ่ง เชน่ ถ้าเป็นสารกึง่ ตัวนำซิลกิ อน ก็จะนำเอาสารกึ่งตัวนำซิลิกอน ชนิด P และ N มาต่อชนกัน โดยจะใช้วิธีการปลูกผลึกหรือวิธีการแพร่สารเจือปนลงไปในแท่งสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ให้ด้าน หน่ึงเป็นสารชนิด P และอีกด้านหน่ึงเป็นสารชนิด N ส่ิงที่ได้จะกลายเป็น อุปกรณ์ที่เรียกว่า ไดโอดชนิด รอยต่อ P-N (P – N junction diode) คุณสมบัติท่ีได้ของไดโอดก็คือ มันจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัว มันได้เพียงทิศทางเดียว ทั้งนขี้ ึน้ อยกู่ บั ลกั ษณะการจัดไบแอส ใหแ้ ก่ตัวมัน รูปที่ 1.11 โครงสรา้ งและสัญลักษณ์ ของไดโอด

จากรูปจะเห็นว่าไดโอดจะประกอบด้วย 2 ขาคือ แอโนด (A: Anode) และแคโทด (K: Cathode) โดยที่สารก่ึงตัวนำที่นำมาใช้สร้างไดโอดจะเป็นได้ท้ังซิลิคอนและเยอรมาเนียม (แต่โดยท่ัวไปจะพบไดโอดที่ สร้างจากซิลิคอนเป็นส่วนใหญ่) ในทางอุดมคติแล้ว ไดโอดจะมีคุณสมบัติเหมือนกับสวิตช์ที่ปิดและเปิดวงจร เม่ือทำการป้อนไฟไบอัสตรงและไบอัสย้อนกลับ ตามลำดับ ดังแสดงในตารางที่ 1.1 โดยกราฟคุณลักษณะ ระหว่างกระแสไฟฟ้า (ID ) ที่โหลดผ่านไดโอดและแรงดันไฟฟ้า (VD ) ท่ีคร่อมไดโอดทางอุดมคติจะเป็นดัง แสดงในรปู ท่ี 1.12 รูปท่ี 1.12 กราฟแสดงความสัมพนั ธ์ระหว่างกระแส – แรงดันไฟฟา้ ของไดโอดทางอุดมคติ ทม่ี า : พันธ์ศักดิ์ พฒุ ิมานิตพงศ์. ทฤษฎวี งจรอิเลก็ ทรอนิกส์ 1. พิมพค์ รั้งท่ี 1. กรงุ เทพฯ: ซีเอ็ดยูเคชั่น, 2543. ตารางที่ 1.1 แสดงคุณสมบัติของไดโอดเมือ่ ไบอสั ตรงและไบอัสกลบั ไบอัสตรง ไบอสั กลบั 1. ไดโอดอยู่ในสภาวะนำกระแส 1. ไดโอดอยู่ในสภาวะไมน่ ำกระแส 2. ไดโอดมีค่าความตา้ นทานต่ำ 2. ไดโอดมีค่าความต้านทานสูง 3. ไดโอดมีสภาพเหมือนสวิตชท์ ี่ปิดวงจร 3. ไดโอดมสี ภาพเหมอื นสวติ ชท์ ่ีเปิดวงจร

รปู ที่ 1.13 คณุ สมบัติของไดโอดในทางอุดมคติ เนอ่ื งจากไดโอดมีหลายขนาดและหลายชนิด ดังนัน้ จึงพบไดโอดรปู ร่างภายนอกที่แตกต่างกันดัง แสดงตามรูป รูปที่ 1.14 แสดงรปู รา่ งของไดโอดแบบต่าง ๆ 5.1 ไดโอดในการใชง้ านจรงิ ไดโอดในการใชง้ านจรงิ (Real Diode) เป็นไดโอดท่ีมีคุณสมบัติแตกต่างไปจาก ไดโอดทางอุดมคติ เน่ืองจากในการนาเอาไดโอดไปใชง้ านจริง คุณสมบัติของตัวไดโอดในขณะจ่ายไบอัสตรงเราตอ้ ง พิจารณาถึงค่าความตา้ นทานภายในตวั ไดโอดกบั แรงดนั ท่ีเกิดขึน้ ตรงบริเวณรอยต่อพี-เอ็น ในขณะท่ีจ่ายไบอสั กลบั เราก็ ตอ้ งมาพิจารณาถงึ คา่ ความตา้ นทานภายในตวั ไดโอดกบั กระแสร่วั ไหล (leakage current)

รูปท่ี 1.15 กราฟแสดงคณุ สมบตั ขิ องซิลกิ อนไดโอด ท่มี า : Robert Boylestad and Lousis Nashelsky. Electronic Devices And Circuit Theory, Seventh Edition: New Jersey. Prentice Hall ความตา้ นทานของไดโอดจะขึน้ อยู่กับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ดงั นัน้ จึงถือไดว้ ่า ไดโอดเป็นอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกสท์ ่ีมีคุณสมบตั ิท่ีไม่เป็นเชิงเสน้ ซ่งึ สามารถดไู ดจ้ ากกราฟแสดงคุณสมบตั ิ ของไดโอด ดงั แสดงในรูปท่ี 1.15 โดยลกั ษณะคณุ สมบตั ิระหว่างแรงดนั และกระแสจะเป็นตวั ท่ีแสดงให้ เห็นถึงความสมั พนั ธ์ ทงั้ ในขณะจ่ายไบอสั ตรงและ ไบอสั กลับ การจ่ายไบอสั ตรงดว้ ยแรงดันตกคร่อม ไดโอดน้อยกว่า 0.5 V ไดโอดจะมีกระแสไหลนอ้ ยมากระดับไมโคร แอมป์ เม่ือแรงดนั ตกคร่อมไดโอด มากกว่า 0.5 V แต่นอ้ ยกว่า 0.7 V ไดโอดเร่มิ มีกระแสไหลเพ่ิมขึน้ จนกระทง้ั แรงดนั ตก ครอ่ ม ไดโอด เทา่ กบั 0.7 V ไดโอดจะมกี ระแสไหลคงท่ี การจ่ายไบอสั กลบั ไดโอดจะมีกระแสไหลนอ้ ยมากประมาณไมโคร แอมป์ ( uA) หรือไม่มกี ระแสไหลจนกระทง้ั แรงดนั ตกครอ่ มไดโอดมคี ่าเท่ากับแรงดนั พงั (Breakdown Voltage) ใชต้ วั ยอ่ ว่า VBR ไดโอดจะมีกระแสไหลจานวนมากเพ่ิมขนึ้ อย่างรวดเรว็ ขณะท่ี แรงดนั ไบอสั กลบั มคี ่าคงท่ี จากกราฟคณุ สมบตั ิ ของซิลิกอนไดโอด แกนแนวตงั้ แสดงค่าของกระแสจากการวดั มีหน่วยเป็น มิลลิแอมแปร์ (mA) แกนแนวนอนแสดงค่า แรงดนั ไฟฟา้ ซ่งึ มีคา่ สงู สดุ 1 V ดว้ ยเหตนุ แี้ สดงวา่ แรงดนั ท่ี ตกครอ่ มไดโอดจะมีค่านอ้ ยกวา่ 1 V และชว่ งโคง้ ของเสน้ กราฟ กระแสไฟฟ้าจะเพ่มิ ขึน้ อยา่ งรวดเรว็ สามารถอธิบายความสัมพันธ์ของกระแสท่ีไหลผ่านไดโอด (ID) และ ค่าแรงดนั ไฟฟ้าท่ีตกคร่อม ไดโอด (VD) ดว้ ยสมการของ Shockley ดงั นี้ …1.1

เม่ือ IS คอื กระแสยอ้ นกลบั อิม่ ตวั มีคา่ โดยประมาณ 1×10-15A มีหนว่ ย เป็นแอมแปร์ (A) VD คือ แรงดนั ตกครอ่ มไดโอด มหี นว่ ย เป็นโวลท์ (V) n คือ คา่ ของสารท่นี ามาสรา้ งไดโอด โดยท่วั ไปจะอย่รู ะหวา่ ง 1 ถึง 2 VT คอื คา่ แรงดนั ท่เี กิดจากอณุ หภมู ิ (Thermal voltage) มหี นว่ ยเป็นโวลท์ (V) …1.2 เม่ือ k คอื คา่ คงท่ขี อง Boltzmann’s constant มคี า่ เทา่ กบั 1.38 x 10-23Joules/Kelvin ; J/K Tk คอื ค่าอณุ หภมู ิสมบรู ณ์ (=273+⁰C) มีหนว่ ยเป็นเคลวิน (Kelvin oK) q คือ ค่าประจไุ ฟฟ้าของอิเล็กตรอน มคี ่าเท่ากบั 1.6 x 10-19 Coulomb ตวั อย่างท่ี 1.1 จงหาค่าแรงดนั ท่เี กดิ จากอณุ หภมู ิ (Thermal voltage) ; VT ถา้ กาหนดอณุ หภมู ทิ ่ี 30⁰C วธิ ีท า จากโจทยก์ าหนดใหอ้ ณุ หภมู ิท่ี 30⁰C หาค่าอณุ หภมู สิ มบรู ณไ์ ดด้ งั นี้ Tk = 273 + ⁰C = 273 + 30⁰C = 303 ⁰K จากนน้ั หาค่าแรงดนั ท่เี กดิ จากอณุ หภมู ิไดจ้ ากสมการท่ี 1.2 ดงั นี้ = (1.38×10-23 J/K)(303 ⁰K) 1.6×10-19 Coulomb = 26.133 mV ตอบ ≅ 26 mV 5.1.1 กราฟอณุ หภมู ิของไดโอด

รปู ที่ 1.16 กราฟอุณหภูมิของไดโอด ที่มา : Robert Boylestad and Lousis Nashelsky. Electronic Devices And Circuit Theory, Seventh Edition: New Jersey. Prentice Hall เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมไดโอดเปลี่ยนแปลงไป ย่อมมีผลกระทบต่อลักษณะสมบัติทางแรงดันและ กระแสของไดโอด (Temperature Effects) จากกราฟรูปที่ 1.16 ในช่วงไบอัสตรงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แรงดัน ตกคร่อมไดโอดจะเปลี่ยนแปลง 25 mV ต่อองศาเซนตเิ กรด เส้นกราฟด้านไบอัสตรงที่อุณหภูมิห้องเพิ่มข้ึนจาก 25⁰C ไปเป็น 125⁰C ท าให้แรงดันตกคร่อม ไดโอดขณะนน้ั ลดลง 0.25 mV 100 ⁰C (- 2.5 mV/ ⁰C) = - 0.25 mV

ด้านไบอสั กลับท่ีอุณหภูมิห้องเพิม่ ข้ึนจาก 25⁰C ไปเป็น 125⁰C เกิดการเปลยี่ นแปลงของกระแส IS ท่ี อุณหภูมหิ อ้ ง 25 ⁰C (IS ≅ 1 pA) และทอี่ ุณหภมู ิ 125 ⁰C (IS ≅ 1 µA) ซ่ึงมีคา่ ตา่ งกนั มาก จากผลการทดลองในหอ้ งปฏิบัติการทีม่ ีการควบคุมอุณหภูมิไว้ท่ี 25⁰C พบว่ากระแสรั่วไหลใน ตัว ไดโอดชนดิ ซลิ ิคอน IS (Si) มีค่าเพิ่มขน้ึ ประมาณ 2 เท่าทุก ๆ คร้งั ท่ีอุณหภูมิเพม่ิ ขน้ึ 10⁰C ส่วน กระแสรว่ั ไหล ในไดโอดชนิดเยอรมาเนียม IS (Ge) มีสัดส่วนการเพิ่มขึ้นของกระแสรั่วไหลต่ออุณหภูมิ มากกว่าไดโอดชนิด ซิลิคอน เช่นที่ อุณหภูมิ 25⁰C กระแส IS (Ge) มีค่าประมาณ 1 µA - 2 µA และที่ อุณหภูมิ 100⁰C กระแส IS (Ge) มีค่าเพิ่มข้ึนประมาณ 100 µA จะเห็นว่ากระแส IS (Ge) เพ่ิมข้ึน ประมาณ 50 - 100 เท่า ขณะท่ี อุณหภูมิเพ่มิ ขน้ึ เพยี ง 4 เทา่ 5.1.2 ค่าความต้านทานทางด้านไฟฟา้ กระแสตรงของไดโอด ค่าความต้านทานทางด้านไฟฟ้ากระแสตรงของไดโอดสามารถหาได้จากจุดการท างานของ ไดโอด เมอื่ ไดร้ ับแรงดันไฟฟา้ กระแสตรง สามารถเขยี นเปน็ สมการได้ดงั น้ี …1.3 รูปท่ี 1.17 กราฟแสดงการหาคา่ ความตา้ นทานทางดา้ นไฟฟา้ กระแสตรง ทม่ี า : Robert Boylestad and Lousis Nashelsky. Electronic Devices And Circuit Theory, Seventh Edition: New Jersey. Prentice Hall ช่วงกระแสไหลผ่านไดโอดมากค่าความต้านทาน RD มคี ่าต่ า ปกตจิ ะอยู่ในช่วง 10 Ω ถึง 80 Ω

ตวั อย่างท่ี 1.2 จากรปู ที่ 1.18 กราฟการทำงานของไดโอด จงคำนวณค่าความต้านทานทางด้านไฟฟ้า กระแส ตรงทตี่ ำแหน่ง ID = 2 mA , ID = 20 mA และ VD = -10 V วธิ ีทำ คา่ ความต้านทานทางด้านไฟฟา้ กระแสตรงทตี่ ำแหน่ง ID = 2 mA เมอื่ VD = 0.5 V RD = VD / ID ตอบ = 0.5 V / 2 mA = 250 Ω คา่ ความต้านทานทางด้านไฟฟา้ กระแสตรงท่ีตำแหน่ง ID = 20 mA เมือ่ VD = 0.8 V RD = VD / ID = 0.8 V / 20 mA = 40 Ω ตอบ ค่าความตา้ นทานทางดา้ นไฟฟ้ากระแสตรงท่ีต าแหน่ง VD = -10 V เม่ือ ID = -IS = -1 µA RD = VD / ID = -10 V / -1 µA ตอบ = 10 MΩ รปู ท่ี 1.18 กราฟการท างานของไดโอด ทม่ี า : Robert Boylestad and Lousis Nashelsky. Electronic Devices And Circuit Theory, Seventh Edition: New Jersey. Prentice Hall

5.1.3 คา่ ความต้านทานทางด้านไฟฟ้ากระแสสลบั ของไดโอด ลักษณะของไฟฟ้ากระแสสลับเกิดการเปลี่ยนแปลงข้ึนลงตลอดเวลาอย่างต่อเนื่อง การหาค่า ความ ต้านทานทางไฟฟา้ กระแสสลับของไดโอดจะต้องนำคา่ ทีเ่ กดิ จากการเปลี่ยนแปลงมาพิจารณาดว้ ย โดยให้ Δ Vd แทนค่าแรงดันตกคร่อมไดโอดที่เปลี่ยนแปลง และ Δ Id แทนค่ากระแสไหลผ่านไดโอดที่ เปลี่ยนแปลง สามารถเขยี นเปน็ สมการไดด้ งั นี้ ...1.4 รูปท่ี 1.19 การหาค่าความตา้ นทานทางไฟฟา้ กระแสสลับของไดโอด ทมี่ า : Robert Boylestad and Lousis Nashelsky. Electronic Devices And Circuit Theory, Seventh Edition: New Jersey. Prentice Hall

รปู ที่ 1.20 กราฟการท างานของไดโอดเพ่ือหาความต้านทานทางไฟฟ้ากระแสสลบั ของไดโอด ทมี่ า : Robert Boylestad and Lousis Nashelsky. Electronic Devices And Circuit Theory, Seventh Edition: New Jersey. Prentice Hall ตัวอยา่ งที่ 2.3 จากรูปที่ 1.20 กราฟการทำงานของไดโอด จงคำนวณหาค่าความตา้ นทานทางไฟฟ้า กระแสสลับของไดโอดที่ ID = 2 mA และ ที่ ID = 25 mA วธิ ีทำ ค่าความตา้ นทานทางไฟฟ้ากระแสสลบั ของไดโอดที่ ID = 2 mA ได้จากสมการท่ี 1.4 ดังน้ี อตั ราการเปลย่ี นแปลงของแรงดัน ΔVd = 0.76 V – 0.65 V อตั ราการเปลย่ี นแปลงของกระแส ΔId = 0.11 V = 4 mA – 0 mA = 4 mA

= 0.11 V / 4 mA = 27.5 Ω ตอบ ค่าความตา้ นทานทางไฟฟา้ กระแสสลับของไดโอดที่ ID = 25 mA ได้จากสมการท่ี 1.4 ดังน้ี อตั ราการเปลี่ยนแปลงของกระแส ΔId = 30 mA – 20 mA อตั ราการเปลยี่ นแปลงของแรงดัน ΔVd = 10 mA = 0.8 V – 0.78 V = 0.02 V = 0.02 V / 10 mA = 2 Ω ตอบ 5.1.4 การใช้คู่มือไดโอด การออกแบบ หรือ การนำไดโอดไปใช้งาน หรือ การนำไดโอดไปใช้แทนกัน เราต้องศึกษา รายละเอียดคุณสมบัติของไดโอดแต่ละเบอร์จากข้อมลู ทางโรงงานผู้ผลิต ซ่ึงในยุคปัจจบุ ันสามารถค้นหา ข้อมูล ได้จากทางอินเตอร์เน็ต เช่น ไดโอดเร็กติฟายเออร์ เบอร์ 1N4001 ถึง เบอร์ 1N4007 มีค่าสูงสุด แต่ละส่วน เท่าไร เมื่อนำเอาไปใช้งานแล้วไดโอดดังกล่าวจะไม่เสียหาย และ เพ่ือให้อายกุ ารใช้งานของ ไดโอดยาวนานข้ึน โดยท่ัวไปค่าสูงสุดของไดโอดมาจากอุณหภูมิการทำงานท่ี 25 องศาเซลเซยี ส (⁰C) ความทนทานของไดโอดจะ ลดลงหากอุณหภมู ิในการทำงานเพิ่มมากขึ้น อกั ษรยอ่ ต่าง ๆ มคี วามหมายดงั ตอ่ ไปน้ี VRRM หมายถงึ ค่าแรงดนั ไบอสั กลบั สูงสดุ ทเ่ี กดิ ขนึ้ ทุกไซเคลิ ของไฟสลับ ซ่ึงมีความหมาย เดียวกบั ค่า PIV ท่ีไดโอดทำงานได้โดยไม่พัง เชน่ สำหรับ 1N4001 เทา่ กับ 50 V และ 1N4007 เท่ากับ 1,000 V VR หมายถึง คา่ แรงดันไฟตรงไบอสั กลับสูงสดุ ท่ีไดโอดทนได้โดยไม่พัง VRSM หมายถึง ค่าแรงดนั ไบอสั กลบั สงู สดุ ทไี่ ม่ไดเ้ กิดขน้ึ ทุกไซเคลิ ไฟสลบั โดยที่ไดโอดรบั ได้และ ทำงานได้โดยไม่พงั IO หมายถงึ คา่ กระแสเฉล่ียสงู สดุ ท่ผี ่านไดโอดเม่อื ไดร้ บั ไบอสั ตรง

IFSM หมายถงึ ค่ากระแสสงู สุด (กระแสกระโชก) ทางด้านไบอสั ตรงที่ไมเ่ กดิ ทุกไซเคลิ ซึง่ ไดโอด สามารถทำงานได้โดยไม่พัง แสดงดังรปู ท่ี 1.21 ตามอณุ หภูมิท่แี ตกตา่ งกนั ตง้ั แต่ 25⁰C - 175⁰C ตารางท่ี 1.2 แสดงค่าสงู สุดทไ่ี ดโอดทนได้ รูปท่ี 1.21 รปู แสดงกระแส IFSM ท่ีอุณหภูมิท่ีแตกตา่ งกนั ตารางที่ 1.3 คุณสมบัตทิ างไฟฟา้ ของไดโอด

รูปที่ 1.22 แสดงความสมั พนั ธข์ อง VF และ IF คุณสมบัตทิ างไฟฟา้ ของไดโอดทสี่ าคญั ซึง่ ควรพิจารณาในการเลอื กไดโอดไปใชง้ านมดี งั นี้ VF หมายถงึ คา่ แรงดันตกคร่อมไดโอดขณะได้รบั ไบอสั ตรงที่กระแส IF = 1 A ทอี่ ณุ หภมู ิ 25⁰C ความสัมพันธข์ องกระแสไบอสั ตรง IF ทไี่ หลผา่ นไดโอดและแรงดัน VF ทต่ี กคร่อมไดโอดแสดงในรปู ที่ 1.22 รูปที่ 1.23 แสดงข้อมลู ทางกลของไดโอด VF(AVG) หมายถงึ ค่าแรงดนั เฉลยี่ ตกคร่อมไดโอดสูงสุดที่ไดโอดไดร้ บั ไบอสั ตรง IR หมายถงึ ค่ากระแสสงู สุดที่ไหลผ่านไดโอดเม่ือไดโอดไดร้ ับแรงดนั ไบอัสกลบั ดว้ ยแรงดันไฟตรง โดยไดโอดไมพ่ งั IR(AVG) หมายถึง คา่ กระแสเฉลี่ยสูงสุดทไี่ หลผา่ นไดโอดเมื่อไดโอดได้รบั ไบอสั กลับด้วยแรง แรงดันไฟ สลบั โดยไดโอดทำงานไดไ้ ม่พัง ข้อมูลไดโอดอีกอย่างหน่ึงคือ ข้อมูลทางกลเป็นการบอกถึงรูปร่างลักษณะภายนอกของไดโอดและ พกิ ดั ขนาดต่าง ๆ ของไดโอดแสดงดงั ในรปู ท่ี 1.23

ตารางท่ี 1.4 คณุ สมบัตทิ างไฟฟ้าของไดโอด

หมายเหตุ : VR = แรงดนไบอสั ย้อนกลบั สูงสุดท่ไี ดโอดทนได้ I F = กระแสไบอสั ตรงสงู สดุ ที่ ไดโอดทนได้ Cd = ค่าความจไุ ฟฟ้าภายในทีเ่ กิดขนึ้ บนรอยต่อพี-เอ็น N/A = ไม่มขี ้อมูลคุณสมบตั ิของไดโอดเบอร์นั้นๆ 5.2 ซีเนอร์ไดโอด (Zener diode) เป็นไดโอดที่สามารถทำงานได้ในช่วงการป้อนไบอัสย้อนกลับ แต่ถ้าหากให้ ไบอัสตรงเม่ือใด ซีเนอร์ ไดโอด ก็จะกลายเป็นไดโอดธรรมดาตัวหน่ึง ส่วนการทดสอบก็ทำเหมือนกับไดโอดธรรมดา ซีเนอร์ไดโอดมี สัญลักษณ์ และวงจรใช้งานเบ้ืองต้นดังรูปที่ 1.24 ส่วนกราฟคุณลักษณะแสดงดังในรูปที่ 1.25 ซีเนอร์ไดโอด เปน็ อุปกรณ์ที่ใช้ ในการควบคุมแรงดนั (regulate) ไฟฟ้าให้คงที่ โดยปกตเมอ่ื ใช้งานจะต้องตอ่ ตัวต้านทานเพื่อ จำกัดกระแสได้ เน่ืองจากซี เนอร์ไดโอดทนกระแสไม่สูงมาก โดยกระแสจะอยู่ระหว่าง 5 – 10 มิลลิแอมป์ และมีเงื่อนไขว่าแรงดันไฟเล้ียง Vcc จะต้องมากกว่าแรงดั นซี เนอร์ Vz อย่างน้อย 1 โวลต์ ซีเนอร์ไดโอดถึง จะทำงานได้ รูปที่ 1.23 วงจรใช้งานพนื้ ฐานของซีเนอร์ไดโอด รูปท่ี 1.24 กราฟแสดงการทำงานของซีเนร์ไดโอด

การทดลองท่ี 1 เร่อื ง ไดโอดกำลงั จดุ ประสงคท์ ั่วไป เพ่ือศกึ ษาการทำงานของไดโอด จุดประสงคเ์ ชงิ พฤตกิ รรม 1. ปฏิบตั ิต่อวงจรเพื่อหาลกั ษณะสมบัติของไดโอดชนิดซลิ ิคอน และเจอรเ์ มเนียม 2. เพอ่ื ใหร้ ู้และเข้าใจข้อมลู แสดงลกั ษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอด 3. เพอ่ื ให้รหู้ ลกั การวดั และการทดสอบไดโอดชนดิ ซิลคิ อน และเจอรเ์ มเนยี ม ใช้โอห์มมเิ ตอร์ 4. สามารถตอ่ วงจรศึกษาลักษณะสมบัติของไดโอดชนดิ ซลิ ิคอน และเจอร์เมเนียม 5. เขียนกราฟแสดงลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอดได้ 6. สามารถใชโ้ อหม์ มิเตอร์วัดและทดสอบไดโอดชนิดตา่ ง ๆ ได้ 7. มีวินยั แต่งกายถูกต้องตามระเบยี บและตรงต่อเวลา เครอ่ื งมือและอุปกรณ์ 1 เคร่ือง 1. แหลง่ จา่ ยไฟกระแสตรงชนิดปรับคา่ ได้ 0…30 V 1 เครือ่ ง 2. แอนะล็อกและดิจิทัลมัลติมิเตอร์ 1 ชุด 3. ชดุ ฝกึ วชิ าอเิ ลก็ ทรอนิกส์อุตสาหกรรม ลำดบั ขนั้ การทดลอง 1. ตัง้ มเิ ตอร์ไปท่ีสเกล Rx10 จากนน้ั ทำการปรบั ส่ตู ำแหนง่ ศูนย์ (Zero Adjust) 2. วัดค่าความต้านทานของไดโอดเบอรต์ ่าง ๆตามตารางท่ี 1 ในลกั ษณะไบแอสไปหน้า และบนั ทึกผลการทดลองในตารางท่ี 1 3. วัดค่าความตา้ นทานของไดโอดเบอรต์ า่ ง ๆ ตามตารางท่ี 1 ในลักษณะไบแอสย้อนกลบั บันทึกผลการทดลองลงในตารางท่ี 1 4. ตั้งมัลตมิ เิ ตอร์ไปท่ีสเกล Rx100 จากนั้นทำการปรบั สตู่ ำแหนง่ ศูนย์ (Zero Adjust) 5. วัดค่าความตา้ นทานของไดโอดเบอรต์ า่ ง ๆตามตารางที่ 1 ในลักษณะไบแอสไปหนา้ และบันทึกผลการทดลองในตารางท่ี 1 6. วัดคา่ ความต้านทานของไดโอดเบอร์ตา่ ง ๆ ตามตารางท่ี 1 ในลักษณะไบแอสย้อนกลบั บันทึกผลการทดลองลงในตารางที่ 1

ตารางท่ี 1 วดั คา่ ความต้านทานมีหน้วยเปน็ โอหม์ Ω ชนดิ สภาพ ดี/ชำรดุ เบอร์ ใช้สเกล Rx10 ใช้สเกล Rx100 ซลิ ิคอนหรือ เจอร์เมเนยี ม 1 1 N 4001 ไบแอสตรง ไบแอสกลบั ไบแอสตรง ไบแอสกลับ 2 1 N 4007 3 1 N 5408 ΩΩΩΩ 4 1 N 4002 5 1 N 60 7. ประกอบวงจรตามรูปท่ี 1 1N4007 220Ω V1 I1 Es=0-30V รปู ท่ี 1 8. ปรับแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงจาก 0 ถงึ 6 V ตามตารางท่ี 2 ใชม้ ลั ติมิเตอรว์ ดั แรงดันและกระแส ท่ีคา่ แรงดนั ตา่ ง ๆ แล้วบันทึกคา่ ของ I1 , V1 ลงในตารางที่ 2 ตารางที่ 2 Es 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2 3 4 5 6 V I1 mA V1 V

9. ประกอบวงจรตามรปู ที่ 2 1N4007 220Ω V1 I1 Es=0-30V รูปท่ี 2 10 ปรบั แหลง่ จา่ ยไฟกระแสตรงจาก 0 ถึง 25 V ตามตารางท่ี 3 ใชม้ ลั ตมิ ิเตอร์วัดแรงดนั และ กระแสตามวงจรรปู ที่ 2 แลว้ บนั ทกึ คา่ ของ I1 V1 ลงในตารางท่ี 3 ตารางที่ 3 Es 0 2 4 6 8 10 14 18 22 25 V I1 µA V1 V 11. ประกอบวงจรตามรูปท่ี 3 1N 60 220Ω V1 I1 Es=0-30V รปู ท่ี 3

12. ปรบั แหล่งจา่ ยไฟฟา้ กระแสตรงจาก 0 ถึง 6 V ตามตารางที่ 4 ใชม้ ิเตอร์วัดแรงดันและกระ แสทจี่ ุดตา่ ง ๆ แล้วบนั ทกึ คา่ ของ I1 V1 ลงในตารางที่ 4 ตารางท่ี 4 Es 0 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 V I1 mA V1 V 13 ประกอบวงจรตามรูปท่ี 4 1N 60 220Ω V1 I1 Es=0-30V รปู ที่ 4 14. ปรบั แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงจาก 0 ถงึ 10 V ตามตารางท่ี 5 ใชด้ จิทลั มัลตมิ ิเตอร์วดั แรงดันและ กระแสแล้วบนั ทึกคา่ ของ I1 V1 ลงในตารางท่ี 5 ตารางท่ี 5 Es 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V I1 µA V1 V 15. นำผลการทดลองท่ีไดจ้ ากตารางท่ี 2 และ 3 มาวาดกราฟลงในรปู ที่ 5 ซึ่งเปน็ สมบตั ิของไดโอด เบอร…์ ………………………………………….ชนดิ ……………………………………… 16. นำผลการทดลองทีได้จากตารางท่ี 4 และ 5 มาวาดกราฟลงในรูปที่ 5 ซ่ึงเป็นสมบตั ิของไดโอด เบอร์…………………………………………….ชนดิ ………………………………………

IF(mA) 200 Es 150 100 5 10 15 20 25 50 -25 -20 -15 -10 -5 0 -50 -100 -150 -200 กราฟแสดงลักษณะสมบัติของไดโอด สรุปและวจิ ารย์ผลการทดลองทกุ ๆขัน้ ตอน ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………

แบบทดสอบหลงั เรยี นหนว่ ยที่ 1 คำส่งั จงเลือกคำตอบที่ถูกท่ีสุดเพยี งข้อเดยี ว 1. วัสดุทเ่ี ป็นสารก่งึ ตัวนำมีอิเลก็ ตรอนวงนอกสุดกต่ี วั ก. 2 ตวั ข. 3 ตวั ค. 4 ตัว ง. 5 ตวั 2. จงคำนวณหาจำนวนอเิ ลก็ ตรอนในชั้นที่ 2 ก. 18 ตวั ข. 12 ตวั ค. 10 ตวั ง. 8 ตวั 3. บรเิ วณรอยต่อพีเอน็ เรียกวา่ อะไร ก. Combination ข.Intrinsic Semiconductor ค. Depletion Region ง. Doping 4. พ้นื ที่ Depletion Region บริเวณรอยตอ่ พเี อ็น จะขยายกว้างทสี่ ดุ เมือ่ ใด ก. ไดโอดไดร้ ับไบแอสตรง ข.ไดโอดได้รับไบแอสกลบั ค. ไดโอดมีกระแสไหลมากท่ีสดุ ง. กระแสร่วั ไหลมีคา่ ตำ่ 5. ขอ้ ใดคือคุณสมบตั ิของสารตัวนำ ก. นำกระแสไฟฟ้าไดด้ ี ข. ตา้ นทานกระแสไฟฟ้าไดด้ ี ค. มีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน ง. มีคุณสมบตั ทิ างไฟฟา้ เปน็ ฉนวน 6. ไดโอดในอุดมคติ เปรียบเสมอื นอปุ กรณใ์ นขอ้ ใด ก. ตวั ตา้ นทาน ข. สวิตช์ ค. ฟวิ ส์ ง. ซลิ ิคอนบริสุทธ์ิ 7. ขอ้ ใดคอื ความหมายของการไบแอสตรง ก. จา่ ยไฟบวกใหแ้ คโทดและจ่ายไฟลบใหแ้ อโนด ข. จ่ายไฟบวกใหแ้ อโนดและจ่ายไฟลบใหแ้ คโทด ค. จา่ ยไฟบวกใหแ้ คโทดและจา่ ยไฟลบหรือบวกให้แอโนด ง. ศักย์ไฟฟา้ ท่ีแคโทดสูงกวา่ ศกั ย์ไฟฟา้ ทีแ่ อโนด 8. กระแสรั่วไหลในตัวไดโอดเกิดขึ้นจากสาเหตใุ ด ก. สารกึง่ ตัวนำตอ้ งต้านอเิ ล็กตรอนไดด้ ี ข. จา่ ยแรงดันไบอัสกลับใหม้ าก ๆ ค. ใช้สารกึง่ ตัวนำชนิดซิลิคอน ง. ถกู ทุกข้อ 9. การไบอสั กลบั แก่ไดโอดคอื ข้อใด ก. ขั้วลบของแบตเตอรี่ต่อกับสาร N ขว้ั บวกของแบตเตอรี่ต่อกบั สาร N ข. ข้ัวลบของแบตเตอรี่ต่อกับสาร P ขั้วบวกของแบตเตอรตี่ ่อกับสาร P ค. ขัว้ ลบของแบตเตอรีต่ ่อกบั สาร P ขั้วบวกของแบตเตอรีต่ ่อกบั สาร N ง. ขั้วลบของแบตเตอรตี่ ่อกับสาร N ข้ัวบวกของแบตเตอรี่ตอ่ กบั สาร P

10. ความต่างศักย์ไฟฟ้าบริเวณรอยต่อ P–N สำหรบั ไดโอดชนิดเจอรเ์ มเนยี มมคี า่ ประมาณเท่าไร ก. 0.3 V ข. 0.4 V ค. 0.7 V ง. 2.0 V

แผนการจดั การเรียนรู้ หน่วยท่ี 1 รหสั วชิ า 3104-9001 วิชา อเิ ลก็ ทรอนกิ ส์อตุ สาหกรรม สอนคร้ังท่ี 1 ช่ือหน่วย ไดโอดกาลงั เรื่อง ไดโอดกาลงั จานวนคาบรวม 5 ชั่วโมง แบบประเมินผลการเรียนรู้ หน่วยท่ี 1 1. จงเขยี นโครงสร้างและสัญลกั ษณ์ของไดโอดกาลงั 2. ไดโอดกาลงั แบ่งตามคุณสมบตั ิในการกลบั คนื ตวั และเทคนิคการผลิตมีกี่ชนิดและชนิดใดบา้ ง …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 3. ไดโอด หมายถึง อุปกรณ์สารก่ึงตวั นาท่ีมีคุณสมบตั ิอยา่ งไร …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 4. คณุ สมบตั ิของไดโอดกาลงั คอื …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………

แผนการจัดการเรียนรู้ หน่วยท่ี 1 รหัสวชิ า 3104-9001 วิชา อเิ ลก็ ทรอนิกส์อุตสาหกรรม สอนคร้ังท่ี 1 ช่ือหน่วย ไดโอดกาลงั 3 (4) เร่ือง ไดโอดกาลงั จานวนคาบรวม 4 ชั่วโมง แบบประเมินผลการเรียนรู้ หน่วยที่ 1 5. ไดโอดกาลงั ส่วนใหญ่ผลิตมาจากสารก่ึงตวั นาชนิดใด …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 6. แรงดนั เทรสโฮลด์ (Threshold) ของไดโอดกาลงั หมายถึงอะไร …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 7. การต่อไดโอดกาลงั แบบขนานและแบบอนุกรมมีคุณสมบตั ิแตกต่างกนั อยา่ งไร …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………….... 8. อธิบายข้นั ตอนการตรวจสอบไดโอดกาลงั โดยใชม้ ลั ติมิเตอร์ …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………