ใบความรู้ เรื่อง เพาเวอร์ไดโอด

หนว่ ยท่ี ๑ เพาเวอร์ไดโอด

ไดโอดสาระสาคญั เมอ่ื กล่าวถงึ โครงสร้างการทางานของสสารนั้น เป็นโครงสร้างของอะตอมหลายตัวเข้ามารวมกันจนรวมกันเป็นธาตุ แหล่งกาเนิดไฟฟ้าประเภทต่างๆรวมไปถึงหน่วยวดั ทางไฟฟ้าท่ีจาเป็นจะต้องรู้จักเพื่อเป็นพน้ื ฐานในการอา่ นคา่ ทางไฟฟา้จดุ ประสงคก์ ารเรยี นการสอน 1.เพื่อให้มีความรู้ เกย่ี วกบั ไดโอด การทางานของไดโอดจดุ ประสงค์เชงิ พฤตกิ รรม 1. บอกโครงสรา้ งและสัญลกั ษณ์ของไดโอดได้อย่างถกู ต้อง 2. อธบิ ายการทางานของไดโอดที่ทางานเปน็ สวิตช์เปดิ -ปิดวงจร ไดอ้ ยา่ งถูกต้อง 3. อธิบายการเกดิ รอยตอ่ P-N ภายในไดโอดได้อย่างถกู ต้อง 4. อธิบายการเกดิ ไบอัสตรงและไบอสั กลับไดอ้ ยา่ งถูกตอ้ งไดโอดประกอบด้วยข้ัวตอ่ 2 ข้ัว มีชือ่ เรยี กว่า อาโนด (Anode) และคาโธด (Cathod) โดยมีสัญลักษณ์ ดังแสดงในรปู โดยปกติแล้วไดโอดถูกออกแบบให้มีรูปลักษณะท่ีแตกต่างกัน 3 แบบ ดังแสดงในรปู ซึ่งรูปลักษณะเช่นน้ีจะช่วยป้องกันไม่ให้ไดโอดเสียหายง่าย สาหรับขนาดของไดโอดจะแสดงถึงอัตราทนกระแสไฟฟ้าทีไดโอดยอมให้ไหลผา่ นได้ ส่วนแถบคาดสีดาทพ่ี ิมพ์อยู่ท่ีขอบดา้ นใดดา้ นหนึ่ง จะแสดงถึงข้ัวคาโธด ดังแสดง

ในรูป (ก) และ (ข) สาหรับไดโอดขนาดใหญ่ ดังแสดงในรูป (ค) จะพิมพ์สัญลักษณ์ของไดโอดลงบนตัวอปุ กรณเ์ ลยการทางานของไดโอด ไดโอดจะทางานเหมือนสวิตช์ โดยถ้าศักย์ไฟฟ้าทางด้านอาโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับคาโธด ดังแสดงในรูป (ก)ไดโอดจะปดิ สวติ ชด์ ังวงจรในรูป (ข) สภาวะการทางานของไดโอดลักษณะน้ี เรยี กว่า ไดโอดอยู่ในสภาวะ ON หรือไบอัสตรง (Forward Bias) ในทางตรงกันข้าม ถ้าศักย์ไฟฟ้าทางด้านอาโนดเป็นลบเมื่อเทียบกับคาโธด ดังแสดงในรูป (ค)ไดโอดจะเปิดสวิตช์ดังวงจรในรูป (ง) สภาวะการทางานของไดโอดลักษณะน้ีเรียกว่า ไดโอดอยู่ในสภาวะ OFF หรือไบอัสกลับ (Reverse Bias)

ตวั อย่างจงบอกสภาวะของไดโอด ดังแสดงในรูปวา่ อยูใ่ นสภาวะ ON หรือ OFFวิธีทาก . ไ ด โ อ ด อ ยู่ ใ น ส ภ า ว ะ ON เนื่ อ ง จ า ก อ า โ น ด มี ศั ก ย์ ไ ฟ ฟ้ า เป็ น บ ว ก เม่ื อ เที ย บ กั บ ค า โ ธ ดข . ไ ด โ อ ด อ ยู่ ใ น ส ภ า ว ะ OFF เน่ื อ ง จ า ก อ า โ น ด มี ศั ก ย์ ไ ฟ ฟ้ า เป็ น ล บ เมื่ อ เที ย บ กั บ ค า โ ธ ดค . ไ ด โ อ ด อ ยู่ ใ น ส ภ า ว ะ OFF เน่ื อ ง จ า ก อ า โ น ด มี ศั ก ย์ ไ ฟ ฟ้ า เป็ น บ ว ก น้ อ ย ก ว่ า ค า โ ธ ดง. ไดโอดอย่ใู นสภาวะ ON เนื่องจากอาโนดมศี ักยไ์ ฟฟ้าเป็นบวกมากกว่าคาโธดรอยต่อ P-N ภายในไดโอด ไดโอดเกิดจากการนาสารก่ึงตัวนาชนิด n-type และ p-type มาต่อกัน ซึ่งจุดที่สารกึ่งตัวนาทั้งสองสัมผัสกันเรียกว่า รอยต่อ (Junction) โดยรอยต่อนี้จะยอมให้อิเล็กตรอนอิสระที่มีอยู่มากในด้าน n-region เคลือ่ นที่ข้ามไปรวมกบั โฮลในด้าน p-region ดังแสดงในรูป (ก) และเนื่องจากอเิ ล็กตรอนจาก n-region เคลื่อนทีข่ ้ามรอยต่อไปรวมกับโฮลในด้าน p-region จึงทาให้เกิดประจุไฟฟ้าลบใน p-region ขึ้น และทิ้งบริเวณที่อิเล็กตรอนเคล่ือนท่ีออกมาจาก n-region ให้เป็นประจุไฟฟ้าบวก ดังแสดงในรูป (ข) จากปรากฏการณ์น้ีจึงทาให้พื้นท่ีหรือชั้นของรอยต่อซ่ึงประกอบขึ้นจากประจุไฟฟ้าบวกด้านหน่ึง และประจุไฟฟ้าลบอีกด้านหน่ึง ซึ่งชั้นของรายต่อที่เกิดขึ้นน้ีเรียกว่า \"DepletionRegion\" ซึ่งเมื่อชั้นของรอยต่อเริ่มก่อตัวขึ้นก็จะไปมีผลทาให้ไม่มีการรวมตัวระหว่างอิเล็กตรอนอิสระ และโฮลข้ามรอยตอ่ อกี ต่อไป กล่าวอกี นัยหนึ่งก็คอื ประจุไฟฟา้ ลบใน p-region ที่อยู่ใกล้กบั บริเวณรอยต่อจะผลักอเิ ล็กตรอนอิสระจาก n-region ไม่ให้เข้ามารวมอีก จากปฏิกิริยานี้จะเป็นการป้องกันไม่ให้ Depletion Region ขยายกว้างออกไปอีก ประจไุ ฟฟ้าบวก และประจไุ ฟฟ้าลบท่ีบรเิ วณรอยตอ่ น้จี ะมีศักย์ไฟฟ้าสะสมในตัวระดบั หน่งึ และเน่ืองดว้ ยประจทุ ้ังสองมีขั้วตรงกันข้ามกัน จึงทาให้เกิดความต่างศกั ย์ไฟฟา้ หรือแรงดนั ไฟฟ้าปรากฏครอ่ มรอยต่อ ซ่ึงความต่างศักยไ์ ฟฟา้ นี้มีชื่อเรียกว่า กาแพงศักย์ไฟฟ้า (Barrier Potential) หรือ กาแพงแรงดันไฟฟ้า (Barrier Voltage) ดังแสดงในรูป (ค)โดยขนาดของกาแพงแรงดันไฟฟ้าท่ีบริเวณรอยต่อ P-N สาหรับซิลกิ อนไดโอดจะมีค่าประมาณ 0.7 V และถา้ เป็นของเยอรมนั เนียมไดโอดจะมคี า่ ประมาณ 0.3 V ทอี่ ณุ หภมู หิ อ้ ง

การไบอสั ไดโอด ด้วยไดโอดเป็นสารก่ึงตัวนาชนิดรอยต่อ P-N ดังน้ันการท่ีจะทาให้ไดโอดทางานจะตอ้ งให้ขนาดแรงดันไฟฟา้ และชนิดของขั้วท่ีถูกต้องแกไ่ ดโอด แรงดนั ไฟฟ้าที่ให้กบั ไดโอดเรียกว่า แรงดันไบอัส (Bias Voltage) แรงดันไบอัสทาหนา้ ที่ควบคุมความกว้างของส่วนทเ่ี ป็น Depletion Region ซ่งึ เป็นความต้านทานที่เกิดขน้ึ ท่ีบริเวณรอยตอ่ ดังนั้นจงึ เสมือนเปน็ การควบคมุ ปรมิ าณกระแสไฟฟา้ ทีจ่ ะไหลผ่านไดโอดนนั่ เองการไบอัสตรงแก่ไดโอด (Forward Biasing a Diode) การจัดไบอัสตรงให้กับไดโอด จากท่ีทราบมาแล้ววา่ การทางานของไดโอดถูกกาหนดโดยชนิดของขัว้ ไฟฟ้า จากรูปจะเห็นวา่ ข้ัวลบของแหล่งจา่ ยแรงดนั ไฟฟา้ ตอ่ เขา้ กบั n-region และข้วั บวกของแหลง่ จา่ ยแรงดันไฟฟ้าตอ่ เข้ากับสว่ นที่เป็น p-region ของไดโอด อิเล็กตรอนอิสระจะถูกผลักออกจากส่วน n-regionเนอื่ งจากอทิ ธพิ ลของข้ัวลบของแหลง่ จ่ายแรงดันไฟฟ้า และถูกดึงไปยังข้ัวบวกของแหล่งจา่ ยแรงดันไฟฟ้า การไหลของอิเล็กตรอนนี้จะเกิดข้ึนได้ก็ต่อเม่ือขนาดของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ามากพอท่ีจะเอาชนะกาแพงแรงดันที่อยู่ที่บริเวณรอยต่อ ซ่ึงสาหรับซิลิกอนไดโอดแรงดนั ของแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟา้ เทา่ กบั 0.7 V หรอื มากกวา่ ในขณะที่เยอรมันเนียมไดโอดจะเท่ากบั 0.3 V หรือมากกวา่ ไดโอดจะยังคงนากระแสอยู่ตลอดเวลาถ้ายังได้รบั การไบอัสที่ถูกต้องอยู่ ดังแสดงในรูป แสดงทิศทางการไหลของกระแสทางตรง (Forward Current, IF) หรือเป็นกระแสอเิ ลก็ ตรอน ซงึ่ จะไหลจากขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยัง n-region และ p-region ตามลาดับ จากน้ันจึงไหลต่อไปยังข้ัวบวกของแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้า สาหรับการไหลของ

กระแสโฮลหรอื ที่เรียกว่า กระแสนิยม (Conventional Current) จะไหนในทิศทางตรงกันข้ามกับทศิ ทางการไหลของกระแสอิเล็กตรอน ดังแสดงในรูป (ข) จึงสรุปได้ว่า การไหลของกระแสอิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วลบไปยังขั้วบวกในขณะที่กระแสโฮลหรือกระแสนิยมจะไหลจากขั้วบวกไปยังข้ัวลบ การท่ีทราบถึงแรงดันไฟฟ้าที่ตกครอ่ มไดโอด (Si =0.7 V, Ge = 0.3 V) ขนาดของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าและค่าความต้านทานของวงจรก็สามารถคานวณหาปริมาณกระแสทางตรงได้ตัวอย่างจากรูป จงคานวณหากระแสทีไ่ หลในวงจร

การให้ไบอสั กลับแก่ไดโอด (Reverse Biasing a Diode) จากรูป แสดงการต่อไดโอดแบบไบอัสกลบั โดยการตอ่ ขว้ั บวกของแหลง่ จ่ายแรงดันไฟฟา้ เข้ากับ n-region และขั้วลบเข้ากับ p-region ของไดโอด การต่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าในลักษณะน้ีจะทาให้อิเล็กตรอนอิสระใน n-regionถกู ดึงให้เคลือ่ นที่ไปยังขั้วบวก ในขณะเดียวกันโฮลก็จะถูกดึงจากขั้วลบเช่นกัน จากเหตุผลดังกล่าวจึงส่งผลให้บริเวณDepletion Region ขยายกว้างมากข้ึน จนทาให้แรงดันไฟฟ้าภายในมีค่าเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้าแตม่ ขี ้วั ตรงกนั ขา้ ม จงึ สง่ ผลใหไ้ ดโอดไมน่ ากระแสไฟฟา้ ในทส่ี ุดกราฟแสดงคุณลักษณะของไดโอด จากกราฟ แสดงปรมิ าณกระแสไฟฟ้าท่ีไหลผ่านไดโอดเม่ือให้ไบอัสตรง และไบอัสกลับ โดยจุดก่ึงกลางของกราฟเป็นจุดท่ีแรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟา้ มีคา่ เป็นศูนย์ สาหรบั แกนนอนจะแทนด้วยแรงดันไฟฟ้าที่จา่ ยให้กับไดโอด ซ่ึงถ้าให้ไบอัสตรง (VF) แรงดันไฟฟ้าจะมีความเป็นบวกมากข้ึนโดยเร่ิมจากจุดกึ่งกลางไปทางขวา และถ้าให้ไบอัสกลับ(VR) แรงดันไฟฟ้าจะมีความเป็นลบมากข้นึ โดยเร่มิ จากจุดกงึ่ กลางไปทางซ้าย สาหรบั แกนตัง้ จะแทนดว้ ยกระแสไฟฟา้ ที่ไหลผ่านไดโอด โดยกระแสทางตรง (IF) จะมีความเป็นบวกมากขน้ึ โดยเริ่มจากจดุ ก่ึงกลางขึ้นไปด้านบนของกราฟ และถ้าเป็นกระแสย้อนกลบั (IR) จะมีความเป็นลบมากข้ึนโดยเร่ิมจากจุดก่ึงกลางไปทางด้านล่างของกราฟ ซ่ึงบรษิ ัทผผู้ ลิตจะทดสอบคณุ ลักษณะของไดโอดโดยการจ่ายกระแสไฟฟา้ ค่าตา่ งๆ ท้ังแบบทางตรง และแบบย้อนกลับให้แก่ไดโอด และจะทาให้ไดเ้ ส้นกราฟที่มีความต่อเนื่องท่ีเรียกว่า เส้นกราฟความสมั พนั ธ์ระหวา่ งแรงดัน-กระแส หรือ \"V-I Characteristic Curve\"

คณุ ลกั ษณะของไดโอดเม่อื ได้รับการไบอัสตรง (Forward Characteristics) กราฟส่วนบนด้านขวาในรูป แสดงถึงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไดโอด เม่ือไดโอดไดร้ ับการไบอสั ตรง จากรูปขยายจะเห็นว่าขว้ั บวกของแหล่งจ่ายไปต่อเข้ากบั ข้วั อาโนด และข้วั ลบของแหลง่ จ่ายไปต่อเขา้ กับข้วั คาโธดของไดโอด ซ่ึงเมื่อแรงดันไบอัสตรงที่ใหก้ ับไดโอดมีขนาดเกินกว่า กาแพงแรงดันไฟฟ้า (Barrier Voltage) กจ็ ะทาใหค้ วามตา้ นทานภายในของไดโอดลดลงจนมีคา่ เป็นศูนย์ ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าทางตรงเพ่ิมขึ้นอย่างรวดเร็ว จะเห็นว่าเส้นกราฟนั้นเริ่มจากจุดกึ่งกลาง และเคลอ่ื นไปยังด้านที่เป็นไบอัสทางตรงของกราฟ โดยกระแสทางตรงที่ไหลผา่ นไดโอดจะมีปริมาณน้อยมากจนกระท่ังแรงดันไบอัสตรงมีขนาดมากกว่ากาแพงแรงดันภายในของไดโอด ซึ่งถ้าเป็นของซิลิกอนไดโอดจะเท่ากับ 0.7V และถ้าเป็นเยอรมันเนียมไดโอดจะเท่ากับ 0.3 V และเมื่อแรงดันไบอัสตรงน้ียังมีขนาดเกินกว่ากาแพงแรงดันไฟฟ้าของไดโอดตอ่ ไปอกี กระแสไฟฟา้ ทางตรงที่ไหลผ่านไดโอดก็จะเพิ่มข้นึ อย่างรวดเรว็ จดุ ของแรงดันไฟฟ้าท่ที าให้เส้นกราฟชันข้นึ อย่างรวดเรว็ นี้มชี ่ือเรยี กว่า แรงดัน Knee Voltage ซ่ึงแรงดันไฟฟ้าน้ีจะใช้เป็นชอ่ื เรียกของกาแพงแรงดันไฟฟ้าภายในไดโอดได้อีกชื่อหน่ึง ซึ่งมีค่าเทา่ กับ 0.7 V สาหรับซิลิกอนไดโอด จากกราฟในรปู จะเห็นว่าถึงแม้กระแสไฟฟ้าทางตรงจะเปลยี่ นแปลงไปมากก็ตาม แต่แรงดนั ทางตรงที่ตกคร่อมไดโอดก็ยังอยใู่ นระดับท่ีเกือบจะคงที่ นน่ั คือ ระหว่าง 0.7 V ถึง 0.75 Vคุณลกั ษณะของไดโอดเมื่อไดร้ บั การไบอัสกลับ (Reverse Characteristics) ส่วนของกราฟส่วนล่างด้านซ้ายในรูป แสดงถึงกระแสไฟฟ้าย้อนกลับท่ีไหลผ่านไดโอดเม่ือให้แรงดันไบอัสกลับจากภาพขยายจะเห็นว่าข้ัวลบของแหล่งจ่ายไฟต่อเข้ากับขั้วอาโนด และขั้วบวกต่อเข้ากับขั้วคาโธด ดังน้ัน เมื่อป้อนแรงดันไบอัสกลับให้แก่ไดโอดก็จะทาให้กาแพงแรงดันของไดโอดเพิ่มข้ึนจนกระทั่งมีขนาดเท่ากับแรงดันของแหลง่ จ่ายไฟภายนอก ซ่ึงในกรณีน้ีกระแสไฟฟา้ ที่จะไหลผ่านไดโอดจึงมีค่านอ้ ยหรือเกือบเป็นศูนย์ ดังน้ัน ไดโอดจึงอยู่ในสภาวะปดิ (OFF) หรอื เทา่ กับไดโอดเปิดสวิตชน์ นั่ เอง

จากรูป เส้นกราฟจะเร่ิมจากจุดก่ึงกลางไปตามเส้นโค้งทาง Reverse Quadrant จะเห็นได้ว่า กระแสไฟฟ้ายอ้ นกลับท่ีไหลผ่านไดโอดเพ่ิมข้ึนน้อยมาก (ประมาณ 100 mA) ซ่ึงเส้นกราฟในช่วงน้ีแสดงถึงสภาพต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าของไดโอด และเน่อื งจากกระแสไฟฟ้าร่ัวไหล (Leakage Current) ท่เี กดิ ขึ้นนี้มีค่าน้อยจึงไมน่ ามาพิจารณาแต่ถ้าแรงดันย้อนกลับ (VR) ยังคงเพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึงจุดพัง (Break Down) ของไดโอด ก็จะทาให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าเพ่ิมข้ึนอย่างทันทีทันใด ซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่ทาให้เกิดการเปล่ียนแปลงของกระแสไฟฟ้าอย่างทันทีทันใดน้ีเรยี กว่า แรงดันพัง (Breakdown Voltage) ซึ่งจากเสน้ กราฟในรปู จะเหน็ ว่าแรงดันพังของซิลกิ อนไดโอดจะมคี ่าสูงถึง50 V