ใบความรู้ 1 ไดโอด

1 ใบความรู้ เร่ือง ไดโอด ใน ปั จ จุ บั น อุ ต ส า ห ก ร ร ม อิ เล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ พึ่ ง พ า วั ส ดุ ส า ร ก่ึ ง ตั ว น า ใน ก า ร ส ร้ า ง อุ ป ก ร ณ์อเิ ล็กทรอนิกส์แทนการใชอ้ ุปกรณ์ท่ีใช้หลักการของหลอดสุญญากาศ ทาให้อุปกรณ์ที่ได้มีขนาดเล็กลงและมีนาหนักเบา ไม่ต้องใช้ความร้อนในการอุ่นไส้หลอด มีความทนทานทางกล ในบทนีจะกล่าวถึงหลักการของสารกึง่ ตัวนาเบอื งตน้ รวมถงึ ไดโอดซึ่งอุปกรณ์อเิ ล็กทรอนิกสพ์ ืนฐาน1.1 สารก่งึ ตัวนา (Semiconductor)สารกึง่ ตัวนาเปน็ ธาตทุ ี่มีคณุ สมบตั ทิ างไฟฟ้าระหว่างตวั นาไฟฟ้า(Conductor) และฉนวนไฟฟ้า(Insulator) ซึง่ เราสามารถแบ่งแยกได้โดยใช้คา่ ความนาจาเพาะ (Resistivity; ρ) ซึ่งหาได้จากการวดัคา่ ความตา้ นทาน Rของวัสดทุ ่ีมขี นาด 1 ลกู บาศก์เซนตเิ มตร ดังรปู ท่ี 2.1 เนื่องจาก   RA , Ω-cm (2.1)ดังนนั จะได้ว่า l R   l   (1cm)  , A (1cm2 ) R 1 cm A = 1 cm2 l = 1 cm รูปที่ 1.1สารกึ่งตัวนาทนี่ ยิ มใช้ไดแ้ กธ่ าตุ เยอรม์ ันเนยี ม (Germanium; Ge) และซลิ ิกอน (Silicon; Si)ตารางที่ 1.1 เป็นการเปรยี บเทยี บความต้านทานจาเพาะของสารก่ึงตวั กบั ตัวนาและฉนวนทด่ี เี ย่ียมอยา่ งทองแดงและไมก้าตามลาดับ ตารางท่ี 1.1ตัวนา สารก่งึ ตัวนา ฉนวน  106  -cm   50 Ω-cm (Ge)   1012 Ω-cm(Cu)   50103 Ω-cm (Si) (Mica)

2การนาธาตุ Ge และ Si มาสรา้ งอปุ กรณ์อิเล็กทรอนกิ สม์ เี หตุผลสาคัญสองประการ 1. สามารถนาไปผ่านกระบวนการใหม้ ีความบริสุทธิ์สูงซงึ่ ควรมีความบริสทุ ธ์ิขันต่า 99.9999999 เปอรเ์ ซน็ ต์ (9N) ซ่งึ ปจั จบุ ันสามารถทา Si ได้บริสทุ ธิถ์ งึ 10N 2. สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าด้วยความร้อนหรือแสงสว่าง จึงเหมาะท่ีนาไปสร้าง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกสท์ ่ไี วต่อความร้อนและแสงสว่าง (ก) (ข) รูปท่ี 1.2 (ก) อะตอม Si และ (ข) อะตอม Cu รูปที่ 1.2 เป็นภาพจาลองอะตอมอย่างง่ายของ Si และ Cu ซึ่งจะเห็นได้ว่าอะตอมของ Si มี อเิ ล็กตรอนที่วงนอกสุดหรือ วาเลนตอ์ ิเล็กตรอนจานวน 4 ตัว การที่อะตอมจะเสถียรได้อะตอมจะ ใชอ้ ิเล็กตรอนรว่ มกบั อะตอม Si ทอ่ี ย่ขู า้ งเคียงซง่ึ เรยี กว่าพันธะโควาเลนต์ ซ่ึงแสดงไวใ้ นรปู ท่ี 1.3 รูปที่ 1.3 ภาพจาลองพนั ธะโควาเลนตข์ องอะตอม Si หนง่ึ อะตอม 1.2 ระดับพลังงาน (Energy Levels) อิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมจะแบ่งเป็นชันๆ โดยในแต่ละชันจะมีระดับพลังงาน แตกต่างกัน โดยอิเล็กตรอนที่มีวงจรโคจรที่ห่างจากนิวเคลียสเท่าใด ก็ย่ิงมีระดับพลังงานสูงขึน รูปท่ี 1.4 เปน็ ภาพจาลองแถบพลังงานของอเิ ล็กตรอนรอบๆนิวเคลียสของอะตอม

3ความแตกต่างของระดับพลังท่ีทาให้วาเลนซ์อิเล็กตรอนหลุดจากวงโคจร ซ่ึงเรียกว่าแถบพลังงานวาเลนซ์ (Valence band) ท่ใี ช้ในการยึดเกาะตดิ กันระหวา่ งอะตอม กลายเป็นอิเลก็ ตรอนอิสระที่สามารถนาไฟฟ้าได้ ซึ่งเรียกว่า พลังงานนากระแส (Conduction Energy) นีเราเรยี กวา่ พลังงานช่องว่าง (Energy Gap; Eg) มีหน่วยเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) เม่ือวาเลนต์อิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากความร้อนหรือแสงสว่าง จะมีระดับพลังงานสูงกว่า Eg ก็จะเข้าสู่ระดับพลังงานนากระแสสาหรับวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้าจะมี Eg มากกว่า 5 eV ส่วนวัสดุท่ีเป็นตัวนาจะมีแถบพลังงานนากระแสซอ้ นทับกับแถบพลงั งานวาเลนซ์ รูปที่ 1.41.3 สารกึง่ ตัวนาชนิด n และpคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารก่ึงตัวนาบริสุทธิ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยการเจือสารที่ไม่บริสุทธิ์ลงไป ซ่ึงเราเรียกว่าการโดป (Doping) การเจือสารเจือปนเพียงเล็กน้อย จะเปลี่ยนแปลงโครงสรา้ งของแถบพลังงานเปน็ อย่างมาก

4(ก) (ข) รปู ท่ี 2.51.3.1 สารกึง่ ตวั นาชนดิ n (n-type Semiconductor)สารกึ่งตัวนาชนิด n ได้จากการเติมสารเจือที่เป็นธาตุหมู่ 5 ซึ่งมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว เช่นแอนตโิ มนีSb, อารเ์ ซนกิ As หรือ ฟอสฟอรสั P เป็นต้น ลงใน Ge หรอื Si บริสทุ ธิ์รูปท่ี 2.5 ก แสดงให้เห็นว่า การเติมสารเจือท่ีเป็นธาตุหมู่ 5 (แอนติโมนี) ทาให้เกิดวาเลนซ์อิเล็กตรอนท่ีไม่มีคู่ที่อะตอมของสารเจือ อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่นี เม่ือได้รับพลังงานเพียงเล็กน้อย ก็พร้อมที่จะเป็นอิเล็กตรอนอิสระท่ีนาไฟฟ้าได้ สารก่ึงตัวนาชนิด n มีสภาพทางไฟฟ้าเป็นลบ(Negative)1.3.2 สารกง่ึ ตวั นาชนดิ p (p-type Semiconductor)ส่วนสารกึ่งตัวนาชนิด p จะได้จากการเติมสารเจือที่เป็นธาตุหมู่ 3 ท่ีมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัวได้แก่ โบรอน B, แกลเล่ียม Ga หรอื อินเด่ียม In เป็นต้น ลงใน Ge หรอื Si บรสิ ุทธ์ิรูปที่ 2.5 ข แสดงให้เห็นว่า การเติมสารเจือที่เป็นธาตุหมู่ 3 (โบรอน) ทาให้ขาดวาเลนซ์อิเล็กตรอนไปหนงึ่ ตัว เกดิ เป็นช่องวา่ ง หรือ โฮล (Hole) ซึง่ มสี มบัติทางไฟฟ้าเป็นบวก (Positive)1.4 พาหะขา้ งมากและพาหะขา้ งนอ้ ยการเจือสารเจือหมู่ 5 ลงในสารก่ึงตัวนาบริสุทธิ์ไม่เพียงทาให้เกิดอิเล็กตรอนเป็นพาหะนาไฟฟ้าเท่านัน แต่ในตวั สารกึ่งตัวนายงั มีโฮลอยู่ดว้ ย เพียงแต่มีปริมาณน้อยกว่าอิเล็กตรอนเป็นอย่างมากเราจึงเรียกอิเล็กตรอนใน สารกึ่งตัวนา n-type เป็นพาหะข้างมากและเรียกโฮลเป็นพาหะข้างน้อย ส่วนกรณี สารก่ึงตัวนา p-type จะเรียกโฮลเป็นพาหะข้างมาก ส่วนอิเล็กตรอนเป็นพาหะข้างน้อย

5ตารางท่ี 1.2 เป็นการสรปุ ชนิดของพาหะขา้ งมากและพาหะขา้ งในสารก่ึงตวั นา p-type และ n-type ตามลาดบั ตารางที่ 1.2ชนดิ พาหะข้างมาก พาหะข้างน้อยp-type Semiconductor โฮล อิเล็กตรอนn-type Semiconductor อิเลก็ ตรอน โฮล1.5 รอยตอ่ p-n (p-n Junction)สารกึ่งตัวนา p-type หรือ n-type เพียงอย่างหนึ่งอย่างใด จะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นความต้านทานไฟฟ้า แต่หากเราสามารถสร้างรอยต่อระหว่างสารกึ่งตัวนาชนิด p และ n ได้อเิ ล็กตรอนใน สารกง่ึ ตัวนา n-type จะแพรข่ ้ามรอยต่อไปรวมกบั โฮลใน p-type จับเปน็ พันธะที่ไมม่ ีพาหะนาไฟฟา้ หากพิจารณาคร่าวๆ ทคี่ วามเขม้ ข้นของสารเจอื ทีเ่ ท่ากันก็อาจจะคดิ ว่า อิเลก็ ตรอนจะรวมกบัโฮลจนหมดสิน และทาให้ไม่พาหะนาไฟฟ้าตลอดทังเนือสาร ในความเป็นจริง จะพบว่าไม่เป็นเช่นนัน เน่ืองจากอะตอมสารเจือ หมู่ 5 ในสารกึ่งตัวนา n-type เม่ือไม่มีอิเล็กตรอนใกล้ๆ ก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้า บวก และอะตอมสารเจือ หมู่ 3 ในสารก่ึงตัวนา p-type เม่ือไม่มีโฮลก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้าเป็นลบ จะสังเกตได้ว่าเกิดกาแพงสนามไฟฟ้า ขัดขวางไม่ให้อิเลก็ ตรอนข้ามรอยต่อไปรวมกบั โฮล รปู ที่ 1.6 ภาพแสดงการเกดิ บรเิ วณปลอดพาหะการรวมตวั ของอิเลก็ ตรอนกับโฮลจนไม่มีพาหะนาไฟฟ้า (จงึ ไมน่ าไฟฟา้ ) จะเกดิ เฉพาะตรงบรเิ วณใกลๆ้ รอยตอ่ เทา่ นัน บริเวณท่เี กดิ การรวมตวั นเี รียกว่า บริเวณปลอดพาหะ (DepletionRegion) ดังในรูปที่ 1.6โดยความกว้างของบริเวณปลอดพาหะในสภาพไร้สนามไฟฟา้ จากภายนอก จะขึนกบั ความเข้มข้นของสารเจือ และอณุ หภมู ิ

61.6 การไบอัสการไบอสั เป็นการป้อนแรงดันไฟฟา้ ให้กับอุปกรณ์เพื่อให้ทางานตามที่ผู้ออกแบบต้องการ โดยการไบอัสรอยต่อ p-n เป็นการป้อนสนามไฟฟ้าภายนอกให้แก่รอยต่อ ซ่ึงมีผลต่อบรเิ วณปลอดพาหะซึ่งสามารถทาไดส้ องแบบ คือ การไบอสั ตรง (Forward Bias)และการไบอัสกลับ (Reverse Bias) รปู ที่ 1.7 การไบอสั ตรงแก่รอยตอ่ p-n รูปท่ี 1.8 การไบอัสกลบั แก่รอยตอ่ p-nรปู ท่ี 1.7 แสดงการไบอัสตรงแก่รอยต่อ p-n โดยการป้อนศักย์ไฟฟ้าบวกแก่สารก่ึงตัวนา p-typeและการป้อนศักย์ลบให้กับสารก่ึงตัวนา n-type ซ่ึงจะผลักให้พาหะข้างมากเข้าหารอยต่อ ทาให้บริเวณปลอดพาหะแคบลง หากศักย์ไฟฟ้าท่ีป้อนนีมีค่าสูงกว่ากาแพงศักย์ไฟฟ้าภายในรอยต่อ ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านรอยต่อได้ ซ่ึงศักย์ไฟฟ้าที่รอยต่อของรอยต่อ p-n ที่สร้างจาก Ge มีค่าประมาณ 0.3V และ Si จะมีคา่ ประมาณ 0.7 V ท่ี 25 องศาเซลเซียสรูปที่ 1.8 แสดงการไบอสั กลับแกร่ อยต่อ p-n โดยป้อนศกั ย์บวกแก่สารก่ึงตัวนา n-type และศักย์ลบให้กับสารกึ่งตัวนา p-type ซ่ึงจะดึงดูดให้พาหะข้างมากเข้าหาศักย์ไฟฟ้าที่ป้อน จึงทาให้บริเวณปลอดพาหะกวา้ งยิ่งขนึ อนึ่งการไบอัสกลับนีไมข่ ัดขวางการเคลื่อนทีข่ องพาหะขา้ งน้อย

7 รูปท่ี 1.9 กราฟคณุ สมบตั ิแรงดนั -กระแสของรอย p-n1.7 คณุ สมบตั ิ V-I ของรอยตอ่ p-nรปู ท่ี 1.9 เป็นกราฟ V-I ของรอยต่อ p-n ที่สร้างจาก Si จะสังเกตไดว้ ่าเมอ่ื แรงดันไบอัสตรง VF มีค่าเป็นบวกประมาณ 0.7 โวลต์กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านไดโอดได้อย่างสะดวก เมือ่ พิจารณาความชันของเส้นกราฟจะพบวา่ มคี วามตา้ นทานตา่แต่เมือ่ แรงดนั ไบอัสตรงต่ากว่า 0.7 โวลต์กระแสจะไหลผ่านรอยต่อน้อยมาก หากแรงดนั ตกครอ่ มรอยตอ่ มีค่ ่าน้อยกว่าศูนยจ์ ะเป็นการให้ไบอัสกลบั กระแสที่ไหลผ่านจะเกิดจากพาหะขา้ งน้อย เม่ือพิจารณาความชันจะพบว่ามีความต้านทานสูงมาก แต่เมื่อให้แรงดันไบอัสกลับมีค่าต่ามากจนถึงจุดหนึ่งจะพบว่าจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านรอยต่อเป็นจานวนมาก เราเรียกแรงดันที่จุดนีว่าแรงดันพงั ทลาย (Break down Voltage; VBR)ผลของอุณหภูมิมีผลต่อรอยต่อดังนี เมื่ออุณหภูมิเพ่ิมขึน แรงดันตกคร่อมรอยต่อขณะไบอัสตรงและแรงดันพังทลาย VBRขณะไบอัสกลับมคี า่ ลดลง กระแสรัว่ ในกรณีที่ VBR<V<VF จะเพม่ิ สงู ขนึ1.8 ไดโอดไดโอดเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มี 2 ขา ซึ่งมีลักษณะพิเศษคือ กระแสไหลผ่านได้ในทิศทางเดียว ซ่ึงจากคุณสมบัติพิเศษนี จึงสามารถนาไดโอดมาใช้เป็นตัวแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรง วงจรในภาครับของวทิ ยุ เปน็ ตน้

81.8.1โครงสรา้ งและสัญลักษณ์ของไดโอดไดโอดสามารถได้จากรอยต่อ p-n โดยการดึงขาท่ี p-type เป็นขาแอโนด (Anode; A)และ n-type เป็นขาแคโธด (Cathode; K) สัญลักษณ์จะใช้ลูกศรแทนขาแอโนด โดยทิศทางของลูกศรเป็นทิศทางการไหลของกระแสสมมุติ (ตรงข้ามกลับทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน) และใช้ขีดแทนขาแคโธด รูปที่ 1.10 โครงสรา้ งอย่างงา่ ยและสัญลกั ษณข์ องไดโอด1.8.2 ไดโอดอุดมคติเพือ่ ใหง้ ่ายต่อการวิเคราะหก์ ารทางานของอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนกิ ส์ เราสามารถใช้แบบจาลองซ่ึงเป็นวงจรไฟฟ้าแบบพืนฐานมาแทนการทางานของอปุ กรณ์ทีเ่ ราพิจารณาอยู่ รูปที่ 1.11 เปน็ ภาพแสดงการไบอัสไดโอดทังแบบไบอสั ตรงและไบอสั กลับ รูปที่ 1.12 ก แสดงการสวติ ชป์ ิดวงจรแทนไดโอดเม่ือไดร้ ับไบอัสตรงและรปู ที่ 1.12 ข ใช้สวติ ช์เปดิ วงจรแทนไดโอดเม่ือได้รบั ไบอัสกลบั (ก) (ข) รปู ท่ี 1.11 ก. วงจรไดโอดแบบไบอสั ตรงและ ข. แบบไบอสั กลับ

9 (ก) (ข) รปู ท่ี 1.12 ก. การสวติ ชป์ ดิ วงจรแทนไดโอดและ ข. การใชส้ วติ ชเ์ ปดิ วงจรแทนไดโอด สาหรบั รูปท่ี 1.11รูปท่ี 1.13 เป็นกราฟ V-I ของไดโอดอุดมคติ ซึ่งจะเห็นได้ว่าไดโอดอุดมคติไม่มีแรงดันตกคร่อมและความต้านทานเป็นศูนย์เมื่อไบอัสตรงและ ไดโอดอุดมคติมีกระแสรั่วไหลเป็นศูนย์และความต้านทานเปน็ อนันต์เม่ือไดร้ ับไบอสั กลบั รปู ที่ 1.13 คุณสมบัติ V-I ของไดโอดอดุ มคติ1.8.3 แบบจาลองไดโอดในทางปฏบิ ัติในทางปฏิบตั ิเราสามารถพิจารณาไดโอดให้ใกลเ้ คยี งยง่ิ ขึนด้วยการคานึงถงึ แรงดนั ตกคร่อมไดโอดขณะไบอสั ตรง โดยการแทนแรงดันตรงคร่อมด้วยสัญลกั ษณ์แหลง่ กาเนิดแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรง VF ดังรูปท่ี 1.14 ซ่งึ จะใชค้ า่ แรงดนั 0.3 V สาหรบั ไดโอดทีท่ าจาก Ge และ 0.7 V สาหรับไดโอดที่ทาจาก Siรูปท่ี 1.15 แสดงกราฟคณุ สมบตั ิ V-I ของซลิ ิกอนไดโอด

10รปู ท่ี 1.14 แบบจาลองไดโอดในทางปฏบิ ตั ิอย่างง่าย IFVR 0.7 V VF รปู ท่ี 1.15 คณุ สมบัติ V-I ของแบบจาลองอย่างง่ายของซลิ กิ อนไดโอด1.8.4 รูปรา่ งของไดโอดรปู ท่ี 1.16 แสดงให้เห็นตัวถังของไดโอดโดยทัว่ ไป ซ่ึงมีอยู่หลายแบบ ขึนกับชนดิ พิกัดกาลงั ไฟฟ้าตัวถงั ของไดโอดบางชนิดสามารถสงั เกตขาแคโธดได้ง่ายๆจากขีดที่แต้มไว้ รปู ที่ 1.16