สารกึ่งตัวนำและไดโอด

1 หน่วยที่ 1 สารกงึ่ ตัวนาและไดโอดในปัจจุบนั อุตสาหกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์พ่ึงพาวสั ดุสารก่ึงตวั นาในการสร้างอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์แทนการใช้อุปกรณ์ที่ใชห้ ลกั การของหลอดสุญญากาศ ทาใหอ้ ปุ กรณ์ท่ีไดม้ ีขนาดเลก็ ลงและมีน้าหนกั เบา ไม่ตอ้ งใชค้ วามร้อนในการอุน่ ไสห้ ลอด มีความทนทานทางกล ในบทน้ีจะกล่าวถึงหลกั การของสารก่ึงตวั นาเบ้ืองตน้ รวมถึงไดโอดซ่ึงอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์พ้นื ฐาน2.1 สารกง่ึ ตวั นา (Semiconductor)สารก่ึงตวั นาเป็ นธาตุที่มีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าระหวา่ งตวั นาไฟฟ้า(Conductor) และฉนวนไฟฟ้า (Insulator)ซ่ึงเราสามารถแบ่งแยกไดโ้ ดยใชค้ ่า ความนาจาเพาะ (Resistivity; ρ) ซ่ึงหาไดจ้ ากการวดั ค่าความตา้ นทาน Rของวสั ดุท่ีมีขนาด 1 ลูกบาศกเ์ ซนติเมตร ดงั รูปท่ี 2.1เน่ืองจาก   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 2.1สารก่ึงตวั นาที่นิยมใชไ้ ดแ้ ก่ธาตุ เยอร์มนั เนียม (Germanium; Ge) และซิลิกอน (Silicon; Si) ตารางท่ี 2.1เป็ นการเปรียบเทียบความตา้ นทานจาเพาะของสารก่ึงตวั กบั ตวั นาและฉนวนท่ีดีเยย่ี มอยา่ งทองแดงและไมกา้ตามลาดบั 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 มาสร้างอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์มีเหตผุ ลสาคญั สองประการ 1. สามารถนาไปผา่ นกระบวนการใหม้ ีความบริสุทธ์ิสูงซ่ึงควรมีความบริสุทธ์ิข้นั ต่า 99.9999999 เปอร์เซ็นต์ (9N) ซ่ึงปัจจุบนั สามารถทา Si ไดบ้ ริสุทธ์ิถึง 10N 2. สามารถเปล่ียนแปลงคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าดว้ ยความร้อนหรือแสงสวา่ ง จึงเหมาะท่ีนาไปสร้างอุปกรณ์ อิเลก็ ทรอนิกส์ที่ไวต่อความร้อนและแสงสวา่ ง

2 (ก) (ข) รูปท่ี 2.2 (ก) อะตอม Si และ (ข) อะตอม Cuรูปท่ี 2.2 เป็ นภาพจาลองอะตอมอยา่ งง่ายของ Si และ Cu ซ่ึงจะเห็นไดว้ า่ อะตอมของ Si มีอิเลก็ ตรอนที่วงนอกสุดหรือ วาเลนตอ์ ิเลก็ ตรอนจานวน 4 ตวั การท่ีอะตอมจะเสถียรไดอ้ ะตอมจะใชอ้ ิเลก็ ตรอนร่วมกบัอะตอม Si ที่อยขู่ า้ งเคียงซ่ึงเรียกวา่ พนั ธะโควาเลนต์ ซ่ึงแสดงไวใ้ นรูปท่ี 2.3 รูปที่ 2.3 ภาพจาลองพนั ธะโควาเลนตข์ องอะตอม Si หน่ึงอะตอม2.2 ระดบั พลงั งาน (Energy Levels)อิเลก็ ตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมจะแบ่งเป็ นช้นั ๆ โดยในแตล่ ะช้นั จะมีระดบั พลงั งานแตกต่างกนัโดยอิเลก็ ตรอนท่ีมีวงจรโคจรที่ห่างจากนิวเคลียสเท่าใด กย็ งิ่ มีระดบั พลงั งานสูงข้ึน รูปที่ 2.4 เป็ นภาพจาลองแถบพลงั งานของอิเลก็ ตรอนรอบๆนิวเคลียสของอะตอมความแตกต่างของระดบั พลงั ท่ีทาใหว้ าเลนซอ์ ิเลก็ ตรอนหลดุ จากวงโคจร ซ่ึงเรียกวา่ แถบพลงั งานวาเลนซ์(Valence band) ท่ีใชใ้ นการยดึ เกาะติดกนั ระหวา่ งอะตอม กลายเป็ นอิเลก็ ตรอนอิสระท่ีสามารถนาไฟฟ้าได้ ซ่ึงเรียกวา่ พลงั งานนากระแส (Conduction Energy) น้ีเราเรียกวา่ พลงั งานช่องวา่ ง (EnergyGap; Eg) มีหน่วยเป็ นอิเลก็ ตรอนโวลต์ (eV) เมื่อวาเลนตอ์ ิเลก็ ตรอนไดร้ ับพลงั งานจากความร้อนหรือแสงสวา่ ง จะมีระดบั พลงั งานสูงกวา่ Eg ก็จะเขา้ สู่ระดบั พลงั งานนากระแสสาหรับวสั ดุที่เป็ นฉนวนไฟฟ้าจะมี Eg มากกวา่ 5 eV ส่วนวสั ดุท่ีเป็ นตวั นาจะมีแถบพลงั งานนากระแสซอ้ นทบั กบั แถบพลงั งานวาเลนซ์

3 รูปท่ี 2.42.3 สารกงึ่ ตวั นาชนดิ n และpคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าของสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิสามารถเปลี่ยนแปลงไดด้ ว้ ยการเจือสารท่ีไมบ่ ริสุทธ์ิลงไป ซ่ึงเราเรียกวา่ การโดป (Doping) การเจือสารเจือปนเพียงเลก็ นอ้ ย จะเปล่ียนแปลงโครงสร้างของแถบพลงั งานเป็ นอยา่ งมาก (ก) (ข) รูปที่ 2.52.3.1 สารก่ึงตวั นาชนิด n (n-type Semiconductor)สารก่ึงตวั นาชนิด n ไดจ้ ากการเติมสารเจือที่เป็ นธาตุหมู่ 5 ซ่ึงมีวาเลนซอ์ ิเลก็ ตรอน 5 ตวั เช่น แอนติโมนีSb, อาร์เซนิก As หรือ ฟอสฟอรัส P เป็ นตน้ ลงใน Ge หรือ Si บริสุทธ์ิรูปท่ี 2.5 ก แสดงใหเ้ ห็นวา่ การเติมสารเจือท่ีเป็ นธาตหุ มู่ 5 (แอนติโมนี) ทาใหเ้ กิดวาเลนซ์อิเลก็ ตรอนที่ไมม่ ีคู่ท่ีอะตอมของสารเจือ อิเลก็ ตรอนท่ีไมม่ ีคูน่ ้ี เม่ือไดร้ ับพลงั งานเพียงเลก็ นอ้ ย ก็พร้อมที่จะเป็ นอิเลก็ ตรอนอิสระท่ีนาไฟฟ้าได้ สารก่ึงตวั นาชนิด n มีสภาพทางไฟฟ้าเป็ นลบ (Negative)

42.3.2 สารก่ึงตวั นาชนิด p (p-type Semiconductor)ส่วนสารก่ึงตวั นาชนิด p จะไดจ้ ากการเติมสารเจือที่เป็ นธาตุหมู่ 3 ท่ีมีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 3 ตวั ไดแ้ ก่โบรอน B, แกลเลี่ยม Ga หรือ อินเด่ียม In เป็ นตน้ ลงใน Ge หรือ Si บริสุทธ์ิรูปท่ี 2.5 ข แสดงใหเ้ ห็นวา่ การเติมสารเจือที่เป็ นธาตุหมู่ 3 (โบรอน) ทาใหข้ าดวาเลนซอ์ ิเลก็ ตรอนไปหน่ึงตวั เกิดเป็ นช่องวา่ ง หรือ โฮล (Hole) ซ่ึงมีสมบตั ิทางไฟฟ้าเป็ นบวก (Positive)2.4 พาหะข้างมากและพาหะข้างน้อยการเจือสารเจือหมู่ 5 ลงในสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิไม่เพียงทาใหเ้ กิดอิเลก็ ตรอนเป็ นพาหะนาไฟฟ้าเท่าน้นั แต่ในตวั สารก่ึงตวั นายงั มีโฮลอยดู่ ว้ ย เพยี งแตม่ ีปริมาณนอ้ ยกวา่ อิเลก็ ตรอนเป็ นอยา่ งมาก เราจึงเรียกอิเลก็ ตรอนใน สารก่ึงตวั นา n-type เป็ นพาหะขา้ งมากและเรียกโฮลเป็ นพาหะขา้ งนอ้ ยส่วนกรณี สารก่ึงตวั นา p-type จะเรียกโฮลเป็ นพาหะขา้ งมาก ส่วนอิเลก็ ตรอนเป็ นพาหะขา้ งนอ้ ยตารางที่ 2.2 เป็ นการสรุปชนิดของพาหะขา้ งมากและพาหะขา้ งในสารก่ึงตวั นา p-type และ n-typeตามลาดบั ตารางที่ 2.2ชนิด พาหะขา้ งมาก พาหะขา้ งนอ้ ยp-type Semiconductor โฮล อิเลก็ ตรอนn-type Semiconductor อิเลก็ ตรอน โฮล2.5 รอยต่อ p-n (p-n Junction)สารก่ึงตวั นา p-type หรือ n-type เพยี งอยา่ งหน่ึงอยา่ งใด จะมีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าเป็ นความตา้ นทานไฟฟ้า แต่หากเราสามารถสร้างรอยตอ่ ระหวา่ งสารก่ึงตวั นาชนิด p และ n ได้ อิเลก็ ตรอนใน สารก่ึงตวั นา n-type จะแพร่ขา้ มรอยตอ่ ไปรวมกบั โฮลใน p-type จบั เป็ นพนั ธะท่ีไม่มีพาหะนาไฟฟ้าหากพิจารณาคร่าวๆ ท่ีความเขม้ ขน้ ของสารเจือท่ีเท่ากนั ก็อาจจะคิดวา่ อิเลก็ ตรอนจะรวมกบั โฮลจนหมดสิ้นและทาใหไ้ ม่พาหะนาไฟฟ้าตลอดท้งั เน้ือสาร ในความเป็ นจริง จะพบวา่ ไมเ่ ป็ นเช่นน้นั เน่ืองจากอะตอมสารเจือ หมู่ 5 ในสารก่ึงตวั นา n-type เมื่อไมม่ ีอิเลก็ ตรอนใกลๆ้ ก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้า บวก และอะตอมสารเจือ หมู่ 3 ในสารก่ึงตวั นา p-type เม่ือไมม่ ีโฮลก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้าเป็ นลบ จะสงั เกตไดว้ า่ เกิดกาแพงสนามไฟฟ้า ขดั ขวางไมใ่ หอ้ ิเลก็ ตรอนขา้ มรอยต่อไปรวมกบั โฮล รูปท่ี 2.6 ภาพแสดงการเกิดบริเวณปลอดพาหะ

5การรวมตวั ของอิเลก็ ตรอนกบั โฮลจนไม่มีพาหะนาไฟฟ้า (จึงไมน่ าไฟฟ้า) จะเกิดเฉพาะตรงบริเวณใกลๆ้รอยตอ่ เท่าน้นั บริเวณท่ีเกิดการรวมตวั น้ีเรียกวา่ บริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) ดงั ในรูปที่ 2.6โดยความกวา้ งของบริเวณปลอดพาหะในสภาพไร้สนามไฟฟ้าจากภายนอก จะข้ึนกบั ความเขม้ ขน้ ของสารเจือ และอณุ หภูมิ2.6 การไบอสัการไบอสั เป็ นการป้อนแรงดนั ไฟฟ้าใหก้ บั อุปกรณ์เพ่ือใหท้ างานตามที่ผอู้ อกแบบตอ้ งการ โดยการไบอสัรอยต่อ p-n เป็ นการป้อนสนามไฟฟ้าภายนอกใหแ้ ก่รอยต่อ ซ่ึงมีผลต่อบริเวณปลอดพาหะ ซ่ึงสามารถทาได้สองแบบ คือ การไบอสั ตรง (Forward Bias)และการไบอสั กลบั (Reverse Bias) รูปท่ี 2.7 การไบอสั ตรงแก่รอยตอ่ p-n รูปที่ 2.8 การไบอสั กลบั แก่รอยต่อ p-nรูปท่ี 2.7 แสดงการไบอสั ตรงแก่รอยต่อ p-n โดยการป้อนศกั ยไ์ ฟฟ้าบวกแก่สารก่ึงตวั นา p-type และการป้อนศกั ยล์ บใหก้ บั สารก่ึงตวั นา n-type ซ่ึงจะผลกั ใหพ้ าหะขา้ งมากเขา้ หารอยตอ่ ทาใหบ้ ริเวณปลอดพาหะแคบลง หากศกั ยไ์ ฟฟ้าที่ป้อนน้ีมีคา่ สูงกวา่ กาแพงศกั ยไ์ ฟฟ้าภายในรอยตอ่ กจ็ ะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลผา่ นรอยตอ่ ได้ ซ่ึงศกั ยไ์ ฟฟ้าท่ีรอยตอ่ ของรอยตอ่ p-n ที่สร้างจาก Ge มีคา่ ประมาณ 0.3V และ Si จะมีค่าประมาณ 0.7 V ท่ี 25 องศาเซลเซียสรูปที่ 2.8 แสดงการไบอสั กลบั แก่รอยตอ่ p-n โดยป้อนศกั ยบ์ วกแก่สารก่ึงตวั นา n-type และศกั ยล์ บใหก้ บัสารก่ึงตวั นา p-type ซ่ึงจะดึงดูดใหพ้ าหะขา้ งมากเขา้ หาศกั ยไ์ ฟฟ้าท่ีป้อน จึงทาใหบ้ ริเวณปลอดพาหะกวา้ งยงิ่ ข้ึน อน่ึงการไบอสั กลบั น้ีไมข่ ดั ขวางการเคล่ือนที่ของพาหะขา้ งนอ้ ย

6 รูปที่ 2.9 กราฟคุณสมบตั ิแรงดนั -กระแสของรอย p-n2.7 คุณสมบตั ิ V-I ของรอยต่อ p-nรูปท่ี 2.9 เป็ นกราฟ V-I ของรอยตอ่ p-n ท่ีสร้างจาก Si จะสงั เกตไดว้ า่ เม่ือแรงดนั ไบอสั ตรง VF มีคา่ เป็ นบวกประมาณ 0.7 โวลตก์ ระแสไฟฟ้าสามารถไหลผา่ นไดโอดไดอ้ ยา่ งสะดวก เม่ือพิจารณาความชนั ของเสน้ กราฟจะพบวา่ มีความตา้ นทานต่าแตเ่ ม่ือแรงดนั ไบอสั ตรงต่ากวา่ 0.7 โวลตก์ ระแสจะไหลผา่ นรอยตอ่ นอ้ ยมาก หากแรงดนั ตกคร่อมรอยตอ่ มี่คา่ นอ้ ยกวา่ ศูนยจ์ ะเป็ นการใหไ้ บอสั กลบั กระแสท่ีไหลผา่ นจะเกิดจากพาหะขา้ งนอ้ ย เม่ือพจิ ารณาความชนั จะพบวา่ มีความตา้ นทานสูงมาก แต่เม่ือใหแ้ รงดนั ไบอสั กลบั มีคา่ ต่ามากจนถึงจุดหน่ึงจะพบวา่ จะมีกระแสไฟฟ้าผา่ นรอยตอ่ เป็ นจานวนมาก เราเรียกแรงดนั ที่จุดน้ีวา่ แรงดนั พงั ทลาย (Break down Voltage; VBR)ผลของอณุ หภูมิมีผลต่อรอยต่อดงั น้ี เม่ืออณุ หภมู ิเพิ่มข้ึน แรงดนั ตกคร่อมรอยตอ่ ขณะไบอสั ตรง และแรงดนัพงั ทลาย VBRขณะไบอสั กลบั มีคา่ ลดลง กระแสร่ัวในกรณีที่ VBR<V<VF จะเพ่มิ สูงข้ึน2.8 ไดโอดไดโอดเป็ นอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ท่ีมี 2 ขา ซ่ึงมีลกั ษณะพเิ ศษคือ กระแสไหลผา่ นไดใ้ นทิศทางเดียว ซ่ึงจากคุณสมบตั ิพิเศษน้ี จึงสามารถนาไดโอดมาใชเ้ ป็ นตวั แปลงไฟฟ้ากระแสสลบั เป็ นกระแสตรง วงจรในภาครับของวทิ ยุ เป็ นตน้2.8.1โครงสร้างและสญั ลกั ษณ์ของไดโอดไดโอดสามารถไดจ้ ากรอยตอ่ p-n โดยการดึงขาท่ี p-type เป็ นขาแอโนด (Anode; A)และ n-typeเป็ นขาแคโธด (Cathode; K) สญั ลกั ษณ์จะใชล้ กู ศรแทนขาแอโนด โดยทิศทางของลกู ศรเป็ นทิศทางการไหลของกระแสสมมุติ (ตรงขา้ มกลบั ทิศทางการไหลของอิเลก็ ตรอน) และใชข้ ีดแทนขาแคโธด

7 รูปที่ 2.10 โครงสร้างอยา่ งง่ายและสญั ลกั ษณ์ของไดโอด2.8.2 ไดโอดอดุ มคติเพอ่ื ใหง้ ่ายต่อการวเิ คราะห์การทางานของอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ เราสามารถใชแ้ บบจาลองซ่ึงเป็ นวงจรไฟฟ้าแบบพ้ืนฐานมาแทนการทางานของอุปกรณ์ท่ีเราพิจารณาอยู่ รูปท่ี 2.11 เป็ นภาพแสดงการไบอสัไดโอดท้งั แบบไบอสั ตรงและไบอสั กลบั รูปท่ี 2.12 ก แสดงการสวติ ชป์ ิ ดวงจรแทนไดโอดเมื่อไดร้ ับไบอสัตรงและรูปที่ 2.12 ข ใชส้ วติ ชเ์ ปิ ดวงจรแทนไดโอดเม่ือไดร้ ับไบอสั กลบั (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 สาหรับรูปท่ี 2.11

8รูปท่ี 2.13 เป็ นกราฟ V-I ของไดโอดอดุ มคติ ซ่ึงจะเห็นไดว้ า่ ไดโอดอุดมคติไมม่ ีแรงดนั ตกคร่อมและความตา้ นทานเป็ นศูนยเ์ ม่ือไบอสั ตรงและ ไดโอดอุดมคติมีกระแสร่ัวไหลเป็ นศูนยแ์ ละความตา้ นทานเป็ นอนนั ตเ์ ม่ือไดร้ ับไบอสั กลบั รูปท่ี 2.13 คุณสมบตั ิ V-I ของไดโอดอุดมคติ2.8.3 แบบจาลองไดโอดในทางปฏิบตั ิในทางปฏิบตั ิเราสามารถพจิ ารณาไดโอดใหใ้ กลเ้ คียงยง่ิ ข้ึนดว้ ยการคานึงถึงแรงดนั ตกคร่อมไดโอดขณะไบอสั ตรงโดยการแทนแรงดนั ตรงคร่อมดว้ ยสญั ลกั ษณ์แหลง่ กาเนิดแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรง VF ดงั รูปที่ 2.14 ซ่ึงจะใชค้ ่าแรงดนั 0.3 V สาหรับไดโอดที่ทาจาก Ge และ 0.7 V สาหรับไดโอดที่ทาจาก Siรูปที่ 2.15 แสดงกราฟคุณสมบตั ิ V-I ของซิลิกอนไดโอดรูปที่ 2.14 แบบจาลองไดโอดในทางปฏิบตั ิอยา่ งง่าย IFVR 0.7 V VFรูปที่ 2.15 คุณสมบตั ิ V-I ของแบบจาลองอยา่ งง่ายของซิลิกอนไดโอด

92.8.4 รูปร่างของไดโอดรูปท่ี 2.16 แสดงใหเ้ ห็นตวั ถงั ของไดโอดโดยทว่ั ไป ซ่ึงมีอยหู่ ลายแบบ ข้ึนกบั ชนิด พกิ ดั กาลงั ไฟฟ้า ตวั ถงัของไดโอดบางชนิดสามารถสงั เกตขาแคโธดไดง้ ่ายๆจากขีดท่ีแตม้ ไว้ รูปท่ี 2.16