ebook สารกึ่งตัวนำและไดโอด

E-book สารก่งึ ตัวนาและไดโอด วิชา อุปกรณ์อิเลก็ ทรอนกิ ส์และวงจร รหัส 20104-2102 หลกั สูตรประกาศนยี บตั รวชิ าชพี หนว่ ยที่ 1 เรื่องสารกง่ึ ตวั นาและไดโอด นายสมพร บญุ ริน สาขาวชิ าช่างไฟฟา้ กาลงั วทิ ยาลัยเทคนคิ ลพบรุ ี สานกั งานคณะกรรมการการอาชีวศึกษา กระทรวงศึกษาธกิ าร

1 ใบความรู้ที่ 1 สอนครงั้ ที่ 2 รวม 4 ช่ัวโมง ชอื่ วชิ า อปุ กรณอ์ ิเล็กทรอนิกส์และวงจร รหสั วิชา 2104-2102 หน่วยที่ 1 ชื่อหนว่ ย สารกึ่งตัวนาและไดโอด จานวน 1 ช่ัวโมง ช่ือเร่อื ง สารก่ึงตวั นาและไดโอด สาระสาคญั ไดโอดเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานอย่างแพร่หลาย ได้จากการนาสารกึ่งตัวนาชนิดเอน็ และชนิดพมี าตอ่ กัน มีคุณสมบัตินากระแสไฟฟา้ ไดท้ ศิ ทางเดยี ว ดงั นั้นผเู้ รยี นจะต้องมคี วามรู้ความเข้าใจ เกีย่ วกบั สารกงึ่ ตวั นา โครงสร้างและสัญลักษณ์ ชนดิ การทางานของไดโอด การคานวณวงจรไดโอด การ เลอื กไดโอดใช้งานและมีทกั ษะเก่ยี วกบั การดขู ้ัวโอดการวดั และทดสอบไดโอดดว้ ยมลั ตมิ ิเตอร์ สาระการเรียนรู้ 1.1 สารก่งึ ตวั นา 1.1.1 สารกง่ึ ตวั นาบริสุทธ์ิ 1.1.2 สารกึ่งตัวนาไม่บรสิ ทุ ธิ์ 1.2 ไดโอด 1.2.1 โครงสรา้ ง และสัญลกั ษณข์ องไดโอด 1.2.2 หลกั การทางานของไดโอด 1.2.3 ลักษณะสมบัติของไดโอด 1.2.4 การดขู ้วั ไดโอด 1.2.5 การเลือกไดโอดใชง้ าน 1.2.6 การวดั และทดสอบไดโอดดว้ ยมัลตมิ ิเตอร์ จุดประสงค์การเรียนรู้ จดุ ประสงค์ท่ัวไป 1. เพ่ือใหม้ คี วามรู้ ความเข้าใจเกย่ี วกบั สารกง่ึ ตวั นาและไดโอด 2. มคี ุณธรรม จริยธรรม คา่ นยิ มและคุณลกั ษณะอนั พึงประสงค์ จดุ ประสงค์เชิงพฤตกิ รรม เมือ่ ผ้เู รยี น ศึกษาหนว่ ยการเรยี นน้ีแล้วมีความสามารถดังตอ่ ไปน้ี 1. บอกชอื่ ของสารก่ึงตัวนาบริสุทธิไ์ ด้ถกู ตอ้ ง 2. บอกคณุ สมบตั ิของสารก่งึ ตวั นาไมบ่ ริสทุ ธิ์ ได้ถูกตอ้ ง 3. บอกโครงสรา้ งของไดโอดได้ถูกตอ้ ง 4. บอกสญั ลกั ษณ์ของไดโอดได้ถูกตอ้ ง 5. อธบิ ายหลักการทางานของไดโอดได้ถูกตอ้ ง 6. อธบิ ายลกั ษณะสมบตั ิของไดโอดได้ถูกตอ้ ง 7. บอกวธิ ีการดขู ัว้ ของไดโอดได้ถกู ต้อง สมพร บญุ รนิ แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลงั วทิ ยาลัยเทคนิคลพบุรี

2 8. บอกหลักการเลอื กไดโอดใชง้ านได้ถกู ต้อง 9. อธบิ ายการวดั และทดสอบไดโอดด้วยมัลติมเิ ตอร์ได้ถูกตอ้ ง สมพร บญุ ริน แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลงั วทิ ยาลัยเทคนคิ ลพบรุ ี

3 สารกง่ึ ตัวนาและไดโอด (Diode) กล่าวนา สารกึ่งตัวนา คือ สารท่ีมีคุณสมบัติของทางไฟฟ้าอยรู่ ะหว่างตวั นาและฉนวนถกู นาไปใชใ้ นการ สรา้ งอุปกรณ์ทางอเิ ลก็ ทรอนกิ สต์ ่าง ๆ เชน่ ไดโอด ทรานซิสเตอร์ เป็นต้น การคน้ พบสารกงึ่ ตวั นา นบั เป็นการคน้ พบทย่ี งิ่ ใหญ่ จนอาจกลา่ วไดว้ า่ เปน็ การปฏิวตั ิอตุ สาหกรรมอิเลก็ ทรอนกิ ส์เลยทเี ดยี ว ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างจากสารก่ึงตัวนา มี 2 ข้ัวคือ คือข้ัวแอโนด (Anode: A) และข้ัวแคโทด (Cathode: K) ถกู ออกแบบมาเพื่อควบคมุ ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ยอมใหก้ ระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียว และปอ้ งกันกระแสการไหลกลบั ทิศทางเดิม หากมองหลกั การ ทางานก็เหมือนกับ วาล์วน้าทิศทางเดียวไม่ยอมให้น้าไหลกลับ ซึ่งนับเป็นประโยชน์อย่างมากในวงจร อิเล็กทรอนิกส์ เช่นวงจรแปลงกระแสไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง หรือป้องกันการสลับขั้ว ของวงจรอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1.1 สารกึ่งตวั นา สารกึ่งตวั นา (Semiconductor) คือ วสั ดุที่มีคุณสมบตั ขิ องการนาไฟฟา้ อยูร่ ะหวา่ งตวั นาและ ฉนวน สาหรับสารท่ีเป็นตวั นาไฟฟา้ จะมวี าเลนซ์อิเลก็ ตรอนหรืออิเล็กตรอนอสิ ระ 1-3 ตวั และสารที่เป็น ฉนวนไฟฟ้าจะมี วาเลนซอ์ ิเล็กตรอน 5 ตัวขึ้นไป ธาตกุ งึ่ ตวั นาท่ีนยิ มนาไปทาเปน็ สารกง่ึ ตัวนาใน อปุ กรณ์อเิ ล็กทรอนกิ สก์ ็คอื ธาตุซลิ คิ อน และธาตเุ ยอรมันเนียม โดยความสามารถในการนาไฟฟ้าของ สารก่งึ ตวั นาจะขน้ึ อยู่กบั อุณหภมู ิ น่ันคือ ทีอ่ ณุ หภูมิเข้าใกล้ศนู ย์เคลวนิ สารกึง่ ตัวนาจะไมส่ ามารถนา ไฟฟ้าได้ เนือ่ งจาก เน้ือวสั ดกุ ่ึงตวั นาจะเปน็ ผลึกโควาเลนต์ อิเลก็ ตรอนท้งั หมดท่อี ยู่ในเนื้อวสั ดุจะถูกตรึง อยู่ในพันธะโควาเลนต์ ซง่ึ เปน็ พนั ธะทท่ี าใหอ้ ะตอมสามารถยดึ เหน่ียวอยู่ด้วยกันได้ ทาให้ไม่มี อเิ ล็กตรอนอิสระ อยู่ในผลกึ เม่อื ไม่มอี เิ ล็กตรอนที่สามารถเคล่อื นที่ได้ จงึ ทาให้สารก่งึ ตัวนาไม่สามารถ นาไฟฟ้าได้ แตใ่ นอุณหภมู สิ งู กว่าปกติ อเิ ล็กตรอนบางส่วนจะไดร้ บั พลังงานจากความร้อนเพียงพอทีจ่ ะ ทาให้หลดุ ออกจากพนั ธะ กลายเป็นอเิ ลก็ ตรอนอิสระและสามารถเคลือ่ นท่ีได้ สารก่งึ ตัวนาจึงสามารถนา ไฟฟา้ ได้ การนาไฟฟา้ ของสารก่ึงตัวนาซ่ึงข้ึนอยู่กับอุณหภมู ิจะมีสมบัติตรงข้ามกับโลหะ เน่ืองจากโลหะ จะมีอิเล็กตรอนอิสระและเคล่ือนที่ได้อย่างอิสระอยู่แล้ว ทาให้นาไฟฟ้าได้ดี แต่เม่ืออุณหภูมิสูงข้ึน ไอออนบวกทอี่ ยตู่ รงกลางจะเกิดการสัน่ ด้วยความถ่ีสูง อิเล็กตรอนอิสระที่เคยเคล่ือนทีไ่ ด้อย่างสะดวกก็ จะเคลือ่ นทไ่ี ดย้ ากข้ึน ดังน้ันเมอื่ มอี ุณหภูมสิ งู ข้นึ การนาไฟฟา้ ของโลหะจึงลดลง สมพร บญุ ริน แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลัง วิทยาลัยเทคนิคลพบุรี

4 นอกจากการนาไฟฟา้ ของสารกึง่ ตัวนาจะข้ึนอยกู่ ับอุณหภูมิแลว้ ยงั ข้นึ อยกู่ ับสง่ิ ไม่บริสุทธ์ิที่เจือ ปนอยู่ในเนอ้ื สารด้วย ดังนั้นเราจึงแบ่งประเภทสารก่ึงตัวนาได้เป็น 2 ประเภท คือ สารกึ่งตัวนาบริสุทธ์ิ และสารกึ่งตวั นาไมบ่ รสิ ุทธิ์ซง่ึ สารกง่ึ ตวั นาไมบ่ ริสุทธ์ิมี 2 ชนิด คือ สารก่งึ ตวั นาชนดิ N และสารกงึ่ ตวั นา ชนดิ P 1.1.1 สารกง่ึ ตวั นาบริสทุ ธิ์ สารก่งึ ตัวนาบริสุทธ์ิ ไมส่ ามารถนาไฟฟ้าได้ การนาไฟฟา้ ของสารกง่ึ ตัวนาบรสิ ุทธิจ์ ะเกดิ ขึน้ ได้ก็ ต่อเมื่อมอี ณุ หภูมสิ ูงกวา่ ศูนยอ์ งศาสมั บรู ณ์ หรอื มีการผา่ นสนามไฟฟ้าท่มี คี วามเข้มของสนามมากเข้าไป วิธีการนีจ้ ะทาอเิ ล็กตรอนบางสว่ นหลดุ ออกจากพันธะ เมอื่ อิเลก็ ตรอนหลุดออกมา จะทาให้เกิดช่องวา่ ง ขน้ึ เราเรยี กแทนช่องวา่ งนี้วา่ โฮล (Hole) และเมอ่ื มีชอ่ งว่างเกิดข้ึน จะมอี ิเล็กตรอนตวั อื่นเคล่ือนท่ีมา แทนในตาแหนง่ โฮลถัด ๆ กัน การเคลอื่ นที่เข้าแทนท่ีของอิเลก็ ตรอนเป็นเสน้ ตรง ทาให้มองได้ว่า โฮลมกี ารเคล่ือนทเี่ ป็นเสน้ ตรงในทศิ ตรงขา้ มกบั ทิศที่อิเล็กตรอนเคลือ่ นทดี่ ้วยเชน่ กนั ทั้งท่จี รงิ แล้วโฮล นัน้ อยกู่ บั ท่ี ถา้ เราใสส่ นามไฟฟ้าใหส้ ารก่ึงตวั นาบรสิ ุทธ์ิ วาเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอนจะเคล่อื นท่ีตรงขา้ มกบั ทิศ ของสนามไฟฟา้ ส่วนโฮลจะเคล่อื นทที่ ิศเดยี วกบั ทิศของสนามไฟฟา้ การนาไฟฟา้ จงึ เกิดขนึ้ ไดจ้ ากการ เคล่ือนของอิเล็กตรอนอสิ ระและโฮล ธาตุกึ่งตวั นาทีน่ ยิ มนาไปทาเป็นสารกึ่งตัวนาในอปุ กรณ์ อิเล็กทรอนกิ ส์ก็คือ ธาตซุ ิลคิ อน และธาตุเยอรมนั เนียม ธาตุทง้ั สองชนิดน้ีจะมีวาเลนซอ์ ิเล็กตรอน 4 ตัว โดยซิลิคอนจะมอี เิ ล็กตรอนทั้งหมด 14 ตวั ส่วนเยอรมนั เนยี มจะมอี ิเล็กตรอนทงั้ หมด 32 ตัว ต่อหนง่ึ อะตอม ดังแสดงในรปู ที่ 1.1 วาเลนซ์อเิ ล็กตรอน 4 ตวั Si Ge รูปที่ 1.1 โครงสร้างอะตอมของธาตุซลิ คิ อนและเยอรมันเนยี ม โครงสร้างอะตอมของธาตุซิลิคอนและโครงสรา้ งอะตอมของธาตเุ ยอรมนั เนียมเมื่ออยู่รวมกนั หลาย ๆ อะตอมจะจับกันเปน็ ผลกึ ในรูปของพันธะโควาเลนซ์ (Covalence Bond) ดังนนั้ หนึง่ อะตอม สมพร บุญริน แผนกวชิ าช่างไฟฟ้ากาลัง วทิ ยาลัยเทคนิคลพบุรี

5 จะต้องใชอ้ เิ ลก็ ตรอนรว่ มกนั กบั อะตอมข้างเคยี ง 4 อะตอม จงึ จะมอี เิ ลก็ ตรอนวงนอกสดุ ครบ 8 ตัว เพอื่ ใหอ้ ะตอมอย่ใู นสภาพเสถียร Si Si Ge Ge Si Ge Si Si Ge Ge ซิลคิ อน เยอรมันเนียม รูปท่ี 1.2 โครงสรา้ งอะตอมของธาตุซิลิคอนและเยอรมนั เนยี มเมอื่ อยรู่ ่วมกนั หลายอะตอม 1.1.2 สารกง่ึ ตวั นาไม่บริสทุ ธิ์ สารก่งึ ตวั นาไม่บรสิ ทุ ธ์ิได้จาการนาสารกงึ่ ตวั นาบรสิ ุทธิ์มาเติมสารเจอื ปนเขา้ ไปทาใหม้ ี คุณสมบตั ิทางไฟฟ้าเปลย่ี นไป ซ่ึงแบง่ ได้เป็น 2 ชนดิ คือ สารกึ่งตัวนาชนิด N (N-Type) และสารกง่ึ ตวั นาชนิด P (P-Type) 1.1.2.1 สารก่ึงตัวนาชนดิ เอ็น (N-Type Semiconductor) สารกึ่งตัวนาชนิด N เป็นสารก่ึงตัวนาไม่บริสุทธ์ิท่ีได้จากการเติมสารเจือปนที่มีวาเลนซ์ อิเล็กตรอน 5 ตัว เช่นฟอสฟอรัส (P) อาเซนิค (As) แอนติโมนี (Sb) ลงไปในธาตุซิลิคอนหรือเยอรมัน เนียมบริสุทธิ์ จะทาให้อิเลก็ ตรอนวงนอกสุดของแต่ละอะตอมแลกเปลี่ยนอเิ ล็กตรอนซ่งึ กันและกัน หรือ ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตัว ทาให้เหลืออิเล็กตรอน 1 ตัว ท่ีไม่สามารถจับตัวกับอะตอมข้างเคยี ง สมพร บุญรนิ แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

6 ดงั แสดงในรปู ท่ี 1.3 เรยี กอเิ ล็กตรอนตวั นี้วา่ อเิ ล็กตรอนอิสระ ซง่ึ จะแสดงประจุไฟฟา้ เปน็ ลบ Si Si อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระซ่ึงจะแสดงประจุไฟฟา้ เปน็ ลบ P Si Si รปู ที่ 1.3 โครงสร้างอะตอมของสารกึ่งตวั นาชนดิ N 1.1.2.2 สารกึ่งตวั นาชนดิ P (P-Type Semiconductor) เป็นสารกง่ึ ตัวนาไมบ่ ริสทุ ธ์ิทไ่ี ด้จากการเตมิ ธาตุเจอื ปนทม่ี ีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 3 ตวั เช่น โบรอน (B) อนิ เดยี ม (In) แกลเลยี ม (Ga) ลงไปในธาตซุ ลิ คิ อนหรือธาตเุ ยอรมนั เนียมบริสทุ ธิ์ จะทาให้อิเล็กตรอน วงนอกสดุ ของแต่ละอะตอมแลกเปล่ียนอิเล็กตรอนซึง่ กันและกนั หรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตวั ส่วนอะตอมของธาตุเจือปนจะขาดอิเล็กตรอนอกี 1 ตัว เพราะธาตุเจือปนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว เรยี กสว่ นท่ีขาดอิเล็กตรอนนว้ี า่ โฮล (Hole) ซงึ่ จะแสดงประจุไฟฟา้ เปน็ บวก ดังแสดงในรปู ที่ 1.4 Si Si B โฮล (Hole) ซึง่ จะแสดงประจุไฟฟ้าเปน็ บวก Si Si รปู ท่ี 1.4 โครงสร้างอะตอมของสารกึ่งตวั นาชนิด P สมพร บญุ รนิ แผนกวชิ าช่างไฟฟ้ากาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

7 1.2 ไดโอด ไดโอด (diode) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดสองขั้วคือขั้วแอโนด (Anode: A) และข้ัว แคโทด (Cathode: K) สามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านได้ทิศทางเดียว นิยมใช้ในวงจรเรียง กระแสซึ่งอยูใ่ นวงจรแหลง่ จายไฟฟ้ากระแสตรง 1.2.1 โครงสร้างและสญั ลกั ษณ์ของไดโอด ไดโอดเกิดจากการนาสารกง่ึ ตัวนาไม่บรสิ ุทธช์ิ นดิ N (N-type) และสารกึ่งตวั นาไมบ่ รสิ ทุ ธช์ิ นิด P (P-type) มาต่อกนั ซ่ึงจุดทส่ี ารกึง่ ตัวนาทัง้ สองสัมผัสกนั เรียกว่ารอยต่อ (Junction) โดยขวั้ ของ ไดโอดท่เี ป็นสารกงึ่ ตัวนาไมบ่ รสิ ทุ ธ์ชิ นดิ P เปน็ ข้วั แอโนด (Anode: A) และ ข้วั ของไดโอดทเ่ี ปน็ สารก่ึง ตวั นาไมบ่ ริสทุ ธิ์ชนดิ N เปน็ ขว้ั แคโทด (Cathode: K) ดังแสดงในรูปท่ี 1.5 สญั ลักษณจ์ ะใช้ลกู ศรแทนขาแอโนดโดยทิศทางของลูกศรเป็นทศิ ทางการไหลของกระแส และ ใชข้ ดี แทนข้วั แคโทด ดังแสดงในรูปที่ 1.6 แอโนด (Anode: A) PN แคโทด (Cathode: K) รูปท่ี 1.5 โครงสรา้ งของไดโอด แอโนด (A) แคโทด (K) รปู ที่ 1.6 สัญลักษณ์ของไดโอด 1.2.2 หลกั การทางานของไดโอด ไดโอดจะยอมให้กระแสไหลผ่านไดท้ างเดียวเท่านน้ั กระแสจะไหลย้อนกลับไมไ่ ด้สัญลักษณ์ของ ไดโอดในอุดมคติจะแสดงเป็นรูปลูกศรโดยจะมที ศิ ทางไหลของกระแสตามลักษณะช้ีของลกู ศร 1.2.2.1 ไบแอสตรง (Forward Bias) - มีกระแสไหลผา่ นไดโอด - ถือวา่ ไดโอดมีความตา้ นทานน้อยมาก สมพร บญุ ริน แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

8 - โดยท่วั ไปถอื ว่าไดโอดลดั วงจร A K AK IF E + E + IF - - รูปที่ 1.7 การต่อไดโอดแบบไบแอสตรง (Forward Bias) 1.2.2.2 ไบแอสกลบั (Reverse Bias) - ไมม่ ีกระแสไหลผ่านไดโอด - ถือวา่ ไดโอดมีความต้านทานสงู มาก - โดยทัว่ ไปถอื ว่าไดโอดเปดิ วงจร KA KA IR =0 E + IR =0 E + - - รูปที่ 1.8 การต่อไดโอดแบบไบแอสกลับ (Reverse Bias) 1.2.3 ลักษณะสมบัติของไดโอด สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟา้ กาลัง วิทยาลัยเทคนคิ ลพบรุ ี

9 ไดโอดสามารถแบ่งชนิดตามสารทใ่ี ช้ผลิตได้ 2 ชนิด คอื 1. ไดโอดชนดิ ซิลคิ อน เช่น ไดโอดเบอร์ 1N4148 1N4001 1N5401 เปน็ ตน้ 2. ไดโอดชนิดเยอรมนั เนยี ม เชน่ ไดโอดเบอร์ 1N34A เปน็ ตน้ ลักษณะของไดโอดเม่ือได้รับการไบแอสตรง (Forward Characteristics) จากรูปที่ 1.9 กราฟ ส่วนบนด้านขวาแสดงถึงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไดโอด เม่ือไดโอดได้รับการไบแอสตรง ข้ัวบวกของ แหล่งจา่ ยไฟตอ่ เข้ากบั ขว้ั แอโนด และขวั้ ลบของแหลง่ จ่ายไฟตอ่ เขา้ กบั ข้ัวแคโทดของไดโอด จะเหน็ ได้ว่า เมื่อแรงดันไบแอสตรงท่ีให้กับไดโอดมีค่าน้อยกว่ากาแพงแรงดันไฟฟ้า ก็จะทาให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล ผ่านไดโอด จนกระทั่งแรงดันไบแอสตรงมีขนาดมากกว่ากาแพงแรงดนั ภายในของไดโอด ซง่ึ ถา้ เป็นของ ซิลิคอนไดโอดจะประมาณ 0.7 V และถ้าเป็นเยอรมันเนียมไดโอดจะมคี ่าประมาณ 0.3 V และเมื่อจ่าย แรงดันไบแอสตรงมากขึ้น กระแสไฟฟ้าทางตรงท่ีไหลผ่านไดโอดกจ็ ะเพ่ิมข้ึนอยา่ งรวดเร็ว ดังน้ันไดโอด จงึ อยู่ในสภาวะเปิด (ON) หรือสวติ ชป์ ิดวงจรนัน่ เอง จดุ ของแรงดันไฟฟ้าทที่ าให้เส้นกราฟชันขึน้ อย่างรวดเร็วน้ีมีชื่อเรยี กว่า แรงดัน Knee Voltage หรอื อาจเรียกวา่ แรงดนั คัทอิน ซ่งึ แรงดันไฟฟ้านี้จะใช้เป็นชอ่ื เรยี กของกาแพงแรงดันไฟฟ้าภายในไดโอด ได้อีกช่ือหน่ึง ซ่ึงมีค่าเท่ากับ 0.7 V สาหรับซิลิคอนไดโอด จากกราฟในรูปท่ี 1.9 จะเห็นว่าถึงแม้ กระแสไฟฟ้าไบแอสตรงจะเปล่ียนแปลงไปมากก็ตาม แต่แรงดันที่ตกคร่อมไดโอดก็ยังอยู่ในระดับที่ เกือบจะคงท่ี นนั่ คอื ประมาณ 0.7 V สาหรับซลิ ิคอนไดโอด (Si) 0.3 V สาหรบั เยอรมนั เนยี 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 ษณะสมบัติของไดโอด สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลัง วิทยาลัยเทคนคิ ลพบรุ ี

10 ลักษณะของไดโอดเมื่อได้รับการไบแอสกลับ (Reverse Characteristics) ส่วนของกราฟ ส่วนล่างด้านซ้าย แสดงถึงกระแสไฟฟ้าย้อนกลับที่ไหลผ่านไดโอดเมื่อให้แรงดันไบแอสกลับ จากกราฟ จะเห็นว่าขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟต่อเข้ากับข้ัวแอโนด และข้ัวบวกต่อเข้ากับข้ัวแคโทด ดังน้ัน เม่ือป้อน แรงดันไบแอสกลับให้แก่ไดโอดก็จะทาให้กาแพงแรงดันของไดโอดเพ่ิมข้ึนจนกระท่ังมีขนาดเท่ากับ แรงดันของแหล่งจา่ ยไฟภายนอก ซง่ึ ในกรณีนีก้ ระแสไฟฟ้าทจี่ ะไหลผ่านไดโอดจงึ มีค่าน้อยหรือเกือบเป็น ศูนย์ ดังน้ัน ไดโอดจึงอยู่ในสภาวะปิด (OFF) หรือสวิตช์เปิดวงจรน่ันเอง กระแสไฟฟ้าย้อนกลับที่ไหล ผ่านไดโอดมคี า่ น้อยมาก (µA) เน่ืองจากกระแสไฟฟ้ารั่วไหล (Leakage Current) ที่เกิดขึน้ นมี้ ีค่านอ้ ยจึง ไม่นามาพิจารณา แต่ถ้าแรงดันย้อนกลับยังคงเพ่มิ ข้ึนจนกระท่ังถึงจุดพัง (Break Down) ของไดโอด ก็ จะทาให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าเพ่ิมขึ้นอย่างทันทีทันใด ซึ่งแรงดันไฟฟ้าท่ีทาให้เกิดการ เปลย่ี นแปลงของกระแสไฟฟา้ อยา่ งทันทีทันใดน้เี รียกว่า แรงดันพัง (Breakdown Voltage) 1.2.4 การดขู ั้วของไดโอด โดยปกติแล้วไดโอดถูกออกแบบให้มีรูปลักษณะท่ีแตกต่างกัน ซึ่งรูปลักษณะเช่นน้ีจะช่วย ป้องกันไม่ให้ไดโอดเสียหายงา่ ย สาหรับขนาดของไดโอดจะแสดงถึงอัตราทนกระแสไฟฟา้ ท่ีไดโอดยอม ให้ไหลผา่ นได้ ส่วนแถบคาดสีขาวทพี่ มิ พอ์ ยู่ทีข่ อบด้านใดด้านหนึ่ง จะแสดงถึงขัว้ แคโทด ดังแสดงในรูปที่ 1.10 สาหรับไดโอดขนาดใหญจ่ ะพมิ พส์ ัญลกั ษณข์ องไดโอดลงบนตวั อปุ กรณเ์ ลย สมพร บุญรนิ แผนกวชิ าช่างไฟฟา้ กาลัง วิทยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

แถบสีขาวจะอยู่ในตาแหน่งขั้ว 11 แคโทด (K) ข้ัวแคโทด (K) ข้วั แอโนด (A) รปู ท่ี 1.10 การดขู วั้ ไดโอด รูปที่ 1.11 แสดงใหเ้ หน็ ตวั ถังของไดโอดแบบตา่ ง ๆ 1.2.5 การเลือกไดโอดใช้งาน การที่เราจะนาไดโอดใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เราจะต้องคานึงถึงอัตราทนกระแสสูงสุด (Forward maximum current) ทไ่ี ดโอดสามารถทนไดโ้ ดยไม่เกดิ การเสียหายเมือ่ ไดร้ ับไบแอสตรง และ ค่าทนแรงดันไบแอสกลับสูงสุดของไดโอด PIV (Peak inverse voltage) หรือ PRV (Peak Reverse สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลงั วทิ ยาลัยเทคนิคลพบุรี

12 Voltage) ท่ีไดโอดสามารถทนได้โดยไม่เกิดการเสียหายเมื่อได้รับไบแอสกลับ ซ่ึงเราจะต้องเปิดดูจาก คมู่ ือของไดโอดเบอรน์ นั้ ๆ ยกตัวอยา่ ง ไดโอดเบอร์ 1N4000-1N4007 ดังรปู ท่ี 1.12 จากรปู ที่ 1.12 คุณสมบตั ิของไดโอดเบอร์ 1N4001 - คา่ ทนแรงดันไบแอสกลับสงู สุดของไดโอดสาหรับไฟฟา้ กระแสตรง 50V สาหรบั ค่า Vrms 35V - อัตราทนกระแสสูงสดุ 1A - อตั ราทนกระแสสงู สุดช่วั ขณะเวลา 8ms มคี า่ 30A - กระแสไบแอสกลบั 5 µA ถงึ 50 µA - แรงดันไบแอสตรงทก่ี ระแส 1A มีค่าเทา่ กบั 1V - อณุ หภมู ทิ ใ่ี ช้งาน –65 oC ถงึ 150 oC สว่ นเบอร์ 1N4002-1N4007 จะแตกต่างกนั ที่คา่ ทนแรงดนั ไบแอสกลับสูงสุดของ ไดโอด สว่ นค่าอืน่ ๆ เหมอื นกัน สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลงั วทิ ยาลัยเทคนิคลพบรุ ี

13 รปู ที่ 1.12 คมู่ อื ไดโอดเบอร์ 1N4000-1N4007 ทม่ี า : http://www.diodes.com 1.2.6 การวัดและทดสอบไดโอดด้วยมัลติมเิ ตอร์ 1.2.6.1 การวดั และทดสอบไดโอดด้วยมัลตมิ ิเตอร์แบบแอนะลอก สมพร บญุ รนิ แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลงั วทิ ยาลัยเทคนคิ ลพบรุ ี

14 α0 Ω x10 -+ วดั คา่ ความตา้ นทานได้ประมาณ 50-70 Ω α0 Ω x10 -+ วัดค่าความตา้ นทานได้ อินฟินิตี (∞) รูปท่ี 1.13 การวัดและทดสอบไดโอดดว้ ยมัลติมเิ ตอร์แบบแอนะลอกเมือ่ ไดโอดปกติ การวัดและทดสอบไดโอดวา่ ดีหรอื เสยี น้นั ทาได้โดยใชม้ ลั ตมิ ิเตอร์ตง้ั ย่านวัดคา่ ความต้านทาน Rx10 การวัดการขาดและการ ช็อต ของไดโอด ไดโอดสภาวะปกตจิ ะวัดด้วยโอห์มมเิ ตอร์ขึน้ คร้ังหนึง่ และไมข่ น้ึ ครงั้ หนงึ่ ถา้ หากการวดั ไดโอดโดยการสลบั สายวัดทัง้ สองครงั้ เขม็ มเิ ตอร์ข้นึ ชี้ 0 Ω ทงั้ สองครัง้ แสดงว่าไดโอดชอ็ ต ถ้าการวดั ไดโอดโดยการสลับสายวดั ทงั้ สองครง้ั เข็มมเิ ตอรไ์ ม่ขึ้นชท้ี ี่อนิ ฟนิ ติ ี (∞) ท้งั สองครง้ั แสดงวา่ ไดโอดขาด การวดั หาขวั้ ของไดโอด ใหใ้ ช้คร้ังทเ่ี ขม็ มิเตอร์ขึน้ สามารถสรุปผล จะไดว้ ่าข้ัวบวก (สายวดั ลบ) ภายในแบตเตอรี่ของโอห์มมเิ ตอรว์ ดั ที่ขว้ั ใด ขัว้ นนั้ คอื ข้ัวแอโนด (A) ขัว้ ลบ (สายวัดบวก) ภายใน แบตเตอร่ีของโอหม์ มเิ ตอร์วัดท่ีขว้ั ใด ขานัน้ คอื ข้วั แคโทด (K) การวดั ลีค(ร่วั ) และการเส่ือมของไดโอดจะตั้งย่านวดั ของโอหม์ มิเตอรท์ ย่ี า่ น Rx10k และวดั ไดโอดในสภาวะจา่ ยไบแอสกลับ คอื ขั้วลบ (สายวัดบวก) ของแบตเตอรภี่ ายในโอห์มมิเตอรว์ ัดท่ีขาแอโนด (A) ขั้วบวก (สายวดั ลบ) ของแบตเตอร่ภี ายในโอห์มมเิ ตอร์วัดขว้ั แคโทด (K) ถ้าเข็มมิเตอร์ไมข่ ึ้น ช้คี า่ ท่ี สมพร บญุ ริน แผนกวชิ าช่างไฟฟ้ากาลงั วิทยาลัยเทคนคิ ลพบุรี

15 อนิ ฟินติ ี (∞) แสดงว่าไดโอดปกติ แตถ่ ้าเขม็ มิเตอร์ขึ้นไม่วา่ มากหรือนอ้ ยก็ตาม แสดงวา่ ไดโอดลีค(รัว่ ) หรือเส่ือม 1.2.6.2 การวัดและทดสอบไดโอดด้วยมลั ติมิเตอร์แบบดจิ ิตอล ให้ต้ังย่านวัดไดโอด โดยวัดขั้วทั้งสองของไดโอดด้วยไบแอสตรง คือ ให้ขั้วไฟลบ (มิเตอร์ ดจิ ิตอล ขวั้ ไฟลบออกจากข้ัวลบของมิเตอร์) ของมิเตอรต์ ่อกบั แคโทดและขัว้ ไฟบวกของมิเตอร์ต่อกับขา แอโนด มิเตอร์จะแสดงค่าแรงดันตกคร่อมรอยต่อของไดโอด (แรงดันคัทอิน) โดยแสดงค่าแรงดัน 0.5-0.7 V ในไดโอดชนดิ ซลิ คิ อนและแสดงคา่ 0.2-0.4 V ในไดโอดชนิดเยอรมนั เนยี ม OL 0.60 -+ -+ รปู ท่ี 1.14 การวัดและทดสอบไดโอดดว้ ยมัลตมิ ิเตอรแ์ บบดิจิตอล สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลงั วิทยาลัยเทคนิคลพบุรี

16 สรุป - สารกึ่งตัวนาคือสารที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว ที่นิยมเอามาทาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือ ซิลคิ อนและเยอรมันเนียม สารกง่ึ ตัวนาไม่บริสุทธ์ิมี 2 ชนิดคือ ชนิด P (P-Type Semiconductor) และชนิด N (N-Type Semiconductor) - ไดโอดเปน็ อปุ กรณส์ ารกงึ่ ตัวนาทไี่ ด้จาการนาสารกึ่งตัวนาซลิ คิ อนหรือเยอรมนั เนียมไมบ่ ริสุทธิ์ ชนิด P และ N มาต่อกัน มีข้ัวใช้งานจานวน 2 ขั้ว คือข้ัวแอโนด (A) และขั้วแคโทด (K) การต่อวงจร ไดโอดสามารถจัดวงจรได้ 2 แบบ คอื 1. ไบแอสตรง (Forward Bias) การต่อวงจรแบบนจ้ี ะมีกระแสไหลผ่านไดโอด แรงดันไบแอสตรง มีขนาดมากกวา่ กาแพงแรงดันภายในของไดโอดซงึ่ ถ้าเปน็ ของซิลิคอนไดโอดจะมีค่าประมาณ 0.7 V และ ถ้าเป็นเยอรมนั เนียมไดโอดจะมีค่าประมาณ 0.3 V 2. ไบแอสกลับ (Reverse Bias) การตอ่ วงจรแบบนจ้ี ะไม่มีกระแสไหลผา่ นไดโอด - การท่ีเราจะนาไดโอดมาใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เราจะต้องคานึงถึงอัตราทนกระแส สูงสุดเม่ือไบแอสตรง และอัตราทนแรงดันไบแอสกลับสูงสุดของไดโอด (PIV) ซ่ึงจะต้องเปิดดูจากคู่มือ ของไดโอดเบอร์น้ัน ๆ สามารถค้นหาคู่มือของไดโอด (data sheet) ได้จากเว็บ search engine เช่น www.google.com เปน็ ต้น - การวัดและทดสอบไดโอดว่าดหี รือเสยี และหาข้วั ของไดโอดนั้นทาไดโ้ ดยใช้มัลติมเิ ตอร์ต้งั ย่าน วัดค่าความต้านทาน Rx10 ไดโอดสภาวะปกติจะวัดด้วยโอหม์ มเิ ตอรข์ ้ึนครง้ั หนง่ึ ถ้าเข็มมิเตอร์ขนึ้ ทั้ง 2 ครั้ง แสดงว่าไดโอดเสีย (ไดโอดลัดวงจร) และถ้าเข็มมิเตอร์ไมข่ ้ึนท้ัง 2 คร้ัง แสดงว่าไดโอดเสีย (ไดโอด ขาด) สมพร บุญริน แผนกวิชาช่างไฟฟ้ากาลงั วิทยาลัยเทคนคิ ลพบุรี

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