ใบความรู้หน่วยที่ 1 สายกึ่งตัวนำและไดโอด

1 หน่วยท่ี 1 สารกึง่ ตัวนาและไดโอดในปัจจบุ นั อุตสาหกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์พ่ึงพาวสั ดุสารก่ึงตวั นาในการสร้างอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์แทนการใช้อุปกรณ์ท่ีใชห้ ลกั การของหลอดสุญญากาศ ทาใหอ้ ุปกรณ์ท่ีไดม้ ีขนาดเลก็ ลงและมีน้าหนกั เบา ไม่ตอ้ งใชค้ วามร้อนในการอุ่นไสห้ ลอด มีความทนทานทางกล ในบทน้ีจะกล่าวถึงหลกั การของสารก่ึงตวั นาเบ้ืองตน้ รวมถึงไดโอดซ่ึงอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์พ้ืนฐาน1.1 สารกง่ึ ตวั นา (Semiconductor)สารก่ึงตวั นาเป็ นธาตทุ ่ีมีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าระหวา่ งตวั นาไฟฟ้า(Conductor) และฉนวนไฟฟ้า (Insulator)ซ่ึงเราสามารถแบ่งแยกไดโ้ ดยใชค้ า่ ความนาจาเพาะ (Resistivity; ρ) ซ่ึงหาไดจ้ ากการวดั ค่าความตา้ นทาน Rของวสั ดุท่ีมขี นาด 1 ลูกบาศกเ์ ซนติเมตร ดงั รูปท่ี 2.1 เน่ืองจาก   RA , Ω-cm (2.1)ดงั น้นั จะไดว้ า่ l R   l   (1cm)  , A (1cm2 ) R 1 cm A = 1 cm2 l = 1 cm รูปท่ี 1.1สารก่ึงตวั นาท่ีนิยมใชไ้ ดแ้ ก่ธาตุ เยอร์มนั เนียม (Germanium; Ge) และซิลิกอน (Silicon; Si) ตารางท่ี 2.1เป็ นการเปรียบเทียบความตา้ นทานจาเพาะของสารก่ึงตวั กบั ตวั นาและฉนวนที่ดีเยย่ี 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 มาสร้างอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์มีเหตุผลสาคญั สองประการ 1. สามารถนาไปผา่ นกระบวนการใหม้ ีความบริสุทธ์ิสูงซ่ึงควรมีความบริสุทธ์ิข้นั ต่า 99.9999999 เปอร์เซ็นต์ (9N) ซ่ึงปัจจบุ นั สามารถทา Si ไดบ้ ริสุทธ์ิถึง 10N 2. สามารถเปล่ียนแปลงคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าดว้ ยความร้อนหรือแสงสวา่ ง จึงเหมาะที่นาไปสร้างอุปกรณ์ อิเลก็ ทรอนิกส์ที่ไวตอ่ ความร้อนและแสงสวา่ ง

2 (ก) (ข) รูปที่ 1.2 (ก) อะตอม Si และ (ข) อะตอม Cuรูปท่ี 1.2 เป็นภาพจาลองอะตอมอยา่ งง่ายของ Si และ Cu ซ่ึงจะเห็นไดว้ า่ อะตอมของ Si มีอิเลก็ ตรอนท่ีวงนอกสุดหรือ วาเลนตอ์ ิเลก็ ตรอนจานวน 4 ตวั การที่อะตอมจะเสถียรไดอ้ ะตอมจะใชอ้ ิเลก็ ตรอนร่วมกบัอะตอม Si ที่อยขู่ า้ งเคียงซ่ึงเรียกวา่ พนั ธะโควาเลนต์ ซ่ึงแสดงไวใ้ นรูปท่ี 2.3 รูปท่ี 1.3 ภาพจาลองพนั ธะโควาเลนตข์ องอะตอม Si หน่ึงอะตอม1.2 ระดบั พลงั งาน (Energy Levels)อิเลก็ ตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมจะแบ่งเป็ นช้นั ๆ โดยในแตล่ ะช้นั จะมีระดบั พลงั งานแตกต่างกนัโดยอิเลก็ ตรอนที่มีวงจรโคจรที่ห่างจากนิวเคลียสเท่าใด ก็ยง่ิ มีระดบั พลงั งานสูงข้ึน รูปท่ี 2.4 เป็ นภาพจาลองแถบพลงั งานของอิเลก็ ตรอนรอบๆนิวเคลียสของอะตอมความแตกต่างของระดบั พลงั ท่ีทาใหว้ าเลนซ์อิเลก็ ตรอนหลุดจากวงโคจร 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) เม่ือวาเลนตอ์ ิเลก็ ตรอนไดร้ ับพลงั งานจากความร้อนหรือแสงสวา่ ง จะมีระดบั พลงั งานสูงกวา่ Eg กจ็ ะเขา้ สู่ระดบั พลงั งานนากระแสสาหรับวสั ดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้าจะมี Eg มากกวา่ 5 eV ส่วนวสั ดุที่เป็นตวั นาจะมีแถบพลงั งานนากระแสซอ้ นทบั กบั แถบพลงั งานวาเลนซ์

3 รูปท่ี 1.41.3 สารกงึ่ ตวั นาชนิด n และpคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าของสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิสามารถเปลี่ยนแปลงไดด้ ว้ ยการเจือสารท่ีไม่บริสุทธ์ิลงไป ซ่ึงเราเรียกวา่ การโดป (Doping) การเจือสารเจือปนเพียงเลก็ นอ้ ย จะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแถบพลงั งานเป็ นอยา่ งมาก (ก) (ข) รูปที่ 1.51.3.1 สารก่ึงตวั นาชนิด n (n-type Semiconductor)สารก่ึงตวั นาชนิด n ไดจ้ ากการเติมสารเจือท่ีเป็ 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 กิดวาเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอนที่ไม่มีคูท่ ี่อะตอมของสารเจือ อิเลก็ ตรอนที่ไม่มีคนู่ ้ี เม่ือไดร้ บั พลงั งานเพยี งเลก็ นอ้ ย กพ็ ร้อมที่จะเป็นอิเลก็ ตรอนอิสระท่ีนาไฟฟ้าได้ สารก่ึงตวั นาชนิด n มีสภาพทางไฟฟ้าเป็ นลบ (Negative)

41.3.2 สารก่ึงตวั นาชนิด p (p-type Semiconductor)ส่วนสารก่ึงตวั นาชนิด p จะไดจ้ ากการเติมสารเจือท่ีเป็ นธาตหุ มู่ 3 ที่มีวาเลนซอ์ ิเลก็ ตรอน 3 ตวั ไดแ้ ก่โบรอน B, แกลเลี่ยม Ga หรือ อินเดี่ยม In เป็ นตน้ ลงใน Ge หรือ Si บริสุทธ์ิรูปท่ี 2.5 ข แสดงใหเ้ ห็นวา่ การเติมสารเจือท่ีเป็ นธาตหุ มู่ 3 (โบรอน) ทาใหข้ าดวาเลนซ์อิเลก็ ตรอนไปหน่ึงตวั เกิดเป็ นช่องวา่ ง หรือ โฮล (Hole) ซ่ึงมีสมบตั ิทางไฟฟ้าเป็ นบวก (Positive)1.4 พาหะข้างมากและพาหะข้างน้อยการเจือสารเจือหมู่ 5 ลงในสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิไม่เพยี งทาใหเ้ 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 1.2ชนิด พาหะขา้ งมาก พาหะขา้ งนอ้ ยp-type Semiconductor โฮล อิเลก็ ตรอนn-type Semiconductor อิเลก็ ตรอน โฮล1.5 รอยต่อ p-n (p-n Junction)สารก่ึงตวั นา p-type หรือ n-type เพียงอยา่ งหน่ึงอยา่ งใด จะมีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าเป็ นความตา้ นทานไฟฟ้า แต่หากเราสามารถสร้างรอยตอ่ ระหวา่ งสารก่ึงตวั นาชนิด p และ n ได้ อิเลก็ ตรอนใน สารก่ึงตวั นา n-type จะแพร่ขา้ มรอยต่อไปรวมกบั โฮลใน p-type จบั เป็ นพนั ธะที่ไม่มีพาหะนาไฟฟ้าหากพิจารณาคร่าวๆ ที่ความเขม้ ขน้ ของสารเจือที่เท่ากนั ก็อาจจะคิดวา่ อิเลก็ ตรอนจะรวมกบั โฮลจนหมดสิ้นและทาใหไ้ ม่พาหะนาไฟฟ้าตลอดท้งั เน้ือสาร ในความเป็ นจริง จะพบวา่ ไมเ่ ป็ นเช่นน้นั เนื่องจากอะตอมสารเจือ หมู่ 5 ในสารก่ึงตวั นา n-type เมื่อไมม่ ีอิเลก็ ตรอนใกลๆ้ ก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้า บวก และอะตอมสารเจือ หมู่ 3 ในสารก่ึงตวั นา p-type เม่ือไม่มีโฮลก็จะแสดงอานาจประจุไฟฟ้าเป็นลบ จะสงั เกตไดว้ า่ เกิดกาแพงสนามไฟฟ้า ขดั ขวางไม่ใหอ้ ิเลก็ ตรอนขา้ มรอยตอ่ ไปรวมกบั โฮล รูปท่ี 1.6 ภาพแสดงการเกิดบริเวณปลอดพาหะ

5การรวมตวั ของอิเลก็ ตรอนกบั โฮลจนไมม่ ีพาหะนาไฟฟ้า (จึงไมน่ าไฟฟ้า) จะเกิดเฉพาะตรงบริเวณใกลๆ้รอยตอ่ เท่าน้นั บริเวณท่ีเกิดการรวมตวั น้ีเรียกวา่ บริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) ดงั ในรูปที่ 2.6โดยความกวา้ งของบริเวณปลอดพาหะในสภาพไร้สนามไฟฟ้าจากภายนอก จะข้ึนกบั ความเขม้ ขน้ ของสารเจือ และอณุ หภูมิ1.6 การไบอสัการไบอสั เป็ นการป้อนแรงดนั ไฟฟ้าใหก้ บั อุปกรณ์เพื่อใหท้ างานตามท่ีผอู้ อกแบบตอ้ งการ โดยการไบอสัรอยตอ่ p-n เป็ นการป้อนสนามไฟฟ้าภายนอกใหแ้ ก่รอยต่อ ซ่ึงมีผลตอ่ บริเวณปลอดพาหะ ซ่ึงสามารถทาได้สองแบบ คือ การไบอสั ตรง (Forward Bias)และการไบอสั กลบั (Reverse Bias) รูปท่ี 1.7 การไบอสั ตรงแก่รอยตอ่ p-n รูปท่ี 1.8 การไบอสั กลบั แก่รอยตอ่ p-nรูปที่ 2.7 แสดงการไบอสั ตรงแกร่ อยตอ่ 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 นรอยต่อได้ ซ่ึงศกั ยไ์ ฟฟ้าท่ีรอยต่อของรอยต่อ p-n ท่ีสร้างจาก Ge มีคา่ ประมาณ 0.3V และ Si จะมีค่าประมาณ 0.7 V ที่ 25 องศาเซลเซียสรูปท่ี 2.8 แสดงการไบอสั กลบั แก่รอยตอ่ p-n โดยป้อนศกั ยบ์ วกแก่สารก่ึงตวั นา n-type และศกั ยล์ บใหก้ บัสารก่ึงตวั นา p-type ซ่ึงจะดึงดดู ใหพ้ าหะขา้ งมากเขา้ หาศกั ยไ์ ฟฟ้าที่ป้อน จึงทาใหบ้ ริเวณปลอดพาหะกวา้ งยง่ิ ข้ึน อน่ึงการไบอสั กลบั น้ีไม่ขดั ขวางการเคล่ือนที่ของพาหะขา้ งนอ้ ย

6 รูปที่ 1.9 กราฟคุณสมบตั ิแรงดนั -กระแสของรอย p-n1.7 คุณสมบัติ V-I ของรอยต่อ p-nรูปท่ี 2.9 เป็นกราฟ V-I ของรอยตอ่ p-n ท่ีสร้างจาก Si จะสงั เกตไดว้ า่ เมื่อแรงดนั ไบอสั ตรง VF มีค่าเป็นบวกประมาณ 0.7 โวลตก์ ระแสไฟฟ้าสามารถไหลผา่ นไดโอดไดอ้ ยา่ งสะดวก เม่ือพิจารณาความชนั ของเสน้ กราฟจะพบวา่ มีความตา้ นทานต่าแตเ่ มื่อแรงดนั ไบอสั ตรงต่ากวา่ 0.7 โวลตก์ ระแสจะไหลผา่ นรอยตอ่ นอ้ ยมาก หากแรงดนั ตกคร่อมรอยตอ่ มี่คา่ นอ้ ยกวา่ ศูนยจ์ ะเป็นการใหไ้ บอสั กลบั กระแสท่ีไหลผา่ นจะเกิดจากพาหะขา้ งนอ้ ย เม่ือพิจารณาความชนั จะพบวา่ มีความตา้ นทานสูงมาก แตเ่ มื่อใหแ้ รงดนั ไบอสั กลบั มีค่าต่ามากจนถึงจดุ หน่ึงจะพบวา่ จะมีกระแสไฟฟ้าผา่ นรอยต่อเป็ นจานวนมาก เราเรียกแรงดนั ที่จุดน้ีวา่ แรงดนั พงั ทลาย (Break down Voltage; VBR)ผลของอณุ หภมู ิมีผลตอ่ รอยตอ่ ดงั น้ี เมื่ออณุ หภมู ิเพิม่ ข้ึน แรงดนั ตกคร่อมรอยต่อขณะไบอสั ตรง และแรงดนัพงั ทลาย VBRขณะไบอสั กลบั มีคา่ ลดลง กระแสร่ัวในกรณีท่ี VBR<V<VF จะเพ่มิ สูงข้ึน1.8 ไดโอดไดโอดเป็ นอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ท่ีมี 2 ขา ซ่ึงมีลกั ษณะพิเศษคือ กระแสไหลผา่ นไดใ้ นทิศทางเดียว ซ่ึงจากคุณสมบตั ิพิเศษน้ี จึงสามารถนาไดโอดมาใชเ้ ป็ นตวั แปลงไฟฟ้ากระแสสลบั เป็ นกระแสตรง วงจรในภาครับของวทิ ยุ เป็ นตน้1.8.1โครงสร้างและสญั ลกั ษณ์ของไดโอดไดโอดสามารถไดจ้ ากรอยต่อ p-n โดยการดึงขาที่ p-type เป็ นขาแอโนด (Anode; A)และ n-typeเป็ นขาแคโธด (Cathode; K) สญั ลกั ษณ์จะใชล้ กู ศรแทนขาแอโนด โดยทิศทางของลูกศรเป็นทิศทางการไหลของกระแสสมมุติ (ตรงขา้ มกลบั ทิศทางการไหลของอิเลก็ ตรอน) และใชข้ ดี แทนขาแคโธด

7 รูปที่ 1.10 โครงสร้างอยา่ งง่ายและสญั ลกั ษณ์ของไดโอด1.8.2 ไดโอดอดุ มคติเพ่ือใหง้ ่ายตอ่ การวเิ คราะห์การทางานของอปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์ เราสามารถใชแ้ บบจาลองซ่ึงเป็นวงจรไฟฟ้าแบบพ้ืนฐานมาแทนการทางานของอปุ กรณ์ที่เราพจิ ารณาอยู่ รูปที่ 2.11 เป็ นภาพแสดงการไบอสัไดโอดท้งั แบบไบอสั ตรงและไบอสั กลบั รูปท่ี 2.12 ก แสดงการสวติ ชป์ ิ ดวงจรแทนไดโอดเมื่อไดร้ บั ไบอสัตรงและรูปที่ 2.12 ข ใชส้ วติ ชเ์ ปิ ดวงจรแทนไดโอดเมื่อไดร้ บั ไบอสั กลบั (ก) (ข) รูปท่ี 1.11 ก. วงจรไดโอดแบบไบอสั ตรงและ ข. แบบไบอสั กลบั (ก) (ข)รูปที่ 1.12 ก. การสวติ ชป์ ิ ดวงจรแทนไดโอดและ ข. การใชส้ วติ ชเ์ ปิ ดวงจรแทนไดโอด สาหรบั รูปที่ 2.11

8รูปท่ี 1.13 เป็ นกราฟ V-I ของไดโอดอดุ มคติ ซ่ึงจะเห็นไดว้ า่ ไดโอดอดุ มคติไมม่ ีแรงดนั ตกคร่อมและความตา้ นทานเป็ นศูนยเ์ มื่อไบอสั ตรงและ ไดโอดอุดมคติมีกระแสร่ัวไหลเป็ นศูนยแ์ ละความตา้ นทานเป็ นอนนั ตเ์ ม่ือไดร้ ับไบอสั กลบั รูปท่ี 2.13 คุณสมบตั ิ V-I ของไดโอดอุดมคติ1.8.3 แบบจาลองไดโอดในทางปฏิบตั ิในทางปฏิบตั ิเราสามารถพจิ ารณาไดโอดใหใ้ กลเ้ คียงยง่ิ ข้ึนดว้ ยการคานึงถึงแรงดนั ตกคร่อมไดโอดขณะไบอสั ตรงโดยการแทนแรงดนั ตรงคร่อมดว้ ยสญั ลกั ษณ์แหล่งกาเนิดแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรง VF ดงั รูปที่ 2.14 ซ่ึงจะใชค้ ่าแรงดนั 0.3 V สาหรับไดโอดที่ทาจาก Ge และ 0.7 V สาหรับไดโอดที่ทาจาก Siรูปที่ 1.15 แสดงกราฟคุณสมบตั ิ V-I ของซิลิกอนไดโอดรูปที่ 2.14 แบบจาลองไดโอดในทางปฏิบตั ิอยา่ งง่าย IFVR 0.7 V VFรูปที่ 1.15 คุณสมบตั ิ V-I ของแบบจาลองอยา่ งง่ายของซิลิกอนไดโอด

91.8.4 รูปร่างของไดโอดรูปท่ี 2.16 แสดงใหเ้ ห็นตวั ถงั ของไดโอดโดยทว่ั ไป ซ่ึงมีอยหู่ ลายแบบ ข้นึ กบั ชนิด พกิ ดั กาลงั ไฟฟ้า ตวั ถงัของไดโอดบางชนิดสามารถสงั เกตขาแคโธดไดง้ ่ายๆจากขดี ท่ีแตม้ ไว้ รูปท่ี 1.16