ปกเอกสารหน่วยที่1

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง ไดโอด นายนนทวฒั น์ ดีบา้ นโสก วทิ ยาลยั เทคนิคหนองคาย

ไดโอดคืออะไร ไดโอดเป็นวสั ดุสารก่ึงตวั นา ที่เราสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบตั ิการนาไฟฟ้าของมนั ได้ ปกติวสั ดุสาร ก่ึงตวั นาเป็นตวั นาไฟฟ้าท่ีเลว ถา้ เราใส่สารเจือปนเขา้ ไป เราสามารถควบคุมการนาไฟฟ้าใหม้ ากหรือนอ้ ย ได้ เราเรียกวธิ ีน้ีว่า การโดปปิ้ ง (doping)

ประเภทของไดโอด 1.1 ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode) 1.2 1.3 แอลอีดี (Light Emitting Diode ; LED) 1.4 โฟโตไดโอด (Photo Diode) 1.5 ไดโอดกาลงั (Power Diode) รูปร่างและสญั ลกั ษณ์ของไดโอด ลกั ษณะภายนอกไดโอดแบบต่างๆ 1. ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode) ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode) เป็นไดโอดชนิดหน่ึงมีโครงสร้างเหมอื นไดโอด คือประกอบข้ึนมา จากสารก่ึงตวั นา 2 ตอน ชนิด P และ N ขาแอโนด (A) และขาแคโถด (K) เช่นเดียวกบั ไดโอด ความแตกต่าง ของซีเนอร์ไดโอดที่แตกต่างไปจากไดโอดธรรมดาตรงขบวนการผลิตซีเนอร์ไดโอด การเติมสารเจือปนลง ไปในธาตุซิลิกอนมีจานวนนอ้ ยและจานวนมากกว่าปรกติ พร้อมกบั ขบวนการผลติ เฉพาะ จึงไดซ้ ีเนอร์ ไดโอดข้นึ มาใชง้ าน ซีเนอร์ไดโอดจะนาไปใชง้ านในช่วงไบอสั กลบั ท่ีค่าเบรคดาวน์ ที่เรียกวา่ ซีเนอร์ เบรคดาวน์ (Zener

Berakdown) ซ่ึงมกั จะเรียกว่าแรงดนั ซีเนอร์เบรคดาวน์ (Zener Berakdown Voltage) เป็นค่าแรงดนั ที่ ตวั ซีเนอร์ไดโอดทาการควบคุมใหค้ งทตี่ ลอดเวลา ไดโอดเปล่งแสง (light-emitting diode หรือย่อว่า LED) เป็นอปุ กรณ์สารก่ึงตวั นาอยา่ งหน่ึง จดั อยใู่ นจาพวก ได โอด ท่ีสามารถเปลง่ แสงในช่วงสเปกตรัมแคบ เมอ่ื ถูกไบอสั ทางไฟฟ้าในทิศทางไปขา้ งหนา้ ปรากฏการณน์ ้ี อยใู่ นรูป ของ electroluminescence สีของแสงท่ีเปล่งออกมาน้นั ข้นึ อยกู่ บั องคป์ ระกอบทางเคมขี องวสั ดุก่ึงตวั นาท่ีใช้ และเปลง่

แสงไดใ้ กลช้ ่วงอลั ตราไวโอเลต ช่วงแสงท่ีมองเห็น และช่วงอนิ ฟราเรด ผพู้ ฒั นาไดโอดเปล่งแสงข้ึนเป็นคน แรก คือ นิก โฮโลยกั (Nick Holonyak Jr.) (เกิด ค.ศ. 1928) แห่งบริษทั เจเนรัล อเิ ลก็ ทริก (General Electric Company) โดยได้ พฒั นาไดโอดเปลง่ แสงในช่วงแสงท่ีมองเห็น และสามารถใชง้ านไดใ้ นเชิงปฏบิ ตั ิเป็นคร้ังแรก เมอื่ ค.ศ. 196 ส่วนใหญ่หลอด LED ใชส้ าร อลูมิเนียมกลั เลยี ม อาร์เซไนล์ ( alumnium-gallium-arsenide ) ยอ่ เป็น AlGaAs เป็นสารก่ึงตวั นา ถา้ ยงั ไมไ่ ดใ้ ส่สารเจือปน พนั ธะในอะตอมจะเกาะกนั อยา่ งแขง็ แรง ไมม่ ี อิเลก็ ตรอนอสิ ระ ( ประจุไฟฟ้าลบ) หรือมีอยนู่ อ้ ย ดงั น้นั มนั จึงไมค่ ่อยจะนากระแส แต่เมอื่ ทาการ โดป โดยการเติมสารเจือปน ทาใหค้ วามสมดุลของวสั ดุเปลย่ี นไป เม่อื เราใส่สารเจือปนแลว้ ทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนอสิ ระในสารก่ึงตวั นาเพม่ิ ข้ึน เรียกว่าสารประกอบ ชนิด N ส่วนสารก่ึงตวั นาที่ใส่สารเจือปนแลว้ มีประจุไฟฟ้าบวกหรือมีหลุมและ โฮลเพิ่มข้ึน เรียกว่า สารประกอบชนิด P โฮล (hole) ในภาษาองั กฤษมคี วามหมายวา่ หลุม โดยเปรียบอิเลก็ ตรอนอสิ ระไดก้ บั ลูกหิน และปรจุบวกเป็นหลมุ หรือโฮล ที่ลกู หินจะไหลมาตกนน่ั เอง ไดโอดเกิดจากการนาสารก่ึงตวั นาชนิด N ติดเขา้ กบั สารก่ึงตวั นาชนิด P เช่ือมสายไฟเขา้ กบั ข้วั ไฟฟ้า ท้งั สอง เมือ่ ยงั ไม่มกี ารใหแ้ รงดนั ไฟฟ้า อเิ ลก็ ตรอนอิสระจาก N จะเคล่อื นท่ีขา้ มรอยต่อไปที่ P เกิดโซน ดีพลีชน่ั (depletion) ข้ึน โซนน้ีเปรียบเทียบไดก้ บั กาแพงป้องกนั การเคลื่อนที่ของอิเลก็ ตรอน ถา้ โซนน้ีมี ขนาดใหญ่ข้นึ การเคลื่อนท่ีของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระจะยากข้ึน และอาจทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนหยดุ การเคลอ่ื นที่ ได้ อยา่ งไรก็ตามถา้ ควบคุมใหโ้ ซนน้ีเลก็ ลง การเคลือ่ นทกี่ จ็ ะง่ายข้ึน

อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระจาก N เคล่ือนทข่ี ้ามรอยต่อไปลงหลมุ ท่ี P ทาให้เกดิ โซนดีพลชี ั่น เป็ นฉนวนก้นั การไหล ของอเิ ลก็ ตรอน เพอ่ื จะทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนสามารถเคลื่อนที่ผา่ นโซนน้ีไดง้ ่ายข้ึน เราตอ้ งทาใหโ้ ซนน้ีแคบลง โดยการต่อ ข้วั N ของไดโอดเขา้ กบั ข้วั ลบของแบตเตอร่ี และข้วั บวกเขา้ กบั ข้วั P ทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนอิสระใน N ถูกดนั ดว้ ยแรงดนั ทางไฟฟ้า ส่วนโฮลข้วั P จะถกู ดนั ดว้ ยแรงทางไฟฟ้าเช่นเดียวกนั ถา้ เราใหแ้ รงดนั ทางไฟฟ้า มากพอ โซนน้ีจะแคบจนหายไป และอิเลก็ ตรอนอิสระสามารถเคลอื่ นท่ีผา่ นรอยต่อไดอ้ ยา่ ง ง่ายดาย เหมอื นกบั ไมม่ ีแรงเสียดทาน หรือความตา้ นทาน เมื่อต่อข้ัวลบของแบตเข้ากบั N และข้ัวบวกเข้ากบั P ทาให้อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระสามารถเคล่ือนทไ่ี ด้อย่าง อสิ ระ เหมือนกบั ไม่มคี วามต้านทาน ในทางกลบั กนั ถา้ คณุ ต่อข้วั ลบเขา้ กบั P และข้วั บวกเขา้ กบั N การไหลของอเิ ลก็ ตรอนจะเป็นไปไดย้ าก เพราะการเคลอื่ นที่เป็นไปในทิศทางตรงกนั ขา้ ม โซนดีพลชี นั่ จะหนาข้ึน เป็นกาแพงก้นั การไหลของ กระแสไฟฟ้า

เม่ือต่อข้ัวบวกของแบตเข้ากบั N และข้ัวลบเข้ากบั P โซนดีพลชี ่นั มขี นาดกว้างขนึ้ อเิ ลก็ ตรอนและโฮลไม่ สามารถเคลอ่ื นทไ่ี ด้อย่างอสิ ระ การเคล่อื นที่ของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระและโฮล เป็นสาเหตุใหเ้ กิดแสงข้ึนแต่มนั เกิดข้ึนไดอ้ ยา่ งไรละ ในหนา้ ถดั ไปเรามาดูกนั ไดโอดให้แสงได้อย่างไร cแสงเกิดข้นึ จากพลงั งานที่ปลดปลอ่ ยจากอะตอม แสงเป็นโฟตรอนที่มพี ลงั งานและโมเมนตมั ดงั น้นั จึง เป็นอนุภาคชนิดหน่ึง แต่ว่าน่าแปลกท่ีนกั วิทยาศาสตร์บอกวา่ ไมม่ ีมวล ภายในอะตอม อิเลก็ ตรอนโคจรรอบนิวเคลยี ส และมวี งโคจรหลายวง แต่ละวงมพี ลงั งานแตกต่าง กนั วงนอกมพี ลงั งานมากกวา่ วงใน ถา้ อะตอมไดร้ ับพลงั งานจากภายนอก อเิ ลก็ ตรอนจะกระโดดจากวง โคจรในออกสู่วงโคจรนอก ในทางกลบั กนั ถา้ อเิ ลก็ ตรอนกระโดดจากวงโคจรนอกเขา้ สู่วงโคจรใน มนั จะปลดปลอ่ ยพลงั งานออกมา และพลงั งานน้ีก็คือแสงน้นั เอง ขณะท่ีอเิ ลก็ ตรอนเคล่ือนท่ีผา่ นรอยต่อไปที่โฮลของสาร P อิเลก็ ตรอนจะตกจากวงโคจรสูง หรือแถบนา ไฟฟ้า ไปสู่วงโคจรต่าหรือแถบวาเลนซ์ มนั จะปลดปลอ่ ยพลงั งานออกมาในรูปของ โฟตรอน ปรากฎการณ์น้ีเกิดข้นึ กบั ไดโอดทกุ ชนิด แต่คณุ สามารถเห็นแสงไดก้ ็ต่อเม่อื ความถีข่ อง พลงั งานอยใู่ นช่วงความถ่ที ี่ตามองเห็นได้ ดงั เช่นไดโอดทที่ าจากซิลคิ อน ซ่ึงมชี ่วงของแถบพลงั งาน แคบ ทาใหไ้ ดโ้ ฟตรอนความถีต่ ่า เป็นความถ่ที ่ีตามองเห็นได้ อยา่ งไรก็ตาม ความถี่ท่ีตามองไมเ่ ห็นกม็ ี ประโยชนไ์ ม่นอ้ ย ยกตวั อยา่ งเช่น ช่วงอินฟาเรด สามารถนาไปใชใ้ นเคร่ืองควบคุมระยะไกลหรือรีโมท คอนโทรล เป็นตน้

visible light-emitting dioded (VLEDS) หรือหลอด LED ท่ใี ห้กาเนดิ แสงในช่วงที่ตามองเห็น ใน รูปภาพคณุ สามารถใช้เมาส์คลกิ ดกู ารกาเนดิ ของแสงได้ เมอ่ื ไดโอดใหแ้ สงออกมาแลว้ ถา้ เราไมค่ วบคุมทิศทาง แสงจะกระจดั กระจาย และว่ิงออกมาอยา่ งไม่ เป็นระเบียบ ทาใหค้ วามเขม้ ของแสงนอ้ ยลง ดงั น้นั ในหลอด LED เราจะใชพ้ ลาสติกหุม้ และเอียงใหแ้ สง สามารถสะทอ้ นออกไปยงั ตาแหน่งที่ตอ้ งการได้ ควบคมุ ทิศทางของแสงในหลอด LED http://www.rmutphysics.com/charud/howstuffwork/led/thaiLED1.htm