อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หน่วย1

หนว่ ยที่ 1 สารกง่ึ ตวั นาและไดโอด วชิ า อปุ กรณ์อเิ ล็กทรอนิกส์ รหัสวชิ า 2105-2002 สันติภาพ มะสะ แผนกวชิ าช่างอิเลก็ ทรอนกิ ส์

1.1 อะตอม สสารหรือธาตุต่างๆ ทง้ั ท่ีอยู่ในสภาวะของแข็ง ของเหลว และกา๊ ซ จะประกอบด้วยโมเลกลุ หลายๆ ตัวรวมกัน โดยแตล่ ะโมเลกลุจะประกอบด้วย อะตอมหลายๆ ตัวรวมกนั ซงึ่ อะตอม จะประกอบด้วยอนุภาคยอ่ ยๆ อีกชน้ั หนง่ึ โครงสร้างของอะตอม อะตอม จะประกอบด้วยนิวเคลียส ซ่งึ จะอยเู่ ปน็ แกนกลางของอะตอม และมีอเิ ลก็ ตรอนวิ่งโคจรรอบๆนิวเคลยี ส โดยปกติอะตอมของธาตุตา่ งๆจะเปน็ กลางทางไฟฟา้ ในธาตุเดยี วกัน ภายในนิวเคลียส จะประกอบดว้ ยโปรตรอนและนิวตรอน ซึ่งจะมีจานวนเทา่ ๆ กัน อยูร่ วมกนั โดยโปรตรอนจะมปี ระจเุ ป็นบวกส่วนนวิ ตรอน จะมีสภาวะเป็นกลางทางไฟฟา้ สว่ นอิเลก็ ตรอน จะมจี านวนเทา่ กับโปรตรอนและนวิ ตรอน โดยมีประจุเป็นลบ ซง่ึ จะวงิ่ โคจรรอบๆ นวิ เคลยี ส ภาพท่ี 1-1 โครงสร้างของอะตอม ทม่ี าของภาพ :http://khmmew.blogspot.com/2017/12/blog-post_20.html

1.2 วงโคจรของอเิ ล็กตรอน วงโคจรของอเิ ลก็ ตรอนทอ่ี ยู่ห่างจากนิวเคลยี ส จะกากับดว้ ยตวั อักษรภาษาอังกฤษ ซง่ึ วงในสดุ ทตี่ ดิ กบั นวิ เคลยี ส จะนับเป็นวงแรก คือ วง K และวงโคจรที่อยหู่ ่างออกไปเรอื่ ยๆวงโคจรถัดไปจะเป็นวง L , M , N , O , P และ Q ตามลาดับ ซง่ึ สสารหรอื ธาตุต่างๆ จะมจี านวนวงโคจรแตกตา่ งกนั อเิ ลก็ ตรอนทวี่ ิง่ โคจรรอบๆ นิวเคลยี สจะว่ิงเป็นวงๆโดยในแต่ละวงจะมีจานวนอเิ ลก็ ตรอนบรรจุอยู่ไมเ่ ท่ากนั เรียงลาดับจากนอ้ ย(วงในสุด) ไปหามากแต่ละวงสามารถบรรจจุ านวนอิเล็กตรอนได้ตามสตู ร 2N2 โดย N คือ ลาดบั ของวงโคจรทีห่ ่างจากนิวเคลยี ส ภาพท่ี 1-2 ตารางธาตุ ท่ีมาของภาพ: http://www.vcharkarn.com/varticle/500208

ดังนั้น จานวนวาเลนเซลลแ์ ละวาเลนซอ์ เิ ล็กตรอนในธาตุแต่ละชนิดจะมีจานวนไม่เทา่ กนั เนื่องจากอะตอมของธาตแุ ต่ละชนิดมจี านวนอเิ ล็กตรอนมากน้อยแตกตา่ งกนั และมขี ้อจากดั ในการบรรจุอิเลก็ ตรอนในวงโคจร วงนอกสุดได้ ไม่เกิน 8 ตัว แตอ่ ิเลก็ ตรอนวงนอกสุดจะอยวู่ งใดก็ไดไ้ มจ่ าเป็นตอ้ งอยทู่ ว่ี ง Q เท่าน้นั วงท่ีถูกบรรจุอิเลก็ ตรอนวงสดุ ทา้ ยของธาตุนัน้ เรยี กว่า วาเลนซ์เซลล์ ส่วนอเิ ลก็ ตรอนท่ีบรรจอุ ยบู่ นวงนอกสุด จะเรยี กว่า วาเลนซ์อเิ ล็กตรอน ซง่ึ สามารถสรปุ จานวนในแตล่ ะวง ดังนี้ วง K (วงที่ 1) จะมจี านวนอิเลก็ ตรอนสูงสุดเท่ากับ 2N2 เมื่อ N = 1 ; = 2(1)2 = 2 ตัว วง L (วงท่ี 2) จะมีจานวนอิเล็กตรอนสงู สุดเทา่ กับ 2N2 เมอ่ื N = 2 ; = 2(2)2 = 8 ตวั วง M (วงที่ 3) จะมีจานวนอิเล็กตรอนสงู สดุ เท่ากับ 2N2 เมื่อ N = 3 ; = 2(3)2 = 18 ตัว วง N (วงที่ 4) จะมจี านวนอเิ ล็กตรอนสงู สุดเทา่ กับ 2N2 เม่ือ N = 4 ; = 2(4)2 = 32 ตัว วง O (วงท่ี 5) จะมีจานวนอเิ ล็กตรอนสูงสดุ เทา่ กับ 2N2 เมอื่ N = 5 ; = 2(5)2 = 50 ตัว

โดยตั้งแต่ วงที่ 5 (วง O) เป็นต้นไปจะมจี านวนอิเล็กตรอนท่ีบรรจุลงไปจะไมเ่ ต็มจานวนตามสตู รที่คานวณได้ ภาพที่ 1-3 วงโคจรของอเิ ลก็ ตรอน

ตัวอย่างการจดั เรียงโครงสรา้ งอเิ ล็กตรอนของอะตอมโซเดียม (Na)ซง่ึ มจี านวนอิเล็กตรอนทัง้ หมด 11 ตัว โดยอิเลก็ ตรอนจะถกู บรรจุอยู่ที่ ชน้ั ที่ 1 จานวน 2 ตวั ชั้นที่ 2 จานวน 8 ตัว และ ชัน้ ท่ี 3 จานวน 1 ตัว ดงั นัน้ โซเดียมจะมจี านวนวงโคจรท้งั หมด 3 วง ภาพท่ี 1-4 การจัดโครงสร้างอเิ ล็กตรอนของอะตอมโซเดียม

1.3 คณุ สมบตั ิทางไฟฟ้าของสสาร วาเลนซ์อิเลก็ ตรอนหรืออเิ ล็กตรอนทีอ่ ยู่บนวงนอกสดุ เปน็ ตัวทบ่ี ่งบอกคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสสารหรือธาตุต่างๆ ซึ่งสามารถแบ่งออกได้ 3 ชนิด โดยจะกาหนดจากสสารหรือธาตุทม่ี จี านวนวาเลนซ์อเิ ลก็ ตรอน ดงั นี้คือ 1) ตวั นาไฟฟ้า (Conductor) จะมีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 1–3 ตวั 2) กงึ่ ตัวนา (Semi Conductor) จะมวี าเลนซ์อเิ ล็กตรอน 4 ตวั 3) ฉนวนไฟฟา้ (Insulator) จะมวี าเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอน 5–8 ตวั1.3.1 ตัวนาไฟฟา้ (Conductor) คือ ธาตุท่มี จี านวนวาเลนซ์อเิ ล็กตรอน 1–3 ตวั ซง่ึ อิเลก็ ตรอนจะสามารถหลดุ ออกจากอะตอมได้งา่ ย เม่ือมีพลงั งานหรือแรงมากระทาเพยี งเล็กน้อย คุณสมบัติของตัวนาไฟฟ้า คอื สามารถนากระแสไฟฟ้าได้ดี ซ่ึงธาตุท่เี ป็นตวั นาไฟฟ้า ไดแ้ ก่ เงิน ทองแดง ทองคา อลมู เิ นียม เหล็กสังกะสี

1.3.2 ก่ึงตวั นาไฟฟา้ (Semi-Conductor) คือ ธาตทุ ม่ี ีจานวนวาเลนซอ์ เิ ล็กตรอน 4 ตัวพอดี คุณสมบัติก่ึงกลางระหวา่ งตัวนาไฟฟา้ และฉนวนไฟฟ้าธาตุท่ีเปน็ ก่ึงตัวนาไฟฟ้า ไดแ้ ก่ คารบ์ อน ตะกวั่ ดบี กุ แตธ่ าตบุ างชนิดทน่ี ิยมนาไปผลิตเปน็ อุปกรณ์อิเล็กทรอนกิ ส์ตา่ งๆมี 2 ชนิดไดแ้ ก่ ซิลกิ อน (Si) และเยอรมนั เนยี่ ม (Ge) Si Ge ภาพที่ 1-5 โครงสร้างอะตอมของซิลกิ อนและเยอรมันเนย่ี ม1.3.3 ฉนวนไฟฟ้า (Insulator) คือ ธาตุทม่ี จี านวนวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5–8 ตวั ซ่งึ อิเลก็ ตรอนจะหลดุ ออกจากอะตอมไดย้ ากจะต้องใช้พลงั งานสูงมากๆมากระทาเพอื่ ให้อเิ ล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรได้ คุณสมบตั ิของฉนวนไฟฟ้า คือ กระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นได้ยาก มีค่าความต้านทานไฟฟ้าสงู มากธาตุท่เี ปน็ ฉนวนไฟฟา้ ไดแ้ ก่ ไมกา้แก้ว พลาสตกิ ไม้แห้ง

1.4 สารกึง่ ตัวนา ธาตุหรอื สสารทีม่ คี ุณสมบตั ิทางไฟฟ้าเปน็ ก่งึ ตัวนาไฟฟา้ จะไม่สามารถนามาเป็นตัวนาไฟฟา้ ทีด่ ีได้และไม่สามารถนาไปเปน็ ฉนวนไฟฟา้ ทีด่ ดี ว้ ยเชน่ กัน แต่สามารถนาไปใช้ประโยชน์ เปน็ อปุ กรณ์สารกง่ึ ตวั นาได้ โดยผ่านกระบวนการโดป๊ สารหรือการเจอื ปนสาร(Doping) เพ่ือใหเ้ กิดสารกงึ่ ตัวนาชนิดใหม่ขึน้ มา ไดแ้ ก่ สารกึ่งตัวนาชนิดพแี ละสารกงึ่ ตัวนาชนิดเอน็สารกง่ึ ตัวนาบรสิ ุทธิ์ คือ ธาตุกึ่งตัวนาทย่ี งั ไมไ่ ด้เติมสารเจอื ปนใดๆลงไปธาตุกึง่ ตัวนาทนี่ ยิ ม นามาทาเปน็ สารกึ่งตวั นาในการผลิตอุปกรณ์อเิ ล็กทรอนกิ ส์ไดแ้ ก่ ซลิ ิกอน (Si) และเยอรมนั เน่ยี ม (Ge) ซ่งึ ธาตุทง้ั 2 ชนิด จะมีวาเลนซอ์ ิเลก็ ตรอน 4 ตวั แต่จานวนอเิ ลก็ ตรอนท้ังหมดจะไมเ่ ท่ากันสารกึง่ ตัวนาไม่บริสทุ ธ์ิ คือ การนาธาตกุ งึ่ ตวั นาซิลกิ อนหรอื เยอรมันเน่ยี มมาเติมธาตุเจือปนลงไป โดยใชธ้ าตุเจือปนที่มวี าเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอน3 ตวั หรือ5 ตัว ในอตั ราส่วน 108 : 1 ซ่ึง หมายถงึ ธาตุกึ่งตวั นาบริสุทธิ์ 108 ส่วนตอ่ สารเจอื ปน 1 ส่วนจะทาให้ไดส้ ารกงึ่ ตัวนาชนิดใหม่ คือ สารกึ่งตวั นาชนิดเอ็น (N-type)กับ สารกึ่งตวั นาชนดิ พี (P-type)

สารกง่ึ ตวั นาชนดิ เอน็ คอื สารกง่ึ ตัวนาท่ีได้นาธาตกุ ึ่งตัวนาซลิ กิ อนหรอื เยอรมันเน่ยี มมาเตมิ สารเจือปนทมี่ ีวาเลนซอ์ เิ ล็กตรอน 5 ตัวเช่น ฟอสฟอรสั (P)และ อาเซนคิ (As) อยา่ งใดอยา่ งหนึง่ จะทาใหว้ าเลนซ์อิเลก็ ตรอนแต่ละอะตอม เกดิ การแลกเปลี่ยนอเิ ลก็ ตรอนซง่ึ กันและกนั หรือใช้อิเลก็ ตรอนรว่ มกนั ได้ครบ ทัง้ 8 ตัว ทาใหเ้ หลอื จานวนอเิ ล็กตรอนอีก 1 ตัว ทไี่ ม่สามารถจบั ตวั กับอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมขา้ งเคยี งได้เรียกอเิ ลก็ ตรอนตัวนีว้ ่า อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ (Free Electron) โดยจะแสดงประจลุ บออกมา ภาพที่ 1-6 โครงสร้างการจับตัวของอเิ ลก็ ตรอนวงนอกสุด ระหวา่ งซลิ ิกอนกับฟอสฟอรสั

สารกงึ่ ตวั นาชนิดพี คือ สารกึ่งตัวนาที่ไดจ้ าการนาธาตกุ ึ่งตวั นาซลิ ิกอนหรอื เยอรมันเน่ยี มมาเตมิ สารเจือปนท่มี ีวาเลนซอ์ เิ ล็กตรอน 3 ตัว เช่น โบรอน (Br)อินเดยี ม (In) , แกลเลยี ม (Ge) และอลูมเิ นยี ม (Al) อยา่ งใดอย่างหนง่ึลงไป ทาให้วาเลนซอ์ เิ ล็กตรอนแตล่ ะอะตอมได้แลกเปล่ยี นอิเลก็ ตรอนซึง่ กันและกนั หรอื ใช้อเิ ลก็ ตรอนรว่ มกนั ได้ครบ 8 ตัว ทาให้อะตอมของธาตุเจือปนขาดจานวนอิเล็กตรอนอกี 1 ตวั เรียกอเิ ล็กตรอนที่ขาดไปว่า โฮล (Hole) ซ่งึ แปลวา่ หลุมหรอื รู โดยจะแสดงประจบุ วกออกมา ภาพที่ 1-7 โครงสร้างการจบั ตวั ของอิเล็กตรอนวงนอกสุด ระหวา่ งซิลกิ อนกบั โบรอน