เอกสารประกอบการเรียน วิชา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร (20104-2102) หลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพ (ปวช.) พุทธศักราช 2562 หน่วยที่ 1 เรื่อง สารกึ่งตัวนำและไดโอด โดย นายสุเกษม เกียรติไพบูลย์ สาขาวิชาไฟฟ้ากำลัง วิทยาลัยเทคนิคระนอง สำนักงานคณะกรรมการการอาชีวศึกษา กระทรวงศึกษาธิการ
คำนำ เอกสารประกอบการเรียนเล่มนี้เป็นเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 1 เรื่อง สารกึ่งตัวนำและไดโอด เนื้อหาสาระ การเรียนรู้ได้แก่การศึกษา โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำและไดโอด หลักการทำงานของสารกึ่งตัวนำและไดโอด ลักษณะสมบัติ ของสารกึ่งตัวนำและไดโอด สำหรับผลลัพธ์การเรียนรู้ของนักเรียนเมื่อเรียนด้วยเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 1 เรื่อง สารกึ่งตัวนำและ ไดโอด โดยใช้วิธีการสอนแบบ PQ-ADAPP มุ่งเน้นผลลัพธ์ที่เกิดกับผู้เรียนดังนี้ 1) ผู้เรียนสามารถตรวจสอบไดโอดได้ว่าดีหรือ เสีย 2) ผู้เรียนสามารถต่อวงจรควบคุมการไหลของกระแสในตัวไดโอดได้ 3) ผู้เรียนสามารถใช้เครื่องมือตรวจหาข้อบกพร่อง ของวงจรได้ หวังเป็นอย่างยิ่งว่าเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 1 เรื่อง สารกึ่งตัวนำและไดโอด วิชา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และวงจร ที่ผู้เรียบเรียงจัดทำขึ้น จะเป็นประโยชน์ต่อครูผู้สอนและนักเรียนในวิชานี้ และนำไปเป็นแบบอย่างในการจัดทำ เอกสารประกอบการเรียนวิชาอื่นต่อไป หากมีข้อเสนอแนะใดๆ ผู้เรียบเรียงน้อมรับด้วยความยินดียิ่ง (นายสุเกษม เกียรติไพบูลย์) ตำแหน่ง ครู วิทยฐานะ ครูชำนาญการพิเศษ
ใบความรู้/ใบเนื้อหา หน่วยที่ 1 เรื่อง สารกึ่งตัวนำและไดโอด บทนำ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันส่วนใหญ่ผลิตขึ้นมาจากสารกึ่งตัวนำ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไทรีสเตอร์ ฯลฯ ดังนั้นการศึกษาความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนำจึงเป็นสิ่งสำคัญในการทำ ความเข้าใจถึงโครงสร้าง หลักการทำงาน และลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดต่าง ๆ รวมถึงเป็นส่วนหนึ่งในการวิเคราะห์หาสาเหตุเพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้เป็นอย่างดี เนื้อหาในบทเรียนนี้จะศึกษาเกี่ยวกับ โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำ ชนิดของสารกึ่งตัวนำ คุณสมบัติของสารกึ่ง ตัวนำ โครงสร้างและสัญลักษณ์ของไดโอด ลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอด และฝึกทักษะการทดสอบหา คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำและไดโอด 1.1 โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำ คือ สารที่มีระดับความนำจำเพาะอยู่ระหว่างตัวนำกับฉนวน กล่าวคือบางสภาวะจะทำ ตัวเป็นฉนวนไฟฟ้าและบางสภาวะจะทำตัวเป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น ซิลิกอน เจอร์เมเนียม เทลลูเนียม เป็นต้น สาร ดังกล่าวเหล่านี้มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ คือมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระอยู่น้อยจึงไม่สามารถให้กระแสไฟฟ้า ไหลเป็นจำนวนมาก ฉะนั้นลำพังสารนี้อย่างเดียวแล้วไม่สามารถทำประโยชน์อะไรได้มาก ดังนั้นเพื่อที่จะให้ได้ กระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมากเราจึงต้องมีการปรุงแต่งโดยการเจือปนอะตอมของธาตุอื่นลงไปในเนื้อสารเนื้อ เดียวเหล่านี้ หรือเอาอะตอมของธาตุบางชนิดมาทำปฏิกิริยากันให้ได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ สารกึ่งตัวนำที่สร้างขึ้นโดยวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ หรือสารกึ่งตัวนำแบบสารประกอบ ตามลำดับ ซึ่งจะเป็นสารที่นำไปใช้ในการสร้างอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ฯลฯ การค้นพบสารกึ่งตัวนำ นับเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ จนอาจกล่าวได้ว่าเป็นการปฏิวัติอุตสาหกรรม อิเล็กทรอนิกส์เลยทีเดียว ในทางไฟฟ้าสามารถจำแนกลักษณะของสารได้เป็น 3 กลุ่ม นั่นคือ ตัวนำ (Conductor) ฉนวน (Insulator) และสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ซึ่งแต่ละชนิดจะมีโครงสร้างของอะตอมไม่เหมือนกันดัง แสดงตามภาพที่ 1.1
(ก) ตัวนำไฟฟ้า (ข) สารกึ่งตัวนำ (ค) ฉนวนไฟฟ้า ภาพที่ 1.1 โครงสร้างอะตอมของ ตัวนำไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำ และฉนวนไฟฟ้า ภาพที่ 1.1 (ก) ตัวนำไฟฟ้า คือ วัตถุที่โครงสร้างอะตอมมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 1-2 ตัวเท่านั้น ภายในมีค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistance) ต่ำมาก หรือมีค่าความนำไฟฟ้า (Conductance) สูงมากยอม ให้ประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอนอิสระ) เคลื่อนที่ผ่านได้อย่างสะดวกหรือต้านทานการเคลื่อนที่ของประจุได้น้อย กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวัดสุตัวนำได้ดี วัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมต่ำมาก พลังงานจากภายนอกเพียงเล็กน้อย จะทำให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดหลุดออกมาจากการเกาะเกี่ยว ทำให้เกิด กระแสไฟฟ้าไหลได้โดยง่ายเช่น โลหะชนิดต่าง ๆ โลหะที่นำไฟฟ้าได้ดีที่สุด ได้แก่ เงิน หรือ ทองแดง เป็นต้น ภาพที่ 1.1 (ข) สารกึ่งตัวนำ คือ วัตถุที่โครงสร้างอะตอมมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว จึงมีสภาวะอยู่ ระหว่างตัวนำและฉนวน ลักษณะโครงสร้างจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมปานกลาง เมื่อมีพลังงานไฟฟ้า จำนวนหนึ่งจ่ายให้กับมันในขั้วที่ถูกต้อง มันจะนำกระแสได้ (เป็นตัวนำ) และหากจ่ายไฟฟ้าในขั้วที่กลับกัน มัน จะไม่นำไฟฟ้า (เป็นฉนวน) การนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำจะเปลี่ยนแปลงตามสภาวะอื่น ๆ ได้อีก เช่น อุณหภูมิ แสงที่ตกกระทบ ปริมาณสารเจือปน ปริมาณของจุดบกพร่องในเนื้อสาร เป็นต้น ภาพที่ 1.1 (ค) ฉนวนไฟฟ้าจะมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 7-8 ตัว มีคุณสมบัติไม่ยอมให้ประจุไฟฟ้า เคลื่อนที่ผ่านวัตถุนั้นได้อย่างสะดวกหรือต้านทานการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าได้มาก วัสดุกลุ่มนี้จะมีแรงยึด เหนี่ยวระหว่างอะตอมที่แน่นหนามาก พลังงานจากภายนอกไม่สามารถทำให้อิเล็กตรอนทั้ง 8 ตัว ที่เกาะเกี่ยว กันหลุดออกไปได้ กระแสไฟฟ้าจึงไม่สามารถไหลผ่านฉนวนได้ วัตถุที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวน ได้แก่ พลาสติก ยาง กระเบื้อง แก้ว เป็นต้น 1.2 ชนิดของสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำมีอยู่ด้วยกันหลายชนิดแต่ที่นิยมนำมาใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มากที่สุดมี 2 ชนิด ได้แก่ ซิลิกอน และ เจอร์เมเนียม ซิลิกอน และ เจอร์เมเนียม บริสุทธิ์ เป็นวัสดุตั้งต้นที่นำไปผลิตสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำ อะตอมของ แต่ละธาตุมีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว ที่อุณหภูมิเดียวกัน เจอร์เมเนียมจะมีอิเล็กตรอนอิสระสูงกว่าจึงนำกระแส ได้ดีกว่า ปัจจุบันนิยมใช้ซิลิกอน ผลิตสิ่งประดิษฐ์ สารกึ่งตัวนำมากกว่า เพราะใช้ได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า เจอร์เมเนียม นิวเคลียส อิเล็กตรอน
สารกึ่งตัวนําบริสุทธิ์คือ สารกึ่งตัวนําที่ยังไม่เติมสารเจือปนสารใด ๆ ลงไป สารที่นิยมนํามาทําเป็น สารกึ่งตัวนําในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือ ซิลิกอน และเจอร์เมเนียม สารกึ่งตัวนําไม่บริสุทธิ์คือ การนําเอาสารซิลิกอน หรือเจอร์เมเนียมมาทำการเติมสารเจือปนลงไป โดยใช้สารเจือปนที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัวหรือ 5 ตัว 1.3 คุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำ 1.3.1 สารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอน (Silicon) ซิลิกอนมีสารกึ่งตัวนำที่แตกต่างกันหลายชนิด แต่ซิลิกอนที่รู้จักกันแพร่หลายมากที่สุดคือธาตุที่ เป็นส่วนประกอบของผลึกทราย อะตอมของซิลิกอนจะจับตัวกันเป็นพันธะโควาเลนท์ และเกาะกันเป็นผลึกซึ่ง มีลักษณะเดียวกับผลึกของเพชร ผลึกนี้เป็นสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) ซึ่งสามารถ นำกระแสได้เล็กน้อยที่อุณหภูมิห้อง ภาพที่ 1.2 (ข) แสดงโครงสร้างอะตอมของซิลิกอนมีอิเล็กตรอนจำนวน 14 อิเล็กตรอน วงในสุดจำนวน 2 อิเล็กตรอน วงถัดมาชันที่ 2 มีอิเล็กตรอนจำนวน 8 อิเล็กตรอน และบริ เวรเปลือก (Shell) นอกสุดเรียกว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอน มีอิเล็กตรอนจำนวน 4 อิเล็กตรอน ซึ่งสามารถ เชื่อมต่อกับอะตอมข้างเคียงได้อีก 4 อิเล็กตรอน เรียกว่า อิเล็กตรอนร่วม (Share Electrons) กลุ่มของอะตอม ซิลิกอนจะรวมกลุ่ม (Share) กับอิเล็กตรอนของเปลือกนอกสุดเกาะกันเป็นรูปผลึก (Crystal) ลักษณะรูปร่าง และโครงสร้างอะตอมของซิลิกอนแสดงตามภาพที่ 1.2 (ก) รูปร่าง (ข) โครงสร้างอะตอม (2,8,4) ภาพที่ 1.2 รูปร่าง และโครงสร้างอะตอมของซิลิกอน 1.3.2 สารกึ่งตัวนำชนิดเจอร์เมเนียม ถ้าจะกล่าวถึงการค้นพบครั้งสำคัญทางเคมีนั้น การค้นพบธาตุเจอร์เมเนียม (germanium) ก็ ควรจะต้องจัดเป็นหนึ่งในการค้นพบดังกล่าวนั้นเช่นกัน และในปัจจุบันนี้ เจอร์เมเนียม กำลังมีความสำคัญมาก ขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในฐานะสารกึ่งตัวนำ เจอร์เมเนียมเป็นธาตุกึ่ง โลหะ ลักษณะโครงสร้างคล้ายเพชรหรือซิลิกอน ภาพที่ 1.3 (ข) แสดงโครงสร้างอะตอมของเจอร์เมเนียมมี อิเล็กตรอนจำนวน 32 อิเล็กตรอน วงในสุดจำนวน 2 อิเล็กตรอน วงถัดมาชั้นที่ 2 มีอิเล็กตรอนจำนวน 8 อิเล็กตรอน วงมาชั้นที่ 3 มีอิเล็กตรอนจำนวน 18 อิเล็กตรอน และบริเวรเปลือก (Shell) นอกสุดเรียกว่า วาเลนซ์อิเล็กตรอน มีอิเล็กตรอนจำนวน 4 อิเล็กตรอนกล่าวคือ อะตอมของเจอร์เมเนียมซึ่งมีอิเล็กตรอนวง Si 2 8 4
นอกสุด 4 ตัว จะสร้างพันธะกับ อะตอมเจอร์เมเนียมตัวอื่น ๆ จนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดครบ 8 ตัว ไม่เหลือ อิเล็กตรอนอิสระในโครงสร้าง ทำให้ผลึกเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์ไม่นำไฟฟ้า ลักษณะรูปร่าง และโครงสร้างอะตอม ของเจอร์เมเนียม ดังแสดงตามภาพที่ 1.3 (ก) รูปร่าง (ข) โครงสร้างอะตอม (2,8,18,4) ภาพที่ 1.3 รูปร่าง และโครงสร้างอะตอมของเจอร์เมเนียม 1.3.3 สารกึ่งตัวนำชนิด P และ N สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) ได้แก่ ซิลิกอน และเจอร์เมเนียมดังที่กล่าว มาข้างต้นจะมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี เพราะอิเล็กตรอนวงนอกจะจับตัวรวมกัน โดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน เพื่อให้เกิดภาวะเสถียร เสมือนมีอิเล็กตรอนวงนอก 8 ตัวจึงไม่เหมาะต่อการใช้งาน ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมีการ เติมสารอื่นเข้าไป เพื่อให้เกิดสภาพนำไฟฟ้าที่ดีกว่าเดิมเหมาะกับการใช้งานโดยการเติมสารเจือปนลงไป หรือที่ เรียกกันทับศัพท์ว่า “การโดป” (Doping) การโดปสารนั้น จะมีได้ 2 ลักษณะคือ สารกึ่งตัวนำ ชนิด P (Positive-type Semiconductor) คือ การเติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก สุด 3 ตัว เช่น โบรอน อลูมิเนียม หรือแกลเลียมลงไป จากเดิมที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว ทำให้มี อิเล็กตรอน 7 ตัว เกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอนคือจะมีที่ว่างของอิเล็กตรอนซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) มากกว่า จำนวนอิเล็กตรอนอิสระ จึงทำให้สารกึ่งตัวนำชนิด P พยายามดึงอิเล็กตรอนเข้ามาด้วยเหตุที่โฮลมีสภาพเป็น ประจุไฟฟ้าบวกและเป็นพาหะส่วนใหญ่ของสาร ส่วนอิเล็กตรอนจะเป็นพาหะส่วนน้อย โครงสร้างของสารกึ่ง ตัวนำชนิด P ดังแสดงตามภาพที่ 1.4 2 8 18 Ge 4
ภาพที่ 1.4 โครงสร้างสารกึ่งตัวนำชนิด P สารกึ่งตัวนำ ชนิด N (Negative-type Semiconductor) คือการเติมสารที่มีอิเล็กตรอนวง นอกสุด 5 ตัว เช่น สารหนู หรือฟอสฟอรัสลงไป จากเดิมที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว ทำให้มีอิเล็กตรอน 9 เกิดสภาวะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าจำนวนของโฮล จึงทำให้สารกึ่งตัวนำชนิด N พยายามที่จะปล่อย อิเล็กตรอนส่วนที่เกินออกไปด้วยเหตุที่อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบและเป็นพาหะส่วนใหญ่ ส่วนโฮลเป็นพาหะ ส่วนน้อยของสาร โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำชนิด N ดังแสดงตามภาพที่ 1.5 ภาพที่ 1.5 โครงสร้างสารกึ่งตัวนำชนิด N 1.4 ไดโอด (Diode) ไดโอดเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตขึ้นจากการนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และ สารกึ่งตัวนำชนิด N มาเชื่อมต่อกันทำให้เกิดรอยต่อ (Junction) ตรงกลาง ลักษณะการทำงานทั่วไปจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหล ผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว รูปร่างลักษณะของไดโอด แสดงตามภาพที่ 1.6 Si Si B Si Si โฮล อิเล็กตรอนอิสระ อะตอมของสารหนู โบรอน Si Si Si Si As
ภาพที่ 1.6 รูปร่างลักษณะของไดโอดแบบต่าง ๆ หลักการทำงานของไดโอดจะมี 2 สภาวะเปรียบเสมือนกับสวิตช์ตัดต่อวงจรคือ สภาวะนำกระแส หรือต่อวงจร กระแสไฟฟ้าจะสามารถไหลผ่านตัวไดโอดได้ และสภาวะไม่นำกระแสหรือตัดวงจรกระแสไฟฟ้า จะไม่สามารถไหลผ่านตัวไดโอดได้ การทำงานจะเป็นสภาวะใดนั้นขึ้นอยู่กับการจ่ายแรงดันเข้าไปที่ขั้วของ ไดโอดกล่าวคือ ถ้าจ่ายแรงดันที่มีขั้วตรงกับขั้วของไดโอด คือจ่ายแรงดันไฟบวกเข้าที่ขาแอโนด และจ่าย แรงดันไฟลบเข้าที่ขาแคโธดไดโอดจะสามารถนำกระแสได้ การจ่ายแรงดันลักษณะนี้เรียกว่า การไบอัสตรง (Forward Bias) และถ้าหากแรงดันที่จ่ายให้กับไดโอดมีขั้วไม่ตรงกับขั้วของไดโอดคือจ่ายแรงดันไฟบวกเข้าที่ ขาแคโธด และจ่ายไฟลบเข้าที่ขาแอโนดของไดโอดจะทำให้ไดโอดไม่นำกระแสเรียกการจ่ายแรงดันแบบนี้ว่า การไบอัสกลับ (Reveres Bias) ลักษณะการต่อวงจรไบอัสไดโอดแสดงตามภาพที่ 1.7 (ก) วงจรไบอัสตรง (ข) วงจรไบอัสกลับ ภาพที่ 1.7 การต่อวงจรไบอัสไดโอด 1.5 โครงสร้างและสัญลักษณ์ โครงสร้างของไดโอดเกิดขึ้นจากการนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และสารกึ่งตัวนำชนิด N มาเชื่อมต่อกัน เรียกว่า พีเอ็นจังก์ชัน (P-N Junction) ซึ่งการเชื่อมต่อแบบนี้ทำให้เกิดจุดเชื่อมต่อ 1 จุดหรือ 1 รอยต่อ จึงจัด ว่าไดโอดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดรอยต่อเดียว โครงสร้างของไดโอดแสดงตามภาพที่ 1.8 A A A A A A A A K A K K K K K K K K K K A K + - A K + - K A
ภาพที่ 1.8 โครงสร้างของไดโอด จากภาพที่ 1.8 จะเห็นว่าไดโอดมีขาในการต่อใช้งานจำนวน 2 ขา คือขาแอโนด (Anode: A) หรือ ขั้วบวกซึ่งเชื่อมต่อออกมาจากสาร P และขาแคโธด (Cathode: K) หรือขั้วลบซึ่งเชื่อมต่อออกมาจากสาร N และสัญลักษณ์ของไดโอดแสดงตามภาพที่ 1.9 ภาพที่ 1.9 สัญลักษณ์ของไดโอด 1.6 ลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอด เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และ สารกึ่งตัวนำชนิด N มาเชื่อมต่อกันจะเกิดการรวมตัวระหว่าง อิเล็กตรอนและโฮลบริเวณใกล้รอยต่อนั้น โดยอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะรวมตัวกับโฮลของสารกึ่ง ตัวนำชนิด P ทำให้อะตอมบริเวณรอยต่อของสารกึ่งตัวนำชนิด N จะขาดอิเล็กตรอนไปเกิดเป็นสภาวะเป็น ประจุไฟฟ้าบวก ซึ่งจะต้านการเคลื่อนที่ของโฮล ในขณะที่อะตอมบริเวณรอยต่อของสาร P จะมีอิเล็กตรอน เกินมา ทำให้มีประจุไฟฟ้าลบซึ่งจะผลักอิเล็กตรอนอิสระที่จะวิ่งข้ามมาทางฝั่งของสาร P ดังแสดงตามภาพที่ 1.10 บริเวณดังกล่าวจึงเป็นบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) โดยจะเสมือนกำแพงกั้นไม่ให้ อิเล็กตรอน และโฮลของอะตอมอื่น ๆ ภายในสารกึ่งตัวนำมารวมกัน ถ้าต้องการให้พาหะทั้งสองฝั่งมารวมตัว กัน จะต้องให้แรงดันไฟฟ้าแก่สารให้มากกว่าระดับแรงดันไฟฟ้าซึ่งเกิดจากประจุบริเวณรอยต่อ ถ้าเป็นไดโอดที่ ผลิตจากสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอน ระดับแรงดันดังกล่าวจะอยู่ประมาณ 0.7 โวลต์ และในกรณีที่ไดโอดผลิต จากสารกึ่งตัวนำชนิดเจอร์เมเนียม ระดับแรงดันดังกล่าวจะมีค่าต่ำกว่า โดยจะมีค่าประมาณ 0.3 โวลต์ แอโนด + P N - A K แคโธด พีเอ็นจังก์ชัน A K
ภาพที่ 1.10 ลักษณะพาหะของรอยต่อ P-N การจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ไดโอดเข้าสู่วงจรรอยต่อ P-N เพื่อให้เกิดการควบคุมทางไฟฟ้าเรียกว่า “การ ไบอัส” (Bias) สามารถทำได้ 2 ลักษณะดังนี้ 1.6.1 การไบอัสตรง (Forward Bias) การไบอัสตรง คือ การจ่ายแรงดันให้แก่ไดโอดในลักษณะต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่เข้ากับ ขั้วแอโนดหรือสารกึ่งตัวนำชนิด P และต่อขั้วลบเข้ากับขั้วแคโธดหรือสารกึ่งตัวนำชนิด N จะทำให้อิเล็กตรอนมี พลังงานเพิ่มมากขึ้น โดยถ้าแรงดันแบตเตอรี่ที่จ่ายมีระดับแรงดันสูงกว่าแรงดันต้านกลับบริเวณรอยต่อก็จะทำ ให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงพอที่จะข้ามมายังฝั่งตรงข้ามได้ เกิดมีกระแสไฟฟ้าไหล ซึ่งในสภาวะสมดุลที่รอยต่อ ไดโอดชนิดซิลิกอนจะมีความต่างศักย์ที่บริเวณปลอดพาหะประมาณ 0.7 โวลต์ และไดโอดชนิดเจอร์เมเนียมจะ มีความต่างศักย์บริเวณปลอดพาหะประมาณ 0.3 โวลต์ เราเรียกการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า การไบอัสตรง ดังแสดงตามภาพที่ 1.11 ภาพที่ 1.11 วงจรการไบอัสตรง 1.6.2 การไบอัสกลับ (Reveres Bias) การไบอัสกลับ หรือเรียกว่า รีเวิร์สไบอัส คือ การจ่ายแรงดันไฟฟ้าสลับขั้วให้กับไดโอด โดยต่อ ขั้วลบของแบตเตอรี่เข้ากับขั้วแอโนดหรือสารกึ่งตัวนำชนิด P และต่อขั้วบวกเข้ากับขั้วแคโธดหรือสารกึ่งตัวนำ P + + + + + + N - - - - - - - - - - - + + + + บริเวณปลอดพาหะ โฮล อิเล็กตรอน กระแสอิเล็กตรอน บริเวณปลอดพาหะ P N + - + - แอโนด แคโธด
ชนิด N จะทำให้บริเวณปลอดพาหะมีขนาดกว้างขึ้นเกิดการฉุดรั้งอิเล็กตรอนไม่ให้ข้ามบริเวณปลอดพาหะ มายังฝั่งของสาร P ทำให้ไม่เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า ดังแสดงตามภาพที่ 1.12 ภาพที่ 1.12 วงจรการไบอัสกลับ ในสภาวะไบอัสกลับนี้พาหะส่วนน้อย คือ อิเล็กตรอนในสาร P และ โฮลในสาร N จะถูก กระตุ้นจากแบตเตอรี่ให้มารวมกัน ทำให้เกิดกระแสไหลแต่มีปริมาณน้อยมากมีค่าเป็น ไมโครแอมป์หรือนาโน แอมป์ เราเรียกกระแสนี้ว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยไดโอดที่ผลิตจากสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอน จะมีขนาดของกระแสรั่วไหลต่ำกว่าเจอร์เมเนียม และแรงดันตกคร่อมบริเวณรอยต่อ P-N จะมีค่าเท่ากับ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายมาจากแบตเตอรี่ 1.6.3 กราฟแสดงลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอด ไดโอดที่นิยมใช้งานในปัจจุบัน มี 2 ชนิด คือ 1. ไดโอดที่ทำจากสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอนเรียกว่า ซิลิกอนไดโอดเป็นไดโอดที่ทนกระแสไฟได้สูง และสามารถใช้งานได้ในที่มีอุณหภูมิสูงถึง 200°C นิยมนำไดโอดชนิดนี้ไปใช้ในวงจรเรียงกระแสหรือวงจร เปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง 2. ไดโอดที่ทำจากสารกึ่งตัวนำชนิดเจอร์เมเนียมเรียกว่า เจอร์เมเนียมไดโอด ไดโอดแบบนี้ทน กระแสได้ต่ำกว่าแบบซิลิกอน ทนความร้อนได้ประมาณ 85°C ไดโอดแบบเจอร์เมเนียมใช้ได้ดีในวงจรที่มี ความถี่สูง นิยมนำไดโอดแบบนี้ไปใช้ในวงจรแยกสัญญาณหรือวงจรผสมสัญญาณ ลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอดทั้งสองชนิดจะมีลักษณะที่คล้ายคลึงกันนั่นคือ ถ้าเราป้อน แรงดันไฟฟ้าให้กับไดโอด โดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายจาก 0 โวลต์ ช่วงแรกไดโอดจะยังไม่ทำงานคือ ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวมัน เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าถึง 1 โวลต์กระแสไฟฟ้าก็ยังก็ยังคงไม่สามารถไหลผ่าน รอยต่อ P-N ของไดโอดได้เนื่องจากตรงรอยต่อระหว่างสารกึ่งตัวนำประเภทพีและประเภทเอ็น ยังมีแนว ศักย์ไฟฟ้าขวางกั้นอยู่ เพื่อให้แนวศักย์ไฟฟ้าขวางกั้นลดลง ต้องให้แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าค่าของแนวศักย์ไฟฟ้า ขวางกั้น กระแสไฟฟ้าจึงจะสามารถไหลผ่านไดโอดได้ ในกรณีของซิลิกอนไดโอดจะต้องมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม บริเวณรอยต่อ P-N ตั้งแต่ 0.5 - 0.7 โวลต์ จึงจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในตัวไดโอด และสำหรับไดโอดชนิด บริเวณปลอดพาหะกว้าง ขึ้น P N - + + - - + - - - - - + + + + + แอโนด แคโธด
เจอร์เมเนียมจะต้องมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมบริเวณรอยต่อ P-N ตั้งแต่ 0.2 - 0.3 โวลต์ จึงจะมีกระแสไฟฟ้าไหล ผ่านได้ ลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอดแสดงในกราฟตามภาพที่ 1.13 ภาพที่ 1.13 กราฟแสดงลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอด สรุป สารกึ่งตัวนำ ได้แก่ซิลิกอน และเจอร์เมเนียมนับเป็นธาตุที่มีความสำคัญมากในวงการ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ล้วนมีส่วนประกอบของสารกึ่งตัวนำอยู่ ภายในยกตัวอย่างเช่น ไดโอด อย่างไรก็ตามสารกึ่งตัวนำจัดอยู่ในกลุ่มของสารที่มีสภาวะระหว่างตัวนำ และฉนวนสิ่งสำคัญในการสร้างกระบวนการควบคุมทางไฟฟ้าจะต้องทำการโดปสารเพื่อให้เกิดสาร P และ สาร N ก่อนจึงจะสามารถกำหนดลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าให้กับสารกึ่งตัวนำได้โดยการให้ไบอัสตรง หรือไบอัสกลับเพื่อเป็นการควบคุมการนำกระแสไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำและควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้า ที่ไหลในวงจร IF -V VF R VF 0.3-0.7 V -IR ไบอัส ตรง ไบอัส กลับ แรงดันไบอัส กลับ ไดโอดเริ่มนำกระแส ช่วงแรงดันพังทลาย