ใบความรู้หน่วยที่ 1

8

ใบความรู้ หนว่ ยท่ี 1
ช่ือวิชา อุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์และวงจร รหัสวิชา 20105-2005 สอนคร้ังท่ี 1-2
(Electronics Devices and Circuits)
ชว่ั โมง 1-10
ชือ่ หน่วย อะตอม สารกงึ่ ตวั นำและไดโอด จำนวนช่ัวโมง 10 ช่วั โมง

ช่อื เรื่องหรอื ชื่องาน สารก่ึงตัวนำและไดโอด

จุดประสงคก์ ารเรยี นรู้
จุดประสงค์ท่วั ไป เพื่อให้
1. อธบิ ายโครงสรา้ งของอะตอมไดถ้ ูกต้อง
2. อธิบายการสรา้ งสารกง่ึ ตัวนำชนิด N และชนิด P ไดถ้ ูกต้อง
3. ระบชุ นิดของไดโอดได้ถกู ต้อง
4. อธิบายการทำงานของไดโอดเรยี งกระแสได้ถูกต้อง
จุดประสงค์เชิงพฤติกรรม เพอื่ ให้
1. ตง้ั ย่านการวัดของแอนะลอกมลั ติมิเตอรส์ ำหรบั วดั ไดโอดได้ถกู ต้อง
2. ต้ังยา่ นการวดั ของดิจทิ ัลมลั ตมิ ิเตอรส์ ำหรับวดั ไดโอดไดถ้ กู ต้อง
3. ใชม้ ัลตมิ เิ ตอรต์ รวจสอบโอดโอดชนดิ ไดโอดเรียงกระแสได้ถกู ต้อง

สมรรถนะประจำหนว่ ย
1. แสดงความรูเ้ กี่ยวกับอะตอมและสารกึ่งตวั นำ
2. แสดงความรูเ้ กย่ี วกับไดโอดชนิดต่าง ๆ
3. แสดงการวิเคราะห์การทำงานไดโอดชนิดต่าง ๆ

สาระการเรยี นรู้
1. ทฤษฎีอะตอม
1.1 โครงสร้างของอะตอม
อะตอมประกอบด้วยส่วนทสี่ ำคญั 3 ส่วนคอื
1. โปรตอน มปี ระจุไฟฟ้าเป็นบวก 1.610-19 คูลอมบ์ มีมวล 1.672610-24 กรัม
2. อิเลก็ ตรอน มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ 1.610-19 คูลอมบ์ มมี วล 9.109610-28 กรมั
3. นิวตรอน มปี ระจไุ ฟฟ้า 0 (เปน็ กลาง) มีมวลประมาณ 1.674910-24 กรัม

9

1.2 วงโคจรของอเิ ล็กตรอน
จำนวนอิเลก็ ตรอนแตล่ ะวง = 2N2
เม่อื N คือตัวเลขตำแหน่งวงโคจรของอิเลก็ ตรอน

ดงั นน้ั วงท่ี 1 มจี ำนวนอิเลก็ ตรอน = 212 = 2 ตวั
วงที่ 2 มจี ำนวนอิเลก็ ตรอน = 222 = 8 ตัว
วงที่ 3 มีจำนวนอิเลก็ ตรอน = 232 = 18 ตวั
วงที่ 4 มจี ำนวนอิเล็กตรอน = 242 = 32 ตวั
ตง้ั แตว่ งท่ี 5 เป็นตน้ ไปจำนวนอเิ ล็กตรอนมีค่าสูงสดุ 32 ตัว
จำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดมีได้ไม่เกิน 8 ตัว อิเล็กตรอนวงนอกสุดนี้เรียกชื่อว่าวาเลนซ์

อิเล็กตรอน (Valence electron)

2. สารกงึ่ ตัวนำสำหรับผลติ อุปกรณอ์ เิ ล็กทรอนิกส์
2.1 สารกงึ่ ตัวนำบรสิ ทุ ธิ์
สารกง่ึ ตัวนำบริสทุ ธิ์หมายถึงธาตุกึง่ ตวั นำท่ยี ังไม่ไดเ้ ติมสารเจอื ปนใด ๆ ลงไปในธาตุก่งึ ตัวนำนั้น ๆ

2.2 สารก่งึ ตัวนำชนดิ P
สารกึ่งตัวนำชนิด P เกิดจากการนำธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวน 3 ตัว เช่น โบรอน, อินเดียม, แอคเซ็ป

เตอร์ เจือปนลงไปในสารกงึ่ ตวั นำบรสิ ทุ ธิใ์ นปรมิ าณเล็กน้อย

10

2.3 สารกึ่งตัวนำชนดิ N
สารกึ่งตัวนำชนิด N เกิดจากการนำธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวน 5 ตัว เช่น ฟอสฟอรัส, อาเซนิค,

โดเนอร์ เจือปนลงไปในสารก่ึงตัวนำบริสุทธิ์ในปริมาณเลก็ น้อย

3. หลกั การทำงานของไดโอด
3.1 โครงสรา้ งพ้นื ฐานของไดโอด
ไดโอดเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำมาจากกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N ใช้ประโยชน์ในงาน

อเิ ลก็ ทรอนกิ สไ์ ดห้ ลายอยา่ งขึ้นอยู่กับชนิดของไดโอดและลกั ษณะการต่อวงจร ไดโอดมีโครงสร้างพ้นื ฐานผลิตมา
จากสารกึง่ ตัวนำ 2 ชนดิ คอื ชนดิ P และ N

3.2 การทำงานของไดโอดเม่ือได้รบั ไบอัสตรง
การควบคุมการไหลของกระแสไฟฟา้ ที่ผา่ นไดโอดสามารถควบคุมไดโ้ ดยการปอ้ นไฟฟ้าให้แก่ไดโอด หาก

ป้อนไฟฟ้าบวกเข้าที่ขาแอโนดและป้อนไฟฟ้าลบผ่านตัวต้านทานเข้าที่ขาแคโทดทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
ไดโอดได้

11

3.3 การทำงานของไดโอดเมื่อได้รับไบอัสกลับ
หากปอ้ นไฟฟ้าลบเขา้ ท่ีขาแอโนดของไดโอดและป้อนไฟฟ้าบวกผ่านตวั ต้านทานเข้าท่ีขาแคโทดจะทำให้

กระแสไฟฟา้ ไม่สามารถไหลผา่ นไดโอดได้

4. ไดโอดเรียงกระแส
4.1 ไดโอดเรยี งกระแส (Rectifier diode)
หมายถึงไดโอดเรียงกระแสท่ีมขี ั้วตอ่ ใชง้ าน 2 ขั้ว คือขั้วแอโนดและขั้วแคโถด มีโครงสร้าง รูปร่าง และ

สัญลักษณ์ดงั รปู

4.2 ไดโอดเรียงกระแสแบบบริดจ์ (Bridge rectifier diode)
ไดโอดเรยี งกระแสแบบบริดจ์มรี ูปรา่ งแสดงดังรูป

12

4.3 ไดโอดกำลงั (Power diode)
ไดโอดกำลังมีโครงสร้างคล้ายกับไดโอดเรียงกระแสทั่ว ๆ ไป แต่สามารถจ่ายกระแสได้สูงโครงสร้าง

ตัวถังเป็นโลหะเพื่อให้ระบายความร้อนได้ดี ผู้ผลิตไดโอดกำลังจะออกแบบบริเวณรอยต่อให้มีความกว้าง
มากกว่าปกติ

5. ซีเนอรไ์ ดโอด
ซีเนอร์ไดโอด (Zener diode) เป็นไดโอดชนิดพิเศษท่สี ร้างให้มีแตกต่างจากไดโอดเรยี งกระแสทั่ว ๆ ไป

กลา่ วคือ เมอ่ื ป้อนไฟไบอัสตรง ซเี นอรไ์ ดโอดจะทำงานเหมือนไดโอดเรียงกระแส แตเ่ มอ่ื ปอ้ นไฟไบอสั กลับ ซี
เนอรไ์ ดโอดจะทำงานตา่ งจากไดโอดเรียงกระแส

6. ไดโอดเปล่งแสง
6.1 ไดโอดเปล่งแสงแบบสเี ดียว

ไดโอดเปล่งแสงแบบสีเดียวหมายถึงไดโอดเปล่งแสงเม่ือไดร้ ับไบอสั ตรงคา่ แรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมจะให้
แสงสีทีม่ คี ่าความยาวคล่นื ค่าเดียว เชน่ ไดโอดเปลง่ แสงสีแดงจะใหแ้ สงท่ีมีความยาวคล่นื 630 nm ถึง 660 nm
ไดโอดเปล่งแสงสเี ขียวให้แสงทีม่ ีความยาวคลืน่ 550 nm ถึง 570 nm ไดโอดเปล่งแสงสเี หลืองใหแ้ สงที่มีความ
ยาวคลื่น 585 nm ถงึ 595nm เป็นต้น

13

6.2 ไดโอดเปล่งแสงแบบ 3 สี
ไดโอดเปล่งแสงแบบ 3 สี หรือ RGB LED มีโครงสร้างประกอบด้วย LED 3 ตัวอยู่ในตัวถังเดียวกัน แต่

ละตวั ผลติ มาจากสารก่ึงตัวนำต่างชนดิ กนั จึงใหแ้ สงสตี ่างกัน และแรงดันตกคร่อมแตกต่างด้วย

6.3 ไดโอดเปล่งแสงแบบ 7 สว่ น
ไดโอดเปล่งแสงแบบ 7 ส่วน (LED 7-Segment) ประกอบขึ้นจากแอลอีดี 8 ตัวที่บรรจุอยู่ในตัวถัง

เดียวกัน และจัดเรียงให้เป็นรูปตัวเลขแอลอีดี แต่ละส่วนจะมีชื่อเรียกแตกต่างกัน ตามตำแหน่งที่จัดวาง คือ a,
b, c, d, e, f, g และ dp

7. วาแรกเตอร์ไดโอด
วาแรกเตอร์ไดโอด (varactor diode) หรือ วาริแคป (varicap) เป็นไดโอดที่สร้างขึ้นมาใช้เป็นอุปกรณ์ท่ี

สามารถเปลีย่ นคา่ ความจไุ ฟฟา้ ได้ โดยการป้อนไฟฟา้ ไบอสั กลับ (Reverse bias) ให้แกว่ าแรกเตอรไ์ ดโอด ทำให้
ระยะหา่ งของชัน้ รอยต่อเปลยี่ นแปลง ส่งผลให้ค่าความจุไฟฟ้าระหวา่ งขา A-K เปลี่ยนแปลงดว้ ย

14

8. ชอตตก์ ไี ดโอด
ชอตต์กีไดโอด (Schottky Diode) เป็นไดโอดที่ผู้ผลิตได้ออกแบบให้สามารถหยุดกระแสได้ทันทีทันใด

ทำงานที่ความถี่สูงได้ สร้างจากรอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำ ไม่ใช่รอยต่อ P-N ดังนั้นแรงดันตกคร่อมชอตต์กี
ไดโอดขณะนำกระแสไดโอดจงึ มีค่าประมาณ 0.3 V และชอตตก์ ไี ดโอดไม่มี Recovery Time

9. ทนั เนลไดโอด
ทันเนลไดโอด (tunnel diode) ต่างจากไดโอดธรรมดาตรงที่ลักษณะสมบัติแรงดันและกระแสบางช่วงเป็น

แบบต้านทานลบ กล่าวคือเมื่อเพิ่มแรงดันเกิดค่าค่าหนึ่งแทนที่กระแสจะสูงขึ้นกลับลดลง เหตุที่ลักษณะสมบัติ
บางช่วงเป็นความต้านทานลบเพราะว่ามีการโดปสารด้านใดด้านหนึ่งของหัวต่อ P-N ให้มีสารเจือปนมากกว่า
ปกติมากกวา่ รอ้ ยเท่า การโดปมาก ๆ เช่นนี้ทำให้หัวตอ่ ท่ีเรยี กวา่ ดพี ลีชนั บางมาก เม่ือให้ไบอัสตรงจงึ ทำให้พาหะ
สามารถว่ิงทะลรุ อยตอ่ ไปยังขว้ั อีกดา้ นหนึ่งได้

ตอนที่ 1 จงเติมคำลงในช่องว่างให้ได้ใจความสมบรู ณ์ทส่ี ุด 4 ตวั
1. Valence Electron คือ อเิ ลก็ ตรอนวงนอกสดุ
2. โครงสร้างอะตอมซิลิกอนมีอิเล็กตรอนวงโคจร K = 2 ตัว วง L = 8 ตัว วง M =
3. วงโคจรของอะตอมประกอบด้วยวงโคจรจำนวน 7 ชนั้ คอื K , L , M , N , O , P , Q
4. จำนวนอเิ ลก็ ตรอนวงนอกสดุ มีได้ไมเ่ กนิ 8 ตวั

15

5. การโดป หมายถึง การเตมิ สารเจือปน (Impurity) ลงไปในสารกึ่งตัวนำบริสทุ ธิ์ เพื่อให้สภาพ

ความนำไฟฟ้าดีขนึ้

6. สารกง่ึ ตัวนำชนิดเอน็ เกดิ จากการเติมธาตุในกลุ่มที่ 5 ลงในธาตกุ ลุ่มที่ 4

7. สารทอ่ี ยใู่ นกลุ่มท่ี 3 ได้แก่

7.1 โบรอน (B) 7.2 อลมู ิเนียม (Al) 7.3 แกลเลียม (Ga

8. สารท่ีอยู่ในกลุ่มที่ 5 ไดแ้ ก่

8.1 ฟอสฟอรสั (P) 8.2 สารหนู (As) 8.3 พลวง (Sb)

9. พาหะขา้ งมากของสารกึ่งตวั นำชนิดเอ็น คือ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ

10. พาหะขา้ งมากของสารกึง่ ตวั นำชนดิ พี คอื โฮล

ตอนที่ 2 จงเขียนเครอ่ื งหมายกากบาทในข้อท่ถี ูกต้องทส่ี ดุ

1. ขอ้ ใดคือโครงสร้างอะตอมของซิลิกอน

ก. ข. ค.

ง.

2. วสั ดุทเี่ ป็นสารกง่ึ ตัวนำมีอเิ ลก็ ตรอนวงนอกสุดก่ีตวั

ก. 2 ตวั ข. 3 ตวั ค. 4 ตวั
ค. ไดโอดไดร้ ับไบแอสตรง
ง. 5 ตัว ค. Depletion Region

3. พนื้ ท่ี Depletion Region บริเวณรอยตอ่ พเี อน็ จะขยายกว้างท่สี ดุ เม่ือใด

ก. ไดโอดมีกระแสไหลมากที่สุด ข. กระแสรัว่ ไหลมีคา่ ต่ำ

ง. ไดโอดได้รับไบแอสกลบั

4. บริเวณรอยต่อพเี อน็ เรยี กว่าอะไร

ก. Combination ข. Collector

ง. Doping

16

5. สารก่งึ ตัวนำชนดิ พี เกดิ จากการเติมสารเจือปนในขอ้ ใดลงไปในซิลกิ อนบรสิ ุทธ์ิ

ก. Ga หรอื As หรือ P ข. Ga หรือ In หรอื B ค. Ga หรือ In หรอื C

ง. Sb หรอื As หรือ P

6. สารเจอื ปนทม่ี ีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตวั เมอ่ื นำไปเติมลงในซิลิกอนบริสุทธ์ิจะไดส้ ารในข้อใด

ก. สารกึ่งตัวนำชนดิ พี ข. สารก่งึ ตัวนำชนิดเอ็น ค. ทองแดง

ง. ทองคำบริสทุ ธิ์

7. ขอ้ ใดคอื ประจุพาหะขา้ งมากในสารกึ่งตัวนำชนิดเอน็

ก. โฮล ข. อิเล็กตรอน ค. วาเลนซ์อิเล็กตรอน

ง. โปรตอน

8. อะตอมประกอบดว้ ยอะไรบ้าง

ก. นวิ เคลยี ร์ อิเล็กตรอน โปรตอน ข. โปรตอน นิวตรอน อเิ ลก็ ตรอน

ค. โปรตอน นวิ เคลียส อเิ ล็กตรอน ง. นวิ เคลยี ส นิวตรอน โปรตอน

9. นวิ เคลยี สประกอบด้วยอะไรบ้าง

ก. โปรตอน นิวตรอน อเิ ล็กตรอน ข. นิวตรอน อิเล็กตรอน ค. โปรตอน อิเล็กตรอน

ง. โปรตอน นิวเคลยี ร์ อิเล็กตรอน จ. โปรตอน นวิ ตรอน

10. วงโคจรชัน้ นอกสดุ ของอะตอมจะมจี ำนวนอิเล็กตรอนได้ไม่เกนิ กต่ี วั

ก. 2 ตัว ข. 8 ตวั ค. 18 ตวั

ง. 16 ตวั

ตอนที่ 3 จงตอบคำถามตอ่ ไปนี้

1. จงเขยี นโครงสรา้ งอะตอมของสารหนู อินเดยี ม และพลวง โดยใช้ข้อมลู จากตารางท่ี 1.2

2. สารเจือปนกลมุ่ ท่ี 3 ประกอบดว้ ยอะไรบา้ ง
ตอบ โบรอน (B) อลมู เิ นยี ม (Al) แกลเลียม (Ga) อินเดยี ม (In)
3. จงอธิบายการโดปสารมาอยา่ งละเอียด
ตอบ การโดป คือ การเติมสารเจือปน (Impurity) ลงไปในสารก่ึงตวั นำบริสุทธ์ิ เพื่อให้สภาพความนำไฟฟ้า
ของสารก่ึงตัวนำบรสิ ุทธ์ิดีขึน้ แบง่ ออกเป็น

17

3.1 สารกึ่งตวั นำชนิดพี เกิดจากเติมสารเจือปน ท่ีมอี เิ ลก็ ตรอนวงนอกสุด จำนวน 3 ตัว ได้แก่ โบรอน
(B) อลูมิเนยี ม (Al) แกลเลยี ม (Ga) อินเดยี ม (In) ลงไปใน Si , Ge บรสิ ทุ ธิ์

3.2 สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น เกิดจากเติมสารเจือปน ที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด จำนวน 5 ตัว ได้แก่
ฟอสฟอรัส (P) สารหนู (As) พลวง (Sb) ลงไปใน Si , Ge บรสิ ทุ ธ์ิ
4. จงบอกขอ้ แตกต่างระหวา่ งตวั นำ สารก่งึ ตวั นำ และฉนวนมาพอเข้าใจ
ตอบ 4.1 ตัวนำ วัสดุที่เป็นตัวนำมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 1-3 ตัว ดังนั้น เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำเพียง
เล็กนอ้ ย ทำใหอ้ ิเลก็ ตรอนหลดุ ออกจากวงโคจรได้ง่ายเรยี กว่า อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระเคลอื่ นทไ่ี ปมา

4.2 สารกึ่งตัวนำ วัสดุที่เป็นสารกึ่งตัวนำ มีอิเล็กตรอนวงจรนอกสุด 4 ตัว สารกึ่งตัวนำมีคุณสมบัติ
ระหวา่ งตัวนำและฉนวน โดยอิเลก็ ตรอนวงนอกสุดเมื่ออุณหภมู ิสงู ข้นึ จะทำให้การยดึ เหน่ียวของอะตอมขาดลง

4.3 ฉนวน วัสดทุ ่ีเปน็ ฉนวน จะมีอเิ ล็กตรอนวงนอกสดุ 5-8 ตวั โดยอิเล็กตรอนวงนอกสดุ จะยึดเหน่ียว
กบั อะตอมอ่นื ๆ ดังนน้ั จะมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนน้อยในการพาประจนุ ้อยมาก

5. จากรปู คอื อะไร จงอธบิ ายมาพอเข้าใจ
ตอบ จากรูปเป็นการโดปสารกึ่งตัวนำโดยการเติมสาร
พลวง (Sb) ซึ่งมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดจำนวน 5 ตัว ลงใน Si
บริสุทธิ์ ผลที่เกิดขึ้นคือ จะมีอิเล็กตรอนที่เหลือจากการโควา
เลนซ์บอนด์จำนวน 1 ตัว เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระ ทำให้
สภาพความนำไฟฟ้าของ Si ดีขึ้น เรียกสารกึ่งตัวนำชนิดนี้ว่า
สารกง่ึ ตวั นำไม่บริสทุ ธ์ิชนดิ เอน็ หรอื เรียกว่า N-Type

เอกสารอา้ งองิ /บรรณานุกรมประจำหน่วย (หนังสือตำราหรอื เอกสารทใี่ ช้ประกอบการเรยี นการสอนใน
หนว่ ยนน้ั ๆ หรือส่ือและแหล่งการเรียนร้ใู นกรณีค้นคว้าเพม่ิ เตมิ )

สุชนิ ชินสีห.์ (2562).อุปกรณ์อิเล็กทรอนกิ สแ์ ละวงจร.กรุงเทพฯ.บริษัทเอมพันธม์ ารเ์ ก็ตต้ิงจำกดั ,