DIO D E

1. DIODE

2. ธรรมชาติของสารสารทุกชนิดเมื่อทำให้มีขนาดเล็กที่สุดจะต้องเป็นอะตอมของธาตุที่ประกอบกันเป็นสารนั้น อะตอมประกอบด้วยแกนกลางเป็นนิวเคลียสล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน อิเล็คตรอนวิ่งวนรอบ ๆ นิวเคลียส เพราะนิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าบวก อิเล็คตรอนมีประจุ ไฟฟ้าลบ(1.6 x 10 -19 คูลอมบ์) วงโคจรของอิเล็คตรอนเป็นรูปวงรีรอบนิวเคลียส จำนวน อิเล็คตรอนของอะตอมใช้จำแนกสารเป็นธาตุต่าง ๆ กัน อิเล็คตรอนที่อยู่วงใน ๆ จะยึดอยู่กับนิวเครียส ส่วนที่อยู่วงนอกสุดจะหลุดออกจากอะตอม ได้ง่าย เรียกว่า วาเล็นซ์ อิเล็คตรอน

3. การใหลของกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในสาร ในโลหะเช่น ทองแดงอิเล็คตรอน ที่อยู่วงนอกสุดจะหลุดจากวงโคจรแล้วเคลื่อนที่ในเนื้อสาร สารตัวนำกระแสไฟฟ้า เรียกสั้น ๆ ว่า ตัวนำ เป็นสารที่มีฟรีอิเล็ค ตรอนเป็นจำนวนมาก เช่น โลหะทองแดง โลหะ เงิน โลหะอลูมิเนียม อโลหะคาร์บอนบางรูปแบบ เป็นต้น ไฟฟ้าใหลผ่านได้สารชนิดนี้ได้อย่างสะดวก มีความต้านทานน้อยมาก สารฉนวนกระแสไฟฟ้า เรียกกันว่า ฉนวน เป็นสารที่มีฟรีอิเล็คตรอนน้อยมาก เช่น ยาง พีวีซี กระดาษ เป็นต้น ไฟฟ้าใหลผ่านได้ยาก หรือไม่ใหลเลย มีความต้านทานมาก

4. สารกึ่งตัวนำกระแสไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำได้แก่สารที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างตัวนำกับฉนวน มีอิเล็คตรอนอยู่ที่เชลล์ นอกสุดจำนวน 4 ตัว จากจำนวนมากที่สุดมีได้ 8 ตัว มีหลายสารที่รู้จักกันดีที่สุดคือ ซิลิกอน และ เยอร์มาเนียม เรียกสารเหล่านี้ว่า สารเตตะวาเลนซ์ เรียกสารเหล่านี้บริสุทธ์ว่า สารกึ่งตัวนำอินทรินซิค หรือสารกึ่งตัวนำเนื้อแท้ อะตอมของซิลิคอนและเยอร์มาเนียมจะเกาะกับอะตอมข้างเคียงสร้างตัวเป็นผลึกโดยไม่ มีอิเล็คตรอนตัวใดเหลือเป็นอิเล็คตรอนอิสระเลย หรือทุกอะตอมไม่มีอิเล็คตรอนขาดหรือเกินเลย

5. วิธีนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำเนื้อแท้ ในสภาวะเย็น ๆ สารกึ่งตัวนำเนื้อแท้ จะไม่มีฟรีอิเล็คตรอนเลย หรือบอนด์ระหว่างอะตอม ไม่แตกจากกัน แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นทำให้บอนด์แตก มีฟรีอิเล็คตรอนและฟรีโฮลเกิดขึ้นเป็นคู่ ๆ สารกึ่งตัวนำบริสุทธ์จะมีคู่ฟรีอิเล็คตรอนและโฮล แล้วเคลื่อนที่ไปในเนื้อสาร เมื่อคู่ใดมา พบจะเกิดการรวมกันขึ้น

6. สารกึ่งตัวนำกระแสไฟฟ้าดัดแปลง สารกึ่งตัวนำซิลิคอนหรือเยอร์มา เนียมบริสุทธ์เมื่อถูกใส่สารอื่นเจือปนลงไปจะทำให้ เปลี่ยนเป็นสารกึ่งตัวนำดัดแปลง หรือสารกึ่งตัวนำเอ็กซ์เทนซิค มี 2 แบบคือ แบบเอ็นกับแบบพี สารกึ่งตัวนำแบบเอ็น สารกึ่งตัวนำบริสุทธ์ถูกเจือปนด้วยสารที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว หรือสารเพนตาวาเลนซ์ จะมีอิเล็คตรอน 4 ตัวของสารเจือปนบอนด์กันกับอิเล็คตรอนของสารกึ่งตัวนำ ทำให้มี ฟรีอิเล็คตรอนเกิดขึ้น 1 ตัว เคลื่อนที่อยู่ในสารกึ่งตัวนำดัดแปลงนี้ การที่มีฟรีอิเล็คตรอนอยู่และ อิเล็คตรอนมีประจุไฟฟ้าลบ ทำให้มีการเรียกสารกึ่งตัวนำดัดแปลงนี้ว่า แบบเอ็น วิธีเจือปนสารอื่น เข้าไปในสารกึ่งตัวนำเนื้อแท้นี้เรียกว่า การโด๊ป(doping) สารที่นำมาเจือปน เช่น อาเซนิค ฟอสฟอรัส และแอนติโมนี N-TYPE 4 1 Si 3 2 5 1 4 Sb 2 3

7. Free Electron N-TYPE Si Sb Sb Sb Sb

8. สารกึ่งตัวนำแบบพี สารกึ่งตัวนำบริสุทธ์ถูกเจือปนด้วยสารที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว หรือสารไตร วาเลนซ์ จะมีอิเล็คตรอนเพียง 3 ตัวของสารเจือปนบอนด์กันกับอิเล็คตรอนของสารกึ่งตัวนำ ทำให้ขาดอิเล็คตรอนไป 1 ตัว สำหรับบอนด์กับสารกึ่งตัวนำเกิดเป็นโฮลขึ้นในสารกึ่งตัวนำดัด แปลงนี้ โฮลนี้เสมือนมีการเคลื่อนที่ได้เมื่อมีอิเล็คตรอนใกล้เคียงมาบอนด์ด้วยทำให้อะตอมใกล้ เคียงเกิดโฮลขึ้นโฮลเดิมจะหายไป การที่มีฟรีโฮลในเนื้อสาร และโฮลมีประจุไฟฟ้าบวกเพราะขาด อิเล็คตรอน ทำให้มีการเรียกสารกึ่งตัวนำดัดแปลงนี้ว่า แบบพี สารที่นำมาเจือปน ได้แก่ อลูมิเนียม แกลเลียม และโบรอน P-TYPE 4 1 Si 3 2 1 B 3 2

9. Hold P-TYPE Si Sb B Sb Sb

10. เซมิคอนดัคเตอร์ไดโอด แคโธด N P แอโนด • ไดโอด แปลว่า สองขั้ว ( di = สอง , ode = ขาหรือขั้ว ) ดังนั้นไดโอดคือ โครงสร้างรอยต่อของสารกึ่งตัวนำชนิดพีและเอ็นซึ่งมีอยู่ 2 ขั้วนั่นเอง • โครงสร้างของไดโอด เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิดพีและเอ็นมาสร้างเป็นรอยต่อแล้วจะได้โครงสร้างไดโอดประกอบด้วยบริเวณที่เป็นสารชนิดพี, บริเวณที่เป็นสารชนิดเอ็น, รอยต่อ พี-เอ็น, เขตปลอดพาหะ และขั้วโลหะทั้งสองด้านที่จะนำกระแสไฟฟ้าให้ไหลเข้าและออกจากตัวไดโอด • หน้าที่ของไดโอด ไดโอดทำหน้าที่ควบคุมให้กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น คือไหลจากด้านพี หรือ แอโนด (anode) ไปทาง ด้านเอ็น หรือ แคโทด (cathode)

11. เซมิคอนดัคเตอร์ไดโอด ไดโอดแบบรอยต่อพีเอ็น ไดโอดเป็นอุปกรณ์ที่ให้กระแสไฟฟ้าใหลไปเพียงทางเดียวเหมือนถนนวันเวร์ สารกึ่งตัวนำบริสุทธ์ถูกโด๊บให้ครึ่งหนึ่งเป็นแบบเอ็น อีกครึ่งหนึ่งเป็นแบบพี ก็จะเกิด เป็นไดโอดรอยต่อพีเอ็นขึ้น ประจุไฟฟ้าพาหะอิเล็คตรอนและโฮลจากทั้งสองจะเข้ามารวมกันที่รอยต่อ เกิดเป็นผนัง กั้นประจุไฟฟ้าระหว่างซีกเอ็นกับซีกพีของไดโอด เรียกว่า ย่านดีปลีชั่นหรือเลเยอร์ ใกล้ ๆ เลเยอร์ ซีก พี จะมีประจุบวกอยู่น้อย ซีก เอ็น จะมีประจุลบอยู่น้อย ความกว้างของย่านนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของ ไดโอด ซิลิคอนไดโอดมีขนาดประมาณ 0.6 V เยอร์มาเนียมมีขนาดประมาณ 0.3 V

12. การไบอัสไดโอดแบบฟอร์เวอร์ส ป้อนขั้วบวกแหล่งจ่ายไฟฟ้าเข้าด้านพีและขั้วลบเข้าด้านเอ็นของไดโอด ขั้วบวกจะผลัก โฮลออกไปและขั้วลบจะผลักอิเล็ค ตรอนออกไปหา ทำให้เลเยอร์แคบกว่าเดิม เป็นผลให้ความต้าน ทานของไดโอดลดลงเป็นอย่างมาก ทำให้กระแสไฟฟ้าใหลผ่านไดโอดได้มาก การไบอัสไดโอดแบบรีเวอร์ส ป้อนขั้วลบแหล่งจ่ายไฟฟ้าเข้าด้านพีและขั้วบวกเข้าด้านเอ็นของไดโอด ขั้วลบจะดึงโฮล เข้ามาหาและขั้วบวกจะดึงอิเล็คตรอนเข้ามาหา ทำให้เลเยอร์กว้างขึ้นกว่าเดิม เป็นผลให้ความต้านทาน ของใดโอดสูงขึ้นเป็นอย่างมาก จนกระแสไฟฟ้าใหลผ่านไม่ได้หรือผ่านน้อยที่สุด

13. กราฟคุณสมบัติของไดโอด เมื่อไบอัสไดโอดแบบฟอร์เวอส์สจนเกินแบริเออร์ของไดโอด ของซิลิคอนไดโอดประมาณ 0.6 โวลต์ เยอร์มาเนียม 0.3 โวลต์ ไดโอดจะนำกระแสไฟฟ้า แต่ถ้าไบอัสไดโอดแบบรีเวอร์สจะไม่มี กระแสไฟฟ้าใหล แต่ถ้าโวลเต็จสูงถึงจุดหนึ่งคือจุดทำลายกระแสไฟฟ้าจะใหลผ่านไดโอดจำนวนมาก จนไดโอดเสียไป คือนำกระแสไฟฟ้าทั้งสองด้าน เรียกว่า ช๊อต หรือไม่นำกระแสไฟฟ้าเลย เรียกว่า ขาด

14. ID =1 ไบแอสไปหน้า VZ VT VD =1(Ge) =2(Si) IS ไบแอสย้อนกลับ สมการไดโอด • ISคือกระแสรั่วไหล • kคืออัตราส่วน 11,600/ - ในกราฟบริเวณกระแสต่ำๆ ใช้ = 1 สำหรับ Geและ = 2 สำหรับ Si- ในกราฟบริเวณกระแสสูงๆ ใช้ = 1 สำหรับทั้งGe และ Si • TKคืออุณหภูมิ (เคลวิน)

15. 25C ID 100C -75C VD ผลของอุณหภูมิต่อการทำงานของไดโอด (temperature effects) • กระแสรั่วไหล ISเพิ่มขึ้น 2 เท่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10C • เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แรงดันขีดเริ่มเปลี่ยน VTจะลดลง หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่าในย่านการไบแอสไปหน้า ไดโอดมีความเป็นอุดมคติมากขึ้น • ในย่านการไบแอสย้อนกลับ ไดโอด จะทนแรงดันย้อนกลับได้มากขึ้น แต่จะมีกระแสรั่วไหลมากขึ้นด้วย

16. การเลือกใช้ซิลิคอนไดโอดและเยอร์มาเนียมไดโอด การใช้ข้อมูลจากโรงงานผู้ผลิต IF คือ กระแสไฟฟ้าฟอร์เวอส์สูงสุด IF(AV) คือ กระแสไฟฟ้าสูงสุดรวมทั้งส่วนที่เป็นเอซีด้วย VF คือ โวลเต็จคร่อมไดโอด VRRM คือ รีเวอส์ไบอัสโวลเต็จสูงสุดก่อนจะถูกทำลาย PIV คือ พีคอินเวอส์ไบอัสโวลเต็จ เหมือน VRRM รายการ ซิลิคอนไดโอด เยอร์มาเนียมไดโอด โวลเต็จตกคร่อม 0.6 0.3 อุณหภูมิสูงสุด 160 องศาเซลเซียส 80 องศาเซลเซียส กระแสรั่วใหล ปานกลาง น้อย มาก

17. ตัวอย่าง 1 วงจรเรียงกระแสไฟฟ้าแบบครึ่งคลื่น 240 V ต้องการกระแสไฟฟ้า 12 A ใช้ไดโอดอะไร IF(AB) = 12 A VRRM = ระวัง 240 V a.c. เป็นค่า r.m.s. จากไฟฟ้าบ้าน ได้พีคโวลเต็จ เป็น 240 x 1.414 = 340 V หรือสูงกว่า ใช้ไดโอดเบอร์ BYX42 -600 เหมาะที่สุดเพราะ กระแสสูงสุด 12 A โวลเต็จสูงสุดเป็น 600 V

18. การประยุกต์ใช้ไดโอดทางปฏิบัติ วงจรป้องกัน วงจรป้องกันการผิดขั้วบวกลบ เครื่องใช้อิเล็คทรอนิกส์ถ้าต่อแหล่งจ่ายไฟให้ผิดขั้ววงจรภายในจะชำรุดทันที จำเป็นต้องมี วงจรสำหรับป้องกันจ่ายไฟผิดขั้ว ไดโอดเป็นอุปกรณ์นำกระแสไฟฟ้าทางเดียวจึงใช้ทำหน้าที่นี้ได้ดี

19. วงจรป้องกันโวลเต็จเกิน หรือแบคอีเอ็มเอฟ เมื่อสวิตช์ตัดกระแสไฟจะมีแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้น เพราะอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้ายุบตัวลงตาม กระแสไฟฟ้าที่ถูกตัด มีทิศกลับขั้วกับแรงดันไฟฟ้าเดิมเรียกว่า แรงดันย้อนกลับ สามารถทำลาย ทรานซิสเตอร์หรืออุปกรณ์อื่น ๆ ได้ จึงใช้ไดโอดต่อให้นำไฟฟ้าเมื่อเกิดแรงดันย้อนกลับ แต่ไม่นำกระ แสไฟฟ้าเมื่อทำงานตามปกติ เพราะต่อขั้วให้ไม่นำกระแสปกติ แต่นำกระแสย้อนกลับ

20. การประยุกต์ใช้ไดโอดทางปฏิบัติ วงจรเรียงกระแสไฟฟ้า ไดโอดเรียงกระแสไฟฟ้าครึ่งคลื่น ต่อขั้วแอโนดเข้าที่ไฟฟ้ากระแสสลับจะมีไฟฟ้าใหลออกเพียงซีกบวกซีกเดียวไปทางขั้วแคโทดของ ไดโอด ไดโอดจึงทำหน้าที่เรียงไฟฟ้ากระแสสลับซีกบวกให้ต่อกัน ขั้วทางออก(แคโทด)ของไดโอดจึงเป็นขั้ว บวกของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงจากไฟฟ้ากระแสสลับ ส่วนอีกสายหนึ่งของไฟฟ้ากระแสสลับก็จะเป็นขั้ว ลบของแหล่งจ่ายไฟฟ้านี้

21. ไดโอดเรียงกระแสไฟฟ้าเต็มคลื่นชนิดต่างเฟสไดโอดเรียงกระแสไฟฟ้าเต็มคลื่นชนิดต่างเฟส วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นชนิดต่างเฟส ใช้หม้อแปลงไฟฟ้าช่วยกลับเฟส ของไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้หม้อแปลงต้องมี 3 ขั้ว คือ ขั้วเฟสแรก ขั้วกึ่งกลาง ขั้วเฟส หลัง โดยไฟฟ้ากระแสสลับที่ขั้วเฟสแรกจะมีเฟสตรงข้ามกับขั้วเฟสหลังเมื่อเทียบกับขั้วกึ่ง กลาง

22. ลักษณะการทำงาน เมื่อลูกคลื่นบวกไปที่ขั้วเฟสแรกจะผ่านไดโอดตัวแรกออกไปที่เอ้าพุทเมื่อลูกคลื่น บวกผ่านไป ก็จะมีลูกคลื่นลบมาแทนที่ลูกคลื่นลบนี้ผ่านไดโอดแรกไม่ได้ จากการกลับเฟสของ หม้อแปลงไฟฟ้า ขณะนี้ขั้วเฟสหลังจะมีลูกคลื่นบวกมาถึงและผ่านไดโอดตัวหลังออกไปที่เอ้าพุท ต่อจากลูกคลื่นบวกลูกแรก ทำให้ 1 ลูกคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับมีลูกคลื่นซีกบวกปรากฏที่เอ้าพุท 2 ลูก ทำให้ดีซีเอ้าพุทไม่เรียบมีความถี่เป็น 2 เท่าของอินพุท ถ้าความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับอินพุทเป็น 50 Hz ความถี่ของดีซีเอ้าพุทไม่เรียบเป็น 100 Hz ความถี่ที่สูงขึ้นนี้เป็นผลดีต่อการฟิลเตอร์ ให้กระแสไฟฟ้าเรียบ เพราะคาปาซิเตอร์สามารถนำไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงได้ดีกว่าไฟฟ้า กระแสสลับความถี่ต่ำกว่า

23. ที่มาของข้อมูล http://pibul2.psru.ac.th/~prasit/elect http://www.physics.sci.rit.ac.th/charud/scibook/electroic http://203.154.220.125/courses/5513101