สารกึ่งตัว นําและไดโอด
(Semiconductor and Diode)
หัว ขอเรื่อง
1.1 โครงสรางของสารกึ่งตัวนํา
1.2 หลักการทํางานของสารกึ่งตัวนํา
1.3 ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของสารกึ่งตัวนํา
1.4 โครงสรางและสัญลักษณของไดโอด
1.5 หลักการทํางานของไดโอด
1.6 ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของไดโอด
สาระสําคัญ
สารกึ่งตัวนํา หรือ Semiconductor เปนองคประกอบสําคัญในการผลิตอุปกรณอิเล็กทรอนิกส
ที่ มี ใ ช อ ยู ใ นป จ จุ บั น และนํ า อุ ป กรณ เ หล า นี้ ไ ปประยุ ก ต ใ ช ใ นการออกแบบวงจรต า ง ๆ มากมายเพื่ อ
ตอบสนองความตองการของมนุษยในการสรางเครื่องมืออิเล็กทรอนิกสเพื่อใชอํานวยความสะดวกใน
ชีวิตประจําวัน ดังนั้นการศึกษาเกี่ยวกับอุปกรณอิเล็กทรอนิกสชนิดตาง ๆ จึงจําเปนตองทําความเขาใจ
เนื้อหาพื้นฐานสวนสําคัญกอนนั่นคือ “สารกึ่งตัวนํา” ซึ่งสาระสําคัญในหนวยนี้จะกลาวถึง โครงสราง
หลักการทํางาน และลักษณะสมบัติทางไฟฟาของสารกึ่งตัวนํา ไดโอด รวมถึงสาระแวดลอมที่เกี่ยวของ
เชื่อมโยงกับอุปกรณอิเล็กทรอนิกสชนิดตาง ๆ
สมรรถนะอาชีพ
1. แสดงความรูเกี่ยวกับโครงสราง หลักการทํางาน และลักษณะสมบัติทางไฟฟาของสารกึ่งตัวนํา
2. แสดงความรูเกี่ยวกับโครงสราง หลักการทํางาน และลักษณะสมบัติทางไฟฟาของไดโอด
3. แสดงความรูเกี่ยวกับการอานและเขียนสัญลักษณของไดโอด
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 2
4. แสดงความรูเกี่ยวกับการวัดและทดสอบไดโอด
5. ปฏิบัติงานทดลองเพื่ออธิบายถึงหลักการทํางานของสารกึ่งตัวนําและไดโอด
6. นอมนําหลักปรัชญาของเศรษฐกิจพอเพียงไปใชในการปฏิบัติงาน
วัตถุประสงคเชิงพฤติกรรม
1. บอกโครงสรางของสารกึ่งตัวนําได
2. อธิบายหลักการทํางานของสารกึ่งตัวนําได
3. บอกลักษณะสมบัติทางไฟฟาของสารกึ่งตัวนําได
4. บอกโครงสรางของไดโอดได
5. อธิบายการหลักทํางานของไดโอดได
6. บอกลักษณะสมบัติทางไฟฟาของไดโอดได
7. ตอวงจรทดลองการทํางานของสารกึ่งตัวนําและไดโอดได
8. ใชมัลติมิเตอรวัดและอานคาแรงดันไฟฟาได
9. ใชมัลติมิเตอรวัดและอานคากระแสไฟฟาได
10. มีคุณธรรมจริยธรรม แสดงเจตคติและพฤติกรรมลักษณะนิสัยในการปฏิบัติงานดวยความ
รับผิดชอบ ซื่อสัตย ใฝรู มีความคิดริเริ่มสรางสรรค ละเอียด รอบคอบ ปลอดภัย และ
ทํางานรวมกับผูอื่นได
สารกึ่งสารกึ่งตัวนําตัวนํแาละไดโอด 3
บทนํา
อุปกรณอิเล็กทรอนิกสที่ใชกันอยูในปจจุบันสวนใหญผลิตขึ้นมาจากสารกึ่งตัวนํา เชน ไดโอด
ทรานซิสเตอร ไทริสเตอร ฯลฯ ดังนั้นการศึกษาความรูพื้นฐานเกี่ยวกับสารกึ่งตัวนําจึงเปนสิ่งสําคัญในการ
ทําความเขาใจถึงหลักการทํางาน และลักษณะสมบัติทางไฟฟาของอุปกรณอิเล็กททรอนิกสชนิดตาง ๆ
รวมถึงเปนสวนหนึ่งในการวิเคราะหหาสาเหตุเพื่อแกปญหาที่เกิดขึ้นในวงจรอิเล็กทรอนิกสไดเปนอยางดี
1.1 โครงสรางของสารกึ่ง ตัว นํา
สารกึ่งตัวนํา คือ สารที่มีระดับความนําจําเพาะอยูระหวางตัวนํากับฉนวน กลาวคือบางสภาวะ
จะทําตัวเปนฉนวนไฟฟาและบางสภาวะจะทําตัวเปนตัวนําไฟฟา เชน ซิลิกอน เจอรเมเนียม เทลลูเนียม
เปนตน สารดัง กล าวเหล านี้มี คุณสมบัติ เปนสารกึ่งตัว นํา คือ มีจํ านวนอิ เล็ กตรอนอิ ส ระอยูน อยจึ งไม
สามารถใหกระแสไฟฟาไหลเปนจํานวนมาก ฉะนั้นลําพังสารนี้อยางเดียวแลวไมสามารถทําประโยชนอะไร
ไดมาก ดังนั้นเพื่อที่จะให ไดกระแสไฟฟ าไหลเปนจํานวนมากเราจึงตองมีการปรุงแตงโดยการเจื อปน
อะตอมของธาตุอื่นลงไปในเนื้อสารเนื้อเดียวเหลานี้ หรือเอาอะตอมของธาตุบางชนิดมาทําปฏิกิริยากันให
ไดสารประกอบที่มีคุณสมบัติตามที่ตองการ สารกึ่งตัวนําที่สสรรางขึ้นโดยวิธีดังกลาวนี้เรียกวา สารกึ่งตัวนํา
ไมบริสุทธิ์ หรือสารกึ่งตัวนําแบบสารประกอบตามลํ
แบบสารปร
าดับ ซึ่งจะเปนสารที่นนํําไปใชในการสรางอุปกรณทาง
อิเล็กทรอนิกสตาง ๆ เชน ไดโอด ทรานซิสเตอร ฯลฯ การคนพบสารกึ่งตัวนํา นับเปนการคนพบที่ยิ่งใหญ
จนอาจกลาวไดวาเปนการปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกสเลยทีเดียว
ในทางไฟฟาสามารถจําแนกลักษณะของสารไดเปน 3 กลุม นั่นคือ ตัวนํา ((Conductor) ฉนวน
(Insulator) และสารกึ่งตัวนํา (Semiconductor) ซึ่งแตละชนิดจะมีโครงสรางของอะตอมไมเหมือนกันดัง
แสดงตามภาพที่ 1.1
อิเล็กตรอน
(ก) ตัวนําไฟฟา
นิวเคลียส
(ข) สารกึ่งตัวนํา
(ค) ฉนวน
ฉนวนไฟฟา
ภาพที่ 1.1 โครงสรางอะตอมของ ตัวนําไฟฟา สารกึ่งตัวนํา และฉนวนไฟฟ
ไฟฟา
สารกึ่งสารกึ่งตัวนําตัวนํแาละไดโอด 4
จากภาพที่ 1.1 ตัวนําไฟฟา คือ วัตถุที่โครงสรางอะตอมมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 1-2 ตัว ยอมให
ประจุไฟฟา (อิอิเล็กตรอนอิสระ)
การเคลื่อนที่ของประ
ระ เคลื่อนที่ผานไดอยางสะดวกหรือตานทานการเคลื
องประจุไดนอย
เชน โลหะชนิดตาง ๆ โลหะที่นําไฟฟาไดดีที่สุด คือ เงิน สวนสารกึ่งตัวนํา จะมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว
และฉนวนไฟฟาจะมี
จึงมีสภาวะอยูระหวางตัวนําและฉนวน สามารถนําไฟฟาไดใในสภาวะที
นสภาวะที่เหมาะสม แล
อิเล็กตรอนวงนอกสุด 7-8 ตัว มีคุณสมบัติไมยอมใหประจุไฟฟาเคลื่อนที่ผานวัตถุนั้นไดอยางสะดวกหรือ
ตานทานการเคลื่อนที่ของประจุไดมาก เชน ยาง กระเบื
กระ ้อง แกว เปนตน
1.1.1 สารกึ่งตัว นําชนิดซิลิกอน
ซิลิกอน (Silicon)
Silicon) มีสารกึ่งตัวนําแตกตางกันหลายชนิดแตซิลิกอน ซึ่งเปนสวนประกอบ
อนมีอิเล็กตรอนวงในสุดจํานวน 2 อิเล็กตรอน
ของทรายเปนที่รูจักกันแพรหลายมากที่สุด อะตอมของซิลิกอนมี
วงถัดมามีอิเล็กตรอนจํานวน 8 อิเล็กตรอน และในเปลือก (Shell) นอกสุดเรียกวาวาเลนซอิเล็กตรอน
มีอิเล็กตรอนจํานวน 4 อิเล็
เล็กตรอน ซึ่งสามารถเชื่อมตอกับอะตอมขางเคียงไดอีก 4 อิเล็กตรอน เรียกวา
อิเล็กตรอนรวม (Share
Share Electrons) กลุมของอะตอมซิลิกอนจะรวมกลุม (Share) อิเเล็ล็กตรอนของเปลือก
อนดังแสดงตาม
นอกสุดจะเกาะกันเปนรูปผลึก (Crystal) ลักษณะรูปราง และโครงสรางอะตอมของซิซิลิกอน
ภาพที่ 1.2
2
4
Si
8
(ข) โครงสรางอะตอม (2,8,4)
(ก) รูปราง
ภาพที่ 1.2 รูปราง และโครงสรางอะตอมของซิลิกอน
1.1.2 สารกึ่งตัว นําชนิดเจอรเมเนียม
ถาจะกลาวถึงการคนพบครั้งสําคัญทางเคมีนั้น การคนพบธาตุเเจอร
จอรเมเนียม (germanium)
ก็ ค วรจะต อ งจั ด เป น หนึ่ ง ในการค น พบดั ง กล า วนั้ น เช น กั น และในป จ จุ บั น นี้ เจอร เ มเนี ย ม กํ า ลั ง มี
ความสําคัญมากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะอยางยิ่งในดานอุ
นฐานะสารกึ่งตัวนํา
น ตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกสใในฐานะสารกึ
เจอร เ มเนี ย มเป
เป น ธาตุ กึ่ ง โลหะ ลั ก ษณะโครงสร า งคล า ยเพชรหรื อ ซิ ลิ ก อน กล า วคื อ อะตอมของ
5
สารกึ่งสารกึ่งตัวนําตัวนํและไดโอด
า
เจอร เมเนียมซึ่งมีอิเล็ กตรอนวงนอกสุ
กตรอนวงนอก ด 4 ตัว จะสร างพั นธะกับ อะตอมเจอร
เจอรเมเนียมมตัว อื่ น ๆ จนมี
อิเล็กตรอนวงนอกสุดครบ 8 ตัว ไมเหลืออิเล็กตรอนอิสระในโครงสราง ทําใหผลึกเจอรเมเนียมมบริสุทธิ์ไม
นําไฟฟา ลักษณะรูปราง และโครงสรางอะตอมของเจอร
งอะตอมของ เมเนียม ดังแสดงตามภาพที่ 1.3
2
18
Ge
8
4
(ก) รูปราง
(ข) โครงสรางอะตอม (2,8,18,4)
ภาพที่ 1.3 รูปราง และโครงสรางอะตอมของเจอรเมเนียม
1.1.3 สารกึ่งตัว นําชนิด P และ N
และเจอรเมเนียมดังที่
สารกึ่งตัวนําบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) ไดแก ซิลิกอน และ
กลาวมาขางตนจะมีสภาพการนําไฟฟาที่ไมดี เพราะอิเล็กตรอนวงนอกจะจับตัวรวมกัน โดยใชอิเล็กตรอน
รวมกัน เพื่อใหเกิดภาวะเสถียร เสมือนมีอิเล็กตรอนวงนอก 8 ตัวจึงไมเหมาะตอการใชงาน ดังนั้นในทาง
านโดยการเติม
ปฏิบัติจึงมีการเติมสารอื่นเขาไป เพื่อใหเกิดสภาพนําไฟฟาาทีที่ดีกวาเดิมเหมาะกับการใชงาน
สารเจือปนลงไป หรือที่เรียกกันทับศัพทวา “การโดป” (Doping) การโดปสารนั
สารนั้น จะมีได 2 ลักษณะคือ
สารกึ่งตัวนํา ชนิด P (Positive-type Semiconductor) คือ การเติ
เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวง
ม
นอกสุด 3 ตัว เชน โบรอน อลูมิเนียม หรือแกลเลียมลงไป
จากเดิมที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว ทําใหมี
อิเล็กตรอน 7 ตัว เกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอนคือจะมีที่วางของอิเล็กตรอนซึ่งเรียกวา โฮล (Hole) มากกวา
จํานวนอิเล็กตรอนอิสระ จึงทําใหสารกึ่งตัวนําชนิด P พยายามดึงอิเล็กตรอนเขามาดดวยเหตุที่โฮลมีสภาพ
เปนประจุไฟฟาบวกและเปนพาหะสวนใหญของสาร สวนอิเล็กตรอนจะเปนพาหะสวนนอย โครงสรางของ
สารกึ่งตัวนําชนิด P ดังแสดงตามภาพที่ 1.4
สารกึ่งสารกึ่งตัวนําตัวนํแาละไดโอด 6
โบรอน
โฮล
Si
Si
B
Si
Si
ภาพที่ 1.4 โครงสรางสารกึ่งตัวนําชนิด P
สารกึ่งตัวนํา ชนิด N (Negative-type Semiconductor) คือการเติ
เติมสารที่มีอิเล็กตรอน
วงนอกสุด 5 ตัว เชน สารหนู หรือฟอสฟอรัสลงไป จากเดิมที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว ทําใหมี
อิเล็กตรอน 9 เกิดสภาวะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกวาจํานวนของโฮล จึงทําใหสารกึ่งตัวนําชนิด N พยายาม
ที่จะปลอยอิเล็กตรอนสวนที่เกินออกไปด
ออกไปดวยเหตุที่อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟาลบและเปนพาหะสวนใหญ สวน
โฮลเปนพาหะสวนนอยของสาร โครงสรางของสารกึ่งตัวนําชนิด N ดังแสดงตามภาพที่ 1.5
อิเล็กตรอนอิสระ
อะตอมของสารหนู
Si
Si
As
Si
Si
ภาพที่ 1.5 โครงสรางสารกึ่งตัวนําชนิด N
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 7
1.2 หลักการทํางานของสารกึ่งตัว นํา
เมื่อนําสารกึ่งตัวนําชนิด P และ สารกึ่งตัวนําชนิด N มาเชื่อมตอกัน จะเกิดการรวมตัวระหวาง
อิเล็กตรอนและโฮลบริเวณใกลรอยตอนั้น โดยอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนําชนิด N จะรวมตัวกับโฮลของสาร
กึ่งตัวนําชนิด P ทําใหอะตอมบริเวณรอยตอของสารกึ่งตัวนําชนิด N จะขาดอิเล็กตรอนไปเกิดเปนสภาวะ
เปนประจุไฟฟาบวก ซึ่งจะตานการเคลื่อนที่ของโฮล ในขณะที่อะตอมบริเวณรอยตอของสาร P จะมี
อิเล็กตรอนเกินมา ทําใหมีประจุไฟฟาลบซึ่งจะผลักอิเล็กตรอนอิสระที่จะวิ่งขามมาทางฝงของสาร P ดัง
แสดงตามภาพที่ 1.6 บริเวณดังกลาวจึงเปนบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) โดยจะเสมือน
กําแพงกั้นไมใหอิเล็กตรอน และโฮลของอะตอมอื่นๆ ภายในสารกึ่งตัวนํามารวมกัน ถาตองการใหพาหะ
ทั้งสองฝงมารวมตัวกัน จะตองใหแรงดันไฟฟาแกส ารใหมากกวาระดับแรงดันไฟฟา ซึ่งเกิดจากประจุ
บริเวณรอยตอ โดยถาเปนสารกึ่งตัวนําที่ทํามาจากซิลิกอน ระดับแรงดันดังกลาวจะอยูประมาณ 0.7 โวลต
และ ในกรณี ส ารกึ่ ง ตั ว นํ า ที่ ทํ า มาจากเจอร เ มเนี ย ม ระดั บ แรงดั น ดั ง กล า วจะมี ค า ต่ํ า กว า โดยจะมี
คาประมาณ 0.3 โวลต
โฮล
+ +
+ P
+
+ + -
+
+
+
+
- - - N - -
อิเล็กตรอน
บริเวณปลอดพาหะ
ภาพที่ 1.6 การทํางานของสารกึ่งตัวนําบริเวณรอยตอ P-N
1.3 ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของสารกึ่งตัว นํา
เมื่อทําการโดปสารเพื่อสรางสภาวะทางไฟฟาใหกับซิลิกอนหรือเจอรเมเนียมใหเกิดสาร P และ
สาร N แลว จะเห็นวาเราสามารถควบคุมการนําไฟฟาของสารกึ่งตัวนําได ดังนั้นถาเรานําสารกึ่งตัวนํามา
เปนสวนประกอบของอุปกรณอิเล็กทรอนิกส เราก็จะสามารถควบคุมการนําไฟฟาของอุปกรณเหลานั้นได
เชนกัน ซึ่งการจายกระแสไฟฟาเขาสูวงจรรอยตอ P-N เพื่อใหเกิดการควบคุมทางไฟฟาในสารกึ่งตัวนํา
เรียกวา “การไบอัส” (Bias) สามารถทําได 2 ลักษณะดังนี้
8
สารกึ่งสารกึ่งตัวนําตัวนํและไดโอด
า
1.3.1 การไบอัสตรง (Forward Bias)
การไบอัสตรง คือ การ
การจายแรงดันใหแกสารในลักษณะตตอขั้วบวกของแบตเตอรี่เขากับ
สารกึ่งตัวนําชนิด P และตอขั้วลบเขากับสารกึ่งตัวนําชนิด N จะทําใหอิเล็กตรอนมีพลังงานเพิ่มมากขึ้น
โดยถาแรงดันแบตเตอรี่ที่จายมีระดับแรงดันสูงกวาแรงดันตานกลับบริเวณรอยตอก็จะทําใหอิเล็กตรอนมี
พลังงานสูงพอที่จะขามมายังฝงตรงขามได เกิดมีกระแสไฟฟาไหล ซึ่งในสภาวะสมดุลที่รอยตอสารกึ่ง
ตัวนําชนิดซิลิ กอนจะมีความตางศักยที่บริเวณปลอดพาหะประมาณ 0.7 โวลต และสารกึ่งตัวนําชนิด
แรงดันในลักษณะ
เจอรเมเนี
เนียมจะมีความตางศักยบริเวณปลอดพาหะประมาณ 0.3 โวลต เราเรียกการตอแร
นี้วา การไบอัสตรง ดังแสดงตามภาพที่ 1.7
บริเวณปลอดพาหะ
+
P
N
-
กระแสอิเล็กตรอน
+ ภาพที่ 1.7 ลักษณะการไบอัสตรง
1.3.2 การไบอัสกลับ (Reveres Bias)
การไบอัสกลับ หรือเรียกวา รีเวิรสไบอัส คือ การจายแรงดันไฟฟาใหกับสาร P และสาร
N แบบกลับขัว้ โดยจจายแรงดันใหแกสารในลักษณะตอขั้วลบของแบตเตอรี
ของแบตเตอรี่เขากับสารกึ่งตัวนําชนิด P และ
ตอขั้วบวกเข
เขากับสารกึ่งตัวนําชนิด N จะทําใหเกิดการฉุดรั้งอิเล็กตรอนไมใหขามบริ
บริเวณปลอดพาหะ
วณปลอดพาหะมายัง
ฝงของสาร P ทําใหไมเกิดกระแสไหล ดังแสดงตามภาพที่ 1.8
บริเวณปลอดพาหะ
+ P -- ---
++
++ N
++
-
- +
ภาพที่ 1.8 ลักษณะการไบอัสกลับ
กวางขึ้น
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 9
ในสภาวะไบอัสกลับนี้พาหะสวนนอย คือ อิเล็กตรอนในสาร P และ โฮลในสาร N จะถูก
กระตุนจากแบตเตอรี่ใหมารวมกัน ทําใหเกิดกระแสไหลแตมีปริมาณนอยมากมีคาเปน ไมโครแอมปหรือ
นาโนแอมป เราเรียกกระแสนี้วา กระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยสารกึ่งตัวนําชนิดซิลิกอนจะมี
ขนาดของกระแสรั่วไหลต่ํากวาเจอรเมเนียม และแรงดันตกครอมบริเวณรอยตอ P-N จะมีคาเทากับ
แรงดันไฟฟาที่จายมาจากแบตเตอรี่
ไดโอด (Diode)
ไดโอดเปนอุปกรณที่สรางจากสารกึ่งตัวนํา P และ N โดยมีลักษณะโครงสรางเปนการนําสารกึ่ง
ตัวนํา P เชื่อมตอกับสารกึ่งตัวนํา N ทําใหเกิดรอยตอ (Junction) ตรงกลาง ลักษณะการทํางานทั่วไปจะ
ยอมใหกระแสไฟฟาไหลผานตัวมันไดทิศทางเดียว รูปรางลักษณะของไดโอด แสดงตามภาพที่ 1.9
K
A
K
A
K
A
A
K
A
K
K
A
K
K
A
A
K K
K
K
A
A
ภาพที่ 1.9 รูปรางลักษณะของไดโอดแบบตาง ๆ
ขั้วบวก (A)
แถบสีเทาขั้วลบ (K)
แอโนด
แคโธด
(ก) ไดโอดชนิดซิลิกอน
แถบสีดําขั้วลบ (K)
ขั้วบวก (A)
แอโนด
(ข) ไดโอดชนิดเจอรเมเนียม
ภาพที่ 1.10 แถบสีแสดงขั้วของไดโอด
แคโธด
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 10
1.4 โครงสรางของไดโอด
โครงสรางของไดโอดเกิดขึ้นจากการนําสารกึ่งตัวนําชนิด P และสารกึ่งตัวนําชนิด N มาเชื่อมตอ
กันเรียกวา พีเอ็นจังกชัน (P-N Junction) ซึ่งการเชื่อมตอแบบนี้ทําใหเกิดจุดเชื่อมตอ 1 จุดหรือ 1 รอยตอ
จึงจัดวาไดโอดเปนอุปกรณสารกึ่งตัวนําชนิดรอยตอเดียว โครงสรางของไดโอดแสดงตามภาพที่ 1.11
พีเอ็นจังกชัน
แอโนด +
A
P
N
- แคโธด
K
ภาพที่ 1.11 โครงสรางของไดโอด
จากภาพที่ 1.11 จะเห็นวาไดโอดมีขาในการตอใชงานจํานวน 2 ขา คือขาแอโนด (Anode: A)
หรือขั้วบวกซึ่งเชื่อมตอออกมาจากสาร P และขาแคโธด (Cathode: K) หรือขั้วลบซึ่งเชื่อมตอออกมาจาก
สาร N และสัญลักษณของไดโอดแสดงตามภาพที่ 1.12
A
K
ภาพที่ 1.12 สัญลักษณของไดโอด
1.5 หลักการทํางานของไดโอด
การทํางานของไดโอดจะมี 2 สภาวะเปรียบเสมือนกับสวิตชตัดตอวงจรคือ สภาวะนํากระแส
หรื อ ต อ วงจร กระแสไฟฟ า จะสามารถไหลผ า นตั ว ไดโอดได และสภาวะไม นํ า กระแสหรื อ ตั ด วงจร
กระแสไฟฟาจะไมสามารถไหลผานตัวไดโอดได การทํางานจะเปนสภาวะใดนั้นขึ้นอยูกับการจายแรงดัน
เขาไปที่ขั้วของไดโอดกลาวคือ ถาจายแรงดันที่มีขั้วตรงกับขั้วของไดโอด คือจายแรงดันไฟบวกเขาที่ขา
แอโนด และจายแรงดันไฟลบเขาที่ขาแคโธดไดโอดจะสามารถนํากระแสได การจายแรงดันลักษณะนี้
เรียกวา การไบอัสตรง (Forward Bias) และถาหากแรงดันที่จายใหกับไดโอดมีขั้วไมตรงกับขั้วของไดโอด
คือจายแรงดันไฟบวกเขาที่ขาแคโธด และจายไฟลบเขาที่ขาแอโนดของไดโอดจะทําใหไดโอดไมนํากระแส
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 11
เรียกการจายแรงดันแบบนี้วา การไบอัสกลับ (Reveres Bias) ลักษณะการตอวงจรไบอัสไดโอดแสดงตาม
ภาพที่ 1.13
A
K
+
K
-
(ก) วงจรไบอัสตรง
A
+
-
(ข) วงจรไบอัสกลับ
ภาพที่ 1.13 การตอวงจรไบอัสไดโอด
1.6 ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของไดโอด
ไดโอดทีน่ ิยมใชงานในปจจุบัน มี 2 ชนิด คือ
1. ไดโอดที่ทําจากสารกึ่งตัวนําชนิดซิลกิ อนเรียกวา ซิลกิ อนไดโอดเปนไดโอดที่ทนกระแสไฟได
สูงและสามารถใชงานไดในที่มีอุณหภูมิสูงถึง 200°C นิยมนําไดโอดชนิดนี้ไปใชในวงจรเรียงกระแสหรือ
วงจรเปลี่ยนไฟฟากระแสสลับเปนไฟฟากระแสตรง
2. ไดโอดทีท่ ําจากสารกึ่งตัวนําชนิดเจอรเมเนียมเรียกวา เจอรเมเนียมไดโอด ไดโอดแบบนี้ทน
กระแสไดต่ํากวาแบบซิลิกอน ทนความรอนไดประมาณ 85°C ไดโอดแบบเจอรเมเนียมใชไดดีในวงจรที่มี
ความถี่สูง นิยมนําไดโอดแบบนี้ไปใชในวงจรแยกสัญญาณหรือวงจรผสมสัญญาณ
ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของไดโอดทั้งสองชนิดจะมีลักษณะที่คลายคลึงกันนั่นคือ ถาเราปอน
แรงดันไฟฟาใหกับไดโอด โดยการเพิ่มแรงดันไฟฟาที่แหลงจายจาก 0 โวลต ชวงแรกไดโอดจะยังไมทํางาน
คือไมมีกระแสไฟฟาไหลผานตัวมัน เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟาถึง 1 โวลตกระแสไฟฟาก็ยังก็ยังคงไมสามารถ
ไหลผานรอยตอ P-N ของไดโอดได เนื่องจากตรงรอยตอระหวางสารกึ่งตัวนําประเภทพีและประเภทเอ็น
ยังมีแนวศักยไฟฟาขวางกั้นอยู เพื่อใหแนวศักยไฟฟาขวางกั้นลดลง ตองใหแรงดันไฟฟาสูงกวาคาของแนว
ศักยไฟฟ าขวางกั้น กระแสไฟฟ าจึงจะสามารถไหลผานไดโอดได ในกรณีของซิลิกอนไดโอดจะตองมี
แรงดันไฟฟาตกครอมบริเวณรอยตอ P-N ตั้งแต 0.5 - 0.7 โวลต จึงจะมีกระแสไฟฟาไหลผานในตัวไดโอด
และสําหรับไดโอดชนิดเจอรเมเนียมจะตองมีแรงดันไฟฟาตกครอมบริเวณรอยตอ P-N ตั้งแต 0.2 - 0.3
โวลต จึงจะมีกระแสไฟฟาไหลผานได ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของไดโอดแสดงในกราฟตามภาพที่ 1.14
สารกึ่งตัวนํสารกึ
าตัวนํ่งา
และไดโอด 12
IF
ชวงแรงดันพังทลาย
-VR
แรงดัน
ไบอัสกลับ
ไบอัส
กลับ
ไบอัส
ตรง
ไดโอดเริ่มนํากระแส
VF
VF
0.3-0.7 V
-IR
ภาพที่ 1.14 กราฟแสดงลักษณะสมบัติทางไฟฟาของไดโอด
สรุป
สารกึ่ง ตัว นํา ไดแ กซิลิก อน และเจอรเ มเนีย มนั
ม บ เปน ธาตุที่มีค วามสํา คัญ มากในวงการ
อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส อุปกรณอิเล็กทรอนิกสสว นใหญลว นมีสว นประกอบของสารกึ่งตัว นําอยู
ภายในยกตัว อยา งเชน ไดโอด อยา งไรก็ต ามสารกึ
สารกึ่ง ตัว นํา จัด อยูใ นกลุม ของสารที่มีส ภาวะระหวา ง
ตัวนําและฉนวนสิสิ่งสําคัญในการสรางกระบวนการควบคุมทางไฟฟาจะตองทําการโดปสารเพื่อใหเกิด
สาร P และ สาร N กอนจึงจะสามารถกําหนดลักษณะสมบัติทางไฟฟาใหกับสารกึ่งตัว นําไดโ ดยการ
ใหไ บอัส ตรง หรือ ไบอัส กลับ เพื่อ เปน การควบคุม การนํา กระแสไฟฟา ของสารกึ่ง ตัว นํา และควบคุม
กระแสไฟฟาที่ไหลในวงจร
แหลงเรียนรูเพื่อทบทวนเนื้อหา
https://padlet.com/ksukasem/235
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 13
แบบฝกหัด
ชื่อหนว ย สารกึ่งตัวนําและไดโอด
ชื่อเรื่อง สัญลักษณของไดโอด
คําสั่ง จงฝกเขียนสัญลักษณของไดโอดจากแบบฝกหัดตอไปนี้ (5 คะแนน)
A
K
หนว ยที่
1
ครั้งที่
1
คาบรวม
3
เวลา 5 นาที
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 14
แบบฝกหัด
ชื่อหนว ย สารกึ่งตัวนําและไดโอด
ชื่อเรื่อง การเขียนวงจรไบอัสไดโอด
หนว ยที่
1
ครั้งที่
1
คาบรวม
3
เวลา 5 นาที
คําสั่ง จงเขียนวงจรการไบอัสไดโอดจากแบบฝกหัดตอไปนี้ (5 คะแนน)
1. วงจรไบอัสตรง
-
+
+
- +
-
- +
2. วงจรไบอัสกลับ
+
-
- +
+
-
- +
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 15
แบบฝกหัด
ชื่อหนว ย สารกึ่งตัวนําและไดโอด
ชื่อเรื่อง สารกึ่งตัวนําและไดโอด
หนว ยที่
1
ครั้งที่
1
คาบรวม
3
เวลา 10 นาที
คําสั่ง จงตอบคําถามจากโจทยตอไปนี้ (10 คะแนน)
1. สารกึ่งตัวนํา หมายถึง
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
2. โครงสรางของสารกึ่งตัวนํามีลักษณะอยางไร
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
3. สารกึ่งตัวนํามีลักษณะสมบัติทางไฟฟาอยางไร
......................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
4. สารกึ่งตัวนําชนิด P มีวิธีการสรางอยางไร
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
5. สารกึ่งตัวนําชนิด N มีวิธีการสรางอยางไร
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 16
แบบฝกหัด
ชื่อหนว ย สารกึ่งตัวนําและไดโอด
ชื่อเรื่อง สารกึ่งตัวนําและไดโอด
หนว ยที่
1
ครั้งที่
1
คาบรวม
3
เวลา 10 นาที
คําสั่ง จงตอบคําถามจากโจทยตอไปนี้
6. ไดโอดมีลักษณะโครงสรางอยางไร (เขียนรูปโครงสรางของไดโอด)
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
7. ไดโอดมีหลักการทํางานอยางไร
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
8. การไบอัสตรงใหไดโอดมีหลักการอยางไร
......................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
9. การไบอัสกลับใหไดโอดมีหลักการอยางไร
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
10. เมื่อไดโอดนํากระแสจะมีแรงดันตกครอมเทาไร
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 17
แบบฝกหัดที่ 4
หนว ยที่
1
ชื่อวิช า อุปกรณอิเล็กทรอนิกสและวงจร รหัส 2104-2102 ครั้งที่
1
ชื่อหนว ย สารกึ่งตัวนําและไดโอด
3
ชื่อเรื่อง สารกึ่งตัวนําและไดโอด
คาบรวม
เวลา 5 นาที
คําสั่ง จงทําเครื่องหมาย  หนาขอความที่เปนจริงและทําเครื่องหมาย  หนาขอความที่เปนเท็จ
(10 คะแนน)
_______ 1. สารกึ่งตัวนําจะนําไฟฟาไดในบางสภาวะ
_______ 2. สารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัวเรียกวาสารกึ่งตัวนํา
_______ 3. วาเลนซอิเล็กตรอน คืออิเล็กตรอนวงนอกสุด
_______ 4. การโดปสารคือการเติมสารเจือปนเพื่อใหสารกึ่งตัวนําสามารถนําไฟฟาได
_______ 5. สาร P คือสารกึ่งตัวนําที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 9 ตัว
_______ 6. สาร N คือสารกึ่งตัวนําที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 7 ตัว
_______ 7. ไดโอดนํากระแสไดทิศทางเดียว
_______ 8. ไดโอดนํากระแสไดเมื่อตอแบบไบอัสตรง
_______ 9. เมื่อไดโอดนํากระแสเปรียบเหมือนสวิตชตอวงจร
______ 10. การตอไบอัสกลับทําใหไดโอดมีแรงดันลดลง
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 18
ใบงานที่ 1
หนว ยที่
ชื่อวิช า อุปกรณอิเล็กทรอนิกสและวงจร รหัส 2104-2102 ครั้งที่
ชื่อหนว ย สารกึ่งตัวนําและไดโอด
คาบรวม
จํานวนคาบ
การศึกษาหลักการทํางานของสารกึ่งตัวนําและไดโอด
ชื่อใบงาน
วัตถุประสงคเชิงพฤติกรรม
1. ตอวงจรทดลองการทํางานของสารกึ่งตัวนําและไดโอดได
2. ใชมัลติมิเตอรวัดและอานคาแรงดันไฟฟาได
3. ใชมัลติมิเตอรวัดและอานคากระแสไฟฟาได
4. มีคุณธรรม จริยธรรม และความรับผิดชอบในการปฏิบัติงาน
เครื่องมือและอุปกรณ
1. เครื่องจายแรงดันไฟฟากระแสตรงขนาด 12 โวลต
จํานวน
1 เครื่อง
2. มัลติมิเตอร
จํานวน
2 เครื่อง
3. ตัวตานทานขนาด 1 k
จํานวน
1 ตัว
4. ไดโอดชนิดซิลิกอน เบอร 1N4001
จํานวน
1 ตัว
5. ไดโอดชนิดเจอรเมเนียม เบอร OA90
จํานวน
1 ตัว
6. หลอดอินแคนเดสเซนต ขนาด 12 โวลต 1 แอมป
จํานวน
1 ชุด
วงจรการทดลอง
VD
mA
12V +
ไดโอด
R 1k
หลอดอินแคนเดสเซนต
H1
VL
ภาพที่ 1.1 วงจรทดสอบหาคุณสมบัตกิ ารทํางานของสารกึ่งตัวนําและไดโอด
1
1
3
3
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 19
VD
mA
12V +
ไดโอด
R 1k
หลอดอินแคนเดสเซนต
H1
VL
ภาพที่ 1.2 วงจรทดสอบหาคุณสมบัตกิ ารทํางานของสารกึ่งตัวนําและไดโอด
ขอควรระวัง
1. ควรตรวจสอบความสมบูรณของอุปกรณทุกชิ้นกอนตอวงจรทดลอง
2. เมื่อตอวงจรเรียบรอยแลวควรใหครูผูสอนตรวจสอบความถูกตองของวงจรกอนจาย
กระแสไฟฟาเขาไปในวงจร
3. ควรอานลําดับขั้นการปฏิบัติงานใหเขาใจกอนลงมือปฏิบัติ
ลําดับขั้นการปฏิบัติงาน
1. ประกอบวงจรตามภาพที่ 1.1 ใชไดโอดชนิดซิลิกอน เบอร 1N4001
ภาพที่ 1.1 เปนการตอไดโอดแบบใด
ไบอัสตรง
ไบอัสกลับ
2. เปดแหลงจายไฟฟากระแสตรง 12 โวลต บันทึกผลของหลอดไฟ
หลอดสวาง
หลอดไมสวาง
3. วัดแรงดันไฟฟา (V) และกระแสไฟฟา (mA) บันทึกผลการทดลอง
แรงดันไฟฟา VD = …………… V
แรงดันไฟฟา VL = …………… V
กระแสไฟฟา I = …………… mA
4. เปลี่ยนไดโอดเปนชนิดเจอรเมเนียม เบอร OA90 (ควรปดแหลงจายไฟกอนเปลี่ยนไดโอด)
5. เปดแหลงจายไฟฟากระแสตรง 12 โวลต บันทึกผลของหลอดไฟ
หลอดสวาง
หลอดไมสวาง
6. วัดแรงดันไฟฟา (V) และกระแสไฟฟา (mA) บันทึกผลการทดลอง
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 20
แรงดันไฟฟา VD = …………… V
แรงดันไฟฟา VL = …………… V
กระแสไฟฟา I = …………… mA
7. ประกอบวงจรตามภาพที่ 1.2 ใชไดโอดชนิดซิลิกอน เบอร 1N4001
ภาพที่ 1.2 เปนการตอไดโอดแบบใด
ไบอัสตรง
ไบอัสกลับ
8. เปดแหลงจายไฟฟากระแสตรง 12 โวลต บันทึกผลของหลอดไฟ
หลอดสวาง
หลอดไมสวาง
9. วัดแรงดันไฟฟา (V) และกระแสไฟฟา (mA) บันทึกผลการทดลอง
แรงดันไฟฟา VD = …………… V
แรงดันไฟฟา VL = …………… V
กระแสไฟฟา I = …………… mA
10. เปลี่ยนไดโอดเปนชนิดเจอรเมเนียม เบอร OA90 (ควรปดแหลงจายไฟกอนเปลี่ยนไดโอด)
11. เปดแหลงจายไฟฟากระแสตรง 12 โวลต บันทึกผลของหลอดไฟ
หลอดสวาง
หลอดไมสวาง
12. วัดแรงดันไฟฟา (V) และกระแสไฟฟา (mA) บันทึกผลการทดลอง
แรงดันไฟฟา VD = …………… V
แรงดันไฟฟา VL = …………… V
กระแสไฟฟา I = …………… mA
คําถามทายการทดลอง
1. จงอธิบายหลักการทํางานของสารกึ่งตัวนํา
2. คุณสมบัติของไดโอดชนิดซิลิกอนกับเจอรเมเนียมตางกันอยางไร
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 21
สรุปผลการทดลอง
แนวทางการสรุปผลการทดลอง
ใหผูเรียนอธิบายคุณสมบัตกิ ารทํางานของสารกึ่งตัวนําและไดโอดจากวงจรการทดลอง
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 22
แบบประเมินผลงานการปฏิบัติงาน
คําชี้แจง ทําเครื่องหมาย  ลงในชองใหตรงกับความเปนจริง
ประเด็นที่ประเมิน
1. การเตรียมวัสดุอุปกรณ
ครบทุกชิ้น (3) ขาด 1 ชิ้น (2)
ขาดมากกวา 1 ชิ้น (1)
2. การใชและเก็บเครื่องมือ
เรียบรอย (3) ขาด 1 ชิ้น (2)
ขาดมากกวา 1 ชิ้น (1)
3. ปฏิบัติงานถูกตองตามขั้นตอน ถูกตอง (3)
ขามขั้นตอน (2)
ไมถูกตอง (1)
4. ความเรียบรอยของงาน
เรียบรอย (3)
เรียบรอยบางสวน (2) ไมเรียบรอย (1)
5. ผลงานถูกตอง
ถูกตอง (3)
ผิดบางขอ (2)
ไมถูกตอง (1)
พฤติกรรมที่ประเมิน
ชื่อ – นามสกุล
ขอที่ 1
ขอที่ 2
ขอที่ 3
ขอที่ 4
ขอที่ 5
เลขที่
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
(ลงชื่อ)......................................................ผูประเมิน
เกณฑการประเมิน
13 – 15
10 – 12
7–9
4–6
1–3
=
=
=
=
=
5
4
3
2
1
หมายถึง ดีมาก
หมายถึง ดี
หมายถึง ปานกลาง
หมายถึง พอใช
หมายถึง ปรับปรุง
สารกึ่งตัวนําและไดโอด 23
แบบประเมินคุณธรรมจริยธรรม/เจตคติ/คานิยม/เศรษฐกิจพอเพียง
ลงชื่อ ……………………………………….. ผูประเมิน
ครู
ผูรวมงาน
ตนเอง
ผูรว มประเมิน
1. ชื่อ-นามสกุล....................................................................................... เลขที่........... (ตนเอง)
2. ชื่อ-นามสกุล....................................................................................... เลขที่........... (ผูรวมงาน)
คําชี้แจง
1. ใหผูเรียนประเมินตนเองและใหผูรวมงาน 1 คนประเมินซึ่งกันและกันตามหัวขอในตาราง จํานวน
3 ขอ โดยมีเกณฑการใหคะแนนดังนี้
3 คะแนน หมายถึง ดีมาก 2 คะแนน หมายถึง ปานกลาง 1 คะแนน หมายถึง ควรปรับปรุง
2. ครูประเมินหาคาเฉลี่ยคะแนนของผูเรียนเปนรายบุคคลตอไป
ตารางประเมินคุณธรรมจริยธรรม/เจตคติ/คานิยม/เศรษฐกิจพอเพียง
ตามวัตถุ
คุณธรรมจริยธรรม/เจตคติ/
ลําดับ
พฤติกรรมที่แสดง
ประสงค
คานิยม/เศรษฐกิจพอเพียง
ขอที่
1 ความมีวินัยในการทํางาน
เขาเรียนตรงเวลา
4
มีอุปกรณการเรียนครบ
ไมสงเสียงดังรบกวน
แตงกายถูกตองตามระเบียบ
2 ซื่อสัตยและมีจิตสาธารณะ
ไมคัดลอกผลงานผูอื่น
4
ใหคําแนะนําชวยเหลือ
เสนอความคิด มีสวนรวม
3 ประหยัดในการใชทรัพยากร ใชพลังงาน/วัสดุอุปกรณ
4
ตนเองและสวนรวม
อยางประหยัด
คะแนนรวม
คะแนนเฉลี่ยรวม