ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 1

บทท 2 สารกงตวนาและไดโอด• แนวความคดของอะตอม

• การนาไฟฟาในของแขง

• ความเขาใจเกยวกบคณสมบตของตวนา สารกงตวนาและฉนวน

• แผนภาพแถบพลงงาน

• สารกงตวนาบรสทธและไมบรสทธ

• กลไกการนากระแสในสารกงตวนาบรสทธ

• รอยตอ PN

• สมการไดโอด

• การไบแอส

• วงจรสมมลไดโอด

• การวเคราะหวงจรไดโอด

• การประยกตใชงาน

• ไดโอดชนดตางๆ

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 2

บทท 2 สารกงตวนาและไดโอด

Part 1

• แนวความคดของอะตอม

• การนาไฟฟาในของแขง

• ความเขาใจเกยวกบคณสมบตของตวนา สารกงตวนาและฉนวน

• แผนภาพแถบพลงงาน

• สารกงตวนาบรสทธและไมบรสทธ

• กลไกการนากระแสในสารกงตวนาบรสทธ

• รอยตอ PN

• สมการไดโอด

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 3

แนวความคดของอะตอม

อะตอมหนงหนวยประกอบดวยศนยกลางท

เรยกวา นวเคลยส(Nucleus) ซงเปนอนภาคทม

ประจบวกคอโปรตอน(Protons) กบอนภาคไร

ประจคอนวตรอน(Neutrons) และรอบนอก นวเคลยสจะมอนภาคลบคออเลกตรอน

(Electron) เปนประจลบวงรอบนวเคลยสใน

แตละวงโคจร

สสารทกชนดประกอบดวยสวนยอยพนฐานคออะตอม

• จานวนอเลกตรอนในอะตอมหนงหนวย

เทากบจานวนของโปรตอนในอะตอมหนงหนวยนน

• คาตวเลขทบอกจานวนอเลกตรอนในอะตอมเรยกวา

เลขเชงอะตอม(Atomic Number)

คาถามโปรตอน(Protons) จะมนา

หนกมากหรอนอยกวาอเลกตรอน

(Electron) ? กเทา

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 4

แนวความคดของอะตอม

Hydrogen Atom

Helium Atom

ตวอยาง แสดงสองอะตอมพนฐานคอ hydrogen และ helium.

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 5

แนวความคดของอะตอม

บอหรโมเดล(Bohr Model)

ค.ศ.1913

Niels Henrik David Bohr

อเลกตรอนใน shell

รอบนอกสดเรยกวา

เวเลนซอเลกตรอน

(Valence electron)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 6

วสดโซลดสเตต (Solid State Material)

• วสดโซลดสเตต แบงได 3 ประเภทคอ ตวนา สารกงตวนา และ ฉนวน

• การแยกวสดพจารณาอยางงายจากสภาพนาไฟฟา หรอสภาพตาน

• สารกงตวนามสภาพนาไฟฟา หรอสภาพตานอยระหวางตวนาและฉนวน

• สภาพนาไฟฟาเปลยนแปลงตามอณหภม แสง สนามแมเหลก หรอ การเจอสารเจอปน

• ฉนวน คอสารทไมสามารถนาไฟฟาไดมคาสภาพตานทาน ตงแต ขนไป

• ตวนา คอสารทนาไฟฟาไดมคาสภาพตานทาน ตงแต ลงมา

• สารกงตวนา คอสารนาไฟฟาไดดกวาฉนวนแตดอยกวาตวนามคาสภาพตานทานระหวาง

ถง

cm⋅Ω810cm⋅Ω−310

cm⋅Ω810 cm⋅Ω−310

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน

วสดโซลดสเตต (Solid State Material)

โครงสรางอะตอมของโลหะและสารกงตวนา

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 8

สสารทเปนของแขง/แถบพลงงาน

• อะตอมอยใกลชดกนมาก ทาใหอะตอมแตละตวสงแรงกระทาไปยงอเลกตรอนของอะตอมอน

ทอยรอบขางได

• การอธบายจะใชทฤษฎแถบพลงงาน ซงกลาววาอเลกตรอนในระบบอะตอมสามารถม

ระดบพลงงาน(Energy level)ไดหลายระดบแตกตางกน ระดบพลงงานจานวนมาก

อาจจะอยใกลชดกนเปนแถบๆ ดงรป

ระดบพลงงานจานวนมากอาจจะอยใกลชดกนเปนแถบๆ นเรยกวา แถบพลงงาน(Energy band)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 9

แถบพลงงาน

• แถบพลงงานทมอเลกตรอนอยเตมเรยกวาแถบเวเลนซ(Valence band)

• แถบพลงงานทสงขนไปและในสภาวะปกตจะไมมอเลกตรอนอยเลยเรยกวาแถบนา

(Conduction band) เพราะเมอทเวเลนชอเลกตรอนไดรบพลงงานเพมจนเลอนระดบ

ไปอยในแถบนาแลวสารชนดนนจะมคณสมบตนาไฟฟา

• อเลกตรอนทเลอนระดบขนไปในแถบนาเรยกวา อเลกตรอนอสระ(Free electron)

• ชองวางของพลงงานระหวางแถบทงสองเรยกวา แถบชองวางพลงงาน(Energy gap)

หรอแถบตองหาม (Forbidden band)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 10

ฉนวน ตวนา และสารกงตวนาแถบพลงงานในวสด

= 6eV

= 1eV

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 11

แผนภาพของอะตอม Silicon และ Germanium

Silicon Atom Germanium Atom

Si14

28.09

Atomic Number

Atomic Mass (g mol-1)Ge32

72.99

Atomic Number

Atomic Mass (g mol-1)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 12

ความตานทาน

นาของแขงทมความยาว L และมพนทหนาตด A ไปปอนแรงดนดวยแหลงจายจากภายนอก

L

A

dE

p

V

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

ALR

σ1

nqnμσ =โดย

เมอ σ คอ สภาพนา (conductivity) เปนพารามเตอรทแสดงคณลกษณะเฉพาะในการนาไฟฟา

ของวสด

Siemens/cm

= ความคลองตวอเลกตรอน

nμ

nμ

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 13

คาความคลองตวและสภาพนาไฟฟา

ความสมพนธตามกฎพนฐานของโอหม

IA

VL

= σ

จาก

IALV ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

σ1

LAVI σ

=

ซงทางดานซายมอสงเกตวาเปนความเขมของกระแส (J) มหนวยเปนแอมแปรแปรตอหนวยพนท

σξ=J

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 14

สารกงตวนา (Semiconductor)

สารกงตวนาแบงตามสวนประกอบของธาต

• สารกงตวนาประเภทธาตเดยว เปนธาตในหมท IV เชน Si , Ge

• สารกงตวนาประเภทสารประกอบทสรางขน เชน GaAs

สารกงตวนาแบงตามจานวนอเลกตรอนและโฮลในสารกงตวนาไดดงน

• สารกงตวนาบรสทธ(Intrinsic Semiconductor) คอสารกงตวนาทมจานวนอเลกตรอน

เทากบจานวนของโฮล

• สารกงตวนาไมบรสทธ(Extrinsic Semiconductor) คอสารกงตวนาทมจานวนอเลกตรอน

ไมเทากบจานวนของโฮลแบงไดเปน 2 ชนดคอ

• สารกงตวนาชนดเอน(n type Semiconductor) คอสารกงตวนาทมจานวน

อเลกตรอนมากกวาจานวนของโฮล

• สารกงตวนาชนดพ(p type Semiconductor) คอสารกงตวนาทมจานวน

อเลกตรอนนอยกวาจานวนของโฮล

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 15

ผลกสารกงตวนา และการทาใหบรสทธ

• ซลกอนเปนธาตท มมากทสดธาตหนง ในโลกประมาณ 25% เชน ทราย ซงประกอบ

ดวย SiO2

• กระบวนการทาใหบรสทธ โดยนา SiO2 วางในเตาแบบอารกไฟฟา

• เตมคารบอน(C) และเพมอณหภมจนถง 2000 ๐C เพอทาปฏกรยาเคม จะไดโพลซลกอน

(Polysilicon) ทบรสทธ 98%

• บดเปนผง และนาไปทาปฏกรยากบกาซ HCI ทอณหภม 300 ๐C จนกลายเปน ไทรคลอโร

ไซเลน (Trichlorosilane : SiHCI3) ซงเปนของเหลว และ H2

• นา SiHCI3 ไปกล นเพอทาใหบรสทธ

• รดวซดวย H2 กลายเปน ซลกอนระดบงานอเลกทรอนกส (Electronic grade silicon หรอ

EGS) ซงมความบรสทธถง 99.9999999 %

• โพลซลกอนในลกษณะนพรอมทจะใชเปนวตถดบในกระบวนการปลกผลกเพอทาใหเกด เปน

ซลกอนผลกเดยว ซงสามารถนามาใชเปนวตถดบในการผลตสงประดษฐสารกงตวนา

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 16

การผลตซลกอนใหเปนผลกเดยว

• การผลตซลกอนใหเปนผลก เดยวจะตองเตมชนดและ ปรมาณสารเจอปนตามกาหนด

• กระบวนการผลตซลกอนให เปนผลกเดยวทนยมทาม 2 วธ

1. วธโซชารลสกCzochralski:CZ พบเมอป 1900 และนามาใชเมอ ป 1950เปนวธทงาย ผลกมเสนผาศนย กลางใหญ เตมสารเจอไดงายและตนทนตา ในวงจรรวมจะใชผลกเดยวทสรางดวยวธการน2. วธ Float-zone(FZ) ใชป 1952 ผลกเดยวมความบรสทธสง ผลกทได มกใชผลตอปกรณเดยวจาพวกกาลง

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 17

แผนภาพอะตอมของ Silicon และ Germanium

Silicon Atom Germanium Atom

Si14

28.09

Atomic Number

Atomic Mass (g mol-1)Ge32

72.99

Atomic Number

Atomic Mass (g mol-1)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 18

พนธะโควาเลนต(Covalent Bonds)

เรยกวาพนธะแบบโควาเลนต (covalent bonds) เชนในซลกอนดงรป

• การมแรงพนธะททาใหอะตอมขางเคยง 2 ตวใชอเลกตรอนรวมกน

• อะตอมศนยกลางจะใชอเลกตรอนรวมกบสอะตอมใกลเคยงดวยพนธะแบบโควาเลนต

เครองหมายลบแทนเวเลนช

อเลกตรอนทอะตอมใชรวมกน

เรยกวาพนธะแบบโควาเลนต

- บอนด(Bond) คอการยดเหนยวของอะตอม

- โควาเลนซบอนด เปนการยดเหนยวของอะตอมโดยใชวาเลนซอเลกตรอนรวมกน

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 19

การเกดคอเลกตรอน-โฮล

• คอเลกตรอน-โฮลในผลกซลกอน อเลกตรอนอสระจะถกสรางอยางตอเนอง

เนองจากจานวนอเลกตรอนและโฮลใน

ผลกซลกอนบรสทธมจานวนเทากน

ดงนนถาให

ni = จานวนอเลกตรอนตอหนวย

ปรมาตรของสารกงตวนาบรสทธ

pi = จานวนโฮลตอหนวย

ปรมาตรของสารกงตวนาบรสทธ

แลว ii pn ≅

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 20

การนาไฟฟาของสารกงตวนาบรสทธ

• เมอมการกระตนทาใหอเลกตรอนหลดจากพนธะกระโดดไปชนแถบนา ทาใหเกดชองวางคอโฮล

(hole) ในแถบเวเลนต ซงการเกดคอเลกตรอน-โฮลขนนทาใหจานวนอเลกตรอนเทากบโฮลซง

เปนคณสมบตสารกงตวนาบรสทธ และอเลกตรอนและโฮลนมผลตอการนาไฟฟา

Energy Diagrams Bonding Diagrams

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 21

การนาไฟฟาสารกงตวนาบรสทธ

กระแสอเลกตรอนในซลกอนบรสทธ เกดขนจากการเคลอนทของเลกตรอนอสระ

เนองจากความรอน และสนามไฟฟา

กระแส

สนามไฟฟา

•ดงนนกระแสของสารกงตวนาเกดจากสองสาเหตคอ1. กระแสพดพาจากการอทธพลของสนามไฟฟาเชนเดยวการนาไฟฟาในโลหะ

2. กระแสทเกดจากการแพรกระจายของพาหะประจในสารกงตวนาจากความหนาแนน

มากไปยงทมความหนาแนนนอยกวา

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 22

การนาไฟฟาสารกงตวนา

สมการของไอนสไตล(Einstein equation)

qKTVT =

การพดพาและการแพรของพาหะประจในสารกงตวนามความสมพนธกบอณหภม

ทาใหความคลองตวและคาคงตวการแพรกระจายมความสมพนธกนดงน

โดยท k เปน คาคงตวโบทแมน (Boltzmann’s constant)

T คออณหภมทสมบรณ

VT ซงเรยกคณสมบตนวา แรงดนเชงความรอน (thermal voltage)

คาคงทโบทแมน เทากบ 1.38 × 10-23 J/K

ทอณหภมหอง VT มคาประมาณ 1/40V หรอ 25 mV หรออาจจะใช 26 mV

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 23

• สารกงตวนาทมการเตมสารเจอปน(Impurity)เพอใหมสภาพนาไฟฟาสงกวา สารกง

ตวนาบรสทธ

• สารเจอปนชนดตวให(Donor impurity) นยมใชคอธาตทมเวเลนซเทากบ 5

เชนพลวง(Sb) สารหน(As)และ ฟอสฟอรส(P) ทาหนาทเพมอเลกตรอนอสระใหแก

ระบบอะตอมเรยกสารเจอ

• สารเจอปนชนดตวรบ(Acceptor impurity) นยมใชคอธาตทมเวเลนซเทากบ 3

เชนโบรอน(B) อะลมเนยม(Al)และ อนเดยม(In) ทาหนาทเพมโฮล (รบอเลกตรอน

แทนทกได)ใหแกระบบอะตอม

สารกงตวนาไมบรสทธ (Extrinsic Semiconductor)

(พลวง-Sb)

50Sb

5B

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 24

สารกงตวนาชนดเอน (n type Semiconductor)

• คอสารกงตวนาทเตมสารเจอปนทมเวเลนซ 5 เชนพลวง(Sb)ลงในระบบอะตอม

สารกงตวนาบรสทธทมเวเลนซ 4 ตว

• การสรางพนธะรวมกบอเลกตรอน 4 ตวของสารกงตวนาบรสทธ เชน ซลกอน4 จะ

ทาใหอเลกตรอนตวท 5 ของสารเจอไมสามารถสรางพนธะไดทาใหหลดจากอะตอม

ไดงาย

อเลกตรอนตวท 5 ทหลดออกจากอะตอมสารเจอปน จะกลายเปนอเลกตรอนอสระ

• สารกงตวนาชนดเอน พาหะสวนใหญ(Majority carrier)เปนอเลกตรอนอสระ

และพาหะสวนนอย(Minority carrier)เปนโฮล

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 25

สารกงตวนาชนดเอน (n type Semiconductor)

พลวง(Sb)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 26

สารกงตวนาชนดพ (p type Semiconductor)

• คอสารกงตวนาทเตมสารเจอปนทมเวเลนซ 3 เชนโบรอน(B)ลงในระบบอะตอมสารกงตวนาบรสทธทม

เวเลนซ 4 ตว

• การสรางพนธะรวมกบอเลกตรอน 4 ตวของสารกงตวนาบรสทธ เชน ซลกอน 4 จงขาดอยพนธะหนงทา

ใหเกดโฮลขน

• ดงนนสารกงตวนาชนดพ พาหะสวนใหญ(Majority carrier)เปน โฮล และพาหะสวนนอย(Minority

carrier)เปนอเลกตรอนอสระ

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 27

ไดโอดเปนอปกรณสารกงตวนาเสนพนฐานทมโครงสรางจากรอยตอสารกง

ตวนาชนดเอนและพ และเปนพนฐานของอปกรณสารกงตวนาทกชนด เชน

MOSFETS, JFETS, Bipolar Transistors, solar cells,……

ไดโอด(DIODES)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 28

Typical diode packages with terminal identification.

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 29

โครงสรางพนฐานของไดโอด

รปแสดงโครงสรางพนฐานของไดโอดทแสดงเฉพาะพาหะขางมาก(majority)

และพาหะขางนอย(minority)

พาหะทเกดในรอยตอ พเอน

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 30

คณลกษณะรอยตอพ-เอน(PN junction)

ประจบวกของไอออนตวให

ประจลบของไอออนตวรบ

โฮล อเลกตรอน

เกดสนามไฟฟาขามรอยตอสงแรงกระทาตอ

พาหะสวนนอยเพอพดพาไปได/ทาใหสนามออนลงได

สญเสย e แสดงอานาจไฟฟาบวก(ประจบวกไอออนตวใหทงไว)

xd

N-typexp xnP-type

การแพรซม(diffusion)การพดพา(drift)เนองจากสนามไฟฟา

e

h

ท าใหเกดก าแพงศกย (voltage barrier)

ตานการแพรของพาหะขางมากท ง e และ h

e ทขามมากลายเปนพาหะขางนอยและรวมตวกบประจอน ๆ

- + เมอสมดลจะ

เปนกลาง

เมอสมดลจะ

เปนกลาง

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 31

การใหไบอสตรงแกรอยตอพ-เอน

N-type

xdxp xnP-type

VD

ID

0.7

V

Vo

v vo

vo-v

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 32

สญลกษณ สมการกระแส ของไดโอด

สมการไดโอด

สญลกษณ

โดยท

เจอรเมเนยม n = 1

ซลกอน n = 2

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 33

Depletion width with Reverse Bias of PN junctionxd

xp xnP-type

VD

ID

การใหไบอสตรงแกรอยตอพ-เอน

แรงดนพงทลาย

(Breakdown Voltalge)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 34

การทดสอบโอด

http://www.youtube.com/watch?v=b8gPSKpbXQs&feature=PlayList&p=5DE3ED5D

7122A8EE&playnext_from=PL&playnext=1&index=13

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 35

สญลกษณ สมการ และกราฟคณลกษณะของไดโอด

Reverse Bias:

Forward Bias:

breakdown voltage,

VZ. 2 V <VZ<2000 V

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 36

สมประสทธอณหภมของไดโอดแรงดนไดโอดขณะไบแอสตรง(forward bias)

สาหรบไดโอดชนดซลกอนทวไป:

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน

วงจรไดโอดเบองตนดงรป สามารถเขยนสมการไดโอดและสมการเสนภาระงานไดคอ

วงจรไดโอด (Diode Circuits)

TD VVSD eItI =)(

RVVI DDD

D−

=

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 38

วงจรสมมลไดโอดในโปรแกรม SPICE

Diode SPICE Model วงจรสมมลไดโอดในโปรแกรม PSPICE

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 39

ไดโอดในอดมคต

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 40

การวเคราะหวงจรไดโอด

การวเคราะหในแบบวธดซของวงจรทแทนดวยไดโอดในอดมคต

ข นตอนการวเคราะหดงน

• คาดคะเนสถานะของไดโอดทกตว

• เขยนวงจรใหมโดยแทนดวยการลดวงจรสาหรบไดโอดท ON และแทนดวยการเปดวงจร

สาหรบไดโอดท OFF

• วเคราะหวงจรหากระแสทใหผานไดโอดทแทนดวยวงจรลดวงจร และหาแรงดนตกครอม

ไดโอดทแทนดวยวงจรเปด

• ตรวจสอบความถกตองของสถานะไดโอดทกตว ทเราสมมตไวในวงจร ถามจดใดทคาน

กบทไดสมมตไว เชน กระแสเปนลบในไดโอดท ON หรอแรงดนบวกตกครอมทไดโอดท

OFF ใหกบไปทาขนท 1. โดยปรบปรงการคาดคะเนใหม

• เมอไมมขอขดแยงใด ๆ แลว แรงดนและกระแสทคานวณไดในวงจร จะใกลเคยงกบคา

จรงเพอสามารถเขาใจไดดยงขนใหพจารณาจากตวอยางตอไปน

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 41

วเคราะหไดโอดในอดมคต

ตวอยางท1 จากวงจรในรปสมมตวาเปนไดโอดในอดมคต จงหา VA ในวงจร

การหาคาตอบ กระแสไหลเขาจด A จงทาใหจด A เปนบวก ถาเราคาดคะเนวาไดโอด ON

VA

+12V

-8V

Ω10k VA

+12V

8V

Ω10k

iD

A

C

VA

+12V

-8V

Ω10k

mAk

iD 210

)8(12=

−−=

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 42

การวเคราะหวงจรไดโอดในอดมคต

ตวอยางท2 วงจรในรป ก ถาไดโอดเปนไดโอดในอดมคตหา VC

การหาคาตอบ สมมตวาไดโอด ON เขยนวงจรไดดงรป ข และลดวงจรใหมเขยนแทนดวย

แหลงจายเธวนนดานขาแอโนดของไดโอด ดงรป ค และจากรปนแสดงใหเหนวากระแสเปนลบ

แสดงวาเราสมมตผดจงกลบไปสมมตใหม

สมมตใหม โดยใหไดโอด OFF ดงรปท ง จากรปจะได iD=0 และหาแรงดนท VA=5

และ VC=6 ดงนน VD=VA-VC= -1V เพราะฉะนนจากวงจรจะได VC=5-(-1)=6V

5kΩ6V

5kΩ

5kΩ

+10V

vc

5kΩ6V

5kΩ

5kΩ

+10V

vc

iD

A C5kΩ6V

2.5kΩ

5V

vc

iD

A C

5kΩ6V

2.5kΩ

5V

vcv

DA C

ก. ข. ค. ง.

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 43

การวเคราะหวงจรไดโอดในอดมคต

ตวอยางท3 จงหาจดทางาน(Q-Point: ID, VD) ของวงจรโดยสมมตวาเปนไดโอดในอดมคต

การหาคาตอบ• สมมตไดโอดทงสองตว ON

• แทนไดโอดดวยวงจรสมมลอดมคตไดรป ข.

• คานวณหากระแส I1

ใช KCL

แต ID1 เปนลบ แสดงวามนตอง OFF ตองแทนวงจรใหมตามรป ค. และคานวณใหม

ก.

ข.ดงนนจดทางานของ D1 และ D2 ขณะนคอ

และ

,

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 44

การวเคราะหวงจรไดโอดในอดมคต

• จากรป ค. สงเกตวา D1 เปดวงจร

• ทาให ID1=0 ดงนน I1 = ID2

ค.

• ใช KVL

หาแรงดน VD1

D1: (0 mA, -1.67 V):off

D2: (1.67 mA, 0 V) :on

ดงนนแสดงวา D1 ไมทางานหรอ OFF

สวน D2 ทางาน หรอ ON

ดงนนจดทางานของไดโอดทถกคอ

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 45

วงจรสมมลแบบออฟเซต

วงจรสมมลแบบออฟเซต

• ท iD≥ 0 จะตองมแรงดนออฟเซตเกดขนเชนเดยวกบไดโอดจรง ๆ

• แรงดนออฟเซตมกจะประมาณเทากบแรงดนทรอยตอพ-เอน

• แรงดนออฟเซตจะมคาเทากบ 0.7V สาหรบซลกอน , 0.25V สาหรบเยอรมนเนยม

และ 1.2V สาหรบแกลเลยมอาเซไนด

vD

iD

OFF 0

ON

VD

Si GaAs Ge

0.7 1.2 0.25VD(volt)

A

C

iDv

D

ON

OFF

iD

A

C

vD

vD

A

C

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 46

วเคราะหไดโอดวงจรสมมลแบบออฟเซต

ตวอยางท4 จากวงจรในรปสมมตวาเปนไดโอดในอดมคต จงหา VA ในวงจร

การหาคาตอบ สมมตวาไดโอด ON ดงนนแทนดวยวงจรสมมลแบบออฟเซต จะไดวงจรดงรป ข.

พจารณาทศทาง iD แลวหาแรงดนโดย KVL จะได

VA

+12V

-8V

Ω10k

vD

iD

0

1.93mA

0.7

A

C

VA

+12V

-8V

Ω10k

iD

VA= -8+0.7= -7.3V

ik

mAD=− −

= +12 7 3

10193( . ) .

Ω

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน 47

วงจรสมมลในทางปฏบต

วงจรสมมลในทางปฏบต

• ท iD≥ 0 จะตองมแรงดนออฟเซตเกดขนเชนเดยวกบไดโอดจรง ๆ

• ใชแรงดนคาหนงทเพยงพอทจะทาใหกระแสเรมไหล เรยกแรงดนทจดนวา

แรงดนคทอน Vγ (cut-in voltage) ของไดโอด

• การประมาณวาไดโอด ON จะแทนดวยความตานทาน rf อนกรมกบ Vγ

A

C

iDv

D

ON

Vγ

rf

A

vD

iD

0

กราฟจรง ๆ

Vγ

ON

OFF

rf

1

C

V V VTγ = + ≈0 7 0 001 0 5. ln( . ) .

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน

ตวเรยงกระแสแหลงจายกาลง(Power Supplies Rectifier)

Power LineAC

ACCorrect

DCPulsating

DCSmoothed

DC output

Load

Transformer Rectifier Filter Regulator

การใชงานไดโอด

ไดอะแกรมแหลงจายกาลง (Power Supplies)

ผศ.พชญสน มะโนบทท 2 สารกงตวนาและไดโอด อเลกทรอนกสพนฐาน

ตวเรยงกระแส(Rectifier)

ตวเรยงกระแสมสามชนดใหญ ๆ คอ

1. ตวเรยงกระแสแบบครงคลน (Half Wave Rectifier)

2. ตวเรยงกระแสแบบเตมคลน (Full Wave Rectifier)

3. ตวเรยงกระแสแบบครงคลน (Bridge Rectifier)

ตวเรยงกระแสแบบครงคลน (Half Wave Rectifier)

0 π π2 π3 π4

rmsm VV 2=

rmsV220

o180 o360 o540 o720

Dm VV −

π π2 π3 π4o180 o360 o540 o720

LV