สารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำ
สารกึ่งตัวนำ (semiconductor) คือ วัสดุที่มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เป็นวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์ มักมีตัวประกอบของ germanium, selenium, silicon วัสดุเนื้อแข็งผลึกพวกหนึ่งที่มีสมบัติเป็นตัวนำ หรือสื่อไฟฟ้าก้ำกึ่งระหว่างโลหะกับอโลหะหรือฉนวน ความเป็นตัวนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และสิ่งไม่บริสุทธิ์ที่มีเจือปนอยู่ในวัสดุพวกนี้ ซึ่งอาจเป็นธาตุหรือสารประกอบก็มี เช่น ธาตุเจอร์เมเนียม ซิลิคอน ซีลีเนียม และตะกั่วเทลลูไรด์ เป็นต้น วัสดุกึ่งตัวนำพวกนี้มีความต้านทานไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเป็นลักษณะตรงข้ามกับโลหะทั้งปวง
ที่อุณหภูมิ ศูนย์ เคลวิน วัสดุพวกนี้จะไม่ยอมให้ไฟฟ้าไหลผ่านเลย เพราะเนื้อวัสดุเป็นผลึกโควาเลนต์ ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหลายจะถูกตรึงอยู่ในพันธะโควาเลนต์หมด (พันธะที่หยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม) แต่ในอุณหภูมิธรรมดา อิเล็กตรอนบางส่วนมีพลังงาน เนื่องจากความร้อนมากพอที่จะหลุดไปจากพันธะ ทำให้เกิดที่ว่างขึ้น อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาเป็นสาเหตุให้สารกึ่งตัวนำ นำไฟฟ้าได้เมื่อมีมีสนามไฟฟ้ามาต่อเข้ากับสารนี้
ลักษณะภายนอก
• มีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยม (จตุรัส หรือ ผืนผ้าก็ได้)
• เป็นงานมีขา (Peripheral) หรือไม่มีก็ได้ งานไม่มีขา (Non-Lead) บางทีขาที่ว่าจะมีลักษณะกลม ๆ เรียกว่า บอล
• ตัวงานจะมีลักษณะสีดำ (หรือใส (Clear resin) โดยส่วนมากจะดำ) เนื่องจากใช้เรซิ่นในการฉีดขึ้นรูป ภายในจะมีวงจรต่าง ๆ ใช้สำหรับงานต่าง ๆ กันไป
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ เป็นสารที่เกิดขึ้นจากการเติมสารเจือปนลงไปในสารกึ่งตัวนำแท้ เช่น ซิลิกอน หรือเยอรมันเนียม เพื่อให้ได้สารกึ่งตัวนำที่มีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์นี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ สารกึ่งตัวนำประเภทเอ็น (N-Type) และสารกึ่งตัวนำประเภทพี (P-Type)



ชนิด
ก. สารกึ่งตัวนำประเภท เอ็น (N-Type)
เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของสารหนู ทำให้มีอิเล็กตรอนเกินขึ้นมา 1 ตัว เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในก้อนผลึกนั้นจึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้เช่นเดียวกับตัวนำทั่วไป
ข. สารกึ่งตัวนำประเภท พี (P-Type)
เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของอะลูมิเนียม ทำให้เกิดที่ว่างซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) ขึ้นในแขนร่วมของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนข้างโฮลจะเคลื่อนที่ไปอยู่ในโฮลทำให้ดูคล้ายกับโฮลเคลื่อนที่ได้จึงทำให้กระแสไหลได้

5121040028 น.ส.ดลฤทัย น้อยประวัติ ชฟ.1/2‏

ไดโอด

MicrosoftInternetExplorer4

ไดโอด

ไดโอด(Diode) ถือเป็นอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง ที่จำกัดทิศทางการไหลของประจุไฟฟ้า มันจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียว และกั้นการไหลในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นจึงอาจถือว่าไดโอดเป็นวาล์วตรวจสอบแบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างหนึ่ง ซึ่งนับเป็นประโยชน์อย่างมากในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ใช้เป็นเรียงกระแสไฟฟ้าในวงจรภาคจ่ายไฟ เป็นต้น

ไดโอดตัวแรกเป็นอุปกรณ์หลอดสูญญากาศ (vacuum tube หรือ valves) แต่ทุกวันนี้ไดโอดที่ใช้ทั่วไปส่วนใหญ่ผลิตจากสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอน หรือ เจอร์เมเนียม

ไดโอดเป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ p-n สามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว ไดโอดประกอบด้วยขั้ว 2 ขั้ว คือ แอโนด (Anode; A) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด p และ แคโธด (Cathode; K) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด n

ชนิดของไดโอด

ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)

ไดโอดวาแรกเตอร์หรือวาริแคป (Varactor or Varicap Diode)

โฟโตไดโอด (Photo Diode)

ไดโอดกำลัง (Power Diode)

ไดโอดในทางปฏิบัติ

ไดโอดในทางปฏิบัติ (Practical Diode) มีการแพร่กระจายของพาหะส่วนน้อยที่บริเวณรอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง ดังนั้น ถ้าต่อไบอัสตรงให้กับไดโอดในทางปฏิบัติก็จะเกิด แรงดันเสมือน (Ge >= 0.3V ; Si >= 0.7V) ซึ่งต้านแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเพื่อการไบอัสตรง ขนาดของแรงดันเสมือนจึงเป็นตัวบอกจุดทำงาน ดังนั้น จึงเรียก "แรงดันเสมือน" อีกอย่างหนึ่งว่า "แรงดันในการเปิด" (Turn-on Voltage ; Vt )

กรณีไบอัสกลับ เราทราบว่า Depletion Region จะขยายกว้างขึ้น แต่ก็ยังมีพาหะข้างน้อยแพร่กระจายที่รอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง แต่ก็ยังมีกระแสรั่วไหลอยู่จำนวนหนึ่ง เรียกว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้นเรื่อยๆ กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดทีไดโอดนำกระแสเพิ่มขึ้นมาก ระดับกระแสที่จุดนี้ เรียกว่า "กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ" (Reverse Saturation Current ; Is ) แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้ เรียกว่า แรงดันพังทลาย (Breakdown Voltage) และถ้าแรงดันไบอัสสูงขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ไดโอดทนได้ เราเรียกว่า "แรงดันพังทลายซีเนอร์" (Zener Breakdown Voltage ; Vz) ถ้าแรงดันไบอัสกลับสูงกว่า Vz จะเกิดความร้อนอย่างมากที่รอยต่อของไดโอด ส่งผลให้ไดโอดเสียหายหรือพังได้ แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้เราเรียกว่า แรงดันพังทลายอวาแลนซ์ (Avalance Breakdown Voltage) ดังนั้น การนำไดโอดไปใช้งานจึงใช้กับการไบอัสตรงเท่านั้น

5121040027 นายณัฐพนธ์ พุ่มพวง ชฟ.1/2

วงจรใช้งานซีนเนอร์ไดโอด

วงจรแรงดันอ้างอิง

ถ้าซิลิกอนไดโอดได้รับการไบแอสกลับเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงจุด ๆ หนึ่ง จะทำให้เกิดมีกระแสไหล ในซิลิกอนไดโอด เพิ่มมายังซีเนอร์ไดโอด ซึ่งแรงดันเอาต์พุตคร่อมซีเนอร์ไดโอดที่ได้จะมีค่าคงที่ ไม่ว่ากระแสที่ผ่านซีเนอร์ไดโอดจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร (ทั้งนี้อาจเป็นผลมาจากแรงดันของแหล่งจ่ายไฟ จะเปลี่ยนแปลงไป หรือมีการเปลี่ยนแปลงค่าของตัวต้านทาน R1 ) สำหรับค่าตัวต้านทาน R1 สามารถหาได้จากสูตร

R1= ( Vin - Vz ) / Iz

โดยทั่ว ๆ ไปในการใช้งานค่าของ Iz จะมีค่าประมาณ 5 มิลลิแอมป์

รูปที่ 2 วงจรรักษาระดับแรงดันที่ใช้ซีเนอร์ไดโอด

รูปที่ 2 เป็นการดัดแปลงวงจรรูปที่ 1 เพื่อใช้เป็นวงจรรักษาระดับแรงดันที่สามารถจ่ายกระแส ให้แก่โหลดได้ในระดับมิลลิแอมป์ สำหรับค่าความต้านทาน R1 หาได้โดยใช้สูตรที่ได้กล่าวมาแล้ว แต่กระแสจะต้องเป็นผลรวมของกระแสเอาต์พุตสูงสุดที่ต้องการและกระแส Iz (5 มิลลิแอมป์) เมื่อโหลดถึงกระแสสูงสุด กระแสที่ผ่านซีเนอร์ไดโอดจะเท่ากับ 5 มิลลิแอมป์และเมื่อไม่มีโหลดกระแสทั้งหมด จะผ่านซีเนอร์ไดโอด ซึ่งจะทำให้ซีเนอร์ไดโอดมีกำลังงานสูญเสียสูงที่สุด ดังนั้น ซีเนอร์ไดโอดที่ผลิตขึ้นมาจะมีหลายระดับแรงดันตั้งแต่ 2.7 โวลต์จนถึงประมาณ 100 โวลต์ และอัตราทนกำลัง 500 มิลลิวัตต์ , 1.3, 5 และ 20 วัตต์ ให้เลือกใช้งาน และปกติมีค่าความเคลื่อนของแรงดัน ฑ5 เปอร์เซ็นต์ จากค่าที่ระบุไว้

พารามิเตอร์อื่น ๆ ที่สำคัญต้องนำมาพิจารณา ในการเลือกใช้ซีเนอร์ไดโอดคือค่าสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิของซีเนอร์ไดโอด (ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิต่อแรงดันเอาต์พุต) และไดนามิกอิมพีแดนซ์ของซีเนอร์ไดโอด (แสดงผลของการเปลี่ยนแปลงกระแสต่อแรงดันเอาต์พุต) รูปที่ 3 แสดงผลของพารามิเตอร์ต่าง ๆ สำหรับซีเนอร์ไดโอด ที่มีระดับแรงดันอยู่ระหว่าง 2.7 ถึง 16 โวลต์ อัตราทนกำลัง 500 มิลลิวัตต์

รูปที่ 3 วงจรแรงดันอ้างอิงที่ใช้ซีเนอร์ไดโอดขนาด 10 โวลต์

จากรูปที่ 3 เป็นวงจรแรงดันอ้างอิง 10 โวลต์ จากแรงดันอินพุตที่มีการเปลี่ยนแปลงในช่วง 15 ถึง 20 โวลต์ สำหรับตัวต้านทาน R1 มีค่า 1.5 กิโลโอห์ม ซึ่งเป็นค่าที่ทำให้มีกระแสผ่านซีเนอร์ไดโอด 2 มิลลิแอมป์ (คิดที่แรงดันอินพุตเฉลี่ย 17.5 โวลต์ ) โดยทั่วไปซีเนอร์ไดโอดมีค่าแรงดันผิดพลาด บวกลบ 5 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้น แรงดันเอาต์พุตที่ได้จะมีค่าอยู่ระหว่าง 9.5 ถึง 10.5 โวลต์ เมื่อเรงดันจากแหล่งจ่ายไฟมีการเปลี่ยนแปลงจาก 15 ถึง 20 โวลต์ จะทำให้กระแสที่ผ่านซีเนอร์ไดโอดมีการเปลี่ยนแปลงไป 1.6 มิลลิแอมป์ และเมื่อพิจารณาถึงไดนามิกอิมพีแดนซ์ของซีเนอร์ไดโอดขนาด 10 โวลต์ ซึ่งมีค่าเท่ากับ 25 โอห์มด้วย จะทำให้แรงดันเอาพุตคร่อมซีเนอรืไดดอดมีการเปลี่ยนแปลง 40 มิลลิโวลต์ (ผลจากแหล่งจ่ายไฟ) และเมื่อพิจารณาผลจากอุณหภูมิ ซีเนอร์ไดโอดมีสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิ +7 มิลลิโวลต์ต่อองศาเซลเซียส

รูปที่ 4 วงจรแรงดันอ้างอิงขนาด 10 โวลต์ ที่มีการชดเชยผลจากอุณหภูมิ

เมื่อ อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป บวกลบ20 องศาเซลเซียสจากอุณหภูมิห้องที่ 20 องศาเซลเซียส จะทำให้แรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงไป บวกลบ140 มิลลิโวลต์ รูปที่ 4 ถึง 6 แสดงวงจรแรงดันอ้างอิงแบบต่าง ๆ ที่มีการออกแบบโดยการนำพารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่ได้กล่าวมาแล้วมาพิจารณาด้วย รูปที่ 4 เป็นการปรับปรุงวงจรจาก รูปที่ 3 เพื่อลดผลจากอุณหภูมิ โดยใช้ซีเนอณ์ไดโอดขนาด 10.1 โวลต์ (เมื่อคิดค่าความคลาดเคลื่อน 5 เปอร์เซ็นต์ จะให้แรงดันเอาต์พุตอยู่ระหว่าง 2.4 ถึง 10.6 โวลต์) ซึ่งจะทำให้สัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิรวมเท่ากับ 0.6 มิลลิโวลต์ต่อองศาเซลเซียส ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงลงไป 20 องศาเซลเซียส จะทำให้แรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงไปเพียง 12 มิลลิโวลต์เท่านั้น แต่สำหรับไดนามิกอิมพีแดนซ์รวมของซีเนอร์ไดโอดทั้งสองตัวนี้จะมีค่าสูงถึง 127 โอห์ม ซึ่งทำให้ผลจากแหล่งจ่ายไฟมีค่ามากถึง 203 มิลลิโวลต์ด้วย

รูปที่ 5 วงจรแรงดันอ้างอิงขนาด 10 โวลต์ ที่มีการลดผลจากอุณหภูมิและผลจากแหล่งจ่ายไฟ

ผลจากแหล่งจ่ายไฟของวงจรรูปที่ 4 ซึ่งยังมีค่ามากอยู่นั้นสามารถปรับปรุงแก้ไขได้โดย การเพิ่มส่วนรักษาระดับแรงดันอีกส่วนหนี่ง (ซีเนอร์ไดโอด ZD1 ในรูปที่ 5 เมื่อแรงดันจากแหล่งจ่ายไฟมีการเปลี่ยนแปลงไป จะทำให้แรงดันที่จุดต่อระหว่าง R1 และ R2 มีการเปลี่ยนแปลงไป 265 มิลลิโวลต์จาก 13 โวลต์ และจะทำให้แรงดันเอาต์พุตมีการเปลี่ยนแปลงเพียง 53 มิลลิโวลต์เท่านั้น ส่วนผลจากอุณหภูมิมีค่าเท่าเดิมคือ 12 มิลลิโวลต์ สำหรับตัวต้านทาน R2 จะต้องมีค่า ที่ทำให้มีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดขนาด 10 โวลต์ (6.2 โวลต์และ 3.9 โวลต์ อนุกรมกัน ) เท่ากับ 5 มิลลิแอมป์ด้วย

รูปที่ 6 การใช้ซีเนอร์ไดโอดร่วมกับซิลิกอนเพื่อสร้างวงจรแรงดันอ้างอิงหลายระดับ

รูปที่ 6 แสดงการนำซีเนอร์ไดโอดและซิลิกอนไดโอดมาต่ออนุกรมกัน เพื่อใช้สร้างแรงดันอ้างอิงหลาย ระดับ โดยซิลิกอนไดโอดแต่ละตัวจะมีแรงดันตกคร่อมประมาณ 600 มิลลิโวลต์ ขณะที่ได้รับการไบแอสตรงด้วยกระแส 5 มิลลิแอมป์ และมีสัมประสิทธิ์ทางอุณหภูมิ -2 มิลลิโวลต์ ต่อองศาเซลเซียส สำหรับแหล่งจ่ายไฟที่จะป้อนเข้าอินพุตต้องมีแรงดัน มากกว่าแรงดันเอาต์พุตสูงสุด (14.5 โวลต์) ด้วย

ที่มา http://electronics.se-ed.com/

ปิยะชัย ตันสมรส 5121040033

ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า (Field-effect transistor)

ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า (Field-effect transistor)
ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า(FET) มีขาต่อสามขา คือ ขา เดรน (drain) เกท (gate) ซอร์ส (source) หลักการทำงานแตกต่างจากทรานซิสเตอร์แบบหัวต่อไบโพลาร์ (BJT) นั่นคืออาศัยสนามไฟฟ้าในการสร้างช่องนำกระแส (channel) เพื่อให้เกิดการนำกระแสของตัวทรานซิสเตอร์ ในแง่ของการนำกระแส ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าและแบบหัวต่อไบโพลาร์มีลักษณะของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน นั่นคือกระแสในทรานซิสเตอร์แบบหัวต่อไบโพลาร์จะเป็นกระแสที่เกิดจากพาหะส่วนน้อย (minor carrier) แต่กระแสในทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าจะเกิดจากพาหะส่วนมาก (major carrier)
ทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าฟ้าแบ่งเป็น 2 ประเภทหลักๆ คือ
- JFET
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดรอยต่อ , เจเฟต
เจเฟตเมื่อพิจารณาตามโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 2.1 จะพบว่าเฟตมี 2 ชนิดคือ เจเฟต n-แชนเนล (n-channel) ดังรูป(a) และ p-แชนเนล (p-channel) ดังรูป(b) เจเฟตนั้นมี 3 ขาคือ ขาเดรน (Drain,D) , ขาเกต (Gate , G) และขาซอร์ส (Source , S) เจเฟตชนิด n-channel ชิ้นสาร n จะต่อขาเดรนและขาซอร์สสำหรับขาเกตจะเป็นชิ้นสารชนิด p ดังรูป (a) ส่วนเจเฟตชนิด p-channel นั้นขาเดรนของขาซอร์สจะเป็นชิ้นสารชนิด p แต่ขาเกตจะเป็นชนิด n

รูปที่ 2.1 โครงสร้างของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel



- MESFET
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบมอส
มอสเฟทจะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ ดีพลีชั่น (Depletion) และ เอนÎานซ์เมนต์ (Enhancement)
แต่ละประเภทยังแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ แบบแชนแนล n และ แบบแชนแนล p
มอสเฟทประเภท ดีพลีชั่นหรือดีมอสเฟท (D-MOSFET) ทั้ง 2 แบบจะทำงานได้ 2 โหมด คือ โหมดดีพลีชั่น (Depletion Mode) และ โหมดเอนÎานซ์เมนต์ (Enhancement Mode) กล่าวคือ ถ้าจ่ายแรงดันลบให้กับดีมอสเฟทแชนแนล n จะทำงานในโหมดดีพลีชั่น แต่ถ้าจ่ายแรงดันบวกจะทำงานในโหมดเอนÎานซ์เมนต์ ส่วนดีมอสเฟทแชนแนล p ก็จะทำงานคล้ายกันเมื่อ ได้รับแรงดันที่มีขั้วตรงข้ามกับแบบแชนแนล n
มอสเฟทประเภทเอนÎานซ์เมนต์หรืออีมอสเฟท (E-MOSFET)มีโครงสร้างบางอย่างคล้ายกับมอสเฟทแบบดีพลีชั่น
แต่จะทำงานได้เฉพาะโหมดเอนÎานซ์เมนต์เท่านั้น

,F น.ส.ภัทรวดี ไทยคุรุพันธ์ ชฟ.1/2‏