สารกึ่งตัวนำ คือ สารที่มีสภาพระหว่างตัวนำ กับฉนวน นำไปใช้ในการสร้างอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ฯลฯ การค้นพบสารกึ่งตัวนำ นับเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ จนอาจกล่าวได้ว่าเป็นการปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์เลยทีเดียว

สารกึ่งตัวนำ คืออะไร

สารกึ่งตัวนำ ชนิด P และ ชนิด N

สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) จะมีสภาพการนำ ไฟฟ้าที่ไม่ดี เพราะอิเล็กตรอนวงนอกจะจับตัวรวมกัน โดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน เพื่อให้เกิดภาวะเสถียร เสมือนมีอิเล็กตรอนวงนอก 8 ตัวจึงไม่เหมาะต่อการใช้งาน ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมีการเติมสารอื่นเข้าไป เพื่อให้เกิดสภาพนำ ไฟฟ้าที่ดีกว่าเดิมเหมาะกับการใช้งาน โดยการเติมสารหรือที่เรียกกันทับศัพท์ว่า การโดป (Doping) สารนั้น จะมีได้ 2 ลักษณะคือ

1. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว เช่น อลูมิเนียม หรือแกลเลียม ลงไป ทำ ให้เกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอนคือจะมีที่ว่างของอิเล็กตรอนซึ่งเรียกว่า โฮล (Hole) มากกว่าจำ นวนอิเล็กตรอนอิสระ ด้วยเหตุที่โฮลมีสภาพเป็นประจุไฟฟ้าบวกและเป็นพาหะส่วนใหญ่ของสาร ส่วนอิเล็กตรอนจะเป็นพาหะส่วนน้อย เราจึงเรียกสารกึ่งตัวนำ ประเภทนี้ว่า สารกึ่งตัวนำ ชนิด P (P-type Semiconductor)

2. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว เช่น สารหนู หรือฟอสฟอรัส ลงไป ทำ ให้เกิดสภาวะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าจำ นวนของโฮล ด้วยเหตุที่อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบและเป็นพาหะส่วนใหญ่ ส่วนโฮลเป็นพาหะส่วนน้อยของสารเราจึงเรียกว่าเป็น สารกึ่งตัวนำ ชนิด N (N-type Semiconductor)

รอยต่อ PN

เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และ สารกึ่งตัวนำชนิด N มาเชื่อมต่อกัน จะเกิดการรวมตัวระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลบริเวณใกล้รอยต่อนั้น โดยอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำชนิด N จะรวมตัวกับโฮลของสารกึ่งตัวนำชนิด P ทำให้อะตอมบริเวณรอยต่อของสารกึ่งตัวนำชนิด N
จะขาดอิเล็กตรอนไปเกิดเป็นสภาวะเป็นประจุไฟฟ้าบวก ซึ่งจะต้านการเคลื่อนที่ของโฮล ในขณะที่ อะตอมบริเวณรอยต่อของสาร P จะมีอิเล็กตรอนเกินมา ทำให้มีประจุไฟฟ้าลบซึ่งจะผลักอิเล็กตรอนอิสระที่จะวิ่งข้ามมาทางฝั่ง ของสาร P ดังรูป

บริเวณดังกล่าว จึงเป็นบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) โดยจะเสมือนกำแพงกั้นไม่ให้อิเล็กตรอน และโฮลของอะตอมอื่นๆ ภายในสารกึ่งตัวนำมารวมกัน ถ้าต้องการให้พาหะทั้งสองฝั่งมารวมตัวกัน จะต้องให้แรงดันไฟฟ้า แก่สารให้มากกว่าระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากประจุบริเวณรอยต่อ โดยถ้าเป็นสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากซิลิกอน ระดับแรงดันดังกล่าวจะอยู่ประมาณ 0.7 โวลท์ และ ในกรณีสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากเยอรมันเนียม ระดับแรงดันดังกล่าวจะมีค่าต่ำกว่า โดยจะมีค่าประมาณ 0.3 โวลท์

การไบแอสรอยต่อ PN

เมื่อเราจ่ายแรงดันให้แก่สารในลักษณะ ต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่เข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด P และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเพิ่มมากขึ้น โดยถ้าแรงดันแบตเตอรี่ที่จ่ายมีระดับแรงดันสูงกว่าแรงดันต้านกลับบริเวณรอยต่อ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงพอ ที่จะข้ามมายังฝั่งตรงข้ามได้ เกิดมีกระแสไฟฟ้าไหล เราเรียกการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า การไบอัสตรง (Forward Bias) ดังรูปที่ 4

ในทางตรงกันข้ามหากเราทำ การจ่ายแรงดันสลับด้าน โดยให้ขั้วบวกของแบตเตอรี่ต่อเข้ากับสารกึ่งตัวนำ ชนิด N และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำ ชนิด P จะทำ ให้มีการฉุดรั้งเล็กตรอนไม่ให้ข้ามมายังฝั่งตรงข้าม ทำ ให้ไม่เกิดกระแสไหล เราเรียกลักษณะการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า การไบอัสกลับ (Reveres Bias)

ในสภาวะไบอัสกลับนี้ พาหะส่วนน้อย คือ อิเล็กตรอนในสาร P และ โฮลในสาร N จะถูกกระตุ้นจากแบตเตอรี่ให้มารวมกัน ทำให้เกิดกระแสไหลแต่มีปริมาณน้อยมากมีค่าเป็น ไมโครแอมป์หรือนาโนแอมป์ เราเรียกกระแสนี้ว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอนจะมีขนาดของกระแสรั่วไหล ต่ำกว่า เยอรมันเนียม

ไดโอด

จากคุณลักษณะของรอยต่อ PN ของสารกึ่งตัวนำ เราจึงนำมาสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า ไดโอดขึ้น โดยเรียกขั้วที่ต่อกับสาร P ว่า อาโนด(Anode) และเรียกขั้วที่ต่อกับสาร N ว่า คาโธด (Cathode) โดยจะมีรูปลักษณะและสัญลักษณ์ดังรูปที่ 6

การตรวจสอบไดโอด

วิธีการตรวจสอบไดโอดว่าดีหรือเสียและตรวจสอบขั้วของไดโอดทำ ได้โดยอาศัยคุณสมบัติของการไบอัสไดโอด โดยสามารถทำ ได้ดังนี้ คือ

1. ใช้มัลติมิเตอร์ตั้งย่านวัดโอห์ม R X 1
2. ใช้ปลายสายวัดต่อเข้ากับขั้วต่อแต่ละด้านของไดโอด
3. สังเกตเข็มมิเตอร์ว่าขึ้นหรือไม่
4. จากนั้นทำ การสลับขั้วสายวัดแล้วสังเกตเข็มมิเตอร์อีกครั้ง

ถ้าเข็มมิเตอร์ขึ้น 1 ครั้ง ไม่ขึ้นหนึ่งครั้ง แสดงว่า ไดโอดอยู่ในสภาพใช้งานได้(ไบอัสตรงกระแสไหล ไบอัสกลับกระแสไม่ไหล) แต่ถ้าเข็มมิเตอร์ไม่ขึ้นทั้งสองครั้ง แสดงว่า ไดโอดขาด หรือ ถ้าขึ้นทั้งสองครั้งแสดงว่า ไดโอดลัดวงจร สำหรับขั้วไดโอดนั้น ให้พิจารณา ในสภาวะเข็มขึ้น โดยขั้ว + ของมิเตอร์จะต่อกับ คาโถด และขั้ว – ของมิเตอร์จะต่อกับ อาโนด (ที่เป็นเช่นนี้เพราะ ขั้วมิเตอร์จะสลับ กับขั้วของแบตเตอรี่ภายใน ทำให้ในสภาวะที่เข็มขึ้น คือสภาวะไบอัสตรง อาโนด จะถูกต่อกับขั้ว – ของมิเตอร์ ซึ่งก็คือขั้วบวก ของแบตเตอรี่ภายในมิเตอร์นั่นเอง)

1. การป้องกันการต่อแบตเตอรี่ผิดขั้ว
   ปกติในการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปที่ใช้แบตเตอรี่เป็นไฟเลี้ยงวงจร อาจเกิดปัญหาการต่อแบตเตอรี่ผิดขั้วทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์เสียหาย ดังนั้นเราจึงนำคุณลักษณะการนำกระแสทางเดียวของไดโอดมาป้องกันปัญหาดังกล่าวได้ โดยถ้าหากต่อแบตเตอรี่ถูกต้องไดโอดจะได้รับไบอัสตรง ทำให้มีกระแสไหลจ่ายให้วงจรทำงานตามปกติ แต่ถ้าต่อแบตเตอรี่ผิดขั้ว ไดโอดจะได้รับไบอัสกลับ ไดโอดก็จะไม่นำกระแสเสมือนสวิตไฟ ที่เปิดวงจรออก ทำให้วงจรใช้งานไม่ได้รับความเสียหาย

2. การแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง

จากวงจร เราจะใช้หม้อแปลง แปลงแรงดันไฟสลับ 220V เป็นไฟสลับ 25 V แล้วต่อเข้าวงจรไดโอด เพื่อแปลงจากไฟสลับเป็นไฟตรง โดยในช่วงสัญญานซีกบวก จุด A จะเป็นบวกเมื่อเทียบกับจุด B ไดโอดจะได้รับการไบอัสตรง ทำให้มีกระแสไหลผ่านวงจร เกิดแรงดันตกคร่อมขึ้นที่ตัวต้านทาน และ เมื่อช่วงสัญญาณไฟสลับในซีกลบ จุด A จะมีศักดาไฟฟ้าเป็นลบ เมื่อเทียบกับจุด B ทำให้ไดโอดได้รับไบอัสกลับ จึงไม่มีการนำกระแส ทำให้ไม่มีแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน ดังนั้น แรงดันที่ตัวต้านทาน จึงมีสถานะเป็นช่วงไฟตรงที่มีช่วงบวกอย่างเดียว เราเรียกวงจรลักษณะนี้ว่า วงจรเรียงกระแส หรือ วงจรเร็กติฟาย (Rectifier) โดยการต่อใช้งานจริง จะใช้ตัวเก็บประจุแทนตัวต้านทาน เพื่อให้เก็บกำลังไฟฟ้า และเป็นแรงดันไฟตรงที่ราบเรียบ

ประเภทของไดโอด

ไดโอดดีเท็คเตอร์ (Detector Diode)ไดโอดประเภทนี้จะใช้ในวงจรเครื่องรับ-ส่งวิทยุ โดยใช้เป็นตัวแยกสัญญาณวิทยุ หรือ ลดสัญญาณรบกวน

ไดโอดเร็กติฟาย (Rectifier Diode)ไดโอดประเภทนี้จะใช้ในวงจรเรียงกระแส (Rectifier) หรือวงจรแปลงไฟสลับเป็นไฟตรงนั่นเอง โดยไดโอดที่พบเห็นกันส่วนใหญ่จะเป็นไดโอดประเภทนี้

ไดโอดกำลัง (Power Diode)ไดโอดประเภทนี้จะมีลักษณะเป็นโลหะขนาดใหญ่ เพื่อช่วยในการระบายความร้อนภายในตัว ส่วนใหญ่จะใช้ในงานแหล่งจ่ายกำลัง ซึ่งมีกระแสสูง

ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)เป็นไดโอดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ โดยจะทำงานในสภาวะไบอัสกลับ และมีคุณสมบัติในการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้า ที่ตกคร่อมตัวมัน ให้มีค่าคงที่ จึงนิยมใช้ในวงจรรักษาระดับแรงดันไฟฟ้า( Voltage Regulator)

ไดโอดเปล่งแสง (Light Emitting Diode)มักเรียกย่อว่า แอลอีดี (LED) เป็นไดโอดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษโดยเมื่อได้รับแรงดันไบอัสตรง จะเปล่งแสงออกมาได้ ซึ่งมีทั้ง สีแดง เขียว ฟ้า ส้ม เหลือง ฯลฯ ตามสารที่ใช้ทำ มักใช้ในส่วนของการแสดงผลในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เพราะกินไฟน้อยกว่าหลอดไฟมาก

ไดโอดรับแสง (Photo Diode)ไดโอดที่ออกแบบมาเพื่อปรับเปลี่ยนค่าตามความเข้มของแสงที่เข้ามา โดยจะมีลักษณะเป็นช่องหน้าต่างเล็กๆ ไว้ใช้ในการรับแสง ซึ่งอาจเป็นแสงสว่างธรรมดาหรือแสงอินฟาเรด มักใช้กับวงจรตรวจจับสัญญาณ หรือ ในวงจรควบคุมระยะไกล หรือที่เรียกว่า รีโมท

ข้อควรระวังในการใช้งานไดโอด

1. ในการใช้งานไบอัสตรงจะต้องมีตัวต้านทานจำ กัดกระแสต่อไว้เสมอ

ค่าของตัวต้านทานจำกัดกระแส

=แรงดันแหล่งจ่ายไฟ-แรงดันตกคร่อมไดโอด/กระแสที่ต้องการให้ไหลผ่านไดโอด

2. การใช้งานในสภาวะไบอัสกลับจะต้องระวังไม่ให้ไดโอดได้รับแรงดันไบอัสกลับเกินกว่าค่าแรงดันไบอัสกลับสูงสุดที่ทนได้

3. การใช้งานไดโอดเปล่งแสงหรือแอลอีดี จะต้องระวังไม่ให้กระแสเกินกว่า 20 mA

4. ไม่ควรให้แอลอีดีได้รับแรงดันไบอัสกลับ

5. ค่าแรงดันที่ตกคร่อมแอลอีดีในสภาวะทำ งานจะแตกต่างกันไปตามสารที่ใช้ทำ

แอลอีดี สีส้ม จะมีแรงดันตกคร่อม 1.8-2.7 โวล์ท
แอลอีดี สีเขียว จะมีแรงดันตกคร่อม 2.2 – 3.0 โวล์ท
แอลอีดี สีเหลือง จะมีแรงดันตกคร่อม 2.2 – 3.0 โวล์ท
แอลอีดี อินฟราเรด จะมีแรงดันตกคร่อม 2.2 – 3.0 โวล์ท