atom semiconductor

รหส 2105-2005 วชา อปกรณอเลกทรอนกสและวงจร สาขางาน อเลกทรอนกส

หลกสตรประกาศนยบตรวชาชพ..พทธศกราช 2556 ประเภทวชา อตสาหกรรม

G

A2

A1

M

R1

R2

C1

Sw

Q1

Q1

Q2

C

E

B

+VCC

R1

R2

R3

Vi

Vo

IB1

IB2

IC1IC2

IE

C1

C2

Transformer Rectifier Regulator

D1

D2

C ZD++

-

Filter

VdcVac

สาขางาน อเลกทรอนกส วทยาลยการอาชพกาญจนบรสถาบนการอาชวศกษาภาคกลาง ส านกงานคณะกรรมการการอาชวศกษา

กระทรวงศกษาธการ

นายทศพร ดวงสวสด



จดประสงครายวชา1. เขาใจเกยวกบการท างานของอปกรณและวงจรอเลกทรอนกส

2. มทกษะในการประกอบ วด ทดสอบคณสมบตทางไฟฟาของอปกรณและวงจรอเลกทรอนกส

3. มกจนสยในการคนควาความรเพมเตมและปฏบตงานดวยความละเอยดรอบคอบและปลอดภย

สมรรถนะรายวชา / มาตรฐานรายวชา

1. แสดงความรเกยวกบการใชงานอปกรณอเลกทรอนกสและวงจร

2. วดและทดสอบคณลกษณะทางไฟฟาของอปกรณอเลกทรอนกสและวงจร



ค าอธบายรายวชา

ศกษาและปฏบตเกยวกบ โครงสรางอะตอม สารกงตวน าชนดพ ชนดเอนและรอยตอพเอน โครงสรางสญลกษณ คณลกษณะทางไฟฟาและการใหไบแอสไดโอด ซเนอรไดโอด ทรานซสเตอร เฟตและอปกรณไทรสเตอร การท างานของวงจรคอมมอนตางๆ ของทรานซสเตอรและเฟต วงจรขยายคลาส A, B, AB, C และ D การคปปลง วงจรขยายแบบคาสแคด ดารลงตน วงจรคอมพลเมนตาร การใชงานอปกรณอเลกทรอนกสในวงจรขยายสญญาณ วงจรเพาเวอรซพพลาย วงจรออสซลเลเตอรและวงจรอนๆ การอานคมออปกรณอเลกทรอนกส การแปลความหมายของคณลกษณะทางไฟฟา



หนวยท 1 ชอเร อง/งาน อะตอม และสารกงตวน า เวลา 5 ช วโมง สปดาหท 1

หวขอเรอง/งาน

1.1 โครงสรางของอะตอม1.2 วงโคจรของอเลกตรอน1.3 สารกงตวน า1.4 รอยตอ พ เอน

สาระส าคญสสารประกอบดวยอนภาคทเลกทสดเรยกวา อะตอม เนองจากอะตอมสวนมากม

โครงสรางทเสถยร อะตอมจงเปนองคประกอบของทกสงในจกรวาล และมอะตอมมากกวา 100 ชนด ทประกอบดวยอนภาคทเลกกวาอะตอม โครงสรางอะตอมตรงกลางหรอนวเคลยสของอะตอมม โปรตอน ซงมประจบวก และนวตรอน ซงไมมประจ อนภาคทมประจลบเรยกวา อเลกตรอน ซงจะโคจรอยรอบๆนวเคลยส ในแตละชนหรอเซลล



สาระส าคญ(ตอ)

สารกงตวน า (องกฤษ: semiconductor) คอ วสดทมคณสมบตในการน าไฟฟาอยระหวางตวน าและฉนวน เปนวสดทใชท าอปกรณอเลกทรอนกส มกมตวประกอบของ germanium, selenium, silicon วสดเนอแขงผลกพวกหนงทมสมบตเปนตวน า หรอสอไฟฟาก ากงระหวางโลหะกบอโลหะหรอฉนวน ความเปนตวน าไฟฟาขนอยกบอณหภม และสงไมบรสทธทมเจอปนอยในวสดพวกน ซ งอาจเปนธาตหรอสารประกอบ เชน ธาตเจอรเมเนยม ซลคอน ซลเนยม และตะกวเทลลไรด เปนตน วสดกงตวน าพวกนมความตานทานไฟฟาลดลงเมออณหภมสงขน ซงเปนลกษณะตรงขามกบโลหะทงปวง



จดประสงคการเรยนร

เมอผเรยนเรยนจบในหนวยแลวผเรยนสามารถ1. บอกโครงสรางของอะตอมได 2. ค านวณอเลกตรอนในแตละวงโคจรของอะตอมได 3. อธบายคณสมบตของสารกงตวน าได 4. อธบายหลกการของรอยตอ พ เอนได 5. นกเรยนมความสนใจใฝร



1.1 โครงสรางอะตอม

สสารตางๆ ทเราพบอยทวไปนน ถาพจารณาลงไปถงสวนประกอบขนาดเลกทประกอบกนเปนสสารนนแลว จะพบวาประกอบดวยโมเลกล ซงโมเลกลเปนสวนประกอบทเลกทสดของสารและยงแสดงสมบตของธาตนนอยได ในแตโมเลกลจะประกอบดวยสวนทเลกลงไปอกเรยกวาอะตอม จากการทดลองของนกวทยาศาสตรท าใหทราบวาอะตอมประกอบดวยนวเคลยสทอยเปนแกนกลางของอะตอม และมอเลกตรอนโคจรรอบนวเคลยสนน ภายในนวเคลยสยงประกอบไปดวยอนภาคของโปรตอนและนวตรอนอยรวมกน อเลกตรอนทโคจรอยรอบนวเคลยสนนเปนลบ สวนโปรตอนมประจเปนบวก นวตรอนทอยในนวเคลยสมประจเปนกลางทางไฟฟา โดยปกตแลวอะตอมของธาตตางๆ จะเปนกลางทางไฟฟา ในธาตเดยวกนอะตอมของธาตนนจะมจ านวนโปรตอนและอเลกตรอนเทากน ดงรปท 1.1 โครงสรางอะตอม

-

-

-

--

-++++ -

+electron

proton

neutron

++

รปท 1.1 โครงสรางอะตอม



1.2 วงโคจรของอเลกตรอน

จ านวนอเลกตรอนทว งรอบนวเคลยสจะวงเปนวงๆ ดงรปท 1.2 โดยแตละวงโคจรจะมอเลกตรอนบรรจอยไมเทากน เรยงล าดบจากนอยไปหามาก แตละวงจะสามารถบรรจอเลกตรอนไดจ านวนเทาใดนนค านวณไดจากสตร

𝟐𝐍𝟐

โดย N คอล าดบวงโคจรทหางจากนวเคลยส

รปท 1.2 วงโคจรของอเลกตรอน



วงโคจรอเลกตรอนทอยหางจากนวเคลยสจะบอกก ากบไวเปนตวอกษร ซงในวงในสดทตดกบนวเคลยสจะนบเปนวงแรกคอวง K และวงทอยออกหางไปเรอยๆ กจะเปน L,M,N,O,P,Q ตามล าดบ แตละวงจะมอเลกตรอนไดสงสดตามสตร

𝟐𝐍𝟐

วง K ซงเปนวงท 1 จะมอเลกตรอนสงสดเทากบ 𝟐𝐍𝟐 = 𝟐(𝟏)𝟐 = 2 ตว

วงท 2 คอวง L จะมอเลกตรอนสงสดเทากบ 𝟐𝐍𝟐 = 𝟐(𝟐)𝟐 = 8 ตว

วงท 3 คอวง M จะมอเลกตรอนสงสด 𝟐𝐍𝟐 = 𝟐(𝟑)𝟐 = 18 ตว

วงท 4 คอวง N จะมอเลกตรอนสงสดเทากบ 𝟐𝐍𝟐 = 𝟐(𝟒)𝟐 = 32 ตว

วงท 5 คอวง O จะมอเลกตรอนสงสดเทากบ 𝟐𝐍𝟐 = 𝟐(𝟓)𝟐 = 50 ตว

โดยตงแตวง O เปนตนไป จ านวนอเลกตรอนทบรรจลงไปจะไมเตมจ านวนตามสตรท ค านวณได



1.2.1 วาเลนซอเลกตรอน ( Valence Electron ) อะตอมของธาตแตละชนดมจ านวนอเลกตรอนมากนอยแตกตางกน ซงจะท าใหการบรรจอเลกตรอนลงในแตละวงโคจรไมเตมจ านวน และมขอจ ากดในการบรรจอเลกตรอนลงวงโคจรอยางหนงคอ อเลกตรอนทโคจรอยวงนอกสดจะมอเลกตรอนไดมากสดไมเกน 8 ตว อเลกตรอนวงนอกสดจะอยทวงใดกไดไมจ าเปนจะอยวง Q เทานน วงทถกบรรจอเลกตรอนเปนวงสดทายของธาตเรยกอเลกตรอนวงนอกสดนวา วาเลนซอเลกตรอน ( Valence Electron ) วาเลนซอเลกตรอนในธาตแตละชนดจะมจ านวนไมเทากนดงรปท 1.3 แสดงการจดอเลกตรอนของอะตอมโซเดยมและคลอรน

รปท 1.3 อเลกตรอนของอะตอมโซเดยมและคลอรน



วาเลนซอเลกตรอนหรออเลกตรอนวงนอกสดจะเปนตวบงบอกถงคณสมบตทางไฟฟาของสสารหรอธาตตางๆ ซงสามารถแบงออกเปน 3 ชนด คอ ตวน าไฟฟา , สารกงตวน า และฉนวนไฟฟา โดยจะก าหนดจากสสารหรอธาตทมวาเลนซอเลกตรอนดงน

ตวน าไฟฟา จะมวาเลนซอเลกตรอนจ านวน 1 - 3 ตว

สารกงตวน า จะมวาเลนซอเลกตรอนจ านวน 4 ตว

ฉนวนไฟฟา จะมวาเลนซอเลกตรอนจ านวน 5 - 8 ตว



1.2.2 ตวน าไฟฟา ( Conductor ) จะมวาเลนซอเลกตรอนจ านวน 1 - 3 ตว ซงอเลกตรอนสามารถหลดออกจากอะตอมไดโดยงายเมอมพลงงานหรอแรงมากระท าเพยงเลกนอย น ากระแสไฟฟาไดด ธาตเหลานเชน ทองค า, เงน , ทองแดง, อลมเนยม, เหลก,สงกะส เปนตน

1.2.3 สารกงตวน า ( Semi – Conductor ) ธาตทจดเปนจ าพวกสารกงตวน าไฟฟา คอธาตทมวาเลนซอเลกตรอน 4 ตว ซงมคณสมบตอยก งกลางระหวางตวน าไฟฟาและฉนวนไฟฟา ธาตก งตวน าไฟฟานจะนยมน าไปใชผลตเปนอปกรณอเลกทรอนกสตางๆ ธาตทจดวาเปนสารกงตวน าไดแก คารบอน ซลคอน เยอรมนเนยม ดบก ตะกว แตทนยมน าไปผลตเปนอปกรณอเลกทรอนกสม 2 ชนด คอ ซลคอน( Si) และเยอรมนเนยม (Ge)

1.2.4 ฉนวนไฟฟา ( Insulator )ธาตทจดเปนจ าพวกฉนวนไฟฟา คอธาตทมวาเลนซ

อเลกตรอน 5 - 8 ตว ซงอเลกตรอนไมสามารถหลดออกจากอะตอมไดโดยงาย จะตองใช

พลงงานสงมากๆ มากระท าอเลกตรอนจงหลดออกได กระแสไฟฟาไหลผานไดยาก มคาความตานทานไฟฟาสงมาก ฉนวนเหลานน เชน ไมกา, แกว,พลาสตก,ไมแหง เปนตน



1.3 สารกงตวน า

ธาตทจดเปนจ าพวกสารกงตวน าไฟฟา คอธาตทมวาเลนซอเลกตรอน 4 ตว ซงมคณสมบตอยก งกลางระหวางตวน าไฟฟาและฉนวนไฟฟา ไมสามารถน าไปใชงานไดซ งสามารถจ าแนกไดสองลกษณะดงน

1.3.1 สารกงตวน าบรสทธ Intrinsic semi-conductor

สารกงตวน าบรสทธ คอ ธาตก งตวน าทยงไมไดเตมสารเจอปน (Doping )ใดๆ ลงไป ธาตกงตวน าทนยมน าไปท าเปนสารกงตวน าในอปกรณอเลกทรอนกสกคอ ธาตก งตวน าซลกอน และธาตกงตวน าเยอรมนเนยม ธาตท งสองชนดนจะมวาเลนซอเลกตรอน 4 ตว แตอเลกตรอนทงหมดจะไมเทากน โดยซลคอนจะมอเลกตรอนทงหมด 14 ตว สวนเยอรมนเนยมจะมอเลกตรอนทงหมด 32 ตว ตอหนงอะตอม ดงรปท 1.4แสดงการใชอเลกตรอนวงนอสดรวมกนครบ 8 ตวของอะตอมซลคอนและเยอรมนเนยม

รปท 1.4แสดงการใชอเลกตรอนวงนอสดรวมกนครบ 8



โครงสรางอะตอมของธาตซลกอนและโครงสรางอะตอมของธาตเยอรมนเนยมเมออยรวมกนหลายๆ อะตอมจะจบกนเปนผลกในรปของพนธะโควาเลนซ (Covalence Bond) ดงนนหนงอะตอมจะตองใชอเลกตรอนรวมกนกบอะตอมขางเคยง 4 อะตอม จงจะมอเลกตรอนวงนอกสดครบ 8 ตว เพอใหอะตอมอยในสภาพเสถยร

รปท 1.5 แสดงการใชอเลกตรอนวงนอกสดรวมกนครบ 8 ตว ของอะตอมSi และ Ge



1.3.2 สารกงตวน าไมบรสทธ Extrinsic semi-conductor

สารกงตวน าไมบรสทธ คอการน าเอาธาตซลคอนหรอธาตเยอรมนเนยมบรสทธมาเตมเจอปนลงไป โดยใชธาตเจอปนทมอเลกตรอนวงนอกสด 3 ตว หรอธาตเจอปนทมอเลกตรอนวงนอกสด 5 ตว ลงไปในอตราสวน 108: 1 คอธาตก งตวน าบรสทธ 108 สวนตอสารเจอปน 1 สวน ซงจะท าใหไดสารกงตวน าใหมขนมา คอถาเตมธาตเจอปนทวาเลนซอเลกตรอน 5 ตวลงไป ตวน าชนดเอน แตถาเตมธาตเจอปนทมวาเลนซอเลกตรอน 3ตว ลงไปจะไดสารกงตวน าชนดพ ธาตทมวาเลนซ

อเลกตรอน 3 ตว ทน ามาใชเปนธาตเจอปนเชนโบรอน อนเดยม แกลเลยม และอลมเนยม สวนธาตทมวาเลนซอเลกตรอน 5 ตวทน ามาใชเปนธาตเจอปน เชน ฟอสฟอรส อาเซนค


หลกสตรประกาศนยบตรวชาชพ..พทธศกราช 2556 ประเภทวชา อตสาหกรรมe

1.3.2.1 สารกงตวน าชนด N ( N – Type Semiconductor ) สารกงตวน าชนดเอนเปนสา รกง ต วน าท ไ ด จ ากการ เต มสา ร เ จ อปนท ม ว า เลนซ อ เ ล กต รอน 5 ต ว เ ช น ฟอสฟอรส อาเซนค อยางใดอยางหนงลงไปในธาตซลคอนหรอเยอรมนเนยมบรสทธ จะท าใหอเลกตรอนวงนอกสดของแตละอะตอมแลกเปลยนอเลกตรอนซงกนและกน หรอใชอเลกตรอนรวมกนได 8 ตว ท าใหเหลออเลกตรอน 1 ตว ทไมสามารถจบตวกบอะตอมขางเคยง เรยกอเลกตรอนตวนวา อเลกตรอนอสระ (Free electron : e ) ซงจะ

แสดงประจลบออกมา เปนสารกงตวน าชนด N – Type

e

รปท 1.6 โครงสรางการจบตวกนของอเลกตรอนวงนอกสดระหวาง Si กบ P



1.3.3.2 สารกงตวน าชนด P (P-Type Semiconductor) สารกงตวน าชนดพเปนสารกงตวน าทไดจากการเตมธาตเจอปนทมวาเลนซอเลกตรอน 3 ตว เชน โบรอน อนเดยม แกลเลยม อยางใดอยางหนงลงไปในธาตซลคอนหรอธาตเยอรมนเนยมบรสทธ จะท าใหอเลกตรอนวงนอกสดของแตละอะตอมแลกเปลยนอเลกตรอนซงกนและกนหรอใชอเลกตรอนรวมกนได ครบ 8 ตว สวนอะตอมของธาตเจอปนจะขาดอเลกตรอนอก 1 ตว เพราะธาตเจอปนมอเลกตรอนวงนอกสด 3 ตว เรยกสวนทขาดอเลกตรอนนวาโฮล ซงแปลวา หลม หรอ ร โฮลนจะแสดงประจบวกออกมา

รปท 1.7 โครงสรางการจบตวกนของอเลกตรอนวงนอกสดระหวาง Si กบ Br



1.4 รอยตอ พ เอน

สารกงตวน าทงชนด P และชนด N ทเกดจากการเตมสารเจอปนลงในธาตซลกอน และเยอรมนเนยม มจ านวนอเลกตรอนอสระ และโฮลไมเทากน กลาวคอในสาร P จะมจ านวนโฮล มากกวาอเลกตรอนอสระดงรปท 1.8 ก. สวนในสาร N มจ านวนอเลกตรอนอสระมากกวาโฮลดงรปท 1.8 ข. ทงโฮล และอเลกตรอนอสระ เปนตวทท าใหเกดการไหลของกระแสไฟฟาขนในตวน าเราจงเรยกวา พาหะ (Carrier) ดงรปท 1.8 โครงสรางภายในของสารกงตวน าชนด P และ N

รปท 1.8 โครงสรางภายในของสารกงตวน าชนด P และ N



เมอน าสารกงตวน าชนด P-type และ N-type มาตอกน ซงจดทสารกงตวน าทงสองสมผสกนเรยกวา รอยตอ (Junction) โดยรอยตอนจะยอมใหอเลกตรอนอสระ(-) ทมอย มากในดานN- type เคลอนทขามไปรวมกบโฮล(+) ในดาน P- type ดงแสดงในรปท 1.9 รอยตอ P-N

รปท 1.9 รอยตอ P-N



เนองจากอเลกตรอนจาก N- type เคลอนทขามรอยตอไปรวมกบโฮลในดาน P- type จงท าใหเกดประจไฟฟาลบใน P- type ขน และทงบรเวณทอเลกตรอนเคลอนทออกมาจาก N- type เกดชองวาง(โฮล)ใหเปนประจไฟฟาบวก ดงแสดงในรปท 1.10 การเคลอนทของอเลกตรอน และโฮลในรอยตอ พ เอน

รปท 1.10 การเคลอนทของอเลกตรอน และโฮลในรอยตอ พ เอน



จากปรากฏการณนจงท าใหพนทหรอชนของรอยตอซงประกอบขนจากประจไฟฟาบวกดานหนงและประจไฟฟาลบอกดานหนง ชนของรอยตอทเกดขนนเรยกวา "Depletion Region" ซงเมอชนของรอยตอเรมกอตวขนมผลท าใหไมมการรวมตวระหวางอเลกตรอนอสระ และโฮลขามรอยตออกตอไป กลาวอกนยหนงกคอ ประจไฟฟาลบใน P-type ทอยใกลกบบรเวณรอยตอจะผลกอเลกตรอนอสระจาก N-type ไมใหเขามารวมอก จากปฏกรยานจะเปนการปองกนไมให Depletion Region ขยายกวางออกไปอกประจไฟฟาบวก และประจไฟฟาลบทบรเวณรอยตอนจะมศกยไฟฟาสะสมในตวระดบหนงและเนองดวยประจทงสองมขวตรงกนขามกน จงท าใหเกดความตางศกยทางไฟฟาหรอแรงดนไฟฟาปรากฏครอมรอยตอ ดงรปท 1.11 Depletion Region

รปท 1.11 Depletion Region



เอกสารอางอง/บรรณานกรม

พนธศกด พฒมานตพงศ. อเลกทรอนกสในงานอตสาหกรรม. กรงเทพฯ : ส านกพมพซ

เอดยเคชน, 2553ชยวฒน ลมพรจตรวลย. คมอนกอเลกทรอนกส.กรงเทพฯ : ส านกพมพซเอดยเคชน,อดลย กลยาแกว.อปกรณอเลกทรอนกสและวงจร(อปกรณอเลกทรอนกส).กรงเทพฯ : ส านกพมพศนยสงเสรมอาชวะ,2546Dinesh C. Dube. Electronics Circuits and Analysis. India :Alpha Science International Ltd,

atom semiconductor

Education