diode

รหส 2105-2005 วชา อปกรณอเลกทรอนกสและวงจร สาขางาน อเลกทรอนกส

หลกสตรประกาศนยบตรวชาชพ..พทธศกราช 2556 ประเภทวชา อตสาหกรรม

หนวยท 2 ชอเร อง/งาน ไดโอด เวลา 5 ช วโมง สปดาหท 2

หวขอเรอง/งาน

1. โครงสรางและสญลกษณของไดโอด2. คณสมบตทางไฟฟาของไดโอด3. วดและทดสอบคณสมบตของไดโอด

สาระส าคญ

ไดโอด เปนอปกรณอเลกทรอนกสประเภทสารกงตวน า (Semiconductor) ทท ามาจากธาตซลคอน (Silicon : Si) หรอธาตเยอรมนเนยม (Germanium : Ge) ทผานการเตมสารเจอปนจนไดสารชนด N –Type และ P-Type และน าสารทงสองมาตอ มชนกน ขาใชงาน 2 ขา มคณสมบตยอมใหกระแสไฟฟาไหลผานตวมนในทศทางเดยวคอจากสาร P ไปยงสาร Nท าหนาทเปนสวตช



จดประสงคการเรยนร

เมอผเรยนเรยนจบในหนวยแลวผเรยนสามารถ1. บอกโครงสรางและสญลกษณของไดโอดได 2. อธบายคณสมบตทางไฟฟาของไดโอดได 3. วด ทดสอบ และประกอบวงจรเพอหาคณสมบตการท างานของไดโอดได 4. นกเรยนมความสนใจใฝร และปฏบตงานดวยความรอบคอบประหยด



สาระการเรยนร

2.1 โครงสรางและสญลกษณของไดโอด

ไดโอด (Diode) เปนอปกรณสารกงตวน าจ าพวกซลกอน (Si) หรอเยอรมนเนยม (Ge) ทผานการเจอปน (Doping) ไดสารกงตวน าทไมบรสทธคอสาร P – Type และN – Type แลวน ามาตอชนกนกจะไดอปกรณอเลกทรอนกสประเภทสารกงตวน าขนมาคอไดโอดดงรปท 2.1 โครงสราง และสญลกษณของไดโอด

รปท 2.1 โครงสราง และสญลกษณของไดโอด



จากรปท 2.1 โครงสราง และสญลกษณของไดโอด จากรป ก. โครงสรางประกอบดวยสารP – Type และ N – Type มาตอชนกน และมขาใชงานสองขาคอขาแอโนด (Anode : A) เปรยบเสมอนเปนขาบวก (+) และขาแคโทด (Cathode : K) เปรยบเสมอนเปนขาลบ (-) สวนรป ข. สญลกษณทศทางหวลกศรเปนการบอกวากระแสไหลไปในทศทางเดยวโดยไหลจากขาแอโนด ไปยงขาแคโทด

รปท 2.2 รปรางและการน าไปใชงานของไดโอด



2.2 คณสมบตทางไฟฟาของไดโอด

คณสมบตของไดโอดเราจะพจารณาอยสองกรณคอ การท างานของไดโอดในอดมคต (Idle Diode) และการท างานของไดโอดในทางปฏบต (Practical Diode)

2.2.1 คณสมบตของไดโอดในอดมคต (Idle Diode) 2.2.1.1 การจายแรงดนไบอสตรง เปนการจายแรงดนไฟบวกจาก

แหลงจาย (VS) ใหกบขาแอโนด และจายแรงดนไฟลบใหกบขาแคโทดดงรปท 2.3 การจายแรงดนไบอสตรงใหกบไดโอด

รปท 2.3 การจายแรงดนไบอสตรงใหกบไดโอด



เมอพจารณาวงจรตามรปท2.3 การจายแรงดนไบอสตรงใหกบไดโอด จากรป ก.วงจรไดโอด ในทางอดมคตขณะนไดโอดน ากระแสเพราะเปนการใหไฟทถกตองกบไดโอด ขณะน ากระแสไดโอดมคาความตานทานในตวมนต ามากในทางอดมคตคาความตานทานของไดโอด(Diode Resistance: RD)ประมาณหรอเทากบศนยโอหม

เมอไดโอดมคาความตานทานมคาต ามากท าใหแรงดนทตกครอมตวไดโอดมคาต ามากเชนกน ผลท าใหกระแสทเกดจากแหลงจายไหลผานตวไดโอดไดอยางเตมทขณะนมกระแสไหลผานวงจรไดโอด ID > 0 เปรยบเสมอนกบไดโอดไดท าหนาทเปนสวตชปดวงจร(Short circuit) ดงรป ข.วงจรสวตช เราสามารถหาคากระแสทไหลผานไดโอดไดจากสมการท 2.1

เมอVS คอ แรงดนทแหลงจาย(Power Supply) มหนวยเปนโวลต VVD คอ แรงดนทตกครอมไดโอด (Diode Voltage) มหนวยเปนโวลต VID คอ กระแสทไหลผานไดโอด(Diode Current) มหนวยเปนแอมแปร ARD คอ คาความตานทานของไดโอด (Diode Resistance)มหนวยเปนโอหม Ω



2.2.1.2 การจายแรงดนไบอสกลบ เปนการจายแรงดนไฟบวกจากแหลงจาย (VS) ห กบขาแคโทด และจายแรงดนไฟลบใหกบขาแอโนดดงรปท 2.4 การจายแรงดนไบอสกลบใหกบไดโอด

รปท 2.4 การจายแรงดนไบอสกลบใหกบไดโอด



การจายแรงดนไบอสกลบใหกบไดโอด จากรป ก.วงจรไดโอด ในทางอดมคตขณะนไดโอดไมน ากระแสเพราะเปนการใหไฟทไมถกตองกบไดโอด ขณะไมน ากระแสไดโอดมคาความตานทานในตวมนสงมากในทางอดมคต เมอไดโอดมคาความตานทานมคาสงมากท าให แรงดนทตกครอมตวไดโอดมคาสงมากเชนกนจากวงจรในรป ก. แรงดนตกครอมไดโอดประมาณหรอเทากบแหลงจาย ผลท าใหกระแสทเกดจากแหลงจายไมสามารถไหลผานตวไดโอดได ID = 0 ขณะนเปรยบเสมอนกบไดโอดไดท าหนาทเปนสวตชเปดวงจร(Open circuit) ดงรป ข.วงจรสวตช



จากการท างานของไดโอดขณะจายแรงดนไบอสตรง และไบอสกลบเราสามารถน ามาเขยนเปนกราฟความสมพนธระหวางแรงดน-กระแส (V-I Characteristic Curve) ดงรปท2.5 กราฟแสดงความสมพนธระหวางแรงดน-กระแส ของไดโอดในทางอดมคต ซงจะเหนวาไดโอดในอดมคตมลกษณะเหมอนสวทชทสามารถน ากระแสไหลผานไดในทศทางเดยว

รปท2.5 กราฟแสดงความสมพนธระหวางแรงดน-กระแส ของไดโอดในทางอดมคต



2.2.2 คณสมบตของไดโอดในทางปฏบต (Practical Diode) 2.2.2.1 การจายแรงดนไบอสตรง เปนการจายแรงดนไฟบวกจากแหลงจาย (VS)

ใหกบขาแอโนด และจายแรงดนไฟลบใหกบขาแคโทดดงรปท 2.6 การจายแรงดนไบอสตรงใหกบไดโอด

รปท 2.6 การจายแรงดนไบอสตรงใหกบไดโอด



เมอพจารณาวงจรตามรปท2.6 การจายแรงดนไบอสตรงใหกบไดโอด ในทางปฏบตไดโอดจะมการแพรกระจายของพาหะขางนอยทบรเวณรอยตอP-N อยจ านวนหนง ดงนนเมอตอไบอสตรงใหกบไดโอดในทางปฏบตกจะเกด แรงดนเสมอนซงตานแรงดนไฟฟาทจายไบอสตรงใหกบไดโอด ขนาดของแรงดนเสมอนจงเปนตวบอกจดท างาน จงเรยกแรงดนเสมอนอกอยางหนงวา แรงดนในการเปด (Turn-on Voltage ; VT ) ซงไดโอดทมโครงสรางท ามาจากสารกงตวน าชนดเยอรมนเนยม จะมจดท างานทประมาณ 0.3 V สวนไดโอดทท ามาจากสารกงตวน าชนดซลกอน จะมจดท างานทประมาณ 0.7 V จากคณสมบตดงกลาวไดโอดในทางปฏบตขณะน ากระแสจะมแรงดนตกครอมตวมนคอคา VT นนหมายความวาขณะไดโอดท างานจะมคาความตานทานหลงเหลออยไมใชคาความตานทานเปนศนย (RD ≠ 0 Ω)เหมอนกบไดโอดในอดมคต

เราสามารถหาคากระแสทไหลผานไดโอดไดจากสมการท 2.1 โดยการแทนคาแรงดน VD

ดวยแรงดน VT ดงสมการท 2.2

สมการท 2.2



เมอVS คอ แรงดนทแหลงจาย(Power Supply) มหนวยเปนโวลต VVT คอ แรงดนในการเปด (Turn-on Voltage ; VT ) มหนวยเปนโวลต VID คอ กระแสทไหลผานไดโอด(Diode Current) มหนวยเปนแอมแปร ARD คอ คาความตานทานของไดโอด (Diode Resistance)มหนวยเปนโอหม Ω



2.2.2.2 การจายแรงดนไบอสกลบ เปนการจายแรงดนไฟบวกจากแหลงจาย (VS) ใหกบขาแคโทด และจายแรงดนไฟลบใหกบขาแอโนดดงรปท 2.7 การจายแรงดนไบอสกลบใหกบไดโอด

รปท 2.7 การจายแรงดนไบอสกลบใหกบไดโอด



เมอพจารณาวงจรตามรปท2.7 การจายแรงดนไบอสกลบใหกบไดโอด เราทราบวา Depletion Region จะขยายกวางขน แตกยงมพาหะขางนอยแพรกระจายทรอยตออยจ านวนหนง ซงพาหะขางนอยสามารถทจะเคลอนผานรอยตอไดจ านวนหนงซงมคานอยมากเรยกวา กระแสรวไหล (Leakage Current) แตเมอเพมแรงดนไฟฟาจากแหลงจาย VS ขนเรอยๆ กระแสรวไหลจะเพมขนตามไปดวยจนถงจดทไดโอดน ากระแสเพมขนมาก ระดบกระแสทจดน เรยกวา กระแสอมตวยอนกลบ (Reverse Saturation Current ; IS )แรงดนไฟฟาทจดน เรยกวาแรงดนพงทลาย (Breakdown Voltage) และถาปรบแรงดนทแหลงจายเพมขนจนแรงดนไบอสกลบสงขนถงจดสงสดทไดโอดทนได เราเรยกวา แรงดนพงทลายซเนอร (Zener Breakdown Voltage ; VZ) ถาแรงดนไบอสกลบสงกวา VZ จะเกดความรอนอยางมากทรอยตอของไดโอด สงผลใหไดโอดเสยหายหรอพงได แรงดนไฟฟาทจดนเราเรยกวา แรงดนพงทลายอวาแลนซ (Avalance Breakdown Voltage)

จากการท างานของไดโอดในทางปฏบตขณะจายแรงดนไบอสตรง และไบอสกลบเราสามารถน ามาเขยนเปนกราฟความสมพนธระหวางแรงดน-กระแส (V-I Characteristic Curve) ดงรปท2.8 กราฟแสดงความสมพนธระหวางแรงดน-กระแส ของไดโอดในทางปฏบต



รปท2.8 กราฟแสดงความสมพนธระหวางแรงดน-กระแส ของไดโอดในทางปฏบต



2.3 การวดและทดสอบของไดโอดการตรวจหาขาของไดโอดหรอการตรวจสอบวาไดโอดนนใชงานไดหรอไม ท าไดอยางงายโดยการใชโอหมมเตอร เนองจากไดโอดนนเมอไดรบแรงไฟไบอสตรงจะยอมใหกระแสไหลผาน แสดงวาคาความตานทานของไดโอดมคาต า ( โดยทวไปคาความตานทานนเรยกวา ความ ตานทานดานไบอสตรง ปกตมคาประมาณ 70 Ω) แตเมอไดโอดไดรบแรงไฟไบอสกลบจะไมมกระแสไหลผานไดโอดเหมอนกบวาความตานทานของไดโอดมคาสงมาก ( โดยทวไปคาความตานทานของไดโอดเมอไดรบไบอสกลบ จะมคาอยระหวาง 500KΩ ถง ∞

2.3.1 การทดสอบไดโอดดวยมลตมเตอรแบบแอนะลอก

กระท าไดโดยการตงยานวดความตานทานในยาน R x 10Ω เพอวดความตานทานไบอสตรง โดยตอขวไฟบวก (มเตอรตระกล Sanwa ไฟบวกจะออกจากขวลบของมเตอร ) ของมเตอรเขากบขาแอโนด และตอขวไฟลบของมลตมเตอรเขากบขาแคโถด จะเหนวาเขมของมเตอรชไปทคาความตานทานต าประมาณ 70Ω ดงรปท 2.9 ก. จากนนใหปรบยานวดไปยาน R x 10KΩ เพอวดความตานทานไบอสกลบของไดโอด โดยตอขวมลตมเตอรกลบจากเดม คอ ตอไฟบวกของมลตมเตอรเขากบขาแคโถดและตอขวไฟลบของมลตมเตอรเขากบขาแอโนด เขมมลตมเตอรจะชทคาความตานทานสงมาก ( เขมมเตอรไมกระดก ) หรอคาอนนต ( Infinity , ∞) ในไดโอดชนดซลกอน และประมาณ 500 kΩ ในไดโอดชนดเยอรมนเนยม ดงรปท 2.9 ข. การทดสอบไดโอดดวยมลตมเตอรแบบแอนะลอก



รปท 2.9 ข. การทดสอบไดโอดดวยมลตมเตอรแบบแอนะลอก



2.3.2 การทดสอบไดโอดดวยดจตอลมลตมเตอร

ใหตงยานการวดไปทต าแหนงไดโอดดงรปท2.12 การทดสอบไดโอดดวยดจตอลมลตมเตอร โดยวดขวทงสองของไดโอดดวยไบอสตรง คอ ใหขวไฟลบทออกจากดจตอลมลตมเตอร ตอเขากบแคโถดและขวไฟบวกของดจตอลมเตอรตอกบเขากบขาแอโนด ดจตอลมลตมเตอรจะแสดงคาแรงดนตกครอมรอยตอของไดโอด ( แรงดนคทอน ) โดยแสดงคาแรงดน 0.6V หรอ 0.7V ในไดโอดชนดซลกอนและแสดงคา 0.2V หรอ 0.3V ในไดโอดชนดเยอรมนเนยม ดงรปท 2.10 ก. แตเมอกลบขวดจตอลมลตมเตอรผลทไดจะมคาตามรปท 2.10 ข.

รปท2.10 การทดสอบไดโอดดวยดจตอลมลตมเตอร



การวดและตรวจสอบไดโอดจะพจารณากนอย 3 ลกษณะ คอ

1. ไดโอดขาด (Open) หมายถง รอยตอระหวางสาร P-N เปดออกจากกน ท าใหไดโอดไมสามารถน ากระแสได ทงในกรณไบอสตรงและไบอสกลบ ( เขมมเตอรไมข นทงสองครง )

2. ไดโอดลดวงจร (Shot) หมายถง รอยตอระหวางสาร P-N เกดการพงทลายเขาหากน ไดโอดจะน ากระแสทงในกรณไบอสตรงและไบอสกลบ ( เขมมเตอรข นทงสองครง )

3. ไดโอดรวไหล (Leakage) หมายถง การวดไดโอดในลกษณะไบอสกลบ โดยใชคาแรงดนจากโอหมมเตอรซ งมคาแรงดนต ากวาคาแรงดนพงทลายของไดโอด กจะมกระแสไหล ไดโอดชนดเยอรมนเนยมเมอถกไบอสกลบจะมคาความตานทานประมาณ 400 kΩ - 500 kΩ ซงมกระแสรวไหลมากกวาไดโอดชนดซลกอน โดยไดโอดชนดซลกอนเมอถกไบอสกลบจะมคาความตานทานเปนอนนต ( เขมมเตอรไมข น )

diode

Documents