02/11/52

Semiconductor Di d

1

Chapter 2Chapter 2Semiconductor DiodesSemiconductor Diodes

Semiconductor Di d

2

เนอหา : ไดโอดในอดมคต วสดกงตวนาวสดอนทรนซก วสดเอกซทรนซก รอยตอพเอน ไดโอดกงตวนา ระดบความตานทานของไดโอด วงจรสมมลของไดโอด แผนแสดงคณสมบตของไดโอด ความจไฟฟาชวงเปลยนและความจไฟฟาแพรซม เวลาฟนตวยอนกลบ สญลกษณของไดโอด การทดสอบไดโอด ไดโอดแบบตางๆ การผลตอปกรณกงตวนา

02/11/52

Semiconductor Di d

3

ไดโอดในอดมคตไดโอดในอดมคต ((IIdealdeal DDiodeiode))Diode เปน Two Terminal Device ประกอบดวย 2 ขว

คอ แอโนด (Anode, A) และ คาโทด (Cathode, K)

สญญลกษณ ไดโอดในอดมคต

Diode จะนากระแส (ON) เมอมการ ไบแอสเดนหนา(Forward Bias) และจะไมนากระแส (OFF) เมอมการไบแอสยอนกลบ (Reverse Bias)

Semiconductor Di d

4

คณสมบตไดโอดNon-conduแtionregion

Condcution region

กราฟคณสมบต V-I

บรเวณนากระแส (Conduction Region)

บรเวณนาไมกระแส (Nonconduction Region)

02/11/52

Semiconductor Di d

5

คณสมบตไดโอด เมอ ON และ OFF

Semiconductor Di d

6

วสดกงตวนาวสดกงตวนา ((SEMICONDUCTOR MATERIALSSEMICONDUCTOR MATERIALS))

ความหมายของวสดกงตวนา (Semiconductor Materials)กง (semi-) = ครงหนงหรอกงกลาง

ตวนา (conductor)= วสดทยอมใหกระแสไฟฟาไหลผานไปได

ฉนวน (Insulator) = วสดทไมยอมใหกระแสไฟฟาไหลผาน

วสดกงตวนา (Semiconductor) = วสดทม สภาพนาไฟฟา (Conductivity) อยกากงระหวางฉนวนและตวนา

02/11/52

Semiconductor Di d

7

สภาพตานทาน (Resistivity)ρ (rho) : ระดบความตานทานของวสด มหนวยเปน Ω-cm

คาสภาพตานทานของวสดใดๆ

วสดขนาด กวาง 1 cm2 ยาว 1 cmจะมความตานทาน

Semiconductor Di d

8

ตารางแสดงคาสภาพตานทานของวสด

ทองแดง (Copper) : ตวนา คาสภาพตานทาน 10-6 Ω-cmไมกา (Mica) : ฉนวน คาสภาพตานทาน 1012 Ω-cmเยอรมนเนยม (Germanium, Ge) : กงตวนา คาสภาพตานทาน 50 Ω-cm และซลกอน Silicon (Si) : กงตวนา คาสภาพตานทาน 50x103 Ω-cm

02/11/52

Semiconductor Di d

9

โครงสรางของอะตอมของวสดกงตวนาอะตอมพนฐานประกอบดวย อเลกตรอน (Electron)โปรตอน (Proton)นวตรอน (Neutron)

โดยทนวตรอนและโปรตรอนจะอยทนวเคลยส

อเลกตรอนจะเคลอนทอยรอบๆ นวเคลยส โดยมวงโคจร (Orbit) ทแนนอน

Semiconductor Di d

10

เยอรมนเนยมและซลกอนจะมลกษณะโครงสรางแบบผลก (Crytal)

อะตอมเยอรมนเนยมจะม 32 ออบตอเลกตรอน (Orbit Electron) และม 4 Valence Electron เรยกวา เตตระวาเลนซ (Tetravalent)

อะตอมซลกอนม 14 ออบตอเลกตรอน ) และม 4 Valence Electron เชนเดยวกน

02/11/52

Semiconductor Di d

11

ผลก Ge และ Si บรสทธนน วาเลนซอเลกตรอนจะมพนธะ (bond) รวมกบอะตอมทอยขางๆ

เรยกวา พนธะโควาเลนต (Covalent Bonding)

Semiconductor Di d

12

วสดวสดอนทรอนทรนซกนซก ((Intrinsic MaterialIntrinsic Material))

วสดกงตวนาทมการผลตออกมาอยางพถพถนใหมความบรสทธสงทสด เพอลดสารเจอปน (Impurities) ใหมนอยทสดหรอไมมเลย

พาหะอนทรนซก (Intrinsic Carriers)อเลกตรอนอสระซงทาใหวสดสามารถนาไฟฟาได โดยท

Ge ม Free Electron 2.5 X 1013 อเลกตรอนตอลกบาศกเซนตเมตรSi ม Free Electron 1010 อเลกตรอนตอลกบาศกเซนตเมตร

* นนคอ ปกต Ge จะนากระแสดกวา Si เลกนอย

02/11/52

Semiconductor Di d

13

สมประสทธอณหภมเปนลบ Negative Temperature Coefficient

การเพมอณหภมวสดกงตวนา Ge และ Si จะเพมอเลกตรอนอสระ ทาใหคาความตานทานลดลง

วสดโดยทวไป เมอเพมอณหภมจะทาใหความตานทานเพม เปน Positive Temperature Coefficient

Semiconductor Di d

14

วสดวสดเอกซทรนเอกซทรนซกซก ((EXTRINSIC MATERIALSEXTRINSIC MATERIALS))จะเปนการนาวสดกงตวนาบรสทธมาทาการ โดป (Dope) ใหมสารเจอ

ปนทเหมาะสมผสมอย ทาใหกลายเปนสารทไมบรสทธ

การโดป (Doping)การเจอ สารเจอปน ในปรมาณทแนนอน (อาจจะเปน 1 ใน 10 ลาน

สวน) เพอเปลยนคณสมบตของวสดกงตวนา

วสดวสดเอกซทรนซก แบงเปน 2 ประเภท (Type) คอวสดประเภท n (n-type)วสดประเภท p (p-type)

02/11/52

Semiconductor Di d

15

วสดประเภท n (n-type Material)เปนการนาวสดกงตวนาบรสทธ มาใสสารเจอปนทม 5 วาเลนซอเลกตรอน

Pentavalent เชน antimony(Sb), arsenic (As), และ phosphorus (P)

ในรป Sb ถกเรยกวา อะตอมผให (Donor Atoms) เนองจากทาใหเกดอเลกตรอนอสระทสามารถหลดออกไปได

Semiconductor Di d

16

วสดประเภท p (p-type Material)เปนการนาวสดกงตวนาบรสทธ มาใสสารเจอปนทม 3 วาเลนซอเลกตรอน

Pentavalent เชน Boron (B), Gallium (Ga), และ Indium (In)

ในรป B ถกเรยกวา อะตอมผรบ (Acceptor Atoms) เนองจากทาใหเกดชองวาง (hole) ขนมา

02/11/52

Semiconductor Di d

17

การไหลของอเลกตรอนและการไหลของชองวาง (Electron versus Hole Flow)

เมออะตอมมพลงงานจลนทมากพอ จะทาใหอเลกตรอนหลดออกไป เกดชองวางขน อเลกตรอนตวอนกจะเขามาแทนท

ปรากฏการณดงกลาวทาใหเปนการ

ไหลของอเลกตรอน หรอชองวางในทศทางตรงกน

ขามกน

Semiconductor Di d

18

พาหะสวนใหญและพาหะสวนนอย (Majority and Minority Carriers)

วสดกงตวนาประเภท n อเลกตรอน เปน พาหะสวนใหญชองวาง เปน พาหะสวนนอย

วสดกงตวนาประเภท pชองวาง เปน พาหะสวนใหญอเลกตรอน เปน พาหะสวนนอย

02/11/52

Semiconductor Di d

19

รอยตอพเอน (pn Junction)เมอวสดกงตวนาประเภท p และ n ถกนามาเชอมตอ เขาดวยกนจะเกด

รอยตอพเอน (pn Junction)

p-type จะมชองวางทเคลอนทได + และอเลกตรอนทไมเคลอนทn-type จะมอเลกตรอนทเคลอนทได - และมชองวางทไมเคลอนท

พนทบรเวณรอยตอ เรยกวา บรเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) ซงไมนากระแส

Semiconductor Di d

20

ไดโอดกงตวนาไดโอดกงตวนา ((SEMICONDUCTOR DIODESEMICONDUCTOR DIODE))การไบแอสยอนกลบ (Reverse-Bias)

Depletion Region กวาง ตานการไหลของกระแส

02/11/52

Semiconductor Di d

21

การไบแอสเดนหนา (Forward-Bias Condition) (VD>0 V)

Depletion Region แคบ กระแสไหลไดดขน

Semiconductor Di d

22

ลกษณะสมบต ของไดโอดกงตวนาแบบซลกอน

02/11/52

Semiconductor Di d

23

ลกษณะสมบตทวไปของไดโอดกงตวนา สามารถเขยนอยในรปสมการ

หรอ

โดยทIS = reverse saturation currentTK = Tc + 273oCk = 11,600/η

เมอ TC เปนคาอณหภมทเปนเซลเซยส (Celcius),η (eta)= 1 สาหรบ Geη = 2 สาหรบ Si ทกระแสนอยๆ และ η = 1 สาหรบ Si ทกระแสมากๆ

Semiconductor Di d

24

แรงดนเทรสโฮลด (Threshold Voltage, VT)แรงดนเทรสโฮลด เปนแรงดนไบแอสเดนหนา ททาใหไดโอดนากระแส

VT สาหรบ Si = 0.7 V VT สาหรบ Ge = 0.3 V

02/11/52

Semiconductor Di d

25

บรเวณซเนอร (Zenor Region)แรงดนยอนกลบ ททาใหเกดการเบรกดาวน (breakdown) ขน เรยกวา

ศกยไฟฟาซเนอร (Zener Potential, Vz)

การเพมระดบการ โดป (Doping) จะทาใหแรงดน Vz ลดลง

Semiconductor Di d

26

การเปรยบเทยบคณสมบตวสดกงตวนา Silicon และ Germanium

Silicon Diode+ High PIV (1000 V) and high current rating+ Wide temperature ranges (about 200 oC)+ High Threshold Voltage (0.7V)

Germanium Diode+ Low PIV (400V)+ Low temperature range (100 oC)+ Low Threshold Voltage (0.3 V)

02/11/52

Semiconductor Di d

27

ผลกระทบจากอณหภม (Temperature Effects)

Semiconductor Di d

28

ระดบความตานทานระดบความตานทาน ((RESISTANCE LEVELSRESISTANCE LEVELS))

ไดโอดเปรยบเสมอนเปนความตานทานทแปลตามแรงดนไบแอส

การวดคาความตานทาน ทจดทางาน (Operating Point)จาแนกออกไดเปน 3 แบบ คอ

ความตานทานดซ (DC Resistance)ความตานทานเอซ (AC Resistance)ความตานทานเอซเฉลย (Average AC Resistance)

02/11/52

Semiconductor Di d

29

ความตานทานดซ (DC Resistance) หรอความตานทานสถต (Static Resistance)

RD = VD/ID

Semiconductor Di d

30

ความตานทานเอซ (AC Resistance) หรอความตานทานพลวต (Dynamic Resistance)

02/11/52

Semiconductor Di d

31

การวเคราะหหาคาความตานทานเอซดวยวธการทางคณตศาสตรสมการกราฟคณสมบตไดโอด

ความชนคออนพนธของกราฟ

และ

เมอ ID >> IS ดงนน

Semiconductor Di d

32

จาก η = 1 ของ Ge และ Si สาหรบชวงกราฟทมความลาดชนสง

ทอณหภมหองTK = Tc + 273O

= 25O + 273O

= 298O

ดงนนk/TK = 11,600/298

≅ 38.93

02/11/52

Semiconductor Di d

33

จากdID = 38.93 IDdVD

จากคาความตานทาน R = V/I ดงนน

dVD ≅ 0.026dID ID

หรอrd = 26 mV ; สาหรบ Ge,Si ในชวง

ID slope คาสง

Semiconductor Di d

34

ความตานทานเอซเฉลย (Average ac Resistance)

Rav = ∆Vd∆ Id

02/11/52

Semiconductor Di d

35

ตารางสรปความตานทานแบบตางๆ (Summary Table)

Semiconductor Di d

36

วงจรสมมลของไดโอดวงจรสมมลของไดโอด ((DIODE EQUIVALENT DIODE EQUIVALENT CIRCUITSCIRCUITS))

วงจรสมมล (Equivalent Circuit) คอ การนาองคประกอบตางๆ ทไดเลอกสรรอยางเหมาะสมมาประกอบกนเพอใชแทนคณลกษณะของอปกรณจรง เพอใหงายตอการวเคราะห

วงจรสมมลของไดโอด แยกออกไดเปน 3 แบบ คอ

วงจรสมมลของไดโอดแบบอดมคต (Ideal Equivalent Circuit)วงจรสมมลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit)วงจรเชงเสนสวนยอย (Piecewise-Linear Equivalent Circuit)

02/11/52

Semiconductor Di d

37

วงจรสมมลของไดโอดแบบอดมคตเปนแบบทวเคราะหวงจรงายทสด แตตางจากความจรงในทางปฏบตมาก

สด มการใชในการวเคราะหวงจรมากทสด

Semiconductor Di d

38

วงจรสมมลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit)ความใกลเคยงวงจรไดโอดจรงกวาแบบ Ideal

02/11/52

Semiconductor Di d

39

วงจรสมมลแบบเสนตรงสวนยอย (Piecewise-Linear Equivalent Circuit)

มคณลกษณะทใกลเคยงคณลกษณะจรงของไดโอดมากทสด

Semiconductor Di d

40

แผนแสดงคณสมบตของไดโอดแผนแสดงคณสมบตของไดโอด ((DIODE SPECIFICATION SHEETSDIODE SPECIFICATION SHEETS))

คณสมบตไดโอดทสาคญ :1. แรงดนเดนหนา (forward voltage, VF)2. กระแสเดนหนาสงสด (maximum forward current, IF)3. กระแสอมตวยอนกลบ (reverse saturation currentม IR)4. อตราแรงดนยอนกลบ (reverse-voltage rating) PIV or PRV) หรอ

Breakdown Voltage, V(BR)5. ระดบการสญเสยพลงงานเปนความรอนสงสด (maximum power dissipation

level)6. ระดบความจไฟฟา (Capacitance level)7. เวลาฟนตวยอนกลบ (Reverse recovery time, trr)8. ชวงอณหภมใชงาน (Operating temperature range)

02/11/52

Semiconductor Di d

41

Semiconductor Di d

42

ความจไฟฟาชวงเปลยนและความจไฟฟาแพรซมความจไฟฟาชวงเปลยนและความจไฟฟาแพรซม ((TRANSITION AND DIFFUSION CAPACITANCETRANSITION AND DIFFUSION CAPACITANCE))

วงจรสมมล

02/11/52

Semiconductor Di d

43

เวลาฟนตวยอนกลบเวลาฟนตวยอนกลบ ((REVERSE RECOVERY TIMEREVERSE RECOVERY TIME))

Trr = tS + tt

Semiconductor Di d

44

สญลกษณของไดโอดสญลกษณของไดโอด

02/11/52

Semiconductor Di d

45

ลกษณะไดโอดลกษณะไดโอด

Semiconductor Di d

46

การทดสอบไดโอดการทดสอบไดโอด (( DIODE TESTINGDIODE TESTING))

02/11/52

Semiconductor Di d

47

ไดโอดแบบอนๆไดโอดแบบอนๆซเนอรไดโอด (ZENER DIODES)

เปนการใชประโยชนของการม Zenor Region

โดยมการควบคมปรมาณของสารเจอปน (Impurity) ทาใหสามารถกาหนดจดตาแหนงเบรคดาวน ของไดโอดเมอมการปอนแรงดนยอนกลบไดตามตองการ

Semiconductor Di d

48

วงจรสมมลของซเนอรไดโอดซเนอรไดโอดจะมคณสมบตทกอยางเหมอนไดโอดปกต นนคอ

จะนากระแสเมอมการไบแอสเดนหนา แตในกรณปอนแรงดนยอนกลบ ซเนอรไดโอดจะกลบมานากระแสอก เมอแรงดนยอนกลบถง VZ

(a) (b) (c)

(a) สญลกษณ

(b) วงจรสมมลแบบเชงเสนสวนยอย (Piecewise Linearity)

(c) วงจรสมมลแบบประมาณ (Approximate).

02/11/52

Semiconductor Di d

49

สญลกษณ โครงสรางและการกาหนดขวซเนอรไดโอด

Semiconductor Di d

50

ไดโอดเปลงแสง (LIGHT-EMITTING DIODES, LED)เมอมการไบแอสเดนหนา ทรอยตอ p-n จะมการรวมกนของชองวาง

(holes) และอเลกตรอน (electrons) ทาใหเกดการปลดปลอยพลงงานออกมา

ไดโอด ปกต (Si,Ge) : จะปลอยพลงงานออกมาในรปของความรอนLED กลเลยมอาเซไนดฟอสไฟด (Gallium Arsenide Phosphide,

GaAsP) หรอ กลเลยมฟอสไฟด (Gallium Phosphide, GaP) : จะปลอยโฟตอน (Photons) ออกมา ทาใหเหนเปนแสงสวางขน

กระบวนการททาใหมการเปลงแสงออกมา จากการใสพลงงานไฟฟาเขาไปเรยกวา การเปลงแสงดวยไฟฟา (Electroluminescence)

02/11/52

Semiconductor Di d

51

กระบวนการเปลงแสงดวยไฟฟา (Electroluminescence) และสญญลกษณ LED

Semiconductor Di d

52

ลกษณะสมบตของไดโอดเปลงแสง

พกดอตราสงสดในการใชงาน

หมายเหต เนองจาก LED ไมไดผลตจาก Silicon ดงนน VT (VF)จงไมใช 0.7 V แต เปน ประมาณ 2 V

02/11/52

Semiconductor Di d

53

คณสมบตทางไฟฟาและแสง

Semiconductor Di d

54

ความเขมของแสงทความยาวคลนตางๆของ LED ตางชนดกน

02/11/52

Semiconductor Di d

55

7 เซกเมนต (Seven Segment Display)

Semiconductor Di d

56

การผลตอปกรณกงตวนาการผลตอปกรณกงตวนา ( (Semiconductor Device)Semiconductor Device)การทาใหวสดกงตวนาบรสทธ

วสดทจะมาทา อปกรณกงตวนาตองมความบรสทธ โดยมสารเจอปน นอยกวา 1 ใน พนลาน (one billion,1 in 1,000,000,000)

กระบวนการทาใหบรสทธเปนสวน (Zone-refining Process)

02/11/52

Semiconductor Di d

57

การสรางรอยตอการสรางรอยตอ p p--nnการหลอมผสม (Alloy)

ขอด Idmax สงมาก แรงดนผนกลบคายอด (PIV) ทสงมาก ขอเสย พนทของรอยตอทกวาง ทาให Junction Capacitance สง สงผลตอ

การใชงานความถสงไดไมด

วางแทงวสดประเภท p ลงบนแทงวสดประเภท n แลวใหความรอน

Semiconductor Di d

58

การปลกรอยตอ (Grown Junction)

ไดรอยตอ p-n ทมขนาด กวาง สามารถตดแบงออกเปนไดโอดไดจานวนมาก

ถาพนทหนาตดกวาง IDmax จะสง แตการตอบสนองความถ จะตา

ถาพนทหนาตดแคบ IDmax จะตา แตการตอบสนองความถ จะสง

จมของแขงทเปนสารกงตวนาประเภท p ลงไปในกงตวนา

ประเภท n ทหลอมเหลว

02/11/52

Semiconductor Di d

59

การแพรซม (Diffusion)

(a) Solid diffusion) (b) Gaseous Diffusion

มคาใชจายทถกและควบคมคณสมบตไดแมนยา

ทาสารละลาย indium ลงบน n-type แลวใหความรอน

จะทาให n-type บรเวณนนกลายเปน p-type

Semiconductor Di d

60

แบบหนาสมผสจด (Point Contact)ใชลวด Phosphorbronze เสนเลกๆ แตะไปท ฐานรองประเภท n (n-type substrate)

จากนนผานกระแสสงๆในชวงเวลาสนๆความรอนทหนาสมผส ทาใหมการหลอมรวมเปนชนของ p-type ขนมา

02/11/52

Semiconductor Di d

61