10/06/50
Chapter 2
เนื้อหา : ไดโอดในอุดมคติ วัสดุกึ่งตัวนําวัสดุอินทรินซิก วัสดุเอ็กซทริ นซิก รอยตอพีเอ็น ไดโอดกึ่งตัวนํา ระดับความตานทานของไดโอด วงจรสมมูล ของไดโอด แผนแสดงคุณสมบัติของไดโอด ความจุไฟฟาชวงเปลี่ยนและความจุ ไฟฟาแพรซึม เวลาฟนตัวยอนกลับ สัญลักษณของไดโอด การทดสอบไดโอด ไดโอดแบบตางๆ การผลิตอุปกรณกึ่งตัวนํา
Semiconductor Diodes Semiconductor Di d
1
ไดโอดในอุดมคติ (Ideal Diode)
Semiconductor Di d
2
คุณสมบัติไดโอด
Condcution region Non-conduแtion region
Diode เปน Two Terminal Device ประกอบดวย 2 ขั้ว คือ แอโนด (Anode, A) และ คาโทด (Cathode, K)
กราฟคุณสมบัติ V-I
บริเวณนํากระแส (Conduction Region) สัญญลักษณ ไดโอดในอุดมคติ Diode จะนํากระแส (ON) เมื่อมีการ ไบแอสเดินหนา(Forward Bias) และจะไมนํากระแส (OFF) เมื่อมีการไบแอสยอนกลับ (Reverse Bias) Semiconductor Di d
บริเวณนําไมกระแส (Nonconduction Region)
3
Semiconductor Di d
4
วัสดุกึ่งตัวนํา (SEMICONDUCTOR MATERIALS)
คุณสมบัติไดโอด เมื่อ ON และ OFF
ความหมายของวัสดุกึ่งตัวนํา (Semiconductor Materials) กึ่ง (semi-)
= ครึ่งหนึ่งหรือกึ่งกลาง
ตัวนํา (conductor)= วัสดุทยี่ อมใหกระแสไฟฟาไหลผานไปได ฉนวน (Insulator) = วัสดุทไี่ มยอมใหกระแสไฟฟาไหลผาน
วัสดุกึ่งตัวนํา (Semiconductor) = วัสดุที่มี สภาพนําไฟฟา (Conductivity) อยูก้ํากึ่งระหวางฉนวนและตัวนํา
Semiconductor Di d
5
Semiconductor Di d
6
10/06/50
สภาพตานทาน (Resistivity)
ตารางแสดงคาสภาพตานทานของวัสดุ
ρ (rho) : ระดับความตานทานของวัสดุ มีหนวยเปน Ω-cm
คาสภาพตานทานของวัสดุใดๆ
ทองแดง (Copper) : ตัวนํา คาสภาพตานทาน 10-6 Ω-cm ไมกา (Mica) : ฉนวน คาสภาพตานทาน 1012 Ω-cm เยอรมันเนียม (Germanium, Ge) : กึ่งตัวนํา คาสภาพตานทาน 50 Ω-cm และซิลิกอน Silicon (Si) : กึ่งตัวนํา คาสภาพตานทาน 50x103 Ω-cm
วัสดุขนาด กวาง 1 cm2 ยาว 1 cm จะมีความตานทาน
Semiconductor Di d
7
Semiconductor Di d
8
เยอรมันเนียมและซิลิกอนจะมีลักษณะโครงสรางแบบผลึก (Crytal)
โครงสรางของอะตอมของวัสดุกึ่งตัวนํา อะตอมพื้นฐานประกอบดวย อิเล็กตรอน (Electron) โปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron)
โดยที่นิวตรอนและโปรตรอนจะอยูที่นิวเคลียส อะตอมเยอรมันเนียมจะมี 32 ออบิตอิเล็กตรอน (Orbit Electron) และมี 4 Valence Electron เรียกวา เตตระวาเลนซ (Tetravalent)
อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อยูร อบๆ นิวเคลียส โดยมีวงโคจร (Orbit) ที่แนนอน
อะตอมซิลิกอนมี 14 ออบิตอิเล็กตรอน ) และมี 4 Valence Electron เชนเดียวกัน Semiconductor Di d
9
ผลึก Ge และ Si บริสุทธินั้น วาเลนซอิเล็กตรอนจะมีพันธะ (bond) รวมกับอะตอมที่อยูขางๆ เรียกวา พันธะโควาเลนต (Covalent Bonding)
Semiconductor Di d
10
วัสดุอิอนิ ทรินซิก (Intrinsic Material) วัสดุกึ่งตัวนําที่มีการผลิตออกมาอยางพิถีพิถันใหมีความบริสุทธิส์ ูงที่สดุ เพื่อลดสารเจือปน (Impurities) ใหมีนอยทีส่ ุดหรือไมมีเลย
พาหะอินทรินซิก (Intrinsic Carriers) อิเล็กตรอนอิสระซึ่งทําใหวัสดุสามารถนําไฟฟาได โดยที่ Ge มี Free Electron 2.5 X 1013 อิเล็กตรอนตอลูกบาศกเซ็นติเมตร Si มี Free Electron 1010 อิเล็กตรอนตอลูกบาศกเซ็นติเมตร * นั่นคือ ปกติ Ge จะนํากระแสดีกวา Si เล็กนอย Semiconductor Di d
11
Semiconductor Di d
12
10/06/50
วัสดุเอ็ เอ็กซทรินซิก (EXTRINSIC MATERIALS)
สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเปนลบ Negative Temperature Coefficient
จะเปนการนําวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธิมาทําการ โดป (Dope) ใหมสี ารเจือ ปนที่เหมาะสมผสมอยู ทําใหกลายเปนสารที่ไมบริสุทธิ
การเพิ่มอุณหภูมิวัสดุกึ่งตัวนํา Ge และ Si จะเพิ่มอิเล็กตรอนอิสระ ทําใหคา ความตานทานลดลง วัสดุโดยทั่วไป เมื่อเพิ่มอุณหภูมจิ ะทําใหความตานทานเพิ่ม เปน Positive Temperature Coefficient
การโดป (Doping) การเจือ สารเจือปน ในปริมาณที่แนนอน (อาจจะเปน 1 ใน 10 ลาน สวน) เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุกึ่งตัวนํา วัสดุวัสดุเอ็กซทรินซิก แบงเปน 2 ประเภท (Type) คือ วัสดุประเภท n (n-type) วัสดุประเภท p (p-type)
Semiconductor Di d
13
Semiconductor Di d
14
วัสดุประเภท n (n-type Material)
วัสดุประเภท p (p-type Material)
เปนการนําวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธ มาใสสารเจือปนทีม่ ี 5 วาเลนซอิเล็กตรอน Pentavalent เชน antimony(Sb), arsenic (As), และ phosphorus (P)
เปนการนําวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธ มาใสสารเจือปนทีม่ ี 3 วาเลนซอิเล็กตรอน Pentavalent เชน Boron (B), Gallium (Ga), และ Indium (In)
ในรูป Sb ถูกเรียกวา อะตอม
ในรูป B ถูกเรียกวา อะตอม
Semiconductor Di d
ผูให (Donor Atoms)
ผูรับ (Acceptor Atoms)
เนื่องจากทําใหเกิด อิเล็กตรอนอิสระที่สามารถหลุด ออกไปได
เนื่องจากทําใหเกิดชองวาง (hole) ขึ้นมา
15
การไหลของอิเล็กตรอนและการไหลของชองวาง (Electron versus Hole Flow) เมื่ออะตอมมีพลังงานจลนที่มากพอ จะทําใหอิเล็กตรอนหลุดออกไป เกิดชองวาง ขึ้น อิเล็กตรอนตัวอื่นก็จะเขามาแทนที่
Semiconductor Di d
16
พาหะสวนใหญและพาหะสวนนอย (Majority and Minority Carriers) วัสดุกึ่งตัวนําประเภท n
วัสดุกึ่งตัวนําประเภท p
อิเล็กตรอน เปน พาหะสวนใหญ ชองวาง เปน พาหะสวนนอย
ชองวาง เปน พาหะสวนใหญ อิเล็กตรอน เปน พาหะสวนนอย
ปรากฏการณ ดังกลาวทําใหเปนการ ไหลของอิเล็กตรอน หรือ ชองวางในทิศทางตรงกัน ขามกัน Semiconductor Di d
17
Semiconductor Di d
18
10/06/50
รอยตอพีเอ็น (pn Junction)
ไดโอดกึ่งตัวนํา (SEMICONDUCTOR DIODE)
เมื่อวัสดุกึ่งตัวนําประเภท p และ n ถูกนํามาเชื่อมตอ เขาดวยกันจะเกิด รอยตอพีเอ็น (pn Junction)
การไบแอสยอนกลับ (Reverse-Bias)
p-type จะมีชองวางที่เคลื่อนที่ได + และอิเล็กตรอนที่ไมเคลื่อนที่ n-type จะมีอิเล็กตรอนทีเ่ คลื่อนที่ได - และมีชองวางที่ไมเคลื่อนที่
พื้นที่บริเวณ รอยตอ เรียกวา
Depletion Region กวาง ตานการไหล ของกระแส
บริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) ซึ่งไมนํากระแส Semiconductor Di d
19
Semiconductor Di d
20
ลักษณะสมบัติ ของไดโอด กึ่งตัวนํา แบบซิลิกอน
การไบแอสเดินหนา (Forward-Bias Condition) (VD>0 V)
Depletion Region แคบ กระแสไหลได ดีขึ้น Semiconductor Di d
21
Semiconductor Di d
22
แรงดันเทรสโฮลด (Threshold Voltage, VT)
ลักษณะสมบัติทั่วไปของไดโอดกึ่งตัวนํา สามารถเขียนอยูในรูปสมการ
แรงดันเทรสโฮลด เปนแรงดันไบแอสเดินหนา ที่ทําใหไดโอดนํากระแส หรือ VT สําหรับ Si = 0.7 V VT สําหรับ Ge = 0.3 V
โดยที่ IS = reverse saturation current TK = Tc + 273oC k = 11,600/η เมื่อ TC เปนคาอุณหภูมิที่เปนเซลเซียส (Celcius),
η (eta)= 1 สําหรับ Ge η = 2 สําหรับ Si ที่กระแสนอยๆ และ η = 1 สําหรับ Si ที่กระแสมากๆ Semiconductor Di d
23
Semiconductor Di d
24
10/06/50
บริเวณซีเนอร (Zenor Region)
การเปรียบเทียบคุณสมบัติวัสดุกึ่งตัวนํา Silicon และ Germanium
แรงดันยอนกลับ ที่ทําใหเกิดการเบรกดาวน (breakdown) ขึ้น เรียกวา ศักยไฟฟาซีเนอร (Zener Potential, Vz)
Silicon Diode การเพิ่มระดับการ โดป (Doping) จะทําใหแรงดัน Vz ลดลง
+ 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) Semiconductor Di d
25
ผลกระทบจากอุณหภูมิ (Temperature Effects)
Semiconductor Di d
26
ระดับความตานทาน (RESISTANCE LEVELS) ไดโอดเปรียบเสมือนเปนความตานทานที่แปลตาม แรงดันไบแอส การวัดคาความตานทาน ที่จุดทํางาน (Operating Point) จําแนกออกไดเปน 3 แบบ คือ ความตานทานดีซี (DC Resistance) ความตานทานเอซี (AC Resistance) ความตานทานเอซีเฉลี่ย (Average AC Resistance)
Semiconductor Di d
27
Semiconductor Di d
28
ความตานทานเอซี (AC Resistance) หรือความตานทานพลวัต (Dynamic Resistance)
ความตานทานดีซี (DC Resistance) หรือความตานทานสถิต (Static Resistance)
RD = VD/ID
Semiconductor Di d
29
Semiconductor Di d
30
10/06/50
การวิเคราะหหาคาความตานทานเอซีดวยวิธีการทางคณิตศาสตร
จาก η = 1 ของ Ge และ Si สําหรับชวงกราฟที่มีความลาดชันสูง
สมการกราฟคุณสมบัตไิ ดโอด ความชันคืออนุพันธของกราฟ ที่อุณหภูมิหอง TK และ
= Tc + 273O = 25O + 273O = 298O
ดังนั้น k/TK
เมื่อ ID >> IS ดังนั้น
Semiconductor Di d
31
= 11,600/298 ≅ 38.93
Semiconductor Di d
จาก
32
ความตานทานเอซีเฉลี่ย (Average ac Resistance) dID dVD
= 38.93 ID
จากคาความตานทาน R = V/I ดังนั้น dVD dID
≅
Rav 0.026 ID
= ∆Vd ∆ Id
หรือ
rd
= 26 mV
ID
; สําหรับ Ge,Si ในชวง slope คาสูง
Semiconductor Di d
33
Semiconductor Di d
34
ตารางสรุปความตานทานแบบตางๆ (Summary Table)
วงจรสมมูลของไดโอด (DIODE EQUIVALENT CIRCUITS) วงจรสมมูล (Equivalent Circuit) คือ การนําองคประกอบตางๆ ที่ไดเลือกสรร อยางเหมาะสมมาประกอบกันเพื่อใชแทนคุณลักษณะของอุปกรณจริง เพื่อใหงายตอการ วิเคราะห วงจรสมมูลของไดโอด แยกออกไดเปน 3 แบบ คือ
วงจรสมมูลของไดโอดแบบอุดมคติ (Ideal Equivalent Circuit) วงจรสมมูลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit) วงจรเชิงเสนสวนยอย (Piecewise-Linear Equivalent Circuit)
Semiconductor Di d
35
Semiconductor Di d
36
10/06/50
วงจรสมมูลของไดโอดแบบอุดมคติ
วงจรสมมูลอยางงาย (Simplified Equivalent Circuit)
เปนแบบที่วิเคราะหวงจรงายที่สุด แตตางจากความจริงในทางปฏิบัติมาก สุด มีการใชในการวิเคราะหวงจรมากที่สุด
Semiconductor Di d
37
วงจรสมมูลแบบเสนตรงสวนยอย (Piecewise-Linear Equivalent Circuit) มีคุณลักษณะทีใ่ กลเคียงคุณลักษณะจริงของไดโอดมากที่สุด
Semiconductor Di d
ความใกลเคียงวงจรไดโอดจริงกวาแบบ Ideal
Semiconductor Di d
38
แผนแสดงคุณสมบัติของไดโอด (DIODE SPECIFICATION SHEETS) คุณสมบัตไิ ดโอดที่สําคัญ : 1. แรงดันเดินหนา (forward voltage, VF) 2. กระแสเดินหนาสูงสุด (maximum forward current, IF) 3. กระแสอิ่มตัวยอนกลับ (reverse saturation currentม IR) 4. อัตราแรงดันยอนกลับ (reverse-voltage rating) PIV or PRV) หรือ Breakdown Voltage, V(BR) 5. ระดับการสูญเสียพลังงานเปนความรอนสูงสุด (maximum power dissipation level) 6. ระดับความจุไฟฟา (Capacitance level) 7. เวลาฟนตัวยอนกลับ (Reverse recovery time, trr) 8. ชวงอุณหภูมิใชงาน (Operating temperature range)
39
Semiconductor Di d
40
ความจุไฟฟาชวงเปลี่ยนและความจุไฟฟาแพรซึม (TRANSITION AND DIFFUSION CAPACITANCE)
วงจรสมมูล
Semiconductor Di d
41
Semiconductor Di d
42
10/06/50
เวลาฟนตัวยอนกลับ (REVERSE RECOVERY TIME)
สัญลักษณของไดโอด
Trr = tS + tt
Semiconductor Di d
43
44
การทดสอบไดโอด ( DIODE TESTING)
ลักษณะไดโอด
Semiconductor Di d
Semiconductor Di d
45
Semiconductor Di d
46
ไดโอดแบบอื่นๆ
วงจรสมมูลของซีเนอรไดโอด
ซีเนอรไดโอด (ZENER DIODES)
ซีเนอรไดโอดจะมีคณ ุ สมบัติทุกอยางเหมือนไดโอดปกติ นั่นคือ จะนํากระแสเมื่อมีการไบแอสเดินหนา แตในกรณีปอนแรงดันยอนกลับ ซี เนอรไดโอดจะกลับมานํากระแสอีก เมื่อแรงดันยอนกลับถึง VZ
เปนการใชประโยชนของการ มี Zenor Region โดยมีการควบคุม ปริมาณของสารเจือปน (Impurity) ทําใหสามารถ กําหนดจุดตําแหนงเบรค ดาวน ของไดโอดเมื่อมีการ ปอนแรงดันยอนกลับไดตาม ตองการ
(a) สัญลักษณ (b) วงจรสมมูลแบบเชิง เสนสวนยอย (Piecewise Linearity) (c) วงจรสมมูลแบบ ประมาณ (Approximate). (a)
Semiconductor Di d
47
Semiconductor Di d
(b)
(c) 48
10/06/50
สัญลักษณ โครงสรางและการกําหนดขั้วซีเนอรไดโอด
ไดโอดเปลงแสง (LIGHT-EMITTING DIODES, LED) เมื่อมีการไบแอสเดินหนา ที่รอยตอ p-n จะมีการรวมกันของชองวาง (holes) และอิเล็กตรอน (electrons) ทําใหเกิดการปลดปลอยพลังงานออกมา ไดโอด ปกติ (Si,Ge) : จะปลอยพลังงานออกมาในรูปของความรอน LED กัลเลี่ยมอาเซไนดฟอสไฟด (Gallium Arsenide Phosphide, GaAsP) หรือ กัลเลี่ยมฟอสไฟด (Gallium Phosphide, GaP) : จะปลอยโฟ ตอน (Photons) ออกมา ทําใหเห็นเปนแสงสวางขึ้น กระบวนการที่ทําใหมีการเปลงแสงออกมา จากการใสพลังงานไฟฟาเขาไป เรียกวา การเปลงแสงดวยไฟฟา (Electroluminescence)
Semiconductor Di d
49
Semiconductor Di d
50
ลักษณะสมบัติของไดโอดเปลงแสง
กระบวนการเปลงแสงดวยไฟฟา (Electroluminescence) และสัญญลักษณ LED
พิกัดอัตราสูงสุดในการใชงาน
หมายเหตุ เนื่องจาก LED ไมไดผลิตจาก Silicon ดังนั้น VT (VF)จึงไมใช 0.7 V แต เปน ประมาณ 2 V
Semiconductor Di d
51
คุณสมบัติ ทางไฟฟา และแสง
Semiconductor Di d
Semiconductor Di d
52
ความเขมของแสงที่ความยาวคลื่นตางๆของ LED ตางชนิดกัน
53
Semiconductor Di d
54
10/06/50
การผลิตอุปกรณกึ่งตัวนํา (Semiconductor (Semiconductor Device) การทําใหวัสดุกึ่งตัวนําบริสุทธิ
7 เซ็กเมนต (Seven Segment Display)
วัสดุที่จะมาทํา อุปกรณกึ่งตัวนําตองมีความบริสุทธิ โดยมีสารเจือปน นอยกวา 1 ใน พันลาน (one billion,1 in 1,000,000,000)
กระบวนการทําใหบริสุทธิเ์ ปนสวน (Zone-refining Process) Semiconductor Di d
55
การสรางรอยตอ pp-n การหลอมผสม (Alloy)
วางแทงวัสดุประเภท p ลงบนแทงวัสดุ ประเภท n แลวใหความรอน
Semiconductor Di d
การปลูกรอยตอ (Grown Junction)
56
จุมของแข็งที่เปนสารกึง่ ตัวนํา ประเภท p ลงไปในกึ่งตัวนํา ประเภท n ที่หลอมเหลว ไดรอยตอ p-n ที่มีขนาด กวาง สามารถตัดแบงออกเปนไดโอด ไดจํานวนมาก ถาพื้นที่หนาตัดกวาง IDmax จะสูง แตการตอบสนองความถี่ จะต่ํา
ขอดี Idmax สูงมาก แรงดันผันกลับคายอด (PIV) ทีส่ ูงมาก ขอเสีย พืน้ ที่ของรอยตอที่กวาง ทําให Junction Capacitance สูง สงผลตอ การใชงานความถี่สูงไดไมดี Semiconductor Di d
ถาพื้นที่หนาตัดแคบ IDmax จะต่ํา แตการตอบสนองความถี่ จะสูง 57
การแพรซึม (Diffusion)
ทาสารละลาย indium ลงบน ntype แลวใหความรอน จะทําให n-type บริเวณนั้น กลายเปน p-type
มีคาใชจายที่ถูกและ ควบคุมคุณสมบัตไิ ด แมนยํา
(a) Solid diffusion)
Semiconductor Di d
(b) Gaseous Diffusion
59
Semiconductor Di d
58
แบบหนาสัมผัสจุด (Point Contact) ใชลวด Phosphorbronze เสน เล็กๆ แตะไปที่ ฐานรองประเภท n (n-type substrate) จากนั้นผานกระแสสูงๆใน ชวงเวลาสั้นๆความรอนที่ หนาสัมผัส ทําใหมีการหลอมรวม เปนชั้นของ p-type ขึ้นมา
Semiconductor Di d
60
10/06/50
Semiconductor Di d
61