ผลต่างระหว่างรุ่นของ "ไดโอด"
เนื้อหาที่ลบ เนื้อหาที่เพิ่ม
Octahedron80 (คุย | ส่วนร่วม) ลไม่มีความย่อการแก้ไข |
Octahedron80 (คุย | ส่วนร่วม) ล เก็บกวาด |
||
บรรทัด 1:
[[ไฟล์:Diode-closeup.jpg|thumb|200px|Figure 1: ภาพขยายของไดโอด
[[ไฟล์:Diode-photo.JPG|thumb|right|200px|ไดโอดชนิด
'''ไดโอด''' ({{lang-en|diode}}) เป็น[[อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์]]ชนิดสองขั้ว ที่ออกแบบและควบคุมทิศทางการไหลของ[[ประจุไฟฟ้า]] มันจะยอมให้[[กระแสไฟฟ้า]]ไหลในทิศทางเดียว และกั้นการไหลในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อกล่าวถึงไดโอด มักจะหมายถึงไดโอดที่ทำมาจาก[[สารกึ่งตัวนำ]]
ส่วนใหญ่เราจะใช้ไดโอดในการยอมให้กระแสไปในทิศทางเดียว
อย่างไรก็ตามไดโอมีความสามารถมากกว่าการเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปิด-ปิดกระแส
ไดโอดตัวแรกเป็นอุปกรณ์[[หลอดสุญญากาศ]]
ไดโอดเป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ p - n สามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว ไดโอดประกอบด้วยขั้ว 2 ขั้ว คือ แอโนด (Anode; A) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด p และ แคโธด (Cathode; K) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด n
== ประวัติ ==
[[ไฟล์:Diode tube schematic.svg|thumb|200px|โครงสร้างของไดโอดแบบหลอดสุญญากาศ อาจมีเพียงไส้หลอด
ถึงแม้ว่าไดโอดแบบผลึกสารกึ่งตัวนำ (Crystal semiconductor diode) จะเป็นที่นิยมมาก่อนไดโอดแบบใช้ความร้อน (Thermionic diode)
จากหลักการข้างต้น ในวันที่ 13 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2423 [[โธมัส อัลวา เอดิสัน]] ได้ตรวจสอบไส้หลอดไฟว่าทำไมไส้หลอดคาร์บอนบริเวณปลายฝั่งที่ต่อกับขั้วบวกจึงถูกเผาไหม้อยู่เสมอ เอดิสันจึงสร้างกระเปาะแบบพิเศษที่มีแผ่นตัวนำโลหะ (plate) ที่ปิดสนิทอยู่ในหลอดแก้ว เมื่อเอดิสันได้ทดสอบอุปกรณ์ชิ้นนี้แล้ว ก็ทำให้เขายืนยันได้ว่ากระแสที่มองไม่เห็นนั้นจะไหลจากไส้หลอดผ่านสุญญากาศไปยังแผ่นตัวนำโลหะ
เอดิสันวางแผนที่จะใช้อุปกรณ์นี้แทนที่ตัวต้านทานในวงจรโวลต์มิเตอร์กระแสตรง
20ปีต่อมา [[จอห์น แอมบรอส เฟรมมิ่ง]] (ที่ปรึกษาทางวิทยาศาสตร์ของ[[บริษัทมาร์โคนี]]ของ[[กูลเยลโม มาร์โกนี]] และเป็นอดีตลูกจ้างของเอดิสัน) ตระหนักถึงความสำคัญของปรากฏการณ์เอดิสันว่าสามารถใช้ในการตรวจจจับ[[คลื่นวิทยุ]]ได้อย่างแม่นยำ เฟรมมิ่งได้จดสิทธิบัตรไดโอดแบบใช้ความร้อนเป็นตัวแรกที่เกาะ[[บริเตน|บริเตนใหญ่]]เมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน พ.ศ. 2447<ref>{{cite web|url=http://www.jmargolin.com/history/trans.htm |title=Road to the Transistor |publisher=Jmargolin.com |date= |accessdate=2008-09-22}}</ref> (ใน {{US patent|803684}} กล่าวว่ามีการจดสิทธิบัตรในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2448)
บรรทัด 24:
ในปี พ.ศ. 2417 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน [[คาร์ล เฟอร์ดินานด์ บรวน]] ค้นพบคุณสมบัติการนำไฟฟ้าข้างเดียวของผลึก<ref>[http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/braun.htm Historical lecture on Karl Braun]</ref> บรวนจดสิทธิบัตรการเรียงกระแสของผลึกในปี พ.ศ. 2442<ref>{{cite web|url=http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/diode.html |title=Diode |publisher=Encyclobeamia.solarbotics.net |date= |accessdate=2010-08-06}}</ref> โดยการเรียงตัวของผลึกคอปเปอร์ออกไซด์กับเซเลเนียมถูกนำไปประยุกต์ใช้ในงานไฟฟ้ากำลังในอีก 20 ปีต่อมา
[[จักกฤษ จันทรา โบส]] นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดียค้นพบการใช้ประโยชน์ของการเรียงกระแสในผลึกมาใช้ในการตรวจจับคลื่นวิทยุเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2437
ในช่วงระยะเวลาแห่งการค้นพบนั้น อุปกรณ์ดังกล่าวถูกตั้งชื่อว่า "ไดโอด" โดยผู้ที่ตั้งชื่อนั่นคือ [[วิลเลียม เฮนรี เอคเกิล]] นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ
== ไดโอดแบบใช้ความร้อนและไดโอดแบบสภาวะแก๊ส ==
[[ไฟล์:Vacuum diode.svg|left|150px|thumb|สัญลักษณ์ของไดโอดแบบใช้ความ
ไดโอดแบบใช้ความร้อนเป็นหลอดสุญญากาศ ภายในประกอบไปด้วยขั้วไฟฟ้า (electrode) ล้อมรอบด้วยสุญญากาศภายในหลอดแก้ว คล้าย
ในไดโอดแบบใช้ความร้อนนั้น
สำหรับคริสต์ศตวรรษที่ 20 ไดโอดแบบใช้ความร้อนถูกใช้ในสัญญาณอนาล็อก และใช้เรียงกระแสในแหล่งจ่ายกำลังมากมาย ทุกวันนี้ไดโอดที่เป็นหลอดสุญญากาศใน[[กีตาร์ไฟฟ้า]]และ[[เครื่องขยายเสียง]]แบบไฮ-เอน
== ไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ ==
[[ไฟล์:Diode pinout th.svg|thumb|right|250px|ไดโอดเทียบกับสัญลักษณ์ของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ (บนสุด) โดยแคบสีดำแสดงฝั่งที่เป็นขั้วแคโทด]]ไดโอดชนิด[[สารกึ่งตัวนำ]]แบบ
ไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำอีกรูปแบบหนึ่งที่สำคัญก็คือ [[ไดโอดชอทท์กี้]] (Schottky diode) ซึ่งมีหน้าสัมผัสระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำมากกว่ารอยต่อ p-n
บรรทัด 44:
=== คุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดัน ===
พฤติกรรมของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำในวงจรจะก่อให้เกิด[[คุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดัน]] (current-voltage characteristic) หรือเรียกว่ากราฟ I-V (กราฟด้านล่าง) รูปร่างของเส้นโค้งถูกกำหนดจากส่งผ่านประจุผ่านเขตปลอดพาหะ (depletion region หรือ depletion layer) ซึ่งอยู่ใยรอยต่อ p-n
[[ไฟล์:Diode-IV-Curve.svg|frame|none|กราฟคุณสมบัติเฉพาะของกระแสและแรงดันของรอยต่อ p-n ของไดโอด]]
เส้น 52 ⟶ 51:
สมการของไดโอดชอทท์กี้ในอุดมคติหรือกฎของไดโอด (ชื่อชอทท์กี้ได้มาจาก[[วิลเลียม เบรดฟอร์ด ชอทท์กี้]] ผู้ร่วมประดิษฐ์[[ทรานซิสเตอร์]] "ไม่ใช่"[[วัลเตอร์ เฮอร์มานน์ ชอทท์กี้]] ผู้ประดิษฐ์เทโทรด) ได้ให้สมการที่แสดงถึงกราฟคุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดันเอาไว้ว่า
: <math>I=I_\mathrm{S} \left
เมื่อ
: ''I'' คือกระแสที่ไหลผ่านไดโอด
: ''I''<sub>S</sub> คือกระแสอิ่มตัวเมื่อทำการไบอัสกลับ
: ''V''<sub>D</sub> คือแรงดันที่ตกคร่อมไดโอด
: ''V''<sub>T</sub> คือค่าความต่างศักย์อันเนื่องมาจากความร้อน
: ''n'' คือค่าตัวประกอบอุดมคติ (ideaity factor) หรือค่าตัวประกอบคุณภาพ (quality factor) หรือสัมประสิทธิ์การส่งผ่าน (emission coefficient)
ค่าความต่างศักย์อันเนื่องมาจากความร้อน (thermal voltage) ''V''<sub>T</sub> มีค่าประมาณ 25.85 mV ที่อุณหภูมิ 300 K ซึ่งเป็นอุณหภูมิห้องปฏบัติการณ์ แต่เราก็สามารถหาค่าดังกล่าวเมื่ออุณหภูมิ
: <math>V_\mathrm{T} = \frac{k T}{q} \, , </math>
เมื่อ
: ''k'' คือค่าคงที่ของ[[ลุดวิก โบลทซ์มันน์|โบลต์ซมานน์]] มีค่าเท่ากับ 1.3806503{{e|-23}} [[จูล|J]] [[เคลวิน|K]]<sup>−1</sup>
: ''T'' คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ที่รอบต่อ p-n
: ''q'' คือประจุของ[[อิเล็กตรอน]] มีค่าเท่ากับ 1.602176487{{e|-19}} [[คูลอมป์|C]]
สมการของไดโอดชอทท์กี้ในอุดมคติหรือกฎของไดโอดนั้นเกิดมาจากการอ้างสมมติฐานของกระบวนการเกิดการกระแสไฟฟ้าในไดโอดว่า (เนื่องจาก[[สนามไฟฟ้า]]) เป็นการลอยผ่าน, การแพร่, และการรวมความร้อนอีกครั้ง (thermal recombination-generation) นอกจากนี้ยังสันนิษฐานว่ากระแสจากการรวมตัวอีกครั้ง (recombination-generation: R-G) .นเขตปลอดพาหะไม่มีนัยสำคัญ
=== พฤติกรรมของสัญญาณขนาดเล็ก ===
ในการออกแบบวงจร แบบจำลองของสัญญาณขนาดเล็กจากพฤติกรรมของไดโอดถูกนำมาใช้งานอยู่บ่อยครั้ง
แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก (Small-signal model) เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมไฟฟ้า ที่อาศัยการประมาณพฤติกรรมของอุปกรณ์ทางไฟฟ้าที่ไม่มีความเป็นเชิงเส้น ด้วยสมการเชิงเส้น
==== ความต้านทาน ====
เมื่อใช้สมการชอทท์กี้ไดโอด
:: <math> g_D=\frac{dI}{dV}\Big|_Q = \frac{I_0}{V_T} e^{V_Q/V_T}
การประมาณค่าเกิดมาจากการอนุมานว่ากระแสไบอัส <math>I_Q</math> นั้นมากพอที่จะทำให้ค่าตัวประกอบ (factor) ของส่วนที่ละเลยได้จากสมการชอทท์กี้มีค่าเท่า 1
แต่ไม่ใช่กับค่าความต้านทานสัญญาณขนาดเล็ก <math>r_D</math> ซึ่งเป็นส่วนกลับของค่าความนำสัญญาณขนาดเล็ก
:: <math>r_D=\frac {V_T}{I_Q}</math>
==== ความเก็บประจุ ====
ประจุไฟฟ้าจะนำพากระแสไฟฟ้า <math>I_Q</math> ตามสูตร
: <math>Q=I_Q\tau_F +Q_J</math>
เมื่อ <math>\tau_F</math> คือเวลาที่ประจุเคลื่อนที่ไป:<ref name=jaeger>{{cite book | title = Microelectronic Circuit Design | edition= second | author = R.C. Jaeger and T.N. Blalock | publisher = McGraw-Hill | year = 2004 | isbn = 0-07-232099-0 | url = http://books.google.com/?id=u6vH4Gsrlf0C&pg=PA883&dq=%22Microelectronic+Circuit+Design%22+inauthor:Jaeger+small-signal+diode }}</ref> ส่วนแรกตือประจุที่เคลื่อนที่ผ่านไดโอดแล้วเกิดกระแส <math>I_Q</math> ไหลผ่านไดโอด ที่ ส่วนที่สองคือประจุที่เก็บสะสมอยู่ที่รอยต่อ p-n
การหาค่าความเก็บประจุของไดโอด <math>C_D</math> หาได้จากสมการ
:: <math> C_D = \frac{dQ}{dV_Q} =\frac{dI_Q}{dV_Q} \tau_F + \frac {dQ_J}{dV_Q} \approx \frac {I_Q}{V_T} \tau_F+ C_J </math>
เมื่อ <math> C_J = \begin{matrix}\frac {dQ_J}{dV_Q}\end{matrix}</math> คือค่าความเก็บประจุที่รอยต่อ p-n
=== การฟื้นตัวกลับ ===
ช่วงท้ายของการไบอัสตรงของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ จะเกิดกระไหลไฟฟ้าที่ไหลย้อนกลับในช่วงระยะเวลา
ผลกระทบที่เกิดขึ้นนั้นมีความสลักสำคัญเมื่อมีการสวิตชิ่ง (switching) ของกระแสที่สูงและรวดเร็วมาก (di/dt มีค่า 100 A/µs หรือมากกว่านั้น) <ref>[http://ecee.colorado.edu/~ecen5817/hw/hw1/Diode%20reverse%20recovery%20in%20a%20boost%20converter.pdf]</ref>
กรณีที่กระแสไหลย้อนกลับอย่างฉับพลันเมื่อประจุไฟฟ้าที่ถูกเก็บสะสมปลอดพาหะแล้วจะนำไปใช้ประโยชน์ในขั้นตอนการฟื้นตัวของไดโอดสำหรับกำเนิดสัญญาณพัลส์สั้นโดยเฉพาะ
เส้น 110 ⟶ 109:
== ประเภทของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ ==
===== [[ไดโอดเปล่งแสง|ไดโอดเปล่งแสงหรือแอลอีดี (Light Emitting Diode ; LED)]] =====
LED เป็นไดโอดที่ใช้สารประเภทแกลเลี่ยมอาร์เซ็นไนต์ฟอสไฟต์ (Gallium Arsenide Phosphide ; GaAsP) หรือสารแกลเลี่ยมฟอสไฟต์ (Gallium Phosphide ; GaP) มาทำเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n แทนสาร Si และ Ge สารเหล่านี้มีคุณลักษณะพิเศษ คือ สามารถเรืองแสงได้เมื่อได้รับไบอัสตรง การเกิดแสงที่ตัว LED นี้เราเรียกว่า อิเล็กโทรลูมินิเซนต์ (Electroluminescence) ปัจจุบันนิยมใช้ LED แสดงผลในเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องคิดเลข, นาฬิกา เป็นต้น
เส้น 117 ⟶ 116:
===== ไดโอดกำลัง (Power Diode) =====
ไดโอดกำลัง เป็นไดโอดที่ออกแบบให้บริเวณรอยต่อมีช่วงกว้างมากกว่าไดโอดทั่วไป เพื่อนำไปใช้กับงานที่มีกำลังไฟฟ้าสูง กระแสสูงและทนต่ออุณหภูมิสุงได้ เช่น ประกอบเป็นวงจรเรียงกระแส ในอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เป็นต้น จะเห็นได้ว่าเมื่อพิกัดกระแสไฟฟ้ามีค่าหลายร้อยแอมป์ ทำให้ไดโอดมีอุณหภูมิขณะทำงานสูง โดยทั่วไปจึงนิยมใช้ร่วมกับตัวระบายความรัอน (Heat Sinks) เพื่อเพิ่มพื้นที่ระบายความรัอนภายในตัวไดโอดกำลัง
===== [[วาริแคป|ไดโอดวาแรกเตอร์หรือวาริแคป (Varactor or Varicap Diode)]] =====
ไดโอดวาแรกเตอร์หรือวาริแคปเป็นไดโอดที่มีลักษณะพิเศษ คือ สามารถปรับค่าคาปาซิแตนซ์เชื่อมต่อ (Ct) ได้โดยการปรับค่าแรงดันไบอัสกลับ ไดโอดประเภทนี้มีโครงสร้างเหมือนกับไดโอดทั่วไป ขณะแรงดันไบอัสกลับ (Reverse Bias Voltage ; Vr) มีค่าต่ำ Depletion Region จะแคบลงทำให้ Ct ครงรอบต่อมีค่าสูง แต่ในทางตรงข้ามถ้าเราปรับ Vr ให้สูงขึ้น Depletion Region จะขยายกว้างขึ้น ทำให้ Ct มีค่าต่ำ
จากลักษณะดังกล่าว เราจึงนำวาริแคปไปใช้ในวงจรปรับความถี่ เช่น วงจรจูนความถี่อัตโนมัติ (Automatic Fine Tunning ; AFC) และวงจรกรองความถี่ซึ่งปรับช่วงความถี่ได้ตามต้องการ (Variable Bandpass Filter) เป็นต้น
===== [[ซีเนอร์ไดโอด|ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)]] =====
ซีเนอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่นำกระแสได้เมื่อได้รับไบอัสกลับ และระดับแรงดันไบอัสกลับที่นำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานได้เรียกว่า ระดับแรงดันพังทลายซีเนอร์ (Zener Breakdown Voltage ; Vz) ซีเนอร์ไดโอดจะมีแรงดันไบอัสกลับ (Vr) น้อยกว่า Vz เล็กน้อย ไดโอดประเภทนี้เหมาะที่จะนำไปใช้ควบคุมแรงดันที่โหลดหรือวงจรที่ต้องการแรงดันคงที่ เช่น ประกอบอยู่ในแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง หรือโวลเทจเรกูเลเตอร์
== ไดโอดในทางอุดมคติ ==
ไดโอดในอุดมคติ (Ideal Diode) มีลักษณะเหมือนสวิตช์ที่สามารถนำกระแสไหลผ่านได้ในทิศทางเดียว
ถ้าต่อขั้วแบตเตอรี่ให้เป็นแบบไบอัสตรงไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนกับสวิตช์ที่ปิด (Close Switch) หรือไดโอดลัดวงจร (Short Circuit) Id ไหลผ่านไดโอดได้ แต่ถ้าต่อขั้วแบตเตอรีแบบไบอัสกลับ ไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนสวิตช์เปิด (Open Switch) หรือเปิดวงจร (Open Circuit) ทำให้ Id เท่ากับศูนย์
== ไดโอดในทางปฏิบัติ ==
ไดโอดในทางปฏิบัติ (Practical Diode) มีการแพร่กระจายของพาหะส่วนน้อยที่บริเวณรอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง ดังนั้น ถ้าต่อไบอัสตรงให้กับไดโอดในทางปฏิบัติก็จะเกิด แรงดันเสมือน (Ge >= 0.3V ; Si >= 0.7V) ซึ่งต้านแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเพื่อการไบอัสตรง ขนาดของแรงดันเสมือนจึงเป็นตัวบอกจุดทำงาน ดังนั้น จึงเรียก "แรงดันเสมือน" อีกอย่างหนึ่งว่า "แรงดันในการเปิด" (Turn-on Voltage ; Vt
กรณีไบอัสกลับ เราทราบว่า Depletion Region จะขยายกว้างขึ้น แต่ก็ยังมีพาหะข้างน้อยแพร่กระจายที่รอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง แต่ก็ยังมีกระแสรั่วไหลอยู่จำนวนหนึ่ง เรียกว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้น
== ผลกระทบของอุณหภูมิ (Temperature Effects) ==
จากการทดลองพบว่า Is ของ Si จะมีค่าเพิ่มขึ้นเกือบ 2 เท่า
== อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ==
* [[วงจรเรียงกระแส|ตัวเรียงกระแส]]
* [[ทรานซิสเตอร์]]
* [[ไทริสเตอร์]] หรือ SCR (Silicon Controlled Rectifier)
* [[ไตรแอก]]
* [[ไดแอก]]
* [[วาริสเตอร์]]
== อ้างอิง ==
|