วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ Electronic Engineering

Content Introduction History of Electronic Atom & Semiconductor PN Junction and Diode Rectifier & Filter Bipolar Transistor

Content (Cont.) Field Effect Transistor UJT & Thyristor Amplifier Circuits and Biasing Amplifier Stabilities Electronic Applications

Text Books Electronic Devices and Circuit Theory, 6th Edition, Robert Boylestad Electronics Fundamentals, 4th Edition, Thomas L. Floyd Electronic Devices A Design Approach, Ali Aminian and Marian Kazimierczuk Microelectronic Circuits, 6th Edition, Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith

Introduction Electronics นิยาม ศาสตร์ที่ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ในสุญญากาศหรือสารกึ่งตัวนำ ประดิษฐ์กรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ ที่ส่งผลกระทบทำให้เกิดสิ่งอำนวยความสะดวกมากมาย คือการสร้าง ทรานซิสเตอร์ (1927) ความเจริญในยุคโลกาภิวัฒน์ มีรากฐานมาจากประดิษฐ์-กรรมของสารกึ่งตัวนำอย่างแท้จริง

History จุดเริ่มต้นของอิเล็กทรอนิกส์ เกิดขึ้นในปี 1895 Hendrik A. Lorentz จุดเริ่มต้นของอิเล็กทรอนิกส์ เกิดขึ้นในปี 1895 Hendrik A. Lorentz (Dutch physicist) ได้ตั้ง สมมุติฐานของการมีประจุอิสระชนิดหนึ่ง ซึ่งถูก เรียกว่า “อิเล็กตรอน (Electron)”

History 1897 J. J. Thomson เสนอว่าอิเล็กตรอนเป็น The Nobel Prize in Physics 1906 Sir Joseph John Thomson 1897 J. J. Thomson เสนอว่าอิเล็กตรอนเป็น ประจุที่เป็นส่วนประกอบของโครงสร้างอะตอม และในเวลาต่อมา ทฤษฎีและโมเดลต่างๆ ของโครงสร้าง อะตอม ได้วิวัฒนาการมาตามลำดับ ซึ่งนำไปสู่ทฤษฎีของ สารกึ่งตัวนำ

History Thomas Elva Edison นอกจากผลงานประดิษฐ์หลอดไฟฟ้าของ Edison จะทำให้โลกสว่างไสวแล้ว ยังเป็นกุญแจสำคัญของการเปิดโลกอิเล็กทรอนิกส์ การค้นพบที่สำคัญมากสิ่งหนึ่งของ Edison ก็คือ Edison Effect กล่าวคือ เมื่อโลหะถูกทำให้ร้อนจัดจะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา (Emission) จากผิวโลหะ ซึ่งนำไปสู่การค้นพบหลอดสุญญากาศของ Flemming (ถือว่าเป็น ยุคที่ 1 ของอิเล็กทรอนิกส์)

History (Vacuum Tube) 1904 Flemming ได้ประดิษฐ์หลอดสุญญากาศ J. A. Flemming 1904 Flemming ได้ประดิษฐ์หลอดสุญญากาศ (Vacuum Tube) ซึ่งมีส่วนประกอบสองส่วน เรียกว่าหลอดไดโอด (Diode Tube) โครงสร้างประกอบด้วยไส้หลอด (Filament) เป็นตัวผลิตอิเล็กตรอนเมื่อถูกเผาให้ร้อน และแผ่นโลหะ (Plate) ที่วางอยู่เหนือไส้หลอด โดยบรรจุอยู่ ในสุญญากาศ โดยหลอดไดโอดนี้จะมีกระแสไหล ได้ทิศทางเดียวจาก Plate ไปยัง Filament เท่านั้น Photographs of the Oscillation Valves first employed by Dr. J.A. Fleming in October, 1904

History (Vacuum Tube) แผ่นโลหะหรือเพลท (Plate) จะเป็นขั้วบวกหรือแอโนด (Anode) ส่วนไส้หลอด (Filament) จะเป็นขั้วลบหรือแคโทด (Cathode) คุณสมบัติของหลอดไดโอด ที่กระแสไหลผ่านเฉพาะทางเดียวนี้ เราเรียกว่า Rectification สามารถนำไปใช้เป็น ตัวตรวจจับสัญญาณวิทยุ (Detector) หรือเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรง (Rectifier)

History (Vacuum Tube) Lee De Forest 1906 De Forest ประดิษฐ์หลอดไตรโอด (Triode) ชิ้นส่วนที่ 3 คือ กริด (Grid) ใช้ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากแอโนดไปยังแคโทด ตะแกรงโลหะได้ถูกสอดไว้ บริเวณช่องว่างระหว่างแอโนดไปยังแคโทด De Forest's first Audion vacuum tube , 1906

History (Vacuum Tube) ทันทีที่หลอดสุญญากาศกำเนิดขึ้นมา อิเล็กทรอนิกส์ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้งานทางด้าน โทรคมนาคม เป็นอันดับแรก ทั้งโทรศัพท์ และวิทยุกระจายเสียง และนำไปสู่โทรทัศน์ขาวดำ ในปี ค.ศ. 1930

History (Vacuum Tube) แม้จะเป็นยุคเริ่มต้นของอิเล็กทรอนิกส์ แต่วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ยุคนั้น ก็ได้คิดค้นวงจรต่างๆ ที่น่าสนใจ เช่น วงจรขยายแบบหลายภาค วงจรขยาย Regnerative โดย Armstrong (1912) การ Heterodyning โดย Armstrong (1917) Multivibrator โดย Eccles และ Jordan (1919) Negative Feedback โดย Black (1927) หรือแม้กระทั่ง เครื่องคำนวณ (Computation Machine) ในยุคแรกทำงานร่วมกันระหว่างอุปกรณ์ทางกลและไฟฟ้า โดย IBM ในปี 1930 ความยาว 17 สูง 3 เมตร

History (Vacuum Tube) เครื่องคำนวณหรือคอมพิวเตอร์ที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์ล้วน เครื่องแรก สร้างสำเร็จในปี 1946 โดย Eckert และ Mauchly ที่มหาวิทยาลัย Pennsylvania ใช้ชื่อว่า ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) ประกอบด้วยหลอด 18000 หลอด บรรจุในห้องขนาด 10x13 เมตร

History (Vacuum Tube) แม้หลอดสุญญากาศจะมีประโยชน์มากแต่ก็มีข้อเสียหลายประการคือ ต้องใช้พลังงานสูงมากในการอุ่นไส้หลอด ต้องใช้แรงดันสูงและที่สำคัญคือเสียง่ายมาก

ค.ศ. 1947 นักวิจัยของ Bell Lab สามคนคือ Bardeen, Brattain และ Shockley History (Transistor) ค.ศ. 1947 นักวิจัยของ Bell Lab สามคนคือ Bardeen, Brattain และ Shockley ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์เป็นผลสำเร็จ (เข้าสู่ยุคที่ 2 ของอิเล็กทรอนิกส์) The First Transistor

History (Transistor) เนื่องจากทรานซิสเตอร์มีคุณสมบัติเหนือกว่าหลอดสุญญากาศ ในหลายด้านทำให้มีการนำไปใช้อย่างกว้างขวาง (วิทยุทรานซิสเตอร์เริ่มวางจำหน่ายในปี 1954 กลายเป็นสินค้าแห่งยุค) และคอมพิวเตอร์ (Cray พัฒนาเครื่องคอมพิวเตอร์ที่สร้างจากทรานซิสเตอร์สำเร็จในปี 1958)

History (IC) 1958 พัฒนาการของอิเล็กทรอนิกส์ก้าวไปอีกขั้น เมื่อ Jack Kilby (Texas Instrument) และ Robert Noyce (Fairchild) ต่างก็พัฒนากรรมวิธีสร้างวงจรรวม (Integrated Circuit; IC) เป็นผลสำเร็จ (เข้าสู่ยุคที่ 3 ของอิเล็กทรอนิกส์) เทคโนโลยีวงจรรวมทำให้เราสามารถสร้างวงจรทั้งวงจร ลงบน Chip เดียวได้ แล้วค่อยนำ Chip มาประกอบกับอุปกรณ์อื่นๆ บนแผ่น Print Circuit Board (PCB)

Scale of Integration Number of Devices Zero Scale Integration (ZSI) 1 Integrated Circuit Level of Integration Scale of Integration Number of Devices Zero Scale Integration (ZSI) 1 Small Scale Integration (SSI) 2-30 Medium Scale Integration (MSI) 30-103 Large Scale Integration (LSI) 103-105 Very Large Scale Integration (VLSI) 105-107 Ultra Large Scale Integration (ULSI) 107-109

Integrated Circuit Microprocessor Year Transistor Integration จำนวน Transistor ที่ถูกบรรจุลงใน IC จะมีจำนวนมากขึ้น 2 เท่าทุกๆ 18 เดือน Microprocessor Year Transistor Integration 4004 1971 2,250 LSI 8008 1972 3,500 LSI 8080 1974 5,000 LSI 8086 1978 29,000 LSI 80286 1982 120,000 VLSI 80386 1985 275,000 VLSI 80486 1989 1,180,000 VLSI Pentium 1993 3,100,000 VLSI Pentium II 1997 7,500,000 VLSI Pentium III 1999 24,000,000 ULSI Pentium 4 2000 42,000,000 ULSI Moor’s Law

Moor’s Law

A Brief Review of Atomic Theory เนื่องจากสสาร เกิดจาก atom ซึ่งมี electron เป็นส่วนประกอบและเป็นกุญแจสำคัญในการหาว่า ธาตุนั้นๆ เป็น ตัวนำ ฉนวน หรือสารกึ่งตัวนำ โครงสร้างของ atom ประกอบด้วย nucleus อยู่กลางล้อมรอบ ด้วย electron ที่โคจรอยู่รอบๆ Nucleus จะมีมวลเป็นส่วนมาก ประกอบด้วย Neutron ซึ่งไม่มีประจุ และ Protons ซึ่งมีประจุบวก (+) ส่วน electron ที่โคจรอยู่รอบๆ จะมีประจุลบ (-)

A Brief Review of Atomic Theory จำนวนของ Protons หรือ electrons จะทราบได้จาก atomic number ของ atom Atomic weight หาจากผลรวมของจำนวนของ neutrons รวมกับจำนวนของ Protons ของ atom เช่น hydrogen เป็น atom ที่มี atomic number เท่ากับ 1 (มี Atomic weight =1) ส่วน helium มี atomic number เท่ากับ 2 (มี Atomic weight =4)

A Brief Review of Atomic Theory การโคจรของ electron แบ่งออกเป็น shells แต่ละ shell อยู่ในระดับต่างๆกัน ใน nth shell จะมีจำนวนอิเล็กตรอน อยู่เท่ากับ 2n2 ตัว เมื่อ n เป็นหมายเลข shell (shell ในสุดเท่ากับ 1) เช่น ทองแดง (copper) มี atomic number 29 1st shell (K): 2n2 = 2(1)2 = 2 electrons 2nd shell (L): 2n2 = 2(2)2 = 8 electrons 3th shell (M): 2n2 = 2(3)2 = 18 electrons 4th shell (N): = 1 electrons Total : 29 electrons