รอยต่อ pn

บริเวณปลอดพาหะ (depletion region) โดยทั่วไปการแพร่มักเกิดจากอิทธิพลของความหนาแน่น โดยจะหยุดลงเมื่อความหนาแน่นของอนุภาคมีค่าเท่ากันทุกบริเวณ แต่การแพร่ของ free electron และ hole ข้ามรอยต่อ pn ไม่เป็นเช่นนั้น เนื่องจากมีอิทธิพลของสนามไฟฟ้าเข้ามาเกี่ยวข้อง กล่าวคือการแพร่จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงแรก แต่จะค่อยๆ ช้าลงตามลำดับ และในสภาวะสมดุลการแพร่ก็เกือบจะหยุดลงโดยสิ้นเชิง โดยความหนาแน่นของอนุภาคดังกล่าวไม่ได้มีค่าเท่ากันตลอดทั่วชิ้นสาร เราเรียกย่านที่ปราศจากพาหะว่าบริเวณปลอดพาหะ (carrier-depletion region หรือเรียกสั้น ๆ ว่า depletion region) สาเหตุที่พาหะไม่แพร่ไปทั่วชิ้นสารเนื่องจาก electric field ใน depletion region มีทิศทางที่ต้านการเคลื่อนที่ของพาหะข้ามรอยต่อ electric field ทำให้เกิดกำแพงศักย์ (voltage barrier) ซึ่งแปรผันตามความกว้างของ depletion region voltage barrier เปรียบเสมือนกำแพงที่ป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนอิสระและโฮล (ที่มีพลังงานไม่สูงพอ) เคลื่อนที่ผ่านรอยต่อได้

Diffusion Current VS Drift Current การแพร่ของพาหะข้ามรอยต่อ pn จะทำให้เกิดกระแสแพร่ Idiff ไหลจากผั่ง p ไปยังฝั่ง n ในตอนแรกมีการแพร่ Idiff ก็จะมีค่ามากและความกว้างของ depletion ก็ขยายอย่างรวดเร็ว เมื่อการแพร่มีน้อยลง กระแสแพร่ก็จะมีค่าลดลง จนเมื่อเข้าสู่สภาวะสมดุล ความกว้างของ depletion region จะหยุดขยายตัวและ Idiff มีค่าน้อยมาก drift current Idrift เกิดจากการเคลื่อนที่ของ minority carrier ( free electron ใน P-type semi และโฮลใน N-type semi) ข้ามรอยต่อด้วยอำนาจ ของ electric field ใน depletion region drift current จะไหลในทิศทางตรงข้ามกับการ diffusion current ขนาดของ drift current จะขึ้นอยู่กับจำนวนของ minority carrier ที่เกิดจาก thermal ionization ทำให้ขนาดของ drift current มีค่าแปรผันตามอุณหภูมิ

ที่สภาวะสมดุล (thermal equilibrium) Idiff = Idrift

anode cathode 0 V การเชื่อมต่อสารกึ่งตัวนำกับโลหะเรียกว่า Ohmic Contact การเชื่อมต่อแท่ง pn กับโลหะ จะทำให้แรงดันภายนอกจะมีค่าเท่ากับศูนย์ เนื่องจากแรงดันระหว่างรอยต่อจะถูกหักล้างโดยแรงดันที่ตกคร่อม metal contact ทั้งสองชนิดจนหมด

anode cathode ในกรณีที่รอยต่อถูกปิดวงจร แรงดันที่ตกคร่อมรอยต่อจะมีค่าเท่ากับ VO และ กระแสที่ไหลผ่านรอยต่อจะมีค่าเป็นศูนย์ เช่นเดียวกับกรณีรอยต่อถูกเปิดวงจร

รอยต่อ pn เมื่อเปิดถูกไบอัสไปข้างหน้า (pn Junction under forward-bias condition)

บทที่ 3 ไดโอด 3.1 ไดโอดในอุดมคติ 3.2 ไดโอดรอยต่อ 3.1 ไดโอดในอุดมคติ 3.2 ไดโอดรอยต่อ 3.3 การวิเคราะห์ไฟตรงวงจรไดโอด-ตัวต้านทาน 3.4 แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก 3.5 วงจรเรียงสัญญาณ 3.6 วงจรจำกัดสัญญาณและวงจรตรึงสัญญาณ 3.7 ซีเนอร์ไดโอด 3.8 ไดโอดชนิดพิเศษต่าง ๆ

Introduction ไดโอดเป็นอุปกรณ์พื้นฐานที่สุดของวงจรไม่เชิงเส้น ไดโอดเป็นอุปกรณ์สองขั้วเช่นเดียวกับตัวต้านทาน แต่มีความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน-กระแสแบบไม่เป็นเชิงเส้น วงจรที่มีการใช้งานไดโอดได้แก่วงจรเรียงสัญญาณ (rectifier) วงจรคงค่าแรงดัน (voltage regulator) วงจรจำกัดแรงดัน (voltage limiting) เป็นต้น อุปกรณ์ไดโอดแบบพิเศษได้แก่ photodiode และ LED

i-v Characteristic ของตัวต้านทาน 3.1 ไดโอดในอุดมคติ i-v Characteristic ของตัวต้านทาน

คุณลักษณะของไดโอดอุดมคติ R = 0 R = 

i-v Characteristic ของ ideal diode

วงจรเรียงสัญญาณ (rectifier) ที่ใช้ไดโอดในอุมคติ

การทำงานของสัญญาณเมื่ออินพุทมีค่ามากกว่าศูนย์

การทำงานของสัญญาณเมื่ออินพุทมีค่าน้อยกว่าศูนย์

วงจรคงค่าแรงดัน (voltage regulator) ที่ใช้ไดโอดในอุดมคติ

การทำงานของวงจรคงค่าแรงดันเมื่อ 0 < t < T/4

การทำงานของวงจรคงค่าแรงดันเมื่อ t > T/4

Diode Logic Gate

Diode Logic Gate

จงหา V และ I ของวงจรไดโอดต่อไปนี้ on V = 0 V, I = 2 m A on V = 0 V, I = 2 m A off V = 5 V, I = 0 m A off V = 5 V, I = 0 m A

สมมุติให้ D1 และ D2 on ตัวอย่าง

ตัวอย่าง สมมุติให้ D1 และ D2 on

สมมุติให้ D1 off และ D2 on

3.2 ไดโอดรอยต่อ (Junction Diodes)

คุณลักษณะของไดโอดรอยต่อ

IS กระแสอิ่มตัว (saturation current) IS จะมีค่าอยู่ราว ๆ 10-15 A VT แรงดันอุณหภูมิ (thermal voltage) VT = kT / q ที่อุณหภูมิห้อง (300 K) VT = 25 - 26 mV n จะมีค่าอยู่ระหว่าง 1 และ 2 ขึ้นอยู่กับชนิดของชนิดของสารและโครงสร้างของไดโอด IC จะมี n = 1 ส่วน discrete diodeจะมี n = 2

Exponential Function ถ้า x > 5   ถ้า x < -5  

ไดโอดที่ไบอัสไปข้างหน้า (forward bias region) : vD > 0

(vD จะเพิ่มขึ้นประมาณ 1.1 เท่าเมื่อ iD เพิ่มขึ้น 10 เท่า) ในกรณีที่ IS =10-15 A VT = 25 mV และ n = 1 0.1 mA 0.46 V 1 mA 0.52 V 10 mA 0.58 V 100 mA 0.63 V 1.0 mA 0.69 V 0.75 V 0.81 V 1,000 เท่า 1.3 เท่า (vD จะเพิ่มขึ้นประมาณ 1.1 เท่าเมื่อ iD เพิ่มขึ้น 10 เท่า)

รอยต่อ PN เมื่อเปิดถูกไบอัสย้อนกลับ (PN Junction under reverse-bias condition)

ไดโอดที่ถูกไบอัสย้อนกลับ (forward bias region) : vD < 0 ไดโอดที่ถูกไบอัสย้อนกลับจะมีกระแสปริมาณน้อยมาก โดยจาก และ พบว่าเมื่อ vD < -5nVT (ประมาณ -0.125 V ในกรณี n = 1) เราจะประมาณได้ว่า iD ~ -IS อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติไดโอดที่ถูกไบอัสย้อนกลับจะมีกระแสรั่วไหล (โดยทั่วไปต่ำกว่า 1 nA) ไหลจากขั้วคาโธดมายังขั้วอาโนดด้วย ถ้า x < -5  

การบ้าน แบบฝึกหัดบทที่ 3 ข้อ 1 และ