ไดโอดและซีเนอร์ไดโอด

โครงสร้าง และสัญลักษณ์ของไดโอด

ไดโอดประกอบด้วยขั้วต่อ 2 ขั้ว มีชื่อเรียกว่า อาโนด (Anode) และคาโธด (Cathod) โดยมีสัญลักษณ์ ดังแสดงในรูป

โดย ปกติแล้วไดโอดถูกออกแบบให้มีรูปลักษณะที่แตกต่างกัน 3 แบบ ดังแสดงในรูป ซึ่งรูปลักษณะเช่นนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้ไดโอดเสียหายง่าย สำหรับขนาดของไดโอดจะแสดงถึงอัตราทนกระแสไฟฟ้าทีไดโอดยอมให้ไหลผ่านได้ ส่วนแถบคาดสีดำที่พิมพ์อยู่ที่ขอบด้านใดด้านหนึ่ง จะแสดงถึงขั้วคาโธด ดังแสดงในรูป (ก) และ (ข) สำหรับไดโอดขนาดใหญ่ ดังแสดงในรูป (ค) จะพิมพ์สัญลักษณ์ของไดโอดลงบนตัวอุปกรณ์เลย

การทำงานของไดโอด

ได โอดจะทำงานเหมือนสวิตช์ โดยถ้าศักย์ไฟฟ้าทางด้านอาโนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับคาโธด ดังแสดงในรูป (ก) ไดโอดจะปิดสวิตช์ดังวงจรในรูป (ข) สภาวะการทำงานของไดโอดลักษณะนี้ เรียกว่า ไดโอดอยู่ในสภาวะ ON หรือไบอัสตรง (Forward Bias) ในทางตรงกันข้าม ถ้าศักย์ไฟฟ้าทางด้านอาโนดเป็นลบเมื่อเทียบกับคาโธด ดังแสดงในรูป (ค) ไดโอดจะเปิดสวิตช์ดังวงจรในรูป (ง) สภาวะการทำงานของไดโอดลักษณะนี้เรียกว่า ไดโอดอยู่ในสภาวะ OFF หรือไบอัสกลับ (Reverse Bias)

ตัวอย่าง
จงบอกสภาวะของไดโอด ดังแสดงในรูปว่าอยู่ในสภาวะ ON หรือ OFF

วิธีทำ
ก. ไดโอดอยู่ในสภาวะ ON เนื่องจากอาโนดมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อเทียบกับคาโธด
ข. ไดโอดอยู่ในสภาวะ OFF เนื่องจากอาโนดมีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบเมื่อเทียบกับคาโธด
ค. ไดโอดอยู่ในสภาวะ OFF เนื่องจากอาโนดมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกน้อยกว่าคาโธด
ง. ไดโอดอยู่ในสภาวะ ON เนื่องจากอาโนดมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกมากกว่าคาโธด

รอยต่อ P-N ภายในไดโอด

ไดโอดเกิด จากการนำสารกึ่งตัวนำชนิด n-type และ p-type มาต่อกัน ซึ่งจุดที่สารกึ่งตัวนำทั้งสองสัมผัสกันเรียกว่า รอยต่อ (Junction) โดยรอยต่อนี้จะยอมให้อิเล็กตรอนอิสระที่มีอยู่มากในด้าน n-region เคลื่อนที่ข้ามไปรวมกับโฮลในด้าน p-region ดังแสดงในรูป (ก) และเนื่องจากอิเล็กตรอนจาก n-region เคลื่อนที่ข้ามรอยต่อไปรวมกับโฮลในด้าน p-region จึงทำให้เกิดประจุไฟฟ้าลบใน p-region ขึ้น และทิ้งบริเวณที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกมาจาก n-region ให้เป็นประจุไฟฟ้าบวก ดังแสดงในรูป (ข) จากปรากฏการณ์นี้จึงทำให้พื้นที่หรือชั้นของรอยต่อซึ่งประกอบขึ้นจากประจุ ไฟฟ้าบวกด้านหนึ่ง และประจุไฟฟ้าลบอีกด้านหนึ่ง ซึ่งชั้นของรายต่อที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า "Depletion Region" ซึ่งเมื่อชั้นของรอยต่อเริ่มก่อตัวขึ้นก็จะไปมีผลทำให้ไม่มีการรวมตัว ระหว่างอิเล็กตรอนอิสระ และโฮลข้ามรอยต่ออีกต่อไป กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ ประจุไฟฟ้าลบใน p-region ที่อยู่ใกล้กับบริเวณรอยต่อจะผลักอิเล็กตรอนอิสระจาก n-region ไม่ให้เข้ามารวมอีก จากปฏิกิริยานี้จะเป็นการป้องกันไม่ให้ Depletion Region ขยายกว้างออกไปอีก
ประจุไฟฟ้าบวก และประจุไฟฟ้าลบที่บริเวณรอยต่อนี้จะมีศักย์ไฟฟ้าสะสมในตัวระดับหนึ่งและ เนื่องด้วยประจุทั้งสองมีขั้วตรงกันข้ามกัน จึงทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าปรากฏคร่อมรอยต่อ ซึ่งความต่างศักย์ไฟฟ้านี้มีชื่อเรียกว่า กำแพงศักย์ไฟฟ้า (Barrier Potential) หรือ กำแพงแรงดันไฟฟ้า (Barrier Voltage) ดังแสดงในรูป (ค) โดยขนาดของกำแพงแรงดันไฟฟ้าที่บริเวณรอยต่อ P-N สำหรับซิลิกอนไดโอดจะมีค่าประมาณ 0.7 V และถ้าเป็นของเยอรมันเนียมไดโอดจะมีค่าประมาณ 0.3 V ที่อุณหภูมิห้อง

การไบอัสไดโอด

ด้วยไดโอด เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดรอยต่อ P-N ดังนั้นการที่จะทำให้ไดโอดทำงานจะต้องให้ขนาดแรงดันไฟฟ้า และชนิดของขั้วที่ถูกต้องแก่ไดโอด แรงดันไฟฟ้าที่ให้กับไดโอดเรียกว่า แรงดันไบอัส (Bias Voltage) แรงดันไบอัสทำหน้าที่ควบคุมความกว้างของส่วนที่เป็น Depletion Region ซึ่งเป็นความต้านทานที่เกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อ ดังนั้นจึงเสมือนเป็นการควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จะไหลผ่านไดโอดนั่นเอง

การไบอัสตรงแก่ไดโอด (Forward Biasing a Diode)

การจัดไบ อัสตรงให้กับไดโอด จากที่ทราบมาแล้วว่าการทำงานของไดโอดถูกกำหนดโดยชนิดของขั้วไฟฟ้า จากรูปจะเห็นว่าขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าต่อเข้ากับ n-region และขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าต่อเข้ากับส่วนที่เป็น p-region ของไดโอด อิเล็กตรอนอิสระจะถูกผลักออกจากส่วน n-region เนื่องจากอิทธิพลของขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า และถูกดึงไปยังขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า การไหลของอิเล็กตรอนนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อขนาดของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า มากพอที่จะเอาชนะกำแพงแรงดันที่อยู่ที่บริเวณรอยต่อ ซึ่งสำหรับซิลิกอนไดโอดแรงดันของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 0.7 V หรือมากกว่า ในขณะที่เยอรมันเนียมไดโอดจะเท่ากับ 0.3 V หรือมากกว่า

ไดโอดจะยัง คงนำกระแสอยู่ตลอดเวลาถ้ายังได้รับการไบอัสที่ถูกต้องอยู่ ดังแสดงในรูป แสดงทิศทางการไหลของกระแสทางตรง (Forward Current, IF) หรือเป็นกระแสอิเล็กตรอน ซึ่งจะไหลจากขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยัง n-region และ p-region ตามลำดับ จากนั้นจึงไหลต่อไปยังขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า สำหรับการไหลของกระแสโฮลหรือที่เรียกว่า กระแสนิยม (Conventional Current) จะไหนในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางการไหลของกระแสอิเล็กตรอน ดังแสดงในรูป (ข) จึงสรุปได้ว่า การไหลของกระแสอิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วลบไปยังขั้วบวก ในขณะที่กระแสโฮลหรือกระแสนิยมจะไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ การที่ทราบถึงแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมไดโอด (Si = 0.7 V, Ge = 0.3 V) ขนาดของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าและค่าความต้านทานของวงจรก็สามารถคำนวณหาปริมาณ กระแสทางตรงได้

ตัวอย่าง
จากรูป จงคำนวณหากระแสที่ไหลในวงจร

การให้ไบอัสกลับแก่ไดโอด (Reverse Biasing a Diode)

จาก รูป แสดงการต่อไดโอดแบบไบอัสกลับ โดยการต่อขั้วบวกของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเข้ากับ n-region และขั้วลบเข้ากับ p-region ของไดโอด การต่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าในลักษณะนี้จะทำให้อิเล็กตรอนอิสระใน n-region ถูกดึงให้เคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก ในขณะเดียวกันโฮลก็จะถูกดึงจากขั้วลบเช่นกัน จากเหตุผลดังกล่าวจึงส่งผลให้บริเวณ Depletion Region ขยายกว้างมากขึ้น จนทำให้แรงดันไฟฟ้าภายในมีค่าเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าแต่ มีขั้วตรงกันข้าม จึงส่งผลให้ไดโอดไม่นำกระแสไฟฟ้าในที่สุด

กราฟแสดงคุณลักษณะของไดโอด

จากกราฟ แสดงปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไดโอดเมื่อให้ไบอัสตรง และไบอัสกลับ โดยจุดกึ่งกลางของกราฟเป็นจุดที่แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้ามีค่าเป็นศูนย์ สำหรับแกนนอนจะแทนด้วยแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับไดโอด ซึ่งถ้าให้ไบอัสตรง (VF) แรงดันไฟฟ้าจะมีความเป็นบวกมากขึ้นโดยเริ่มจากจุดกึ่งกลางไปทางขวา และถ้าให้ไบอัสกลับ (VR) แรงดันไฟฟ้าจะมีความเป็นลบมากขึ้นโดยเริ่มจากจุดกึ่งกลางไปทางซ้าย สำหรับแกนตั้งจะแทนด้วยกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไดโอด โดยกระแสทางตรง (IF) จะมีความเป็นบวกมากขึ้น
โดยเริ่มจากจุดกึ่งกลางขึ้นไปด้านบน ของกราฟ และถ้าเป็นกระแสย้อนกลับ (IR) จะมีความเป็นลบมากขึ้นโดยเริ่มจากจุดกึ่งกลางไปทางด้านล่างของกราฟ ซึ่งบริษัทผู้ผลิตจะทดสอบคุณลักษณะของไดโอดโดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าค่าต่างๆ ทั้งแบบทางตรง และแบบย้อนกลับให้แก่ไดโอด และจะทำให้ได้เส้นกราฟที่มีความต่อเนื่องที่เรียกว่า เส้นกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน-กระแส หรือ "V-I Characteristic Curve"

คุณลักษณะของไดโอดเมื่อได้รับการไบอัสตรง (Forward Characteristics)

กราฟส่วนบน ด้านขวาในรูป แสดงถึงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไดโอด เมื่อไดโอดได้รับการไบอัสตรง จากรูปขยายจะเห็นว่าขั้วบวกของแหล่งจ่ายไปต่อเข้ากับขั้วอาโนด และขั้วลบของแหล่งจ่ายไปต่อเข้ากับขั้วคาโธดของไดโอด ซึ่งเมื่อแรงดันไบอัสตรงที่ให้กับไดโอดมีขนาดเกินกว่า กำแพงแรงดันไฟฟ้า (Barrier Voltage) ก็จะทำให้ความต้านทานภายในของไดโอดลดลงจนมีค่าเป็นศูนย์ ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าทางตรงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จะเห็นว่าเส้นกราฟนั้นเริ่มจากจุดกึ่งกลาง และเคลื่อนไปยังด้านที่เป็นไบอัสทางตรงของกราฟ โดยกระแสทางตรงที่ไหลผ่านไดโอดจะมีปริมาณน้อยมาก จนกระทั่งแรงดันไบอัสตรงมีขนาดมากกว่ากำแพงแรงดันภายในของไดโอด ซึ่งถ้าเป็นของซิลิกอนไดโอดจะเท่ากับ 0.7 V และถ้าเป็นเยอรมันเนียมไดโอดจะเท่ากับ 0.3 V และเมื่อแรงดันไบอัสตรงนี้ยังมีขนาดเกินกว่ากำแพงแรงดันไฟฟ้าของไดโอดต่อไป อีก กระแสไฟฟ้าทางตรงที่ไหลผ่านไดโอดก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
จุด ของแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เส้นกราฟชันขึ้นอย่างรวดเร็วนี้มีชื่อเรียกว่า แรงดัน Knee Voltage ซึ่งแรงดันไฟฟ้านี้จะใช้เป็นชื่อเรียกของกำแพงแรงดันไฟฟ้าภายในไดโอดได้อีก ชื่อหนึ่ง ซึ่งมีค่าเท่ากับ 0.7 V สำหรับซิลิกอนไดโอด จากกราฟในรูป จะเห็นว่าถึงแม้กระแสไฟฟ้าทางตรงจะเปลี่ยนแปลงไปมากก็ตาม แต่แรงดันทางตรงที่ตกคร่อมไดโอดก็ยังอยู่ในระดับที่เกือบจะคงที่ นั่นคือ ระหว่าง 0.7 V ถึง 0.75 V

คุณลักษณะของไดโอดเมื่อได้รับการไบอัสกลับ (Reverse Characteristics)

ส่วน ของกราฟส่วนล่างด้านซ้ายในรูป แสดงถึงกระแสไฟฟ้าย้อนกลับที่ไหลผ่านไดโอดเมื่อให้แรงดันไบอัสกลับ จากภาพขยายจะเห็นว่าขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟต่อเข้ากับขั้วอาโนด และขั้วบวกต่อเข้ากับขั้วคาโธด ดังนั้น เมื่อป้อนแรงดันไบอัสกลับให้แก่ไดโอดก็จะทำให้กำแพงแรงดันของไดโอดเพิ่มขึ้น จนกระทั่งมีขนาดเท่ากับแรงดันของแหล่งจ่ายไฟภายนอก ซึ่งในกรณีนี้กระแสไฟฟ้าที่จะไหลผ่านไดโอดจึงมีค่าน้อยหรือเกือบเป็นศูนย์ ดังนั้น ไดโอดจึงอยู่ในสภาวะปิด (OFF) หรือเท่ากับไดโอดเปิดสวิตช์นั่นเอง
จาก รูป เส้นกราฟจะเริ่มจากจุดกึ่งกลางไปตามเส้นโค้งทาง Reverse Quadrant จะเห็นได้ว่า กระแสไฟฟ้าย้อนกลับที่ไหลผ่านไดโอดเพิ่มขึ้นน้อยมาก (ประมาณ 100 mA) ซึ่งเส้นกราฟในช่วงนี้แสดงถึงสภาพต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าของไดโอด และเนื่องจากกระแสไฟฟ้ารั่วไหล (Leakage Current) ที่เกิดขึ้นนี้มีค่าน้อยจึงไม่นำมาพิจารณา แต่ถ้าแรงดันย้อนกลับ (VR) ยังคงเพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึงจุดพัง (Break Down) ของไดโอด ก็จะทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างทันทีทันใด ซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าอย่างทันทีทันใดนี้ เรียกว่า แรงดันพัง (Breakdown Voltage) ซึ่งจากเส้นกราฟในรูป จะเห็นว่าแรงดันพังของซิลิกอนไดโอดจะมีค่าสูงถึง 50 V