ไอโอด (diode)

ไดโอด (DIODE)

ไอโอด คือ เป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ p-n สามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว ไดโอดประกอบด้วยขั้ว 2 ขั้ว คือ แอโนด (Anode ; A) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด p และ แคโธด (Cathode ; K) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด n

ภาพที่ 1 แสดงชนิดของไดโอด

รูปร่างของไดโอด

จะเห็นตัวถังของไดโอดโดยทั่วไป ซึ่งมีอยู่หลายแบบ ขึ้นกับชนิด พิกัดกำลังไฟฟ้า ตัวถังของไดโอดบางชนิด สามารถสังเกตขาแคโธดได้ง่ายๆจากขีดที่แต้มไว้ 

ภาพที่ 2 รูปร่างของไดโอด

สัญลักษณ์

ภาพที่ 3 สัญลักษณ์ของไดโอด

การทำงานของไดโอด
                ไดโอดจะทำงานได้ต้องต่อแรงดันไฟให้กับขาของไดโอด การต่อแรงดันไฟให้กับไดโอด เรียกว่า การให้ไบแอส (BIAS)การให้ไบแอสแก่ไดโอดมีอยู่ 2 วิธีคือ
1.  การให้ไบแอสตามหรือเรียกว่า ฟอร์เวิร์ดไบแอส (FORWARD BIAS) การให้ไบแอสแบบนี้คือ ต่อขั้วบวกของแรงดันไฟตรงเข้ากับสารกึ่งตัวนำประเภทพีและต่อขั้วลบของแรงดัน   ไฟตรงเข้ากับสารกึ่งตัวนำประเภทเอ็น การต่อไบแอสตามให้กับไดโอดจะทำให้มีกระแสไหลผ่านตัวไดโอดได้ง่ายเหมือนกับไดโอดตัวนั้นเป็นสวิตซ์อยู่ในลักษณะต่อทำให้สารกึ่งตัวนำประเภทพีและสารกึ่งตัวนำประเภทเอ็นมีค่าความต้านทานต่ำ กระแสไฟจึงไหลผ่านไดโอดได้
2.   การไบแอสอุปกรณ์ไดโอดย้อนกลับ หรือที่เรียกว่า Reverse Bias ซึ่งการไบแอสในลักษณะนี้จะเป็นการกำหนดให้ขั้ว A (Anode) ที่มีลักษณะของสารเป็นสาร P มีค่าของแรงดันน้อยกว่าขั้ว K (Cathode) ที่มีลักษณะของสารเป็นสาร N ซึ่งจากลักษณะดังกล่าวนี้ก็จะทำให้ไดโอดนั้นไม่สามารถที่จะนำกระแสได้ และจากลักษณะของการไบแอสนี้นั้นมันก็จะเป็นลักษณะการทำงานของอุปกรณ์ไดโอดในทางอุดมคติ

 (Ideal Diode)

ไดโอดในทางอุดมคติ (Ideal Diode) 

ไดโอดในอุดมคติมีลักษณะเหมือนสวิทช์ที่สามารถนำกระแสไหลผ่านได้ในทิศทางเดียว

ภาพที่ 4 ไดโอดในอุดมคติ

จากภาพถ้าต่อขั้วแบตเตอรี่ให้เป็นแบบไบอัสตรงไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนกับสวิทช์ที่ปิด (Close Switch) หรือไดโอดลัดวงจร (Short Circuit) Id ไหลผ่านไดโอดได้ แต่ถ้าต่อขั้วแบตเตอรี่แบบไบอัสกลับ ไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนสวิทช์เปิด (Open Switch) หรือเปิดวงจร (Open Circuit)ทำให้ Id เท่ากับศูนย์

ไดโอดในทางปฏิบัติ (Practical Diode) 

ไดโอดในทางปฏิบัติมีการแพร่กระจายของพาหะส่วนน้อยที่บริเวณรอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง ดังนั้น ถ้าต่อไบอัสตรงให้กับไดโอดในทางปฏิบัติก็จะเกิด แรงดันเสมือน (Ge >= 0.3V ; Si >= 0.7V ) ซึ่งต้านแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเพื่อการไบอัสตรง ดังภาพ

ภาพที่ 5 ไดโอดในทางปฏิบัติ

ขนาดของแรงดันเสมือนจึงเป็นตัวบอกจุดทำงาน ดังนั้น จึงเรียก แรงดันเสมือน อีกอย่างหนึ่งว่า แรงดันในการเปิด (Turn-on Voltage ; Vt ) กรณีไบอัสกลับ เราทราบว่า Depletion Regionจะขยายกว้างขึ้น แต่ก็ยังมีพาหะข้างน้อยแพร่กระจายที่รอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง แต่ก็ยังมีกระแสรั่วไหลอยู่จำนวนหนึ่ง เรียกว่า กระแสรั่วไหล(Leakage Current) เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้นเรื่อยๆ กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดทีไดโอดนำกระแสเพิ่มขึ้นมาก ระดับกระแสที่จุดนี้ เรียกว่า กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ (Reverse Saturation Current ; Is ) แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้ เรียกว่า แรงดันพังทลาย (Breakdown Voltage) และถ้าแรงดันไบกลับสูงขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ไดโอดทนได้ เราเรียกว่า แรงดันพังทลายซีเนอร์ (Zener Breakdown Voltage ; Vz) ถ้าแรงดันไบอัสกลับสูงกว่า Vz จะเกิดความร้อนอย่างมากที่รอยต่อของไดโอด ส่งผลให้ไดโอดเสียหายหรือพังได้ แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้เราเรียกว่า แรงดันพังทลายอวาแลนซ์ (Avalance Breakdown Voltage) ดังนั้น การนำไดโอดไปใช้งานจึงใช้กับการไบอัสตรงเท่านั้น

คุณลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของไดโอด

คุณสมบัติของไดโอด

ไดโอดถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำพวกสารกึ่งตัวนำตัวแรกที่ถูกผลิตขึ้นมาใช้งานจัดเป็นอุปกรณ์พื้นฐานที่มีบทบาทสำคัญในระบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยต้องเข้าไปเกี่ยวข้องกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ตั้งแต่วงจรขนาดเล็กมีอุปกรณ์ไม่กี่ตัว ไปจนถึงวงจรขนาดใหญ่มีอุปกรณ์จำนวนมากเป็นร้อยเป็นพันตัว เป็นเพราะว่าคุณสมบัติในการทำงานของตัวไดโอดทำงานได้ง่ายใช้งานร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆ ได้ดี โดยระบบการต่อวงจร การจ่ายแรงดันไบอัส และการทำงานสะดวกรวดเร็ว ด้วยหลักการทำงานพื้นฐานของไดโอดถือว่าไอโอดเป็นสวิตช์ชนิดหนึ่ง ตรงกับความต้องการในการใช้งานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมด ทำให้ไดโอดถูกนำมาใช้งานอย่างแพร่หลายทั่วไป

การทำงานของไดโอดขึ้นอยู่กับสภาวะการจ่ายแรงดันไบอัสให้ตัวไดโอด สภาวะการจ่ายแรงดันไบอัสให้ตัวไดโอดแบ่งได้เป็น 2 สภาวะคือ สภาวะไบอัสตรง ( forward bias ) เป็นสภาวะจ่ายแรงดันไบอัสถูกขั้วให้ตัวไดโอด ทำให้ไดโอดทำงานนำกระแส และสภาวะไบอัสกลับ (reverse bias) เป็นสภาวะจ่ายแรงดันไบอัสกลับขั้วให้ตัวไดโอด ทำให้ไดโอดไม่ทำงานหยุดนำกระแส ลักษณะไบอัสเบื้องต้นแสดง

                                                          ภาพที่ 6 การทำงานของไดโอด

ขอขอบคุณบล็อค http://nattha-ch.blogspot.com