กิจกรรมล่าสุดของไซต์

elernning-หน่วยที่ 1 สารกึ่งตัวนำและไดโอด

หน่วยที่ 1 สารกึ่งตัวนำและไดโอด

จุดประสงค์รายวิชา

1.เพื่อให้นักเรียนสามารถบอกสังเขปรายวิชาได้

2.เพื่อให้นักเรียนสามารถอธิบายโครงสร้างพื้นฐานของอะตอมได้

3.เพื่อให้นักเรียนสามารถอธิบายวงโคจรของอิเล็กตรอนได้

4.เพื่อให้นักเรียนสามารถอธิบายสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์และสารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ได้

5.เพื่อให้นักเรียนสามารถอธิบายสารกึ่งตัวนำชนิด N และ P ได้

6.เพื่อให้นักเรียนสามารถบอกโครงสร้างและสัญลักษณ์ของไดโอดได้

7.เพื่อให้นักเรียนสามารถอธิบายโครงสร้างรอยต่อของสาร P - N ได้

8.เพื่อให้นักเรียนสามารถอธิบายคุณสมบัติสมบัติของไดโอดได้

9.เพื่อให้นักเรียนสามารถอธิบายการไบอัสตรงและไบอัสกลับได้

10.เพื่อให้นักเรียนสามารถวัดและทดสอบหาขาของไดโอดด้วยโอห์มมิเตอร์ได้

11.เพื่อให้นักเรียนสามารถประกอบวงจรเพื่อวัดหาคุณสมบัติของไดโอดได้

12. เพื่อให้นักเรียนรับผิดชอบต่อหน้าที่
13. เพื่อให้นักเรียนมีความเป็นระเบียบเรียบร้อย

สารกึ่งตัวนำและไดโอด

1. โครงสร้างพื้นฐานของอะตอม

สสารต่างๆ ที่เราพบอยู่ทั่วไปนั้น ถ้าพิจารณาลงไปถึงส่วนประกอบขนาดเล็กที่ประกอบกันเป็นสสารนั้นแล้ว จะพบว่าประกอบด้วยโมเลกุล ซึ่งโมเลกุลเป็นส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสารและยังแสดงสมบัติของธาตุนั้นอยู่ได้ ในแต่โมเลกุลจะประกอบด้วยส่วนที่เล็กลงไปอีกเรียกว่าอะตอม จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่อยู่เป็นแกนกลางของอะตอม และมีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสนั้น ภายในนิวเคลียสยังประกอบไปด้วยอนุภาคของโปรตรอนและนิวตรอนอยู่รวมกัน อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบนิวเคลียสนั้นเป็นลบ ส่วนโปรตรอนมีประจุเป็นบวก นิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสมีประจุเป็นกลางทางไฟฟ้า โดยปกติแล้วอะตอมของธาตุต่างๆ จะเป็นกลางทางไฟฟ้า ในธาตุเดียวกันอะตอมของธาตุนั้นจะมีจำนวนโปรตรอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน

รูปที่ 1 แสดงแบบจำลองโครงสร้างอะตอม

2. วงโคจรของอิเล็กตรอน

จำนวนอิเล็กตรอนที่วิ่งรอบนิวเคลียสจะวิ่งเป็นวงๆ โดยแต่ละวงโคจรจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ไม่เท่ากัน เรียงลำดับจากน้อยไปหามาก แต่ละวงจะสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้จำนวนเท่าใดนั้นคำนวณได้จากสูตร 2N2 โดย N คือลำดับวงโคจรที่ห่างจากนิวเคลียส วงโคจรอิเล็กตรอนที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสจะบอกกำกับไว้เป็นตัวอักษร ซึ่งในวงในสุดที่ติดกับนิวเคลียสจะนับเป็นวงแรกคือวง K และวงที่อยู่ออกห่างไปเรื่อยๆ ก็จะเป็น L,M,N,O,P,Q ตามลำดับ แต่ละวงจะมีอิเล็กตรอนได้สูงสุดตามสูตร 2N2 ดังนั้นวง K ซึ่งเป็นวงที่ 1 จะมีอิเล็กตรอนสูงสุดเท่ากับ 2N2 = 2(1)2 =  2 ตัว,วงที่ 2 L = 8 ตัว , วงที่ 3 M = 18 ตัว ,วงที่ 4 N = 32 ตัว ,วงที่ 5 O = 50 ตัว โดยตั้งแต่วง O เป็นต้นไป จำนวนอิเล็กตรอนที่บรรจุลงไปจะไม่เต็มจำนวนตามสูตรที่ คำนวณได้

รูปที่ 2 แสดงวงโคจรของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส

อะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีจำนวนอิเล็กตรอนมากน้อยแตกต่างกัน ซึ่งจะทำให้การบรรจุอิเล็กตรอนลงในแต่ละวงโคจรไม่เต็มจำนวน และมีข้อจำกัดในการบรรจุอิเล็กตรอนลงวงโคจรอย่างหนึ่งคือ อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่วงนอกสุดจะมีอิเล็กตรอนได้มากสุดไม่เกิน 8 ตัว อิเล็กตรอนวงนอกสุดจะอยู่ที่วงใดก็ได้ไม่จำเป็นจะอยู่วง Q เท่านั้น วงที่ถูกบรรจุอิเล็กตรอนเป็นวงสุดท้ายของธาตุเรียกอิเล็กตรอนวงนอกสุดนี้ว่า วาเลนซ์อิเล็กตรอน ( Valence  Electron ) วาเลนซ์อิเล็กตรอนในธาตุแต่ละชนิดจะมีจำนวนไม่เท่ากัน

รูปที่ 3 แสดงการจัดอิเล็กตรอนของอะตอมโซเดียมและคลอรีน

จากรูปที่ 3 เป็นการจัดเรียงอิเล็กตรอนของโซเดียม (Na) ซึ่งมีอิเล็กตรอนทั้งหมด 11 ตัว อิเล็กตรอนจะถูกบรรจุอยู่ชั้นที่ 1 จำนวน 2 ตัว ชั้นที่ 2 จำนวน 8 ตัว ชั้นที่ 3 จำนวน 1 ตัว ส่วนคลอรีนมีอิเล็กตรอนทั้งหมด 17 ตัว การเรียงตัวของอิเล็กตรอนเป็น 2, 8, 7 ตามลำดับวาเลนซ์อิเล็กตรอนหรืออิเล็กตรอนวงนอกสุดจะเป็นตัวบ่งบอกถึงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสสารหรือธาตุต่างๆ ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ ตัวนำไฟฟ้า , สารกึ่งตัวนำ และฉนวนไฟฟ้า โดยจะกำหนดจากสสารหรือธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนดังนี้

ตัวนำไฟฟ้า จะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวน 1 - 3 ตัว

สารกึ่งตัวนำ จะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวน 4 ตัว

ฉนวนไฟฟ้าจะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนจำนวน 5 - 8 ตัว

2.1 ตัวนำไฟฟ้า ( Conductor )

ตัวนำไฟฟ้าคือธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 1 - 3 ตัว ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถหลุดออกจากอะตอมได้โดยง่ายเมื่อมีพลังงานหรือแรงมากระทำเพียงเล็กน้อย นำกระแสไฟฟ้าได้ดี ธาตุเหล่านี้เช่น ทองคำ, เงิน , ทองแดง, อลูมิเนียม, เหล็ก, สังกะสี เป็นต้น

2.2 สารกึ่งตัวนำไฟฟ้า ( Semi – Conductor )

ธาตุที่จัดเป็นจำพวกสารกึ่งตัวนำไฟฟ้า คือธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว ซึ่งมีคุณสมบัติอยู่กึ่งกลางระหว่างตัวนำไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้า ธาตุกึ่งตัวนำไฟฟ้านี้จะนิยมนำไปใช้ผลิตเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ธาตุที่จัดว่าเป็นสารกึ่งตัวนำได้แก่ คาร์บอน ซิลิคอน เยอรมันเนียม ดีบุก ตะกั่ว แต่ที่นิยมนำไปผลิตเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มี 2 ชนิด คือ ซิลิคอน( Si)  และเยอรมันเนียม (Ge)

2.3 ฉนวนไฟฟ้า ( Insulator )

ธาตุที่จัดเป็นจำพวกฉนวนไฟฟ้า คือธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 - 8 ตัว ซึ่งอิเล็กตรอนไม่สามารถหลุดออกจากอะตอมได้โดยง่าย จะต้องใช้พลังงานสูงมากๆ มากระทำอิเล็กตรอนจึงหลุดออกได้ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ยาก มีค่าความต้านทานไฟฟ้าสูงมาก ฉนวนเหล่านั้น เช่น ไมก้า, แก้ว,พลาสติก,ไม้แห้ง เป็นต้น

3. สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์

สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ คือ ธาตุกึ่งตัวนำที่ยังไม่ได้เติมสารเจือปน (Doping )ใดๆ ลงไป ธาตุกึ่งตัวนำที่นิยมนำไปทำเป็นสารกึ่งตัวนำในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ก็คือ ธาตุกึ่งตัวนำซิลิกอน และธาตุกึ่งตัวนำเยอรมันเนียม ธาตุทั้งสองชนิดนี้จะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 4 ตัว แต่อิเล็กตรอนทั้งหมดจะไม่เท่ากัน โดยซิลิคอนจะมีอิเล็กตรอนทั้งหมด 14 ตัว ส่วนเยอรมันเนียมจะมีอิเล็กตรอนทั้งหมด 32 ตัว ต่อหนึ่งอะตอม

รูปที่ 4 แสดงการใช้อิเล็กตรอนวงนอสุดร่วมกันครบ 8 ตัวของอะตอมซิลิคอนและเยอรมันเนียม

โครงสร้างอะตอมของธาตุซิลิกอนและโครงสร้างอะตอมของธาตุเยอรมันเนียมเมื่ออยู่รวมกันหลายๆ อะตอมจะจับกันเป็นผลึกในรูปของพันธะโควาเลนซ์ (Covalence Bond) ดังนั้นหนึ่งอะตอมจะต้องใช้อิเล็กตรอนร่วมกันกับอะตอมข้างเคียง 4 อะตอม จึงจะมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดครบ 8 ตัว เพื่อให้อะตอมอยู่ในสภาพเสถียร

รูปที่ 5 แสดงการใช้อิเล็กตรอนวงนอกสุดร่วมกันครบ 8 ตัว ของอะตอมซิลิกอนและเยอรมันเนียม

4. สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์

สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ คือการนำเอาธาตุซิลิคอนหรือธาตุเยอรมันเนียมบริสุทธิ์มาเติมเจือปนลงไป โดยใช้ธาตุเจือปนที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว หรือธาตุเจือปนที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 5 ตัว ลงไปในอัตราส่วน 108: 1 คือธาตุกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ 108 ส่วนต่อสารเจือปน 1 ส่วน ซึ่งจะทำให้ได้สารกึ่งตัวนำใหม่ขึ้นมา คือถ้าเติมธาตุเจือปนที่วาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวลงไป ตัวนำชนิดเอ็น แต่ถ้าเติมธาตุเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว ลงไปจะได้สารกึ่งตัวนำชนิดพี ธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว ที่นำมาใช้เป็นธาตุเจือปนเช่นโบรอน อินเดียม แกลเลียม และอลูมิเนียม ส่วนธาตุที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวที่นำมาใช้เป็นธาตุเจือปน เช่น ฟอสฟอรัส อาเซนิค

4.1 สารกึ่งตัวนำชนิด N ( N – Type  Semiconductor )

สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นเป็นสารกึ่งตัวนำที่ได้จากการเติมสารเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัว เช่น ฟอสฟอรัส อาเซนิค อย่างใดอย่างหนึ่งลงไปในธาตุซิลิคอนหรือเยอรมันเนียมบริสุทธิ์ จะทำให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของแต่ละอะตอมแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนซึ่งกันและกัน หรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตัว ทำให้เหลืออิเล็กตรอน 1 ตัว ที่ไม่สามารถจับตัวกับอะตอมข้างเคียง เรียกอิเล็กตรอนตัวนี้ว่า อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งจะแสดงประจุลบออกมา

รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างการจับตัวกันของอิเล็กตรอนวงนอกสุดระหว่าง Si กับ P ในสารกึ่งตัวนำชนิด N – Type

4.2 สารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-Type)

สารกึ่งตัวนำชนิดพีเป็นสารกึ่งตัวนำที่ได้จากการเติมธาตุเจือปนที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว เช่น โบรอน อินเดียม แกลเลียม อย่างใดอย่างหนึ่งลงไปในธาตุซิลิคอนหรือธาตุเยอรมันเนียมบริสุทธิ์ จะทำให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดของแต่ละอะตอมแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนซึ่งกันและกันหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันได้ครบ 8 ตัว ส่วนอะตอมของธาตุเจือปนจะขาดอิเล็กตรอนอีก 1 ตัว เพราะธาตุเจือปนมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 3 ตัว เรียกส่วนที่ขาดอิเล็กตรอนนี้ว่าโฮล ซึ่งแปลว่า หลุม หรือ รู โฮลนี้จะแสดงประจุบวกออกมา

รูปที่ 7 แสดงโครงสร้างการจับตัวกันของอิเล็กตรอนวงนอกสุดระหว่าง Si  กับ Br ใน

สารกึ่งตัวนำชนิด P – Type

Comments