1. โครงสร้างพื้นฐานของอะตอม สสารต่างๆ ที่เราพบอยู่ทั่วไปนั้น ถ้าพิจารณาลงไปถึงส่วนประกอบขนาดเล็กที่ประกอบกันเป็นสสารนั้นแล้ว จะพบว่าประกอบด้วยโมเลกุล ซึ่งโมเลกุลเป็นส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสารและยังแสดงสมบัติของธาตุนั้นอยู่ได้ ในแต่โมเลกุลจะประกอบด้วยส่วนที่เล็กลงไปอีกเรียกว่าอะตอม จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่อยู่เป็นแกนกลางของอะตอม และมีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสนั้น ภายในนิวเคลียสยังประกอบไปด้วยอนุภาคของโปรตรอนและนิวตรอนอยู่รวมกัน อิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบนิวเคลียสนั้นเป็นลบ ส่วนโปรตรอนมีประจุเป็นบวก นิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียสมีประจุเป็นกลางทางไฟฟ้า โดยปกติแล้วอะตอมของธาตุต่างๆ จะเป็นกลางทางไฟฟ้า ในธาตุเดียวกันอะตอมของธาตุนั้นจะมีจำนวนโปรตรอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน สารกึ่งตัวนำความหมายของสารกึ่งตัวนำสารกึ่งตัวนำ คือ สารที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน เช่น ซิลิคอนและเยอรมาเนียม ประเภทของสารกึ่งตัวนำ1. สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์เราลองมาพิจารณาโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำที่บริสุทธิ์ โดยในที่นี้ขอยกตัวอย่าง ซิลิคอน จะพบว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมจะมีพันธะกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียง จึงไม่มีอิเล็กตรอนอิสระที่จะทำให้เกิดการนำไฟฟ้าได้ (การนำไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ) แต่เมื่ออุณหภูมิสิ่งแวดล้อมสูงเกินกว่า ศูนย์องศาสัมบูรณ์ (absolute zero) ถ้าเราผ่านสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มมากพอเข้าไป จะทำให้อิเล็กตรอนบางตัวในพันธะหลุดออกมากลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และเกิดที่ว่างขึ้น เรียกว่า โฮล โดยแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระและโฮลเคลื่อนที่ โดยอิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า ส่วนโฮลจะเคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า ดังรูปด้านล่าง จึงทำให้เกิดการนำไฟฟ้าขึ้น ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล นั่นเอง2. สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์เนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในสารกึ่งตัวนำนั้นมีอยู่น้อย กระแสที่ไหลได้จึงมีน้อย ทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากนัก จึงต้องมีการปรุงแต่งโดยนำเอาอะตอมของธาตุอื่นเจือปนเข้าไป ทำให้กลายเป็น สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ ซึ่งจะสามารถนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นสารที่นำมาใช้เจือปนนี้สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่1. สารเจือปนโดเนอร์ (Donor impurity)คือ ธาตุที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว (Pentavalent impurities) เช่น พลวง สารหนู หรือ ฟอสฟอรัส ซึ่งเมื่อเจือปนสารประเภทนี้เข้าไป จะทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระขึ้นในสารกึ่งตัวนำ2. สารเจือปนแอคแซ็ปเตอร์ (Acceptor impurity)คือ ธาตุที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว (Trivalent impurities) เช่น โบรอน อลูมิเนียม หรือ แกล-เลี่ยม ซึ่งเมื่อเจือปนสารประเภทนี้เข้าไป จะทำให้อิเล็กตรอนของสารกึ่งตัวนำหายไป 1 ตัว เกิดเป็นช่องว่างขึ้นในอะตอมของสารกึ่งตัวนำ เรียกว่า โฮล (Hole)ดังนั้นสารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์ จึงแบ่งออกเป็น 2 ประเภทเช่นกัน คือ 1. สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (N - Type) เกิดจากการนำสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ผสมกับสารเจือปนโดเนอร์ ในอัตราส่วนที่พอเหมาะ ทำให้สารกึ่งตัวนำมีอิเล็กตรอนเกินมา 1 ตัว เรียกว่า อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งจะสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในผลึกนั้น จึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ 2. สารกึ่งตัวนำชนิดพี (P - Type) เกิดจากการเอาสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ผสมกับสารเจือปนแอคแซ็ปเตอร์ ในอัตราส่วนที่พอเหมาะ จะทำให้อิเล็กตรอนของสารกึ่งตัวนำหายไป 1 ตัว ทำให้เกิดที่ว่างขึ้นในอะตอมของสารกึ่งตัวนำ เรียกว่า โฮล (Hole) เป็นผลทำให้ มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าประจุบวก ดังนั้น สารกึ่งตัวนำชนิดพี จึงมีประจุเป็นบวก
ไดโอด (Diode) เป็นการนำสารกึ่งตัวนำชนิดพีและสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น มาทำการต่อให้ติดกันตามหลักของวิชาฟิสิกส์ของแข็ง โดยไดโอดจะมีความต้านทานต่ำมาก และยอมให้กระแสไหลผ่านได้ เมื่อต่อให้ศักย์ไฟฟ้าที่ปลายพีสูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่ปลายเอ็น (ต่อปลายพีเข้ากับขั้วบวกและต่อปลายเอ็นเข้ากับขั้วลบ) หรือที่เรียกว่า ไบแอสตรง นั่นเอง แต่ถ้าเราต่อให้ที่ปลายพีมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าปลายเอ็น (ไบแอสกลับ) ไดโอดจะมีความต้านทานสูงมาก และไม่ยอมให้กระแสไหลผ่าน


สัญญลักษณ์ไดโอด


ไดโอดที่ใช้ในวงจรมีสัญญลักษณ์ เป็นรูปลูกศรมีขีดขวางไว้ดังรูป

ตัวลูกศรเป็นสัญญลักษณ์แทนสารกึ่งตัวนำชนิด P ซึ่งเป็นขั้วอาโนด (ขั้วบวก) ของไดโอด ลูกศรจะชี้ในทิศทางที่โฮลเคลื่อนที่ ส่วนขีดคั่นเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด N ซึ่งเป็นขั้วคาโถด (ขั้วลบ) ดังนั้นเราจะสามารถพิจารณาว่า ไดโอดถูกไบแอสตรงหรือไบแอสกลับได้ง่าย ๆ โดยพิจารณาดูว่าถ้าขั้วอาโนดมีศักดาไฟฟ้าเป็นบวกมากกว่าราคาโถดแล้ว ไดโอดจะถูกไบแอสตรง ถ้าขั้วอาโนดมีศักดาไฟฟ้าเป็นบวกน้อยกว่า คาโถดก็แสดงว่าไดโอดถูกไบแอสกลับ


การไบอัสตรง คือต้องจ่ายแรงดันให้ตรงตามชนิดของสารกึ่งตัวนำที่ต่อ ถ้าเป็นสารชนิด P แรงดันไบอัสตรงคือศักย์บวก (+) ถ้าเป็นชนิด N แรงดันไบอัสตรงคือศักย์ลบ



การไบอัสกลับ จะขยายกว้างขึ้น แต่ก็ยังมีพาหะข้างน้อยแพร่กระจายที่รอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง แต่ก็ยังมีกระแสรั่วไหลอยู่จำนวนหนึ่ง เรียกว่า กระแสรั่วไหล เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้นเรื่อยๆ กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดทีไดโอดนำกระแสเพิ่มขึ้นมาก ระดับกระแสที่จุดนี้ เรียกว่า "กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้ เรียกว่า แรงดันพังทลาย และถ้าแรงดันไบกลับสูงขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ไดโอดทนได้ เราเรียกว่า "แรงดันพังทลายซีเนอร์ ถ้าแรงดันไบอัสกลับสูงกว่า Vz จะเกิดความร้อนอย่างมากที่รอยต่อของไดโอด ส่งผลให้ไดโอดเสียหายหรือพังได้ แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้เราเรียกว่า แรงดันพังทลายอวาแลนซ์ ดังนั้น การนำไดโอดไปใช้งานจึงใช้กับการไบอัสตรงเท่านั้น


ลักษณะสมบัติของไดโอด
แม้ว่าไดโอดในอุดมคติจะมีลักษณะคล้ายดังสวิตซ์ทางไฟฟ้า คือเมื่อเราให้ไบอัสตรงจะเหมือนกับสวิตซ์ปิดวงจร ( ON ) แต่ถ้าให้ไบอัสกลับจะเหมือนกับสวิตซ์เปิดวงจร ( OFF ) ซึ่งไดโอดเมื่อได้ไบอัสตรงจะมีกระแสไหลผ่านไดโอดได้สูง และมีแรงดันตกคร่อมไดโอดอยู่เล็กน้อยประมาณ 0.2 หรือ 0.6 โวลต์ ส่วนขณะที่ไบอัสกลับจะมีกระแสไหลผ่านน้อยมากเพียงไม่กี่ไมโครแอมป์ แสดงดังกราฟรูปที่ 12




การทดสอบไดโอดด้วยโอห์มมิเตอร์
การตรวจหาขาของไดโอดหรือการตรวจสอบว่าไดโอดนั้นใช้งานได้หรือไม่ ทำได้อย่างง่ายโดยการใช้โอห์มิเตอร์ เนื่องจากไดโอดนั้นเมื่อได้รับแรงไฟไบอัสตรงจะยอมให้กระแสไหลผ่าน แสดงว่าค่าความต้านทานของไดโอดมีค่าต่ำ ( โดยทั่วไปค่าความต้านทานนี้เรียกว่า ความต้านทานด้านไบอัสตรง ปกติมีค่าประมาณ 70 ) แต่เมื่อไดโอดได้รับแรงไฟไบอัสกลับจะไม่มีกระแสไหลผ่านไดโอดเหมือนกับว่าความต้านทานของไดโอดมีค่าสูงมาก ( โดยทั่วไปค่าความต้านทานของไดโอดเมื่อได้รับไบอัสกลับ จะมีค่าอยู่ระหว่าง 500 K ถึง
การทดสอบไดโอดด้วยมัลติมิเตอร์แบบแอนะลอก กระทำได้โดยการตั้งย่านวัดความต้านทานในย่าน R x 10 เพื่อวัดความต้านทานไบอัสตรง โดยต่อขั้วไฟบวก ( มิเตอร์ตระกูล Sanwa ไฟบวกจะออกจากขั้วลบของมิเตอร์ ) ของมิเตอร์เข้ากับขาแอโนด และต่อขั้วไฟลบของมัลติมิเตอร์เข้ากับขาแคโถด จะเห็นว่าเข็มของมิเตอร์ชี้ไปที่ค่าความต้านทานต่ำประมาณ 70 จากนั้นให้ปรับย่านวัดไปย่าน R x 10K เพื่อวัดความต้านทานไบอัสกลับของไดโอด โดยต่อขั้วมัลติมิเตอร์กลับจากเดิม คือ ต่อไฟบวกของมัลติมิเตอร์เข้ากับขาแคโถดและต่อขั้วไฟลบของมัลติมิเตอร์เข้ากับขาแอโนด เข็มมัลติมิเตอร์จะชี้ที่ค่าความต้านทานสูงมาก ( เข็มมิเตอร์ไม่กระดิก ) หรือค่าอนันต์ ( Infinity , ) ในไดโอดชนิดซิลิกอน และประมาณ 500 K ในไดโอดชนิดเยอรมันเนียม
การทดสอบไดโอดด้วยมัลติมิเตอร์แบบดิจิตอล ให้ตั้งย่านวัดไดโอด โดยวัดขั้วทั้งสองของไดโอดด้วยไบอัสตรง คือ ให้ขั้วไฟลบ ( มิเตอร์ดิจิตอล ขั้วไฟลบออกจากขั้วลบของมิเตอร์ ) ของมิเตอร์ต่อกับแคโถดและขั้วไฟบวกของมิเตอร์ต่อกับขาแอโนด มิเตอร์จะแสดงค่าแรงดันตกคร่อมรอยต่อของไดโอด ( แรงดันคัทอิน ) โดยแสดงค่าแรงดัน 0.6 ในไดโอดชนิดซิลิกอนและแสดงค่า 0.2 ในไดโอดชนิดเยอรมันเนียม
การตรวจเช็คไดโอด จะมีพิจารณากันอยู่ 3 ลักษณะ คือ
1. ไดโอดขาด ( Open ) หมายถึง รอยต่อระหว่างสารพี-เอ็นเปิดออกจากกัน ทำให้ไดโอดไม่สามารถนำกระแสได้ ทั้งในกรณีไบอัสตรงและไบอัสกลับ ( เข็มมิเตอร์ไม่กระดิกทั้งสองครั้ง )
2. ไดโอดลัดวงจร ( Shot ) หมายถึง รอยต่อระหว่างสารพี-เอ็นเกิดการพังทลายเข้าหากัน ไดโอดจะนำกระแสทั้งในกรณีไบอัสตรงและไบอัสกลับ ( เข็มมิเตอร์ขึ้นทั้งสองครั้ง )
3. ไดโอดรั่วไหล ( Leakage ) หมายถึง การวัดไดโอดในลักษณะไบอัสกลับ โดยใช้ค่าแรงดันจากโอห์มมิเตอร์ซึ่งมีค่าแรงดันต่ำกว่าค่าแรงดันพังทลายของไดโอด ก็มีกระแสไหลแล้ว ไดโอดชนิดเยอรมันเนียมเมื่อถูกไบอัสกลับจะมีค่าความต้านทานประมาณ 400 K - 500 K ซึ่งมีกระแสรั่วไหลมากกว่าไดโอดชนิดซิลิกอน โดยไดโอดชนิดซิลิกอนเมื่อถูกไบอัสกลับจะมีค่าความต้านทานเป็นอนันต์ ( เข็มมิเตอร์ไม่กระดิก )