ไดโอด

ประวัติ

ถึงแม้ว่าไดโอดแบบผลึกสารกึ่งตัวนำ (Crystal semiconductor diode) จะเป็นที่นิยมมาก่อนไดโอดแบบใช้ความร้อน (Thermionic diode) แต่ไดโอดทั้งสองแบบก็มีพัฒนาการเป็นแบบคู่ขนาน โดยในปี พ.ศ. 2416 ค้นพบหลักการพื้นฐานในการทำงานของไดโอดแบบใช้ความร้อน กัธรีค้นพบว่าประจุบวกในอิเล็กโทรสโคป สามารถคายประจุได้เมื่อนำแผ่นกราวด์มาโดนอิเล็กโทรสโคป แต่จะไปเกิดในประจุลบ เปรียบเสมือนกระแสไฟฟ้าที่ไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น
จากหลักการข้างต้น ในวันที่ 13 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2423 โธมัส อัลวา เอดิสัน ได้ตรวจสอบไส้หลอดไฟว่าทำไมไส้หลอดคาร์บอนบริเวณปลายฝั่งที่ต่อกับขั้วบวกจึงถูกเผาไหม้อยู่เสมอ เอดิสันจึงสร้างกระเปาะแบบพิเศษที่มีแผ่นตัวนำโลหะ (plate) ที่ปิดสนิทอยู่ในหลอดแก้ว เมื่อเอดิสันได้ทดสอบอุปกรณ์ชิ้นนี้แล้ว ก็ทำให้เขายืนยันได้ว่ากระแสที่มองไม่เห็นนั้นจะไหลจากไส้หลอดผ่านสุญญากาศไปยังแผ่นตัวนำโลหะ ซึ่งจะไปทางเดียวเท่านั้น คือแผ่นตัวนำโลหะที่ติดอยู่กับแหล่งจ่ายแรงดันขั้วบวก
เอดิสันวางแผนที่จะใช้อุปกรณ์นี้แทนที่ตัวต้านทานในวงจรโวลต์มิเตอร์กระแสตรง สิ่งประดิษฐ์ดังกล่าวได้สิทธิบัตรในปี พ.ศ. 2427 ไม่มีใครนำอุปกรณ์นี้ไปใช้งานจริงในเวลานั้น แต่การจดสิทธิบัตรเอาไว้ก่อนนั้นเป็นเสมือนการปกป้องสิทธิ์ของตนเองเอาไว้ก่อน เราจึงเรียกปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์ตัวนี้ว่า "ปรากฏการณ์เอดิสัน" (Edison effect)
20 ปีต่อมา จอห์น แอมบรอส เฟรมมิ่ง (ที่ปรึกษาทางวิทยาศาสตร์ของบริษัทมาร์โคนีของกูลเยลโม มาร์โกนี และเป็นอดีตลูกจ้างของเอดิสัน) ตระหนักถึงความสำคัญของปรากฏการณ์เอดิสันว่าสามารถใช้ในการตรวจจจับคลื่นวิทยุได้อย่างแม่นยำ เฟรมมิ่งได้จดสิทธิบัตรไดโอดแบบใช้ความร้อนเป็นตัวแรกที่เกาะบริเตนใหญ่เมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน พ.ศ. 2447 (ใน U.S. Patent 803,684 กล่าวว่ามีการจดสิทธิบัตรในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2448)
ในปี พ.ศ. 2417 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน คาร์ล เฟอร์ดินานด์ บรวน ค้นพบคุณสมบัติการนำไฟฟ้าข้างเดียวของผลึก บรวนจดสิทธิบัตรการเรียงกระแสของผลึกในปี พ.ศ. 2442 โดยการเรียงตัวของผลึกคอปเปอร์ออกไซด์กับเซเลเนียมถูกนำไปประยุกต์ใช้ในงานไฟฟ้ากำลังในอีก 20 ปีต่อมา
จักกฤษ จันทรา โบส นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดียค้นพบการใช้ประโยชน์ของการเรียงกระแสในผลึกมาใช้ในการตรวจจับคลื่นวิทยุเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2437 การใช้ผลึกในการตรวจจับคลื่นวิทยุถูกพัฒนาให้ใช้ได้จริงในทางปฏิบัติในเครื่องรับวิทยุแบบไร้สายโดยกรีนลีฟ ไวท์เทอร์ พิคการ์ดผู้บุกเบิกวงการวิทยุในสหรัฐอเมริกา ได้คิดค้นการนำผลึกซิลิกอนมาใช้ตรวจรับสัญญาณในปี พ.ศ. 2446 และทำการจดสิทธิบัตรในวันที่ 20 พฤศจิกายน พ.ศ. 2449 ส่วนนักทดลองคนอื่น ๆ ก็ได้นำธาตุนานาชนิดมาทำการทดลอง แต่ที่นิยมใช้ในวงกว้างมากที่สุดคือแร่กาลีนา (lead sulfide สารประกอบของตะกั่วกับกำมะถัน)
ในช่วงระยะเวลาแห่งการค้นพบนั้น อุปกรณ์ดังกล่าวถูกตั้งชื่อว่า "ไดโอด" โดยผู้ที่ตั้งชื่อนั่นคือ วิลเลียม เฮนรี เอคเกิล นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ โดยคำนี้มาจากภาษากรีกคำว่า dia แปลว่าผ่าน และ ode (จากคำว่า ὅδος) แปลว่าเส้นทาง

ไดโอดแบบใช้ความร้อนและไดโอดแบบสภาวะแก๊ส

ไดโอดแบบใช้ความร้อนเป็นหลอดสุญญากาศ ภายในประกอบไปด้วยขั้วไฟฟ้า (electrode) ล้อมรอบด้วยสุญญากาศภายในหลอดแก้ว คล้าย ๆ กับหลอดไส้ (incandescent light bulb)
ในไดโอดแบบใช้ความร้อนนั้น กระแสจะไหลผ่านไส้ความร้อนและให้ความร้อนแก่ขั้วลบหรือขั้วแคโทด ซึ่งขั้วไฟฟ้าจะทำมาจากแบเรียมและสตรอนเชียมออกไซด์ ซึ่งเป็นออกไซด์ของโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท ซึ่งมีสภาวะงาน (work function) ต่ำ (บางครั้งจะใช้วิธีให้ความร้อนโดยตรง โดยการใช้ไส้หลอดเป็นทังสเตน แทนไส้ความร้อนกับขั้วแคโทด) ความร้อนอันเกิดมาจากการส่งผ่านความร้อนของอิเล็กตรอนไปสู่สุญญากาศ ขั้นต่อไปคือขั้วบวกหรือขั้วแอโนดที่ล้อมรอบไส้ความร้อนอยู่จะทำหน้าที่เป็นประจุบวก นั่นจะเกิดการส่งผ่านอิเล็กตรอนด้วยไฟฟ้าสถิตย์ อย่างไรก็ตามอิเล็กจะไม่ถูกปล่อยไปโดยง่ายจากขั้วแอโนดเมื่อเราต่อกลับขั้ว เพราะขั้วแอโนดไม่มีความร้อน ดังนั้นไดโอดแบบใช้ความร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนไหลทิศทางเดียว
สำหรับคริสต์ศตวรรษที่ 20 ไดโอดแบบใช้ความร้อนถูกใช้ในสัญญาณอนาล็อก และใช้เรียงกระแสในแหล่งจ่ายกำลังมากมาย ทุกวันนี้ไดโอดที่เป็นหลอดสุญญากาศในกีตาร์ไฟฟ้าและเครื่องขยายเสียงแบบไฮ-เอน รวมทั้งอุปกรณ์ที่ใช้แรงดันสูง ๆ

ไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ

ไดโอดชนิดสารกึ่งตัวนำแบบใหม่ ๆ มักจะใช้ผลึกสารกึ่งตัวนำจำพวกซิลิกอนที่ไม่บริสุทธิ์โดยทำการเจือสารให้เกิดฝั่งลบและฝั่งบวก โดยฝั่งลบจะมีประจุลบคืออิเล็กตรอนมากกว่าเรียกว่า "สารกึ่งตัวนำชนิด n (n-type semiconductor) " ส่วนฝั่งบวกจะมีประจุบวกหรือโฮลเรียกว่า "สารกึ่งตัวนำชนิด p (p-type semiconductor) " โดยไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำเกิดมาจากการนำสารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดนี้มาติดด้วยวิธีการพิเศษ โดยส่วนที่สารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดอยู่ติดกันนั้นเรียกว่า "รอยต่อ p-n (p-n junction) " ไดโอดชนิดนี้จะยอมให้อิเล็กตรอนไหลผ่านจากสารกึ่งตัวนำชนิด n ไปยังสารกึ่งตัวนำชนิด p เท่านั้น จึงเรียกฝั่งที่มีสารกึ่งตัวนำชนิด n ว่าแคโทด และฝั่งที่มีสารกึ่งตัวนำชนิด p ว่าแอโนด แต่ถ้าพูดถึงทิศทางของกระแสสมมติที่ไหลสวนทางกับกระแสอิเล็กตรอนนั้น จะเห็นว่ากระแสสมติจะไหลจากขั้วแอโนดหรือสารกึ่งตัวนำชนิด p ไปยังขั้วแคโทดหรือสารกึ่งตัวนำชนิด n เพียงทิศทางเดียวเท่านั้น
ไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำอีกรูปแบบหนึ่งที่สำคัญก็คือ ไดโอดชอทท์กี้ (Schottky diode) ซึ่งมีหน้าสัมผัสระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำมากกว่ารอยต่อ p-n

คุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดัน

พฤติกรรมของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำในวงจรจะก่อให้เกิดคุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดัน (current-voltage characteristic) หรือเรียกว่ากราฟ I-V (กราฟด้านล่าง) รูปร่างของเส้นโค้งถูกกำหนดจากส่งผ่านประจุผ่านเขตปลอดพาหะ (depletion region หรือ depletion layer) ซึ่งอยู่ใยรอยต่อ p-n

พฤติกรรมของสัญญาณขนาดเล็ก

ในการออกแบบวงจร แบบจำลองของสัญญาณขนาดเล็กจากพฤติกรรมของไดโอดถูกนำมาใช้งานอยู่บ่อยครั้ง
แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก (Small-signal model) เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมไฟฟ้า ที่อาศัยการประมาณพฤติกรรมของอุปกรณ์ทางไฟฟ้าที่ไม่มีความเป็นเชิงเส้น ด้วยสมการเชิงเส้น ความเป็นเชิงเส้นนี้ขึ้นอยู่กับจุดไบอัสกระแสตรง (DC bias point) ของอุปกรณ์ (นั่นก็คือระดับของ แรงดัน/กระแส ที่แสดงออกเมื่อไม่มีสัญญาณที่ถูกนำมาใช้) และสามารถทำให้ถูกต้องได้ด้วยการมองที่จุดนี้อีกด้วย

การฟื้นตัวกลับ

ช่วงท้ายของการไบอัสตรงของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ จะเกิดกระแสไหลไฟฟ้าที่ไหลย้อนกลับในช่วงระยะเวลาสั้น ๆ ตัวอุปกรณ์จะยังไม่สามารถป้องกันกระแสไหลย้อนกลับได้เต็มที่จนกระทั่งกระแสที่เกิดไหลย้อนกลับนั้นได้สิ้นสุดลง
ผลกระทบที่เกิดขึ้นนั้นมีความสลักสำคัญเมื่อมีการสวิตชิ่ง (switching) ของกระแสที่สูงและรวดเร็วมาก (di/dt มีค่า 100 A/µs หรือมากกว่านั้น)  ค่าที่แน่นอนของ "เวลาฟื้นตัวกลับ (reverse recovery time) "  (อยู่ในช่วงเวลาเป็นนาโนวินาที) อาจจะเคลื่อนย้าย "ประจุฟื้นตัวกลับ (reverse recovery charge) "  (อยู่ในช่วงนาโนคูลอมป์) ออกจากไดโอด ในระยะเวลาระหว่างฟื้นตัวนี้ไดโอดจะสามารถทำงานในทิศทางตรงข้ามได้ แน่นอนว่าในความเป็นจริงผลกระทบนี้มีความสำคัญในการพิจารณาความสูญเสียที่เกิดขึ้นอันเนื่องมาจากไดโอดไม่เป็นอุดมคติ อย่างไรก็ตามอัตราการแกว่ง (slew rate) ของกระแสไฟฟ้านั้นรุนแรงมาก (di/dt มีค่า 10 A/µs หรือนอ้ยกว่านั้น) ผลกระทบนี้ยังอยู่ในเกณฑ์ที่ปลอดภัยจึงละเลยไว้ได้ ในการใช้งานไดโอดส่วนใหญ่จึงไม่มีผลกระทบที่สำคัญมากนัก
กรณีที่กระแสไหลย้อนกลับอย่างฉับพลันเมื่อประจุไฟฟ้าที่ถูกเก็บสะสมปลอดพาหะแล้วจะนำไปใช้ประโยชน์ในขั้นตอนการฟื้นตัวของไดโอดสำหรับกำเนิดสัญญาณพัลส์สั้นโดยเฉพาะ

ไดโอดเปล่งแสงหรือแอลอีดี (Light Emitting Diode ; LED)

LED เป็นไดโอดที่ใช้สารประเภทแกลเลี่ยมอาร์เซ็นไนต์ฟอสไฟต์ (Gallium Arsenide Phosphide ; GaAsP) หรือสารแกลเลี่ยมฟอสไฟต์ (Gallium Phosphide ; GaP) มาทำเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n แทนสาร Si และ Ge สารเหล่านี้มีคุณลักษณะพิเศษ คือ สามารถเรืองแสงได้เมื่อได้รับไบอัสตรง การเกิดแสงที่ตัว LED นี้เราเรียกว่า อิเล็กโทรลูมินิเซนต์ (Electroluminescence) ปัจจุบันนิยมใช้ LED แสดงผลในเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องคิดเลข, นาฬิกา เป็นต้น

โฟโตไดโอด (Photo Diode)

โฟโตไดโอด เป็นไดโอดที่อาศัยแสงจากภายนอกผ่านเลนซ์ ซึ่งฝังตัวอยู่ระหว่างรอยต่อ p-n เพื่อกระตุ้นให้ไดโอดทำงาน การต่อโฟโตไดโอดเพื่อใช้งานจะเป็นแบบไบอัสกลับ ทั้งนี้เพราะไม่ต้องการให้โฟโตไดโอดทำงานในทันทีทันใด แต่ต้องการให้ไดโอดทำงานเฉพาะเมื่อมีปริมาณแสงสว่างมากพอตามที่กำหนดเสียก่อน กล่าวคือ เมื่อเลนซ์ของโฟโตไดโอดได้รับแสงสว่างจะเกิดกระแสรั่วไหล ปริมาณกระแสรั่วไหลนี้เพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสง

ไดโอดกำลัง (Power Diode)

ไดโอดกำลัง เป็นไดโอดที่ออกแบบให้บริเวณรอยต่อมีช่วงกว้างมากกว่าไดโอดทั่วไป เพื่อนำไปใช้กับงานที่มีกำลังไฟฟ้าสูง กระแสสูงและทนต่ออุณหภูมิสุงได้ เช่น ประกอบเป็นวงจรเรียงกระแส ในอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เป็นต้น จะเห็นได้ว่าเมื่อพิกัดกระแสไฟฟ้ามีค่าหลายร้อยแอมป์ ทำให้ไดโอดมีอุณหภูมิขณะทำงานสูง โดยทั่วไปจึงนิยมใช้ร่วมกับตัวระบายความรัอน (Heat Sinks) เพื่อเพิ่มพื้นที่ระบายความรัอนภายในตัวไดโอดกำลัง

ไดโอดวาแรกเตอร์หรือวาริแคป (Varactor or Varicap Diode)

ไดโอดวาแรกเตอร์หรือวาริแคปเป็นไดโอดที่มีลักษณะพิเศษ คือ สามารถปรับค่าคาปาซิแตนซ์เชื่อมต่อ (Ct) ได้โดยการปรับค่าแรงดันไบอัสกลับ ไดโอดประเภทนี้มีโครงสร้างเหมือนกับไดโอดทั่วไป ขณะแรงดันไบอัสกลับ (Reverse Bias Voltage ; Vr) มีค่าต่ำ Depletion Region จะแคบลงทำให้ Ct ตรงรอยต่อมีค่าสูง แต่ในทางตรงข้ามถ้าเราปรับ Vr ให้สูงขึ้น Depletion Region จะขยายกว้างขึ้น ทำให้ Ct มีค่าต่ำ
จากลักษณะดังกล่าว เราจึงนำวาริแคปไปใช้ในวงจรปรับความถี่ เช่น วงจรจูนความถี่อัตโนมัติ (Automatic Fine Tunning ; AFC) และวงจรกรองความถี่ซึ่งปรับช่วงความถี่ได้ตามต้องการ (Variable Bandpass Filter) เป็นต้น

ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)

ซีเนอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่นำกระแสได้เมื่อได้รับไบอัสกลับ และระดับแรงดันไบอัสกลับที่นำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานได้เรียกว่า ระดับแรงดันพังทลายซีเนอร์ (Zener Breakdown Voltage ; Vz) ซีเนอร์ไดโอดจะมีแรงดันไบอัสกลับ (Vr) น้อยกว่า Vz เล็กน้อย ไดโอดประเภทนี้เหมาะที่จะนำไปใช้ควบคุมแรงดันที่โหลดหรือวงจรที่ต้องการแรงดันคงที่ เช่น ประกอบอยู่ในแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง หรือโวลเทจเรกูเลเตอร์

ไดโอดในทางอุดมคติ

ไดโอดในอุดมคติ (Ideal Diode) มีลักษณะเหมือนสวิตช์ที่สามารถนำกระแสไหลผ่านได้ในทิศทางเดียว
ถ้าต่อขั้วแบตเตอรี่ให้เป็นแบบไบอัสตรงไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนกับสวิตช์ที่ปิด (Close Switch) หรือไดโอดลัดวงจร (Short Circuit) Id ไหลผ่านไดโอดได้ แต่ถ้าต่อขั้วแบตเตอรีแบบไบอัสกลับ ไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนสวิตช์เปิด (Open Switch) หรือเปิดวงจร (Open Circuit) ทำให้ Id เท่ากับศูนย์

ไดโอดในทางปฏิบัติ

ไดโอดในทางปฏิบัติ (Practical Diode) มีการแพร่กระจายของพาหะส่วนน้อยที่บริเวณรอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง ดังนั้น ถ้าต่อไบอัสตรงให้กับไดโอดในทางปฏิบัติก็จะเกิด แรงดันเสมือน (Ge >= 0.3V ; Si >= 0.7V) ซึ่งต้านแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเพื่อการไบอัสตรง ขนาดของแรงดันเสมือนจึงเป็นตัวบอกจุดทำงาน ดังนั้น จึงเรียก "แรงดันเสมือน" อีกอย่างหนึ่งว่า "แรงดันในการเปิด" (Turn-on Voltage ; Vt)
กรณีไบอัสกลับ เราทราบว่า Depletion Region จะขยายกว้างขึ้น แต่ก็ยังมีพาหะข้างน้อยแพร่กระจายที่รอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง แต่ก็ยังมีกระแสรั่วไหลอยู่จำนวนหนึ่ง เรียกว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้นเรื่อย ๆ กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดทีไดโอดนำกระแสเพิ่มขึ้นมาก ระดับกระแสที่จุดนี้ เรียกว่า "กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ" (Reverse Saturation Current ; Is) แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้ เรียกว่า แรงดันพังทลาย (Breakdown Voltage) และถ้าแรงดันไบอัสสูงขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ไดโอดทนได้ เราเรียกว่า "แรงดันพังทลายซีเนอร์" (Zener Breakdown Voltage ; Vz) ถ้าแรงดันไบอัสกลับสูงกว่า Vz จะเกิดความร้อนอย่างมากที่รอยต่อของไดโอด ส่งผลให้ไดโอดเสียหายหรือพังได้ แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้เราเรียกว่า แรงดันพังทลายอวาแลนซ์ (Avalance Breakdown Voltage) ดังนั้น การนำไดโอดไปใช้งานจึงใช้กับการไบอัสตรงเท่านั้น

ผลกระทบของอุณหภูมิ (Temperature Effects)

จากการทดลองพบว่า Is ของ Si จะมีค่าเพิ่มขึ้นเกือบ 2 เท่า ทุก ๆ ครั้งที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียส ขณะที่ Ge มีค่า Is เป็น 1 หรือ 2 ไมโครแอมป์ ที่ 25 องศาเซลเซียส แต่ที่ 100 องศาเซลเซียสจะมีค่า Is เพิ่มขึ้นเป็น 100 micro-amp ระดับกระแสไฟฟ้าขนาดนี้จะเป็นปัญหาต่อการเปิดวงจรเรื่องจากได้รับการไบอัสกลับ เพราะแทนที่ Id จะมีค่าใกล้เคียงศูนย์ แต่กลับนำกระแสได้จำนวนหนึ่งตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น