7 อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

admin

• ที่มาของแหล่งข้อมูล http://www.kpp.ac.th/
  

สาระสำคัญ

:::   สารกึ่งตัวนำ คือ สารที่มีสภาพระหว่างตัวนำกับฉนวน นำไปใช้ในการสร้างอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เช่น ไดโอด, ทรานซิสเตอร์ ฯลฯ การค้นพบสารกึ่งตัวนำ นับเป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ จนอาจกล่าวได้ว่าเป็นการปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์เลยทีเดียว

จุดประสงค์เชิงพฤติกรรม

บอกคำจำกัดความของสารกึ่งตัวนำได้ อธิบายความแตกต่างระหว่างสารกึ่งตัวนำชนิด P และ ชนิด N ได้ บอกโครงสร้างและเขียนสัญลักษณ์ของไดโอดและทรานซิสเตอร์ได้ อธิบายหลักการทำงานของไดโอดและทรานซิสเตอร์ได้ ยกตัวอย่างการนำไดโอดและทรานซิสเตอร์ไปใช้งานได้ สามารถตรวจสอบไดโอดและทรานซิสเตอร์ด้วยมัลติมิเตอร์ได้ บอกชื่อและหน้าที่ของไดโอดชนิดต่าง ๆ ได้ บอกชื่อและหน้าที่ของทรานซิสเตอร์ชนิดต่าง ๆ ได้

สารกึ่งตัวนำคืออะไร

สสารทุกชนิดประกอบด้วยส่วนประกอบเล็ก ๆ ที่เรียกว่า “โมเลกุล” มารวมตัวกัน โดยแต่ละโมเลกุลก็จะประกอบด้วยส่วนที่เล็กมาก ๆ ซึ่งเรียกว่าอะตอม เช่น โมเลกุลของน้ำจะประกอบด้วยอะตอม 3 อะตอม คืออะตอมของไฮโดรเจน (Hydrogen) 2 อะตอม และ อะตอมของออกซิเจน (Oxygen) 1 อะตอมมารวมกัน โดยอะตอมแต่ละอะตอมจะมีแกนกลางซึ่งเรียกว่านิวเคลียส ซึ่งจะมีนิวตรอนและโปรตอนอยู่ภายใน  และจะมีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียส หลายๆวง โดยอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุดเรียกว่า วาเลนอิเล็กตรอน (Valence Electron) จะมีผลต่อความสามารถในการนำไฟฟ้าของสสารนั้น สสารที่เป็นตัวนำ (Conductor) จะมีอิเล็กตรอนวงนอกเพียง 1-3 ตัว ดังนั้นเมื่อมันได้รับพลังงานความร้อน หรือ พลังงานไฟฟ้า อิเล็กตรอนก็จะหลุดออกมาจากวงโคจรเป็นอิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron) ได้ทันที ทำให้สามารถเคลื่อนตัวไปในสสารได้อย่างอิสระ ซึ่งเราเรียกการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนนี้ว่า “กระแสไฟฟ้า”  ดังนั้นสสารที่เป็นตัวนำจึงมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ดี  ส่วนสสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกตั้งแต่ 5-8 ตัว เราจะเรียกว่า “ฉนวน” (Insulator) จะมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ไม่ดีนัก เพราะมีอิเล็กตรอนอิสระน้อย  สำหรับสสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 4 ตัว เช่น ซิลิกอน (Silicon) และเยอร์มันเนียม (Germanium) จะมีสภาพการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน เราเรียกว่า “สารกึ่งตัวนำ” (Semiconductor)

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

สารกึ่งตัวนำ ชนิด P และ ชนิด N

สารกึ่งตัวนำ บริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor)  จะมีสภาพการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี เพราะอิเล็กตรอนวงนอกจะจับตัวรวมกัน โดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน เพื่อให้เกิดภาวะเสถียร เสมือนมีอิเล็กตรอนวงนอก 8 ตัว จึงไม่เหมาะต่อการใช้งาน  ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมีการเติมสารอื่นเข้าไป เพื่อให้เกิดสภาพนำไฟฟ้าที่ดีกว่าเดิม เหมาะกับการใช้งาน โดยการเติมสารหรือที่เรียกกัน     ทับศัพท์ว่า การโดป (Doping) สารนั้น จะมีได้ 2 ลักษณะคือ

1. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว เช่น อลูมิเนียม หรือ แกลเลียม ลงไป ทำให้เกิดสภาวะขาดอิเล็กตรอน คือจะมีที่ว่างของอิเล็กตรอน ซึ่งเรียกว่าโฮล (Hole) มากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนอิสระ ด้วยเหตุที่โฮลมีสภาพเป็นประจุไฟฟ้าบวก และเป็นพาหะส่วนใหญ่ของสาร  ส่วนอิเล็กตรอน จะเป็นพาหะส่วนน้อย เราจึงเรียกสารกึ่งตัวนำประเภทนี้ว่า สารกึ่งตัวนำ ชนิด P (P-type Semiconductor)

2. เติมสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว เช่น สารหนู หรือ ฟอสฟอรัส ลงไป ทำให้เกิดสภาวะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าจำนวนของโฮล  ด้วยเหตุที่อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าลบและเป็นพาหะส่วนใหญ่ ส่วนโฮลเป็นพาหะส่วนน้อยของสาร เราจึงเรียกว่าเป็น สารกึ่งตัวนำชนิด N  (N-type Semiconductor)

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

รอยต่อ PN

เมื่อนำสารกึ่งตัวนำชนิด P และ สารกึ่งตัวนำชนิด N  มาเชื่อมต่อกัน จะเกิดการรวมตัวระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลบริเวณใกล้รอยต่อนั้น โดยอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำชนิด N  จะรวมตัวกับโฮลของสารกึ่งตัวนำชนิด P ทำให้อะตอมบริเวณรอยต่อของสารกึ่งตัวนำชนิด N จะขาดอิเล็กตรอนไปเกิดเป็นสภาวะเป็นประจุไฟฟ้าบวก ซึ่งจะต้านการเคลื่อนที่ของโฮล ในขณะที่ อะตอมบริเวณรอยต่อของสาร P จะมีอิเล็กตรอนเกินมา ทำให้มีประจุไฟฟ้าลบซึ่งจะผลักอิเล็กตรอนอิสระที่จะวิ่งข้ามมาทางฝั่ง ของสาร P  ดังรูป

บริเวณดังกล่าว จึงเป็นบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region)  โดยจะเสมือนกำแพงกั้นไม่ให้อิเล็กตรอน และโฮลของอะตอมอื่นๆ ภายในสารกึ่งตัวนำมารวมกัน ถ้าต้องการให้พาหะทั้งสองฝั่งมารวมตัวกัน จะต้องให้แรงดันไฟฟ้า แก่สารให้มากกว่าระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากประจุบริเวณรอยต่อ  โดยถ้าเป็นสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากซิลิกอน ระดับแรงดันดังกล่าวจะอยู่ประมาณ 0.7 โวลท์  และ ในกรณีสารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากเยอรมันเนียม ระดับแรงดันดังกล่าวจะมีค่าต่ำกว่า โดยจะมีค่าประมาณ 0.3 โวลท์

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

การไบอัสรอยต่อ PN

เมื่อเราจ่ายแรงดันให้แก่สารในลักษณะ ต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่เข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด  P และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานเพิ่มมากขึ้น โดยถ้าแรงดันแบตเตอรี่ที่จ่ายมีระดับแรงดันสูงกว่าแรงดันต้านกลับบริเวณรอยต่อ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงพอ ที่จะข้ามมายังฝั่งตรงข้ามได้ เกิดมีกระแสไฟฟ้าไหล เราเรียกการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า  การไบอัสตรง (Forward Bias)  ดังรูปที่ 7.4

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

ในทางตรงกันข้ามหากเราทำการจ่ายแรงดันสลับด้าน โดยให้ขั้วบวกของแบตเตอรี่ต่อเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด N และต่อขั้วลบเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิด P จะทำให้มีการฉุดรั้งอิเล็กตรอนไม่ให้ข้ามมายังฝั่งตรงข้าม ทำให้ไม่เกิดกระแสไหล เราเรียกลักษณะการต่อแรงดันในลักษณะนี้ว่า การไบอัสกลับ (Reveres Bias)

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

ในสภาวะไบอัสกลับนี้ พาหะส่วนน้อย คือ อิเล็กตรอนในสาร P  และ โฮลในสาร N  จะถูกกระตุ้นจากแบตเตอรี่ให้มารวมกัน ทำให้เกิดกระแสไหลแต่มีปริมาณน้อยมากมีค่าเป็น ไมโครแอมป์หรือนาโนแอมป์ เราเรียกกระแสนี้ว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยสารกึ่งตัวนำชนิดซิลิกอนจะมีขนาดของกระแสรั่วไหล ต่ำกว่า เยอรมันเนียม

ไดโอด

จากคุณลักษณะของรอยต่อ PN ของสารกึ่งตัวนำ เราจึงนำมาสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า ไดโอดขึ้น โดยเรียกขั้วที่ต่อกับสาร P  ว่า อาโนด (Anode)  และเรียกขั้วที่ต่อกับสาร N ว่า คาโถด(Cathode)  โดยจะมีรูปลักษณะและสัญลักษณ์ดังรูปที่ 7.6

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

การตรวจสอบไดโอด

วิธีการตรวจสอบไดโอดว่าดีหรือเสียและตรวจสอบขั้วของไดโอดทำได้โดยอาศัย คุณสมบัติของการไบอัสไดโอด โดยสามารถทำได้ดังนี้ คือ

1.        ใช้มัลติมิเตอร์ตั้งย่านวัดโอห์ม R X 1 2.        ใช้ปลายสายวัดต่อเข้ากับขั้วต่อแต่ละด้านของไดโอด 3.        สังเกตเข็มมิเตอร์ว่าขึ้นหรือไม่ 4.        จากนั้นทำการสลับขั้วสายวัดแล้วสังเกตเข็มมิเตอร์อีกครั้ง

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

ถ้าเข็มมิเตอร์ขึ้น 1 ครั้ง  ไม่ขึ้นหนึ่งครั้ง แสดงว่า ไดโอดอยู่ในสภาพใช้งานได้(ไบอัสตรงกระแสไหล  ไบอัสกลับกระแสไม่ไหล) แต่ถ้าเข็มมิเตอร์ไม่ขึ้นทั้งสองครั้ง แสดงว่า ไดโอดขาด หรือ ถ้าขึ้นทั้งสองครั้งแสดงว่า ไดโอดลัดวงจร  สำหรับขั้วไดโอดนั้น ให้พิจารณา ในสภาวะเข็มขึ้น โดยขั้ว + ของมิเตอร์จะต่อกับ คาโถด และขั้ว – ของมิเตอร์จะต่อกับ อาโนด (ที่เป็นเช่นนี้เพราะ ขั้วมิเตอร์จะสลับ กับขั้วของแบตเตอรี่ภายใน ทำให้ในสภาวะที่เข็มขึ้น คือสภาวะไบอัสตรง อาโนด จะถูกต่อกับขั้ว – ของมิเตอร์ ซึ่งก็คือขั้วบวก ของแบตเตอรี่ภายในมิเตอร์นั่นเอง)

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

การนำไปใช้งาน

ไดโอดสามารถนำไปใช้งานในวงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ได้หลากหลาย แต่ในที่นี้จะยกตัวอย่างการใช้งาน 2 ตัวอย่าง คือ

1.        การป้องกันการต่อแบตเตอรี่ผิดขั้ว 2.        การสร้างวงจรแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง

1. การป้องกันการต่อแบตเตอรี่ผิดขั้ว

ปกติในการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปที่ใช้แบตเตอรี่เป็นไฟเลี้ยงวงจร อาจเกิดปัญหาการต่อแบตเตอรี่ผิดขั้วทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์เสียหาย ดังนั้นเราจึงนำคุณลักษณะการนำกระแสทางเดียวของไดโอดมาป้องกันปัญหาดังกล่าวได้ โดยถ้าหากต่อแบตเตอรี่ถูกต้องไดโอดจะได้รับไบอัสตรง ทำให้มีกระแสไหลจ่ายให้วงจรทำงานตามปกติ แต่ถ้าต่อแบตเตอรี่ผิดขั้ว ไดโอดจะได้รับไบอัสกลับ ไดโอดก็จะไม่นำกระแสเสมือนสวิตไฟ ที่เปิดวงจรออก ทำให้วงจรใช้งานไม่ได้รับความเสียหาย

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

2. การแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

จากวงจร เราจะใช้หม้อแปลง แปลงแรงดันไฟสลับ 220V เป็นไฟสลับ 25 V แล้วต่อเข้าวงจรไดโอด เพื่อแปลงจากไฟสลับเป็นไฟตรง โดยในช่วงสัญญานซีกบวก จุด A จะเป็นบวกเมื่อเทียบกับจุด B ไดโอดจะได้รับการไบอัสตรง ทำให้มีกระแสไหลผ่านวงจร เกิดแรงดันตกคร่อมขึ้นที่ตัวต้านทาน และ เมื่อช่วงสัญญาณไฟสลับในซีกลบ จุด A จะมีศักดาไฟฟ้าเป็นลบ เมื่อเทียบกับจุด B ทำให้ไดโอดได้รับไบอัสกลับ จึงไม่มีการนำกระแส ทำให้ไม่มีแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน ดังนั้น แรงดันที่ตัวต้านทาน จึงมีสถานะเป็นช่วงไฟตรงที่มีช่วงบวกอย่างเดียว เราเรียกวงจรลักษณะนี้ว่า วงจรเรียงกระแส หรือ วงจรเร็กติฟาย (Rectifier) โดยการต่อใช้งานจริง จะใช้ตัวเก็บประจุแทนตัวต้านทาน เพื่อให้เก็บกำลังไฟฟ้า และเป็นแรงดันไฟตรงที่ราบเรียบ

ไดโอดชนิดต่าง ๆ

ไดโอดดีเท็คเตอร์ (Detector Diode) ไดโอดประเภทนี้จะใช้ในวงจรเครื่องรับ-ส่งวิทยุ โดยใช้เป็นตัวแยกสัญญาณวิทยุ หรือ ลดสัญญาณรบกวน

ไดโอดเร็กติฟาย (Rectifier Diode) ไดโอดประเภทนี้จะใช้ในวงจรเรียงกระแส (Rectifier) หรือวงจรแปลงไฟสลับเป็นไฟตรงนั่นเอง โดยไดโอดที่พบเห็นกันส่วนใหญ่จะเป็นไดโอดประเภทนี้

ไดโอดกำลัง (Power Diode) ไดโอดประเภทนี้จะมีลักษณะเป็นโลหะขนาดใหญ่ เพื่อช่วยในการระบายความร้อนภายในตัว ส่วนใหญ่จะใช้ในงานแหล่งจ่ายกำลัง ซึ่งมีกระแสสูง

ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode) เป็นไดโอดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ โดยจะทำงานในสภาวะไบอัสกลับ และมีคุณสมบัติในการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้า ที่ตกคร่อมตัวมัน ให้มีค่าคงที่ จึงนิยมใช้ในวงจรรักษาระดับแรงดันไฟฟ้า( Voltage Regulator)

ไดโอดเปล่งแสง (Light Emitting Diode) มักเรียกย่อว่า แอลอีดี (LED) เป็นไดโอดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษโดยเมื่อได้รับแรงดันไบอัสตรง จะเปล่งแสงออกมาได้ ซึ่งมีทั้ง สีแดง เขียว ฟ้า ส้ม เหลือง ฯลฯ ตามสารที่ใช้ทำ มักใช้ในส่วนของการแสดงผลในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เพราะกินไฟน้อยกว่าหลอดไฟมาก

ไดโอดรับแสง (Photo Diode) ไดโอดที่ออกแบบมาเพื่อปรับเปลี่ยนค่าตามความเข้มของแสงที่เข้ามา โดยจะมีลักษณะเป็นช่องหน้าต่างเล็กๆ ไว้ใช้ในการรับแสง ซึ่งอาจเป็นแสงสว่างธรรมดาหรือแสงอินฟาเรด มักใช้กับวงจรตรวจจับสัญญาณ หรือ ในวงจรควบคุมระยะไกล หรือที่เรียกว่า รีโมท

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

ข้อควรระวังในการใช้งานไดโอด

1. ในการใช้งานไบอัสตรงจะต้องมีตัวต้านทานจำกัดกระแสต่อไว้เสมอ มิฉะนั้น ไดโอดอาจจะไหม้ได้ เพราะมีกระแสสูงเกินไป โดย

ค่าของตัวต้านทานจำกัดกระแส =  แรงดันแหล่งจ่ายไฟ-แรงดันตกคร่อมไดโอด/กระแสที่ต้องการให้ไหลผ่านไดโอด

2.        การใช้งานในสภาวะไบอัสกลับจะต้องระวังไม่ให้ไดโอดได้รับแรงดันไบอัสกลับเกินกว่าค่าแรงดันไบอัสกลับสูงสุดที่ทนได้ เพราะอาจทำให้ ไดโอดระเบิดได้

3.        การใช้งานไดโอดเปล่งแสงหรือแอลอีดี จะต้องระวังไม่ให้กระแสเกินกว่า 20 mA เพราะจะทำให้แอลอีดีร้อนจัดจนเสียหายได้

4.        ไม่ควรให้แอลอีดีได้รับแรงดันไบอัสกลับ เพราะอาจทำให้เสียหายได้ทันที หากไม่ทราบขั้วแรงดันที่จะต่อ แอลอีดี ควรใช้ไดโอดป้องกัน การต่อกลับขั้วไว้ด้วย

5.        ค่าแรงดันที่ตกคร่อมแอลอีดีในสภาวะทำงานจะแตกต่างกันไปตามสารที่ใช้ทำโดยทั่วไปจะเป็นดังนี้ แอลอีดี สีแดง จะมีแรงดันตกคร่อม 1.6-2.0 โวล์ท

แอลอีดี สีส้ม                 จะมีแรงดันตกคร่อม 1.8-2.7    โวล์ท แอลอีดี สีเขียว        จะมีแรงดันตกคร่อม 2.2 – 3.0 โวล์ท แอลอีดี สีเหลือง      จะมีแรงดันตกคร่อม 2.2 – 3.0 โวล์ท แอลอีดี อินฟราเรด   จะมีแรงดันตกคร่อม 2.2 – 3.0 โวล์ท

ทรานซิสเตอร์ (Transistor)

จากคุณลักษณะของรอยต่อ PN ของสารกึ่งตัวนำ เราจึงนำมาสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า ไดโอดขึ้น โดยเรียกขั้วที่ต่อกับสาร P  ว่า อาโนด (Anode)  และเรียกขั้วที่ต่อกับสาร N ว่า คาโถด(Cathode)  โดยจะมีรูปลักษณะและสัญลักษณ์ดังรูปที่ 7.6

ทรานซิสเตอร์ (Transistor) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง ที่สร้างมาจากสารกึ่งตัวนำ 3 ชิ้น มาเชื่อมต่อกัน คือ

ชิ้นแรก เรียกว่า อิมิตเตอร์ (Emitter) ชิ้นที่สอง เรียกว่า เบส (Base) จะเป็นชิ้นสารบางๆ ชิ้นที่สาม เรียกว่า คอลเล็กเตอร์ (Collector) จะมีการเติมสารที่แตกต่างจากปกติ คือ จะมีพาหะส่วนใหญ่และ พาหะส่วนน้อยในจำนวนเท่า ๆ กัน

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

จากคุณลักษณะดังกล่าวทำให้ทราบคำตอบว่า ทำไมเราจึงไม่สามารถใช้ไดโอด 2 ตัวมาทำเป็นทรานซิสเตอร์ได้  เราสามารถสร้างทรานซิสเตอร์ได้ 2 ชนิด คือชนิด PNP และ ชนิด NPN

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

โดยสามารถใช้สัญลักษณ์แทนได้ดังรูป

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

การทำงานของทรานซิสเตอร์

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

ในที่นี้จะยกตัวอย่างทรานซิสเตอร์ชนิด NPN  เมื่อทำการให้ไบอัสแก่ทรานซิสเตอร์ โดยให้ไบอัสตรงกับรอยต่อเบส-อิมิตเตอร์ และไบอัสกลับกับรอยต่อเบส-คอลเล็กเตอร์ อิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะส่วนใหญ่ในสาร N ของอิมิเตอร์จะไหลเข้าสู่โฮลของเบส ทำให้เกิดกระแสไหลเรียกว่ากระแสเบส (IB) แต่เนื่องจากชิ้นสารกึ่งตัวนำของเบสเป็นชิ้นบาง ๆ จึงทำให้กระแสส่วนนี้มีไม่มาก ดังนั้นพาหะส่วนใหญ่คืออิเล็กตรอนที่มาจากอิมิตเตอร์ จึงไหลทะลักไปยังคอลเล็กเตอร์ เนื่องจากได้รับแรงดันไบอัส และจำนวนโฮลในคอลเล็กเตอร์ซึ่งแม้จะเป็นพาหะส่วนน้อย แต่ก็มีจำนวนมากพอ (ตามการโด๊ปสารของชิ้นสารคอลเล็กเตอร์ ดังกล่าวข้างต้น) จึงทำให้เกิดกระแสในส่วนนี้อย่างมากซึ่งเรียกว่า กระแสคอลเล็กเตอร์ (IC) โดยจะมีปริมาณมากกว่า กระแสเบสหลายเท่า

ดังนั้นจึงเสมือนว่าทรานซิสเตอร์มีความสามารถในการขยายกระแสได้ คือ เมื่อมีกระแสเบสจำนวนเล็กน้อย ก็จะทำให้เกิดกระแสคอลเล็กเตอร์ จำนวนหลายสิบหลายร้อยเท่า  ซึ่งอัตราระหว่างกระแสคอลเล็กเตอร์ กับกระแสเบสดังกล่าวเราเรียกว่า อัตราขยายกระแส

อัตราขยายกระแส = กระแสคอลเล็กเตอร์ / กระแสเบส = IC / IB

การไบอัสทรานซิสเตอร์

การจัดไบอัสในลักษณะให้ไบอัสตรงกับรอยต่อเบสอิมิตเตอร์ และให้ไบอัสกลับแก่เบส-คอลเล็กเตอร์ดังรูปที่ผ่านมา มีความยุ่งยากตรงที่ต้องมีแหล่งจ่ายไฟถึง 2 แหล่งจ่าย  ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมีการจัดไบอัสในลักษณะใช้แหล่งจ่ายแหล่งเดียว โดยมีรูปแบบที่ใช้กันดังรูป

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

แบบไบอัสคงที่ (Fixed Bias) เป็นการไบอัสโดยใช้ตัวต้านทาน Rb ค่ามากๆต่อจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าไปยังขาเบส โดยทำให้มีกระแสเบสไหล ทำให้เกิดกระแสคอลเล็กเตอร์ไหลผ่าน Rc แบบไบอัสตัวเอง (Self Bias) เป็นการต่อตัวต้านทานระหว่างขา B และ ขา  C แบบแบ่งแรงดัน (Voltage divider Bias) จะเป็นการใช้ตัวต้านทาน R1 และ R2 แบ่งแรงดันแหล่งจ่ายไฟเพื่อไบอัสให้กับรอยต่อ เบส-อิมิตเตอร์ และ เบส-คอลเล็กเตอร์  โดยส่วนใหญ่ ค่าความต้าน R1 จะมากกว่า R2 ประมาณ 10 เท่า

การจัดไบอัสให้แก่ทรานซิสเตอร์ คือการกำหนดจุดทำงานของทรานซิสเตอร์ หรืออีกนัยหนึ่งก็คือเตรียมความพร้อม เพื่อให้ทรานซิสเตอร์ทำงานนั่นเอง

การตรวจสอบทรานซิสเตอร์

1. การตรวจว่าทรานซิสเตอร์ดีหรือเสีย

จากคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ที่ว่าเมื่อมีกระแสเบสเพียงเล็กน้อย จะทำให้เกิดกระแสจำนวนมากไหลผ่านขาคอลเล็กเตอร์ เราจึงสามารถนำมาใช้ตรวจสอบทรานซิสเตอร์ว่าดีหรือเสียได้ดังนี้

ก่อนอื่นต้องทราบก่อนว่า ทรานซิสเตอร์เป็นประเภทอะไร และขาไหนเป็นขาอะไร ถ้าทรานซิสเตอร์ เป็นชนิด NPN ให้ต่อขั้วลบของมิเตอร์ไว้ที่ขาคอลเล็กเตอร์ ให้ต่อขั้วบวกไว้ที่ขาอิมิตเตอร์   แต่ถ้าเป็นชนิดPNP ให้สลับกันคือ ต่อขั้วบวกของมิเตอร์ไว้ที่ขาคอลเล็กเตอร์และต่อขั้วลบไว้ที่ขาอิมิตเตอร์ ตั้งมัลติมิเตอร์ในย่านวัดโอห์ม R X  10 ดูเข็มของมิเตอร์ว่าขึ้นหรือไม่ ถ้าขึ้นแสดงว่าอาจช๊อตหรือมีกระแสรั่วไหลสูง จากนั้นใช้นิ้วมือแตะระหว่างขาคอลเล็กเตอร์และขาเบส(แทนตัวต้านทาน Rb) สังเกตว่าเข็มขึ้นจากเดิมหรือไม่ ถ้าขึ้นแสดงว่าใช้ได้ โดยถ้าขึ้นสูงแสดงว่าอัตราขยายกระแสสูง (ในการวัดเพื่อเปรียบเทียบ อัตราการขยายกระแส ของทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ควรใช้อุปกรณ์การวัดทรานซิสเตอร์ที่ให้มากับมัลติมิเตอร์ จะช่วยให้มีความเที่ยงตรงมากยิ่งขี้น)

2. การตรวจหาขาและชนิดของทรานซิสเตอร์

ในกรณีที่ไม่ทราบชนิด และไม่ทราบขา เราจะตรวจสอบได้ดังนี้

ตั้งมัลติมิเตอร์ย่านวัดโอห์ม R X 10 ตรวจสอบหาขาเบสของทรานซิสเตอร์ โดยพิจารณาทรานซิสเตอร์ในลักษณะของไดโอดดังรูปที่ 7.17 ใช้ขาใดขาหนึ่งเป็นหลัก โดยสมมุติให้เป็นขาเบส แล้วต่อสายวัดไว้  จากนั้นใช้สายวัดอีกเส้น แตะที่ขาทั้งสองที่เหลือ ถ้ามิเตอร์ขึ้น ทั้ง 2 ครั้ง แสดงว่ามีแนวโน้มที่จะเป็นขาเบส จากนั้นให้สลับสายวัดแล้วลองทำซ้ำตามเดิมอีกครั้ง ถ้าไม่ขึ้นทั้งสองขา แสดงว่าเป็นขาเบสแน่นอน (ถ้ายังไม่ได้ให้ลองเปลี่ยนใช้ขาอื่นเป็นขาหลักแทนดูบ้าง จนกว่าจะเจอสภาพดังกล่าว คือแตะขาที่เหลือแล้วเข็มขึ้น 2 ครั้ง ไม่ขึ้น 2 ครั้ง จึงจะแสดงว่าหาขาเบสได้ ถ้าหาไม่พบแสดงว่าทรานซิสเตอร์เสีย) เมื่อหาขาเบสได้ก็จะรู้ชนิดของทรานซิสเตอร์คือ ถ้าในสภาวะขึ้นทั้ง 2 ขา ขั้วบวกของมิเตอร์ต่ออยู่กับขาเบส แสดงว่า เป็นทรานซิสเตอร์ PNP  แต่ถ้าเป็นขั้วลบต่ออยู่ที่ขาเบสตอนเข็มมิเตอร์ขึ้น 2 ครั้ง แสดงว่าเป็นชนิด NPN หลังจากหาขาเบสได้แล้วให้ลองหาขาคอลเล็กเตอร์และอิมิตเตอร์ ตามหลักการไบอัสทรานซิสเตอร์ เช่นเดียวกับวิธีหาว่าทรานซิสเตอร์ดีหรือเสีย ถ้าต่อถูกต้อง  เข็มจะขึ้นสูงเมื่อใช้นิ้วมือแตะระหว่างขา เบสและคอลเล็กเตอร์

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

การนำไปใช้งาน

เราสามารถนำทรานซิสเตอร์ไปใช้งานได้มากมายในวงจรทางอิเล็กทรอนิกส์  ไม่ว่าจะเป็นการขยายสัญญาณ  การทำหน้าที่แบบสวิตช์  ในที่นี้จะขอยกตัวอย่างการใช้งานทรานซิสเตอร์เป็นวงจร สวิตช์แสงดังรูป

เข้าสู่ระบบ/ลงทะเบียน เพื่อดูภาพขนาดเต็ม

การทำงานของวงจร คือ ในสภาวะมีแสงค่าความต้านทาน ของตัวต้านทานไวแสง(LDR) จะมีค่าต่ำมากทำให้กระแสส่วนใหญ่ไหลผ่านตัวมัน ไม่เข้าสู่ขาเบสของทรานซิสเตอร์  แต่เมื่อแสงมืดลง ค่าความต้านทานของ LDR จะมีค่าเพิ่มขึ้นจนทำให้กระแสส่วนใหญ่ไหลผ่านเบส ทำให้เกิดกระแสคอลเล็กเตอร์ และ LED จะสว่าง  ส่วนตัวต้านทานปรับค่า R2 ใช้ในการปรับความไวในการรับแสงของวงจร  ตัวต้านทาน R1 ใช้จำกัดกระแสที่ไหลผ่าน LED ไม่ให้มีค่าสูงเกินไป

ทรานซิสเตอร์ชนิดต่างๆ

ทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ มีหลายชนิด ดังนี้

ทรานซิสเตอร์สัญญาณต่ำ (Small Signal Transistor) เป็นทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก ใช้ขยายสัญญาณระดับต่ำๆ หรืองานที่การจ่ายกระแสไม่สูง ทรานซิสเตอร์กำลัง (Power Transistor) เป็นทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ ทนกระแสได้สูง มักใช้ในส่วนของภาคเอาท์พุตของวงจรขยาย หรือใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics) ทรานซิสเตอร์ชนิดทำงานความถี่สูง ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้จะถูกออกแบบมาเพื่อใช้ในวงจรขยายสัญญาณความถี่สูงๆ เช่นในเครื่องส่ง หรือ เครื่องรับวิทยุ โดยในการผลิตจะทำให้ชิ้นสารเบสให้บางมากๆ เพื่อลงค่าความจุระหว่างรอยต่อซึ่งมีผลกับความถี่ โฟโตทรานซิสเตอร์ (Photo Transister) เป็นทรานซิสเตอร์ที่มีช่องรับแสง โดยจะนำกระแสเมื่อมีแสงมากระทบ

laujhawj

ขอบคุณครับ สำหรับความรู้