012. ELECTRONICS I
บทที่ 1 บทนา
บทที่ 2 ฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนา
บทที่ 3 ไดโอด
บทที่ 4 ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์
----- Midterm -----
บทที่ 5 ทรานซิสเตอร์มอส
บทที่ 6 วงจรออปแอมปเชิงเส้น
บทที่ 7 วงจรออปแอมป์ ไม่เชิงเส้น
บทที่ 8 วงจรขยายกาลัง
บทที่ 9 แนะนาอิเล็กทรอนิกส์กาลัง
3. วัตถุประสงค์วิชา Electronics I, II
การพัฒนาให้นักศึกษามีความเข้าใจอุปกรณ์และวงจร
อิเล็กทรอนิกส์ทั้งวงจรอนาลอกและดิจิตอล และทั้งวงจรแบบ
ดีสครีต และวงจรรวม (IC)
เนื่องจากวิชาอิเล็กทรอนิกส์เป็นวิชาพื้นฐานร่วมของทุกภาควิชา
ดังนั้นเนื้อหาวิชาจะเป็นไปในลักษณะหลากหลายเพื่อให้เป็น
ประโยชน์กับนักศึกษาทุกภาค
4. Electronics : An Overview
วิวัฒนาการของอิเล็กทรอนิกส์
สัญญาณไฟฟ้ า
วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์
อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
7. วิศวกรรมไฟฟ้ าก่อนยุคอิเล็กทรอนิกส์
ด้านการแปลงผันพลังงานไฟฟ้ ากล
(electro-mechanicalconversion)
ด้านการสื่อสาร
(communication)
การใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้ าตั้งแต่ปี 1837
การพัฒนาเครื่องกาเนิดไฟฟ้ าในประเทศอิตาลี เยอรมัน
สหรัฐอเมริกาเบลเยียม และฝรั่งเศส
การประดิษฐ์หลอดไฟโดยเอดิสันและสวอนในปี 1879
สถานีไฟฟ้ าเพื่อการพาณิชย์สถานีแรกได้ถูกสร้างขึ้น
โดยเอดิสันในปี 1881
การพัฒนาระบบจ่ายไฟสลับแบบสามเฟสของเวสติง
เฮาส์และเทสลาในปี 1887
การพัฒนาระบบโทรเลขในอังกฤษโดยวีตสโตนใน
ปี 1837 และในสหรัฐอเมริกาโดยมอร์สในปี 1844
(ถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของการสื่อสารดิจิตอล ซึ่ง
มีมาก่อนการสื่อสารแบบอนาล็อกเสียอีก !)
การพัฒนาระบบโทรศัพท์โดย เบลในปี 1876
การพัฒนาระบบโทรเลขไร้สายโดยมาร์โคนี
การพัฒนาทฤษฎีสายส่ง (transmission line) โดย
เฮฟวิไซด์ในปี 1887
10. หลอดสูญญากาศ: ไดโอด
•ค.ศ. 1883 Edison ค้นพบปรากฏการณ์การไหลของกระแสไฟฟ้าในหลอดไฟจากไส้
หลอด (filament) ที่ถูกอุ่นให้ร้อนไปยังขั้วไฟฟ้าใกล้เคียง (plate)
•ค.ศ. 1904 Sir John Ambrose Fleming ได้พัฒนาอุปกรณ์หลอดสูญญากาศสองขั้ว
(ไดโอด) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ยอมให้กระแสเดินได้ทางเดียว อุปกรณ์ตัวนี้สามารถ
นาไปใช้เป็นตัวแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง และเป็นตัวตรวจจับสัญญาณในระบบโทร
เลขไร้สายได้
Edison's Effect
EEET0210 Electronics I
11. 1. ใช้ขยายสัญญาณไฟฟ้า - ใช้ในระบบสื่อสาร (wireless และ wireline) และเครื่องเสียง
2. เป็นสวิทช์ปิด-เปิด ที่ถูกควบคุมได้- ใช้ในเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ใช้ Boolean Algebra
อีกชื่อหนึ่งของหลอดสูญญากาศ (vacuum tube) คือหลอดอิเล็กตรอน (electrontube) ทาให้ต่อมามี
คนเรียกอุตสาหกรรมใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างและใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวนี้ว่า ELECTRONICS
Grid
Plate
Filament
หลอดสูญญากาศ: ไตรโอด
ค.ศ. 1906 Lee De Forest ได้พัฒนาหลอด
อุปกรณ์สูญญากาศสามขั้ว (ไตรโอด) ที่มี
ขา Grid เอาไว้ควบคุมการไหลของกระแส
ระหว่าง Plate และ Filament
อุปกรณ์ตัวนี้สามารถใช้งานได้ในสอง
ลักษณะคือ
EEET0210 Electronics I
19. ยุคแห่งวงจรรวม
(Integrated Circuit: IC)
ในปี ค.ศ. 1958 พัฒนาการด้านอิเล็กทรอนิกส์ได้ก้าวไปอีกขั้นเมื่อ Jack Kilby (Texas
Instrument) และ Robert Noyce (Fairchild) ต่างพัฒนากรรมวิธีการสร้างวงจรรวมเป็น
ผลสาเร็จ
ทั้งนี้ในวงจรรวมหรือ Microchip (เรียกย่อ ๆ ว่า Chip) นั้นอาจประกอบไปด้วย
ทรานซิสเตอร์จานวนหลายตัวอยู่ร่วมกับอุปกรณ์อื่น ๆ เช่นไดโอด ตัวต้านทาน และตัว
เก็บประจุ
22. Integrated Circuits : Level of Integration
Scale of Integration Number of devices
Zero Scale Integration (ZSI) 1
Small Scale Integration (SSI) 2-30
Medium Scale Integration (MSI) 30-103
Large Scale Integration (LSI) 103-105
Very Large Scale Integration (VLSI) 105-107
Ultra Large Scale Integration (ULSI) 107-109
Giga- Scale Integration (GSI) 109-1011
Tera- Scale Integration (TSI) 1011-1013
23. Moore’s Law
จานวนของทรานซิสเตอร์ที่ถูกบรรจุลงใน IC จะมีจานวนมากขึ้นสองเท่าทุก ๆ 18 เดือน
ไมโครโปรเซสเซอร์ ปี จานวนทรานซิสเตอร์ IntegrationLevel
4004 1971 2,250 LSI
8008 1972 3,500 LSI
8080 1974 5,000 LSI
8086 1978 29,000 LSI
286 1982 120,000 VLSI
386™ 1985 275,000 VLSI
486™ DX 1989 1,180,000 VLSI
Pentium® 1993 3,100,000 VLSI
Pentium II 1997 7,500,000 VLSI
Pentium III 1999 24,000,000 ULSI
Pentium 4 2000 42,000,000 ULSI
หมายเหตุ: การเพิ่มจานวนอุปกรณ์ใน DRAM จะสูงกว่าในไมโครโปรเซสเซอร์อีก
28. บทที่ 2 ทฤษฎีสารกึ่งตัวนา
2.1 สารกึ่งตัวนาบริสุทธิ์
2.2 การเคลื่อนที่ของประจุบวก : โฮล
2.3 กระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนา
2.4 สารกึ่งตัวนาไม่บริสุทธิ์
2.5 รอยต่อ PN
2.6 รอยต่อ PN เมื่อถูกไบอัสไปข้างหน้า
31. +4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
อิเล็กตรอนอิสระ
ion+
(a) (b)
ช่องว่าง
(a) เมื่อไม่ได้รับพลังงานจากภายนอกเลย (b) เมื่อได้รับพลังงานจากภายนอกและ
เกิดการอิออไนซ์
โครงสร้างของผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์
32. •การเคลื่อนที่ของ free electronไปในทิศทางเดียวกันทาให้เกิดการไหลของกระแส
•ความนา (และความต้านทาน)ไฟฟ้า ของสารใด ๆ จะขึ้นอยู่กับความหนาแน่น
(concentration) ของ free electron ในสารนั้น
• ที่อุณหภูมิห้อง(~ 300K) โลหะมีความหนาแน่นของ free electron ~1023 ตัว/cm3.ทาให้
มีสภาพความต้านทาน (resistivity) ของโลหะจะอยู่ราว ๆ 10-5W cm.
• ฉนวนเช่น Quartz (SiO2) ในอุณหภูมิห้องนั้นแทบจะไม่มี free electron อยู่เลย ทาให้
resistivity ของ ควอร์ทซ์ > 1016 Wcm.
• ความหนาแน่นของ free electron ในสารกึ่งตัวนาเช่น Si นั้นมีค่า ~1.5x1010 cm-3 (ที่
อุณหภูมิห้องจะมีอะตอมของซิลิกอนถูก ionize อยู่ 3 ต่อ 1013 อะตอมเท่านั้น!) ทาให้
สภาพความต้านทานของซิลิกอนผลึกมีค่าประมาณ 2x105W cm.
33. +4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
อะตอม A
(อิออน+)
อะตอม Bอะตอม C อะตอม A
(อิออน+)
อะตอม Bอะตอม C อะตอม A
(อิออน+)
อะตอม Bอะตอม C
เราสามารถแบ่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนาได้เป็นสองลักษณะดังนี้
1.การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระไปรอบ ๆ ผลึก --> การเคลื่อนที่ของประจุลบใน
ทิศทางนั้น
2.การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนข้ามพันธะ --> การเคลื่อนที่ของประจุบวกในทิศทาง
ตรงกันข้าม
34. +4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
hole hole hole
Introducing “Holes”
เพื่อความสะดวกเรามองการเคลื่อนที่ของประจุบวกดังกล่าวให้เป็นการ
เคลื่อนที่ของอนุภาคอิสระที่มีประจุเป็นบวก ผ่านโครงสร้างผลึกที่สมบูรณ์
โดยเราจะเรียกอนุภาคดังกล่าวนี้ว่า hole
35. +4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
อิเล็กตรอนอิสระ
ion+
ช่องว่าง
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
อิเล็กตรอนอิสระ
โฮล
ดังนั้นเราจะนิยามโฮลว่าคืออนุภาคอิสระที่มี
ประจุเท่ากับ +q และเป็นเสมือนคู่ของ
อิเล็กตรอนอิสระ
คู่ประจุอิสระโฮล-อิเล็กตรอนอิสระนี้จะถูก
สร้างขึ้นพร้อมกันจากการอิออไนซ์ทาง
ความร้อน (thermal ionization)
36. เราเรียกอนุภาคอิสระอย่าง free electron และ hole ว่าพาหะ (carrier)
เนื่องจากอนุภาคอิสระทั้งสองตัวนี้เปรียบเสมือนพาหะที่นาพาประจุไฟฟ้า
เคลื่อนที่ไปมาได้
ในบางครั้ง free electron และ hole อาจจะเคลื่อนที่มาเจอกันทาให้ทั้งคู่
นั้นหายไป เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าขบวนการรวมตัว (recombination)
ในสภาวะ thermal equilibrium อัตราการเกิดและการรวมตัวของคู่ free
electron และ hole จะเท่ากันพอดี
ถ้าให้ n คือ free electron concentration และ p คือ hole concentration ใน
สภาวะสมดุลทางความร้อน n = p = ni โดย ni คือ intrinsic carrier
concentration ซึ่งมีค่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและชนิดของสาร
ในกรณีของผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์ที่อยู่ในอุณหภูมิห้อง ni = 1.5 x1010 cm-3
40. +5q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+
+
(a) (b)
ผลึกของสารกึ่งตัวนาบริสุทธิ์ถูกแพร่ด้วยสารเจือหมู่ V ทาให้เกิด free electron ดังนั้น
ถ้าไม่นับ free electron ที่เกิดจาก thermal ionization แล้ว จานวน free electron ภายใน
สารกึ่งตัวนาชนิด n จะเท่ากับจานวนอะตอมของสารเจือที่แพร่ลงไป
เราเรียก free electronในสารกึ่งตัวนาชนิด n นี้ว่าพาหะส่วนใหญ่ (majority carrier)
และอะตอมของสารเจือหมู่ V ว่าอะตอมผู้ให้ (donor atom)
n-type semiconductor
41. p-type semiconductor
+3q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
+3q +4q+4q
+4q +4q+4q
+4q +4q+4q
อิออน+
(ชั่วคราว)
อิออน-
อิออน-
โฮล
(c)
• ถ้าไม่นับ hole ที่เกิดจาก thermal ionization จานวน
hole ภายในสารกึ่งตัวนาชนิด p จะเท่ากับจานวน
อะตอมของสารเจือที่แพร่ลงไป
• hole คือ majority carrier ของ P-type semi
•เราเรียกอะตอมของสารเจือหมู่ III ว่าอะตอมผู้รับ
(acceptoratom)
42. ประจุรวม (net charge) ของทั้งสารกึ่งตัวนาชนิด P และชนิด N มีค่าเท่ากับศูนย์
ใน p-type semi ประจุของ hole จะถูกหักล้างด้วยประจุของ ion- ของ donor atom
ใน n-type semi ประจุของ free electron จะถูกหักล้างด้วยประจุของ ion+ ของ
acceptor atom
ชนิดของสารกึ่งตัวนา ชนิด p ชนิด n
พาหะส่วนมาก(majority carrier) โฮล อิเล็กตรอนอิสระ
พาหะส่วนน้อย(minority carrier) อิเล็กตรอนอิสระ โฮล
ประจุไฟฟ้ าสถิตย์ (bound charge) ประจุลบของสารเจือผู้รับ ประจุบวกของสารเจือผู้ให้
เราเรียก ion+ และ ion- ของอะตอมสารเจือในสารกึ่งตัวนา
ว่าประจุไฟฟ้าสถิตย์ (bound charge หรือ fixed charge)