ELECTRONICS I

1. ELECTRONICS I 1. ดร. ประจวบ ปวรางกูร 2. ดร. ธีรยศ เวียงทอง 3. อ. พงษ์ศักดิ์ ลิขิตธนพงษ์ 4. อ. ชิตพงษ์ นภาพันธ์ การประเมินผล อาจารย์ผู้สอน คะแนนปฏิบัติ 20 คะแนนสอบกลางภาค 30 คะแนนสอบปลายภาค 50 Lab ปฏิบัติ Lab ต่อวงจรจริง 10 Lab SPICE 10

2. บทที่ 1บทนำ บทที่ 2ฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำ บทที่ 3 ไดโอด บทที่ 4 ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ ----- Midterm ----- บทที่ 5 ทรานซิสเตอร์มอส บทที่ 6 วงจรออปแอมปเชิงเส้น บทที่ 7 วงจรออปแอมป์ไม่เชิงเส้น บทที่ 8 วงจรขยายกำลัง บทที่ 9แนะนำอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ELECTRONICS I

3. วัตถุประสงค์วิชา Electronics I, II การพัฒนาให้นักศึกษามีความเข้าใจอุปกรณ์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งวงจรอนาลอกและดิจิตอล และทั้งวงจรแบบดีสครีต และวงจรรวม (IC) เนื่องจากวิชาอิเล็กทรอนิกส์เป็นวิชาพื้นฐานร่วมของทุกภาควิชาดังนั้นเนื้อหาวิชาจะเป็นไปในลักษณะหลากหลายเพื่อให้เป็นประโยชน์กับนักศึกษาทุกภาค

4. Electronics : An Overview • วิวัฒนาการของอิเล็กทรอนิกส์ • สัญญาณไฟฟ้า • วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ • อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

5. Electronics นิยาม ศาสตร์ที่ว่าด้วยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ในสูญญากาศหรือสารกึ่งตัวนำ

6. วิศวกรรมไฟฟ้า Electrical Energy Processing (generation, distribution, etc) Processing Information in the form of electrical signals Energy VS Information

7. วิศวกรรมไฟฟ้าก่อนยุคอิเล็กทรอนิกส์วิศวกรรมไฟฟ้าก่อนยุคอิเล็กทรอนิกส์

8. Edison VS Tesla

9. ยุคของอิเล็กทรอนิกส์ 1. ยุคหลอดสูญญากาศ 2. ยุคสารกึ่งตัวนำ 2.1 ยุคของทรานซิสเตอร์ 2.2 ยุคของ IC

10. EEET0210 Electronics I หลอดสูญญากาศ: ไดโอด • ค.ศ. 1883 Edison ค้นพบปรากฏการณ์การไหลของกระแสไฟฟ้าในหลอดไฟจากไส้หลอด (filament) ที่ถูกอุ่นให้ร้อนไปยังขั้วไฟฟ้าใกล้เคียง (plate) • ค.ศ. 1904 Sir John Ambrose Fleming ได้พัฒนาอุปกรณ์หลอดสูญญากาศสองขั้ว (ไดโอด) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ยอมให้กระแสเดินได้ทางเดียว อุปกรณ์ตัวนี้สามารถนำไปใช้เป็นตัวแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง และเป็นตัวตรวจจับสัญญาณในระบบโทรเลขไร้สายได้

11. EEET0210 Electronics I หลอดสูญญากาศ: ไตรโอด ค.ศ. 1906 Lee De Forest ได้พัฒนาหลอดอุปกรณ์สูญญากาศสามขั้ว (ไตรโอด) ที่มีขา Grid เอาไว้ควบคุมการไหลของกระแสระหว่าง Plate และ Filament อุปกรณ์ตัวนี้สามารถใช้งานได้ในสองลักษณะคือ 1. ใช้ขยายสัญญาณไฟฟ้า - ใช้ในระบบสื่อสาร (wireless และ wireline) และเครื่องเสียง 2. เป็นสวิทช์ปิด-เปิด ที่ถูกควบคุมได้ - ใช้ในเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ใช้ Boolean Algebra อีกชื่อหนึ่งของหลอดสูญญากาศ (vacuum tube) คือหลอดอิเล็กตรอน (electron tube) ทำให้ต่อมามีคนเรียกอุตสาหกรรมใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างและใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวนี้ว่า ELECTRONICS

12. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยุคแรกได้ก่อให้เกิดความก้าวหน้าในอุตสาหกรรมหลายประเภท อาทิ อุตสาหกรรมวิทยุโทรทัศน์

13. และคอมพิวเตอร์ เครื่องคอมพิวเตอร์ ENIAC ประกอบด้วยหลอดสูญญากาศ 18,000 หลอด (average error-free period = 5.6 ชั่วโมง)

14. ถึงแม้หลอดสูญญากาศจะมีประโยชน์อย่างเอนกอนันต์ แต่มันก็มีข้อเสียอยู่หลายประการ กล่าวคือ ต้องใช้พลังงานสูงมากในการอุ่นไส้หลอด ต้องใช้กับแรงดันสูงในระดับเป็นร้อยเป็นพันโวลต์ และเหนืออื่นใดคือมันมีความน่าเชื่อถือต่ำและเสียง่ายมาก

15. ยุคสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง วิศวกรอังกฤษได้พัฒนาระบบ RADAR ที่มีการใช้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (Diode) ในวงจรเรียงสัญญาณ

16. ยุคของอิเล็กทรอนิกส์สารกึ่งตัวนำเริ่มต้นในปี ค.ศ. 1947 เมื่อทีมนักวิจัยด้านสารกึ่งตัวนำของ Bell Lab สามคนคือ Bardeen, Brattain และ Shockleyได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ทรานซิสเตอร์เป็นผลสำเร็จ

17. Discrete Transistor TO-3 TO-92 TO-126 TO-5 TO-18 TO-220 เราเรียกทรานซิสเตอร์ที่บรรจุอยู่ในตัวถังเดี่ยว ๆ ว่าทรานซิสเตอร์แบบดิสครีต

18. SONY TR-63 SONY TR-55 • เช่นเดียวกับหลอดสูญญากาศ เราสามารถใช้ทรานซิสเตอร์เป็นทั้งตัวขยายสัญญาณหรือ สวิตช์ควบคุม และเนื่องจากทรานซิสเตอร์มีคุณสมบัติเหนือกว่าหลอดสูญญากาศในหลายด้าน ทำให้ได้มีการนำเอาทรานซิสเตอร์ไปใช้แทนหลอดสูญญากาศ อย่างกว้างขวาง อาทิ • ระบบสื่อสาร: วิทยุทรานซิสเตอร์ที่เริ่มวางจำหนายในปี 1954 กลายเป็นสินค้าขายดีแห่งยุค • คอมพิวเตอร์: Cray พัฒนาคอมพิวเตอร์ที่สร้างจากทรานซิสเตอร์สำเร็จในปี 1958

19. ยุคแห่งวงจรรวม (Integrated Circuit: IC) ในปี ค.ศ. 1958 พัฒนาการด้านอิเล็กทรอนิกส์ได้ก้าวไปอีกขั้นเมื่อ Jack Kilby (Texas Instrument) และ Robert Noyce (Fairchild) ต่างพัฒนากรรมวิธีการสร้างวงจรรวมเป็นผลสำเร็จ ทั้งนี้ในวงจรรวมหรือ Microchip (เรียกย่อ ๆ ว่า Chip) นั้นอาจประกอบไปด้วยทรานซิสเตอร์จำนวนหลายตัวอยู่ร่วมกับอุปกรณ์อื่น ๆ เช่นไดโอด ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ

20. บิดาแห่งวงจรรวม Kilby and Noyce

21. ขั้นตอนการผลิตวงจรรวมขั้นตอนการผลิตวงจรรวม

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 จำนวนของทรานซิสเตอร์ที่ถูกบรรจุลงใน IC จะมีจำนวนมากขึ้นสองเท่าทุก ๆ 18 เดือน ไมโครโปรเซสเซอร์ ปี จำนวนทรานซิสเตอร์ Integration Level 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: การเพิ่มจำนวนอุปกรณ์ใน DRAM จะสูงกว่าในไมโครโปรเซสเซอร์อีก

24. ANALOG VS DIGITAL Continuous-Time Analog Sampling Discrete-Time Analog Quantizing Digital 2-level (binary)Digital

25. วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์

26. การเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ลงบนแผ่นพิมพ์วงจรการเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ลงบนแผ่นพิมพ์วงจร (Printed Circuit Board :PCB)

27. อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ วงจร ระบบ • สื่อสาร • คอมพิวเตอร์ • ควบคุม • เครื่องมือวัด • Power Management • เครื่องใช้อิเล็กฯ • Hobby elec. • IT-related • ฯลฯ หลอดสูญ- ญากาศ สารกึ่งตัวนำ • อนาลอก • วงจรขยาย • วงจรบวก/ลบสัญญาณ • วงจรกรอง • วงจรกำเนิดสัญญาณ • วงมอดูเลต/ดีมอดดูเลต • วงจรแปลง A-D, D-A • วงจรขับกระแส • ฯลฯ • ดิจิตอล • วงจรตรรกะดิจิตอลพื้นฐาน (CMOS, TTL, ECL…) • Combinational logic • ฟลิปฟลอป • หน่วยความจำ • Adder • DSP • ฯลฯ ไดโอด ทรานซิสเตอร์ Optoelec Thyristor Sensors • Bipolar • Si-BJT • GaAs-HBT • SiGe-HBT • FET • Si-CMOS, JFET • GaAs-MESFET • SiGe-MOSFET

28. บทที่ 2 ทฤษฎีสารกึ่งตัวนำ 2.1 สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ 2.2 การเคลื่อนที่ของประจุบวก : โฮล 2.3 กระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ 2.4 สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ 2.5 รอยต่อ PN 2.6 รอยต่อ PN เมื่อถูกไบอัสไปข้างหน้า

29. สารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ (Intrinsic Semiconductor) โครงสร้างของอะตอมซิลิกอน (q = 1.6e-19 คูลอมบ์)

30. โครงสร้างผลึกของซิลิกอนโครงสร้างผลึกของซิลิกอน

31. โครงสร้างของผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์โครงสร้างของผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์ (a) เมื่อไม่ได้รับพลังงานจากภายนอกเลย (b) เมื่อได้รับพลังงานจากภายนอกและ เกิดการอิออไนซ์

32. การเคลื่อนที่ของ free electronไปในทิศทางเดียวกันทำให้เกิดการไหลของกระแส • ความนำ (และความต้านทาน)ไฟฟ้า ของสารใด ๆ จะขึ้นอยู่กับความหนาแน่น(concentration) ของ free electron ในสารนั้น • ที่อุณหภูมิห้อง(~ 300K) โลหะมีความหนาแน่นของ free electron ~1023 ตัว/cm3.ทำให้มีสภาพความต้านทาน (resistivity) ของโลหะจะอยู่ราว ๆ 10-5Wcm. • ฉนวนเช่น Quartz (SiO2) ในอุณหภูมิห้องนั้นแทบจะไม่มี free electron อยู่เลย ทำให้ resistivity ของควอร์ทซ์ >1016Wcm. • ความหนาแน่นของ free electron ในสารกึ่งตัวนำเช่น Si นั้นมีค่า ~1.5x1010 cm-3 (ที่อุณหภูมิห้องจะมีอะตอมของซิลิกอนถูก ionize อยู่ 3 ต่อ 1013 อะตอมเท่านั้น!) ทำให้สภาพความต้านทานของซิลิกอนผลึกมีค่าประมาณ 2x105W cm.

33. เราสามารถแบ่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำได้เป็นสองลักษณะดังนี้เราสามารถแบ่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสารกึ่งตัวนำได้เป็นสองลักษณะดังนี้ • 1.การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระไปรอบ ๆ ผลึก--> การเคลื่อนที่ของประจุลบในทิศทางนั้น • 2.การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนข้ามพันธะ--> การเคลื่อนที่ของประจุบวกในทิศทางตรงกันข้าม

34. Introducing “Holes” • เพื่อความสะดวกเรามองการเคลื่อนที่ของประจุบวกดังกล่าวให้เป็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคอิสระที่มีประจุเป็นบวก ผ่านโครงสร้างผลึกที่สมบูรณ์ • โดยเราจะเรียกอนุภาคดังกล่าวนี้ว่า hole

35. ดังนั้นเราจะนิยามโฮลว่าคืออนุภาคอิสระที่มีประจุเท่ากับ +q และเป็นเสมือนคู่ของอิเล็กตรอนอิสระ • คู่ประจุอิสระโฮล-อิเล็กตรอนอิสระนี้จะถูกสร้างขึ้นพร้อมกันจากการอิออไนซ์ทางความร้อน (thermal ionization)

36. เราเรียกอนุภาคอิสระอย่าง free electron และ hole ว่าพาหะ (carrier) เนื่องจากอนุภาคอิสระทั้งสองตัวนี้เปรียบเสมือนพาหะที่นำพาประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปมาได้ • ในบางครั้ง free electron และ hole อาจจะเคลื่อนที่มาเจอกันทำให้ทั้งคู่นั้นหายไป เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าขบวนการรวมตัว (recombination) • ในสภาวะ thermal equilibrium อัตราการเกิดและการรวมตัวของคู่ free electron และ hole จะเท่ากันพอดี • ถ้าให้ nคือ free electron concentration และ pคือ hole concentration ในสภาวะสมดุลทางความร้อน n = p = ni โดย niคือ intrinsic carrier concentration ซึ่งมีค่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและชนิดของสาร • ในกรณีของผลึกซิลิกอนบริสุทธิ์ที่อยู่ในอุณหภูมิห้อง ni = 1.5 x1010 cm-3

37. กระแสในสารกึ่งตัวนำ • กระแสเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุ ดังนั้นกระแสในผลึกซิลิกอน บริสุทธิ์อาจเกิดได้ทั้งจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคอิสระทั้งสองชนิดคือ free electron หรือ hole • electron เป็นอนุภาคที่มีประจุเป็นลบ การเคลื่อนที่ของ electron จะทำให้เกิดกระแสไหลในทิศทางตรงกันข้าม •  hole เป็นอนุภาคสมมุติที่มีประจุเป็นบวก ดังนั้นทิศทางการเคลื่อนที่ของโฮลจะเป็นไปในทิศทางเดียวกันกับกระแส • การเคลื่อนที่ของพาหะในผลึกซิลิกอนสามารถเกิดขึ้นได้สองวิธีคือ •  เกิดจากการแพร่ (diffusion) •  เกิดจากการเลื่อน (drift)

39. สารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์ (doped/extrinsic semiconductor) • เราสามารถเพิ่มสภาพการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำได้โดยการแพร่ (dope) สารเจือลงไปในสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ โดยจะเรียกสารกึ่งตัวนำประเภทนี้ว่าสารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ • สามารถแบ่งสารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ได้เป็นสองประเภทคือ • สารกึ่งตัวนำชนิด n ที่มีสารเจือเป็นธาตุหมู่ V (เช่น Phosphorous, Arsenic) • สารกึ่งตัวนำชนิด p ที่มีสารเจือเป็นธาตุหมู่ III (เช่น Boron, Gallium, Indium)

40. n-type semiconductor • ผลึกของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ถูกแพร่ด้วยสารเจือหมู่ V ทำให้เกิด free electron ดังนั้นถ้าไม่นับ free electron ที่เกิดจาก thermal ionization แล้ว จำนวน free electron ภายในสารกึ่งตัวนำชนิด n จะเท่ากับจำนวนอะตอมของสารเจือที่แพร่ลงไป • เราเรียก free electronในสารกึ่งตัวนำชนิด n นี้ว่าพาหะส่วนใหญ่ (majority carrier) และอะตอมของสารเจือหมู่ V ว่าอะตอมผู้ให้ (donor atom)

41. p-type semiconductor +4 q +4 q +4 q +4 q +4 q +4 q อิออน+ +4 q +3 q +4 q (ชั่วคราว) +4 q +3 q +4 q อิออน- +4 q +4 q +4 q +4 q +4 q +4 q โฮล • ถ้าไม่นับ hole ที่เกิดจาก thermal ionization จำนวน hole ภายในสารกึ่งตัวนำชนิด pจะเท่ากับจำนวน อะตอมของสารเจือที่แพร่ลงไป • hole คือ majority carrier ของ P-type semi • เราเรียกอะตอมของสารเจือหมู่ III ว่าอะตอมผู้รับ (acceptor atom) อิออน- (c)

42. ประจุรวม (net charge) ของทั้งสารกึ่งตัวนำชนิด 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 • เราเรียก ion+ และ ion- ของอะตอมสารเจือในสารกึ่งตัวนำว่าประจุไฟฟ้าสถิตย์ (bound charge หรือ fixed charge)

43. สารกึ่งตัวนำชนิด N สารกึ่งตัวนำชนิด P

44. การบ้านครั้งที่ 1 • แบบฝึกหัดที่ 1 ข้อ 1 ถึง 6 • แบบฝึกหัดที่ 2 ข้อ 1 ถึง 10