ไดโอดเทียบกับสัญลักษณ์ของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ (บนสุด) โดยแคบสีดำแสดงฝั่งที่เป็นขั้วแคโทด

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

กราฟคุณสมบัติเฉพาะของกระแสและแรงดันของรอยต่อ p-n ของไดโอด

สมการของไดโอดชอทท์กี้ (Schottky Diode)

สมการของไดโอดชอทท์กี้ในอุดมคติหรือกฎของไดโอด (ชื่อชอทท์กี้ได้มาจากวิลเลียม เบรดฟอร์ด ชอทท์กี้ ผู้ร่วมประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ "ไม่ใช่"วัลเตอร์ เฮอร์มานน์ ชอทท์กี้ ผู้ประดิษฐ์เทโทรด) ได้ให้สมการที่แสดงถึงกราฟคุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดันเอาไว้ว่า

I = I S ( e V D / ( n V T ) − 1 ) , {\displaystyle I=I_{\mathrm {S} }\left(e^{V_{\mathrm {D} }/(nV_{\mathrm {T} })}-1\right),\,}

เมื่อ

I คือกระแสที่ไหลผ่านไดโอดIS คือกระแสอิ่มตัวเมื่อทำการไบอัสกลับVD คือแรงดันที่ตกคร่อมไดโอดVT คือค่าความต่างศักย์อันเนื่องมาจากความร้อนn คือค่าตัวประกอบอุดมคติ (ideaity factor) หรือค่าตัวประกอบคุณภาพ (quality factor) หรือสัมประสิทธิ์การส่งผ่าน (emission coefficient) ทั้งนี้ค่าตัวประกอบอุดมคติมีค่าอยู่ที่ 1 ถึง 2 ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตและวัสดุที่นำมาใช้เป็นสารกึ่งตัวนำ ในหลายกรณีสามารถประมาณค่าเท่ากับ 1 ได้ (ดังนั้นค่า n จึงอาจถูกละไว้)

ค่าความต่างศักย์อันเนื่องมาจากความร้อน (thermal voltage) VT มีค่าประมาณ 25.85 mV ที่อุณหภูมิ 300 K ซึ่งเป็นอุณหภูมิห้องปฏบัติการณ์ แต่เราก็สามารถหาค่าดังกล่าวเมื่ออุณหภูมิอื่น ๆ ได้ จากสูตร:

V T = k T q , {\displaystyle V_{\mathrm {T} }={\frac {kT}{q}}\,,}

เมื่อ

k คือค่าคงที่ของโบลต์ซมานน์ มีค่าเท่ากับ 1.3806503×10−23 J K−1T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ที่รอบต่อ p-nq คือประจุของอิเล็กตรอน มีค่าเท่ากับ 1.602176487×10−19 C

สมการของไดโอดชอทท์กี้ในอุดมคติหรือกฎของไดโอดนั้นเกิดมาจากการอ้างสมมติฐานของกระบวนการเกิดการกระแสไฟฟ้าในไดโอดว่า (เนื่องจากสนามไฟฟ้า) เป็นการลอยผ่าน, การแพร่, และการรวมความร้อนอีกครั้ง (thermal recombination-generation) นอกจากนี้ยังสันนิษฐานว่ากระแสจากการรวมตัวอีกครั้ง (recombination-generation: R-G) ในเขตปลอดพาหะไม่มีนัยสำคัญใด ๆ นั่นหมายความว่าสมการของไดโอดชอทท์กี้ไม่ต้องคำนวณผลของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการพังทลายเมื่อกระแสย้อนกลับและโฟตอนที่ช่วยให้เกิด R-G

พฤติกรรมของสัญญาณขนาดเล็ก

ในการออกแบบวงจร แบบจำลองของสัญญาณขนาดเล็กจากพฤติกรรมของไดโอดถูกนำมาใช้งานอยู่บ่อยครั้ง

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

ความต้านทาน

เมื่อใช้สมการชอทท์กี้ไดโอด ค่าความต้านสัญญาณขนาดเล็ก ( r D {\displaystyle r_{D}} ) ของไดโอดสามารถเข้ามาเกี่ยวกับจุดปฏบัติการณ์ (Q-point) ที่กระแสไบอัสกระแสตรง ( I Q {\displaystyle I_{Q}} ) และแรงดันใช้งานที่จุดปฏิบัติการณ์ ( V Q {\displaystyle V_{Q}} ) [9] แรกเริ่มเดิมทีค่าความนำสัญญาณขนาดเล็ก ( g D {\displaystyle g_{D}} ) ถูกตั้งขึ้น นั่นคือประจุไฟฟ้าในกระแสไฟฟ้าที่ไหลในไดโอดที่เกิดมาจากการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ของแรงดันที่ตกคร่อมไดโอดหารด้วยแรงดันตกคร่อมไดโอดนั้น ดังสมการ

g D = d I d V | Q = I 0 V T e V Q / V T ≈ I Q V T {\displaystyle g_{D}={\frac {dI}{dV}}{\Big |}_{Q}={\frac {I_{0}}{V_{T}}}e^{V_{Q}/V_{T}}\approx {\frac {I_{Q}}{V_{T}}}}

การประมาณค่าเกิดมาจากการอนุมานว่ากระแสไบอัส I Q {\displaystyle I_{Q}} นั้นมากพอที่จะทำให้ค่าตัวประกอบ (factor) ของส่วนที่ละเลยได้จากสมการชอทท์กี้มีค่าเท่า 1 โดยการประมาณนี้มีความถูกต้องแม้แรงดันจะมีค่าต่ำ เพราะแรงดันอันเนื่องมาจากความร้อน (thermal voltage) V T ≈ 26 m V {\displaystyle V_{T}\approx 26\,\mathrm {mV} } ที่อุณหภูมิ 300 เคลวิน (27 องศาเซลเซียส) ดังนั้น V Q / V T {\displaystyle V_{Q}/V_{T}} มีแนวโน้มมากขึ้น หมายความว่าตัวชี้กำลังมีค่าสูงมาก

แต่ไม่ใช่กับค่าความต้านทานสัญญาณขนาดเล็ก r D {\displaystyle r_{D}} ซึ่งเป็นส่วนกลับของค่าความนำสัญญาณขนาดเล็ก ค่าความต้านทานสัญญาณขนาดเล็กไม่ขึ้นอยู่กับไฟฟ้ากระแสสลับ แต่จะขึ้นอยู่กับไฟฟ้ากระแสตรงเท่านั้น ดังสมการ

r D = V T I Q {\displaystyle r_{D}={\frac {V_{T}}{I_{Q}}}}

ความเก็บประจุ

ประจุไฟฟ้าจะนำพากระแสไฟฟ้า I Q {\displaystyle I_{Q}} ตามสูตร

Q = I Q τ F + Q J {\displaystyle Q=I_{Q}\tau _{F}+Q_{J}}

เมื่อ τ F {\displaystyle \tau _{F}} คือเวลาที่ประจุเคลื่อนที่ไป:[9] ส่วนแรกตือประจุที่เคลื่อนที่ผ่านไดโอดแล้วเกิดกระแส I Q {\displaystyle I_{Q}} ไหลผ่านไดโอด ที่ ส่วนที่สองคือประจุที่เก็บสะสมอยู่ที่รอยต่อ p-n จึงมีคุณลักษณะคล้ายกับตัวต้านทานง่าย ๆ มีคู่ขั้วทางไฟฟ้าที่มีประจุตรงข้ามกัน ประจุนั้นถูกกักเก็บที่ไดโอดอาศัยแค่แรงดันที่ตกคร่อมตัวมันเพียงแค่นั้น โดยไม่คำนึงถึงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน

การหาค่าความเก็บประจุของไดโอด C D {\displaystyle C_{D}} หาได้จากสมการ

C D = d Q d V Q = d I Q d V Q τ F + d Q J d V Q ≈ I Q V T τ F + C J {\displaystyle C_{D}={\frac {dQ}{dV_{Q}}}={\frac {dI_{Q}}{dV_{Q}}}\tau _{F}+{\frac {dQ_{J}}{dV_{Q}}}\approx {\frac {I_{Q}}{V_{T}}}\tau _{F}+C_{J}}

เมื่อ C J = d Q J d V Q {\displaystyle C_{J}={\begin{matrix}{\frac {dQ_{J}}{dV_{Q}}}\end{matrix}}} คือค่าความเก็บประจุที่รอยต่อ p-n โดยประจุในส่วนแรกเรียกว่า ค่าความเก็บประจุแพร่ (diffision capacitance) เพราะเกี่ยวข้องกับกระแสที่แพร่ตรงรอยต่อของไดโอด

การฟื้นตัวกลับ

ช่วงท้ายของการไบอัสตรงของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ จะเกิดกระแสไหลไฟฟ้าที่ไหลย้อนกลับในช่วงระยะเวลาสั้น ๆ ตัวอุปกรณ์จะยังไม่สามารถป้องกันกระแสไหลย้อนกลับได้เต็มที่จนกระทั่งกระแสที่เกิดไหลย้อนกลับนั้นได้สิ้นสุดลง

ผลกระทบที่เกิดขึ้นนั้นมีความสลักสำคัญเมื่อมีการสวิตชิ่ง (switching) ของกระแสที่สูงและรวดเร็วมาก (di/dt มีค่า 100 A/µs หรือมากกว่านั้น) [10] ค่าที่แน่นอนของ "เวลาฟื้นตัวกลับ (reverse recovery time) " t r {\displaystyle t_{r}} (อยู่ในช่วงเวลาเป็นนาโนวินาที) อาจจะเคลื่อนย้าย "ประจุฟื้นตัวกลับ (reverse recovery charge) " Q r {\displaystyle Q_{r}} (อยู่ในช่วงนาโนคูลอมป์) ออกจากไดโอด ในระยะเวลาระหว่างฟื้นตัวนี้ไดโอดจะสามารถทำงานในทิศทางตรงข้ามได้ แน่นอนว่าในความเป็นจริงผลกระทบนี้มีความสำคัญในการพิจารณาความสูญเสียที่เกิดขึ้นอันเนื่องมาจากไดโอดไม่เป็นอุดมคติ[11] อย่างไรก็ตามอัตราการแกว่ง (slew rate) ของกระแสไฟฟ้านั้นรุนแรงมาก (di/dt มีค่า 10 A/µs หรือนอ้ยกว่านั้น) ผลกระทบนี้ยังอยู่ในเกณฑ์ที่ปลอดภัยจึงละเลยไว้ได้[12] ในการใช้งานไดโอดส่วนใหญ่จึงไม่มีผลกระทบที่สำคัญมากนัก

กรณีที่กระแสไหลย้อนกลับอย่างฉับพลันเมื่อประจุไฟฟ้าที่ถูกเก็บสะสมปลอดพาหะแล้วจะนำไปใช้ประโยชน์ในขั้นตอนการฟื้นตัวของไดโอดสำหรับกำเนิดสัญญาณพัลส์สั้นโดยเฉพาะ