دیود

دیود (به انگلیسی: Diode)‏، (نام‌های دیگر:دوقطبی الکتریکی، یکسوساز) قطعه‌ای است الکترونیکی دو سر است که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌دهد (در این حالت مقاومت دیود ایده آل صفر است) و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بسیار بالایی (در حد بینهایت) نشان می‌دهد. این خاصیت دیود باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه هم اطلاق شود. در حال حاضر رایج ترین نوع دیود از بلور مواد نیمه رسانا ساخته می‌شود. لوله های خلا که اولین دیودها بودند امروزه فقط در تکنولوژی هایی که در ولتاژ بالا کار می‌کنند استفاده می‌شوند.

مهمترین کاربرد دیود عبور دادن جریان در یک جهت (به انگلیسی: diode's forward direction)‏ و ممانعت در برابر عبور جریان در جهت مخالف (به انگلیسی: reverse direction)‏ است. در نتیجه می‌توان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یک طرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.

از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی جریان را از خود عبور می‌دهد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop ) نامیده می‌شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت است (برای دیودهای سیلیکون). اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می‌کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی‌کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر است. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تأثیری در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. هرچه جنس کریستال به کار رفته در ساخت دیود از نظر ساختار منظم تر باشد، دیود مرغوبتر و جریان نشتی کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیود های با تکنولوژی جدید عملا به صفر میل می‌کند. اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می‌سوزد (کریستال ذوب می‌شود) و جریان را در جهت معکوس هم عبور می‌دهد. به این ولتاژ آستانه شکست دیود گفته می‌شود.

ولتاژ شکست معکوس دیود[ویرایش]

چنان چه ولتاژ معکوس دیود را تا حد مشخصی افزایش دهیم جریان معکوس دیود به طور ناگهانی شروع به افزایش سریع می‌نماید.پدیده ای که در این حالت رخ می‌دهد را پدیده شکست و ولتاژی که در آن این پدیده آغاز می‌شود را ولتاژ شکست معکوس دیود گویند و با VBR نمایش می‌دهند.ولتاژ شکست دیود به ساختمان پیوند P-NN و غلظت ناخالصی آن به نحو نسبتاً شناخته شده ای بستگی دارد؛شکست دیود می‌تواند حاصل یکی از دو پدیده ی ضرب بهمنی و شکست زنر است. احتمال وقوع پدیده ی ضرب بهمنی در دیودهای سیلیکنی که ولتاژشکست آنها بیش از 6ولت است بیشتر است.در حالی که شکست زنر به صورت پدیده ی غالب،تنها در دیودهایی با ولتاز شکست کمتر از 6ولت یافت می‌شود.

پدیده شکست ضرب بهمنی[ویرایش]

می دانیم که در بایاس معکوس پیوند P-N، با ازدیاد ولتاژ معکوس دیود عرض ناحیه ی تهی بیشتر می‌شود و همچنین شدت میدان الکتریکی در این ناحیه افزایش می‌یابد.در این حالت حامل های اقلیت در واقع در سراشیبی سد پتانسیل ناشی از پتانسیل داخلی و ولتاژ معکوس اعمال شده قرار گرفته و سرعت آنها به شدت افزایش می‌یابد. این حاملها با شتاب گرفتن خود می‌توانند با اتم های سیلیکن واقع در ناحیه تهی برخورد نموده و ضمن شکستن پیوندهای کووالان‌ آنها تعدادی حامل جدید آزاد نمایند.حامل های جدید نیز تحت تأثیر میدان الکتریکی زیاد در ناحیه تهی قرار گرفته و پس از برخورد با اتم های دیگر،حامل های بیشتری را از پیوند کووالان آنها جدا می‌سازند. بنابراین تعداد حامل هایی که می‌توانند در ایجاد جریان دخالت کنند به طور ناگهانی افزایش یافته و باعث ازدیاد سریع جریان می‌شوند. این پدیده را شکست ضرب بهمنی می‌نامند.

پدیده شکست زنر[ویرایش]

پدیده دیگری که ممکن است باعث ایجاد شکست در مشخصه ولتاژ-جریان دیود شود به پدیده زنر معروف است. تشریح این پدیده به این صورت است که با ازدیاد ولتاژ معکوس دیود شدت میدان الکتریکی در ناحیه تهی ممکن است به حدی برسد که بتواند مستقیماً پیوندهای کووالان اتم های سیلیکن این ناحیه را شکسته و الکترون های زیادی را آزاد نماید.در این حالت جدا شدن الکترون ها ناشی از برخورد سایر الکترون ها با آنها نیست بلکه ناشی از تأثیر مستقیم میدان الکتریکی ناحیه تهی بر آنها ست.

دسته بندی دیودها[ویرایش]

در این بخش پنج دسته مهم از انواع دیودهامعرفی می‌شوند.

دیود زنر[ویرایش]

در ناحیه شکست، ولتاژ دو سر دیود تقریبا ثابت بوده و تغییر جریان در ان تأثیری ندارد. دیودهایی که به منظور استفاده در ناحیه شکست معکوس ساخته شده اند به دیود زنر معروف هستند. البته این که این دیودها را زنر می‌نامند بدان مفهوم نیست که پدیده ضرب بهمنی در آنها صورت نمی‌گیرد،بلکه هر دو پدیده می‌توانند در ایجاد شکست در این دیودها نقش داشته باشند. ولتاژ شکست این نوع دیودها را ولتاژ زنر نیز می‌نامند و با vz نمایش می‌دهند. مقدار ولتاژ شکست در دیود زنر به میزان چگالی ناخالصی بستگی دارد. با افزایش چگالی ناخالصی ولتاژ شکست دیود کاهش می‌یابد. دیودهای زنر تجارتی با ولتاژ زنر از 2/4 تا 200 ولت و تا توان های حدود 100 وات ساخته می‌شود.            

چون دیود زنر باید به صورت معکوس بایاس شود کاتد آن به قطب مثبت منبع ولتاژ و آند آن به قطب منفی وصل می‌شود. در این صورت جهت جریان از کاتد به آند خواهد بود. معمولاً کارخانه سازنده یک جریان حداقل Ik و یک جریان حداکثر مشخص می‌نماید که تغییرات جریان دیود زنر باید به آن محدود شود.قابل توجه است ک مشخصه دیود زنر در حالت بایاس مستقیم مشابه دیود ها ی معمولی است. از دیود زنر جهت تثبیت ولتاژ در تنظیم کننده های ولتاژ استفاده می‌شود.

دیود خازنی[ویرایش]

هرگاه یک پیوند P-N به صورت معکوس بایاس می‌شود،در حوالی پیوند یک ناحیه تهی و یا بار فضایی متشکل ار بارهای ساکن مثبت در طرف N و بارهای ساکن منفی در طرف P به وجود می‌آید. با توجه به این که در نواحی خنثای P و N، حاملهای بار الکتریکی آزاد بوده و همانند هادی عمل می‌کنند، می‌توان پیوند P-N را در این حالت به صورت خازنی مدلسازی نمود که در آن،نواحی خنثی همانند دو جوشن خازن،ناحیه تهی (همانند دی الکتریک) را در میان گرفته اند.

در رابطه ی فوق C ظرفیت خازن ناحیه تهی، A سطح مقطع پیوند، ε ضریب دی الکتریک ناحیه تهی که بستگی به جنس بلور و نحوه توزیع بار در این ناحیه دارد و W عرض ناحیه تهی است. چون عرض ناحیه تهی با افزایش ولتاژ معکوس پیوند تغییر می‌کند،بنابراین خازن پیوند را می‌توان به عنوان یک خازن متغییر با ولتاژ در نظر گرفت. ناگفته نماند که وقتی از رابطه ی فوق برای محاسبه ظرفیت خازنی استفاده می‌کنیم در حقیقت فرض یکنواخت بودن میدان در دی الکتریک را پذیرفته ایم. می‌توان نشان داد که برای یک پیوند P-N با چگالی ناخالصی یکنواخت، ظرفیت خازنی ناحیه تهی با ولتاژ معکوس دو سر دیود به صورت زیر ارتباط دارد.

در این رابطه V0 اختلاف پتانسیل تماس پیوند است و

ظرفیت خازنی دیودهای سیگنال معمولی در حدود چند پیکوفاراد است. دیودهایی که منحصراً جهت استفاده به عنوان یک خازن متغییر ساخته می‌شوند به دیود خازنی یا دیود ورکتور مشهور هستند. این گونه دیود ها همیشه به صورت معکوس بایاس می‌شوند. دیود های خازنی معمولاً از جنس سیلیکن و برای ظرفیت های نامی تا 2500pf ساخته می‌شوند. از دیود خازنی برای تنظیم ولتاز مدارهای تشدید LC در نوسان سازها و نیز در مدارهای مدولاسیون فرکانس استفاده می‌شود.

دیود تونلی[ویرایش]

تفاوت اساسی ساختمان دیود تونلی با دیودهای معمولی در چگالی بسیار بالای ناخالصی در نیمه هادیهای نوع P و N به کار رفته در آن است. چون عرض ناحیه تهی با با چگالی ناخالصی نسبت عکس دارد. بنابراین در دیود تونلی عرض ناحیه تهی بسیار کم بوده و در حدود 0.01 دیودهای معمولی است. این دیود در ولتاژهای معکوس و ولتاژهای مستقیم کوچک دارای مقاومت بسیار کوچکی است. از ویژگی های بارز دیود تونلی داشتن مقاومت منفی در بخشی از مشخصه اش است. از این ویژگی دیود تونلی می‌توان قیمت ارزان، اغتشاش کم،سرعت زیاد و توان مصرفی کم آن را نام برد.

دیود نورانی(LED)[ویرایش]

دیودهای نورانی معمولاً از بلور نیمه هادی گالیم-آرسنیک ساخته می‌شوند. در این بلور بازده ترکیب مجدد الکترون آزاد و حفره بسیار بیشتر از بلورهای سیلیکن یا ژرمانیم است. نکته دیگر در مورد این بلور آن است که آزاد شدن انرژی در هر ترکیب مجدد به صورت تابش یک فوتون نوری است. در بلورهای سیلیکن و ژرمانیم این انرژی به شکل دما تلف می‌شود. مشخصه دیودهای نورانی مشابه دیودهای معمولی است. تنها،تفاوت در ولتاژ آستانه هدایت است که در دیودهای نورانی مادون قرمز تا سبز مقدار آن از 1/4 تا 2/9 ولت تغییر می‌کند. دیودهای نورانی به صورت مسقیم بایاس می‌شوند. با افزایش جریان مستقیم،تولید فوتون های نوری زیادتر شده و در نتیجه شدت نور تابشی افزایش می‌یابد. امروزه دیودهای نورانی برای نورهای قرمز، زرد، سبز و مادون قرمز ساخته شده اند. دیود های نورانی در نمایشگرهای دیجیتالی برای نشان دادن اعداد و یاحروف مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله موارد مهم کاربرد دیودهای نورانی مادون قرمز، مخابرات فیبر نوری است.

دیود نوری[ویرایش]

در این نوع دیود،شدت جریان معکوس تقریباً متناسب با شدت نور تابش شده به سطح آن است.این نوع دیود در واقع یک پیوند P-N معمولی است که در داخل یک پوشش پلاستیکی که یک طرف آن شفاف است قرار گرفته است. دیود نوری به صورت معکوس بایاس می‌شود. با تابش فوتون های نوری به محل پیوند و جذب این فوتون ها توسط الکترونهای پیوندهای کوالان اتمهای نیمه هادی،به میزان حاملهای اقلیت افزوده شدهو جریان این حامل ها تشدید می‌شود. معمولاً مشخصه ولتاژ-جریان دیودهای نوری توسط کارخانه سازنده داده می‌شود. در این مشخصه ها تغییرات جریان معکوس دیود بر حسب ولتاژ معکوس دو سر آن به ازای مقادیر مختلف شارنوری نمایش داده می‌شود.