دیود چیست؟ چه انواع و کاربردی دارد؟

نحوه کارکرد دیودها به تعامل بین نیمه هادی نوع n و نوع p بستگی دارد. نیمه هادی نوع n الکترون‌های آزاد فراوانی دارد و حفره‌های کمی در آن وجود دارند. به عبارت دیگر می توان گفت که غلظت در الکترون‌های آزاد نیمه هادی نوع n زیاد و در حفره ها کم می باشد.

در نیمه هادی نوع n، الکترون های آزاد حامل شارژ اکثریت و حفره حامل شارژ اقلیت هستند. مانند نیمه هادی نوع n، نیمه هادی نوع p دارای غلظت زیاد حفره‌ها و تعداد کم الکترون‌های آزاد می‌باشد. در نیمه هادی نوع p به حفره ها حامل شارژ اکثریت، و به الکترون‌های آزاد حامل‌ شارژ اقلیت گفته می‌شود.

حال بررسی می‌کنیم که هنگام عبور جریان از نیمه هادی نوع n و نوع p چه اتفاقی رخ می دهد. به علت اختلاف غلظت حفره‌ها و الکترون های آزاد در این دو ماده، حامل‌های اکثریت از سمتی به سمت دیگر پخش می شوند، یعنی حفره ها را از منطقه‌ p به سمت منطقه n و الکترون های آزاد از منطقه n به سمت منطقه p حرکت می کنند.

اینگونه یون های منفی در منطقه ماده نوع n و یون های مثبت در منطقه ماده نوع p جمع میشوند. منطقه میانی دیود که حامل شارژی وجود ندارد را ناحیه تخلیه می نامند. بعد از به وجود آمدن ناحیه تخلیه دیگر پخش شدن حامل های شارژ به این منطقه رخ نمی‌دهد.

اکنون بررسی می‌کنیم وقتی که منبع انرژی را به دیود وصل کنیم چه اتفاقی می افتد.

در آغاز هیچ جریانی در دیود وجود ندارد. اگر منبع ولتاژ متصل ولی مقدار آن صفر باشد، تاثیر کافی برای انتقال حامل‌های اکثریت ایجاد نمی کند و منطقه تخلیه، سدی برای عبور آن‌هاست. به این ناحیه، مانع مستقیم پتانسیل نیز می گویند.

تا هنگامی که ولتاژ ورودی به دیود از پتانسیل این مانع بیشتر نشود، حامل‌های اکثریت فعالیتی نخواهند داشت. همانطور که قبلتر گفتیم این مقدار برای دیودهای سیلیکونی ۰٫۷ ولت و برای دیود ژرمانیومی ۰٫۳ ولت است.

هنگامی که ولتاژ ورودی از این مقدار بیشتر شود، حامل‌های اکثریت شروع به عبور از مانع پیش روی خود می‌کنند و جریان مستقیم در دیود را به وجود می‌آورد. در این حالت دیود به عنوان اتصالی در مسیر الکتریکی عمل کرده و این جریان مستقیم تنها با مقاومت های خارجی متصل به دیود قابل محدود شدن است.

در این حالت به دلیل جذب پتانسیل منفی الکترواستاتیک منبع، حفره‌ها در منطقه نوع p از محل اتصال دور شده و یون‌های منفی بیشتری را در آن محل باقی می گذارند. به همین شکل الکترون‌های آزاد منطقه نوع n از محل اتصال به سمت ترمینال مثبت منبع ولتاژ حرکت می‌کند و یون‌های مثبت بیشتری در محل اتصال باقی می ماند.

در نتیجه این فرآیند، ناحیه تخلیه عریض تر می شود. به این حالت دیود بایاس معکوس می گویند. در این حالت حامل اکثریتی در سراسر اتصال عبور نخواهد کرد و به جای آن، این حاملان از اتصال دور می شوند. دیود در حالت بایاس معکوس گردش جریان را مسدود می کند.

حال که با نحوه کارکرد و مدل های عملکردی دیودها آشنا شدیم، وقت آن است که به اختصار انواع مختلف دیود و کاربرد هر کدام را بررسی کنیم.

این دیود از دو لایه نیمه هادی تشکیل شده که یکی از ماده نوع n و دیگری از ماده نوع p ساخته شده است. نقطه برخورد این دو لایه را با نام تقاطع p-n می‌شناسند که نام این نوع دیود هم از آن گرفته شده است. این دیود اجازه گردش جریان مستقیم را داده و گردش در جهت معکوس را مسدود می کند. دیود تقاطع p-n را میتوان جزو دسته های مادر در دیود ها برشمرد و انواع متفاوتی دارند که در ادامه هم نمونه هایی از آن را بررسی می کنیم.

این دیودها از خانواده دیودهای تقاطع p-n هستند که تنها با سیگنال های ولتاژ پایین کار می‌کند و نقطه برخورد بسیار کوچکی دارد. به همین دلیل هم ظرفیت و نگهدارندگی شارژ پایینی دارند، اما این قابلیت ضعف محسوب نمی شود زیرا این دیود دارای سرعت سوئیچ کردن بسیار بالا و زمان بسیار کم بازیابی است. کاربرد دیودهای سیگنال کوچک در مدارهایی با فرکانس بالا است.

این نوع دیود هم از خانواده تقاطع‌های p-n بوده و می‌توان آن را نقطه مقابل دیود سیگنال کوچک دانست. زیرا نقطه اتصال آن عریض بوده و ظرفیت بالایی در گردش معکوس جریان دارد، اما سرعت سوئیچ کردن آن پایین است. این نوع از متداول‌ترین انواع کاربردی دیودها می باشد. دیودهای یکسوساز برای جریان های قوی و در مبدل های AC به DC (یکسوسازی) کاربرد دارد.

نام این مدل از دیودهای تقاطع p-n، از روی اسم دانشمند کاشف آن یعنی  Clearence malvin zener  گرفته شده است. نکته جالب این دیود این است که عبور جریان هم در حالت مستقیم و هم در حالت معکوس را ممکن می سازد. هنگامی که ولتاژ معکوس به مقدار مشخصی برسد (که به آن ولتاژ زنر نیز می‌گویند)، اتصال جریان در جهت معکوس نیز می‌تواند رخ دهد. این دیودها غلظت دوپینگ بیشتری از دیودهای تقاطع p-n معمولی داشته و به همین دلیل ناحیه تخلیه بسیار نازکی دارند.

در حالت مستقیم این دیود مانند مدل یکسوساز عمل می‌کند، اما در بایوس معکوس تا زمانی که ولتاژ به اندازه مخصوص نرسد، اجازه عبور جریان را نمی دهد. این قطعه برای محافظت مدار در برابر آسیب های برقی، ولتاژی پایدار فراهم می سازد.

شاید بتوان معروف‌ترین نوع دیودها را LED دانست. این دیود هم مانند نمونه های قبلی از خانواده تقاطع p-n است که در پیکربندی بایاس مستقیم از خود نور ساطع می کند. این اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که الکترون‌ها از مانع میانی عبور کرده و با حفره های طرف مقابل جفت می‌شوند و ذرات فوتون ‌(نور) تولید می‌کنند.

رنگ نور تولید شده نیز به اختلاف انرژی در نیمه هادی بستگی دارد. همانطور که می‌دانید کاربرد اصلی این نوع از دیودها تبدیل انرژی الکتریکی به نور است و کاربردهای بی‌شماری در صنعت برق و الکترونیک دارد.

این دیود تقاطع p-n عملکردی برخلاف LED دارد، بدین گونه که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. تمامی مواد نیمه هادی از حاملان شارژ نوری تأثیر می‌پذیرند و به همین دلیل است که بسته بندی آنها به گونه‌ای است که مانع نفوذ نور باشد. اما در دیود نوری روزنه ای مخصوص طراحی شده تا نور بر نقطه حساس دیود بتابد.

وقتی که ذرات فوتون (نور) به تقاطع P-N برخورد می‌کند، جفت های الکترون/حفره را می‌سازد که این جفت تا با گردش شان در دیود، جریان الکتریکی تولید می کنند. برای افزایش بهره‌وری از دیود PIN نیز استفاده می‌شود. دیودهای نوری در بایاس معکوس و سلول های خورشیدی کاربر دارند.

مانند LED ها، دیودهای لیزری نیز جریان الکتریکی را به نور تبدیل می کند، اما نوری که این دیودها تولید میکنند یکنواخت و متمرکز است. دیود لیزری از یک تقاطع PIN بهره می‌برد که الکترون‌ها و حفره‌ها در آنجا ترکیب شده و اشعه لیزر را تولید می‌کند. از این نوع دیودها در ارتباطات نوری، نشانگرهای لیزری، درایوهای لوح فشرده و پرینترهای لیزری استفاده می شود.

نام این دیود از مخترع آلمانی والتر اچ. شاتکی گرفته شده است. این دیود از تقاطع کوچکی بین نیمه هادی نوع N و فلز ساخته شده است. دیود شاتکی هیچ نقطه تقاطعی از نوع P-N ندارد. به همین دلیل این دیود افت ولتاژ مستقیم بسیار پایین و سرعت سوییچ کردن بسیار بالایی دارد. از محدودیت های دیود شاتکی به ولتاژ و نشتی جریان بالا در حالت معکوس می توان اشاره کرد.

این دیود از نقطه تقاطع کوچکی بین سیم فلزی و نیمه هادی کریستالی نوع N ساخته شده است. جنس این سیم فلزی معمولا از فسفر برونز یا تنگستن است. از آنجایی که نقطه تماس دیود کریستالی بسیار کوچک است، ظرفیت ذخیره سازی پایینی دارد که سرعت سوییچ کردن آنرا افزایش می دهد. این دیودها در سیگنال های کم ولتاژ و در میکروموج ها کاربرد دارند.

این دیود از ۴ لایه P-N-P-N ساخته شده و مانند SCR عمل می کند ولی کنترل یا ورودی گیت ندارد. به همین دلیل وقتی دیود شاکلی روشن شود تمایل به روشن ماندن دارد و همینطور وقتی خاموش شود تمایل به خاموش بودن دارد. به دلیل نداشتن گیت ورودی، این دیود با شکست ولتاژ خاموش یا روشن می شود.

این دیود ۳ لایه دارد : لایه P ، لایه N ، لایه I. آخرین لایه یا همان I ، از نیمه هادی ذاتی تشکیل شده که بین لایه P و N ای که به شدت دوپینگ شده اند، قرار می گیرد. الکترون ها و حفره های لایه P و N در این ناحیه (I) جمع می شوند. وقتی که حجم این ناحیه از الکترون های آزاد و حفره ها اشباع شود، دیود شروع به اتصال جریان می کند.
در حالت بایاس معکوس هم ناحیه I می تواند ولتاژهای توان بالا را مسدود و با آنها مقابله کند. در فرکانس های بالا دیود PIN به عنوان مقاومت خطی عمل می کند، زیرا زمان بازیابی بسیار کندی دارد. دلیل آن هم سنگینی لایه I به علت تراکم بالای الکترون ها و حفره هاست که چرخه شارژ شدن را کند می سازد.

در فرکانس های پایین تر، دیود PIN مانند دیود یکسوساز عمل می کند. به دلیل خاصیت ناحیه I ، اگر فوتون نوری به ان وارد شود، می توند جفت های الکترون/ حفره ای تولید می کند. از این دیود در ردیاب های نوری و سلول های نوری فوتو ولت استفاده می شود.

این دیودها با نام دستگاه انتقال الکترون نیز شناخته می شود و مقاومت منفی مانند دیودهای تونل دارند. نام این دیود از دانشمند بریتانیایی کاشف آن یعنی جی بی. گان گرفته شده است. دیود گان از آن دسته دیود هایی است که ساختار تقاطع P-N را در خود ندارد. در واقع این دیود تنها از لایه نوع N در ساختار خود بهره برده است و به همین دلیل جریان AC را یکسو نمی کند و مانند دیگر دیود ها نیست.

به دلیلی که در بالا ذکر شد، بسیاری به جای نام دیود، از آن با نام دستگاه انتقال دهنده الکترون (TED) نیز یاد می کنند. این قطعه از ۳ لایه Nتشکیل شده که ۲ لایه کناری دوپینگ بیشتر و لایه نازک میانی غلظت دوپینگ کمتری دارد. وقتی که جریان به دیود گان وارد می شود، ولتاژ نیز همراه جریان افزایش می یابد. در ولتاژهای بالاتر، مقاومت لایه میانی گردش جریان را کاهش می دهد.

از دیود گان یا همان TED در اوسیلاتورها برای تولید امواج میکرو با فرکانس بالا استفاده می شود.

از دیود گان یا همان TED در اوسیلاتورها برای تولید امواج میکرو با فرکانس بالا استفاده می شود.

استفاده های این دیود بطور خاص بوده و برای یکسوسازی ولتاژهای بسیار کم (۰٫۱ تا ۰٫۶ ولت) مناسب است و به علت سرعت سوییچ کردن سریع، در سوییچ های فرکانس رادیویی به کار گرفته می شود.

این دیود هم از خانواده دیودهای تقاطع P-N است که در ناحیه ولتاژی بهمن استفاده می شود. این اصطلاح به هنگامی بکار می روند که مقدار ولتاژ معکوس کافی به تقاطع P-N برسد و با این اتفاق حامل های شارژ اقلیت یونیزه شوند و گردش جریان قوی، در جهت معکوس ایجاد شود که به بهمن در کوهستان تشبیه شده است.

این دیود هم از خانواده دیودهای تقاطع P-N است که در ناحیه ولتاژی بهمن استفاده می شود. این اصطلاح به هنگامی بکار می روند که مقدار ولتاژ معکوس کافی به تقاطع P-N برسد و با این اتفاق حامل های شارژ اقلیت یونیزه شوند و گردش جریان قوی، در جهت معکوس ایجاد شود که به بهمن در کوهستان تشبیه شده است.

این دیود زیر مجموعه ای از دیود های بهمنی به حساب می آید که از مدار در برابر شوک های ولتاژ بالا محافظت می کند. نسبت به دیود بهمنی، TVS ها قدرت مدیریت و تحمل کردن ولتاژهای بالاتری دارند و همانند آنهادر حالت یکطرفه و بایاس مستقیم به عنوان یکسوساز و در بایاس معکوس، به عنوان محافظت ولتاژ عمل می کنند.

TVS های دوطرفه مانند ۲ دیود بهمنی مقابل هم و سری شده عمل می کنندکه در هر ۲ جهت از ورود ولتاژ های مخرب به مدار جلوگیری می کند.

در این مدل از دیودها از فلز طلا یا پلاتینیوم برای ماده دوپینگ در نیمه هادی استفاده می شود که سرعت سوییچ کردن و هزینه تولید آن را بسیار بالا می برد. همچنین نشتی ولتاژ معکوس این دیود بالاتر از دیود های تقاطع P-N معمولی است. نقش طلا در این دیود ها سرعت بخشیدن به ترکیب حامل های اقلیت است.

این دیود که با نام دیود رگوله کننده جریان نیز شناخته می شود، وظیفه تنظیم سازی جریان در ولتاژ مشخص را بر عهده دارد. دیود جریان دائم با ۲ ترمینال خود به عنوان محدود کننده جریان نیز عمل کرده و در ساختار خود از یک JFET برای بدست آوردن آمپدانس خروجی بالاتر بهره می برد.

نام دیگر آن، مخزن شارژ نیز می باشد. این دیود با ذخیره سازی شارژ پالس های مثبت، در برابر پالس های منفی سینوسی مقابله می کند. مقدار زمان ذخیره سازی پالس جریان با تخلیه آن تقریبا برابر است و بعد از هر تخلیه نیاز به به بازیابی برای شارژ مجدد دارد. نام گذاری آنها نیز به همین دلیل است.

کاربرد این دیودها در افزاینده های مدارهای تقویت کننده پالس می باشد.

این دیود به عنوان سوییچ فوق سریع با سرعت چند نانو ثانیه ای بکارگیری می شود. به علت اثر تونلی در ناحیه فرکانس امواج میکرو است که این دیود بسیار سریع عمل می کند. این قطعه ۲ ترمینالی بوده و غلظت دوپینگ نیمه هادی آن بسیار بالاست.

از دیگر کاربردهای آن می توان به اوسیلاتورهای امواج میکرو و در آمپلی فایرها به عنوان دستگاه اتصال منفی را نام برد. در ضمن این دیودها در برابر امواج رادیواکتیو مقاوم هستند.

کارکرد این نوع از دیودها مانند خازن های متغیر است و بیشتر اوقات، فقط در حالت بایاس معکوس استفاده می شوند. دیودهای واکنشگر متغیر به علت قابلیت تغییر بازه ذخیره سازی در مدار (با وجود گردش ولتاژ دائم) شهرت دارند.
این دیودها را می توان برای ظرفیت ذخیره سازی با مقادیر بسیار بالا تغییر داد که این کار به وسیله تغییر ولتاژ بایاس معکوس انجام می شود، که در نتیجه لایه تخلیه را کاهش یا افزایش می دهد.

در بسیاری از اوسیلاتورهای کنترل شونده با ولتاژ که در تلفن های همراه بکار می رود یا فیلترهای ماهواره ای و افزاینده های فرکانس، می توان ردپایی از دیودهای واکنشگر متغیر پیدا کرد.

در بسیاری از اوسیلاتورهای کنترل شونده با ولتاژ که در تلفن های همراه بکار می رود یا فیلترهای ماهواره ای و افزاینده های فرکانس، می توان ردپایی از دیودهای واکنشگر متغیر پیدا کرد.

در این نوع از دیودها وقتی که جریان در طول نیمه هادی، از ترمینالی به تریمنال دیگر گردش می کند، گرما تولید می شود. این گردش تنها در یک جهت انجام شده و مطابق با جهت گردش امده است.جریان در مدار است. علت حرارت موجود نیز شارژ الکتریکی است که از ترکیب حامل های اقلیت بوجود آمده است.

در این نوع از دیودها وقتی که جریان در طول نیمه هادی، از ترمینالی به تریمنال دیگر گردش می کند، گرما تولید می شود. این گردش تنها در یک جهت انجام شده و مطابق با جهت گردش امده است.جریان در مدار است. علت حرارت موجود نیز شارژ الکتریکی است که از ترکیب حامل های اقلیت بوجود آمده است.

در این نوع از دیودها وقتی که جریان در طول نیمه هادی، از ترمینالی به تریمنال دیگر گردش می کند، گرما تولید می شود. این گردش تنها در یک جهت انجام شده و مطابق با جهت گردش امده است.جریان در مدار است. علت حرارت موجود نیز شارژ الکتریکی است که از ترکیب حامل های اقلیت بوجود آمده است.

در این نوع از دیودها وقتی که جریان در طول نیمه هادی، از ترمینالی به تریمنال دیگر گردش می کند، گرما تولید می شود. این گردش تنها در یک جهت انجام شده و مطابق با جهت گردش امده است.جریان در مدار است. علت حرارت موجود نیز شارژ الکتریکی است که از ترکیب حامل های اقلیت بوجود آمده است.

اگر کاتود با ماده ای اکسید شده پوشانده شده باشد، آنگاه قابلیت دفع الکترون بیشتر می شود. آنود در این دیود اندازه کمی بزرگتر دارد و در برخی موارد، سطح آنها برای کاهش تجمع حرارت در دیود، ناهموار است. این دیود تنها هنگامی اتصال را برقرار می کند که آنود نسبت به ترمینال کاتود مثبت باشد.

تیم تحریریه مجله خبری هادی بان الکترونیک امیدوار است که شما با خواندن این مطلب جامع در مورد دیودها و کاربرد و انواع آن، توانسته باشید علم خود را در این حوزه افزون کرده و استفاده کافی از مطالب برده باشید.