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 می شود. لوله های خلا که اولین دیودها بودند امروزه فقط در تکنولوژی هایی که در ولتاژ بالا کار می کنند 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 می شود.

از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی جریان را از خود عبور می دهد 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 می‌باشد (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 می‌باشد. 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 می کند. اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می‌سوزد (کریستال ذوب می شود) و جریان را در جهت معکوس هم عبور می‌دهد. به این ولتاژ آستانه شکست دیود گفته می‌شود.

کریستال مربعی شکل نیمه رسانا در دیود

اشکال مختلف دیودها پائین: پل یکسو کننده دیودی

ولتاژ شکست معکوس دیود

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

پدیده شکست ضرب بهمنی

می دانیم که در بایاس معکوس پیوند P-N، با ازدیاد ولتاژ معکوس دیود عرض ناحیه ی تهی بیشتر می شود و همچنین شدت میدان الکتریکی در این ناحیه افزایش می یابد.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 می یابد. این حاملها با شتاب گرفتن خود می توانند با اتم های سیلیکن واقع در ناحیه تهی برخورد نموده و ضمن شکستن پیوندهای کووالان آن ها 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 می سازند. بنابراین تعداد حامل هایی که می توانند در ایجاد جریان دخالت کنند به طور ناگهانی افزایش یافته و باعث ازدیاد سریع جریان می شوند. این پدیده را شکست ضرب بهمنی می نامند.

پدیده شکست زنر

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.

مقاومت دیود

با توجه به غیرخطی بودن مشخصه دیود،دو نوع مقاومت می توان برای دیود تعریف نمود.این مقاومت ها عبارتند از مقاومت استاتیکی(R_s)و مقاومت دینامیکی (r_d)

دسته بندی دیودها

در این بخش پنج دسته مهم از انواع دیودهامعرفی می شوند.

دیود زنر

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 می نامند بدان مفهوم نیست که پدیده ضرب بهمنی در آنها صورت نمی گیرد،بلکه هر دو پدیده می توانند در ایجاد شکست در این دیودها نقش داشته باشند. ولتاژ شکست این نوع دیودها را ولتاژ زنر نیز می نامند و با v_z نمایش می دهند. مقدار ولتاژ شکست در دیود زنر به میزان چگالی ناخالصی بستگی دارد. با افزایش چگالی ناخالصی ولتاژ شکست دیود کاهش می یابد. دیودهای زنر تجارتی با ولتاژ زنر از 2/4 تا 200 ولت و تا توان های حدود 100 وات ساخته می شود.

چون دیود زنر باید به صورت معکوس بایاس شود کاتد آن به قطب مثبت منبع ولتاژ و آند آن به قطب منفی وصل می شود. در این صورت جهت جریان از کاتد به آند خواهد بود. معمولاً کارخانه سازنده یک جریان حداقل I_k و یک جریان حداکثر مشخص می نماید 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 می شود.

دیود خازنی

هرگاه یک پیوند P-N به صورت معکوس بایاس می شود،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 می آید. با توجه به این که در نواحی خنثای P و N، حاملهای بار الکتریکی آزاد بوده و همانند هادی عمل می کنند، می توان 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.

$C\cong \frac{\varepsilon A}{W}$

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 می باشد. چون عرض ناحیه تهی با افزایش ولتاژ معکوس پیوند تغییر می کند،بنابراین خازن پیوند را می توان به عنوان یک خازن متغییر با ولتاژ در نظر گرفت. ناگفته نماند که وقتی از رابطه ی فوق برای محاسبه ظرفیت خازنی استفاده می کنیم در حقیقت فرض یکنواخت بودن میدان در دی الکتریک را پذیرفته ایم. می توان 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.

$C=C_0 (1+\frac{V_r}{V_0})^{\frac{-1}{2}}$

در این رابطه V₀ اختلاف پتانسیل تماس پیوند است و

$C_0 =[\frac{q\varepsilon \times NA \times ND}{2V_0(NA+ND)}]^{\frac{1}{2}}$

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

دیود تونلی

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 می باشد. 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 می باشد. از این ویژگی دیود تونلی می توان قیمت ارزان، اغتشاش کم،سرعت زیاد و توان مصرفی کم آن را نام برد.

دیود نورانی(LED)

دیودهای نورانی معمولاً از بلور نیمه هادی گالیم-آرسنیک ساخته می شوند. 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 می شود. 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 می کند. دیودهای نورانی به صورت مسقیم بایاس می شوند. با افزایش جریان مستقیم،تولید فوتون های نوری زیادتر شده و در نتیجه شدت نور تابشی افزایش می یابد. 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 می گیرند. از جمله موارد مهم کاربرد دیودهای نورانی مادون قرمز، مخابرات فیبر نوری است.

دیود نوری

در این نوع دیود،شدت جریان معکوس تقریباً متناسب با شدت نور تابش شده به سطح آن می باشد.این نوع دیود در واقع یک پیوند P-N معمولی است که در داخل یک پوشش پلاستیکی که یک طرف آن شفاف می باشد قرار گرفته است. دیود نوری به صورت معکوس بایاس می شود. 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 می شود. معمولاً مشخصه ولتاژ-جریان دیودهای نوری توسط کارخانه سازنده داده می شود. در این مشخصه ها تغییرات جریان معکوس دیود بر حسب ولتاژ معکوس دو سر آن به ازای مقادیر مختلف شارنوری نمایش داده می شود.

کاربرد

مهم‌ترین کاربرد عملی دیود تبدیل جریان الکتریکی متناوب به مستقیم است. در بسیاری از آداپتورها جریان برقی که بوسیله ترانس کاهش پیدا کرده‌است به کمک یک دیود (یکسو سازی نیم موج)، دو دیود ( در ترانس با ثانویه سه سر ) یکسوسازی تمام موج و یا با چهار دیود ( در ترانس با ثانویه دو سر ) یکسو سازی تمام موج انجام می شود . توجه داشته باشید که ولتاز یکسویه پس از این دیود ها، فرکانس ریپل به میزان دو برابر فرکانس متناوب ( در حالت تمام موج ) را دارد و جهت مستقیم شدن کامل ولتاز بایستی خازن صافی با ولتاژ مجاز، ظرفیت بالا ( با توجه به مقدار جریان مصرفی ) و با رعایت پلاریته و بعد از پل دیود نصب شود.

در گیرنده‌های ای ام (مانند رادیو در باند اس دبلیو و آی ام و سیگنال تصویر تلویزیون آنالوگ) دیود نقش آشکارساز را دارد بطوری که سیگنال میانی (آی اف) پس از تقویت در بخش تقویت فرکانس میانی وارد یک دیود می‌شود و خروجی آن سیگنال نهایی قابل استفاده‌است. گرچه معمولا به جای دیود از ترانزیستور استفاده می شود تا یک طبقه تقویت صورت گرفته باشد و دیود بیس-امیتر ترانزیستور عملا کار آشکار سازی را هم انجام خواهد داد.

در موارد خاص هنگامی که برای روشن کردن وسایل الکتریکی تنها دسترسی به جریان الکتریکی مستقیم باشد برای جلوگیری از سوختن وسیله الکتریکی بر اثر اتصال معکوس سیم مثبت و منفی، از یک دیود در ابتدای مسیر جریان برق استفاده می‌کنند. اگر این دیود در مسیر مثبت جریان با مصرف کننده در حالت سری باشد به آن دیود رکتیفایر می گویند. ولی اگر بصورت موازی با مصرف کننده و به شکل معکوس قرار گرفته باشد به آن دیود محافظ در بایاس معکوس می گویند. از نوعی دیود به نام زنر در ساخت نوعی رگولاتور(تنظیم کننده ولتاژ) استفاده می شود.

محدودیت های کاربردی دیود

در کاربرد دیودهای پیوندی نیز همانند سایر تجهیزات الکترونیکی با محدودیت هایی مواجه هستیم.آشنایی با این محدودیت ها طراح را در انتخاب دیودی که بتواند شرایط مورد نیاز مدار دلخواهش را برآورده سازد،یاری می نماید.از محدودیت های عمده دیود حداکثر جریان،حداکثر ولتاژ،حداکثر توان قابل اتلاف5 و سرعت قطع و وصل آن را می توان نام برد که در ادامه به شرح آنها می پردازیم.

حداکثر جریان و ولتاژ دیود

حداکثر جریانی که دیود می تواند ازخودعبوردهدبه جنس وسطح مقطع دیودبستگی داردومعمولا کارخانه سازنده حداکثرجریان مستقیم وحداکثر جریان معکوس دیودرامشخص می کند .همچنین حداکثر ولتاژمستقیم ومعکوس دیودتوسط سازنده داده می شود.باید توجه داشت که مقادیر داده شده مربوط به اتاق برای بدنه دیود هستند.

حداکثر توان قابل تلف دیود

از جمله عواملی که می تواند باعث خرابی یک قطعه الکترونیکی شود، بالارفتن دما از یک حد مجاز است. درقطعهه‌ای مقاومتی همان طور که می دانیم توان مصرفی به صورت حرارت ظاهر می شود که باید به نحو منا سبی بامحیط اطراف مبا دله شود. هر چه تبادل حرارت با محیط بیشتر باشد مشکلات ناشی از افزایش دما کمتر می شود. قطعه هایی که دارای سطح خارجی بیشتری هستند بهتر می توانند این تبادل حرارتی را انجام دهند. به همین دلیل مقاومتها و یا دیودهایی که توان نامی بزرگتری دارند در اندازه های فیزیکی بزرگتری ساخته می شوند. همچنین جنس موادی که در ساختمان قطعه بکار می رود در این امر تاثیر به سزایی دارد. در دیودهای پیوندی افزایش بیش ازحد دما می تواند باعث تغییر خواص بلور از قبیل تغییرni، u، p و....گردد، یا به علت یکنواخت نبودن ضریب انبساط حرارتی تغییرات مکانیکی در ساختمان آن به وجود آورد. همچنین ذوب شدن لحیم هایی که در اتصالات به کار رفته ممکن است باعث خرابی دیود شود. درحالی که دیودهای ژرمانیم حداکثر 75 تا 100 درجه سانتیگراد را می توانند تحمل کنند، دیودهای سیلسیکن تا حدود 200 درجه سانتیگراد قابل استفاده می باشند. برای افزایش قابلیت انتقال حرارت می توان ازعوامل کمکی ازقبیل گرما خور، عبور مایعات و عبور جریانهای هوا توسط پنکه استفاده می شود. در هر صورت باتوجه به وضعیت و شرایط نصب، هر دیود توان حداکثری خواهد داشت که آن را با $P_d^{\text{max}}$ نمایش می دهند. بنابراین ولتاژ و جریان مجاز دیود در رابطه زیر صدق کند:

$V_d \cdot I_d \le P_d^{\text{max}}$

از آنجا که $P_d^{\text{max}}$ برای هر دیود توسط کارخانه سازنده داده می شود، می توان با کمک ترسیم در صفحه مختصات ولتاژ-جریان دیود و باتوجه به نامساوی بالا نواحی مجاز تغییرات جریان و ولتاژ دیود را مشخص نمود. دراستفاده از دیودها باید این نکته را درنظر داشت که توان $P_d^{\text{max}}$ که توسط کارخانه سازنده داده می‌شود معمولا در دمای محیط ( $25^{\circ} \text{C}$ ) است. با بالا رفتن دما توان قابل اتلاف نیز کاهش می یابد.

سرعت قطع و وصل دیود

در مدارهای کلید یا مدارهای منطقی معمولاً با قطع و وصل دیود سر وکار داریم.در این موارد باید به محدودیت سرعت قطع و وصل دیود توجه نموده و با توجه به فرکانس قطع و وصل مورد نظر،دیود مناسب را انتخاب نمود.

مشخصه‌های مهم دیود

از مشخصه‌های مهم دیود مقادیر حدی ولتاژ و جریان قابل تحمل توسط آن است که می‌توان آن‌ها را در کتابچه‌های فنی دیود پیدا کرد از جمله: ^[۱]

جریان متوسط یا I_f که بیشینهٔ مقدار مجاز جریان در بایاس مستقیم است توسط آمپرمتر دی‌سی قابل اندازه‌گیری خواهد بود.
جریان ماکسیمم یا I_M که بیشترین جریانی است که اگر با فواصل زمانی زمانی ۱۰‌میلی‌ثانیه‌ای به دیود اعمال گردد به دیود آسیبی نخواهد رسید و می‌توان به آن ماکسیمم جریان تکراری نیز گفت.
ماکسیمم جریان لحظه‌ای غیر تکراری یا I_FSM^[۲] بیشینهٔ جریانی است که دیود در فواصل زمانی کوتاه تنها برای یک بار می‌تواند تحمل کند.
ماکسیمم ولتاژ معکوس تکراری یا V_RRM بیشینهٔ ولتاژی است که در بایاس معکوس به دیود آسیبی نخواهد رساند.
ماکسیمم ولتاژ معکوس غیر تکراری یا V_RSM^[۳] بیشینهٔ ولتاژ لحظه‌ای قابل تحمل برای دیود در بایاس معکوس است.

:: موضوعات مرتبط: دیود , ,