کار دیود چیست ؟ این سوالی است که به ذهن تمام هنرجویان رشته‌های فنی و حرفه‌ای می‌رسد. دیودها از زمانی که ابداع شدند تحول عظیمی را در علم الکترونیک ایجاد کردند که حاصل آن ساخت کامپیوتر بود که سرعت پیشرفت تکنولوژی را چندین برابر کرده و سبک زندگی مردم را به کلی تغییر داده است.
حال باید از خود بپرسیم ” کار دیود چیست ؟ ” این قطعه کوچک اما معجزه گر الکترونیکی که شاید ساختار خیلی پیچیده ای هم نداشته باشد چطور این تحول عظیم را ایجاد کرده است. در این مقاله قصد داریم به معرفی دیود بپردازیم و سپس انواع و کاربرد آنها را نیز شرح دهیم.
دیود چیست؟
قبل پاسخ به این سوال که ” کار دیود چیست ؟ ” باید اول ببینیم که خود دیود چیست و چگونه ساخته می شود. دیود یک قطعه الکترونیکی است که دو سر دارد. دیود از یک سر جریان الکتریکی را عبور می‌دهد و از سوی دیگر مانع عبور جریان الکتریکی می‌شود. هنگامی که جریان از سر عبور دهنده می گذرد مقاومت بسیار ناچیز است ولی هنگامی که جریان از سر دیگر دیود می گذرد، دیود مقاومت بسیار بالایی را در سر راه جریان قرار می دهد و مانع عبور جریان می شود.
به همین علت، در ابتدا به دیود، دریچه هم می گفتند. در واقع دیود مانند دریچه قلب یا دهلیز چپ قلب عمل می کند. از یک جهت جریان خون را عبور می دهد و در جهت دیگر با مقاومت خیلی بالایی مانع از عبور جریان الکتریکی می شود. به دیود یکسوساز هم گفته می شود.
برای پاسخ کامل به سوال ” کار دیود چیست ؟ ” باید دسته بندی دیودها را بشناسیم. دیودها از لحاظ مقدار جریان عبوری به سه دسته دیودهای سیگنال، دیودهای یکسوکننده و دیودهای زنر تقسیم می شوند. دیودهای سیگنال جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند و برای آشکارسازی در رادیو بکار می روند. دیودهای یکسو کننده قادرند جریان بالایی از خود عبور دهند و برای یکسو کردن جریان متناوب استفاده می شوند. از طرف دیگر دیودهای زنر وجود دارد که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.
دیود گونه های خیلی مختلفی دارد. انواع گونان دیود با ویژگی های مختلف در بازار یافت می شود. در زیر انواع دیود را معرفی کرده و شرح می دهیم.
دیود پیوند PN از دولایه نیمه رسانا P و N ساخته شده که روی هم قرار می گیرند و دلیل نامگذاری این دیود هم روی هم قرار گرفتن این دو لایه است. این دیودهای به دلیل عبور جریاد در یک جهت و مسدود کردن جریان در جهت مخالف به دیود یکسو کننده شناخته می شوند.
دیود سیگنال کوچک نوعی دیود پیوند PN است که در ولتاژهای پایین کار می کند. دیودهای سیگنال کوچک توانایی ذخیره بار کمتری دارند که همین عامل این دیودها را قادر می سازد سرعت سوئیچینگ زیادی داشته باشند و سربع بازیابی شوند و به همین علت در مدارهایی با فرکانس بالا به کار می روند.
لایه پیوند PN در دیودهای سیگنال بزرگ نسبت به دیودهای دیگر بسیار عریض است. به همین دلیل ظرفیت مستقیم این دیودها و همینطور ولتاژ معکوس آنها بالاست از آنها برای تبدیل ولتاژ AC به DC استفاده می شود. این دیودها برای مدارهای فرکانس بالا مناسب نیستد. کاربرد این دیودها در دستگاه های شارژ باتری و مبدل ها است.
دیود یکسوکننده نیز یکی از انواع دیگر دیودهای پیوندی است که بر خلاف دیود های سیگنال کوچک سرعت سوئیچینگ پایینی دارند و در جهت معکوس دارای ظرفیت خازنی بالایی هستند که این به دلیل ناحیه پیوندی بزرگ این خازن هاست. دیودهای یکسو کننده برای تبدیل جریان متناوب به جریان ثابت کاربرد دارند و از رایج ترین انواع دیود می باشند.
دیود شاتکی از پیوند بین یک فلز و یک نیمه رسانا تشکیل شده و در واقع پیوند PN ندارد. این دیود ها در حالت مستقیم افت ولتاژ خیلی پایینی دارند و به علت نداشتن پیوند PN از سرعت سوئیچینگ بسیار بالایی برخوردارند. البته این نوع دیودها جریان نشتی معکوس زیاد و ولتاژ شکست معکوس پایینی دارند که برای آنها یک پاشنه آشیل به حساب می آید.
دیودهای نورافشان منابع نور نیمه هادی هستند و با عبور جریان از خود فوتون تولید می کنند. الکترون هایی که بر اثر جریان الکتریکی از لایه انرژی پایه خود جداشده اند به حفره اولیه بازگشته و انرژی خود را به صورت فوتون آزاد می کنند. در واقع این دیودها از نوع دیود پیوند PN هستند. رنگ نور تولید شده در اثر عبور جریان نیز به گاف انرژی نیمه هادی بستگی دارد.
فتودیودها از نوع دیودهای پیوندی هستند که و دقیقا برعکس دیودهای نورافشان عمل می کنند. یعنی فوتون را جذب کرده و آن را به جریان الکتریکی تبدیل می کنند. موارد استفاده فتودیودها، سلول های خورشیدی و آشکارسازهای پرتو می باشد. این دیودها در شرایط بایاس معکوس در مدار استفاده می شوند. این نوع دیودهای دریچه های مخصوصی برای هدایت فوتون های نوری به قسمت حساس دیود را می دهند. فوتون ورودی از اتم های موجود در قسمت حساس دیود با روش فتوالکتریک الکترون جدا می کنند و این الکترون ها تحت ولتاژ خاصی به حرکت در آمده و ایجاد جریان می کنند.
در ادامه مقاله ” کار دیود چیست ؟ ” به بررسی دیود لیزری می پردازیم. دیودهای لیزری همانند دیودهای نورافشان، جریان الکتریکی را به فوتون تبدیل می کنند. تفاوت این دیود ها این است که فوتونهای تولیدی را به صورت همدوس و مانند نور لیزر تولید می کنند. این دیودها در چاپگرهای لیزری، دی وی دی درایوها و … کاربرد دارند. این کاربردهای مختلف که در بخش های مختلف این مقاله معرفی شده در واقع جواب به سوال “کار دیود چیست؟” می باشد.
دیودهای تونلی که به افتخار مبدع آنها دیودهای ایساکی هم نام دارند بر اساس اثر تونل زنی کوانتمی کار میکنند. سد پیوندی در این نوع دیودها بسیار نازک است و الکترون ها می توانند به راحتی از این سد بگریزند. ویژگی خاص این دیود هدایت جریان در جهت معکوس و سوئیچینگ بسیار سریع است. این دیودها به عنوان تقویت کننده تقویت کننده ماکروویو، اسیلاتور و … کاربرد دارند.
دیودهای زنر ناحیه در مقایسه با دیودهای پیوندی معمولی از ناحیه تخلیه بسیاری نازکتری برخوردار هستند و به همین دلیل علاوه بر جهت مستقیم در جهت معکوس نیز جریان را از خود عبور می دهند.
در واقع عملکرد دیود زنر به این شکل است که در حالت بایاس مستقیم اجازه عبور جریان در خلاف جهت را نمی دهد و مانند یک دیود یکسوکننده معمولی عمل می کند ولی در حالت بایاس معکوس تا یک حد از ولتاژ اجازه عبور جریان نمیدهد که این حد را ولتاژ شکست یا ولتاژ زنر می نامند و پس از آن با افت ولتاژ ثابت جریان می تواند جاری شود. این ولتاژ شکست میتواند بر اثر تونل زنی کوانتومی یا اثر شکست بهمنی ایجاد شود. دیود زنر در حالت بایاس معکوس در مدار مورد استفاده قرار می گیرد.
در پاسخ به سوال ” کار دیود چیست ؟ ” و در این قسمت دیود معکوس را بررسی می کنیم. دیودهای معکوس در واقع نوع خاصی از دیودهای تونلی یا دیودهای زنر هستند. این دیودها در حالت معکوس در مدار بکار می روند و جریان بیشتری را در مقایسه با بایاس مستقیم به ازای ولتاژهای پایین از خود عبور می دهند و به همین دلیل هم به دیود های معکوس مشهور هستند. در واقع عبور جریان در این دیودها در حالت معکوس بیشتر از حالت مستقیم است.
دیودهای بهمنی یا آوالانچ آن دسته از دیودهایی هستند که در حالت معکوس کار می کنند و در یک ولتاژ بالاتر از ولتاژ حد دچار شکست بهمنی می شوند. این دیودها برای جلوگیری از تمرکز جریان در نقاطی از مدار که نباید گرما و جریان بیش از حد باشد استفاده می شوند. شکست بهمنی به این دلیل ایجاد می شود که الکترون های جدا شده در اثر یونش در دیود به دلیل ولتاژ بالا انرژ زیادی حمل میکنند که می توانند خود باعث یونش های ثانویه شده و مانند انفجار اتمی از کنترل خارج شده و تمام ماده هدف را یونیزه کنند.
دیودهای خازنی یا دیود واراکتور یک دیود پیوند PN است و در واقع خازن های کنترل شده با ولتاژ هستند و دارای پیوند PN و ظرفیت خازنی پیوند مختلفی هستند. این خازن ها در حالت بایاس معکوس در مدار قرار می گیرند و در این حالت مانند یک خازن عمل می کنند. لایه تخلیه در این نوع دیود ثابت نیست و با تغییر ولتاژ معکوس تغییر می کند. این دیودها، دیود واریکاپ، دیود راکتانس متغیر، دیود تنظیم و دیود خازن متغیر هم می گویند.
حالا رسیدیم به جواب سوال ” کار دیود چیست ؟ ” دیودها کاربردهای مختلفی دارند. مهمترین و رایج ترین کاربرد دیودها یکسو کردن جریان یعنی عبور جریان در یک جهت و ایجاد مقاومت بالا و جلوگیری از جریان در جهت مخالف است. دیودها در واقع شیرهای الکتریکی یک طرفه هستند که میتوان از آنها برای تبدیل جریان AC به جریان DC استفاده کرد.
ولتاژ آستانه در دیود مقدار ولتاژ است که باید به دیود اعمال کنیم تا شروع به هدایت جریان کند. جریانی که در جهت بایاس معکوس از دیود می گذرد جریان نشتی نام دارد و در حدود چند میکروآمپر بیشتر نیست. این جریان به جنس بلور استفاده شده در ساختار دیود بستگی دارد و هرچه کیفیت آن بیشتر باشد این جریان نشتی کمتر است. این جریان نشتی اینقدر کم است که در مدار های الکترونیکی می توان از آن چشم پوشی کرد.
همانطور که در بخش انواع دیود خواندید، دیودها کاربردهای بسیار متنوعی دارند و با توجه به ساختار و تکنولوژی ساختشان می توانند برای اهداف مختلف بکار روند.
بایاس دیود یعنی وصل کردن ولتاژ به آن. اعمال ولتاژ به پایه های دیود دو حالت مختلف را به وجود می آورد که به آن بایاس مستقیم و بایاس معکوس گفته می شود.
اگر بخواهیم ولتاژ به درستی روی پایه های دیود اعمال شود جوری که جریان در جهت دیود برقرار شود باید قطب مثبت ولتاژ را به آند و قطب منفی آن را به کاتد بزنیم. به این حالت بایاس مستقیم می گویند. اما این برای شروع به کار دیود کافی نیست و باید ولتاژی بیش از ولتاژ آستانه یا Threshold به دیود اعمال شود تا جریان برقرار شود. ولتاژ آستانه برای دیودهای سیلیکون بین ۰.۶ تا ۰.۷ ولت و برای دیودهای ژرمانیوم بین ۰.۲ تا ۰.۳ ولت است.
حالت بایاست معکوس حالتی است که در آن قطب + ولتاژ به پایه کاتد دیود و قطب منفی ولتاژ به پایه دیود متصل می شود، جریانی از دیود نمی گذرد و فقط مقدار خیلی ناچیزی جریان در اثر اعمال ولتاژ از دیود می گذرد که به آن جریان نشتی می گویند و در حدود چند میکرو آمپر یا حتی کمتر است. این جریان ناچیز، تغییر موثری روی سایر قطعات مدار و در کل به عملکرد مدار ندارد و اغلب از آن چشم پوشی می شود.
برای توضیح بیشتر سوال ” کار دیود چیست ؟ ” اینبار به سراغ تفاوت دیود سیلیکون و ژرمانیوم رفته ایم. سیلیکون و ژرمانیوم هر دو در گروه چهارده جدول تناوبی قرار دارند و هر دو دارای چهار الکترون در لایه بیرونی اتم هایشان هستند. سیلیکون و ژرمانیوم هردو فلز هستند و دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مشابهی می باشند.
به طور کلی زمانی از دیودهای سیلیکون استفاده می شود که ولتاژ شکست دیود اهمیتی نداشته باشد. دیودهای سیلیکون مقاومت بهتری در برابر گرمای محیط یا حرارت حاصل از لحیم کاری از خود نشان می دهند و تحت ولتاژ مستقیم نیز ولتاژ الکتریکی کمتری از خود نشان می دهند. در حالت معکوس نیز، دیودهای سیلیکون جریان نشتی خیلی کمتری نسبت به دیودهای ژرمانیوم از خود نشان میدهند.
دیود در واقع از دو اتصال دو پایه نیمه رسانا به نام های P و N ساخته می شود. پایه این که به نیمه رسانای N متصل است کاتد نام دارد و پایه این که به نیمه رسانای P متصل است را آند می نامند. رایج ترین دیود ها از جنس بلور نیمه رسانا ساخته می شوند. دیود اولین قطعه الکترونیکی ساخته شده با نیمه رساناهاست.
نیمه رساناها عناصری هستند که در حالت عادی عایق الکتریکی هستند ولی با افزودن مقداری از یک ناخالصی خاص به رسانای الکتریکی تبدیل می شوند. میزان مقاوت الکتریکی نیمه رساناها بین رساناها و نارساناهاست. از نیمه رساناها برای ساخت دیودها، ترانزیستورها و … استفاده می شود. ورود نیمه رسانا ها در علم الکترونیک تحول عظیمی ایجاد کرده و ساخت کامپیوتر یکی از این دستاوردهاست.
در این مقاله سعی شد به این سوال که ” کار دیود چیست ؟ ” پاسخ بدهیم. همانطور که دیدید دیودها انواع و کاربردهای مختلفی دارند که در این مقاله شرح داده شد. البته می توان هر دیود را به صورت خیلی دقیق تر به همراه نمودار آن و به صورت عددی مورد تحلیل قرار داد و بررسی کرد. اما در این مقاله هدف فقط معرفی و دادن یک دید کلی بوده است.
منبع: فنی پویان
