دیود چیست

دیود قطعه‌ ای الکترونیکی است که دارای دو سر می باشد. دیود، جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌دهد (در این حالت، مقاومت دیود ناچیز است) و در جهت دیگر، در مقابل گذر جریان مقاومت بسیار بالایی (در حالت ایده آل، بی نهایت) از خود نشان می ‌دهد. این خاصیت دیود، باعث شده بود تا در سال ‌های اولیه ساخت این قطعه الکترونیکی، به آن «دریچه» نیز اطلاق شود. رایج ‌ترین گونه دیود از بلور نیمه هادی ساخته می‌شود. دیود را از اتصال دو نیمه ‌رسانا از نوع P  و N می ‌سازند. به پایه‌ ای که به نیمه هادی N  متصل است «کاتد» و به پایه ‌ای که به نیمه هادی نوع P متصل است «آند» گفته می‌شود. دیود، اولین قطعه تولید شده با نیمه هادی ‌هاست.

مهم ‌ترین کاربرد دیود، عبور جریان در یک جهت (diode’s forward direction) و ممانعت در برابر گذر جریان در جهت مخالف (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. به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ( ولتاژ بایاس کردن) در جهت درست (+ به آند و – به کاتد؛ که به آن بایاس مستقیم می‌گویند)، آماده کار شود. مقدار ولتاژی که باعث می ‌شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی کند، ولتاژ آستانه یا (threshold voltage) نامیده می‌شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت برای دیود های سیلیکون و 0.2 تا 0.3 ولت برای دیود ژرمانیوم است. اما هنگامی که ولتاژ معکوس به دیود متصل شود، (+ به کاتد و – به آند؛ که به آن بایاس معکوس می‌گویند) جریانی از آن نمی‌گذرد. مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است و در حدود چند میکروآمپر یا حتی کم تر است. این مقدار جریان معمولاً در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل چشم پوشی است و تأثیری در رفتار سایر المان ‌های مدار نمی‌گذارد. هرچه جنس بلور به‌کار رفته در ساخت دیود، به لحاظ ساختار، منظم ‌تر باشد، دیود مرغوب ‌تر و جریان نشتی، کم تر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیود های با فناوری جدید، عملا به صفر می‌گراید. نکته مهم آن که تمام دیود ها یک آستانه برای بیشینه ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌ سوزد (بلور ذوب می‌شود) و جریان را در جهت معکوس نیز می‌گذراند. به این ولتاژ آستانه، ولتاژ شکست گفته می ‌شود.

کاربرد

مهم‌ ترین کاربرد دیود، تبدیل جریان الکتریکی متناوب به مستقیم است. در بسیاری از آداپتورها جریان برقی که به ‌وسیله ترانسفورماتور کاهش یافته ‌است به کمک یک دیود (یکسوسازی نیم‌موج)، دو دیود (در ترانسفورماتور با ثانویه سه ‌سر) یکسوسازی تمام ‌موج یا با چهار دیود (در ترانسفورماتور با ثانویه دوسر) یکسوسازی تمام ‌موج انجام می‌شود. در ولتاژ یکسو شده پس از این دیود ها، بسامد ریپل به میزان دو برابر فرکانس تناوب (در حالت تمام‌موج) را دارد و جهت مستقیم شدن کامل ولتاژ بایستی خازن صافی با ولتاژ مجاز، ظرفیت بالا (با توجه به مقدار جریان مصرفی) و با رعایت قطبیت و پس از پل-دیود نصب شود.

در گیرنده‌ های AM مانند رادیو، دیود نقش آشکارساز را دارد چنان‌ که فرکانس میانی پس از تقویت در بخش تقویت‌کننده فرکانس میانی، وارد یک دیود می‌شود و خروجی آن سیگنال نهایی قابل استفاده است. گرچه معمولاً به جای دیود از ترانزیستور استفاده می ‌شود تا یک طبقه تقویت صورت گرفته باشد و دیود بیس-امیتر ترانزیستور کار آشکارسازی را هم عملاً انجام خواهد داد.

در مورد های خاص، هنگامی که برای روشن کردن وسیله ‌های 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 مصرف‌کننده در حالت سری باشد به آن دیود یکسوساز می‌گویند؛ ولی اگر به صورت موازی با مصرف‌کننده و به شکل معکوس قرار گرفته باشد به آن دیود محافظ در بایاس معکوس می‌گویند. از نوعی دیود به نام زنر در ساخت نوعی تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده می‌شود.

انواع دیود

  1. دیود زنر

در بایاس مستقیم ولتاژ دو سر دیود تقریبا ثابت است و تغییر جریان در آن تأثیری ندارد. دیود هایی که به منظور استفاده در بایاس معکوس و ناحیه شکست معکوس ساخته شده‌ اند، به دیود زنر معروف‌ اند. البته این که این دیود ها را زنر می ‌نامند. بدان مفهوم نیست که پدیده شکست بهمنی در آن ‌ها صورت نمی‌گیرد؛ بلکه هر دو پدیده می‌توانند در شکست این دیودها نقش داشته باشند. ولتاژ شکست این‌گونه دیود ها را ولتاژ زنر نیز می ‌نامند و با vz نشان می ‌دهند. مقدار ولتاژ شکست در دیود زنر به میزان چگالی ناخالصی بستگی دارد. با افزایش چگالی ناخالصی، ولتاژ شکست دیود کاهش می‌یابد. دیود های زنر تجاری، با ولتاژ زنر از ۲.۴ تا ۲۰۰ ولت و تا توان ‌های حدود ۱۰۰وات ساخته می ‌شوند.

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 کمینه Ik و یک جریان بیشینه مشخص می ‌سازد که تغییرهای جریان دیود زنر باید به آن محدود شوند. قابل توجه است که مشخصه دیود زنر در حالت بایاس مستقیم، مشابه دیود های معمولی است. از دیود زنر، برای تثبیت ولتاژ در تنظیم‌کننده های ولتاژ استفاده می ‌شود.

کاربرد دیود زنر

دیود های زنر به‌ طور گسترده ‌ای برای تنظیم ولتاژ در سراسر مدارهای کوچک و به عنوان تنظیم کننده‌ های شنت استفاده می ‌شود.

  1. دیود خازنی

هرگاه یک پیوند P-N به صورت معکوس بایاس شود، در حوالی پیوند یک ناحیه تهی یا بار فضایی متشکل از بارهای ساکن مثبت در طرف N و بارهای ساکن منفی در طرف P پدید می‌آید. با توجه به این که در ناحیه ‌های خنثی P و N ، حامل ‌های بار الکتریکی، آزادند و همانند رسانا عمل می‌کنند، می‌توان پیوند P-  N  را در این حالت به صورت خازنی مدلسازی کرد که در آن، ناحیه ‌های خنثی همانند دو صفحه خازن، ناحیه تهی (همانند عایق) را در میان گرفته ‌اند.

  1. دیود تونلی

تفاوت اساسی ساختمان دیود تونلی با دیود های معمولی در چگالی بسیار بالای ناخالصی در نیمه ‌رساناهای نوع P و N به‌کار رفته در آن است. چون عرض ناحیه تهی با چگالی ناخالصی، نسبت عکس دارد؛ بنابراین در دیود تونلی، عرض ناحیه تهی بسیار کم و درحدود 0.01دیودهای معمولی است. این دیود در ولتاژهای معکوس و ولتاژهای مستقیم کوچک، دارای مقاومت بسیار کوچکی است. از ویژگی ‌های بارز دیود تونلی، مقاومت منفی در بخشی از مشخصه‌ اش می ‌باشد. از ویژگی ‌های دیود تونلی می ‌توان اغتشاش کم، سرعت زیاد و توان مصرفی کم آن را نام برد.

  1. دیود نور گسیل (LED)

دیود های نورگسیل معمولا از بلور نیمه رسانا گالیم-آرسناید ساخته می ‌شوند. در بایاس مستقیم به دلیل ترکیب الکترون و حفره ‌ها در لایه سد، نور تولید می‌شود. در بلور گالیم آرسنیک، بازده باز ترکیب الکترون آزاد و حفره بسیار بیشتر از بلورهای سیلیکون یا ژرمانیوم است. نکته دیگر در مورد این بلور آن است که آزاد شدن انرژی در هر باز ترکیب، به صورت تابش یک فوتون نوری است. در بلورهای سیلیکون و ژرمانیوم، این انرژی به شکل گرما تلف می‌ شود و به نور تبدیل نمی‌ شود. مشخصه دیود های نورگسیل، مشابه دیود های معمولی است. تنها تفاوت در ولتاژ آستانه رسانش است که در دیود های نورگسیل فروسرخ تا سبز، مقدار آن از ۱.۴ تا ۲.۹ ولت تغییر می‌کند. دیود های نورگسیل، به شکل مستقیم بایاس می‌شوند. با افزایش جریان مستقیم، تولید فوتون ‌های نوری زیادتر می‌شود و در نتیجه شدت نور تابشی افزایش می‌ یابد. امروزه دیود های نورگسیل برای نورهای قرمز، زرد، سبز، آبی و فروسرخ ساخته شده ‌اند. دیودهای نورگسیل در نمایشگرهای رقمی برای نمایش عددها یا حرف‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله موردهای مهم کاربرد دیودهای نورگسیل فروسرخ، مخابرات تار نوری است.

  1. دیود گان

این دیود در اسیلاتورهای فرکانس بالا (مایکروویو) بکار می ‌رود.