دیود ; دیود چیست ؟

الکترونیک مقدماتی- دیود ها ، بعد از اینکه قطعات الکترونیکی متنوعی را با هم در آموزش‌های پیشین شناختیم، حال در این جلسه در میکرودیزاینرالکترونیک می‌خواهیم یک قطعه‌ی بسیار مهم در دنیای الکترونیک را معرفی کنیم.این قطعه دیود است.

دیود چیست ؟

یک دیود نیمه هادی، قطه‌ای الکترونیکی دو سر است که یک پیوند PN در آن وجود دارد. به این قطعه گاهی یکسوساز نیز گفته می‌شود.

پایه‌ی مثبت دیود که آند نام دارد با A نمایش داده شده است و پایه‌ی منفی یا کاتد، با K . برای تشخیص پایه‌های آند و کاتد یک دیود واقعی، یک نوار رنگی قابل تشخیص بر روی دیود چاپ می‌شود که معلوم کننده کاتد است. با معلوم شدن کاتد، سمت دیگر نیز آند خواهد بود.

از قبل با نیمه‌هادی‌های نوع N و نوع P آشنا هستیم و رفتار و خصوصیات آن‌ها و حامل‌هایشان را می‌دانیم.(اگر نمیدانید هم خیلی خیلی مهم نیست و البته میتوانید به قسمت نیمه هادی های یک کتاب الکترونیک مراجعه کنید. لینک کتاب) حالا برای شناخت دیود، می‌خواهیم ببینیم اگر این دو نیمه‌هادی را به هم متصل کنیم چه اتفاقی می‌افتد.

ساختار یک دیود

اگر دو نیمه‌هادی نوع N و نوع Pدر کنار هم قرار بگیرند، هر دوی آن‌ها تمایل دارند که یک پیوند بین‌ خود و دیگری برقرار سازند. تصویر این اتفاق را می‌بینید.

نیمه‌های نوع P  دارای حامل‌های اکثریت با بار مثبت است که ‌آن‌ها را حفره می‌نامیم. نیمه‌های نوع N  نیز دارای حامل‌های اکثریت با بار منفی؛ الکترون‌ها. طبق اصل جاذبه بین بارهای ناهم‌نام، تعدای از حفره‌ها تمایل دارند که به نیمه‌هادی نوع N  بروند و در مقابل تعدادی از الکترون‌ها نیز تمایل دارند به نیمه‌هادی نوع P بروند.

هم‌چنان که این دو گروه به سمت محل پیوند در حال حرکت هستند، زمانی که به یک‌دیگر می‌رسند دچار بازترکیب می‌شوند و یون‌هایی از خود به جا می‌گذارند. حال در پیوند N-P ما ناحیه‌ای ایجاد شده است که دارای یون‌های مثبت و منفی است و به آن پیوندگاهPN یا سد پیوند می‌گوییم. تصویر زیر را برای درک بهتر مطلب ببینید.

ایجاد شدن یون‌های منفی در سمت P و یون‌ها مثبت در سمت N، منجر به ایجاد دو ناحیه باریک باردار (یون) در دو سمت پیوندگاه می‌شود. این نواحی خالی از حامل‌های بار متحرک هستند، چرا که یون‌ها در جای خود ثابت می‌مانند. این پدیده باعث می‌شود ناحیه‌ی تخلیه‌ای که بین‌شان قرار دارد را خالی از حامل‌های بار حفظ کنند (بدلیل تشکیل یک میدان الکتریکی داخلی) . بنابراین چون این ناحیه تخلیه مانند سدی در برابر عبور حامل‌ها قرار می‌گیرد، به آن سد پیوند می‌گویند.

از طرفی به دلیل ایجاد این یون‌های مثبت و منفی، اختلاف پتانسیلی نیز در دوسر  پیوند ایجاد می‌شود که آن را VD یا سد پتانسیلی می‌نامیم؛ چرا که مانع عبور بیشتر حامل‌های بار به جهت مخالف می‌شود.

اساس کار یک دیود

زمانی که دیود یا هر قطعه‌ی دوسری در یک مدار الکتریکی قرار می‌گیرد، می‌تواند براساس جهت ولتاژ اعمال شده از طرف منبع ، دارای دو نوع بایاس باشد. وضعیت بایاس مستقیم و وضعیت بایاس معکوس. اما ببینیم هر کدام از این حالات چه هستند.

بایاس مستقیم : زمانی که دیود به این نحو در مدار قرار بگیرد که آند آن به قطب مثبت منبع وصل شود و کاتد آن به قطب منفی، گوییم دیود در وضعیت بایاس مستقیم است. در این حالت، بایاس مستقیم مدام خود را تقویت می‌کند و جریان به خوبی در مدار برقرار می‌شود. بنابراین یک دیود در وضعیت بایاس مستقیم، به خوبی جریان را هدایت می‌کند.

بایاس معکوس: زمانی که دیود به این نحو در مدار قرار بگیرد که آند آن به قطب منفی منبع وصل شود و کاتد آن به قطب مثبت، گوییم دیود در وضعیت بایاس معکوس است. در این حالت، بایاس معکوس مدام تقویت شده و جریان نیز در مدار محدود و محدود تر می‌شود. بنابراین یک دیود در وضعیت بایاس معکوس، جریان را از خود عبور نمی‌دهد.

حال می‌خواهیم ببینیم که در هر کدام از این اتصالات چه اتفاقی می‌افتد که دیود رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهد.

عملکرد دیود تحت بایاس مستقیم

زمانی که ولتاژ بیرونی به گونه‌ای به دیود اعمال می‌شود که در اثر آن سد پتانسیلی داخلی دیود، مغلوب و تضعیف شده و نهایتا خنثی می‌شود و به این ترتیب جریان‌ حامل‌ها دوباره امکان حرکت پیدا می‌کنند، می‌گوییم دیود در وضعیت بایاس مستقیم قرار گرفته است. زمانی که آند و کاتد به ترتیب به قطب‌های مثبت و منفی منبع وصل می‌شوند، حفره‌های نیمه‌های نوعP  و الکترون‌های نیمه‌هادی نوع N ،  قدرت یافته، به سمت پیوندگاه حرکت می‌کنند و سدپتانسیلی را می‌شکنند. یعنی به عبارتی جریانی از بارهای الکتریکی بوجود می‌آید که می‌تواند از سد پتانسیلی عبور کند و در مدار جاری شود.

به کمک نیروی دافعه وارد شده از طریق قطب مثبت منبع به حفره ها و قطب منفی منبع به الکترون‌ها، و در نتیجه حرکت حفره‌ها و الکترون‌ها به سمت پیوند‌گاه ، بخشی از آن‌ها دچار پدیده بازترکیب خواهند شد.  بنابراین پتانسیل منبع باید به قدری بالا باشد که بتواند اولا الکترون‌ها و حفره‌ها را قادر به عبور از سد پتانسیلی کند و ثانیه تعداد آن‌ها به اندازه‌ای باشد که با صرف نظر از موارد بازترکیب شده، جریان قابل توجهی از دیود عبور کند.

عملکرد دیود تحت بایاس معکوس

زمانی که ولتاژ بیرونی به گونه‌ای به دیود اعمال می‌شود که در اثر آن سد پتانسیلی داخلی دیود تقویت می‌شود و به این ترتیب جریان‌ حامل‌ها نیز بسیار محدود می‌شود، می‌گوییم دیود در وضعیت بایاس معکوس قرار گرفته است. زمانی که آند و کاتد به ترتیب به قطب‌های منفی و مثبت منبع وصل می‌شوند،  الکترون‌های جذب قطب مثبت منبع و حفره‌ها جذب قطب منفی منبع می‌شوند. به این ترتیب هر دو از ناحیه‌ی سد پتانسیلی دور خواهند شد و با این دور شدن مقاومت الکتریکی پیوند را افزایش می‌دهند و اجازه نمی‌دهند جریانی از الکترون‌ها بتواند از پیوند عبور کند. تصویر زیر این فرآیند را نشان می‌دهد. نمودار جریان در دو حالت اعمال شدن و اعمال نشدن ولتاژ خارجی نیز رسم شده است.

پیوند P-N حامل‌های اقلیتی نیز دارد که در جهت عکس حامل‌های اکثریت رفتار می‌کنن؛ یعنی در وضعیت بایاس معکوس این حامل ها می‌توانند از پیوند عبور کنند و جریان ناچیزی ایجاد کنند که معمولا از آن صرف نظر می‌شود. در شرایطی که دما ثابت باشد معمولا این جریان نیز مقدار ثابتی دارد. اما زمانی که ولتاژ معکوس باز هم افزایش یابد، آن‌گاه به نقطه‌ای می‌رسیم که شکست معکوس دیود رخ می‌دهد و جریانی بهمن‌وار در دیود جاری می‌شود. این جریان معکوس بالا ، به دستگاه الکترونیکی آسیب وارد می‌کند.

جریان معکوس(I_r ) : جریان معکوس جریانی است که تحت شرایطی در وضعیت قرارگرفتن دیود در بایاس معکوس در آن تولید می‌شود. در این شرایط یک مسیر با مقاومت بالا در دیود ایجاد می‌شود که مانع جاری شدن جریان است. (در حالیکه در وضعیت بایاس مستقیم این مسیر مقاومت کمی داشت و جریان به خوبی جاری می‌شد.)

بر همین اساس می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم که دیود المانی یک طرفه یا یک سویه است که با قرار گرفتن در بایاس مستقیم جریان را عبور می‌دهد و با قرار گرفتن در وضعیت بایاس معکوس، مانند یک نارسانا عمل می‌کند. این عمل‌کرد شبیه یکسو‌سازی ست که AC را به DC تبدیل می‌کند.

حداکثر ولتاژ بایاس معکوس

پیک یا حداکثر ولتاژ  بایاس معکوس یا به اختصار PIV، حداکثر میزان ولتاژی است که می‌توانیم در وضعیت بایاس معکوس به دیود اعمال کنیم قبل از آن‌ که دچار شکست شود. به عبارت دیگر ” حداکثر ولتاژ قابل تحمل یک دیود در بایاس معکوس که دیود را دچار آسیب نمی‌کند.” بنابراین مهم است که در هنگام استفاده از دیود در بایاس معکوس، به این ولتاژ توجه داشته باشیم. چرا که محدوده‌ی عملکرد ایمن دیود در این بایاس را نشان می‌دهد.

ماموریت دیود‌ها

اما دیود ها برای چه منظور های استفاده می‌شوند؟ دیودها استفاده می‌شوند تا جریان الکتریکی را در جهتی خاص که جهت مستقیم‌شان است از مدار عبور دهند و عبور جریان در جهت معکوس آن را مسدود کنند. این همان اصل یک‌سوسازی است.

اگر بخواهیم در مداری جریان را تنها در یک جهت جاری کنیم و جهت مخالف آن‌ را ببندیم، استفاده از دیوها به عنوان یکسوساز بهترین انتخاب خواهد بود. به این ترتیب خروجی مقداری DC خواهد داشت که مولفه‌های AC از روی آن حذف شده‌اند.

مدارهایی هم‌چون یک‌سوساز های نیم‌موج و تمام موج نیز به کمک دیود ها ساخته می‌شوند.

دیودها همچنین عملکردی سوییچ گونه نیز دارند. مزیت آن‌ها بر سوییچ های معمولی این است که در صورت نیاز به نرخ ‌بالای تغییرات وضعیت خروجی،  قطع و وصل‌های سریع‌تری را برای آن فراهم کنند.

مشخصه V-I دیود

یک آرایش مداری برای دیود N-P  را در تصویر زیر می‌بینیم. یک آمپرسنج سری با دیود و یک ولت‌سنج موازی با دیود نیز در مدار تعبیه کرده‌ایم. میزان ولتاژ منبع نیز از طریق مقاومت متغیر ، کنترل می‌شود.

در بازه‌ی فعالیت مدار، زمانی که دیود در ولتاژ مشخصی از حالت خاموش به وضعیت بایاس مستقیم می‌رود، سد پتانسیلی از بین خواهد رفت. به این ولتاژ ولتاژ قطع یا ولتاژ زانویی گفته می‌شود. حال هرقدر ولتاژ اعمالی مستقیم از ولتاژ قطع بیشتر شود، جریان نیز متناسب با آن به شکل نمایی افزایش می‌یابد. البته اگر ولتاژ از حدی بیشتر شود ، دیود و مدار به دلیل تولید گرمای زیاد آسیب می‌بینند.

وضعیت ولتاژ و جریان دیود در حالت مستقیم و معکوس

نمودار زیر، وضعیت ولتاژ و جریان دیود در حالت مستقیم و معکوس را نشان می‌دهد.

در حین بایاس معکوس، ابتدا جریان اندک ایجاد شده از طریق حامل‌های اقلیت که گفتیم جریان معکوس نام دارد، در دیود جریان دارد. با افزایش ولتاژ بایاس معکوس جریان معکوس نیز افزایش یافته و دیود دچار شکست و جریان بهمنی می‌شود و البته دچار آسیبی جبران ناپذیر. خیلی ممنون از اینکه تا این قسمت از آموزش مفاهیم پایه الکترونیک با میکرودیزاینرالکترونیک همراه بودید.با ارسال نظرات سازنده ما را در نوشتن مطالب عالی تر یاری کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>