دیودها

دیود (به انگلیسی: Diode)، (نام‌های دیگر: «دوقطبی الکتریکی»، «یکسوساز») قطعه‌ای الکترونیکی است که دارای دو سر می‌باشد. دیود، جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌دهد (در این حالت، مقاومت (قطعه الکتریکی) دیود ایدئال، صفر است) و در جهت دیگر، در مقابل گذر جریان از خود، مقاومت (قطعه الکتریکی) بسیار بالایی (در حدّ بینهایت) نشان می‌دهد. این خاصیّت دیود، باعث شده بود تا در سال‌های اولیهٔ ساخت این قطعهٔ الکترونیکی، به آن «دریچه» نیز اطلاق شود. در حال حاضر، رایج‌ترین گونهٔ دیود از بلور مادّه‌های نیمه هادی ساخته می‌شود. دیود را از اتصال دو نیم‌رسانا از نوع P و N می‌سازند. به پایه‌ای که به نیمه هادی N متصل است «کاتد» و به پایه‌ای که به نیمه هادی نوع P متصل است «آند» گفته می‌شود.[۱] لامپ‌های خلأ که نخستین دیودها بودند، امروزه فقط در فنّاوری‌هایی که در ولتاژ بالا کار می‌کنند استفاده می‌شوند. دیود، اولین قطعه تولید شده با نیمه هادی‌ها است.

مهم‌ترین کاربرد دیود، عبور جریان در یک جهت (به انگلیسی: diode’s forward direction) و ممانعت در برابر گذر جریان در جهت مخالف (به انگلیسی: reverse direction) است (یکسو سازی). در نتیجه می‌توان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یکطرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.

شکل دیود پل

به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ولتاژ (بایاس کردن) در جهت درست (+ به آنُد و – به کاتُد که به آن بایاس مستقیم گفته می‌شود) آن را آمادهٔ کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به رسانش جریان الکتریکی نماید، ولتاژ آستانه یا (threshold voltage) نامیده می‌شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت (برای دیودهای سیلیکون) و ۰٫۲ تا ۰٫۳ ولت (برای دیود ژرمانیوم) می‌باشد. امّا هنگامی که ولتاژ معکوس به دیود متّصل شود، (+ به کاتُد و – به آنُد 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 حتّی کمتر می‌باشد. این مقدار جریان معمولاً در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل چشم پوشی است و تأثیری در رفتار سایر المان‌های مدار نمی‌گذارد. هرچه جنس بلور به‌کاررفته در ساخت دیود، به لحاظ ساختار، منظّم‌تر باشد، دیودْ مرغوب‌تر و جریان نشتی، کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیودهای با فنّاوری جدید، عملاً به صفر می‌گراید. امّا نکتهٔ مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای بیشینهٔ ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌سوزد (بلور ذوب می‌شود) و جریان را در جهت معکوس نیز می‌گذراند. به این ولتاژ آستانه، «ولتاژ شکست» گفته می‌شود.

دیود زِنِر
در بایاس مستقیم ولتاژ دو سر دیود تقریباً ثابت است و تغییر جریان در آن تأثیری ندارد. دیودهایی که به منظور استفاده در بایاس معکوس و ناحیهٔ فروشکست معکوس ساخته شده‌اند به «دیود زِنِر» معروف‌اند. البتّه اینکه این دیودها را زنر می‌نامند، بدان مفهوم نیست که پدیدهٔ شکست بهمنی در آن‌ها صورت نمی‌گیرد؛ بلکه هردو پدیده می‌توانند در ایجاد فروشکست در این دیودها نقش داشته باشند. ولتاژ فروشکست این‌گونه دیودها را «ولتاژ زِنِر» نیز می‌نامند و با vz نشان می‌دهند. مقدار ولتاژ فروشکست در دیود زِنِر به میزان چگالی ناخالصی بستگی دارد. با افزایش چگالی ناخالصی، ولتاژ فروشکست دیود کاهش می‌یابد. دیودهای زِنِر تجاری، با ولتاژ زِنِر از ۲٬۴ تا ۲۰۰ ولت و تا توان‌های حدود ۱۰۰وات ساخته می‌شوند.

چون دیود زنر باید به صورت معکوس بایاس شود، کاتُد آن به قطب مثبت منبع ولتاژ و آنُد آن به قطب منفی وصل می‌شود. در این صورت، جهت جریان از کاتُد به آنُد خواهد بود. معمولاً کارخانهٔ سازنده یک جریان کمینه Ik و یک جریان بیشینه مشخّص می‌سازد که تغییرهای جریان دیود زِنِر باید به آن محدود شوند. قابل توجّه است که مشخصهٔ دیود زِنِر در حالت بایاس مستقیم، مشابه دیودهای معمولی است. از دیود زِنِر، جهت تثبیت ولتاژ در تنظیم‌کنندههای ولتاژ استفاده می‌شود.

دیود خازنی (واراکتور)
هرگاه یک پیوند P-N به صورت معکوس بایاس شود، در حوالی پیوند یک ناحیهٔ تهی یا بار فضایی متشکّل از بارهای ساکن مثبت در طرف N و بارهای ساکن منفی در طرف P پدید می‌آید. با توجّه به اینکه در ناحیه‌های خنثای P و N، حامل‌های بار الکتریکی، آزادند و همانند رسانا عمل می‌کنند، می‌توان پیوند P-N را در این حالت به صورت خازنی مُدلسازی کرد که در آن، ناحیه‌های خنثی همانند دو صفحهٔ خازن، ناحیهٔ تهی (همانند عایق) را در میان گرفته‌اند.

چون عرض ناحیهٔ تهی با افزایش ولتاژ معکوس پیوند تغییر می‌کند، بنابراین خازن پیوند را می‌توان به عنوان یک خازن متغیّر با ولتاژ لحاظ کرد. ناگفته نماند که وقتی از رابطهٔ مزبور برای محاسبهٔ ظرفیّت خازنی استفاده می‌کنیم، درحقیقت فرض یکنواخت بودن میدان در عایق را پذیرفته‌ایم. می‌توان نشان داد که برای یک پیوند P-N با چگالی ناخالصی یکنواخت، ظرفیّت خازنی ناحیهٔ تهی با ولتاژ معکوس دو سر دیود، به صورت زیر ارتباط دارد.

ظرفیّت خازنی دیودهای معمولی در حدود چند پیکوفاراد است. دیودهایی که برای استفاده به عنوان یک خازن متغیّر منحصراً ساخته می‌شوند به «دیود خازنی» یا «دیود وَرَکْتور» مشهورند. این‌گونه دیودها همیشه به صورت معکوس بایاس می‌شوند. دیودهای خازنی معمولاً از جنس سیلیکون و برای ظرفیّت‌های نامی تا ۲۵۰۰pf ساخته می‌شوند. از دیود خازنی برای تنظیم ولتاژ مدارهای تشدید LC در نوسانگرها استفاده می‌شود.

دیود دالانه‌ای
تفاوت اساسی ساختمان «دیود دالانه‌ای» با دیودهای معمولی در چگالی بسیار بالای ناخالصی در نیمه‌رساناهای نوع P و N به‌کاررفته در آن است. چون عرض ناحیهٔ تهی با چگالی ناخالصی، نسبت عکس دارد؛ بنابراین در دیود دالانه‌ای، عرض ناحیهٔ تهیْ بسیار کمست و درحدود ۰٬۰۱ دیودهای معمولی می‌باشد. این دیود در ولتاژهای معکوس و ولتاژهای مستقیم کوچک، دارای مقاومت بسیار کوچکی است. از ویژگی‌های بارز دیود دالانه‌ای، داشتن مقاومت منفی در بخشی از مشخّصه‌اش می‌باشد. از ویژگی‌های دیود دالانه‌ای می‌توان قیمت ارزان، اغتشاش کم، سرعت زیاد و توان مصرفی کم آن را نام برد.

دیود نورگُسیل (LED)
دیودهای نورگُسیل معمولاً از بلور نیمرسانا گالیُم-آرْسِنیک ساخته می‌شوند. در بایاس مستقیم به دلیل ترکیب الکترون و حفره‌ها در لایه سد، نور تولید می‌شود؛ بنابراین لایه سد در این دیودها به منظور خروج نور نمی‌پوشانند. در بلور گالیم آرسنیک، بازده بازترکیب الکترون آزاد و حفره بسیار بیشتر از بلورهای سیلیکون یا ژِرْمانیُم است. نکتهٔ دیگر در مورد این بلور آنست که آزاد شدن انرژی در هر بازترکیب، به صورت تابش یک فوتون نوری است. در بلورهای سیلیکون و ژرمانیوم، این انرژی بشکل گرما تلف می‌شود و به نور تبدیل نمی‌شود. مشخصهٔ دیودهای نورگُسیل، مشابه دیودهای معمولی است. تنها تفاوت در ولتاژ آستانهٔ رسانش است که در دیودهای نورگُسیل فروسرخ تا سبز، مقدار آن از ۱٬۴ تا ۲٬۹ ولت تغییر می‌کند. دیودهای نورگُسیل، بشکل مستقیم بایاس می‌شوند. با افزایش جریان مستقیم، تولید فوتون‌های نوریْ زیادتر می‌شود و در نتیجه شدّت نور تابشی افزایش می‌یابد. امروزه دیودهای نورگُسیل برای نورهای قرمز، زرد، سبز، آبی و فروسرخ ساخته شده‌اند. دیودهای نورگُسیل در نمایشگرهای رقمی برای نمایش عددها یا حرف‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله موردهای مهمّ کاربرد دیودهای نورگُسیل فروسرخ، مخابرات تار نوری است.

دیود نوری
در این نوع دیود، جریان اشباع معکوس تقریباً متناسب با شدّت نور تابیده به سطح آن می‌باشد. این‌گونه دیود در واقع یک پیوند P-N معمولی است که داخل یک پوشش پلاستیکی که یک طرف آن شفّاف می‌باشد قرار گرفته‌است. دیود نوری به صورت معکوس بایاس می‌شود. با تابش فوتون‌های نوری به محلّ پیوند و جذب این فوتون‌ها توسّط الکترون‌های پیوندهای کوالانسی اتم‌های نیمرسانا، به تعداد حامل‌های اقلّیّت افزوده می‌شود و جریان این حامل‌ها تشدید می‌شود. معمولاً مشخصه جریان-ولتاژ دیودهای نوری توسّط کارخانهٔ سازنده داده می‌شود. در این مشخّصه‌ها تغییرهای جریان معکوس دیود برحسب ولتاژ معکوس دو سر آن به ازای مقدارهای گوناگون شار نوری نمایانده می‌شوند.

دیود گان
این دیود در اسیلاتورهای فرکانس بالا (مایکروویو) بکار می‌رود.

کاربرد

مهم‌ترین کاربرد عملی دیود، تبدیل جریان الکتریکی متناوب به مستقیم است. در بسیاری از آداپتورها جریان برقی که به‌وسیلهٔ ترانسفورماتور کاهش یافته‌است به کمک یک دیود (یکسوسازی نیم‌موج)، دو دیود (در ترانسفورماتور با ثانویهٔ سه‌سر) یکسوسازی تمام‌موج یا با چهار دیود (در ترانسفورماتور با ثانویهٔ دوسر) یکسوسازی تمام‌موج انجام می‌شود. توجّه داشته باشید که ولتاژ یکسو پس از این دیودها، بسامد ریپل به میزان دوبرابر فرکانس متناوب (در حالت تمام‌موج) را دارد و جهت مستقیم شدن کامل ولتاژ بایستی خازن صافی با ولتاژ مجاز، ظرفیّت بالا (با توجّه به مقدار جریان مصرفی) و با رعایت قطبیّت و پس از پُل-دیود نصب شود.

در گیرنده‌های AM مانند رادیو، دیودْ نقش آشکارساز را دارد چنان‌که 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 می‌شود تا یک طبقهٔ تقویت صورت گرفته باشد و دیود بِیْس-اِمیتِر ترانزیستور کار آشکارسازی را هم عملاً انجام خواهد داد.

در موردهای خاص، هنگامی که برای روشن کردن وسیله‌های الکتریکی تنها دسترسی به جریان الکتریکی مستقیم باشد برای جلوگیری از سوختن وسیلهٔ الکتریکی بر اثر اتّصال 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 سِری باشد به آن دیود یکسوساز می‌گویند؛ ولی اگر به صورت موازی با مصرف‌کننده و بشکل معکوس قرار گرفته باشد به آن «دیود محافظ در بایاس معکوس» می‌گویند. از نوعی دیود به نام «زِنِر» در ساخت نوعی تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده می‌شود.

1 دیدگاه درباره “دیودها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *