دیود یک قطعه الکترونیکی نیمه‌رسانا است که جریان الکتریکی را در یک جهت عبور می‌دهد اما در جهت مخالف آن را مسدود می‌کند. این قطعه الکترونیکی از دو سر به‌نام کاتد و آند تشکیل شده است، هنگامی که ولتاژ مثبت به آند (+) اعمال می‌شود، جریان به‌راحتی عبور کرده و دیود مانند یک کلید بسته عمل می‌کند، اما هنگام اعمال ولتاژ در جهت مخالف، دیود مانند یک کلید باز مانع عبور جریان می‌شود.
دیودها به‌عنوان جزء اساسی مدارهای الکترونیکی، برای یکسوسازی، مدولاسیون سیگنال، تنظیم ولتاژ و بسیاری موارد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه اصول کار دیود را بررسی خواهیم کرد.
اصول کار دیود
دیودها به‌عنوان یک نیمه‌رسانای دوسر برای کنترل جریان الکتریکی حائز اهمیت هستند. عملکرد اصلی آن‌ها عبور جریان در یک جهت و مسدود کردن آن در جهت مخالف است؛ این ویژگی که برای یکسو کردن جریان متناوب (AC) به‌صورت جریان مستقیم (DC) ضروری است، فرایند یکسوسازی نام دارد.
دیودها نقش مهمی در تنظیم ولتاژ ایفا می‌کنند. به‌عنوان مثال، دیودهای زنر می‌توانند با حفظ سطح ولتاژ ثابت در مدار از اجزای حساس در برابر نوسانات برق محافظت کنند و از آن‌ها به‌عنوان تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده می‌شود. اکثر دیودها برای ایمنی مدارهای الکترونیکی به‌کار می‌روند. در جهت هدایت جریان (جهت مستقیم)، دیود مقاومت ناچیزی دارد اما در حالت معکوس دارای مقاومت بالایی است.
مشخصه V-I دیود
منحنی V-I دیود، ناحیه بایاس مستقیم و معکوس را نشان می‌دهد. رابطه بین ولتاژ و جریان در نمودار بالا غیرخطی است. اگر به نمودار دقت کنید منحنی در دو جهت متقارن به‌نظر می‌رسد. اما درحقیقت مقیاس هر دو محورِ مثبت و منفی متفاوت است. در محور +y، مقیاس برحسب میلی‌آمپر است اما در محور منفی برحسب میکروآمپر.
مشخصه V-I دیود
دیود ایده‌آل چیست؟
در یک دیود ایده‌آل، هرگاه ولتاژ اعمال‌شده بین آند و کاتد مثبت باشد، دیود به‌صورت یک کلید بسته عمل می‌کند. اما اگر ولتاژ اعمال‌شده منفی باشد، به‌صورت یک کلید باز عمل خواهد کرد.
دیود ایده‌آل
بنابراین در اینجا دو حالت داریم:
حالت اول: اگر ولتاژ اعمال‌شده مثبت باشد، روی نمودار V-I خط عمودی خواهیم داشت (بایاس مستقیم).
حالت دوم: اگر ولتاژ اعمال‌شده منفی باشد، خط افقی در جهت منفی خواهیم داشت (بایاس معکوس).
ولتاژ آستانه دیود
به حداقل ولتاژ مورد نیاز برای هدایت جریان الکتریکی دیود در جهت مستقیم «ولتاژ آستانه» (Threshold Voltage) گفته می‌شود. زمانی که ولتاژ اعمال‌شده کمتر از ولتاژ آستانه باشد، دیود به‌صورت یک عایق عمل می‌کند و اجازه نمی‌دهد جریان قابل‌توجهی عیور کند. اما اگر ولتاژ از ولتاژ آستانه فراتر رود، دیود شروع به هدایت جریان خواهد کرد.
ازآنجا که معمولاً دیود از سیلیکون یا ژرمانیوم ساخته می‌شود، ولتاژ آستانه متغیر خواهد بود. برای سیلیکون این ولتاژ در محدوده 0.6 تا 0.7 ولت و برای ژرمانیوم حدوداً 0.3 ولت است. بنابراین، هنگامی که ولتاژ اعمال‌شده از این ولتاژ آستانه عبور کند، دیود مانند یک کلید بسته شروع به هدایت جریان خواهد کرد و قبل از آن هیچ جریانی اجازه عبور نخواهد داشت.
مشخصه‌های خطی تکه‌ای دیود
در اینجا مشخصه‌های واقعی یک دیود را به‌صورت مشخصه‌های خطی تکه‌ای تقسیم‌بندی کرده‌ایم. تا ولتاژ آستانه دیود را نارسانا فرض کرده و پس از آن مقداری مقاومت محدود خواهیم داشت.
مشخصه‌های خطی تکه‌ای دیود
ناحیه مستقیم: بایاس مستقیم در دیودها زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ اعمال‌شده در دیود منجر به شارش جریان از نیمه‌رسانای نوع P به نیمه‌رسانای نوع N شود.
ناحیه معکوس: در بایاس معکوس، عرض ناحیه تخلیه افزایش یافته و مانع عبور جریان می‌شود. درنتیجه، تنها یک جریان نشتی کوچک و معمولاً ناچیز از دیود عبور می‌کند.
ناحیه شکست: در ناحیه شکست، دیود در اثر یک بایاس معکوس با موجی ناگهانی در جریان که به‌دلیل از بین رفتن خواص عایق‌مانند اتفاق می‌افتد مواجه می‌شود.
پیوند PN در دیود
دیود از دو ماده نیمه‌رسانا تشکیل شده است که یکی از آن‌ها دارای حامل بار مثبت اضافی (نیمه‌رسانای نوع P) و دیگری حاوی حامل بار منفی اضافی (نیمه‌رسانای نوع N) است و هر دوی آن‌ها یک پیوند PN تشکیل می‌دهند. هنگامی که این مواد به هم متصل می‌شوند، مرزی ایجاد می‌کنند که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها مجدد با هم ترکیب شده و یک ناحیه به‌نام ناحیه تخلیه به‌وجود می‌آورند که در غیاب ولتاژ خارجی، جریان را محدود می‌کند. اعمال ولتاژ مستقیم، با کاهش این مانع اجازه عبور جریان را می‌دهد اما ولتاژ معکوس مانع را گسترده کرده و از جریان قابل‌توجه جلوگیری می‌کند.
پیوند PN در دیود
انواع دیودها
در این بخش، با انواع دیودها و نحوه عملکردشان آشنا می‌شویم. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، هر یک از دیودها در مدارهای الکترونیکی با نمادهای گوناگونی نمایش داده می‌شوند.
نماد انواع دیودها در مدارهای الکترونیکی
دیود یکسوساز
دیود یکسوساز اساساً برای تبدیل جریان متناوب AC به جریان مستقیم DC مورد استفاده قرار می‌گیرد.
دیود یکسوساز
دو نوع دیود یکسوساز وجود دارد: یکسوساز نیم‌موج و یکسوساز تمام‌موج.
یکسوساز نیم‌موج (Half Wave Rectifier): یکسوسازهای نیم‌موج تنها نیمی از موج AC را عبور می‌دهند که منجر به خروجی DC پالس‌زن می‌شود.
یکسوساز تمام‌موج (Full Wave Rectifier): این نوع یکسوساز بیشتر در پیکربندی‌های یکسوساز پل یافت می‌شود و هر دو نیم موج AC را به شکل غیرفعال ثابت یا صاف‌تر تبدیل می‌کند.
دیود زنر
«دیود زنر» (Zener Diode) یک نوع دیود منحصربه‌فرد است که برای عمل کردن در حالت بایاس معکوس طراحی شده است. برخلاف دیودهای معمولی که تا زمان رسیدن به نقطه شکستشان در برابر عبور جریان در جهت معکوس مقاومت می‌کنند، دیودهای زنر دارای یک ولتاژ شکست دقیق هستند. زمانی که ولتاژ معکوس اعمال‌شده در دیود زنر به این مقدار معین می‌رسد، بدون اینکه آسیبی وارد شود، جریان را عبور می‌دهد. همان‌طور که پیش‌تر هم اشاره شد، این ویژگی، دیود زنر را در نقش تنظیم‌کننده ولتاژ ارزشمند کرده است. درواقع، دیود زنر این اطمینان را حاصل می‌کند که مدار در برابر نوسانات ولتاژ ورودی آسیبی نمی‌بیند.
دیود زنر
دیود نورافشان (ال ای دی)
LEDها به‌عنوان یک تحول در دنیای دیودها علاوه‌بر عبور جریان در یک جهت، قادر به انتشار نور در بایاس مستقیم نیز هستند. تابش نور این نوع دیودها نتیجه «نورتابی الکتریکی» (Electroluminescence) است که در آن الکترون‌ها با حفره‌های الکترونی مجدد ترکیب شده و انرژی را به‌شکل فوتون آزاد می‌کنند. رنگ نور ساطع‌شده با استفاده از شکاف باند انرژی مواد نیمه‌هادی به‌کاررفته در LED تعیین می‌شود. LEDها، جایگزین‌های کم‌مصرف و بادوام منابع نور سنتی به‌شمار می‌روند و در چراغ‌های نشانگر دستگاه‌های الکترونیکی، روشنایی منازل و حتی صفحه نمایش تلویزیون‌ها کاربرد ویژه‌ای دارند.
دیود نورافشان (ال ای دی)
دیود لیزر پالسی (PLD)
«دیود لیزر پالسی» (Pulsed Laser Diode) پالس‌های نوری با شدت بالا منتشر می‌کند. برخلاف دیودهای لیزر موج پیوسته که پرتویی پیوسته از نور ساطع می‌کنند، PLDها تولیدکننده پالس‌های نوری شدید و کوتاه هستند. توانایی PLDها در تولید پالس‌های نوری سریع و دقیق منجر به کاربردهای گوناگون آن در زندگی امروزی شده است.
از کاربردهای اساسی آن‌ها می‌توان به سیستم‌های بردیاب و «لیدار» (LIDAR) اشاره کرد. درواقع، با تابش یک پالس نوری کوتاه و اندازه‌گیری زمان بازتاب آن از یک جسم، می‌توان فاصله تا جسم را با دقت تعیین کرد. این فناوری در وسایل نقلیه خودران که اندازه‌گیری فاصله زمانی واقعی برای جهت‌یابی و جلوگیری از برخورد ضروری است، حیاتی می‌باشد.
روشن و خاموش کردن سریع پالس نوری برای انتقال سریع داده‌ها از کاربردهای مهم PLDها در ارتباطات فیبر نوری است. در زمینه پزشکی نیز به‌کار بردن آن‌ها در ابزارهای تشخیصی گوناگون، آسیب به بافت‌های اطراف را به‌حداقل می‌رساند.
دیود لیزر پالسی (PLD)
آرایه‌های دیود
آرایه‌های دیود (Diode Arrays) مجموعه‌هایی هستند که حاوی چندین دیود در یک بسته واحدند. این آرایه‌ها برای ساده‌سازی طراحی مدار و صرفه‌جویی در فضا طراحی شده‌اند، به‌خصوص در مواقعی که به چند دیود با هم نیاز داریم. یکی از کاربردهای اصلی آرایه‌های دیود، محافظت از تجهیزات الکترونیکی حساس در برابر تخلیه الکتروستاتیک و افزایش ولتاژ است. زمانی که ولتاژ افزایش می‌یابد، آرایه دیود می‌تواند به‌سرعت ولتاژ اضافی را از اجزای حساس منحرف کرده و از آسیب احتمالی جلوگیری کند.
آرایه‌های دیود به‌دلیل نحوه طراحی و توانایی‌شان در کنترل چندین سیگنال به‌طور هم‌زمان، در الکترونیک مدرن از اهمیت زیادی برخوردارند.
آرایه‌های دیود
دیود تنظیم‌کننده جریان
دیودهای تنظیم‌کننده جریان که دیودهای جریان ثابت یا محدودکننده جریان نیز نامیده می‌شوند، به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که جریان ثابتی را در یک محدوده وسیع ولتاژ تأمین کنند. آن‌ها نوعی دیود زنر هستند که در ناحیه شکست عمل می‌کنند اما به‌جای حفظ ولتاژ ثابت، جریان ثابت را حفظ می‌کنند. این نوع دیودها معمولاً در شرایطی استفاده می‌شوند که صرف نظر از ولتاژ اعمال‌شده، جریان ثابتی مورد نیاز است، مانند مدارهای LED یا تقویت‌کننده‌های ترانزیستور بایاس‌شده.
دیود تنظیم‌کننده جریان
دیود PIN
دیود پین نوعی دیود با یک ناحیه نیمه‌هادی ذاتی عریض و آلاییده‌نشده بین نیمه‌هادی نوع N و نیمه‌هادی نوع P است. PIN مخفف لایه‌های P-Intrinsic-N است. این نوع دیودها به‌دلیل ویژگی منحصربه‌فردشان در سوئیچ سریع بین حالت مقاومت بالا و پایین، در فرکانس بالا به‌کار می‌روند. این ویژگی، دیودهای پین را برای تضعیف‌کننده‌ها، آشکارسازها و سوئیچ‌های RF ایده‌آل کرده است.
دیود PIN
دیود شاتکی
«دیود شاتکی» (Schottky Diode) که به‌افتخار فیزیک‌دان آلمانی «والتر اچ. شاتکی» (Walter H.Schottky) نام‌گذاری شده است، برخلاف دیود معمولی که دارای پیوند نیمه‌هادی-نیمه‌هادی است، پیوند فلز-نیمه‌هادی دارد. این ساختار خاص، سبب افت ولتاژ مستقیم کمتر و سوئیچینگ سریع‌تر می‌شود. دیودهای شاتکی معمولاً به‌دلیل کارایی و پاسخ سریعشان، به‌عنوان یکسوکننده در مدارهای منابع تغذیه سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
دیود شاتکی
دیود TVS
«دیود خنثی‌ساز ولتاژ گذرا» (Transient Voltage Suppressor) برای حفاظت از تجهیزات الکترونیکی حساس در برابر افزایش ولتاژ طراحی شده است. این نوع دیودها می‌توانند نسبت به افزایش ناگهانی ولتاژ خیلی سریع واکنش نشان دهند و از آسیب جلوگیری کنند. دیودهای TVS معمولاً در محافظ‌های نوسان برق یافت می‌شوند و از مدارها در برابر تخلیه الکتروستاتیکی، صاعقه و دیگر رویدادهای ولتاژ گذرا محافظت می‌کنند.
دیود TVS
دیود خازنی
«دیود خازنی» (Varactor Diode) عمدتاً در مدارهای تنظیم الکترونیکی به‌کار می‌رود. ویژگی این نوع دیودها، توانایی تغییر ظرفیت خازنی براساس ولتاژ اعمال‌شده به آن‌هاست. با تغییر ولتاژ در یک دیود خازنی، ظرفیت خازنی نیز تغییر یافته و امکان تنظیم الکترونیکی مدارها فراهم می‌شود.
دیودها با توجه به تنوعی که دارند، دارای کاربردهای گوناگونی نیز هستند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:
- تبدیل منبع تغذیه AC به DC (یکسوسازی)
- تنظیم ولتاژ
- ساخت بلوک‌ها در مدارهای دیجیتال (گیت منطقی)
- کنترل فرکانس
- حفاظت از مدار در برابر افزایش ولتاژ
- انتشار نور
- عملکرد در فرکانس‌های بالا (کاربردهای مایکروویو)
منابع:
Diode Definition, Types of Diodes, V-I Characteristics & Application (etechsparks.com)
What is a Diode? Exploring the Basics of Electronic Components (electropages.com)
