برق, قطعات الکترونیکی

آشنایی با انواع دیود و کاربرد آن

type od diode

دیود پرکاربردترین المان نیمه هادی در مدارهای الکترونیکی است. دیودها مانند یک شیر چک الکتریکی دو ترمینالی است که جریان را در یک جهت از خود عبور می دهد بعبارتی دیود یکی از المان های الکترونیکی است…

که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور میدهد و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بسیار بالایی نشان میدهد. درساخت آنها بیشتر از سیلیکون و گاهی ژرمانیوم ساخته شده اند. دیودها دارای خواص و ویژگی های متفاوتی هستند که می توانند برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند. امروزه انواع مختلفی از دیودها با خواص متفاوت در دسترس هستند.

 

دیودها

 

ساختار دیود

دیود اتصال P-N از مواد نیمه هادی  و از دو لایه نیمه هادی تشکیل شده است. یک لایه با مواد نوع P و لایه دیگر با مواد نوع N دوپ شده است. پایه ای که به نیمه هادی نوع N متصل است “کاتد” و پایه ای که به نیمه هادی نوع P متصل است “آند” نام دارد. ترکیب این لایه‌های نوع P و N پیوندی را تشکیل می‌دهد که به نام اتصال P-N شناخته می‌شود. از این رو دیود اتصال P-N نامگذاری شده است. دیود را از اتصال دو نیم رسانا از نوع N و P می سازند. پایه ای که به نیمه هادی نوع N متصل است “کاتد” و پایه ای که به نیمه هادی نوع P متصل است “آند” نام دارد. آنها همچنین به عنوان دیود یکسو کننده شناخته می شوند که برای یکسوسازی استفاده می شود.

اگر ولتاژ مثبت به آند و ولتاژ منفی به کاتد وصل شود، دیود در بایاس مستقیم قرار دارد و در صورتیکه میزان اختلاف ولتاژ بین آند و کاتد آن از ولتاژ آستانه دیود بیشتر باشد، دیود هدایت میکند.

دیود در مدارات الکتریکی کاربردهای زیادی دارد. تبدیل جریان الکتریکی متناوب به مستقیم، مهمترین کاربرد عملی دیود است. در بسیاری از آداپتورها، از یک یا چند دیود برای یکسوسازی جریان متناوب استفاده میشود. همچنین برای جلوگیری از سوختن وسیله الکتریکی بر اثر اتصال معکوس تغذیه از دیود استفاده میشود. علاوه بر این، دیودها در مدارات چند برابر کننده ولتاژ، مدارات برش دهنده و… نیز کاربرد دارند.

انواع دیود

دیود سیگنال کوچک

این یک نوع دیود اتصال P-N است که بر روی سیگنال های ولتاژ پایین کار می کند. منطقه اتصال آن بسیار کوچک است. به همین دلیل، اتصال دارای ظرفیت کمتر و ظرفیت ذخیره شارژ کم است. این دیود سیگنال کوچک را قادر می سازد تا سرعت سوئیچینگ بالایی با زمان بازیابی بسیار سریع داشته باشد. با این حال، محدودیت های آن پارامترهای ولتاژ و جریان پایین است.

دیود یکسوساز

این دیودها برای یکسوسازی یا یکطرفه کردن ولتاژ متناوب به کار میروند و در محدوده فرکانس کاری ۵۰ تا ۶۰ هرتز ساخته میشوند.

ولتاژ آستانه آن در نوع سیلیسیومی این دیودها حدود ۰.۷ ولت و در نوع ژرمانیومی آنها حدود ۰.۲ ولت است.

یکی از پرکاربردترین نوع این دیودها، دیودهای سری ۱N400X (از جمله ۱N4007) هستند که برای جریانهای پایین در حد ۱ آمپر کاربرد دارند. دیودهای سری ۱N540X (از جمله ۱N5408) نیز دیود یکسوکننده هستند و چون جریان بالاتری (تا ۳ آمپر) نسبت به سری ۱N400X دارند، در بخش یکسوسازی منابع تغذیه استفاده میشوند.

دیودیکسوساز، رایج ترین و پرکاربردترین نوع دیود است. این نوع دیودها می توانند جریان سنگین را تحمل کنند و در تبدیل AC به DC استفاده می شوند.

دیود زنر

دیود زنر به افتخار کلارنس مالوین زنر که اثر زنر را کشف کرد نامگذاری شده است.این دیود،  نه تنها جریان را در جهت جلو بلکه در جهت معکوس نیز می دهد. هنگامی که ولتاژ معکوس به ولتاژ شکست معروف به ولتاژ زنر می رسد، شارش جریان را اجازه می دهد. دیود زنر غلظت دوپینگ سنگین تری نسبت به دیود اتصال معمولی P-N دارد. از این رو، دارای یک منطقه تخلیه بسیار نازک است. در بایاس رو به جلو، به عنوان یک دیود اتصال P-N ساده (یکسو کننده) عمل می کند.

دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P و N ساخته میشود. جنس نیمه هادی های این دیود از سیلیسیوم بوده و در بایاس موافق، مانند یک دیود معمولی سیلیسیومی عمل می کند. برخلاف دیودهای معمولی که در بایاس مخالف و در منطقه شکست، آسیب می بینند، دیودهای زنر به گونه ای ساخته میشوند که بتوانند در منطقه شکست کار کنند.

در بایاس معکوس، تا زمانی که ولتاژ معکوس به شکست برسد، مسدود می شود. پس از آن، جریان را با افت ولتاژ ثابت اجازه می دهد.دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P و N ساخته میشود. جنس نیمه هادی های این دیود از سیلیسیوم بوده و در بایاس موافق، مانند یک دیود معمولی سیلیسیومی عمل می کند. برخلاف دیودهای معمولی که در بایاس مخالف و در منطقه شکست، آسیب می بینند، دیودهای زنر به گونه ای ساخته میشوند که بتوانند در منطقه شکست کار کنند.

وقتی ولتاژ بایاس مخالف دیود زنر را به تدریج افزایش دهیم، در یک ولتاژ خاص که به آن ولتاژ شکست دیود زنر می گویند، شروع به هدایت می کند. در واقع با رسیدن دیود زنر به نقطه شکست دیود، ولتاژ دو سر آن تقریبا ثابت می ماند و جریان عبوری از آن افزایش می یابد. از این خاصیت دیود زنر برای تثبیت ولتاژ استفاده میشود.

بنابراین دیود زنر نوع خاصی از دیود است که جریان را در دو جهت از خود عبور میدهد و اساسا برای کار در ناحیه شکست طراحی شده است. از این دیود، در مدارات تنظیم ولتاژ برای تولید ولتاژ رفرنس استفاده میشود. همچنین این دیود در مدارات برشگر، مدارات سوئیچینگ و مدارهای حفاظتی کاربرد دارد.

دیود اتصال نقطه ای

دیودهای معمولی در بایاس معکوس، یک ظرفیت خازنی درحدود پیکو فاراد ایجاد می کنند. اگر بخواهیم این دیودها را در فرکانس های بالا به کار ببریم، به دلیل ظرفیت خازنی در بایاس معکوس، مقاومت معکوس دیود کم شده و باعث عبور جریان از دیود میشود.

دیودها

برای کم کردن ظرفیت خازنی دیود، مناسبترین راه، کم کردن سطح اتصال هادی هاست. لذا سطح اتصال هادی ها در این نوع دیودها را به گونه ای می سازند که برای فرکانس های بالا و جریان های کم مناسب باشند.

یکی از پرکاربردترین این نوع دیودها، دیود ۱N4148 می باشد که در مدارات فرکانس بالایی که دیود لازم باشد، از آن استفاه میشود. این دیود البته برای جریان های پایین (تا ۲ آمپر) مناسب است. ظرفیت خازنی این دیود ۴ پیکوفاراد است در حالیکه دیودهای معمولی، چند ده پیکوفاراد خازن دارند.

دیود شاتکی

دیود شاتکی که به افتخار یک فیزیکدان آلمانی والتر اچ. شاتکی نامگذاری شده است، نوعی دیود است که از یک اتصال کوچک بین یک نیمه هادی نوع N و یک فلز تشکیل شده است. اتصال P-N ندارد. وجه تمایز دیود شاتکی با سایر دیود ها در توانایی سرعت قطع و وصل آنهاست، دیودهای معمولی نمی توانند خیلی سریع قطع و وصل شوند. در مداراتی که نیاز به دیود با سرعت قطع و وصل بالا وجود دارد از دیودهای شاتکی استفاده میشود.

این دیودها که به دیودهای Fast معروف هستند، دارای ولتاژ آستانه پایینتری نسبت به دیودهای معمولی هستند. همین عامل به این دیودها کمک میکند که در زمان کوتاهتری از وضعیت رسانایی به وضعیت نارسانایی انتقال یابند. این دیودها در منابع تغذیه سوئیچینگ و مبدل های الکترونیک قدرت که نیاز به سرعت قطع و وصل بالا وجود دارد، کاربردهای زیادی دارند. و بطور کلی، نکته مثبت دیود شاتکی این است که افت ولتاژ رو به جلو بسیار پایین و سوئیچینگ سریع دارد. از آنجایی که اتصال خازنی (اتصال P-N) وجود ندارد، سرعت سوئیچ دیود شاتکی بسیار سریع است. محدودیت دیود شاتکی این است که دارای ولتاژ شکست معکوس پایین و جریان نشتی معکوس بالا است.

دیودهای خانواده HER30X و MR85X و 1N58XX نمونه هایی از دیودهای شاتکی موجود در بازار هستند.

فتودیودها

فتودیود نوعی دیود اتصال P-N است که انرژی نور را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. عملکرد آن برخلاف LED است. در فتودیود یک دهانه مخصوص وجود دارد که اجازه می دهد نور وارد قسمت حساس آن شود. هنگامی که نور (ذرات فوتون) به محل اتصال PN برخورد می کند، یک جفت الکترون-حفره ایجاد می کند. این الکترون ها و حفره ها به صورت جریان الکتریکی خارج می شوند. برای افزایش کارایی آن از دیود اتصال پین استفاده می شود.

فتودیود در بایاس معکوس استفاده می شود و می توان از آنها در سلول های خورشیدی استفاده کرد.

 

دیودهای لیزر

دیود لیزر شبیه LED است زیرا انرژی الکتریکی را به انرژی نور تبدیل می کند. اما بر خلاف LED، دیود لیزری نور منسجمی تولید می کند. دیود لیزر از یک اتصال PIN تشکیل شده است که در آن الکترون و حفره ها در ناحیه ذاتی (I) با هم ترکیب می شوند. هنگامی که آنها ترکیب می شوند، یک پرتو لیزر تولید می کند.

دیودهای لیزر در ارتباطات نوری، نشانگر لیزری، درایوهای سی دی و چاپگر لیزری و غیره استفاده می شوند.

 

دیود خازنی (واراکتور)

اگر دو نیمه هادی P و N را به عنوان دو رسانا و لایه سد بین آنها را به عنوان ماده دی الکتریک در نظر بگیریم، این مجموعه یک خازن را تشکیل میدهد که در ناحیه تخلیه حدود چند پیکوفاراد است.

چون تشکیل این خازن، نتیجه وجود لایه سد در دیود است، این دیود همیشه باید در ناحیه بایاس معکوس باشد.

از این دیودها در جاهایی که نیاز به خازن کنترل شده با ولتاژ داریم استفاده میشود. با افزایش ولتاژ معکوس دو سر این دیودها، ظرفیت خازنی آنها کاهش می یابد. این دیود ها در مدارات رادیو و تلویزیون به عنوان خازن متغیر استفاده میشوند. همچنین در مدارات کنترل فرکانس برای تبدیل تغییرات ولتاژ DC به تغییرات فرکانس این نوع دیودها کاربرد دارند.

 

به عنوان نمونه هایی از این نوع دیودها میتوان به پارت نامبرهای زیر اشاره کرد:

BB103, BB135, BB187, 1SV55, 1S2688, HVU17, FC52M.

دیود تونلی

دیود تونل توسط لئو اساکی در سال 1958 اختراع شد و به همین دلیل در سال 1973 جایزه نوبل را دریافت کرد و به همین دلیل به دیود اساکی نیز معروف است.

دیود تونلی یک دیود اتصال P-N است که به شدت دوپ شده است. این بر اساس اصل اثر تونل زنی کار می کند. به دلیل غلظت زیاد دوپینگ، مانع اتصال بسیار نازک می شود. این به الکترون اجازه می دهد تا به راحتی از مانع فرار کند. این پدیده به عنوان اثر تونل زنی شناخته می شود.

دیود تونل دارای ناحیه ای در منحنی VI است که با افزایش ولتاژ جریان کاهش می یابد. این منطقه به منطقه مقاومت منفی معروف است. دیود تونل در این ناحیه در کاربردهای مختلفی مانند نوسان ساز و تقویت کننده مایکروویو عمل می کند.

دیود تونل همچنین جریان را در جهت معکوس هدایت می کند و یک دستگاه سوئیچینگ سریع است.

بکوارد دیود

بکوارد دیود، یک دیود اتصال P-N است که عملکرد آن مشابه دیود تونل و دیود زنر است. اما ولتاژ کار بسیار کمتر است.یک دیود بکوارد اساساً یک دیود تونلی است که یک طرف اتصال آن غلظت دوپینگ نسبتاً کمتری نسبت به طرف دیگر دارد. در بایاس رو به جلو، به عنوان یک دیود تونلی عمل می کند اما اثر تونل زنی آن در مقایسه با دیود تونلی بسیار کاهش یافته است. در غیر این صورت، به عنوان یک دیود اتصال معمولی P-N عمل می کند.در بایاس معکوس، به عنوان یک دیود زنر عمل می کند اما ولتاژهای شکست بسیار کمتر است. می توان آن را برای یکسوسازی یک سیگنال ولتاژ کوچک (0.1 تا 0.6v) استفاده کرد. با توجه به سرعت سوئیچینگ سریع می توان از آن به عنوان سوئیچ در میکسر و ضرب کننده RF استفاده کرد.

دیود بهمنی

دیود بهمنی یک دیود اتصال P-N است که به طور خاص برای عملکرد در منطقه شکست بهمن طراحی شده است.

شکست بهمن پدیده ای است که در آن ولتاژ معکوس کافی به اتصال P-N اعمال می شود. به همین دلیل، حامل اقلیت یونیزه می شود و جریان سنگینی را در جهت معکوس شروع می کند. دیود بهمن از نظر الکتریکی مشابه دیود زنر عمل می کند. با این حال، غلظت دوپینگ دیود زنر در مقایسه با دیود بهمنی نسبتاً بالاتر است. دوپینگ شدید داخل دیود زنر یک اتصال کوچک ایجاد می کند و ولتاژهای پایین به راحتی می توانند آن را بشکنند. با این حال، دیود بهمن به دلیل غلظت دوپینگ سبک، اتصال گسترده ای دارد. بنابراین، برای خرابی خود به ولتاژ بالایی نیاز دارد. این اتصال عریض آن را در مقایسه با دیود ساده زنر، محافظ برق بهتری می کند.

دیود دوپ شده طلا(Gold Doped Diode)

در این نوع دیودها از طلا یا پلاتین به عنوان ماده دوپینگ استفاده می شود. این دیود را قادر می سازد تا با سرعت سوئیچینگ سریع اما به قیمت افزایش افت ولتاژ پیشروی کار کند. همچنین جریان نشتی معکوس آن بیشتر از دیود معمولی اتصال P-N است.

گان دیود

دیود گان AKA “دستگاه الکترونی انتقال یافته” (TED) نوعی دیود است که مانند دیود تونلی مقاومت منفی دارد. این نام از یک فیزیکدان بریتانیایی J.B Gunn گرفته شده است که “اثر تفنگ” را در سال 1962 کشف کرد. دیود Gunn اتصال P-N ندارد. در واقع، فقط از مواد نوع N تشکیل شده است، به همین دلیل است که AC را اصلاح نمی کند یا مانند یک دیود معمولی کار نمی کند. همچنین به همین دلیل است که بسیاری از مردم آن را به جای دیود “دستگاه الکترون انتقال یافته” (TED) می نامند.

از سه لایه N تشکیل شده است. دو تا از آنها که در سمت ترمینال هستند غلظت دوپینگ بالاتری دارند در حالی که لایه نازک میانی غلظت دوپینگ سبک تری دارد.

هنگامی که ولتاژ به دیود Gunn اعمال می شود، در ابتدا جریان آن با افزایش ولتاژ افزایش می یابد. در ولتاژ بالاتر، مقاومت لایه میانی با افزایش ولتاژ شروع می شود. منجر به سقوط جریان جریان می شود. این ناحیه مقاومت منفی است و دیود Gunn در این منطقه کار می کند. دیود Gunn در یک نوسان ساز برای تولید امواج مایکروویو با فرکانس بالا استفاده می شود.

type of diode

منبع: Breaking News

 

دیدگاهتان را بنویسید

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