دیود چگونه کار می کند؟

 دیودها کاربردهای فراوانی در مدارات الکترونیکی دارند، آنها می‌توانند جریان الکتریسیته را رگوله کنند، ولتاژ ثابتی را بوجود بیاورند و آن را حفظ کنند و سیگنال ها را از امواج رادیویی استخراج کنند. ابتدا خواص مواد نیمه هادی مورد استفاده در دیودها را بررسی می کنیم.

مواد بر اساس توانایی در هدایت جریان الکتریکی، به 3 گروه رسانا، نیمه هادی و عایق دسته بندی می‌شوند. همانطور که از نام نیمه رسانا پیداست، موادی هستند با خواصی مابِین رساناها که الکتریسیته را به خوبی هدایت می‌کنند و عایق‌ها که الکتریسیته را از خود عبور نمی‌دهند. 

لیون الکترونیک (فروشگاه قطعات الکترونیک ) در این مقاله شما را با دیود و انواع آن آشنا میکند:

 نیمه هادی‌ها بر خلاف مواد رسانا، الکترون‌های آزاد بسیار کمی دارند و بسته به جهت جریان می‌توانند به رسانا یا عایق تبدیل شوند. نیمه هادی‌ها بر اساس تفاوت در ساختار فیزیکی به نیمه هادی های نوع p و نیمه هادی های نوع n تقسیم می شوند: نیمه هادی های نوع p آنهایی هستند که در لایه ظرفیت اتم خود دچهر کمبود الکترون هستند.

عناصر چهار ظرفیتی، مانند سیلیکون مخلوط شده با یک ناخالصی سه ظرفیتی مانند بور یا گالیم، باعث ایجاد نیمه هادی‌های نوع p می‌شود. این نوع نیمه هادی دارای حفره‌ بیشتری نسبت به الکترون هستند که به جریان اجازه می دهد از حفره‌ای به حفره دیگر جریان یابد.

مقاله پیشنهادی لیون الکترونیک : دیود tvs چیست و چگونه کار می کند 

از آنجا که این مواد فاقد الکترون آزاد هستند، دارای بار مثبت در نظر گرفته می‌شوند. نیمه هادی های نوع N، دارای یک الکترون آزاد در لایه ظرفیت خود هستند. عناصر چهار ظرفیتی، مانند سیلیکون مخلوط شده با یک ناخالصی پنج ظرفیتی مانند فسفر، باعث بوجود آمدن نیمه هادی‌های نوع n می‌شود. از آنجایی که این نیمه هادی‌ها یک الکترون اضافی در ساختار خود دارد، به آن‌ها نیمه هادی نوع منفی گفته می‌شود.

در دیود PN، الکترود متصل به نیمه هادی نوع p را آند (A) و الکترود متصل به نیمه هادی نوع n را کاتد (K) می نامند. (تصویر 1)

 

تصویر: 1، 2 و 3

هنگامی که یک نیمه هادی از نوع پیوند n (دارای الکترون اضافی) و p (دارای حفره اضافی) به شکل زیر به یک باتری متصل شود. یعنی قطب منفی باطری به آند و قطب مثبت آن را به کاتد یک دیود PN متصل کنیم، الکترون‌های نیمه هادی به سمت آند جذب می شوند و یک منطقه تهی در منطقه ایجاد می‌شود، در نتیجه، جریانی در مدار جاری نمی‌گردد و دیود مانند یک عایق عمل می‌کند (تصویر 2).

برعکس، اگر قطب مثبت را به  آند و قطب منفی را به کاتد وصل کنیم، عرض ناحیه تهی کم شده و الکترون‌ها و حفره‌ها به هم نزدیک می‌شوند، و مسیر حرکت الکترون‌ها از طریق حفره‌ها از سمت کاتد به آند باز می‌شود . الکترون‌ها می‌توانند حرکت کنند و جریان الکتریسیته را جاری کنند. (شکل 3)

همان گونه که در بالا توضیح داده شد، دیودها دارای خاصیت رسانایی الکتریسیته فقط در یک جهت ثابت هستند. دیودهای ساطع کننده نور (LED) که در اطراف خود می بینیم، به گونه ای طراحی شده اند که هنگام عبور جریان الکتریسیته از اتصالPN ، نور ساطع کنند.

خرید انواع دیود و یکسوساز از فروشگاه اینترنتی قطعات الکترونیک لیون 

 کاربرد دیودها در مدارات الکترونیک

در مدارات الکترونیک دیودها که یکی از پرکاربردترین قطعات الکترونیک هستند، دارای 4 کاربرد اصلی هستند

1) یکسوسازی

در منابع جریان متناوب، جهت جریان دائما در حال تغییر است. اما با استفاده از دیودها می‌توانیم کاری کنیم که جزیان الکتریسیته فقط در یک جهت جریان پیدا کند. با استفاده از دیودها ما فقط جریان رو به جلو را از جریان AC استخراج می‌کنیم. این عمل به عنوان یکسوسازی دیود شناخته می شود.

2) تشخیص امواج رادیویی

دیودها در استخراج سیگنال های صوتی از امواج رادیویی نقش دارند. این کار با نام تشخیص موج شناخته می شود. امواج رادیویی از ترکیب سیگنال های فرکانس بالا که برای ایجاد بستر ارتباط استفاده می شوند با سیگنال‌های فرکانس پایین مانند صدا ایجاد می شوند. 

3) کنترل ولتاژ

به طور معمول، دیودها جریان را فقط در یک جهت عبور می‌دهند. با این حال، هنگامی که ولتاژ در جهت مخالف از مقدار معینی بیشتر شود و پدیده شکست رخ دهد، جریان شروع به جاری شدن می کند. و حتی اگر  مقدار جریان افزایش یابد، ولتاژ آن  تغییر نمی کند.

 به این پدیده، پدیده شکست و ولتاژی که در اثر این پدیده رخ می دهد «ولتاژ شکست» یا «ولتاژ زنر» می گویند. از این پدیده در برای کنترل ولتاژ با دیود استفاده می شود و دیودهایی که برای این منظور استفاده می شوند دیودهای زنر نامیده می شوند.

4) تبدیل

هنگامی که نور به یک اتصال PN برخورد می کند، الکترون های سمت N پیوند در نزدیکی محل اتصال حرکت می‌کنند. در نتیجه، تا زمانی که نور به پیوند بتابد، الکتریسیته می‌تواند به جریان خود ادامه می دهد. این پدیده اصول کار یک سلول خورشیدی را بیان می‌کند.

در این پدیده وقتی ولتاژی از بیرون به دیود اعمال نشود، باعث می‌شود دیود مانند یک باتری عمل کند، اما زمانی که ولتاژ از بیرون به دیود اعمال شود، به عنوان یک تریگر عمل می کند و باعث می‌شود دیود هدایت کند. برخی از دیودها به نور مرئی و برخی دیگر به نور نامرئی پاسخ می دهند. از این مکانیسم در قسمت دریافت کننده سیگنال در  دستگاه کنترل از راه دور مادون قرمز استفاده می شود.

 انواع دیود

دیودها دارای انواع مختلفی هستند. موارد زیر متداول‌ترین انواع دیود می‌باشند: 

دیودهای سیلیکونی

رایج ترین نوع دیود نوع سیلیکونی هستند و اغلب به عنوان دیودهای یکسو کننده نامیده می شود. 

دیودهای ژرمانیوم

مشابه دیودهای سیلیکونی، این دیودها از ترکیب نیمه هادی نوع N و  P تشکیل می‌شوند، آنها به دلیل ولتاژ شکست کم در حالت مستقیم اغلب برای تشخیص امواج استفاده می شوند، به ویژه در شرایطی که جریان ایجاد شده بسیار کوچک و در محدوده  0.1 میلی آمپر است. با این حال، امروزه دیودهای شاتکی به دلیل هزینه بالای ژرمانیوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. 

دیود شاتکی

این دیود با اتصال فلز و نیمه هادی ها ساخته می شود. این دیودها در مقایسه با دیودهای سیلیکونی دارای ویژگی های سوئیچ بهتری هستند و بنابراین در مدارهای پرسرعت مورد استفاده قرار می گیرند.

اگر می خواهید همه چیز در مورد دیود شاتکی را بدانید بهتر است مقاله دیود شاتکی چیست را مطالعه کنید. 

دیود سوئیچینگ

این دیود برای باز و بسته کردن مدار، مانند کلید استفاده می شود. هنگامی که ولتاژ در جهت مستقیم اعمال می‌گردد، دیود روشن می شود و هنگامی که ولتاژ در جهت معکوس اعمال می شود خاموش می‌شود.

دیود تونلی

این دیود از اثر تونل زنی که توسط لئونا اساکی برنده جایزه نوبل کشف شده است استفاده می کند. اثر تونل ‌زنی یکی از ویژگی‌های دیودهای اتصال PN است که غلظت ناخالصی بالایی دارند و به دلیل اثرات مکانیکی کوانتومی به جریان اجازه عبور می‌دهند. با توجه به زمان پاسخ بسیار سریع در این دیودها، از آنها برای تولید امواج مایکروویو استفاده می‌شود.

دیود ساطع کننده نور (LED)

در این نوع دیود زمانی که جریان از محل پیوند PN عبور می‌کند، حفره ها و الکترون ها در نیمه هادی نوع p ترکیب می‌شوند و انرژی به صورت نور آزاد می‌شود.  

دیود زنر

این دیود برای اعمال ولتاژ در جهت مخالف جهتی که جریان به طور معمول در آن جریان دارد استفاده می شود. و برای به ایجاد ولتاژ ثابت و محافظت از مدار در برابر اضافه ولتاژ استفاده می‌شود.

اگر می‌خواهید اطلاعات بیشتری از دیود زنر کسب کنید، بهتر است مقاله دیود زنر چیست را مطالعه کنید.