آشنایی با دیود Diode

با نام و یاد خداوند بزرگ.امروز هم با یک آموزش دیگر از دوره آموزش مبانی الکترونیک در خدمت شما هستیم. قصد داریم در این آموزش با یک قطعه پرکاربرد و مهم به نام دیود آشنا شویم سپس چندین نوع دیود مثل دیود زنر ، دیود شاتکی را معرفی می کنیم و به صورت تصویری عملکرد دیود را به نمایش می گذاریم . امیدواریم تا پایان این جلسه ما را همراهی کنید.

دیود چیست؟

یک عنصر نیمه هادی است که در اکثر دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود و عملکرد آن به این شکل می باشد که جریان را فقط از یک سمت عبور می دهد.

نحوه ساخت دیود

همانطور که قبلا هم گفتیم عناصر الکترونیکی شامل سه نوع هادی(رسانا) ، نیمه هادی و  غیرهادی(نارسانا) هستند.

عناصر نیمه هادی در حالت عادی الکترون از خود عبور نمی دهند و عایق می باشند مگر اینکه در اثر حرارت یا ارتعاش یا افزودن ناخالصی ،رسانا شوند و الکترون از خود عبور می دهد.

به فرض مثال یک اتم si سیلیسیم را در نظر بگیرید که در لایه آخرش 4 تا الکترون دارد وقتی به آن انرژی گرمایی اعمال می شود یک الکترون از دست می دهد و به جای الکترون حفره به وجود می آید.

در صورتی که عنصر نیمه هادی سیلیسیم si را با اتم آرسنیک  As ناخالص کنیم که در لایه آخرش 5 الکترون دارد، نتیجه پیوند این دو عنصر، یک الکترون آزاد می شود و درصورتی که si را با اتم B ناخالص کنیم که در لایه آخرش 3  الکترون دارد ، نتیجه این پیوند یک حفره می شود یعنی یک الکترون کم داریم و جای آن خالی است.

با توجه به این مواردی که بیان شد، با اضافه کردن ناخالصی به یک عنصر نیمه هادی مثل si می توانیم الکترون آزاد (بار منفی) یا حفره ایجاد کنیم (بار مثبت)

• به قسمتی از ماده سیلیسیم که ناخالصی 3 الکترونی اضافه کردیم و حفره ایجاد شد ناحیه positive یا مثبت گویند (تعداد الکترون ها خیلی کم می باشد و حفره(جای خالی الکترون) زیاد می باشد )
• و به قسمتی از ماده سیلیسیم که ناخالصی 5 الکترونی اضافه کردیم و الکترون ایجاد شد ناحیه منفی یا negative گویند. (تعداد الکترون ها خیلی زیاد است)

اگر در شرایط خاصی این دو ترکیب یا این دو ناحیه مثبت و منفی به هم جوش بخورند و با هم ترکیب شوند ،بارهای مثبت به سمت مرکز اتصال- نزدیک به ناحیه منفی N منتقل می شوند و بارهای منفی هم به سمت مرکز اتصال- نزدیک به ناحیه مثبت P منتقل می شوند. این انتقال و دریافت الکترون و حفره تا زمانی انجام می شود که حالت تعادل ایجاد شود در این صورت  ناحیه ای در مرکز این پیوند ایجاد می شود به نام ناحیه تخلیه یا لایه سد که اجازه عبور و حرکت هیچ باری را نمی دهد.

نتیجه: با وجود لایه سد، دو ناحیه P و N هیچ ارتباط و کنشی روی هم دیگر ندارند (حالت تعادل) و تنها در لحظه اول اتصال این دو ناحیه، انتقال الکترون و حفره انجام می شود.

نتیجه ی پیوند دو نیمه هادی، باعث ایجاد دو ناحیه مثبت P و منفی N شد که به این قطعه دیود گویند.

دیود و عملکرد آن

همانطور که گفتیم با وجود لایه سد، ناحیه P و N هیچ ارتباطی با هم ندارند و هیچ جابجایی الکترونی هم صورت نمی گیرد. درصورتی این ناحیه سد شکسته می شود  و الکترون از ناحیه N به ناحیه P جابه جا می شود که فشاری به این ناحیه سد وارد شود.

 چطور می توانیم این فشار را به دو سر دیود اعمال کنیم و ناحیه سد را بشکنیم؟ در صورتی که به دو سر دیود (p و n) ولتاژ اعمال کنیم، قطب مثبت منبع تغذیه را به ناحیه P و قطب منفی منبع تغذیه را به ناحیه N وصل کنیم در این صورت الکترون به ناحیه N و بار مثبت به ناحیه P اضافه می شود و در اثر فشاری که به این دو ناحیه وارد می شود لایه سد شکسته می شود و الکترون ها عبور می کنند .

دیود یک نیمه هادی است که ناحیه P و N دارد ( براساس پیوندهایی که گفته شد) ناحیه ای که الکترون زیادی دارد ، قطب منفی یا کاتد N و ناحیه ای که حفره زیادی دارد قطب مثبت یا آند P گویند. این دو ناحیه P و N در حالت تعادل هیچ جابه جایی الکترونی ندارد تا زمانی که ولتاژ به دو سر دیود اعمال شود در این صورت دیود فقط جریان را از یک سمت عبور می دهد آن هم از سمت آند به سمت کاتد.

نکته: جریان قراردادی در دیود از سمت آند به سمت کاتد می باشد.

توجه: ولتاژ ناحیه سد در حالت عادی 0.7 ولت می باشد یعنی اگر دیود را خارج از مدار با اهم متر ولتاژ گیری کنیم ولتاژی معادل 0.7 ولت نشان می دهد البته بسته به نوعش. بسته به اینکه دیود از چه عنصری ساخته شده این ولتاژ سد متفاوت است مثلا ولتاژ لایه سد دیودهای ژرمانیوم 0.3 ولت می باشد.

بایاس مستقیم و معکوس (Forward & Reverse Biasing)

با توجه به توضیحات بالا دو تا اصطلاح برای دیود داریم “بایاس مستقیم” و “بایاس معکوس” که در ادامه به آن ها می پردازیم.

بنابراین اگر سر P -آند دیود را به قطب مثبت منبع تغذیه و سر N-کاتد دیود را به قطب منفی منبع تغذیه وصل کنیم، ناحیه سد فشرده و شکسته می شود و جریان از دیود عبور می کند. اصطلاحا به این حالت بایاس مستقیم گویند.

اگر سر P -آند دیود را به قطب منفی منبع تغذیه و سر N-کاتد دیود را به قطب مثبت منبع تغذیه وصل کنیم ناحیه سد بزرگتر می شود و هیچ جریانی عبور نمی کند. اصطلاحا به این حالت بایاس معکوس گویند.

نتیجه: اگر ولتاژ آند از کاتد بیشتر باشد(ولتاژ دیود بیشتر از 0 باشد) جریان از دیود عبور می  کند.

 نتیجه: عملکرد دیود مانند یک کلید است که در ابتدا قطع می باشد و جریانی عبور نمیدهد و به محض شکسته شدن ناحیه سد وصل شده و جریان را عبور می دهد.

توجه: در تصویر زیر شماتیک دیود هم مشاهده می کنید.

انواع دیودها

در ادامه چندین نوع پرکاربرد دیود را نام می بریم و مفصل به توضیح آن ها می پردازیم:

• دیود معمولی یا PN
• دیود زنر
• دیود شاتکی
• دیود نورانی یا LED

دیود معمولی- دیود پیوند PN

خب مواردی که تاکنون گفتیم فقط برای یک دیود ایده آل صدق می کند، یعنی در بایاس مستقیم جریان را عبور دهد و در بایاس معکوس هیچ جریانی عبور ندهد .در حالی که دیودهای واقعی که ما با آن ها سرو کار داریم ،دقیقا به این شکل عمل نمی کنند . در واقع دیود واقعی در بایاس معکوس نمی تواند جلوی تمام جریان عبوری را بگیرد و در بایاس مستقیم هم به مقدار ولتاژ خاصی نیاز دارد تا جریان را عبور دهد.

نمودار دیود معمولی

نمودار دیود بیانگر ولتاژ و جریان عبوری از دیود می باشد در تصویر زیر می توانیم عملکرد یک دیود معمولی را مشاهده کنیم:

قبلا گفتیم که ناحیه سد ولتاژی دارد مثلا ولتاژ ناحیه سد دیود از جنس سیلسیم ، معادل 0.7 می باشد و دیود ژرمانیم 0.3 ولت .

طبق نمودار دیود معمولی PN، زمانی که ولتاژی بیشتری از ولتاژ ناحیه سد  (0.7 یا 0.3) به دو سر دیود اعمال می شود، ناحیه سد شکسته می شود و دیود در بایاس مستقیم قرار می گیرد(یعنی ولتاژ آند از کاتد بیشتر است) و دیود اتصال کوتاه می شود و جریان را از خود عبور می دهد.

و زمانی که دیود معمولی PN، در بایاس معکوس قرار می گیرد (یعنی ولتاژ آند از کاتد کمتر است)، مقدار خیلی ناچیزی جریان را عبور می دهد(جریان نشتی)و اما اگر ولتاژ معکوس از یک مقداری (اصطلاحا ولتاژ شکست Vbr) بیشتر شود دیود داغ شده و توانایی سد کردن آن را ندارد و می سوزد. مثلا دیود 1N5408 می تواند تا 1000 ولت در بایاس معکوس را تحمل کند.

نکته: قسمت منفی یا کاتد دیود با یک خط سفید مشخص شده است.

نکته: در حین تعمیر اگر به دیودی برخوردیم که سوخته بود و قصد تعویض آن را با یک مدل مشابه داریم باید به این نکته توجه کنیم که دیود قبلی تا چه مقدار ولتاژ معکوس را تحمل می کرده است.

نحوه تست دیود معمولی

نحوه تست دیود معمولی هم در تصویر زیر مشاهده می کنید.

مولتی متر را روی تست دیود تنظیم می کنیم:

در بایاس مستقیم یعنی پراپ قرمز به پایه آند و پراپ منفی به پایه کاتد می زنیم: مولتی متر تا 0.8 ولت عدد نمایش می دهد. در بایاس معکوس یعنی پراپ قرمز به پایه کاتد و پراپ منفی به پایه آند می زنیم: عدد 1 یا OL (اتصال باز-open line) نمایش می دهد.

و اگر مولتی متر روی تست اهم تنظیم شود و پراپ قرمز به پایه آند و پراپ منفی به پایه کاتد بزنیم مولتی متر عدد صفر را نمایش میدهد یعنی در بایاس مستقیم مقاومت 0 است و در بایاس معکوس مولتی متر OL نمایش میدهد یعنی مقاومت آن بی نهایت است.

دیودی که سوخته باشد اتصال کوتاه میشود و مولتی متر روی تست اهم، عدد صفر نشان می دهد.

دیود زنر

دیودی است که ولتاژ مشخصی دارد و هم در بایاس مستقیم و هم در بایاس معکوس جریان را عبور می دهد.(در حالی که دیود معمولی فقط در بایاس مستقیم جریان را عبور می دهد)

بایاس مستقیم: اگر سر P -آند دیود زنر را به قطب مثبت منبع تغذیه و سر N-کاتد دیود زنر را به قطب منفی منبع تغذیه وصل کنیم، جریان از پایه آند به سمت پایه کاتد آن عبور می کند.

 بایاس معکوس: اگر سر P -آند دیود زنر را به قطب منفی منبع تغذیه و سر N-کاتد دیود زنر را به قطب مثبت منبع تغذیه وصل کنیم، زمانی که ولتاژ منبع تغذیه از مقدار عدد نوشته شده روی دیود بیشتر شود(Vz) ،دیود زنر جریان را در جهت معکوس از کاتد به آند عبور می دهد و ولتاژ دو سر دیود هم به مقدار عدد نوشته شده روی آن (Vz) افت می کند.( در حالی که در دیود معمولی ولتاژی به نام ولتاژ شکست Vbr داشتیم و اگر ولتاژ اعمال شده از این مقدار عبور می کرد دیود معمولی می سوخت.

همانطور که از نمودار این مدل دیود هم مشخص است به جای ولتاژ شکست (Vb) ولتاژ زنر (Vz) داریم:(در تصویر زیر دیود زنر و نحوه نمایش آن در شماتیک را مشاهده می کنید)

نکته: دیود زنر با نام ZD روی برد شناخته می شود و دیود معمولی با نام D

مثال) مدار زیر را در نظر بگیرید همانطور که مشخص است دیود در بایاس معکوس قرار گرفته و ولتاژ خروجی دقیقا برابر با ولتاژ دیود زنر می باشد در واقع باقی ولتاژ منبع تغذیه روی مقاومت قرار میگیرد.مثلا اگر منبع تغذیه 12 ولت باشد و ولتاژ دیود زنر 5 ولت باشد در این صورت در خروجی ولتاژ 5 ولت ثابت را داریم.

**دیود زنر در بایاس معکوس ، کاتد، مثبت و آند، منفی می شود.

نکته:بنابر خصوصیاتی که دیود زنر دارد می توان از آن به عنوان ” تنظیم کننده ولتاژ ” استفاده کرد.

نکته: توجه داشته باشید که دیود زنر هم تا حدی ولتاژ مشخص را تحمل می کند و اگر از مقدار خاصی بیشتر شود می سوزد.

نکته: روش تست دیود زنر در خارج از مدار دقیقا مشابه دیود معمولی می باشد.

توجه:مقدار ولتاژ دیود زنر یا به صورت واضح روی آن حک شده است مثلا :

5.1 = 5.1V

5V1=5.1 V

یا در بعضی موارد مقدار آن مشخص نیست که باید با سرچ در اینترنت به مقدار ولتاژ آن پی ببرید مثلا:

BZX85C22

1N4746

دیود شاتکی-Schottky Diode

قبلا گفتیم که  ولتاژ ناحیه سد حدود 0.7 ولت می باشد و باید ولتاژی بیشتر از 0.7 به دو سر دیود اعمال شود تا  ناحیه سد شکسته شود و جریان عبور کند . اما دیود شاتکی نوعی از دیودهای نیمه هادی است که مقدار ولتاژ کمتری برای شکست ناحیه سد نیاز دارد بنابراین سرعت کلید زنی یا سوئیچینگ بسیار بالایی دارد.

نکته: تست این مدل دیود هم مشابه دیود معمولی می باشد .

نکته: افت ولتاژ دیود معمولی 0.7 ولت تا 1.7 ولت می باشد ولی دیود شاتکی حدود 0.2 تا 0.4 ولت می باشد بتابراین این افت ولتاژ پایین تر در دیود شاتکی باعث سرعت کلیدزنی بالاتر و بازدهی بهتری می شود.

نکته: تفاوت دیگری که دیود شاتکی با دیود معمولی دارد در طرز ساخت آن می باشد. همانطور که گفتیم دیود معمولی از ترکیب دو نیمه هادی نوع N و P ساخته می شود ولی دیود شاتکی از ترکیب نیمه هادی نوع N با یک فلز مانند الومینیوم ساخته می شود. به دلیل همین خصوصیت سرعت کلید زنی بالا برای یکسوسازی بسیار استفاده می شود.

نکته : در فرکانس های پایین مثلا 50 هرتز از دیود معمولی و برای فرکانس های بالا مثلا 1 کیلو هرتز از دیود شاتکی استفاده می شود.

تصویر زیر اشکال مختلف این دیودها را نشان می دهد:

یکی از مدل های موجود در تصویر 3 پایه می باشد که دو پایه طرفین آند و پایه وسط کاتد می باشد و این مدل در پاور بسیار کاربرد دارد.

دیود نورانی یا LED

دیودی است مشابه دیود معمولی که دارای یک پایه آند و یک پایه کاتد می باشد و ناحیه سد از جنس شفافی ساخته شده تا با عبور الکترون ها از آن روشن شود .

یکی از کاربردهای این مدل دیود ، استفاده از آن ها در بک لایت تلویزیون می باشد که به 3.3 ولت نیاز دارند تا نور منعکس کنند.

تست دیود نورانی

وقتی پراپ قرمز به آند و پراپ منفی به کاتد زده می شود باید LED روشن شود ولی برعکس حرف OL را می اندازد.

مثال

مدار زیر را در نظر بگیرید که جریان متناوب AC وارد می شود و دیود فقط در سیکل های مثبت ولتاژ، جریان را عبور می دهند(بایاس مستقیم) اما در سیکل های منفی ،چون جهت ولتاژ معکوس می شود و دیود در حالت بایاس معکوس قرار می گیرد جریان را عبور نمیدهد و تصویر ولتاژ خروجی به شکل زیر خواهد بود:

نتیجه: پس یکی دیگر از کاربرد های دیود استفاده از آن به عنوان “یکسوکننده نیم موج” می باشد. یعنی نیم سیکل مثبت را عبور می دهد و نیم سیکل منفی را قطع می کند.

مثال 

مدار زیر را در نظر بگیرید:

طبق شکل شماره 1) در نیم سیکل مثبت ، قطب + ولتاژ وارد آند D1 و قطب منفی ولتاژ وارد کاتد D2 می شود و جریان طبق شکل 1 وارد مدار می شود . پس در نیم سیکل مثبت D1 و D2 روشن هستند و جریان را عبور می دهند، چون در بایاس مستقیم هستند ولی D3 و D4 خاموش اند چون در بایاس معکوس هستند.

طبق شکل شماره 2) اما در نیم سیکل منفی ، قطب منفی ولتاژ وارد کاتد D3 و قطب مثبت ولتاژ وارد آند D4 می شود و جریان طبق شکل 2 وارد مدار می شود. پس در نیم سیکل منفی D3 و D4 روشن هستند و جریان را عبور می دهند،چون در بایاس مستقیم هستند ولی D2 و D1 خاموش اند چون در بایاس معکوس هستند.در نیم سیکل منفی هم باز خروجی مثبت می باشد.

نتیجه: چهار دیود که به شکل بالا بهم متصل می شوند تشکیل یک پل دیود را می دهد و از دیود به عنوان یکسوکننده تمام موج استفاده می شود.

توجه: در تصویر زیر مقاومت Rl جز پل دیود نمی باشد و در واقع به دو نقطه C و D وصل شده است.

در تصویر بالا می توانید چند مدل پل دیود مشاهده کنید .

تصویر اول از سمت چپ جز مشهورترین پل دیودها می باشد. همانطور که مشاهده می کنید  دیود در یک قطعه به صورت مجمتع ارائه شده است.این پل دیودی توان بالایی دارد و جریان و ولتاژ بالایی را از خود عبور می دهد. دو پایه وسط ولتاژ AC می باشد و پایه های طرفین + , – می باشد و پایه مثبت با برش خوردن مشخص شده است.
تصویر دوم از سمت چپ هم یک پل دیود SMD می باشد که قطب مثبت و منفی مشخص شده و دو پایه دیگر ولتاژ ورودی AC می باشد.

در تصویر زیر می توانید چندین مدل از کاربرد دیود در بردهای مختلف را مشاهده کنید: