دیود ها یک قطعه از جنس نیمه هادی ها هستند که جریان تنها از یک جهت می تواند از آنها عبور کند. برخلاف مقاومت، رفتار دیود با اعمال ولتاژ به آن خطی نیست و یک رابطه نمایی می باشد بنابراین به سادگی نمی توان با قانون اهم رفتار آن را توصیف کرد. دیودها از یک تکه نیمه هادی نوع p در یک طرف ،ویک تکه نیمه هادی نوع N در طرف دیگر ساخته شده اند که در ناحیه ای که این دو نیمه هادی به هم متصل شده اند فعل انفعالاتی رخ می دهد.

اما قبل از پرداختن به چگونگی کارکرد دیود ابتدا نیاز است به مفهوم نیمه هادی ها بپردازیم.

مقاومت ویژه

مقاومت یک ماده در مقابل عبور جریان الکتریکی را مقاومت الکتریکی گویند که به عنوان نسبت ولتاژ به جریان جاری در ان تعریف شده است و به قانون اهم معروف است.مشکل استفاده از مقاومت به عنوان یک واحد اندازه گیری این است که به نوع و اندازه فیزیکی ماده وابسته است به عنوان مثال اگر طول یک ماده افزایش یابد مقاومت نیز افزایش می یابد به همین ترتیب اگر قطر آن افزایش یابد مقاومت کمتر می شود.این مقاومت را مقاومت ویژه می نامند و با علامت ρ  (رو) RHO نمایش می دهند و واحد آن بر حسب اهم بر متر است

بنابراین مواد را می توان با توجه به موافقت یا مخالفت با عبور جریان الکتریکی دسته بندی کرد که به سه گروه هادی ،عایق و نیمه هادی طبقه بندی می شوند.

مواد نیمه هادی

مواد نیمه هادی یا رسانا مانند سیلیسیوم ،ژرمانیوم و گالیوم آرسنید دارای خواصی مابین هادی ها و عایق ها هستند.نیمه هادی ها نه رسانای خوبی هستند و نه عایق خوب از این رو نیمه هادی یا نیمه رسانا نام گذاری شده اند.در آنها الکترون آزاد بسیار کمی وجود دارد، زیرا الگوی اتمی آنها بلوری یا کریستالی است ولی با این حال هنوز هم قادر به انتقال جریان هستند اما تحت شرایط ویژه. این شرایط با اضافه کردن درصد کمی از یک عنصر دیگر به ساختار کریستالی سیلیسیوم یا ژرمانیوم تحقق می یابد که با اضافه کردن عناصر می توان الکترون یا حفره (جای خالی الکترون) بیشتری در نیمه هادی ایجاد کرد. به این حالت اضافه کردن ناخالصی نیز می گویند.

گرچه سیلیسیوم و ژرمانیوم به عنوان نیمه هادی ذاتی دسته بندی شده اند و از نظر شیمیایی خالص هستند اما می توان با اضافه کردن ناخالصی، میزان هدایت آن را کنترل کرد.پراستفاده ترین نیمه هادی برای ساخت قطعات الکترونیکی ،سیلیسیوم است.سیلیسوم دارای چهار الکترون در لایه ی خارجی خود (لایه والانس) است.که هر اتم سیلیسیوم با اتم های کناری ،الکترونهای لایه آخر خود را برای رسیدن به حالت پایدار(هشت الکترون) به اشتراک می گذارند.از آنجایی که کریستال سیلیسیوم ،الکترون آزاد بسیار کمی برای حرکت دارند بنابراین عایق خوبی به حساب می آیند و یا مقاومت بالایی دارند.آرایش اتم های سیلیسیوم به صورت یک ساختار جامد کریستالی است که هیچ نوع ناخالصی ندارد و کریستال ذاتی به حساب می آید به همین علت الکترون آزادی ندارد.

نیمه هادی نوع N

برای تشکیل نیمه هادی نوع N به اتم هایی مانند آرسنیک ،فسفر یا آنتیموان مورد نیاز است. این مواد دارای 5 الکترون در لایه آخر اتمی خود هستند و اتم 5 ظرفیتی نامیده می شوند که به ساختار کریستالی سیلیسیوم یا ژرمانیوم اضافه شوند. چهار الکترون از 5 الکترون این اتم با 4 الکترون سیلیسیوم پیوند ایجاد می کند و لایه ظرفیت را پر می کنند و یک الکترون بدون پیوند باقی می ماند. به این صورت یک الکترون به نیمه هادی اضافه می کند و نیمه هادی نوع N را به وجود می آورد.

بنابراین با اضافه کردن هر اتم 5 ظرفیتی یک الکترون تولید می شود.به همین ترتیب اتمی که الکترون ازاد به کریستال می دهد خود به عنوان یون مثبت در می اید و اتم اهدا کننده نام میگیرد.حامل های اکثریت در نیمه هادی نوع N الکترونها هستند پس به عنوان قطب منفی نشان داده می شوند.

نیمه هادی نوع P

اگر برای اضافه کردن ناخالصی در کریستال از یک اتم سه ظرفیتی مانند آلومینیوم که در مدار آخر اتم های خود دارای سه الکترون هستند استفاده کنیم سه الکترون لایه ی آخر آلومینیوم با سه الکترون اتم های کریستال پیوند ایجاد می کند ولی پیوند چهارم شکل نمی گیرد و جای یک الکترون خالی می ماند تا پیوند کامل شود بدین ترتیب یک حفره ایجاد می شود.گرچه یک الکترون امکان دارد این حفره هارا پر کند با این حال حفره ی دیگر به دلیل ترک الکترون ایجاد می شود و این طور به نظر می آیند که حفره ها حرکت می کنند.

ایجاد ناخالصی با یک اتم سه ظرفیتی را پذیرنده نام گذاری کرده اند. حامل های اکثریت در نیمه هادی نوع P حفره ها هستند و الکترونها اقلیت هستند پس به عنوان قطب مثبت شناخته می شوند.

پیوند PN

می دانیم که حفره ها حامل های اکثریت نیمه هادی نوع P و الکترون ها حامل های اکثریت نیمه هادی نوع N هستند. هنگامی که این دو به هم پیوند داده شوند ،در محل اتصال دو نیمه هادی  برخی ازالکترونهای آزاد نیمه هادی نوع n از محل پیوند عبور و به  نیمه هادی نوع p حرکت میکنند و با حفره های نیمه هادی نوع p ترکیب می شوند این کار باعث ایجاد یک لایه یون منفی در نزدیکی پیوند pn در محل نیمه هادی نوع p به دلیل دریافت الکترون می شود.و به طوری مشابه در نیمه هادی نوع n به دلیل از دست دادن الکترون در نزدیکی پیوند pn در محل نیمه هادی نوع n یک لایه یون مثبت ایجاد می شود.این دو لایه یون در محل پیوند، ناحیه تخلیه را تشکیل می دهند.این نام به این منظور انتخاب شده است که در ناحیه تخلیه حامل های اکثریت وجود ندارند.

هنگامی که الکترونها در حال ترکیب شدن با حفره ها هستند یک میدان الکتریکی در حال ایجاد شدن است که با بزرگتر شدن ناحیه تخلیه به دلیل ترکیب شدن الکترونها و حفره ها و ایجاد یونهای بیشتر، این میدان الکتریکی بزرگتر می شود .کم کم میدان به اندازه ای قوی می شود که مانع نفوذ بیشتر الکترونها می شود.این حالت پتانسیل سد نامیده می شود. به خاطر داشته باشید که ناحیه ی تخلیه به سرعت تشکیل می شود.

حال اگر ما بخواهیم الکترونها را از نیمه هادی نوع n به سمت نوع p حرکت دهیم باید بر این پتانسیل سد غلبه کنیم که یک ولتاژ خارجی برای برای انجام این کار مورد نیاز است. پتانسیل سد با واحد ولت اندازه گیری می شود.عوامل بسیار در پتانسیل سد تاثیر دارند ،از قبیل نوع نیمه هادی ،دما ،غلظت نا خالصی

نماد دیود در مدارات

نماد دیود همانند یک فلش است که جهت آن از آند به کاتد است. همچنین نمایان گر جهت جریان دیود نیز می باشد.

دیود نمی تواند جریان را از دو جهت عبور دهد و جریان تنها می تواند از یک جهت (اند به کاتد) عبور کند.دیود ها در یکسوکننده ها و برش دهنده های سیگنال کاربرد دارند.همچنین ساختار ان در ترانزیستورها ،LED و سلول های خورشیدی وجود دارد.

بایاسینگ دیود

بایاس به طور کلی اشاره به نوع اعمال ولتاژ DC به پایانه های دیود دارد و شرایط خاصی را برای دیود ایجاد می کند.

بایاس دیود به دو روش انجام می شود:1-بایاس مستقیم 2-بایاس معکوس

بایاس مستقیم

وقتی ترمینال مثبت باطری به نیمه هادی نوع P یا اند وصل کنیم و ترمینال منفی باطری را به نیمه هادی نوع N یا کاتد وصل کنیم این اتصال را بایاس مستقیم گویند.

زمانی که دیود در بایاس مستقیم است ،میدان الکتریکی ناحیه ی تخلیه و میدان الکتریکی خارجی ناشی از منبع ولتاژ در جهت مخالف می باشند. این مسئله موجب کاهش اثر میدان الکتریکی ناحیه تخلیه یا پتانسیل سد می شود. همانطور که قبلا گفته شد جریان الکترون ها و حفره ها به دلیل میدان الکتریکی ناحیه تخلیه متوقف می گردد.اکنون میدان الکتریکی ناحیه تخلیه در بایاس مستقیم کاهش یافته و عرض ناحیه تخلیه کم می شود. اکنون الکترونها و حفره ها می توانند از پیوند عبور کرده و با هم ترکیب شوند.جهت جریان از ناحیه P به N است.جریان فعلی را می توان به این گونه توضیح داد که الکترونها و حفره ها از پیوند PN عبور می کند که این نتیجه ی کاهش میدان الکتریکی ناحیه ی تخلیه است.

اثرات بایاس مستقیم

بر ناحیه تخلیه

هنگامی که دیود به صورت بایاس مستقیم وصل است میدان الکتریکی ولتاژ خارجی و ولتاژ در جهت مخالف هستند این مسئله باعث کاهش میدان الکتریکی در محل پیوند می شود و تعداد یونها کاهش می یابد در نتیجه عرض ناحیه تخلیه کم می شود و جریان بر قرار می شود.

بر پتانسیل سد

هنگامی که نیمه هادی نوع N و P با هم پیوند داده می شوند الکترونها از نیمه هادی نوع N به سمت نوع P حرکت می کنند که یون منفی شکل می گیرد همچنین در نیمه هادی نوع N  با از دست دادن الکترون یون مثبت ایجاد می شود.با تشکیل یون های مثبت و منفی، یک میدان الکتریکی ایجاد می شود با افزایش یونها میدان قوی تر شده و مانع ترکیب الکترونها و حفره ها می شود.به این حالت پتانسیل سد می گویند

زمانی که بایاس اعمال نشده الکترونها انرژی کافی برای غلبه بر پتانسیل سد و رفتن به سمت نیمه هادی نوع P ندارند. موقعی الکترونها می توانند بر بتنسیل سد غلبه کنند که دیود توسط یک منبع خارجی در بایاس مستقیم قرار گیرد. حال مقدار انرژی مورد نیاز برای غلبه بر ولتاژ سد و برقرار شدن جریان ، 0.3 ولت برای دیودهای از جنس ژرمانیوم و 0.7 ولت برای دیود های سیلیسیومی است. این به این معناست که زمانی که دیود در بایاس مستقیم است افت ولتاژ دو سر دیود تقریبا برابر 0.7 ولت برای سیلیسوم است

منحنی مشخصه V-I دیود

استفاده دیود در بایاس مستقیم ، با کاهش میدان الکتریکی ناحیه تخلیه همراه است که در نتیجه الکترونها می توانند از نیمه هادی نوع N به نوع P بروند.هرچقدر دامنه ولتاژ منبع افزایش یابد تعداد الکترونهای جاری افزایش می یابد.هنگامی که ولتاژ منبع از ولتاژ استانه بیشتر شود مقدار جریان به صورت ناگهانی افزایش می یابد (ولتاژ استانه ،ولتاژی معین است که با بیشتر شدن ولتاژ منبع از این ولتاژ جریان بسیار سریع افزایش می یابد که با یک تغییر کوچک در ولتاژ، جریان به صورت قابل ملاحضه ای تغییر میکند)

نقطه ای که این افزایش جریان اتفاق می افتد بر روی مشخصه V-I به عنوان زانو مشخص شده است.

معادله جریان و ولتاژ برابر است با

ID = IS(e^VD/ηVT – 1)

I_D = جریان دیود     I_S = جریان اشباع معکوس     V_D = ولتاژ دو سر دیود     V_T = ولتاژ حرارتیV_T = kT/q

K = ثابت بولتزمن     T = دما برحسب کلوین     Q = بار الکتریکی     η =ضریب ثابت

بررسی دیود ایده آل و غیر ایده آل در بایاس مستقیم

همه ی دیود ها غیر ایده ال هستند و استثنائی هم وجود ندارد ولی بسته به جنس و نوع ناخالصی دیود می توان به ایده ال نزدیک شد.شکل زیر تفاوت این دو را نشان می دهد 

بایاس معکوس

موقعی که ترمینال مثبت باطری به نیمه هادی نوع N یا کاتد و منفی ترمینال باطری به نیمه هادی نوع P یا کاتد متصل باشد نوع بایاس را معکوس می نامند.

زمانی که دیود در بایاس معکوس است میدان الکتریکی باطری و میدان الکتریکی ناحیه ی تخلیه در یک جهت هستند این باعث می شود میدان الکتریکی قوی تر از بدون بایاس شود.الکترونهای آزاد نیمه هادی نوع N در حال حاضر با یک میدان قوی تر از قبل برای حرکت به سمت نیمه هادی نوع P مواجه هستند.از این رو می توان نتیجه گرفت هیچ جریانی زمانی که دیود در بایاس معکوس است وجود ندارد.

اثرات بایاس معکوس

بر عرض ناحیه ی تخلیه

وقتی ترمینال مثبت باطری به نیمه هادی نوع N یا کاتد و ترمینال منفی باطری به نیمه هادی نوع P وصل شود الکترون های نیمه هادی نوع N سرع جزب قطب مثبت باطری می شوند و یون مثبت اضافی ایجاد می کنند به طور مشابه حفره ها در نیمه هادی نوع P ،جذب قطب منفی باتری می شوند و باعث کاهش حفره ها در نیمه هادی نوع P و ایجاد یون منفی می شود.از این رو یون های مثبت و منفی افزایش می یابد و عرض ناحیه ی تخلیه بیشتر می شود.

جریان اشباع معکوس

قبلا گفته شد در بایاس معکوس هیچ جریانی وجود ندارد با این حال یک جریان بسیار کم (در محدوده نانو آمپر) به علت حامل های اقلیت که به دلیل حرارت در کریستال ایجاد می شوند وجود دارد.

به این ترتیب که الکترون های نیمه هادی نوع P توسط قطب منفی باتری به سمت اتصال PN هل داده می شوند و همچنین حفره ها از نیمه هادی نوع N به سمت محل پیوند هل داده می شوند. این حرکت الکترونها باعث ایجاد یک جریان ناچیز می شود که به عنوان جریان اشباع معکوس نام گذاری شده است. اصطلاح اشباع به این معنی است که سریع به حداکثر مقدار خود می رسد که با افزایش ولتاژ معکوس تغییر قابل توجهی نمی کند.

ولتاژ شکست معکوس

مقدار جریان معکوس برای سیلیسیوم در محدوده نانو آمپر است که این جریان با افزایش ولتاژ معکوس تغییر چندانی نمی کند با این حال اگر ولتاژ معکوس از حد معینی فراتر رود جریان معکوس به شدت زیاد می شود که این حالت پدیده شکت نام دارد و ولتاژی که این شکست در آن اتفاق می افتد ولتاژ شکست معکوس نام دارد.در این حالت دیود آسیب می بیند.

ولتاژ شکست به دو عنوان شناخته می شود:

1-شکست بهمنی 2-شکست زنر

برای مشاهده مقالات بیشتر به سایت بازار برق مراجعه کنید 

برای مشاهده مقاله درباره " دیود خازنی چیست" کلیک کنید

برای مشاهده مقاله درباره " دیود شاتکی چیست" کلیک کنید 

برای مشاهده مقاله درباره " دیود زنر چیست" کلیک کنید