دیود شاکلی — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس درباره دیودها، با دیود پیوند PN، دیود شاتکی، دیود زنر، دیود تونلی، دیود سیگنال و دیود نورافشان (LED) آشنا شدیم. در این آموزش، با دیود شاکلی (Shockley Diode) آشنا خواهیم شد. هرچند امروزه دیودهای شاکلی در بازار موجود نیستند (تولید آن‌ها در دهه ۱۹۵۰ متوقف شده است)، اما مدل دیود شاکلی در ساخت تریستورها، دیاک‌ها، ترایاک‌ها و... بسیار مفید است.

دیود شاکلی اولین عضو از خانواده تریستورها است و به افتخار مخترعش، ویلیام بردفورد شاکلی (William Bradford Shockley) نامگذاری شده است. اگر عملکرد پایه این دیود را به خوبی یاد بگیریم، درک مفاهیم مربوط به تریستورها آسان خواهد بود.

مقدمه

دیود شاکلی یا دیود PNPN یک قطعه سوئیچینگ نیمه‌هادی با چهار لایه (P-N-P-N) و دو پایه (به نام آند و کاتد) است. دیود شاکلی دیود چهارلایه نیز نامیده می‌شود. این دیود مانند یک دیود عادی عمل می‌کند که ورودی تریگر ندارد و در شرایط بایاس معکوس جریانی از آن نمی‌گذرد. در بایاس مستقیم، هنگامی جریان از آن می‌گذرد که ولتاژ دو سر آن بزرگ‌تر از ولتاژ شکستش باشد.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

دیودهای شاکلی تنها دو وضعیت قطع و وصل دارند و به همین دلیل آن‌ها را مانند تریستورها دسته‌بندی می‌‌کنند. ساختار پایه‌ای یک دیود شاکلی را می‌توان به عنوان دو ترانزیستور در نظر گرفت. شکل زیر ساختار و نماد دیود شاکلی را نشان می‌دهد.

ساختار این دیود ساده است و از چهار لایه تشکیل شده که یک پیوند PNPN را تشکیل می‌دهند. مدار معادل این دیود را می‌توان با استفاده از دو ترانزیستور شکل بالا نشان داد که در آن، کلکتور ترانزیستور $$ T_ 1 $$ به بیس ترانزیستور $$ T _ 2 $$ متصل شده است.

پیوند $$ J _ 1 $$ از پیوند امیتر-بیس $$ T_1 $$ و پیوند $$ J_2$$ از پیوند بین بیس و کلکتور $$ T_ 1 $$ و $$ T_ 2 $$ تشکیل شده است. پیوند $$ J_3 $$ نیز از پیوند بیس-امیتر $$ T_ 2 $$ ساخته شده است. بنابراین، برای عملکرد خطی، پیوند‌های بیس-امیتر $$ J_1 $$ و $$ J _ 3 $$ باید بایاس مستقیم شوند و پیوند کلکتور-بیس $$ J _ 2 $$ باید بایاس معکوس شود.

اصول عملکرد

همان‌طور که گفتیم، دیودهای شاکلی از سه پیوند $$ J_ 1$$، $$ J _ 2 $$ و $$ J _ 3 $$ تشکیل می‌شوند. وقتی ولتاژ به این دیود اعمال شود، به گونه‌ای که آند نسبت به کاتد مثبت گردد، پیوندهای $$ J_ 1 $$ و $$ J _ 3 $$ بایاس مستقیم و پیوند $$ J _ 2 $$ بایاس معکوس خواهد بود.

فیلم آموزش الکترونیک ۱ در فرادرس

کلیک کنید

تا زمانی که ولتاژ اعمالی بر دیود کمتر از ولتاژ شکست باشد، دیود مانند یک کلید باز با مقاومت بسیار بالا عمل می‌کند و اجازه عبور جریان را نمی‌دهد. وقتی اندازه ولتاژ به ولتاژ شکست برسد، به دلیل شکست پیوند $$ J_ 2 $$، دیود مانند یک مقاومت با مقدار بسیار کم خواهد بود.

بنابراین، دیود مانند یک اتصال کوتاه عمل کرده و تا زمانی که جریان آن به مقدار جریان نگهدارنده برسد، اجازه عبور جریان را خواهد داد. این عبور جریان مستقیم از دیود به ولتاژ‌ اعمالی و مقاومت بار خارجی بستگی دارد. شکل زیر، مشخصه I-V دیود شاکلی را برای حالت‌های هدایت و عدم هدایت دیود شاکلی نشان می‌دهد. همان‌طور که می‌بینیم، در حالت ON جریان فقط وقتی عبور می‌کند که ولتاژ بزرگ‌تر از ولتاژ شکست $$ V _ { BO}$$ باشد.

وقتی آند نسبت به کاتد منفی شود، پیوندهای $$ J _ 1$$ و $$ J _ 3 $$ بایاس معکوس و پیوند $$ J_ 2 $$ بایاس مستقیم می‌شود. اگر ولتاژ بایاس معکوس افزایش یابد (به فراتر از ولتاژ شکست دیود شاکلی برود)، پیوندهای $$ J_ 1 $$ و $$ J _ 3 $$ بایاس معکوس شده و جریان معکوس از دیود می‌گذرد.

این جریان معکوس سبب تولید گرما شده و ممکن است به دیود آسیب برساند. بنابراین، دیود شاکلی هرگز نباید در شرایط بایاس معکوس با ولتاژی برابر با ولتاژ شکست معکوس کار کند.

وقتی دیود شاکلی وصل (ON) شود، مانند یک کلید بسته عمل خواهد کرد که مقاومت بسیار کمی دارد. برای قطع (OFF) کردن دیود، باید ولتاژ اعمالی به آن را به مقداری کاهش داد که جریان گذرنده از آن کمتر از جریان نگهدارنده $$ I _ H $$ باشد. در این حالت، پیوند $$ J_ 2 $$  تحت تأثیر وضعیت شکست معکوس قرار گرفته و مقدار مقاومت بزرگ آن بازیابی می‌شود.

کاربردهای دیود شاکلی

دیودهای شاکلی اغلب برای کاربردهای سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. دو کاربرد مهم و اصلی دیود‌های شاکلی، یعنی نوسان‌ساز غیرخطی یا واهُلِشی (Relaxation) و سوئیچ تریگری را در ادامه معرفی خواهیم کرد.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

نوسان‌ساز غیرخطی یا واهُلِشی

شکل زیر مدار نوسان‌ساز غیرخطی یا واهُلِشی را نشان می‌دهد که در آن یک دیود شاکلی به کار رفته است. در این مدار، دیود به دو سر یک خازن قدرت و یک باتری منبع تغذیه متصل شده است.

وقتی ولتاژ باتری به مدار اعمال شود، خازن $$ C$$ از طریق مقاومت $$R$$ شارژ خواهد شد. هنگامی که ولتاژ‌ اعمالی یا ولتاژ دو سر خازن بزرگ‌تر از ولتاژ شکست دیود شاکلی باشد، سبب می‌شود دیود وصل شده و مانند یک کلید عمل کند.

این امر سبب تخلیه خازن از طریق دیود می‌شود. همچنین، وقتی جریان گذرنده از دیود کمتر از جریان نگهدارنده آن باشد، دیود قطع شده و خازن دوباره شارژی می‌شود. ولتاژ خازن در شکل زیر نشان داده شده که در آن، ولتاژ مرجع بزرگ‌تر از صفر است، زیرا خازن به طور کامل شارژ‌ نمی‌شود.

سوئیچ تریگری

رایج‌ترین کاربرد دیودهای شاکلی در مدارهای سوئیچینگ برای روشن کردن تریستور است. در مدار شکل زیر، تریستور (SCR) با دیود شاکلی تریگر می‌شود. شبکه RC با یک منبع DC تغذیه می‌شود و دیود شاکلی را درایو می‌کند.

وقتی $$ V _ { dc } $$ اعمال شود، دیود شاکلی بایاس مستقیم شده و خازن نیز شروع به شارژ شدن از طریق مقاومت می‌کند. هنگامی که ولتاژ شارژ به ولتاژ شکست دیود برسد، دیود شروع به هدایت خواهد کرد و خازن از طریق دیود تخلیه خواهد شد.

این هدایت دیود شاکلی سبب قرار دادن SCR به حالت ON یا وصل می‌شود، سپس بوق هشدار به صدا در خواهد آمد. وقتی SCR روشن شود، تا زمانی که منبع حذف نشود یا کموتاسیون به آن اعمال نگردد در آن حالت باقی خواهد ماند. بنابراین، مدار دیود شاکلی یا گیت اثری بر قطع کردن SCR ندارند. البته زمان‌های تریگر شدن SCR را می‌توان با انتخاب مناسب مقادیر خازن و مقاومت‌ها کنترل کرد.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• انواع باتری — از صفر تا صد
• دیود هرزگرد چیست؟ — به زبان ساده
• وریستور — از صفر تا صد

^^