دیود خازنی (واراکتور) چیست؟ — از صفر تا صد

دیود خازنی یا دیود واراکتور (Varactor Diode) یک دیود پیوند P-N است که ظرفیت خازنی آن با تغییر ولتاژ معکوس اعمال شده به دیود تغییر می‌کند. در این مطلب قصد داریم با سازوکار دیود خازنی آشنا شویم. قبل از بررسی ساختمان دیود خازنی، ابتدا به بررسی خازن می‌پردازیم.

خازن چیست؟

خازن یک المان الکترونیکی است که انرژی الکتریکی یا شارژ الکتریکی را به فرم یک میدان الکتریکی در خود ذخیره می‌کند. یک خازن اساسا از دو صفحه رسانا موزی با یکدیگر ساخته شده است که توسط یک دی الکتریک (Dielectric) بین آن‌ها از یکدیگر جدا شده است. دو صفحه رسانا مانند الکترود (Electrodes) و دی الکتریک بین آن‌ها نیز مانند عایق (Insulator) عمل می‌کند.

فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در تصویر زیر نمایی از شماتیک ساختمان یک خازن را مشاهده می‌کنید.

صفحات رسانا در خازن الکتریسیته را به خوبی در خود هدایت می‌کنند، بنابراین به جریان الکتریکی اجازه می‌دهند به آسانی در آن‌ها جریان یابد. از طرف دیگر، یک دی الکتریک رسانای بسیار ضعیفی برای الکتریسیته محسوب می‌شود، بنابریان اجازه عبور جریان الکتریکی را نخواهد داد، اما میدان الکتریکی یا نیروی الکتریکی از آن عبور می‌کند.

زمانی که یک ولتاژ به نحوی به خازن اعمال شود که ترمینال منفی باتری به الکترود سمت راست و ترمینال مثبت باتری به الکترود سمت چپ متصل شود، آن‌گاه خازن شروع به ذخیره شارژ الکتریکی در خود می‌کند. در تصویر زیر نمایی از نحوه شارژ شدن یک خازن نشان داده شده است.

به دلیل حضور منبع ولتاژ، تعداد زیادی از الکترون‌ها از طریق یک سیم رسانا شروع به خارج شدن از ترمینال منفی باتری می‌کنند. زمانی که این الکترون‌ها به صفحه سمت راست وارد شوند، تعداد زیادی از اتم‌ها در صفحه سمت راست الکترون‌های اضافی به دست می‌آورند. می‌دانیم که به هر شی که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر از تعداد پروتون‌ها باشد، اصطلاحا گفته می‌شود که دارای بار منفی است. در این خازن، صفحه سمت راست دارای تعداد الکترون بیشتر از پروتون است، در نتیجه این صفحه به صوت منفی شارژ می‌شود.

الکترون‌های آزاد در صفحه یا الکترود سمت راست تلاش می‌کنند که به دی الکتریک حرکت کنند، اما دی الکتریک مانع از ورود آن‌ها می‌شود. در نتیجه تعداد زیادی از الکترون‌ها در صفحه سمت راست جمع می‌شوند و به همین دلیل الکترود سمت راست دارای شارژ منفی خواهد بود.

دی الکتریک بین صفحات مانع از ورود الکترون‌های آزاد می‌شود، اما اجازه اعمال نیروی الکتریکی توسط الکترود با شارژ منفی وجود دارد. در سمت دیگر از خازن، الکترون‌های روی صفحه سمت چپ نیروی جاذبه بسیار قوی را توسط ترمینال مثبت باتری متصل به خود احساس می‌کنند. در نتیجه تعداد زیادی از الکترون‌ها، صفحه سمت چپ را ترک می‌کنند و به سمت ترمینال مثبت باتری می‌روند و به همین دلیل بار مثبتی روی صفحه سمت چپ جمع می‌شود.

بارهای مثبت و منفی جمع شده روی هر دو صفحه سمت چپ و راست خازن، به یکدیگر نیروی جاذبه وارد می‌کنند. در واقع این نیروی جاذبه بین صفحات همان نیروی الکتریکی است. می‌دانیم که ظرفیت خازنی (Capacitance)، توانایی ذخیره شارژ الکتریکی است. حال در این خازن، در هر دو صفحه شارژهای مثبت و منفی ذخیره شده است و می‌توان گفت که روی صفحات خازن ظرفیت خازنی وجود دارد.

دیود خازنی چیست؟

نام دیود خازنی یا واراکتور (Varactor) از ترکیب حروف اول دو واژه خازن و متغیر (Variable Capacitor) ایجاد شده است. دیود خازنی یا واراکتور فقط در مود بایاس معکوس عمل می‌کند. این نوع از دیودها تحت بایاس معکوس مانند یک خازن متغیر عمل می‌کنند. گاهی دیود خازنی را دیود واریکاپ (Varicap Diode)، دیود تنظیم (Tuning Diode)، دیود راکتانس متغیر (Variable Reactance Diode) یا دیود خازن متغیر (Variable Capacitance Diode) نیز می‌گویند.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش دوم در فرادرس

کلیک کنید

در تصویر زیر نمایی از چند دیود خازنی را مشاهده می‌کنید.

دیود خازنی باید به نحوی ساخته شود که مشخصه ظرفیت خازنی گذرای بهتری را نسبت به دیودهای معمولی از خود نشان دهد.

دیوهای خازنی معمولا در مدارات فرکانس رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا به وسیله آن‌ها ظرفیت خازنی متغیر کنترل شده با ولتاژ به وجود بیاید. از این قابلیت می‌توان در گستره وسیعی از کاربردها استفاده کرد. در واقع در هر کاربردی که لازم باشد سطح ظرفیت خازنی توسط ولتاژ کنترل شود، می‌توان دیود خازنی را مد نظر قرار داد.

از دیود واراکتور یا خازنی می‌توان نه‌ تنها در کنترل آنالوگ ولتاژ در مداراتی مانند حلقه قفل فاز، بلکه در ارتباط با میکروپروسسور نیز استفاده کرد که یک ولتاژ به صورت دیجیتالی تولید می‌شود و سپس با استفاده از مبدل دیجیتال به آنالوگ یا DAC، به یک ولتاژ آنالوگ برای کنترل دیود تبدیل می‌شود. می‌توان گفت که کاربردهای دیود واراکتور محدودیتی ندارد و در مدارت متنوعی برای اهداف مختلف به کار می‌روند.

ساختار دیود خازنی

دیود خازنی از نیمه رساناهای نوع P و نوع N ساخته شده است. در نیمه رسانای نوع N، الکترون‌های آزاد، حامل‌های اکثریت و حفره‌ها حامل‌های اقلیت هستند. بنابراین الکترون‌های آزاد در یک نیمه رسانای نوع N بخش عمده جریان را حمل می‌کنند. اما در نیمه رسانای نوع P، حفره‌ها به عنوان حامل‌های اکثریت و الکترون‌های آزاد به عنوان حامل‌های اقلیت در نظر گرفته می‌شوند، بنابراین در نیمه رسانای نوع P، قسمت عمده جریان توسط حفره‌ها حمل می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش دوم در فرادرس

کلیک کنید

در تصویر زیر نمایی از تشکیل پیوند P-N در یک دیود خازنی دیده می‌شود.

زمانی که یک نیمه رسانای نوع P با یک نیمه رسانای نوع N در تماس قرار گیرد، یک پیوند P-N بین آن‌ها شکل می‌گیرد. این پیوند P-N نیمه رساناهای نوع P و نوع N را از یکدیگر جدا می‌کند. در محل اتصال نیمه‌رسانای P و نیمه‌رسانای N یک ناحیه تخلیه (Depletion Region) ایجاد می‌شود. ناحیه تخلیه به ناحیه‌ای گفته می‌شود که حامل‌های بار متحرک (الکترون‌های آزاد و حفره‌ها) در آن حضور ندارند. در تصویر زیر نمایی از ناحیه تخلیه در پیوند P-N دیود خازنی نشان داده شده است.

ناحیه تخلیه از یون‌های مثبت و منفی ساخته می‌شود. این یون‌های مثبت و منفی از یک محل به محل دیگر حرکت نمی‌کنند. ناحیه تخلیه، الکترون‌های آزاد را از طرف سمت N و حفره‌ها را از سمت ناحیه P مسدود می‌کنند. بنابراین این تخلیه، مانع جریان الکتریکی در طول پیوند P-N می‌شود.

نماد دیود خازنی

نماد مداری دیود خازنی در تصویر زیر نشان داده شده است.

نماد مداری متعلق به دیود خازنی بسیار شبیه به نماد مداری دیود پیوند P-N معمولی است. دو خط موازی در طرف کاتد، نشان دهنده نمادی دو صفحه است و فضای بین آن دو خط موازی نشان دهنده دی الکتریک بین صفحات  است.

دیود خازنی بایاس نشده (Unbiased)

می‌دانیم که در نیمه رسانای نوع N تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد حضور دارند و در نیمه رسانای نوع P نیز تعداد زیادی حفره وجود دارند. الکترون‌های آزاد و حفره‌ها همواره تلاش می‌کنند که از یک ناحیه متراکم به ناحیه با تراکم پایین‌تر حرکت کنند. برای الکترون‌های آزاد، ناحیه N بسیار متراکم‌تری است و ناحیه P ناحیه با تراکم پایین‌تر محسوب می‌شود. بنابراین الکترون‌های آزاد همیشه قصد دارند از ناحیه N به ناحیه P حرکت کنند. به طریق مشابه، حفره‌ها همواره تلاش می‌کنند که از ناحیه P به ناحیه N بروند.

زمانی که هیچ ولتاژی اعمال نشده باشد، تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد در ناحیه N از یکدیگر دفع می‌شوند و به سمت ناحیه P رانده می‌شوند. هنگامی که الکترون‌های آزاد به پیوند P-N برسند، یک نیروی جاذبه را از طرف حفره‌های ناحیه P تجربه خواهند کرد. در نتیجه، الکترون‌های آزاد از پیوند P-N عبور می‌کنند. حفره‌ها نیز قادر خواهند بود از پیوند P-N عبور کنند. به دلیل حرکت این حامل‌های بار، یک جریان بسیار کوچک برای مدت زمانی از دیود عبور خواهد کرد.

در طول این فرایند، برخی اتم‌های خنثی نزدیک پیوند در طرف نیمه رسانای نوع N، الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و تبدیل به یون‌های با بار مثبت می‌شوند. به طریق مشابه، برخی اتم‌های نزدیک پیوند در سمت نیمه رسانای نوع P، الکترون‌های اضافی به دست می‌آورند و تبدیل به یون‌های با بار منفی می‌شوند. این یون‌های مثبت و منفی در پیوند P-N، در واقع همان ناحیه تخلیه را ایجاد می‌کنند. ناحیه تخلیه از عبور جریان بیشتر از پیوند P-N جلوگیری می‌کند.

عرض ناحیه تخلیه به تعداد ناخالصی‌های افزوده شده بستگی دارد. یک دیود خازنی که ناخالصی زیادی داشته باشد، ناحیه تخلیه باریکی دارد و یک دیود خازنی با ناخالصی کم، دارای ناحیه تخلیه با عرض بزرگ است. می‌دانیم که یک عایق یا دی الکتریک به جریان الکتریکی اجازه عبور از درون خود را نمی‌دهد. ناحیه تخلیه نیز اجازه نمی‌دهد که جریانی از آن عبور کند، بنابراین می‌توان گفت ناحیه تخلیه در دیود واراکتور مانند دی الکتریک در خازن عمل می‌کند. در تصویر زیر نمایی از تشبیه نواحی یک دیود خازنی به نواحی مختلف یک خازن نشان داده شده است.

می‌دانیم که الکترودها یا صفحات رسانا به آسانی به جریان الکتریکی اجازه می‌دهند که از آن‌ها عبور کند. نیمه رساناهای نوع N نیز به آسانی به جریان الکتریکی اجازه عبور می‌دهند.  بنابراین می‌توان گفت که نیمه رساناهای نوع N و نوع P نیز مانند الکترودها یا صفحات رسانا در خازن عمل می‌کنند. بنابراین در حالت کلی، دیود خازنی نقش یک خازن را بازی می‌کند. در یک دیود خازنی بایاس نشده، عرض ناحیه تخلیه بسیار کوچک است. بنابراین کاپاسیتانس یا ظرفیت خازنی بسیار بزرگ است.