دیود (Diode) چیست؟ – به زبان ساده + فیلم آموزشی رایگان

دیودها نقطه عطفی در الکترونیک هستند. با قرار دادن چهار دیود در کنار یکدیگر می‌توانیم پل‌دیود یا یکسوساز بسازیم. مهندسان برق سال‌های زیادی با خازن، ترانزیستور و القاگر کار می‌کردند. نمودار جریان برحسب ولتاژ در این وسیله‌ها، خطی است. اما این نمودار در دیودها به طور کامل از حالت خطی خارج می‌شود. دیود وسیله‌ای است که جریان در آن می‌تواند در جهتی مشخص حرکت کند، اما برگشت آن در جهت مخالف مسدود شده است. در این مطلب، ابتدا دیود را تعریف می‌کنیم، سپس چگونگی عملکرد آن را توضیح می‌دهیم.

دیود چیست ؟

به زبان ساده، دیود وسیله یا قطعه‌ای الکتریکی است که اجازه می‌دهد جریان الکتریکی، تنها در جهتی مشخص جریان داشته باشد. دیودها اندازه‌های متفاوتی دارند. هر دیود به طور معمول از بدنه‌ای استوانه‌ای به رنگ مشکی تشکیل شده است که انتهای آن خطی وجود دارد و دو سیم از دو انتهای آن خارج شده‌اند. از این دو سیم برای قرار دادن دیود در مدار الکتریکی استفاده می‌شود. به انتهای سمت چپ دیود، آند و به انتهای سمت راست آن، کاتد می‌گوییم. دیود، وسیله‌ای نیمه‌رسانا است و به عنوان کلیدی یک طرفه برای جریان عمل می‌کند. تصویر دیودی ساده در ادامه نشان داده شده است.

بدنه دیود در حدود چهار میلی‌متر است. داخل دیود، تراشه‌ای از جنس سیلیکون قرار دارد. همان‌طور که گفتیم دیودها جریان الکتریکی را در جهتی مشخص هدایت می‌کنند و اجازه عبور جریان در جهت مخالف را نمی‌دهند. شاید از خود بپرسید دیودها در مدار الکتریکی با چه نمادی نشان داده می‌شود. از آنجا که دیود اجازه عبور جریان را تنها در جهتی مشخص می‌دهد، شکل نمادین آن پیکانی است که جهت آن، جهت جریان در مدار الکتریکی را نشان می‌هد.

نماد الکتریکی دیود در تصویر بالا نشان داده شده است. جریان الکتریکی در جهت نوک مثلث حرکت می‌کند و در خلاف جهت آن نمی‌تواند حرکت کند. جریان، تنها در صورتی می‌تواند در خلاف جهت نوک مثلث حرکت کند که ولتاژ بسیار بالایی اعمال شود. زیرا هر عایقی اگر در معرض ولتاژ بسیار بالایی قرار بگیرد، به رسانای جریان الکتریکی تبدیل خواهد شد. به این ولتاژ، ولتاژ شکست گفته می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که جهت جریان الکتریکی با جهت حرکت الکترون‌ها یکسان نیست. جهت جریان الکتریکی به صورت قراردادی، جهت حرکت بارهای مثبت در نظر گرفته می‌شود. در صورتی‌که، الکترون‌ها در خلاف جهت بارهای مثبت در مدار الکتریکی حرکت می‌کنند. به سمت چپ دیود، آند و به سمت راست آن کاتد گفته می‌شود.

آند از نیمه‌رسانای نوع p و کاتد از نیمه‌رسانای نوع n تشکیل شده است. شاید از خود بپرسید نیمه‌رسانای نوع n و p چه نوع نیمه‌رساناهایی هستند. قبل از آن‌که توضیح بیشتری در مورد دیود بدهیم، کمی در مورد نیمه‌رساناهای نوع n و p و اتصال آن‌ها به یکدیگر صحبت می‌کنیم.

نیمه رسانای نوع n و نوع p چیست ؟

از مواد نیمه‌رسانا برای ساخت بیشتر وسایل الکترونیکی مانند دیودها، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع استفاده می‌شود. مواد براساس توانایی آن‌ها در هدایت جریان الکتریکی به سه دسته تقسیم می‌شوند:

• مواد رسانا: ماده رسانا به خوبی جریان را از خود عبور می‌دهد. به بیان دیگر، هرگاه ولتاژی با مقداری مشخص به دو سر ماده رسانا اعمال کنیم، بارهای الکتریکی به راحتی از آن عبور خواهند کرد. نقره، مس، طلا و آلومینیوم از مهم‌ترین مواد رسانای جریان الکتریکی هستند.
• مواد نیمه‌رسانا: ماده نیمه‌رسانا از نظر توانایی در هدایت جریان الکتریکی بین مواد رسانا و عایق قرار می‌گیرد. بنابراین، هرگاه ولتاژی با مقداری مشخص به دو سر ماده نیمه‌رسانا اعمال کنیم، جریان متوسطی از آن عبور می‌کند. توجه به این نکته مهم است که با افزودن ناخالصی به ماده نیمه‌رسانا، رسانندگی آن می‌تواند تغییر کند. از این ویژگی بسیار مهم در طراحی بسیاری از وسایل الکترونیکی استفاده می‌شود. سیلیکون، ژرمانیوم و گالیوم آرسنید از مهم‌ترین مثال‌های مواد نیمه‌رسانا هستند.
• مواد عایق: ماده عایق در مقابل ماده رسانا قرار دارد. این ماده اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهد. چوب، شیشه و تفلون از مهم‌ترین مثال‌های مواد عایق هستند.

در این بخش، با انتخاب سیلیکون، رفتار مواد نیمه‌رسانا را به اختصار توضیح می‌دهیم. عدد اتمی سیلیکون، تعداد پروتون‌ها و تعداد الکترون‌های آن برابر ۱۴ است. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، بیرونی‌ترین لایه سیلیکون، چهار الکترون دارد.

هرگاه اتم‌های سیلیکون برای تشکیل جامد با یکدیگر ترکیب می‌شوند، به صورت الگویی خاص به نام کریستال و به صورت مرتب در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. در ساختار کریستالی تشکیل شده، هر اتم سیلیکون، چهار الکترون خود را با اتم‌های همسایه به اشتراک می‌گذارد. اشتراک الکترون‌ها به گونه‌ای رخ می‌دهد که هر اتم سیلیکون، هشت الکترون ظرفیت داشته باشد. در این حالت، اتم‌های سیلیکون با به اشتراک گذاشتن الکترون‌های ظرفیت، پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهند. تمام این اتفاقات در دمای صفر کلوین فرض می‌شود. اما، بنا بر قانون سوم ترمودینامیک می‌دانیم که دما در حالت عملی نمی‌تواند به صفر کلوین برسد. از این‌رو، دمای محیط همواره از صفر کلوین بیشتر خواهد بود.

در نتیجه، اتم‌های سیلیکون در جایگاه خود ارتعاش می‌کنند. به دلیل این ارتعاش، برخی از الکترون‌ها با به‌دست آوردن انرژی کافی، پیوند کوالانسی را می‌شکنند. بنابراین، الکترون‌ها پس از شکستن پیوند به صورت الکترون آزاد در کریستال حرکت می‌کنند. از این‌رو، در دمای اتاق، الکترون‌های آزاد زیادی در ساختار کریستالی سیلیکونی مشاهده می‌شوند. هرگاه الکترون از مکان خود خارج شود، جای خالی در آن مکان ایجاد می‌شود. به این مکان خالی، حفره می‌گوییم. بار الکتریکی الکترون برابر $$1.6 \times 10 ^ { -19 }$$ کولن و منفی است. در نتیجه، اگر الکترون از مکان خود در کریستال خارج شود، بار آن نقطه مثبت خواهد شد. به بیان دیگر، با خارج شدن بار منفی از نقطه‌ای مشخص، بار آن مثبت می‌شود.

بنابراین، بار الکتریکی حفره مثبت است. حفره ایجاد شده با بار مثبت می‌تواند الکترون‌های آزادی را که در نزدیکی آن حرکت می‌کنند، جذب کند. همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، با خروج دو الکترون از جایگاه اصلی خود، دو حفره ایجاد شده است. فرض کنید یکی از دو الکترون آزاد با حفره مجاور خود ترکیب شود. در نتیجه، ساختار تعادلی سیلیکون به شکل نشان داده شده در تصویر زیر است.

به دلیل انرژی گرمایی، الکترونِ ظرفیت یکی از سیلیکون‌ها آزاد و با یکی از حفره‌ها بازترکیب می‌شود. به همین دلیل، برای هر ساختار سیلیکون در دمای اتاق، تولید و بازترکیب الکترون‌ها و حفره‌ها به طور پیوسته رخ می‌دهد. همان‌طور که مشاهده کردید با آزاد شدن هر الکترون، یک حفره ایجاد می‌شود. از این‌رو، در هر دمای داده شده، تعداد الکترون‌ها و حفره‌های ایجاد شده در ساختار سیلیکون با یکدیگر برابر هستند. همچنین، همان‌طور که الکترون‌ها از مکانی به مکان دیگر حرکت می‌کنند، حفره‌ها نیز به طور مشابه از نقطه‌ای به نقطه دیگری داخل کریستال حرکت خواهند کرد. بنابراین، در هر نیمه‌رسانا، جریان به دلیل دو نوع بار مثبت و منفی ایجاد می‌شود:

• جریان ناشی از الکترون‌ها
• جریان ناشی از حفره‌ها

این حالت، بزرگ‌ترین تفاوت بین رساناها و نیمه‌رساناها است. در مواد رسانا، جریان الکتریکی تنها به دلیل وجود الکترون‌ها ایجاد می‌شود. مواد نیمه‌رسانا به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. نیمه‌رسانای ذاتی
2. نیمه‌رسانای غیرذاتی

نیمه رسانای ذاتی و غیرذاتی چیست ؟

نیمه‌رسانای ذاتی، نیمه‌رسانایی خالص بدون وجود ناخالصی در آن است. به عنوان مثال، در ساختار کریستالی سیلیکون، تمام اتم‌های تشکیل‌دهنده آن سیلیکون هستند. در مقابل، در نیمه‌رسانای غیرذاتی با افزودن ناخالصی، رسانندگی آن را تغییر می‌دهند. به افزودن ناخالصی به نیمه‌رسانا، «دوپ» (Doping) گفته می‌شود.

بنابراین، با دوپ نیمه‌رسانا با مواد مختلف می‌توانیم مقدار رسانندگی آن را تغییر دهیم. با توجه به نوع ناخالصی اضافه شده، نیمه‌رسانای غیرذاتی به نوع n یا p تقسیم می‌شود. در حالت نیمه‌رسانای نوع p، اتم‌هایی با سه الکترون در لایه بیرونی خود مانند آلومینیوم، بور و گالیوم به سیلیکون افزوده می‌شوند.

فرض کنید یکی از سه عنصر گالیوم، بور یا آلومینیوم به ساختار کریستالی سیلیکون اضافه می‌شوند. از آنجا که هر یک از این اتم‌ها، سه الکترون در بیرونی‌ترین لایه خود دارند، هر یک از سه الکترون با اتم‌های مجاور به اشتراک گذاشته می‌شوند. همان‌طور که دیده می‌شود، پس از اشتراک الکترون‌های اتم‌های مجاور با یکدیگر، یک حفره در بیرونی‌ترین لایه باقی می‌ماند. به دلیل وجود این حفره می‌توانیم بگوییم حفره در ساختار سیلیکون ایجاد می‌شود. به بیان دیگر، هر اتم با سه الکترون در لایه بیرونی خود پس از اضافه شدن به سیلیکون، یک حفره ایجاد می‌کند. در واقع، با افزودن اتم‌های سه ظرفیتی به سیلیکون، یک حفره اضافی ایجاد می‌شود. به اتم‌های سه ظرفیتی، اتم‌های پذیرنده می‌گوییم. زیرا هر حفره ایجاد شده توسط این اتم‌ها می‌تواند الکترون آزاد خارجی را بپذیرد.

به طور مشابه، با افزودن اتم‌ها پنج ظرفیتی یا اتم‌هایی با ۵ الکترون در لایه خارجی خود به سیلیکون، نیمه‌رسانای نوع n تشکیل می‌شود. آرسنیک، آنتیموان و فسفر مهم‌ترین مثال‌ها اتم‌های پنج ظرفیتی هستند. هر گاه یکی از اتم‌های پنج ظرفیتی به ساختار کریستالی سیلیکون اضافه می‌شوند، چهار الکترون از پنج الکترون لایه خارجی با اتم‌های همسایه به اشتراک گذاشته می‌شوند. اما هنوز یک الکترون در لایه خارجی باقی مانده است. این الکترون باقی‌مانده همانند الکترونی آزاد رفتار و آزادانه به اطراف حرکت می‌کند. بنابراین، هر اتم پنج ظرفیتی، یک الکترون آزاد ایجاد خواهد کرد. به بیان دیگر، با افزودن اتم‌های پنج ظرفیتی به ساختار کریستالی سیلیکون، مقداری الکترون اضافی در ساختار آن ایجاد می‌شود.

در حالت نیمه‌رسانای نوع p، مقداری حفره اضافی و در حالت نیمه‌رسانای نوع n، مقداری الکترون اضافی در ساختار کریستالی وجود دارند. بنابراین، در نیمه‌رسانای نوع n الکترون‌ها حامل‌های بار اکثریت و در نیمه‌رسانای نوع p، حفره‌ها حامل‌های بار اکثریت هستند. به طور مشابه، در نیمه‌رسانای نوع p الکترون‌ها حامل‌های بار اقلیت و در نیمه‌رسانای نوع n، حفره‌ها حامل‌های بار اقلیت خواهند بود. هرگاه نیمه‌رسانای نوع p را در مداری ساده قرار دهیم و ولتاژی با مقدار مشخص را بر آن اعمال کنیم، بیشتر جریان گرفته شده به دلیل وجود حفره‌ها در آن است. زیرا حفره‌ها حامل‌های بار اکثریت در این نوع نیمه‌رسانا هستند. فرض کنید دو انتهای نیمه‌رسانا را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر به انتهای مثبت و منفی باتری وصل می‌کنیم.

همان‌طور که می‌دانیم بارهای الکتریکی با بار الکتریکی مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند. بنابراین حفره‌ها در نیمه‌رسانای نوع p جذب قطب منفی و الکترون‌ها جذب قطب مثبت خواهند شد. از آنجا که تعداد الکترون‌ها در نیمه‌رسانای نوع p کمتر از تعداد حفره‌ها است، بیشتر جریان به دلیل وجود حفره‌ها است. به طور مشابه، در نیمه‌رسانای نوع n، الکترون‌ها جذب قطب مثبت و حفره‌ها نیز جذب قطب منفی می‌شوند و بیشتر جریان به دلیل وجود الکترون‌ها است. بنابراین، در مواد نیمه‌رسانا، برخلاف مواد رسانا، جریان ممکن است ناشی از الکترون‌ها یا حفره‌ها باشد. تا اینجا می‌دانیم نیمه‌رسانای نوع n و p چیست و چگونه ایجاد می‌شوند. در بخش بعد در مورد اتصال این دو نیمه‌رسانا با یکدیگر آشنا می‌شویم.

اتصال نیمه رسانای نوع p و n به یکدیگر

تا اینجا می‌دانیم نیمه‌رساناهای نوع p و n چیست و چگونه تشکیل می‌شوند. هر یک از این دو نیمه‌رسانا به تنهایی همانند مقاومت عمل می‌کنند، اما با دوپ یک سمت کریستال سیلیکون با ناخالصی نوع p و دوپ قسمت دیگر با ناخالصی نوع n می‌توانیم کریستال سیلیکون را به اتصال PN تبدیل کنیم.

محل اتصال جایی است که نیمه‌رساناهای نوع n و p به یکدیگر متصل شده‌اند. به بیان دیگر، محل اتصال همان مرز بین دو نیمه‌رسانا است. به این سیلیکون با ناخالصی‌های نوع n و p، دیود نیز گفته می‌شود. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد دیودها از سیلیکون ساخته شده‌اند. در اینجا، نیمه‌رساناهای نوع n و p همانند دو الکترود عمل می‌کنند.

با فهمیدن اتصال PN به خوبی می‌توانیم تمام وسایل الکتریکی ساخته شده با نیمه‌رساناها را تحلیل کنیم. به تصویر نشان داده شده در بالا توجه کنید. در ناحیه p، هر دایره با علامت منفی داخل آن، اتم سه ظرفیتی را نشان می‌دهد. همچنین، هر علامت مثبت نشان‌دهنده حفره است. به طور مشابه، در ناحیه n، هر دایره با علامت مثبت داخل آن، اتم پنج ظرفیتی را نشان می‌دهد. همچنین، هر علامت منفی نشان‌دهنده الکترون است. حامل‌های بار اکثریت در دو ناحیه p و n نشان داده نشده‌اند. به دلیل دوپ، تعداد زیادی الکترون در ناحیه n وجود دارند، اما تعداد الکترون‌های موجود در ناحیه p بسیار کم است. زیرا الکترون‌ها در ناحیه p حامل‌های بار اقلیت هستند. هرگاه دو ناحیه n و p به یکدیگر متصل شوند، الکترون‌ها از ناحیه n به ناحیه p نفوذ می‌کنند.

هرگاه الکترون به ناحیه p وارد شود، تبدیل به حامل بار اقلیت می‌شود. الکترون در این ناحیه توسط تعداد زیادی حفره محاصره شده است، بنابراین طول عمر آن بسیار کوتاه خواهد بود. به همین علت، در مدت زمان کوتاهی با حفره‌ها بازترکیب می‌شود. در نتیجه، هرگاه الکترون از ناحیه اتصال عبور کند، دو یون ایجاد می‌شوند. هر الکترونی با خروج از ناحیه n، یک اتم پنج طرفیتی به جا می‌گذارد. همچنین، هر الکترون با ورود به ناحیه p، با حفره اتم سه ظرفیتی بازترکیب می‌شود. بنابراین، اتم سه ظرفیتی پس از دریافت الکترون به یون منفی تبدیل می‌شود. از این‌رو، هرگاه الکترون از ناحیه n به ناحیه p نفوذ می‌کند، یک جفت یون مثبت و منفی در نزدیکی محل اتصال ایجاد می‌شود.

یون‌های ایجاد شده، برخلاف حامل‌های بار آزاد یعنی الکترون‌ها و حفره‌ها، حرکت نمی‌کنند. از این‌رو، به دلیل بازترکیب الکترون‌ها و حفره‌ها با یکدیگر در نزدیکی محل اتصال، تقریبا بار آزادی در نزدیکی این ناحیه وجود ندارد. به بیان دیگر، به دلیل بازترکیب حفره و الکترون‌ها با هم، ناحیه نزدیک محل اتصال دو نیمه‌رسانا تهی از حامل‌های بار آزاد می‌شود. به این ناحیه «ناحیه تهی» (Depletion Layer) می‌گوییم. در ناحیه تهی یون‌های منفی و مثبت، بدون حرکت قرار گرفته‌اند. همچنین، در این ناحیه تعداد کمی حامل‌های بار آزاد وجود دارند که در اثر ارتعاش به دلیل گرما ایجاد شده‌اند. در ناحیه تهی به دلیل وجود یون‌های مثبت و منفی ساکن، میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که جهت آن از یون‌های مثبت به سمت یون‌های منفی است.

به دلیل وجود میدان الکتریکی در ناحیه تهی، تنها تعداد کمی الکترون در ناحیه n می‌توانند از ناحیه تهی عبور کنند و وارد ناحیه p شوند. این مورد برای حفره‌ها نیز صدق می‌کند. در واقع، این یون‌های بی‌حرکت در ناحیه تهی، سد پتانسیلی در مقابل حرکت حامل‌های بار آزاد ایجاد می‌کند. بنابراین، آن‌ها نمی‌توانند از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر نفوذ کنند. به این سد پتانسیل، پتانسیل داخلی نیز گفته می‌شود و مقدار آن برای سیلیکون و ژرمانیوم به ترتیب برابر ۰/۷ و ۰/۳ الکترون‌ولت است. حامل‌های بار آزاد برای عبور از ناحیه تهی باید بر این سد پتانسیل غلبه کنند. اگر اتصال PN در مدار خارجی قرار نگیرد، تنها تعداد کمی از حامل‌های بار اکثریت می‌توانند از ناحیه تهی عبور کنند و از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر روند. اما به دلیل وجود میدان الکتریکی در ناحیه تهی، حامل‌های بار اقلیت در هر ناحیه می‌توانند از ناحیه تهی عبور کنند.

به عنوان مثال، حفره‌ها که حامل‌های بار اقلیت در ناحیه n هستند، به دلیل وجود میدان الکتریکی در ناحیه تهی از ناحیه n به ناحیه p می‌روند. این حفره‌ها با رفتن به ناحیه p به حامل‌های بار اکثریت در این ناحیه تبدیل می‌شوند. به طور مشابه، الکترون‌ها که حامل‌های بار اقلیت در ناحیه p هستند، از این ناحیه به ناحیه n می‌روند. این الکترون‌ها با رفتن به ناحیه n به حامل‌های بار اکثریت در این ناحیه تبدیل خواهند شد. بدون اعمال بایاس خارجی، جریان الکترون‌ها به دلیل میدان الکتریکی داخلی و به دلیل نفوذ، یکدیگر را خنثی می‌کنند. به بیان دیگر، جریان حامل‌های بار اکثریت و اقلیت یکدیگر را خنثی خواهند کرد. از این‌رو، جریان کل عبوری برابر صفر است. بنابراین، برای آن‌که حامل‌های بار اکثریت در دو ناحیه n و p بخواهند از ناحیه تهی عبور کنند، ولتاژ بایاس خارجی باید اعمال شود.

اگر میدان خارجی هم‌جهت با میدان الکتریکی داخلی اعمال کنیم،‌ مقاومت ناحیه تهی در برابر عبور حامل‌های بار اکثریت افزایش خواهد یافت. در مقابل، اگر میدان خارجی در خلاف جهت میدان الکتریکی داخلی اعمال شود، در این حالت، مقاومت ناحیه تهی در برابر عبور حامل‌های بار اکثریت کاهش می‌یابد. بنابراین، دو نوع بایاس برای اتصال PN وجود دارند:

• بایاس مستقیم
• بایاس معکوس

بایاس مستقیم چیست ؟

در بایاس مستقیم انتهای مثبت باتری به ناحیه p و انتهای منفی باتری به ناحیه n متصل می‌شود. در بایاس مستقیم، جهت میدان الکتریکی خارجی در خلاف جهت میدان الکتریکی داخلی است. از این‌رو، میدان موثر در محل اتصال نیمه‌رساناهای نوع n و p کاهش می‌یابد. بنابراین، در بایاس مستقیم، الکترون‌ها در ناحیه n و حفره‌ها در ناحیه p به سمت محل اتصال کشیده می‌شوند. در نتیجه، عرض ناحیه تهی کاهش می‌یابد. همچنین، مقاومت ناحیه تهی در برابر عبور حامل‌های بار اکثریت نیز کاهش می‌یابد. با افزایش ولتاژ الکتریکی خارجی، عرض ناحیه تهی بیشتر کاهش خواهد یافت. هنگامی که مقدار ولتاژ الکتریکی خارجی از مقدار سد پتانسیل بیشتر شود، مقاومت ناحیه تهی در برابر عبور حامل‌های بار اکثریت ناچیز می‌شود.

به عنوان مثال، اگر برای کریستال سیلیکون، مقدار ولتاژ خارجی بیشتر از ۰/۷ الکترون‌ولت باشد، مقاومت ناحیه تهی در برابر عبور حامل‌های بار اکثریت ناچیز خواهد بود. در این حالت، الکترون‌های ناحیه n می‌توانند از ناحیه تهی عبور کنند. الکترون‌ها به محض عبور از ناحیه تهی توسط قطب مثبت باتری جذب می‌شوند. بنابراین، الکترون‌ها پس از ورود به ناحیه p، از حفره‌های موجود در این ناحیه عبور می‌کنند و به قطب مثبت باتری می‌رسند. به طور مشابه، حفره‌ها نیز به سمت ناحیه تهی حرکت می‌کنند. آن‌ها پس از ورود به ناحیه n توسط قطب منفی باتری جذب می‌شوند. بنابراین، در این حالت، جریان الکتریکی به دلیل حرکت حفره‌ها و الکترون‌ها ایجاد می‌شود. با افزایش مقدار ولتاژ بایاس،‌ تعداد بیشتری الکترون و حفره می‌توانند از ناحیه تهی عبور کنند. به همین دلیل می‌توانند جریان الکتریکی در مدار ایجاد کنند.

شاید از خود پرسیده باشید حفره‌ها چکونه حرکت می‌کنند. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم حفره‌ چیزی جز غیاب الکترون نیست. بنابراین، هرگاه الکترونی از نقطه‌ای به نقطه‌ دیگر جابجا می‌شود،‌ حفره در جهت مخالف جابجا خواهد شد. به عنوان مثال، در تصویر زیر الکترون از سمت راست به چپ حرکت می‌کند، در نتیجه حفره از سمت چپ به راست حرکت خواهد کرد. بنابراین، با حرکت الکترون‌ها، حفره‌ها نیز حرکت می‌کنند.

بایاس معکوس چیست ؟

در بایاس معکوس انتهای مثبت باتری به ناحیه n و انتهای منفی باتری به ناحیه p متصل می‌شود. در این حالت، الکترون‌ها که حامل بار اکثریت در ناحیه n هستند، توسط قطب مثبت باتری و به طور مشابه حفره‌ها در ناحیه p توسط قطب منفی باتری جذب می‌شوند. به همین دلیل، یون‌های بیشتری در نزدیکی محل اتصال ایجاد خواهند شد. به بیان دیگر، عرض ناحیه تهی افزایش می‌یابد. بنابراین، در حالت بایاس معکوس با افزایش ولتاژ بایاس، عرض ناحیه تهی نیز افزایش خواهد یافت. در نتیجه، ناحیه تهی مقاومت بیشتری در برابر عبور حامل‌های بار اکثریت از خود نشان می‌دهد. به همین دلیل، حامل‌های بار اکثریت جریانی را ایجاد نمی‌کنند. اما در این حالت به دلیل وجود میدان الکتریکی داخلی در ناحیه تهی، حامل‌های بار اقلیت در هر ناحیه می‌توانند از ناحیه تهی عبور کنند.

در حالت بایاس معکوس، حفره‌ها که حامل بار اقلیت در ناحیه n هستند پس از عبور از ناحیه تهی، به ناحیه p می‌رسند. حفره‌ها پس از رسیدن به ناحیه p توسط قطب منفی باتری جذب می‌شوند. به طور مشابه، الکترون‌ها که حامل بار اقلیت در ناحیه ‌p هستند پس از عبور از ناحیه تهی، به ناحیه n می‌رسند. الکترون‌ها پس از رسیدن به ناحیه n توسط قطب مثبت باتری جذب خواهند شد. در نتیجه، در حالت بایاس معکوس، جریان الکتریکی به دلیل حرکت حامل‌ها بار اقلیت ایجاد می‌شود. اما از آنجا که تعداد حامل‌های بار اقلیت در مقایسه با تعداد حامل‌های بار اکثریت بسیار کمتر است، مقدار جریان الکتریکی در بایاس معکوس در مقایسه با بایاس مستقیم بسیار کوچک‌تر خواهد بود.

به جریان الکتریکی ایجاد شده در حالت بایاس معکوس، جریان اشباع معکوس می‌گوییم. عبارت اشباع از آنجا می‌آید که این جریان به سرعت به مقدار بیشینه خود می‌رسد و پس از آن با افزایش ولتاژ بایاس، افزایش قابل‌ملاحطه‌ای در اندازه جریان معکوس مشاهده نمی‌شود. اندازه جریان اشباع معکوس در محدوده میکروآمپر است. امروزه با پیشرفت‌های انجام شده در صنعت الکترونیک، مقدار این جریان در وسایل الکتریکی ساخته شده با سیلیکون در محدوده نانوآمپر است. جریان اشباع معکوس با $$I_s$$ نشان داده می‌شود. توجه به این نکته مهم است که جریان اشباع معکوس تابعی از دما است. با افزایش دما جفت الکترون-حفره ایجاد شده به دلیل گرما در ساختار کریستالی سیلیکون افزایش می‌یابد. به بیان دیگر، با افزایش دما تعداد حامل‌های بار اقلیت افزایش می‌یابد. به همین دلیل، جریان اشباع معکوس افزایش خواهد یافت.

به عنوان مثال، برای سیلیکون به ازای هر ۱۰ درجه افزایش دما، مقدار جریان اشباع معکوس دو برابر می‌شود. همچنین، به ازای هر یک درجه افزایش دما، جریان اشباع معکوس در سیلیکون در حدود ۷ درصد افزایش می‌یابد. اگر در اتصال PN جریان اشباع معکوس در دمای ۲۵ درجه سلسیوس برابر ۲۰ نانوآمپر باشد، مقدار جریان در دمای ۳۵ درجه سلسیوس برابر ۴۰ نانومتر خواهد بود. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم مقدار این جریان با افزایش ولتاژ بایاس به صورت چشم‌گیری تغییر نمی‌کند. آیا ولتاژ بایاس را هر چقدر که بخواهیم می‌توانیم افزایش دهیم؟ خیر، ولتاژ بایاس در حالت معکوس تا مقدار بیشینه‌ای می‌تواند افزایش یابد. اگر ولتاژ معکوس را به صورت پیوسته افزایش دهیم، به نقطه‌ای به نام ولتاژ شکست می‌رسیم. هنگامی که دیود به ولتاژ شکست می‌رسد، ناگهان تعداد زیادی حامل‌های بار اقلیت در ناحیه تهی ظاهر می‌شوند. در این حالت، دیود ناگهان جریان بسیار زیادی را از خود عبور می‌دهد.

تا اینجا فهمیدیم نیمه‌رساناهای نوع‌ n و p چگونه تشکیل می‌شوند و پس از اتصال آن‌ها به یکدیگر چه اتفاقی رخ می‌دهد. همچنین اشاره کردیم دیودها از دو بخش آند و کاتد ساخته شده‌اند. آند از نیمه‌رسانای نوع p و کاتد از نیمه‌رسانای نوع n تشکیل شده است. در ادامه، در مورد دیودها با زیییات بیشتری صحبت خواهیم کرد. در ابتدا، دیود را به صورت ایده‌آل فرض می‌کنیم و جریان عبوری از آن را به‌دست می‌آوریم. سپس، مسائلی در مورد مدارهای حاوی دیود حل می‌کنیم و انواع دیود، مانند دیود زنر، را توضیح می‌دهیم.

نمودار جریان بر حسب ولتاژ در دیودها

در مطالب بالا در مورد اتصال دیود به باتری و عبور جریان الکتریکی از آن پس از اعمال ولتاژ صحبت کردیم.

در حالت کلی، دیودها از اتصال دو نیمه‌رسانای n و p به یکدیگر ساخته می‌شود. هرگاه بخش p به قطب مثبت باتری و بخش n به قطب منفی باتری متصل شوند، دیود در حالت بایاس مستقیم قرار دارد و جریان از بخش p به بخش n هدایت می‌شود. جریان الکتریکی از مکانی با پتانسیل الکتریکی بیشتر به مکانی با پتانسیل الکتریکی کمتر منتقل می‌شود. در بایاس معکوس، بخش p به قطب منفی باتری و بخش n به قطب مثبت باتری متصل می‌شوند و هیچ جریانی منتقل نمی‌شود، مگر آن‌که ولتاژ بسیار بالایی را اعمال کنیم. در این بخش، نمودار جریان برحسب ولتاژ را در دو حالت ولتاژ مستقیم و معکوس توضیح می‌دهیم. نمودار جریان برحسب ولتاژ دیود سیلیکونی در این دو حالت در تصویر زیر نشان داده شده است.

به ولتاژ ۰/۷ «ولتاژ زانو» (Knee Voltage) می‌گوییم. ولتاژ زانو مقدار ولتاژ کمینه‌ای است که پس از آن جریان عبوری از دیود در بایاس مستقیم به صورت قابل‌ملاحظه‌ای با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد. همان‌طور که در نمودار بالا دیده می‌شود در بایاس مستقیم دیود با افزایش ولتاژ مقدار بسیار کمی جریان را از خود عبور می‌دهد. هنگامی که ولتاژ تا مقداری به نام ولتاژ شکست افزایش یابد، هیچ اتفاق خاصی رخ نمی‌دهد. با رسیدن به ولتاژ شکست، مقدار قابل‌توجهی جریان از دیود عبور می‌کند.

دیود در مدار

مداری ساده متشکل از دیود، مقاومت و باتری را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر را در نظر بگیرید. فرض کنید ولتاژ باتری برابر ۱۲ ولت و مقدار مقاومت برابر ۵۰ اهم است. همچنین، افت ولتاژ در دو سر دیود را برابر ۰/۷ ولت در نظر بگیرید. نخستین پرسشی که به وجود می‌آید آن است که با توجه به مدار نشان داده شده در تصویر زیر آیا جریانی از مدار می‌گذرد یا خیر. اگر پاسخ به این پرسش بله باشد، مقدار جریان عبوری و توان مصرفی چه مقدار است؟

در حالت کلی می‌دانیم در مدارها جهت جریان قرادادی از قطب مثبت باتری به قطب منفی آن است. بنابراین، جریان در جهت نشان داده شده در تصویر زیر است. بنابراین نوک پیکان (دیود) و جریان در یک جهت هستند، بنابراین دیود جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهد. در مقابل، هرگاه جهت جریان در مدار در خلاف جهت نوک پیکان باشد، جریانی از آن عبور نمی‌کند.

با استفاده از این روش به سادگی می‌توانیم بگوییم آیا دیودی روشن است یا خاموش. اگر جهت جریان الکتریکی هم‌جهت با نوک پیکان دیود باشد، دیود روشن و ولتاژ دو سر آن برابر ۰/۷ ولت است. ولتاژ دو سر دیود را برابر ۰/۷ در نظر گرفتیم. ولتاژ دو سر مقاومت ۵۰ اهمی چه مقدار است؟ از آنجا که ولتاژ دو سر باتری برابر ۱۲ ولت است، جمع ولتاژهای دو سر دیود و مقاومت نیز باید برابر ۱۲ ولت باشد.

$$V_{battery} = V_{resistor} + V _ {diode} 12 V = V _ {resistor} + 0.7 V V_ {resistor} = 12 V - 0.7 V = 11.3 V$$

با داشتن ولتاز دو سر مقاومت و و دانستن مقاومت دو سر آن می‌توانیم جریان عبوری از مقاومت را با استفاده از قانون اهم به‌دست آوریم:

$$V = IR 11.3 V = I ( 50 ) I = \frac { 11.3 } { 50 } I = 0.226 A$$

بنابراین جریان عبوری از مقاومت برابر ۰/۲۲۶ آمپر یا ۲۲۶ میلی‌آمپر است. مقدار توان مصرف شده توسط باتری چه مقدار است؟ برای محاسبه توان مصرف شده توسط دیود از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

$$P = VI$$

ولتاژ دو سر دیود برابر ۰/۷ ولت و جریان عبوری از آن برابر ۰/۲۲۶ آمپر استُ در نتیجه مقدار توان مصرفی برابر است با:

$$P = ( 0.7 ) ( 0.226) P = 0.158 W$$

همچنین، مقدار توان مصرفی توسط مقاومت نیز برابر حاصل‌ضرب ولتاژ دو سر آن در جریان عبوری و برابر ۲٫۵۵۴ وات است. همچنین، مقدار توان باتری نیز برابر ۲٫۷۱۲ وات خواهد بود. به این نکته توجه داشته باشید که توان باتری برابر توان مصرف شده توسط دیود و مقاومت است. سه حالت زیر را در نظر بگیرید. در هر حالت مشخص می‌کنیم آیا دیود روشن است یا خاموش. شاید از خود بپرسید سه خط نشان داده شده در پایین هر مدار چه چیزی را نشان می‌دهد. این سه خط نشان‌دهنده اتصال به زمین و ولتاژ صفر است. همان‌طور که می‌دانیم جهت جریان در مدار از ولتاژ بیشتر به ولتاژ کمتر است. بنابراین، در مدار سمت چپ، جهت جریان از بالا به پایین خواهد بود.

از این‌رو، جهت جریان در جهت نوک پیکان در علامت دیود و دیود روشن است. در مدار وسط نیز جریان از بالا به سمت پایین جاری می‌شود، اما نوک پیکان در علامت دیود به سمت بالا و در خلاف جهت جریان است. در نتیجه، دیود در این مدار خاموش خواهد بود. در آخرین مدار، یعنی مدار سمت راست، جهت جریان از پایین به سمت بالا است، زیرا زمین با ولتاژ صفر در پتانسیل بالاتری در مقایسه با ولتاژ ۷- ولتی قرار دارد. بنابراین، جهت جریان در جهت نوک پیکان در علامت دیود و دیود روشن است. در بخش قبل در مورد نمودار جریان برحسب ولتاژ در دیودها در حالت بایاس مستقیم و بایاس معکوس صحبت کردیم.

حل مسائل دیود در مدار الکتریکی

در این بخش با استفاده از مثال‌های مختلف با چگونگی حل مسائل مربوط به دیود در مدار الکتریکی آشنا می‌شویم.

مثال ۱

در مدار زیر ولتاژ خروجی و جریان عبوری از مقاومت را به‌دست آورید.

پاسخ

ابتدا باید مشخص کنیم دیود قرار داده شده در مدار روشن است یا خاموش. دیود استفاده شده در مدار دیود سیلیکونی است. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم این دیود برای آن‌که فعال شود به ولتاژ کمینه‌ای برابر ۰/۷ ولت نیاز دارد. از آنجا که ولتاژ باتری برابر ۱۲ ولت و از ۰/۷ ولت بیشتر است، دیود می‌تواند فعال شود. جهت جریان از قطب مثبت به قطب منفی باتری و در جهت نشان داده شده در تصویر زیر است.

از آنجا که نوک پیکان در علامت دیود هم‌جهت با جریان عبوری از مدار است، دیود در حالت روشن خواهد بود. به این نکته توجه داشته باشید که ولتاژ زمین برابر صفر و ولتاژ نقطه A برابر ۱۲ ولت است. افت ولتاژ در دو سر دیود سیلیکونی برابر ۰/۷ ولت و ولتاژ خروجی برابر ۱۱/۳ ولت خواهد بود.

$$V_O = 11.3 V$$

در ادامه، جریان عبوری از مدار را به‌دست می‌آوریم. جریان با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$I = \frac { V} { I }$$

افت ولتاژ در دو سر مقاومت برابر ۱۱/۳ ولت و مقدار مقاومت برابر ۵۰۰۰ اهم است:

$$I = \frac { V} { I } = \frac { 11.3 V} { 5000 \Omega} I = 2.26 m A$$

مثال ۲

در مدار زیر ولتاژ خروجی و جریان عبوری از مقاومت را به‌دست آورید.

پاسخ

ابتدا باید مشخص کنیم دیود قرار داده شده در مدار روشن است یا خاموش. دیود استفاده شده در مدار دیود سیلیکونی است. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم این دیود برای آن‌که فعال شود به ولتاژ کمینه‌ای برابر ۰/۷ ولت نیاز دارد. از آنجا که ولتاژ باتری برابر ۱۲ ولت و از ۰/۷ ولت بیشتر است، دیود می‌تواند فعال شود. جهت جریان از قطب مثبت به قطب منفی باتری و در جهت نشان داده شده در تصویر زیر است. از آنجا که نوک پیکان در علامت دیود در خلاف جهتِ جریان عبوری از مدار است، دیود در حالت خاموش خواهد بود. در نتیجه، جریان عبوری از مدار و ولتاژ خرجی برابر صفر هستند.

مثال ۳

در مدار زیر ولتاژ خروجی و جریان عبوری از مقاومت را به‌دست آورید.

پاسخ

در مدار نشان داده شده در تصویر بالا، دو دیود سیلیکون و ژرمانیوم به صورت سری به مقاومت ۴ کیلواهمی و باتری ۹ ولتی متصل شده‌اند. در ابتدا چهار نقطه مهم A و B و C و D را در مدار مشخص می‌کنیم.

نقطه D به زمین متصل شده و ولتاژ آن برابر صفر و ولتاژ نقطه A یعنی $$V _ A$$ نسبت به نقطه D برابر ۹ ولت است. برای آن‌که دیود سیلیکونی را فعال کنیم به افت ولتاژی بزرگ‌تر از ۰/۷ ولت نیاز داریم. از آنجا که ولتاژ باتری ۹ ولت و بزرگ‌تر از ۰/۷ ولت است، دیود سیلیکونی و همراه با آن دیود ژرمانیوم می‌توانند فعال شوند. جهت جریان به سمت راست و به صورت نشان داده شده در تصویر زیر است.

در ادامه، باید مشخص کنیم دیودهای سیلیکون و ژرمانیوم در حالت خاموش هستند یا روشن. از آنجا که جهت جریان در مدار هم جهت با نوک پیکان در نماد هر دیود است، دیودها در حالت روشن قرار دارند. ولتاژ در نقطه B به صورت زیر به‌دست می‌آید:

$$V_B = 9 V - 0.7 V = 8.3 V$$

افت پتانسیل در دو سر دیود ژرمانیوم برابر ۰/۳ ولت و در نتیجه، ولتاژ در نقطه C برابر است با:

$$V_C = 8.3 V - 0.3 V = 8 V$$

$$V_C$$ همان ولتاژ خروجی و برابر ۸ ولت است. با داشتن ولتاژ خروجی می‌توانیم جریان عبوری از مقاومت را به‌دست آوریم.

$$I = \frac { V} { I } = \frac { ‌8 V} { 4000 \Omega} I = 2 m A$$

شاید از خود بپرسید چرا ولتاژ دو سر مقاومت برابر ۸ ولت است، زیرا مقدار ولتاژ دو سر مقاومت برابر تفاضل ولتاژ دو نقطه C و D است. ولتاژ نقطه C برابر ۸ ولت و ولتاژ نقطه D برابر صفر ولت است. از این‌رو، اختلاف ولتاژ دو سر مقاومت برابر ۸ ولت به‌دست می‌آید.

مثال ۴

در مدار زیر ولتاژ خروجی و جریان عبوری از مقاومت را به‌دست آورید.

پاسخ

در مدار نشان داده شده در تصویر بالا، دو دیود سیلیکون و ژرمانیوم به صورت موازی با یکدیگر قرار گرفته‌اند و به مقاومت ۵ کیلواهمی و باتری ۶ ولتی متصل شده‌اند. در ابتدا باید بدانیم دیودها روشن هستند یا خاموش. جهت جریان به سمت راست و به صورت نشان داده شده در تصویر زیر است. همچنین، باتری انرژی کافی برای فعال کردن دیودها را دارد. همان‌طور که در مثال ۳ دیدیم افت ولتاژ در دو سر دیود سیلیکونی با افت ولتاژ در دو سر دیود ژرمانیوم تفاوت دارد. در ادامه، سه نقطه مهم A و B و C را در مدار مشخص می‌کنیم. نقطه C به زمین متصل و ولتاژ دو سر آن برابر صفر ولت و ولتاژ نقطه A نیز برابر ۶ ولت است.

افت ولتاژِ دیود ژرمانیوم برابر ۰/۳ ولت و بنابراین ولتاژ در نقطه B برابر ۵/۷ ولت است. از سوی دیگر، افت ولتاژ در دو سر دیود سیلیکونی برابر ۰/۷ ولت و از این‌رو، ولتاژ در نقطه B باید ۵/۳ ولت باشد. آیا نقطه B می‌تواند هم‌زمان این دو ولتاژ را داشته باشد؟ خیر، این نقطهِ تنها می‌تواند یکی از این دو ولتاژ را داشته باشد. از آنجا که دیود ژرمانیوم به انرژی کمتری برای فعال شدن نیاز دارد، بنابراین این دیود، دیودی است که می‌تواند روشن باشد. در نتیجه، جریان الکتریکی برای عبور از مقاومت الکتریکی ۵ کیلواهمی می‌تواند از مسیری بگذرد که دیود زرمانیوم قرار دارد. از این‌رو، ولتاژ نقطه B و ولتاژ خروجی برابر ۵/۷ ولت خواهد بود. در ادامه، جریان عبوری از مقاومت را به‌دست می‌آوریم:

$$I = \frac { V} { I } = \frac { ‌5.7 V} { 5000 \Omega} I = 1.14 m A$$

مثال ۵

در مدار زیر ولتاژ خروجی و جریان عبوری از مقاومت ۴ کیلواهمی را به‌دست آورید.

پاسخ

در مدار نشان داده شده در تصویر بالا، دیود سیلیکون به مقاومت‌های ۴ کیلواهمی و ۳ کیلواهمی و باتری ۱۰ ولتی متصل شده‌ است. این مثال را با دو روش متفاوت حل می‌کنیم.

روش اول

روش اول سریع‌تر است و در آزمون‌های تستی استفاده می‌شود. همان‌طور که در مثال‌های بالا دیدیم افت ولتاژ در دو سر دیود سیلیکونی برابر ۰/۷ ولت و تفاضل ولتاژ باتری و دیود برابر ۹/۳ ولت است. بنابراین، کل ولتاژ در دسترس برای مقاومت‌ها برابر ۹/۳ ولت خواهد بود. از این‌رو، جریان برابر است با:

$$I = \frac { V} { I } = \frac { ‌9.3 V} { 7000 \Omega} I = 1.33 m A$$

به این نکته توجه داشته باشید که مقاومت‌ها با یکدیگر سری هستند و مقاومت کل برابر جمع آن‌ها با یکدیگر است. با داشتن مقدار جریان عبوری از مقاومت ۴ کیلواهمی می‌توانیم ولتاژ دو سر آن یا ولتاژ خروجی را به‌دست آوریم.

$$V = I R V = 1.33 \times 4 k \Omega = 5.32 V$$

روش دوم

در روش دوم از قانون کیرشهوف استفاده می‌کنیم. براساس این قانون، جمع ولتاژ در هر حلقه بسته‌ای در مدار برابر صفر است. نقطه‌ای را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر در نظر می‌گیریم و در جهت عقربه‌های ساعت شروع به حرکت می‌کنیم. در مسیر حرکت ابتدا به باتری می‌رسیم و ولتاژ به اندازه ۱۰+ ولت افزایش می‌یابد. در واقع باتری انرژی مدار را با دادن انرژی به آن افزایش می‌دهد. پس از باتری به مقاومت ۳ کیلواهمی می‌ر‌سیم. مقاومت انرژی از مدار می‌گیرد. در نتیجه با رسیدن به مقاومت الکتریکی، مقدار ولتاژ به اندازه $$- 3 I$$ کاهش می‌یابد. در ادامه، به دیود سیلیکونی می‌رسیم. افت ولتاژ این دیود برابر ۰/۷ ولت است. بنابراین، ولتاژ باز هم به اندازه ۰/۷- ولت کاهش خواهد یافت.

در پایان، به مقاومت ۴ کیلواهمی می‌رسیم. این حالت نیز شبیه مقاومت ۳ کیلواهمی است و به اندازه $$- 4 I$$ از مقدار ولتاژ کاسته می‌شود:

$$+10 - 3 I -0.7 - 4 I = 0$$

پس از حل معادله درجه یک بالا مقدار جریان را برابر ۱/۳۳ میلی‌آمپر به‌دست می‌آوریم. با داشتن جریان، ولتاژ خروجی را نیز برابر ۵/۳۲ ولت به‌دست می‌آید.

مثال ۶

در مدار زیر ولتاژ خروجی و جریان عبوری از دیود را به‌دست آورید.

پاسخ

در این مدار دو دیود سیلیکون به صورت موازی با یکدیگر قرار گرفته‌اند و هر دو به مقاومت ۳ کیلواهمی و باتری ۸ ولتی متصل شده‌اند. جهت جریان الکتریکی در مدار در راستای نوک پیکان در علامت هر دیود است. همچنین، باتری انرژی کافی برای فعال کردن هر دیود را دارد. هر دو دیود در حالت روشن قرار دارند. سه نقطه مهم A و B و C را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر در مدار مشخص می‌کنیم. از آنجا که نقطه C به زمین متصل شده است، ولتاژ آن برابر صفر خواهد بود. همچنین، ولتاژ نقطه‌ A برابر ۸ ولت است. افت ولتاژ هر دیود سیلیکونی برابر ۰/۷ ولت است. بنابراین، ولتاژ نقطه B برابر ۰/۷ ولت خواهد بود. این بدان معنا است که دو دیود سیلیکونی روشن هستند. مقدار ولتاژ خروجی برابر ۰/۷ ولت است.

در ادامه، جریان الکتریکی را به‌دست می‌آوریم. برای انجام این کار روی مقاومت ۳ کیلواهمی تمرکز می‌کنیم. این مقاومت بین دو نقطه A با ولتاژ ۸ ولت و نقطه B با ولتاژ ۰/۷ ولت قرار دارد. در نتیجه، اختلاف پتانسیل دو سر این مقاومت برابر ۷/۳ ولت است. بنابراین، جریان عبوری از این مقاومت برابر است با:

$$I = \frac { V } { R } I = \frac { 8 - 0.3} { 3000} = 2.43 mA$$

مسیر این جریان پس از عبور از مقاومت و رسیدن به نقطه B به دو قسمت و بین دو دیود تقسیم می‌شود. اگر فرض کنیم که دو دیود به طور کامل مشابه یکدیگر هستند، جریان عبوری از هر دیود از تقسیم جریان کل بر ۲ به‌دست می‌آید. از این‌رو، جریان عبور از هر دیود برابر ۱/۲۱۵ میلی‌آمپر است.

مثال ۷

در مدار زیر ولتاژ خروجی و جریان عبوری از هر یک از مقاومت‌ها را به‌دست آورید.

پاسخ

در مدار نشان داده شده در تصویر بالا از دو دیود ژرمانیوم و سیلیکون و دو مقاومت ۲ و ۵ کیلواهمی استفاده شده است. همان‌طور که در تصویر زیر نشان داده شده است جهت جریان در مدار در جهت نوک پیکان نماد دیودها است. بنابراین، هر دو دیود در حالت روشن قرار دارند.

همچنین، افت ولتاژ در دو سر دیود سیلیکون و ژرمانیوم به ترتیب برابر ۰/۷ و ۰/۳ ولت است. اختلاف ولتاژ بین دو نقطه A و B برابر است با:

$$V_{AB} = 16 - (-8) = 24 V$$

جریان عبوری از مقاومت‌ها برابر است با:

$$I = \frac { V } { R } I = \frac { 24-0.7-0.3} {2000+5000} = 3.286 mA$$

به این نکته توجه داشته باشید که برای به‌دست آوردن جریان عبوری از مدار باید مقاومت‌های سری را با یکدیگر جمع و افت ولتاژ دو سر دیودها را از اختلاف ولتاژ دو سر نقطه A و B کم کنیم. برای به‌دست آوردن جریان می‌توانیم از راه حل دیگری نیز استفاده کنیم. برای انجام این کار از نقطه A شروع می‌کنیم و ولتاژ این نقطه را می‌نویسیم. در ادامه، پس از رسیدن به هر مقاومت یا هر دیود اختلاف ولتاژ را از عدد ۱۶ کم می‌کنیم تا به نقطه B برسیم:

$$+16 - 0.3 - 2000 I -0.7 - 5000 I - (-8) = 0$$

پس از حل معادله بالا برای جریان، باز هم به عدد ۳/۲۸۶ میلی‌آمپر می‌رسیم. با داشتن جریان الکتریکی می‌توانیم مقدار ولتاژ خروجی را نیز به‌دست آوریم. در این مدار ۴ قطعه الکتریکی وجود دارد. ولتاژ دو سر هر قطعه را به‌دست می‌آوریم. همان‌طور که در تصویر زیر نشان داده شده است ابتدا نقاط مهم را در مدار مشخص می‌کنیم.

پتانسیل در نقطه A برابر ۱۶ ولت است. از آنجا که افت پتانسیل در دو سر دیود ژرمانیوم برابر ۰/۳ ولت است، ولتاژ در نقطه B باید برابر ۱۵/۷ ولت باشد. به دو روش می‌توانیم پتانسیل در نقطه C را به‌دست آوریم:

روش اول

در این روش از تقطه B شروع می‌کنیم و با حرکت در جهت جریان به نقطه C می‌رسیم:

$$15.7 - (3.286 mA) ( 2 k \Omega) = 9.128 V$$

روش دوم

در روش دوم از نقطه B شروع می‌کنیم و با حرکت در خلاف جهت جریان به نقطه C می‌رسیم. ابتدا ولتاژ نقطه D را به دست می‌آوریم. پتانسیل نقطه B برابر ۸- ولت است. پتانسیل در نقطه D بیشتر از پتانسیل در نقطه B است، زیرا جریان از نقطه D به سمت B حرکت می‌کند.

$$- 8 + (5 k \Omega) (3.286 mA) = 8.43 V$$

در پایان، پتانسیل در نقطه C را به‌دست می‌آوریم. برای این کار پتانسیل در نقطه D را با عدد ۰/۷ جمع می‌کنیم. بنابراین، پتانسیل در نقطه C برابر ۹/۱۳ ولت است. دنابراین، ولتاژ خروجی در حدود ۹/۱۳ ولت خواهد بود.

مثال ۸

 مثال ۹

انواع دیودها

دیودها یکی از بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها در صنعت الکترونیک بودند. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد دیود قطعه‌ای الکترونیکی است که به جریان اجازه می‌دهد در جهتی خاص وجود داشته باشد و اجازه عبور جریان در جهت مخالف را نمی‌دهد. در بخش‌های قبل گفتیم دیودها می‌توانند از اتصال دو نیمه‌رسانای نوع n و p به یکدیگر ساخته شوند. به این دیود، دیود PN می‌گوییم و با چگونگی عملکرد آن آشنا شدیم. در ادامه، عملکرد این دیود را به اختصار توضیح می‌دهیم و در مورد انواع مختلف دیود صحبت می‌کنیم.

دیود اتصال P-N

دیودهای P-N ولتاژ آستانه‌ای دارند که اگر مقدار ولتاژ اعمال شده به دو سر آن‌ها از این مقدار بیشتر شود، جریان می‌تواند از دیود عبور کند. به عنوان مثال، مقدار ولتاژ آستانه برای دیود سیلیکونی برابر ۰/۷ ولت و برای دیود ژرمانیوم برابر ۰/۳ ولت است. این دیودها در دو حالت بایاس مستقیم و بایاس معکوس می‌توانند در مدار قرار بگیرند. در حالت بایاس معکوس، جریان از دیود عبور نمی‌کند. اگر در حالت بایاس معکوس، مقدار ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شکست دیود بیشتر شود، عملکرد دیود دچار اختلال می‌شود و اجازه می‌دهد جریان در جهت مخالف، جاری شود.

شاید این کار در نگاه نخست جالب به نظر برسد، اما این‌گونه نیست و دیود به شدت داغ می‌شود و دمای آن به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد.

دیود شاتکی چیست ؟

این دیودها شباهت زیادی به دیودهای رایج سیلیکونی دارند، اما در عمل تفاوت‌های مهمی در مقایسه با آن‌ها دارند. نماد الکتریکی استفاده شده برای این دیودها در مقایسه با دیودهای رایج سیلیکونی یا ژرمانیوم متفاوت است. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم دیودهای رایج سیلیکونی یا ژرمانیوم تنها اجازه می‌دهند جریان الکتریکی در جهت مشخصی جاری شود. هنگامی که جریان از این دیودها می‌گذرد، افت ولتاژی در دو سر دیود به نام افت ولتاژ مستقیم مشاهده می‌شود. این ولتاژ را با $$V_f$$ نشان می‌دهیم. از آنجا که افت ولتاژ به هنگام عبور جریان از دیود رخ می‌دهد، مقداری گرما در آن تولید می‌شود.

حاصل‌ضرب $$V_f$$ در مقدار جریان عبوری از دیود، مقدار توان مصرفی برحسب وات را به ما می‌دهد. یکی از مزیت‌های مهم دیودهای شاتکی در مقایسه با دیود‌های سیلیکونی آن است مقدار $$V_f$$ کمتری دارند. از این‌رو، گرمای کمتری در دیودهای شاتکی ایجاد می‌شود. در تصویر زیر دیود معمولی 1N4007 سیلیکونی را مشاهده می‌کنید. جریانی برابر ۵۰۰ میلی‌آمپر از این دیود می‌گذرد. افت ولتاژ در این دیود را با استفاده از ولت‌متر اندازه می‌گیریم و مقدار ۰/۸۳۲ ولت به‌دست می‌آید.

مقدار گرمای تولید شده در دو سر دیود برابر است با:

$$P = IV = 0.832 \times 500 mA = 0.416 W$$

گرمای تولید شده در دیود منجر به افزایش دمای آن تا حدود ۵۴ درجه سلسیوس می‌شود. آزمایش مشابهی را با دیود شاتکی 1N5817 انجام و جریان یکسانی را از این دیود عبور می‌دهیم. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، افت ولتاژ مستقیم در دو سر این دیود، تنها برابر ۰/۳۴۵ ولت است. از این‌رو مقدار گرمای تولید شده در آن برابر است با:

$$P = IV = 0.345 \times 500 mA = 0.173 W$$

در این حالت، دمای دیود شاتکی در اثر ایجاد گرما تا حدود ۳۸ درجه سلسیوس افزایش می‌یابد. بنابراین، بازده دیودهای شاتکی بیشتر از دیودهای رایج سیلیکونی است. مزیت دیگر دیودهای شاتکی در مقایسه با دیودهای رایج، سرعت سوییچینگ سریع‌ (سرعت کلیدزنی سریع) آن‌ها است، در نتیجه می‌توان از دیودهای شاتکی در فرکانس‌های بالا استفاده کرد. به بیان دیگر، دیودهای رایج نمی‌توانند به معکوس شدن ولتاژ اعمال شده در فرکانس‌های بسیار بالا پاسخ دهند. در واقع، دیودهای رایج، مانند دیود سیلیکونی، نمی‌توانند از حالت رسانا به حالت عایق یا از حالت عایق به حالت رسانا تغییر کنند.

دیودهای شاتکی برای استفاده در کامپیوترها و یکسوکننده‌ها ساخته شده‌اند. از این‌رو، این دیودها باید برای پاسخ به این تغییرات سریع، سرعت کلیدزنی بالایی داشته باشند.

آزمایش شماره ۱

با انجام آزمایشی ساده با استفاده از اسیلوسکوپ، چند مقاومت و دو دیود سیلیکونی 1N4007 و دیود شاتکی 1N5817 می‌توانیم سرعت سوییچینگ سریع دیود شاتکی و استفاده از آن در فرکانس‌های بالا را مشاهده کنیم.

همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، موج سینوسی ۶۰ هرتزی با استفاده از اسیلوسکوپ ایجاد شده است.

موج سینوسی تولید شده به دو دیود سیلیکونی و شاتکی اعمال می‌شود. دیودها به صورت نشان داده شده در تصویر زیر همراه با تعداnی مقاومت استفاده می‌شوند.

به تصویر زیر دقت کنید. موج سینوسی زردرنگ، موج ورودی به دیودها است. همان‌طور که در تصویر دیده می‌شود، این موج، موج سینوسی ایده‌ال نیست، زیرا مدار نشان داده شده در تصویر بالا از تعدادی دیود و مقاومت تشکیل شده است. در موج سبزرنگ، دیود سیلیکونی قسمت منفی موج سینوسی را مسدود کرده است. از این‌رو، با موفقیت یکسوسازی نیم‌موج را انجام داده‌ایم. یکسوسازی نیم‌موج به ما قله‌های مثبت ولتاژ را می‌دهد. با توجه به تصویر زیر، دیود شاتکی نیز کار بزرگی را در موج آبی انجام داده است.

این آزمایش در فرکانس ۶۰ هرتز انجام می‌شود. هر دو دیود شاتکی و سیلیکونی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به خوبی در این فرکانس کار می‌کنند. اگر فرکانس موج ورودی تا مقدار ۳۰۰ کیلوهرتز افزایش یابد، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ این فرکانس، فرکانسی است که در منبع تغذیه حالت سوییچ مشاهده می‌شود. همان‌طور که در مطالب بالا ذکر شد دیود شاتکی هیچ مشکلی در فرکانس‌های بالا ندارد و به خوبی می‌تواند مانع از عبور جریان در راستای مخالف شود.

اما دیود سیلیکونی در این فرکانس با مشکل مواجه نمی‌شود و نمی‌تواند به خوبی کار کند. این دیود در هر سیکلی قبل از مسدود کردن جریان در جهت مخالف، با صرف مدت زمان زیادی اجازه می‌دهد تا جریان در جهت معکوس جاری شود. در هر دیود مدت زمان مشخصی طول می‌کشد تا جریان معکوس مسدود و جریان مستقیم جاری شود. در این زمینه، دیودهای شاتکی بسیار سریع‌تر از دیودهای سیلیکونی هستند، بنابراین از آن‌ها در فرکانس‌های بالا استفاده می‌شود.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که اگر دیودهای شاتکی سریع و کارآمد هستند، چرا همیشه از آن‌ها استفاده نمی‌شود؟ چرا گاهی از دیودهای سیلیکونی استفاده می‌شود؟ برای پاسخ به این پرسش باید در مورد ویژگی مهم دیگری از دیودها به نام «جریان نشتی معکوس» (Reverse Leakage Diode) صحبت کنیم. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد دیودها جریان معکوس را مسدود می‌کنند و تنها می‌توانند جریان را به صورت مستقیم از خود عبور دهند.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا دیودها می‌توانند جریان معکوس را به صورت ۱۰۰٪ مسدود کنند؟ خیر. مقدار بسیار کوچکی جریان به صورت معکوس جاری می‌شود که به آن جریان نشتی معکوس می‌گوییم.

آزمایش شماره ۲

به آزمایش ساده زیر توجه کنید. منبع تغذیه‌ای داریم که در ولتاژ ۱۹ ولت تنظیم و به دیود سیلیکونی به صورت معکوس متصل شده است. این دیود به صورت سری با مولتی‌متر قرار دارد. بنابراین، می‌توانیم مقدار جریان معکوس عبوری از دیود را اندازه بگیریم. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود مقدار جریان معکوس عبوری از دیود بسیار کوچک است. این همان چیزی است که از دیود ایده‌ال انتظار داریم.

این آزمایش ساده را با دیود شاتکی تکرار می‌کنیم. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود با اعمال ولتاژ ۱۹- ولت در دو سر دیود شاتکی، جریان معکوسی به بزرگی ۲۰ میکروآمپر از آن عبور می‌کند. اندازه این جریان در مقایسه با جریان معکوس عبوری از دیود سیلیکونی بسیار بزرگ‌تر است. شاید با خود فکر کنید جریان ۲۰ میکروآمپر جریان بزرگی نیست و اگر از دیود برای حفاظت از ولتاژ معکوس استفاده کنیم، این مقدار جریان معکوس مشکلی ایجاد نخواهد کرد.

اما اگر از دیودها به عنوان قسمتی از مدار آشکارساز پیک استفاده شود، مقدار جریان ۲۰ میکروآمپر به طور حتم بسیار بزرگ خواهد بود. همچنین، در محدوده دمایی که دیود در آن می‌تواند کار کند، مقدار جریان معکوس حتی می‌تواند تا چند میلی‌آمپر افزایش یابد. بنابراین، بدون آگاهی نمی‌توانیم از دیود شاتکی در هر جایی استفاده کنیم. نکته مهم دیگری در مورد دیودها وجود دارد که دانستن آن خالی از لطف نیست. افت ولتاژ مستقیم تمایل به همبستگی با نرخ ولتاژ بیشینه در دیود دارد.

هنگامی که برای مدار خود به دنبال دیود هستیم، به احتمال زیاد دیودی با بالاترین حد مجاز ولتاژ (بالاترین نرخ ولتاژ) خریداری می‌کنیم تا حاشیه امن مطمئن‌تری داشته باشیم. اما با انجام این کار بازده دیود را فدای ولتاژ مجاز بیشینه می‌کنیم. از دیودهای شاتکی می‌توان در مدارهای ارتباطی، مدارهای توان و بسیاری جاهای دیگر استفاده کرد.

ساختار دیود شاتکی

همان طور که در مطالب بالا اشاره شد دیود سیلیکونی از اتصال ساختار n و p به یکدیگر ساخته می‌شود. دیود شاتکی نیز همانند دیود سیلیکونی از اتصال کاتد به آند ساخته شده است. خط سفیدی در قسمت کاتد دیود شاتکی وجود دارد. اگر جهت جریان از کاتد به سمت آند باشد، دیود به جریان اجازه عبور می‌دهد و از عبور جریان در جهت مخالف جلوگیری می‌کند. در ادامه، تفاوت دیود سیلیکونی با دیود شاتکی را توضیح می‌دهیم.

نماد دیود شاتکی در تصویر زیر نشان داده شده است. به جای خطی صاف در کاتد این دیود، طرحی به شکل S در محل کاتد قرار دارد.

توجه به این نکته مهم است که دیودهای شاتکی، تنها با استفاده از دو پایه تولید نمی‌شوند، بلکه ممکن است با استفاده از سه پایه نیز تولید شوند. در این دیودها، پایه‌های کاتد دو دیود شاتکی با یکدیگر ترکیب شده‌اند. به بیان دیگر، در دیودهای سه پایه، دو دیود شاتکی وجود دارند. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، افت ولتاژ مستقیم در دیود شاتکی کوچک‌تر از دیود رایج سیلیکونی با اتصال PN است.

دیود سیلیکونی معمولی ار اتصال دو نیمه‌رسانای نوع n و نوع p به یکدیگر ساخته شده است. محل اتصال دو نیمه‌رسانای n و p ناحیه‌ای خنثی با عرض زیاد است. در مقابل، دیود شاتکی، از اتصال نیمه‌رسانای نوع n با روکش فلزی و نیمه‌رسانای نوع p ساخته شده است. همچنین، محل اتصال در دیود شاتکی یا همان ناحیه خنثی، ضخامت کمتری در مقایسه با دیود سیلیکونی دارد. از این‌رو، جریان راحت‌تر از این ناحیه عبور می‌کند. نقطه اتصال دیود شاتکی از ترکیب فلز با نیمه‌رسانا تشکیل شده است.

در اینجا، ناحیه p به طور معمول از فلز آندی مانند طلا، نقره، پلاتین، مولیبدن یا کروم تشکیل شده است. بنابراین، رسانندگی در ولتاژ مستقیمِ بسیار کوچک‌تری در مقایسه با دیودهای سیلیکونی PN فراهم می‌شود. دو دیود به صورت نشان داده شده در تصویر زیر با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

ولتاژی در حدود ۰/۶ تا ۰/۷ ولت برای دیود سیلیکونی لازم است تا جریان الکتریکی مستقیم را از خود عبور دهد. در مقابل، دیود شاتکی با اعمال ولتاژی در حدود ۰/۲ تا ۰/۳ ولت، جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهد. شاید از خود بپرسید آیا اختلاف ولتاژی با این مقدار کم تفاوتی در عملکرد این دو دیود ایجاد می‌کند. در ادامه، مزیت‌ها این مورد را با یکدیگر بررسی می‌کنیم. به این نکته توجه داشته باشید که در سیستم‌های ارتباطی، عملیات با ولتاژهایی در محدوده میلی‌ولت انجام می‌شود.

در نتیجه، حتی این مقدار تفاوت اندک در سیستم‌ها بسیار مهم است. در ابتدا، تفاوت مقدار توان مصرفی دو دیود را بررسی می‌کنیم. فرض کنید جریانی برابر ۱۰ آمپر از دیود سیلیکونی می‌گذرد. برای عبور جریان از این دیود به ولتاژی برابر ۰/۷ ولت نیاز است. به بیان دیگر، اگر ولتاژ دو سر دیود سیلیکونی را در حالت روشن اندازه بگیریم، مقداری برابر ۰/۷ ولت به‌دست می‌آید. در نتیجه، مقدار توان مصرفی این دیود در حدود ۷ وات است. به طور مشابه، فرض کنید جریانی برابر ۱۰ آمپر از دیود شاتکی می‌گذرد.

برای عبور جریان از این دیود به ولتاژی برابر ۰/۳ ولت نیاز است. بنابراین، مقدار توان مصرفی این دیود در حدود ۳ وات به‌دست می‌آید. از این‌رو، مقدار توان اتلافی در دیود شاتکی کمتر از دیود سیلیکونی است. اگر این مقدار توان در مداری با جریان بیشتر باشد، تفاوت مشاهده شده بین دو دیود بسیار بزرگ‌تر خواهد بود. در نتیجه، مقدار کمتر توان اتلافی در دیود شاتکی، مزیت مهمی از نقطه‌نظر بازدهی محسوب می‌شود. این مورد حتی بر افت ولتاژ در مدار نیز تاثیر می‌گذارد.

به عنوان مثال، فرض کنید منبع ولتاژی دو ولتی به صورت سری به دیود سیلیکونی و مجموعه‌ای از مقاومت‌ها وصل شده است. از آنجا که افت ولتاژ دو سر دیود سیلیکونی برابر ۰/۷ ولت است، ولتاژی برابر ۱/۳ ولت به بقیه اجزای مدار منتقل می‌شود.

به طور مشابه، در مدار نشان داده شده در تصویر زیر، منبع ولتاژی با ولتاژی برابر دو ولت به صورت سری به دیود شاتکی و مجموعه‌ای از مقاومت‌ها متصل شده است. از آنجا که افت ولتاژ دو سر دیود شاتکی برابر ۰/۳ ولت است، ولتاژی برابر ۱/۷ ولت به بقیه اجزای مدار منتقل می‌شود. در بیشتر موارد، این اختلاف بسیار کوچک به خصوص در مدارهای ارتباطی، مهم است. دربخش‌های قبل، نمودار جریان برحسب ولتاژ را در دیود سیلیکونی رسم کردیم. این نمودار در تصویر زیر نیز نشان داده شده است.

همان‌طور که در نمودار بالا دیده می‌شود، پس از ولتاژ ۰/۷ ولت، جریان به صورت مستقیم از دیود می‌گذرد. همان‌گونه که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، نمودار جریان برحسب ولتاژ در دیود شاتکی با نمودار رسم شده برای دیود سیلیکونی با یکدیگر مقایسه شده‌اند. پس از ولتاژ ۰/۳ ولت، جریان به صورت مستقیم از دیود می‌گذرد.

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، یکی دیگر از مزیت‌های مهم دیودهای شاتکی در مقایسه با دیودهای سیلیکونی، استفاده از آن‌ها در فرکانس‌های بالا است. مدار یکسوکننده نیم‌موج در تصویر زیر نشان داده شده است. با استفاده از این مدار، قسمت منفی ولتاژ ورودی حذف و تنها قسمت مثبت ولتاژ به قسمت خروجی مدار هدایت می‌شود. در اینجا، هیچ مشکلی در فرایند یکسوسازی در مدار AC در فرکانس ۶۰ هرتز وجود ندارد. به طور معمول، در توزیع برق شهری از فرکانس ۶۰ هرتز استفاده می‌شود.

اگر فرکانس از ۶۰ هرتز بسیار بزرگ‌تر و به عنوان مثال در حدود ۵ کیلوهرتز باشد، دیود نمی‌تواند با دقت بالایی به ولتاژهای منفی پاسخ دهد. از این‌رو، همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، قسمت منفی ولتاژ به طور کامل حذف نمی‌شود و کمی از آن به خروجی منتقل می‌شود. اگر در مدار به جای دیود سیلیکونی معمولی از دیود شاتکی استفاده کنیم، این مشکل به راحتی حل خواهد شد. از آنجا که دیود شاتکی در فرکانس‌های بالا سریع‌تر پاسخ می‌دهد، برای استفاده در مدارهای فرکانس بالا بسیار کاربردی است.

مبدل تقویت‌کننده DC-DC در تصویر زیر نشان داده شده است. نمودار این مبدل را در تصویر مشاهده می‌کنیم. فرایند ارتقا به سرعت کلیدزنی MOSFET داخل مدار وابسته است. در این مدار، محرک‌ها در فرکانس‌ بالا، در محدوده کیلوهرتز، ساخته می‌شوند. بنابراین، به جای استفاده از دیودهای رایج سیلیکونی در فرکانس‌های بالا، از دیودهای شاتکی استفاده می‌شود.

دیود زنر چیست ؟

دیود زنر شباهت زیادی به دیودهای رایج و دیودهای شاتکی دارد. به طور معمول دیودها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که جریان را به صورت مستقیم از خود عبور دهند. همان‌طور که گفتیم مقداری جریان معکوس نشتی از دیودهای شاتکی می‌گذرد، اما دیودهای زنر به گونه‌ای طراحی شده‌اند که جریان را در دو جهت مستقیم و معکوس از خود عبور دهند. این‌گونه به نظر می‌رسد که در ساخت دیودهای زنر معنای دیود نادیده گرفته شده است. برای درک بهتر عملکرد این دیود، آن را با دیودهای رایج سیلیکونی مقایسه می‌کنیم.

تفاوت دیود سیلیکونی و دیود زنر چیست ؟

دیود سیلیکونی به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند جریان را در جهت مستقیم از خود عبور دهد. اما در دیود زنر، جریان نه تنها می‌تواند در جهت مستقیم، بلکه می‌تواند در جهت مخالف و معکوس نیز هدایت شود. در واقع، دیود زنر به گونه‌ای طراحی شده است که در حالت بایاس معکوس کار کند. دیود زنر ولتاژ شکست مشخصی در حالت معکوس دارد. نماد دیود زنر را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

فرض کنید دیود زنر ۱۲ ولتی داریم. اگر آن را در حالت بایاس معکوس قرار دهیم و ولتاژ اعمال شده به دو سر آن ۱۲ ولت یا بیشتر از آن باشد، جریان در جهت معکوس از این دیود می‌گذرد. از دیود زنر برای پایداری ولتاژ در مدارهای الکتریکی استفاده می‌شود. به بیان دیگر، دیود زنر دیودی است که ولتاژ اعمال شده به پایه‌های خود را ثابت نگه می‌دارد. هنگامی که این دیود در جهت درستی در مدار قرار بگیرد، همانند دیود سیلیکونی کار می‌کند. به بیان دیگر، پس از رسیدن ولتاژ به ۰/۷ ولت، جریان از دیود زنر می‌گذرد.

اما دیودهای زنر به دلیل دیگر در مدارهای الکتریکی استفاده می‌شوند. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، دیود زنر در حالت بایاس معکوس در مدار قرار می‌گیرد. در این حالت، جریان تا رسیدن ولتاژ به مقداری مشخص، از دیود زنر عبور نمی‌کند. به این ولتاژ، ولتاژ زنر یا ولتاژ شکست گفته می‌شود. پس از ولتاژ شکست، جریان از این دیود می‌گذرد و ولتاژ دو سر آن در مقدار ولتاژ شکست ثابت باقی می‌ماند. در حقیقت، نمی‌توانیم بگوییم دیود زنر دیودی است که جریان را در هر دو جهت انتقال می‌دهد. عملکرد این دیود مشابه عملکرد تنظیم‌کننده ولتاژ است.

به طور معمول، دیودهای زنر نارنجی‌رنگ هستند و خطی سیاه‌رنگ در انتهای پایه کاتد دارند. در ادامه، با ذکر چند مثال عملکرد دیود زنر را توضیح می‌دهیم. دیودهای زنر به عنوان تنظیم‌کننده ولتاژ یا محافظ در بسیاری از مدارهای الکتریکی استفاده می‌شوند.

مثال اول

مدار ساده زیر را در نظر بگیرید که در آن دو دیود زنر به صورت سری به مقاومتی متصل شده‌اند. دیودهای زنر در این مدار 1N5231 و 1N4728 نام دارند و ولتاژ زنر آن‌ها به ترتیب برابر ۵/۱ و ۳/۳ ولت است. منبع تغذیه DC با ولتاژ ورودی ۹ ولت را در این مدار قرار می‌دهیم. سپس، افت ولتاژ هر یک از دیودهای زنر در مدار را می‌توانیم با استفاده از مولتی‌متر اندازه بگیریم. در این حالت، ولتاژ زنر هر دیود را مشاهده می‌کنیم. اگر ولتاژ منبع تغذیه برابر ۱۲ ولت باشد، مولتی‌متر متصل شده به دو سر هر دیود چه مقداری را نشان می‌دهد؟ مولتی‌متر همان عدد قبل را نشان خواهد داد.

اگر ولتاژ دو سر دیودها را اندازه بگیریم، ولتاژ زنر کلی را مشاهده می‌کنیم. مقدار این ولتاژ، مستقل از مقدار ولتاژ ورودی توسط منبع تغذیه است. بنابراین، هدف اصلی استفاده از دیودهای زنر در مدارها آن است که مطمئن شویم بسیاری از مدارها در ولتاژ مشخصی کار می‌کنند. در این حالت، قطعه الکتریکی استفاده شده در مدار، تنها در ولتاژی می‌تواند کار کند که از ولتاژ زنر بیشتر باشد. بنابراین، قطعه در برابر عبور جریان اضافی محافظت می‌شود. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که دیود زنر چگونه در برابر عبور جریان بالا در مدار محافظت می‌شود.

در این حالت، تنها یک کار می‌توان انجام داد. مقاومتی بزرگ با مقدار مناسب را به صورت سری به دیود زنر متصل کرد. در این حالت، دیود زنر در برابر عبور جریان بالا محافظت می‌شود. مثال دیگری را با یکدیگر بررسی می‌کنیم.

مثال ۲

همان‌طور که در مدار زیر دیده می‌شود، سه دیود زنر با ولتاژهای شکست ۵، ۳ و ۱۰ ولت به صورت معکوس و سری به یکدیگر متصل شده‌‌اند. دیود سیلیکونی معمولی نیز به این دیودها متصل شده است.

اگر ولتاژ بین نقطه‌های A و B را اندازه بگیریم،‌ مقدار ولتاژ شکست دیود زنر برابر ۱۰ ولت به‌دست می‌آید. همچنین، اگر ولتاژ بین نقطه‌های C و E را اندازه بگیریم،‌ مقدار ۸ ولت به‌دست می‌آید. این مقدار برابر مجموع دو ولتاژ شکست دیودهای زنر بین نقطه‌های C-D و D-E است. به طور حتم از خود پرسیده‌اید ولتاژ بین دو نقطه A و C چه مقدار است. ولتاژ بین این دو نقطه برابر ۱۰/۷ ولت به‌دست می‌آید.

سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا دیودها تنها به عنوان یکسوکننده جریان عمل می‌کنند. خیر، دیودها انواع بسیاری دارند، اما تمام آن‌ها براساس مفهوم یکسانی ساخته شده‌اند. این مقدار نیز برابر ولتاژ شکست دیود زنر بین دو نقطه A و B و ولتاژ آستانه دیود سیلیکونی است. اگر ولتاژ بین دو نقطه A و E را اندازه بگیریم، چه مقداری به‌دست می‌آید؟ ولتاژ بین این دو نقطه برابر ۱۸/۷ ولت یا برابر مجموع ولتاژهای شکست دیودهای زنر و ولتاژ آستانه دیود سیلیکونی است.

همان‌طور که دیدیم با کمک دیودهای زنر می‌توانیم ولتاژ موردنظر خود را اندازه بگیریم. با این منطق، منابع ولتاژ قابل‌تنظیم ساخته شدند. نمودار جریان برحسب ولتاژ دیود زنر در تصویر زیر نشان داده شده است. در حالت بایاس مستقیم، جریان پس از رسیدن مقدار ولتاژ به ۰/۷ ولت از دیود می‌گذرد. در این حالت، دیود زنر همانند دیود سیلیکونی معمولی عمل می‌کند. در حالت بایاس معکوس،‌ جریان پس از رسیدن ولتاژ به مقدار ولتاژ شکست از دیود زنر می‌گذرد و تنظیم ولتاژ آغاز می‌شود.

با اتصال سری دیودهای زنر به یکدیگر می‌توانیم ولتاژ تنظیم را می‌توانیم افزایش دهیم. به عنوان مثال، هنگامی که دو دیود زنر با ولتاژ شکست ۵ ولت را به صورت سری به یکدیگر متصل می‌کنیم، ولتاژ تنظیمی برابر ۱۰ ولت را می‌توانیم به‌دست آوریم. به طور مشابه، با اتصال موازی دو دیود زنر به یکدیگر می‌توانیم توان را افزایش دهیم. به عنوان مثال، اگر دو دیود زنر با توان ۰/۵ وات را به صورت موازی به یکدیگر متصل کنیم، ولتاژ ثابتی را برای بار یک واتی فراهم می‌کنیم.

دیودهای زنر نه تنها به عنوان تنظیم‌کننده در مدار مستقیم به کار برده می‌شوند، بلکه در مدارهای برشی یا کلیپر برای عملیات برش در مقدار دلخواه جریان تناوبی نیز استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، ولتاژ ورودی سینوسی AC در نقطه خروجی مدار توسط دیودهای زنر برش داده شده است.

ساختار دیود زنر

دیود زنر با استفاده از روش‌های متفاوتی ساخته می‌شود:

• «ساختار پراکنده» (Diffused strudture)
• «ساختار پراکنده و غیرفعال» (Diffued structure and passivated)
• «ساختار پراکنده آلیاژی» (Alloy diffued structure)

در حالت کلی، از ساختار پراکنده دیود زنر استفاده می‌کنیم. در این طراحی، دو زیرلایه نوع n و p در یکدیگر نفوذ می‌کنند. در هر دو طرف، از لایه‌ای فلزی برای تشکیل پایه‌های آندی و فلزی و از لایه اکسید سیلیکون برای پوشش‌دهی نواحی اتصال و جلوگیری از آلودگی این نقاط استفاده می‌شود.

در ساختار دیود زنر غیرفعال، لبه‌های اتصال با لایه $$SiO_2$$ پوشانده شده‌اند. در حالی‌که در ساختار آلیاژی پراکنده، تمام منطقه اتصال توسط لایه اکسید سیلیکون پوشانده شده است. همان‌طور که گفتیم دیود زنر می‌تواند در دو حالت بایاس مستقیم و معکوس کار کند. در حالت بایاس مستقیم، همانند دیود معمولی با افت ولتاژ مستقیم اسمی و جریان زیاد عمل می‌کند. در حالی‌که در بایاس معکوس، تمام جریان عبوری را تا رسیدن ولتاژ به مقدار ولتاژ شکست زنر، مسدود می‌کند.

به این ناحیه، ناحیه شکست زنر گفته می‌شود و دیود زنر به گونه‌ای طراحی شده است که در این ناحیه کار کند. در این حالت، جریان با افزایش ولتاژ اعمال شده افزایش می‌یابد تا جایی که ولتاژ دو سر دیود زنر ثابت بماند. ولتاژ زنر دیود به مقدار دوپ بستگی دارد. این مقدار به هنگام ساخت دیود زنر می‌تواند تنظیم و کنترل شود. افزایش ناگهانی در جریان معکوس عبوری از دیود زنر می‌تواند مربوط به یکی یا هر دو اثر زیر باشد.

• شکست بهمن: شکست بهمن می‌تواند در هر دو دیود زنر و معمولی و به هنگام فراتر رفتن مقدار ولتاژ معکوس از مقداری مشخص، رخ دهد. عرض ناحیه تهی در محل اتصال PN بیشتر و اختلاف پتانسیلی در این ناحیه ایجاد می‌شود. به دلیل عبور تعداد کمی از حامل‌های بار اقلیت از محل اتصال، جریان نشتی کوچکی وجود دارد. با افزایش مقدار ولتاژ معکوس، حامل‌های بار اقلیت انرژی کافی به‌دست می‌آورند و با شتاب شروع به حرکت و برخورد با دیگر اتم‌ها در ناحیه تهی می‌کنند. در اثر این برخورد، تعداد الکترون‌های آزاد افزایش می‌یابد. این الکترون‌های آزاد با اتم‌های دیگر برخورد و الکترون‌های بیشتری آزاد می‌شوند. در نتیجه، جریان بسیار بزرگی از دیود عبور خواهد کرد.
• شکست زنر: شکست زنر در دیودهای زنر به هنگام اعمال ولتاژ معکوس بسیار بزرگ رخ می‌دهد. به دلیل غلظت بسیار زیاد ماده آلاینده (درصد زیاد دوپ)، ناحیه تهی عرض کوچکی دارد. با افزایش ولتاژ معکوس، عرض ناحیه تهی افزایش و میدان الکتریکی بسیار قوی در این ناحیه تشکیل می‌شود. به دلیل وجود میدان الکتریکی قوی در ناحیه تهی، حامل‌های بار اقلیت بت شتاب از ناحیه تهی عبور و به اتم‌های دیگر برخورد می‌کنند. در نتیجه، جمعیت الکترون‌های آزاد افزایش می‌یابد و جریان معکوس بزرگی در مدار ایجاد می‌شود. شکست زنر روش ایمن برای عملکرد دیود زنر و این دیود برای کار در این ناحیه طراحی شده است. ولتاژ دو سر دیود زنر با افزایش جریان ثابت می‌ماند. از این‌رو، این ناحیه برای تنظیم ولتاژ در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شود.

در مدار نشان داده شده در تصویر زیر دیود زنر به صورت موازی به مجموعه قطعات مختلف الکتریکی در مدار متصل و در آن از منبع ولتاژی با ولتاژ بزرگ‌تر از ولتاژ زنر دیود استفاده شده است. جریان کل در مدار به بار متصل به دیود بستگی دارد. گرچه ولتاژ دو سر بار ثابت و برابر ولتاژ زنر است. به همین دلیل از دیود زنر به عنوان تنظیم‌کننده ولتاژ در بسیاری از مدارها استفاده می‌شود.

برای درک بهتر عملکرد دیودهای زنر چند مثال ساده دیگر را با یکدیگر بررسی می‌کنیم.

مثال ۳

مدار زیر را در نظر بگیرید. در این مدار دیود زنری به صورت سری با مقاومت و باتری قرار گرفته است. مقدار مقاومت برابر یک کیلواهم و ولتاژ زنر دیود برابر ۱۲ ولت است. اگر ولتاژ باتری در مدار برابر ۵ ولت باشد، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ جریان عبوری در مدار چه مقدار است؟ آیا مدار روشن است یا خاموش؟

پاسخ

از آنجا که ولتاژ ورودی در مدار کمتر از ولتاژ شکست معکوس است، هیچ جریانی از مدار عبور نمی‌کند. بنابراین، مدار در حالت خاموش قرار دارد. از این‌رو، جریان عبوری از مقاومت یک کیلواهمی برابر صفر خواهد بود. فرض کنید ولت‌متری به دو سر دیود زنر متصل می‌کنیم، چه ولتاژی خوانده می‌شود؟ از آنجا که هیچ جریانی در مدار وجود ندارد، ولتاژ دو سر مقاومت برابر صفر ولت است. بنابراین، ولتاژ دو سر دیود برابر ولتاژ دو سر باتری، یعنی ۵ ولت است. دلیل این موضوع آن است که جمع ولتاژهای دو سر دیود و مقاومت باید برابر ۵ ولت شود.

در ادامه، از مدار مشابهی استفاده می‌کنیم، با این تفاوت که ولتاژ دو سر باتری را افزایش می‌دهیم. فرض کنید ولتاژ باتری در این حالت برابر ۱۴ ولت است. آیا مدار در حالت خاموش قرار دارد یا روشن؟ از آنجا که ولتاژ باتری بزرگ‌تر از ولتاژ شکست معکوس دیود زنر است، مدار در حالت روشن قرار دارد. بنابراین، جریان از مقاومت عبور می‌کند. جریان عبوری از مدار چه مقدار است؟ برای محاسبه جریان باید به این نکته توجه داشته باشیم که دیود زنر در مدار نقش تنظیم‌کننده ولتاژ را ایفا می‌کند. تا هنگامی که جریانِ مدار برابر جریان مشخصه دیود زنر باشد، ولتاژ دو سر دیود زنر در حدود ۱۲ ولت است.

مقدار این ولتاژ ممکن است اندکی تغییر کند، اما در کاربردهای عملی مقدار آن را در حدود ۱۲ ولت در نظر می‌گیریم. در نتیجه، ولتاژ دو سر مقاومت برابر ۲ ولت است، زیرا جمع ولتاژ دو سر دیود و مقاومت باید برابر ۱۴ ولت باشد. با داشتن ولتاژ و مقدار مقاومت، جریان عبوری از مقاومت برابر ۲ میلی‌آمپر است. در ادامه، باز هم ولتاژ دو سر باتری را تا مقدار ۵۰ ولت افزایش می‌دهیم. ولتاژ دو سر دیود زنر و جریان عبوری در مدار چه مقدار است؟ ولتاژ دو سر دیود زنر در این حالت نیز برابر ۱۲ ولت است.

بنابراین، ولتاژ دو سر مقاومت برابر تفاضل ولتاژ باتری و ولتاژ دو سر دیود، یعنی برابر ۳۸ ولت خواهد بود. در نتیجه، جریان عبوری از مدار برابر ۳۸ میلی‌آمپر است.

مثال ۴

مدار نشان داده شده در تصویر زیر را در نظر بگیرید. در این مدار، دو دیود زنر به صورت سری به مقاومت یک کیلواهمی متصل شده‌اند. فرض کنید ولتاژ زنر برای هر دیود برابر ۱۲ ولت است. اگر ولتاژ باتری برابر ۱۲ ولت باشد، جریان عبوری از مدار را به‌دست آورید.

پاسخ

ولتاژ باتری بیشتر از مجموع ولتاژ معکوس دو دیود زنر است. بنابراین، مدار می‌تواند در حالت روشن قرار داشته باشد. افت ولتاژ یا ولتاژ دو سر دیودهای زنر برابر ۲۴ ولت است. در نتیجه، ولتاژ دو سر مقاومت یک کیلواهمی برابر ۲۶ ولت و جریان عبوری از آن برابر ۲۶ میلی‌آمپر است.

مثال ۵

فرض کنید موج سینوسی AC به مقاومت R و دو دیود $$D_1$$ و $$D_2$$ به صورت نشان داده شده در مدار زیر متصل شده است.

پاسخ

جهت جریان در مدار را از نقطه A به B در نظر می‌گیریم. بنابراین، دیود $$D_1$$ در خلاف جهت جریان و دیود $$D_2$$ در جهت جریان است. در نتیجه، دیود $$D_2$$ در حالت مستقیم خود قرار دارد و افت ولتاژ در دو سر آن در حدود ۰/۶ ولت خواهد بود. در مقابل،‌ دیود $$D_1$$ در حالت معکوس قرار دارد، زیرا در خلاف جهت جریانِ مدار قرار گرفته است. از این‌رو، افت ولتاژ در دو سر آن برابر ۱۲ ولت است. به همین دلیل، ولتاژ بین دو نقطه A و B برابر ۱۲/۶ ولت خواهد بود. در ادامه، فرض کنید جریان در مدار از نقطه B به A می‌رود.

در این حالت، دیود $$D_1$$ در جهت جریان و دیود $$D_2$$ در خلاف جهت جریان قرار گرفته‌اند. همچنین، فرض کنید ولتاژ منبع AC برابر ۲۰ ولت است. در این حالت، افت ولتاژ دیود $$D_2$$ برابر ۱۲- ولت و افت ولتاژ دیود $$D_1$$ برابر ۰/۶- ولت خواهد بود. مدار فوق همان مدار برشی است که می‌تواند قسمتی از ولتاژ ورودی به مدار را حذف کند.

دیود LED چیست ؟

در بخش‌های قبل با دیودهای اتصال PN، دیود شاتکی و دیود زنر آشنا شدیم. در این قسمت در مورد «دیودهای منتشرکننده نور» (Light emitting diodes| | LED) آشنا می‌شویم. در این دیودها، انرژی الکتریکی به انرژی نورانی تبدیل می‌شود. شاید فکر کنید این دیودهای به هنگام تابش نور گرم می‌شوند، اما به این نکته توجه داشته باشید که دیودهای LED همانند لامپ‌های معمولی پس از انتشار نور، گرم نمی‌شوند. از این‌رو، بازدهی این دیودها به هنگام تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نورانی بالا است.

در ادامه، در مورد قطبیت این دیودها و چگونگی قرار دادن آن‌ها در مدار الکتریکی صحبت می‌کنیم. دیود LED در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، این دیود دو پایه دارد. پایه بلندتر، آند است و به قطب مثبت باتری متصل می‌شود. پایه کوتاه‌تر نیز کاتد است که آن را به قطب منفی باتری متصل می‌کنیم. به هنگام اتصال باتری به دیود LED باید مقاومت محدود‌کننده جریانی را به صورت سری با آن قرار دهیم. در غیر این صورت، دیود به دلیل عبور زیاد جریان از آن می‌سوزد.

برای نشان دادن دیود LED به صورت نمادین، تنها کافی است دو پیکان کوچک را بالای نماد استفاده شده برای دیود معمولی رسم کنیم. این دو پیکان اتساع نور از این دیود را نشان می‌دهند. قطب مثبت در سمت چپ و قطب منفی در سمت راست قرار دارند. هنگامی‌که جهت جریان از آند به سمت کاتد است، LED در حالت روشن قرار دارد. به این نکته توجه داشته باشید که برای روشن بودن LED، ولتاژ اعمال شده به دو سر آن باید مناسب باشد. اگر جهت جریان از کاتد به آند باشد، LED در حالت خاموش قرار دارد.

همانند دیودهای رایج سیلیکونی، جریان در LED تنها در یک جهت و از آند به سمت کاتد جاری می‌شود. اگر می‌خواهید دیود LED برای پروژه الکترونیک یا هر کار دیگری بخرید، به سه نکته باید توجه داشته باشید:

1. مقدار افت ولتاژ مستقیم LED یا $$V_F$$ نکته مهمی به هنگام خرید این دیود است. به عنوان مثال، مقدار $$V_F$$ برای LED سبز برابر ۲/۲ ولت است. به این نکته توجه داشته باشید که مقدار $$V_F$$ به جریان عبوری از LED بستگی دارد.
2. جریان بیشینه‌ای که می‌تواند از LED عبور کند، دومین موردی است که به هنگام خرید این دیود باید به آن توجه کنیم. برخی LEDها می‌توانند جریانی تا مقدار ۲۰ میلی‌آمپر و برخی دیگر می‌توانند جریانی تا مقدار ۳۰ میلی‌آمپر را از خود عبور دهند. اگر جریانی بیشتر از جریان بیشینه به LED اعمال شود، به طور حتم می‌سوزد. LED ممکن است برای مدت زمان کوتاهی در جریان بیشتر از جریان بیشینه کار کند و پس از مدت زمان کوتاهی بسوزد.
3. شدت نور سومین موردی است که به هنگام خرید LED باید به آن توجه کنیم. شدت نور، مقدار روشنایی LED را تعیین می‌کند. شدت نور LED نشان داده شده در تصویر بالا بین ۱۵۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ میلی‌کندلا و ۱۰۰۰ میلی‌کندلا برابر یک کندلا است.

بنابراین، افت ولتاژ مستقیم، جریان بیشینه عبوری از LED و شدت نور سه نکته مهمی هستند که به هنگام خرید LED باید به آن‌ها توجه داشته باشیم. مدار نشان داده شده در تصویر زیر را در نظر بگیرید. فرض کنید باتری ۹ ولتی به مقاومت R و دیود LED به صورت سری متصل شده است. همچنین، افت ولتاژ دیود LED را برابر ۲/۲ ولت در نظر بگیرید. جریان بیشینه‌ای که از این LED می‌تواند بگذرد برابر ۲۰ میلی‌آمپر است.

می‌خواهیم جریانی برابر ۱۰ میلی‌آمپر از این دیود عبور کند. مقدار مقاومت استفاده شده در مدار برای محدود کردن جریان عبوری از LED چه مقدار است؟ به این نکته توجه داشته باشید که افت ولتاژ دو سرد دیود برابر ۲/۲ ولت و مقدار آن با توجه به جریان عبوری از مدار می‌تواند تغییر کند. مدار را از نقطه A به زمین متصل می‌کنیم. ولتاژ این نقطه برابر صفر است.

اطراف مقاومت را با دو نقطه ‌B و C نام‌گذاری می‌کنیم. نقطه B به قطب مثبت باتری متصل شده و ولتاژ آن برابر ۹ ولت است. نقطه C نیز به دیود متصل شده و پتانسیل آن برابر ۲/۲ ولت است.

برای محاسبه مقاومت در مدار فوق از قانون اهم استفاده می‌کنیم:

$$V = IR$$

در نتیجه، مقاومت برابر است با:

$$\frac { V} { I }$$

ولتاژ دو سر مقاومت برابر تفاوت ولتاژ دو نقطه B و C است:

$$V_ R = V_B - V_C = 9 V - 2.2 V = 6.8 V$$

از آنجا که جریان عبوری از مدار برابر ۱۰ میلی‌آمپر یا ۰/۰۱ آمپر و اختلاف ولتاژ دو سر مقاومت برابر ۶/۸ ولت است، مقاومت برابر ۶۸۰ اهم به‌دست می‌آید. در ادامه، در مورد رابطه بین ولتاژ مستقیم دو سر LED و مقدار جریان عبوری از مدار صحبت خواهیم کرد. برای انجام این آزمایش ساده از باتری با ولتاژ مشخص ۵/۵۱ ولت استفاده می‌کنیم. ولتاژ دو سر LED را با استفاده از مولتی‌متر اندازه می‌گیریم. تغییرات ولتاژ مستقیم نسبت به جریان عبوری از مدار و مقاومت در جدول زیر نوشته شده است. به این نکته توجه داشته باشید که جریان از تقسیم ولتاژ بر مقاومت به‌دست می‌آید.

با کاهش مقدار مقاومت از ده میلی‌اهم تا ۸۲ اهم در مدار، جریان عبوری در مدار افزایش می‌یابد. با توجه به جدول، با افزایش جریان عبوری از مدار، افت ولتاز مستقیم در دو سر دیود نیز افزایش خواهد یافت. گرچه ولتاژ مستقیم پیشنهادی برای LED سبز برابر ۲/۲ ولت است، مقدار آن با توجه به جریان عبوری از مدار می‌تواند تغییر کند. بنابراین، افت ولتاژ در LED سبز بین ۲ تا ۳/۲ ولت متغیر است.

دیود LED چگونه کار می‌ کند ؟

همان‌طور که در بخش قبل گفتیم LED از light emitting diodes گرفته شده است. در قسمت ابتدایی مطلب فهمیدیم دیود چیست و چگونه کار می‌کند. در حالت کلی، دیود از اتصال دو نیمه‌رسانای نوع n و p به یکدیگر ساخته می‌شود. در نیمه‌رسانای نوع n تعداد زیادی الکترون و در نیمه‌رسانای نوع p تعداد زیادی حفره وجود دارند. در محل اتصال PN ناحیه‌ای به نام ناحیه تهی تشکیل می‌شود. در این ناحیه، الکترون‌ها و حفره‌ها اجازه ندارند با یکدیگر بازترکیب شوند. پس از اعمال ولتاژ به دو سر دیود چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

اگر قسمت p را به قطب مثبت و قسمت n را به قطب منفی وصل کنیم، قطب منفی الکترون‌ها را دفع و به ناحیه p هدایت می‌کند. در نتیجه، الکترون‌ها می‌توانند بر سد پتانسیل ایجاد شده در ناحیه اتصال (ناحیه تهی) غلبه کنند و به ناحیه p نفوذ و با حفره‌ها ترکیب می‌شوند. به دلیل بازترکیب الکترون‌ها با حفره‌ها، جریانی پیوسته به نام جریان مستقیم در مدار ایجاد می‌شود.

در LED دیودهای کوچکی قرار دارند. تصویر زیر داخل LED را نشان می‌دهد. داخل هر LED مستطیل‌های کوچکی قرار دارند که به صورت منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. پس از عبور جریان الکتریکی از این مستطیل‌ها، LED روشن می‌شود. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا LED پس از عبور جریان از آن، نورانی می‌شود و نور با رنگ‌های مختلف از خود ساطع می‌کند.

هرگاه الکترون با حفره بازترکیب شود، نور ساطع می‌شود. به طور حتم ساختار نواری ماده نیمه‌رسانا را دیده‌اید. ساختار نواری ماده نیمه‌رسانا از دو قسمت اصلی تشکیل شده است:

• نوار رسانش: در این نوار الکترون‌ها آزادانه حرکت می‌کنند. به بیان دیگر، الکترون‌های نوع n در نوار رسانش قرار دارند.
• نوار ظرفیت: انرژی نوار ظرفیت کمتر از انرژی نوار رسانش است. این نوار نیز از الکترون‌ها پر شده است، اما بین آن‌ها فضاهای کوچکی به نام حفره وجود دارند. حفره‌ها در نوار طرفیت قرار دارند.

بین نوار ظرفیت تا نوار رسانش هیچ تراز انرژی وجود ندارد. به این ناحیه انرژی گاف گفته می‌شود. در ترکیب الکترون با حفره، الکترون از نوار رسانش به نوار ظرفیت و از سطح انرژی بیشتر به سطح انرژی کمتر می‌آید. هرگاه الکترونی از سطح انرژی بیشتر به سطح انرژی کمتر بیاید، تفاوت انرژی به شکل فوتونی با انرژی برابر تفاوت انرژی دو سطح آزاد می‌شود. بنابراین، هرگاه بازترکیبی بین الکترون و حفره رخ می‌دهد، نور ایجاد می‌شود. از آنجا که بازترکیب الکترون و حفره بیشتر در نزدیکی محل اتصال PN رخ می‌دهد، بیشتر نور از این ناحیه ساطع خواهد شد. دیود LED به این صورت کار و از خود نور ساطع می‌کند.

شاید از خود بپرسید از آنجا که دیود معمولی سیلیکونی نیز از اتصال دو نیمه‌رسانای n و p ساخته شده است، باید پس از عبور جریان الکتریکی از خود نور ساطع کند. دیود سیلیکونی نیز پس از قرار گرفتن در مدار از خود نور ساطع می‌کند، اما نور ساطع شده، نور مریی نیست. چرا دیود سیلیکونی نور مریی منتشر نمی‌کند؟ چه نیمه‌رساناهایی نور مریی ساطع می‌کنند؟ چگونه ساخته می‌شوند؟ انرژی فوتون خروجی پس از بازترکیب الکترون و حفره چگونه مشخص می‌شود؟

انرژی فوتون آزاد شده برابر تفاوت انرژی بین حالت نهایی و حالت اولیه و مقدار این انرژی در ماده نیمه‌رسانا برابر مقدار انرژی گاف یا تفاوت انرژی نوار رسانش و ظرفیت است.

$$E_{photon} = E_{band gap } = hf$$

در معادله بالا، h ثابت پلانک و f فرکانس نور تابیده شده است. همان طور که در رابطه بالا دیده می‌شود، فرکانس یا رنگ نور تابیده شده به انرژی گاف نیمه‌رسانا بستگی دارد. اگر اندازه انرژی گاف در ماده نیمه‌رسانا زیاد باشد، فرکانس نور تابیده شده نیز زیاد خواهد بود. فرکانس بالا در محدوده نور آبی و بنفش قرار می‌گیرد. در مقابل، اگر انرژی گاف کوچک باشد، فرکانس نور تابیده شده نیز کوچک و در محدوده نور قرمز و فروسرخ است. چه چیزی رنگ نور تابیده شده از دیود را کنترل می‌کند؟ انرژی گاف ماده نیمه‌رسانا.

شاید از خود پرسیده باشید انرژی گاف باید چه مقدار باشد تا فرکانس نور تابیده شده در محدود نور مریی قرار بگیرد. برای محاسبه انرژی گاف، تنها کافی است محدوده فرکانسی نور مریی را در اینترنت پیدا کنیم و آن را در رابطه بالا قرار دهیم. با انجام این کار، مقدار انرژی گاف برابر ۲ الکترو‌ن‌ولت تا ۳ الکترون‌ولت به‌دست می‌آید. اگر انرژی گاف کمتر از ۲ الکترو‌ن‌ولت باشد وارد ناحیه فروسرخ و اگر بیشتر از ۳ الکترون‌ولت باشد، وارد ناحیه فرابنفش می‌شویم.

انرژی گاف سیلیکون و ژرمانیوم به ترتیب باربر ۱/۱ و ۰/۷ الکترون‌ولت است. به همین‌دلیل، از این دو نیمه‌رسانا در ساخت LED استفاده نمی‌شود، زیرا انرژی گاف آن‌ها کمتر از ۲ الکترون‌ولت است. در ساخت LED از نیمه‌رساناهای دیگری استفاده می‌کنیم. توجه به این نکته مهم است که با ترکیب مواد مختلف با یکدیگر می‌توانیم نیمه‌رساناهای مختلف با انرژی گاف‌های متفاوت بسازیم. رایج‌ترین روش برای ساخت مواد نیمه‌رسانا ترکیب عناصر گروه ۱۳ با عناصر گروه ۱۵ به نسبت‌های مختلف است. به عنوان مثال، می‌توانیم گالیم را با آرسنیک یا فسفر ترکیب کنیم.

انرژی گاف گالیوم آرسنید برابر ۱/۴ الکترون‌ولت و گالیوم فسفید برابر ۲/۳ الکترون‌ولت است. گالیوم آرسنید برای ساخت LED در ناحیه مریی مناسب نیست، اما می‌توان از آن برای ساخت LED در ناحیه فروسرخ استفاده کرد. اما گالیوم فسفید نیمه‌رسانای مناسبی برای ساخت LED در ناحیه مریی است. نکته جالبی دیگر ترکیب کردن دو ترکیب گالیوم آرسنید و گالیوم فسفید با یکدیگر و ساختن آلیاژی جدید است. انرژی گاف این آلیاژ با توجه به نسبت‌های گالیوم آرسنید و گالیوم فسفید نسبت به یکدیگر می‌تواند از ۱/۴ تا ۲/۳ الکترون‌ولت تغییر کند.

به این آلیاژ گالیوم آرسنید فسفید می‌گوییم و انرژی گاف آن را می‌توانیم با اضافه کردن گالیوم آرسنید یا گالیوم فسفید، کم یا زیاد کنیم. ساختن LED با نور آبی سخت است زیرا برای این کار به نیمه‌رسانایی با انرژی گاف بیشتر از ۲/۳ الکترون‌ولت نیاز داریم. گروهی از دانشمندان با ترکیب کردن گالیوم و نیتروژن موفق به ساخت LED نور آبی شدند. نام این نیمه‌رسانا گالیوم نیترید و انرژی گاف آن در حدود ۳/۴ الکترون‌ولت است. دانشمندان سازنده این LED موفق به کسب جایزه نوبل شدند. به طور حتم از خود پرسیده‌اید چرا ساخت LED نور آبی بسیار مهم است.

زیرا با ساخت LED نور آبی یک گام به ساخت LED نور سفید نزدیک شدیم. لامپ‌های معمولی با ساطع کردن تمام رنگ‌های تشکیل‌دهنده نور، نور سفید منتشر می‌کنند. اما LED به دلیل کار کردن در مقیاس کوانتومی این کار را انجام نمی‌دهد. LED‌ تنها می‌تواند یک رنگ منتشر کند. چگونه می‌توان LED ساطع‌کننده نور سفید ساخت؟ این کار را می‌توان با ترکیب کردن LEDهای مختلف انجام داد. به طور حتم اشتراک سه رنگ اصلی آبی، قرمز و سبز را با یکدیگر دیده‌اید. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود اشتراک این سه رنگ با یکدیگر نور سفید را به ما می‌دهد.

از این‌رو، با قرار دادن LED قرمز،‌ سبز و آبی در کنار یکدیگر می‌توانیم نور سفید را ایجاد کنیم. نور سفید را به روش دیگری نیز می‌توانیم تولید کنیم. LED آبی برمی‌داریم و بالای آن لایه‌ای از فسفر قرار می‌دهیم. در این صورت، با منتشر شدن نور آبی از LED آبی، قسمتی از آن به دلیل وجود لایه فسفر به نور زرد تبدیل می‌شود. در این جالت، به دلیل ترکیب نور آبی با زرد، نور سفید مشاهده می‌شود.

LEDها در اندازه‌های مختلف ۳، ۵ و ۱۰ میلی‌متری ساخته می‌شوند. لنز آن‌ها می‌تواند دایره‌ای یا مربعی باشد. همچنین، لنزها می‌توانند بدون رنگ یا در رنگ‌های مختلف ساخته شوند. رایج‌ترین LED در بازار، LEDهای ۵ میلی‌متری با سر دایره‌ای هستند.

در انتخاب LED به چه نکاتی باید توجه کنیم ؟

به هنگام انتخاب و خرید LED باید به رنگ (طول موج)‌ و زاویه دید آن‌ها توجه کنیم. طول موج نور مریی از ۴۰۰ نانومتر برای رنگ بنفش تا ۷۰۰ نامومتر برای رنگ قرمز متغیر است. به مقدار درجه‌ای که تا آن زاویه نور مشاهده می‌شود، زاویه دید می‌گوییم. مقدار این زاویه به کاربرد LED بستگی دارد و مقدار آن می‌تواند از ۱۰ تا ۱۲۰ درجه تغییر کند. واحد اندازه‌گیری لامپ‌های معمول وات است، اما درخشش LEDها برحسب میلی‌کندلا یا mcd بیان می‌شود. هرچه مقدار این عدد بیشتر باشد، نور تابیده شود توسط LED درخشش بیشتری دارد.

شدت درخشش LEDهای استاندارد در حدود هفت میلی‌کندلا و شدت درخشش LEDهای فوق درخشان برابر ۱۲۰ میلی‌کندلا است. LEDها در محدوده مشخصی از جریان و ولتاژ کار می‌کنند. LED برای آن‌که بتواند کار کند به مقدار جریان و ولتاژ کمینه‌ای نیاز دارد. اگر مقدار جریان عبوری و ولتاژ دو سر LED از مقدار مشخصی بیشتر شود، طول‌عمر LED کوتاه می‌شود یا به طور کامل می‌سوزد.

فتودیود چیست ؟

فتودیود نوعی دیود است که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. بنابراین، عملکرد فتودیودها کاملا برعکس دیودهای LED است. در LED، الکتریسیته به نور تبدیل می‌شود. هنگامی‌که از تبدیل نور به الکتریسیته صحبت می‌کنیم، صفحات خورشیدی نخستین چیزی است که به ذهن می‌رسد. همان‌طور که می‌دانیم در صفحات خورشیدی، نور خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود. از ‌این‌رو، به طور حتم در ساخت صفحات خورشیدی از فتودیودها استفاده می‌کنیم، اما به آن‌ها سلول‌های خورشیدی می‌گوییم.

هنگامی‌که در مورد فتودیودها صحبت می‌کنیم، منظورمان دسته‌ای از دیودها هستند که کاربرد اصلی آن‌ها آشکارسازی درخشش نور است. برای ساختن فتودیود، دیود PN معمولی را برمی‌داریم و آن را در حالت بایاس معکوس قرار می‌دهیم. به این نکته توجه داشته باشید که قرار دادن دیود PN در حالت بایاس معکوس برای ساخت فتودیود بسیار مهم است. در بایاس معکوس، قسمت p دیود به قطب منفی باتری و قسمت n آن به قطب مثبت باتری متصل می‌شود. بنابراین، مدار فتودیود به شکل نشان داده شده در تصویر زیر است.

باید بدانیم قبل از تابش نور به این دیود، چه اتفاقی رخ می‌دهد. در مطالب بالا در این مورد به طور مفصل صحبت کردیم، اما بار دیگر آن را به صورت خلاصه توضیح می‌دهیم. قسمت p دیود از حفره‌ها و قسمت n آن از الکترون‌ها تشکیل شده است. در محل اتصال دو نیمه‌رسانای p و n ناحیه‌ای به نام ناحیه تهی تشکیل می‌شود که در آن هیچ الکترون و حفره‌ای وجود ندارد. در این ناحیه، تنها یون‌های مثبت و منفی وجود دارند. ناحیه تهی همانند سدی در برابر عبور الکترون‌ها و حفره‌ها عمل می‌کند.

عرض ناحیه تهی در حالت بایاس معکوس بزرگ‌تر می‌شود، زیرا الکترون‌ها در ناحیه n توسط قطب مثبت باتری و حفره‌ها در ناحیه p توسط قطب منفی باتری جذب می‌شوند و از ناحیه تهی دور می‌شوند. از این‌رو، عرض ناحیه تهی بزرگ‌تر و عبور الکترون‌ها و حفره‌ها از این ناحیه سخت‌تر خواهد شد. در ادامه، نور را به دیود می‌تابانیم. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ برای پاسخ به این پرسش باید با نظریه نواری جامدها آشنا باشیم. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، نیمه‌رسانا از دو تراز انرژی به نام نوار رسانش یا هدایت و نوار ظرفیت تشکیل شده است که در فاصله مشخصی نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند.

الکترون‌های آزاد در نوار رسانش قرار دارند. در ناحیه تهی، هیچ حامل بار آزادی وجود ندارد. این به معنای خالی بودن نوار رسانش است. نوار ظرفیت نیز به طور کامل با الکترون پر شده است، بنابراین هیچ هدایتی در نوار ظرفیت نیز وجود نخواهد داشت. پس از تابش نور چه اتفاقی می‌افتد؟ اگر انرژی فوتون‌های تابیده شده به دیود برابر انرژی گاف نیمه‌رسانا یا بزرگ‌تر از آن باشد، برخی از الکترون‌ها در نوار ظرفیت با جذب فوتون‌های تابیده شده به نوار رسانش می‌روند.

با پرش الکترون به نوار هدایت، یک حفره در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود. اگر این اتفاق در خارج از ناحیه تهی رخ دهد، پس از مدت زمان کوتاهی الکترون و حفره با یکدیگر بازترکیب می‌شوند. اگر نور به ناحیه تهی بتابد، جفت الکترون-حفره در قسمتی از ناحیه تهی ایجاد می‌شود.

الکترون در جفت الکترون-حفره ایجاد شده قبل از بازترکیب با حفره توسط یون‌های مثبت، جذب و از سمت یون‌های منفی دفع می‌شود. بنابراین، الکترون به سمت راست حرکت می‌کند. به طور مشابه، حفره در جفت الکترون-حفره ایجاد شده قبل از بازترکیب با الکترون توسط یون‌های منفی، جذب و از سمت یون‌های مثبت دفع می‌شود و به سمت چپ حرکت می‌کند. در نتیجه، جریان الکتریکی در مدار ایجاد می‌شود. به بیان دیگر، جریان الکتریکی به دلیل حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها در مدار پس از تابش نور به دیود ایجاد می‌شود.

شاید از خود پرسیده باشید چرا فتودیود در حالت بایاس معکوس قرار می‌گیرد. برای آن‌که فوتون تابیده شده به دیود، جفت الکترون-حفره‌ای را ایجاد کند که در جریان الکتریکی مشارکت داشته باشند، باید به ناحیه تهی تابانده شود.

کاربرد فتودیود چیست ؟

ابتدا نمودار جریان برحسب ولتاژ این دیود را بررسی می‌کنیم. از آنجا فتودیود در حالت بایاس معکوس کار می‌کند، ولتاژ آن منفی است. همچنین، جهت جریان از n به p و منفی خواهد بود. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، جریان ایجاد شده از نقطه مشخصی به بعد مستقل از ولتاژ اعمال شده به دو سر دیود است، زیرا جریان ایجاد شده در مدار به نور تابیده شده بستگی دارد.

اگر نور بیشتری به دیود تابیده شود، جریان بیشتری تولید خواهد شد. زیرا الکترون و حفره بیشتری تولید می‌شوند. اگر نوری به دیود تابیده شود، باز هم جریان بسیار کوچکی در مدار به دلیل انرژی گرمایی ایجاد می‌شود. به این جریان، جریان تاریک می‌گوییم. از فتودیودها می توان در وسایلی مانند چراغ راهنمایی‌ورانندگی اتوماتیک استفاده کرد.

دیود PIN چیست ؟

دیود PIN دیودی سه لایه‌ای است. دیودهای رایج PN از اتصال دو لایه p و n به یکدیگر ساخته می‌شوند. در این دیود:

• P مربوط به لایه نیمه‌رسانای نوع p می‌شود که در آن حامل‌های اکثریت بار مثبت هستند.
• N مربوط به لایه نیمه‌رسانای نوع n می‌شود که در آن حامل‌های اکثریت بار منفی هستند.
• I مربوط به لایه «ذاتی» (Intrinsic) می‌شود.

در دیود PIN، لایه p، آند و لایه n کاتد هستند. لایه ذاتی در این دیود، نیمه‌رسانای ذاتی، بدون هیچ بار آزاد مثبت یا منفی است. بنابراین، مقاومت بالایی در برابر عبور جریان الکتریکی از خود نشان می‌دهد. در مقابل، مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناهای نوع n و p در مقایسه با نیمه‌رسانای ذاتی بسیار کوچک‌تر است. همچنین، به این نکته توجه داشته باشید که نیمه‌رسانای ذاتی بین دو نیمه‌رسانای p و n قرار می‌گیرد.

فتودیودهای PIN در حالت اتصال بایاس معکوس، مشابه آشکارسازهای نوری کار می‌کنند. در این حالت، قسمت p به قطب منفی باتری و قسمت n به قطب مثبت باتری متصل می‌شوند. عرض ناحیه تهی در بایاس معکوس بزرگ‌تر می‌شود. در ولتاژ معکوس بسیار بزرگ، طول ناحیه تهی برابر طول لایه ذاتی خواهد شد. بنابراین، ناحیه جذب نور بزرگ می‌شود. وظیفه دیود‌ PIN نیز همانند فتودیودها، تبدیل نور به الکتریسیته است.

دیود لیزری چیست ؟

در مطالب بالا با تعریف دیود آشنا شدیم. دیود از اتصال دو نیمه‌رسانای نوع n و p ساخته می‌شود. دیودهای لیزری دیودهای خاصی هستند که لایه‌ای اضافی در آن‌ها وجود دارد. بین دو ناحیه n و p، لایه‌ای ذاتی وجود دارد. دیودهای PN از عناصر تکی مانند سیلیکون یا ژرمانیوم ساخته شده‌اند. هنگامی‌که ذرات باردار، الکترون‌ها و حفره‌ها، در دیود PN با یکدیگر بازترکیب می‌شوند، فونون‌های نامریی آزاد می‌شوند. دیودهای PIN از نیمه‌رساناهای ترکیبی مانند گالیوم آرسنید یا گالیوم نیترید ساخته شده‌اند.

داخل دیود PIN، سطح محل اتصال نیمه‌رساناهای نوع n و p با نیمه‌رسانای ذاتی تا رسیدن به سطح آینه‌ای جلا داده می‌شوند. به همین دلیل، فوتون پس از ورود به این ناحیه به سمت عقب و جلو حرکت می‌کند و به دلیل بازتاب داخلی از دیواره‌های محل اتصال بازتابیده می‌شود.

پرتوهای تقویت شده با یکدیگر برخورد می‌کنند. در پایان، این پرتوها به صورت پرتویی موازی محل اتصال ظاهر می‌شوند. برای متمرکز کردن این پرتو از لنز استفاده می‌کنیم. با استفاده از لنزهای مختلف می‌توانیم شکل‌های مختلفی به پرتو بدهیم. دیودهای لیزری در مقایسه با LEDها، درخشان‌تر و متمرکزتر هستند، اما هردوی آن‌ها دیودهای PIN هستند. دیودهای لیزری چه مشخصه منحصربه‌فردی در مقایسه با لیزرهای PIN و دیودهای دارند؟

نور به شکل موج با طول موجی برابر فاصله بین دو قله متوالی حرکت می‌کند. هر رنگ نور طول موج مشخصی دارد. در نور لیزر، امواج با یکدیگر حرکت می‌کنند، به گونه‌ای که قله‌های آن‌ها در یک خط قرار دارند یا هم‌فاز هستند. همگرایی و موازی بودن پرتوهای نور با یکدیگر در لیزر سبب می‌شود که پرتوهای لیزر بسیار باریک و درخشان باشند و بتوان آن‌ها را روی نقطه بسیار کوچکی متمرکز کرد. در لیزرها، رنگ پرتو با استفاده از نیمه‌رسانای استفاده شده در ساخت دیود تعیین می‌شود. طول موج دیودهای لیزری در محدوده کمتر از ۴۰۰ تا بیشتر از ۷۰۰ نانومتر قرار می‌گیرد.

چگونه آند و کاتد در دیود را به خاطر بسپاریم ؟

در مطالب بالا اشاره کردیم یک انتهای دیودها آند و انتهای دیگر کاتد است. آیا می‌دانید چگونه می‌توان آند و کاتد را به خاطر سپرد؟ کاتد در آلمانی به صورت Kathode نوشته می‌شود. حرف بزرگ K مشابه نماد استفاده شده برای دیود است. نماد دیود را به گونه‌ای بچرخانید که K به صورت واضح خوانده شود.

تعیین آند و کاتد دیود در حالت واقعی

دیودها روی تراشه‌های کوچک سیلیکون ساخته می‌شوند. راه‌های مختلفی برای تعیین کاتد و آند در دیودها وجود دارند. دیودها به طور معمول خطی نقره‌ای در نزدیکی انتهای خود دارند که نشان‌دهنده کاتد است.

کاتد و آند در LEDها به گونه دیگری تعیین می‌شوند. به دیودهای LED دو سیم با طول‌های متفاوت متصل شده‌اند. سیم بلندتر، آند و سیم کوتاه‌تر، کاتد است.

کاربردهای دیود چیست ؟

در مطالب بالا با دیود و انواع مختلف آن آشنا شدیم. در حالت کلی، دیودها از دو پایه آند و کاتد تشکیل شده‌اند. در دیودهای واقعی، در قسمت کاتد خط نازکی وجود دارد. این خط با رنگ‌های مختلف، قسمت کاتد یا منفی دیود را نشان می‌دهد.

دیودها کاربردهای مختلفی دارند. در این بخش، مهم‌ترین کاربردهای دیودها را توضیح می‌دهیم.

استفاده از دیود به عنوان یکسوکننده نیم موج

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، دیودها می‌توانند جریان را تنها در یک جهت هدایت کنند. اگر دیودی را در مسیر جریان متناوب قرار دهیم، به جریان اجازه می‌دهد تنها در یک جهت حرکت کند و اجازه عبور جریان در جهت مخالف را نمی‌دهد. یکسوکننده نیم‌موج در تصویر زیرنشان داده شده است. در این یکسوکننده به قسمت مثبت موج سینوسی ورودی اجازه عبور داده شده است و قسمت منفی مسدود می‌شود.

استفاده از دیود به عنوان یکسوکننده تمام موج

مدار نشان داده شده در تصویر زیر نشان می‌دهد چگونه می‌توان با قرار دادن چهار دیود در کنار هم، یکسو‌کننده تمام‌موج به‌دست آورد.

یکسوکننده تمام‌موج قسمت‌های منفی و مثبت موج ورودی را به خروجی منتقل و هم‌زمان موج منفی را به موج مثبت تبدیل می‌کند. در تصویر زیر موج زرد، موج سینوسی ورودی و موج آبی‌رنگ، موج خروجی یکسوکننده تمام‌موج است.

استفاده از دیود به عنوان محافظ قطبش معکوس

فرض کنید مدار بسیار مهمی را برای پروژه‌ای درسی طراحی کرده‌اید. شاید در اثر خستگی مدار را به قطب‌های اشتباه منبع تغذیه متصل کنید و به همین دلیل قسمت بیشتر مدار بسوزد. با استفاده از دیود شاتکی کوچک و ارزانی می‌توانیم از این اتفاق جلوگیری کنیم. شاید از خود بپرسید چرا در اینجا از دیود شاتکی استفاده می‌شود. زیرا افت ولتاژ دو سر دیود شاتکی بسیار کوچک و در حدود ۰/۲ ولت است. اگر به جای دیود شاتکی از دیود معمولی استفاده کنیم، افت ولتاژ برابر ۰/۷ ولت خواهد بود.

در دیودهای ایده‌ال ولتاژ از آند به کاتد می‌رود، اما در دیودهای واقعی قسمتی از ولتاژ در دیود باقی می‌ماند و مابقی ولتاژ از دیود می‌گذرد و به کاتد می‌رود. این ویژگی چهارمین کاربرد دیودها را تعیین می‌کند.

استفاده از دیود برای کاهش ولتاژ

فرض کنید برای پروژه درس فیزیک الکترونیک مداری طراحی کرده‌اید و در قسمتی از مدار نیاز به ولتاژ ۴/۳ ولت دارید، در حالی‌که ولتاژ اصلی در مدار برابر ۵ ولت است. این ولتاژ را چگونه ایجاد می‌کنید؟ استفاده از تنظیم‌کننده ولتاژ، نخستین راه‌حلی است که به ذهن می‌رسد. در حقیقت، استفاده از تنظیم‌کننده ولتاژ بهترین راه‌حل این مسئله است، اما هزینه انجام پروژه را افزایش می‌دهد. در برخی مواقع به جای تنظیم‌کننده می‌توان از افت ولتاژ دیود برای کاهش ولتاز در قسمتی از مدار استفاده کرد.

شاید از خود بپرسید دیودهای چه مقدار می‌توانند ولتاژ را کاهش دهند. مقدار افت ولتاژ در دیود به نوع دیود، دما و جریان عبوری از دیود بستگی دارد. اما می‌توان از اثر دما محیط و جریان در بسیاری از موارد چشم‌پوشی کرد. از این‌رو، تنها نوع دیود را در نظر می‌گیریم. بیشتر دیودهای رایج در آزمایشگاه‌های الکترونیک از سیلیکون یا ژرمانیوم ساخته شده‌اند. افت ولتاژ در دو سر دیود سیلیکونی برابر ۰/۷ ولت و در دو سر دیود ژرمانیوم برابر ۰/۲ ولت است. مقدار دقیق افت ولتاژ در دو سر دیودها در برگه داده هر دیود نوشته می‌شود.

با استفاده از چند دیود به صورت سری در مدار می‌توانیم مقدار ولتاژ را بیشتر کاهش دهیم. اما به این موضوع دقت داشته باشید که در صورت استفاده از تعداد بسیار زیادی دیود به صورت سری، اثر جریان بر افت ولتاژ قابل‌ملاحظه خواهد بود و نمی‌توان این اثر را نادیده گرفت.

استفاده از دیود در مدارهای کلیپر

کلیپر مداری است که بیشتر آن از دیود تشکیل شده است. از این مدار برای شکل دادن به سیگنال AC یا شکل موج و برای برش یا قطع قسمت مثبت، منفی یا هر دو قسمت مثبت و منفی موج ورودی به مدار استفاده می‌شود.

استفاده از دیود در مدارهای کلمپر

مدار کلمپر، مداری است که به سیگنال DC ورودی به سیستم را مقداری مثبت یا منفی جابجا می‌کند. سیگنال خروجی موجی است که بدون هیچ‌گونه اختلالی جابجا شده است. تنها موج نسبت به خط مرجع به سمت بالا یا پایین جابجا می‌شود.

استفاده از دیود به عنوان افزاینده ولتاژ

افزاینده ولتاژ همان‌گونه که از نامش مشخص است ولتاژ ورودی به مدار را در ضریب تعیین شده توسط مدار ضرب می‌کند. این مدار از دیود و خازن تشکیل شده است. ضریب افزاینده ولتاژ به تعداد مرحله‌ها بستگی دارد. هر مرحله از یک جفت دیود و خازن تشکیل شده است.

استفاده از دیود به عنوان نوسانگر

نوسانگر مداری است که موج پیوسته و تکراری تولید می‌کند. دیودی مانند دیود «گان» (Gunn) به عنوان نوسانگر برای تولید موج استفاده می‌شود.

استفاده از دیود به عنوان منبع نور

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد از دیود LED برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نورانی استفاده می‌شود. در محل اتصال نیمه‌رساناهای نوع n و p، پس از بازترکیب الکترون و حفره با یکدیگر، فوتون آزاد خواهد شد. امروزه LEDها یکی از پراستفاده‌ترین منابع نوری در زندگی روزمره هستند.

استفاده از دیود به عنوان حسگر

حسگر قطعه‌ای الکتریکی است که هر نوع انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. دیودها انواع متفاوتی دارند که از برخی از آن‌ها می‌توان به عنوان سنسور استفاده کرد.

حسگر دما

همان‌طور که در بخش‌های قبل دیدیم در دیود PN در بایاس معکوس جریان کوچک و تقریبا ثابتی وجود دارد، اما در بایاس مستقیم، جریان با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد. تابع جریان برحسب ولتاژ به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$i ( v ) = I _ s [ e ^ { ( \frac { v } { \eta V_ T} )} - 1] \, v >\; V _Z$$

در رابطه فوق:

• $$I_ S$$ جریان اشباع معکوس است.
• $$v$$ ولتاژ وارد شده به دیود است (ولتاژ در بایاس معکوس منفی است).
• $$V_ T = \frac { T } { 11586 }$$ ولتاژ معادل دما است.
• $$\eta$$ ضریب نشر است که مقدار آن برای ژرمانیوم برابر یک و برای سیلیکون برابر ۲ است.

با توجه به رابطه بالا، جریان مستقیم به دما وابسته است. بر طبق این معادله، اگر ولتاژ مستقیم ثابت باقی بماند، هر افزایشی در دما، جریان مستقیم را کاهش می‌دهد. از این‌رو می‌توان از این ویژگی برای اندازه گیری تغییرات دمای محیط استفاده کرد.

حسگر نور

حسگر نوری، حسگرهایی هستند که انرژی نورانی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. فتودیود حسگر نوری است که نور تابیده شده به آن به الکتریسیته تبدیل می‌شود.

پل دیود چیست ؟

پل دیود چیدمانی از چهار یا بیشتر از چهار دیود در مدار پل است که باعث می‌شود قطبش موج خروجی همواره یکسان و مستقل از قطبش موج ورودی است.

در واقع از پل دیودی برای یکسوسازی جریان متناوب و به دست آوردن جریانِ مستقیمِ تمام‌موج استفاده می‌کنیم. تصویر زیر پل دیود دست‌سازی را نشان می‌دهد که در آن خط نقره‌ای ضخیم روی دیودها قسمت کاتد هر دیود را نشان می‌دهد.

برای آشنایی با عملکرد پل دیود باید با تفاوت سیگنال AC و DC و چگونگی عملکرد دیود آشنا باشیم. باتری مثال خوبی از منبع تغذیه ‌DC است که قطبش مشخصی دارد. در واقع قطب‌های مثبت و منفی آن مشخص شده‌اند و تغییر نمی‌کنند. منبع تغذیه AC قطبش متناوبی دارد که در حدود ۵۰ تا ۶۰ بار در ثانیه برعکس می‌شود. به هنگام استفاده از منبع تغذیه AC برای راه‌اندازی وسیله‌ای DC، قطبش متناوب یا معکوس AC باید به منظور ایجاد قطبش بدون تغییر و پایدار، اصلاح شود. بدون انجام این اصلاح، وسیله DC آسیب می‌بیند.

تست پل دیود چیست ؟

در این بخش، پل دیود را با استفاده از مولتی‌متر آزمایش می‌کنیم. اگر دیود در مدار در حالت بایاس مستقیم قرار داشته باشد، جریان را از خود عبور می‌دهد و دو سر آن افت ولتاژی با اندازه مشخص مشاهده می‌شود. در حالت بایاس معکوس، هیچ جریانی از دیود عبور نمی‌کند. اگر مولتی‌متر را از نزدیک دیده باشید، یکی از حالت‌های آن، حالت دیود است. بنابراین، برای تست پل دیود، مولتی‌متر را در حالت دیود قرار می‌دهیم.

مدار پل دیود در تصویر زیر نشان داده شده است. پل دیودی را روی پل دیود رسم شده قرار می‌دهیم.

ابتدا مولتی‌متر را به شکل نشان داده شده در تصویر زیر به دو پایه پل دیود متصل می‌کنیم. همان‌طور که می‌بینیم مولتی‌متر عددی در حدود ۰/۵ را نشان می‌دهد.

سپس، پروب‌های مولتی‌متر را تغییر می‌دهیم. در این حالت، مولتی‌متر هیچ عدد معناداری را نشان نمی‌دهد. به بیان دیگر، این حالت شبیه مدار باز عمل می‌کند.

در ادامه، پروب‌های مولتی‌متر را به دو سر دیگر پل دیود (دیود دوم) متصل می‌کنیم. در حالت نشان داده شده در تصویر زیر، مولتی‌متر عددی در حدود ۰/۵ را نشان می‌دهد.

در ادامه، پروب‌ها را به دو سر دیود سوم به شکل نشان داده شده در تصویر زیر متصل می‌کنیم. در این حالت نیز، مولتی‌متر عددی برابر ۰/۵ را نشان می‌دهد.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد دیودها به زبان ساده صحبت کردیم. ابتدا دیود ساده سیلیکونی را توضیح دادیم. این دیودها از اتصال دو نیمه‌رسانای نوع ‌n و p ساخته می‌شوند و کمینه ولتاژ لازم برای آن‌که بتوانند جریان را به صورت مستقیم از خود عبور دهند برابر ۰/۷ ولت است. در ادامه، انواع دیودها را نام بردیم:

• دیود اتصال PN
• دیود شاتکی
• دیود زنر
• فتودیود
• دیود PIN
• دیود LED

در پایان، در مورد مهم‌ترین کاربردهای دیودها در صنعت الکترونیک صحبت کردیم.