انواع دیود و کاربرد آن ها – از صفر تا صد

دیود پیوند PN

فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته و مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

این نوع دیود شامل دو لایه نیمه‌‌هادی است که یک لایه آن با ماده نوع P و لایه دیگر آن با ماده نوع N آلاییده شده است. دلیل نام‌‌گذاری این دیود، ترکیب این دو لایه و ایجاد پیوندی به نام پیوند PN است.

دیود سیگنال کوچک

دیود یکسوکننده

«دیود یکسوکننده» (Rectifier Diode) یک نوع دیود پیوند PN با سرعت سوئیچینگ پایین است که به دلیل داشتن ناحیه پیوند بسیار بزرگ، در جهت معکوس ظرفیت خازنی بالایی دارد.

این دیود رایج‌‌ترین و پرکاربردترین نوع دیود است. دیودهای یکسوکننده در تبدیل AC به DC (یکسوسازی) مورد استفاده قرار می‌‌گیرند و قادرند جریان قوی را تحمل کنند.

دیود شاتکی

از نقاط قوت دیود شاتکی می‌توان به افت ولتاژ مستقیم بسیار کم و سرعت سوئیچینگ بسیار بالا به دلیل نداشتن پیوند خازنی (پیوند PN) اشاره کرد. برخی از نقاط ضعف دیود شاتکی نیز ولتاژ شکست معکوس پایین و جریان نشتی معکوس بالای آن هستند.

دیود فوق مانع

«دیود فوق مانع» (Super Barrier Diode) یا دیود SBR یک دیود یکسوکننده است. این دیود مانند دیود شاتکی، افت ولتاژ مستقیم کم و مانند دیود پیوند PN معمولی جریان نشتی معکوس پایینی دارد. دیود SBR سوئیچینگ سریعی دارد و با ایجاد اتصال کوتاه بین منبع و گیت از ماسفت (MOSFET) استفاده می‌‌کند.

دیود نورافشان (LED)

فتودیود

فیلم آموزش مبانی مهندسی برق ۱ در فرادرس

کلیک کنید

از آنجایی که هر دیود نیمه‌‌هادی تحت تأثیر حامل‌‌های بار نوری قرار می‌‌گیرد، آن‌‌ها را در ماده‌‌ای بسته‌‌بندی می‌‌کنند که نور را مسدود کند. البته، در این نوع دیود دریچه مخصوصی وجود دارد که به نور اجازه ورود به قسمت حساس آن را می‌‌دهد.

هنگامی که نور (ذرات فوتون) به پیوند PN برخورد می‌‌کند، یک جفت الکترون و حفره ایجاد می‌‌شود. این الکترون و حفره به صورت جریان الکتریکی از دیود خارج می‌‌شوند. برای افزایش بازده فتودیود از یک دیود پیوند PIN استفاده می‌‌شود.

دیود لیزری

دیود تونلی

دیود تونلی یک دیود پیوند PN ببسیار آلاییده است که براساس اصل اثر تونل‌‌زنی کار می‌‌کند. در این نوع دیود، به علت تراکم آلایش زیاد، سد پیوند بسیار نازک می‌‌شود و به الکترون اجازه می‌‌دهد تا به آسانی از سد بگریزد. این پدیده به عنوان اثر تونل‌‌زنی شناخته می‌‌شود.

در نمودار VI دیود تونلی ناحیه‌‌ای وجود دارد که در آن با زیاد شدن ولتاژ، جریان کاهش می‌‌یابد. این ناحیه، ناحیه مقاومت منفی نامیده می‌‌شود. دیود تونلی در این ناحیه به منظور کاربردهای گوناگونی از قبیل اسیلاتور و تقویت‌‌کننده مایکروویو کار می‌‌کند. از جمله ویژگی‌‌های این دیود، هدایت جریان در جهت معکوس و داشتن سوئیچینگ سریع است.

دیود زنر

این دیود به افتخار کلارنس ملوین زنر (Clarence Melvin Zener) که اثر زنر را کشف کرد، دیود زنر نام‌‌گذاری شده است. این نوع دیود به دلیل داشتن تراکم آلایش زیاد نسبت به دیود پیوند PN معمولی، ناحیه تخلیه بسیار نازکی دارد و علاوه بر جهت مستقیم، در جهت معکوس نیز اجازه جاری شدن جریان را می‌‌دهد.

دیود زنر در بایاس مستقیم، مانند یک دیود پیوند PN ساده (یکسوکننده) عمل می‌‌کند ولی در بایاس معکوس، تا زمانی که ولتاژ معکوس به ولتاژ شکست (یا ولتاژ زنر) برسد، جریان را مسدود می‌‌کند و پس از آن، با افت ولتاژ ثابت به جریان اجازه جاری شدن می‌‌دهد. شکست معکوس زنر به دو دلیل ایجاد می‌‌شود: تونل‌‌زنی کوانتومی الکترون و «شکست بهمنی» (Avalanche Breakdown). دیود زنر ولتاژ ثابتی برای حفاظت مدارها در برابر اضافه‌‌ولتاژ فراهم می‌‌کند و اساساً در شرایط بایاس معکوس مورد استفاده قرار می‌‌گیرد.

دیود معکوس

«دیود معکوس» (Backward Diode) یک دیود پیوند PN است که عملکرد آن مشابه دیود تونلی و دیود زنر است اما ولتاژ کاری بسیار پایینی دارد. دیود معکوس اساساً یک دیود تونلی است که یک طرف پیوند در مقایسه با طرف دیگر تراکم آلایش نسبتاً کمتری دارد.

این دیود در بایاس مستقیم، مانند دیود تونلی عمل می‌‌کند اما اثر تونل‌‌زنی آن در مقایسه با دیود تونلی بسیار کم است. در بایاس معکوس نیز عملکرد آن مشابه زنر است با این تفاوت که ولتاژ شکست بسیار کمتری دارد.

دیود معکوس در موارد زیادی مورد استفاده قرار نمی‌‌گیرد، اما می‌‌توان آن را برای یکسوسازی یک سیگنال ولتاژ کوچک (0٫1 تا 0٫6 ولت) به کار برد. این دیود به دلیل سرعت سوئیچینگ بالا، می‌‌تواند به عنوان یک سوئیچ در ضرب‌‌کننده و میکسر RF استفاده شود.

دیود بهمنی

دیود بهمنی از نظر الکتریکی مانند دیود زنر عمل می‌‌کند، اما تراکم آلایش آن در مقایسه با دیود زنر نسبتاً کمتر است. آلایش زیاد در داخل دیود زنر پیوند کوچکی ایجاد می‌‌کند، به گونه‌‌ای که ولتاژهای پایین می‌‌توانند به راحتی آن را بشکنند. اما دیود بهمنی به دلیل تراکم آلایش اندک پیوند بیشتری دارد و برای شکست آن ولتاژ بالایی لازم است. این پیوند بزرگ باعث می‌‌شود که این دیود در مقایسه با دیود زنر ساده، محافظت بهتری در برابر نوسان برق داشته باشد.

دیود خنثی‌‌ساز ولتاژ گذرا

«دیود خنثی‌‌ساز ولتاژ گذرا» (Transient Voltage Suppression) یا دیود TVS یک نوع دیود بهمنی است که از مدار در برابر نوسانات ولتاژ زیاد محافظت می‌‌کند. دیود TVS در مقایسه با دیود بهمنی ظرفیت نگه داشتن ولتاژ‌‌های بالا را دارد.

عملکرد دیود یک‌‌طرفه TVS شبیه دیود بهمنی است. این دیود به عنوان یک یکسوکننده در بایاس مستقیم و محافظ نوسانی در بایاس معکوس عمل می‌‌کند. عملکرد دیود دوطرفه TVS نیز مانند دو دیود بهمنی است که مخالف یکدیگر و به صورت سری بسته شده‌‌اند. این دیود به صورت تک‌‌جزئی ساخته می‌‌شود و به دو روش عمل می‌‌کند. هنگامی که به صورت موازی با یک مدار بسته می‌‌شود، حفاظت نوسانی ایجاد می‌‌کند.

دیود آلاییده شده با طلا

دیود جریان ثابت

CLD با ایجاد اتصال کوتاه بین گیت و منبع JFET ساخته می‌شود و درست مانند دیود زنر که ولتاژ را محدود می‌کند، جریان را محدود می‌سازد.

دیود بازسازی پله ای

«دیود بازسازی پله‌ای» (Step Recovery Diode) یا SRD یک دیود پیوند PN است که شار جریان را هنگام معکوس شدن جهتش به طور ناگهانی متوقف می‌کند. از آنجا که این دیود از یک پیوند PN با تراکم آلایش بسیار پایین در نزدیکی پیوند ساخته می‌شود، تعداد حامل‌های بار (الکترون و حفره‌ها) نزدیک پیوند کاهش یافته و ظرفیت ذخیره بار در آنجا ناچیز می‌شود. این ویژگی، دیود بازسازی پله‌ای را قادر به سوئیچینگ خیلی سریع از حالت ON به حالت OFF خواهد کرد.

در یک دیود معمولی، هنگام سوئیچ از هدایت مستقیم به قطع معکوس، جریان به دلیل بار ذخیره ‌شده برای مدت کوتاهی جاری می‌شود. به همین دلیل، سوئیچینگ دیود معمولی مدتی زمان می‌برد. اما دیود SRD به دلیل ذخیره نکردن بار می‌تواند شار جریان را فوراً متوقف سازد.

دیود حرارتی یا پلتیر

دیود حرارتی یا پلتیر (Peltier or Thermal Diode) یک نوع دیود است که مقاومت گرمایی در یک جهت آن نسبت به جهت دیگر متفاوت است. از این رو، گرمای تولید شده با ترک خنک‌کننده یک طرف دیود، به طرف دیگر آن در یک جهت جریان می‌یابد.

دیود خلأ

«دیود خلأ» (Vacuum Diode) ساده‌ترین شکل یک دیود است که از یک لامپ خلأ و دو الکترود (کاتد و آند) که در داخل لامپ خلأ محصور شده‌اند، ساخته شده است. با گرم شدن تدریجی کاتد، آند الکترون‌های ارسال ‌شده از کاتد را دریافت کرده و جریان جاری می‌شود. کاتد می‌تواند به طور مستقیم یا غیرمستقیم گرم شود.

در بایاس مستقیم، الکترون‌های آزاد روی کاتد پس از گرم شدن، در خلأ رها شده و توسط آند جمع‌آوری می-شوند. بنابراین، در این حالت، جریان جاری خواهد شد. در بایاس معکوس، به دلیل اتصال آند به پایانه منفی، الکترون‌های آزاد در خلأ (توسط آند) دفع می‌شوند. از این رو، در این حالت جریان جاری نمی‌شود.

دیود خازنی

ظرفیت خازنی پیوند تمام دیودها با ولتاژ معکوس تغییر می‌یابد اما دیود خازنی قادر است از این اثر با محدوده بالایی از ظرفیت خازنی استفاده کند.

دیود گان

«دیود گان» (Gunn Diode) که به عنوان المان الکترون انتقال‌ یافته نیز شناخته می‌شود، مانند دیود تونلی دارای مقاومت منفی است. این دیود به افتخار فیزیکدان بریتانیایی، «جی بی گان» (J.B Gunn) که در سال 1962 اثر گان را کشف کرد، نام‌گذاری شده است.

دیود پین

«دیود پین» (PIN Diode) یک دیود سه‌لایه (p ،I و N) است. لایه نیمه‌هادی ذاتی I بین نیمه‌هادی بسیار آلاییده نوع P و N قرار دارد. الکترون و حفره‌ها به ترتیب از ناحیه نوع N و P به ناحیه ذاتی I جریان می‌یابند. به محض اینکه ناحیه I با الکترون و حفره‌ها کاملاً پر شد، دیود شروع به رسانش می‌کند. در بایاس معکوس، لایه ذاتی وسیع دیود می‌تواند ولتاژهای معکوس بالا را مسدود و تحمل کند.

در فرکانس بالاتر، دیود پین به عنوان یک مقاومت خطی عمل می‌کند. به همین دلیل، این دیود زمان بازیابی معکوس ناچیزی دارد. دلیل آن این است که ناحیه بسیار باردار I در طول چرخه‌های سریع زمان کافی برای تخلیه به دست نمی‌آورد. البته این دیود در فرکانس پایین، مانند یک دیود یکسوکننده عمل می‌کند، زیرا برای تخلیه زمان کافی به دست می‌آورد و در طول چرخه قطع می‌شود.

اگر یک فوتون وارد ناحیه I یک دیود پین بایاس معکوس شود، یک جفت الکترون و حفره تولید می‌شود. این جفت الکترون و حفره به صورت جریان خارج می‌شوند. از این رو، از این دیود در آشکارسازهای نوری و سلول‌های فتوولتائیک استفاده می‌شود.

دیودهای پین در یکسوسازی ولتاژ بالا، عملکرد RF به عنوان تضعیف ‌کننده و المان سوئیچینگ به کار می‌روند.

یکسوساز کنترل شده با سیلیکون

هنگامی که SCR در بایاس مستقیم متصل می‌شود، هنوز اجازه جاری شدن جریان را نمی‌دهد. این ویژگی به عنوان مد مسدودسازی مستقیم شناخته می‌شود. برای ایجاد هدایت SCR در مد مستقیم، یا ولتاژ لازم برای عبور از حد شکست آن لازم است یا اعمال یک پالس مثبت به ورودی گیت آن. برای قطع کردن SCR نیز باید یا جریان را به زیر نقطه جریان نگهدارنده کاهش داد یا ورودی گیت و اتصال کوتاه آند-کاتد را یک لحظه قطع کرد.

در بایاس معکوس، SCR حتی پس از اعمال ورودی گیت، اجازه جاری شدن جریان را نمی‌دهد. اما اگر ولتاژ معکوس به ولتاژ شکست معکوس برسد، SCR به علت پدیده بهمنی شروع به رسانش می‌کند. SCR برای کنترل مدارهای توان بالا و یکسوسازی AC توان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دیود شاکلی

همان‌طور که می‌دانیم، دیود شاکلی ورودی گیت ندارد، بنابراین، تنها راه سوئیچ کردن آن به حالت ON، اعمال ولتاژ مستقیم و بیشتر از ولتاژ شکست آن است. پس از اعمال این ولتاژ (بیشتر از ولتاژ شکست)، جریان جاری می‌شود. در طول هدایت نیز، حتی اگر ولتاژ کمتر از ولتاژ شکست شود، جریان قطع نخواهد شد. برای سوئیچ کردن به حالت OFF لازم است ولتاژ به اندازه کافی کمتر از ولتاژ شکست باشد.

دیود اتصال نقطه ای

«دیود اتصال نقطه‌ای» (Point Contact Diode) که به عنوان «دیود سبیل گربه‌ایK (Cat Whisker Diode) یا «دیود کریستالی» (Crystal Diode) شناخته می‌شود، دیودی است که در آن یک پیوند نقطه‌ای کوچک بین یک سیم فلزی و کریستال نیمه‌هادی نوع N شکل می‌گیرد.

سبیل گربه یک سیم فنری نازک است که از فسفر برنز یا تنگستن ساخته می‌شود و یک پیوند اتصال نقطه‌ای با یک نیمه‌هادی نوع N ایجاد می‌کند، از این رو، آن را دیود اتصال نقطه‌ای می‌نامند. ظرفیت خازنی پیوند این دیود به دلیل پیوند بسیار کوچکی که دارد، بسیار کم است. بنابراین، ظرفیت ذخیره-سازی بار نیز بسیار کم خواهد بود. این ویژگی دیود را به یک قطعه سوئیچینگ سریع تبدیل می‌کند.

هنگام ساخت، عبور جریان نسبتاً زیاد از سیم سبیل گربه منجر به تشکیل یک ناحیه P کوچک روی نیمه‌هادی نوع N می‌شود. این پیوند کوچک مانند پیوند PN عمل می‌کند. دیودهای اتصال نقطه‌ای برای سیگنال ولتاژ پایین و در میکسر مایکروویو و آشکارسازها استفاده می‌شوند. آن‌ها جزء رایج‌ترین نوع دیودها هستند که در طراحی و عملکرد مدارهای الکترونیکی به کار می‌روند.