دیود
دیود چیست؟ یکی از ساده‌ترین و مهمترین قطعات الکترونیکی است که تقریباً در هر مداری استفاده می‌شود. امروزه انواع مختلفی از دیودها برای کاربردهای گوناگون تولید می‌شوند؛ از ساختار ساده شامل دو سطح آند و کاتد بگیر تا ساختارهای پیچیده‌تر. در این مقاله از امیران الکتریک با ما همراه باشید تا ضمن بررسی کامل دیود به عنوان یکی از مهمترین قطعات الکترونیکی، ساختار و عملکرد آنها را معرفی کرده و سپس انواع دیودها به همراه کاربردشان را بررسی کنیم.
دیود چیست؟
دیود قطعه‌ای الکترونیکی است که جریان را در هر لحظه فقط از یک جهت عبور می‌دهد؛ در سال‌های اولیه ساخت این قطعه به آن یکسوساز (Rectifier) هم می‌گفتند. به بیان ساده‌تر، دیود در هر لحظه به مانند یک جاده یک‌طرفه عمل می‌کند؛ یعنی جریان را می‌تواند از خود عبور دهد یا نه. دیود به دو سر مثبت (آند) و منفی (کاتد) خود، قطعه‌ای بسیار پراهمیت در صنعت الکترونیک شناخته می‌شود و کاربردهای فراوانی در مدارات دارد. در مسیری که دیود جریان را از خود عبور می‌دهد، مقاومت ناچیزی قرار دارد؛ این درحالی‌ست که در مسیر دیگر، مقاومت بسیار زیاد است.
تاریخچه دیود
تکامل دیودها به اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن بیستم باز می‌گردد؛ دوران شکوفایی عصر الکترونیک و مخابرات. فردیناند براون برای اولین بار مفهوم یک‌طرفه‌سازی جریان در مواد نیمه رسانا را معرفی کرد که بعدها پایه و اساس کارکرد دیود را تشکیل داد. اولین دیود با نام «لامپ خلاء» در سال ۱۹۰۴ توسط جان فلمینگ ساخته شد که توانایی یکسوسازی جریان در مدارات مخابراتی را دارا بود. بعدها با گذشت زمان شاهد توسعه و تولید دیودهای تخصصی بودیم که از مهمترین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- دیود زنر
- دیودهای نوری (LED)
- دیود شاتکی
از ۱۹۸۰ تا به امروز، با گسترش روز افزون فناوری نانو و تولید دیودهای بسیار ریز مانند دیودهای لیزری و تونلی، استفاده از این قطعات رشد بسیاری کرد؛ به طوری که امروزه در اغلب مدارات الکترونیکی حضور دیود ضرورت پیدا کرده است.
ساختار دیود
به طور کلی، دیودها از دو لایه نیم‌رسانا تشکیل شده‌اند: لایه نوع P و لایه نوع N. همانطور که پیداست، لایه نوع P یا همان قطب مثبت دیود، شامل مواد نیم‌رسانایی است که حامل‌های بار مثبت قطعه را فراهم می‌کنند و در مقابل، لایه نوع N برای فراهم کردن حامل‌های بار منفی دیود قرار داده می‌شود. بین این دو لایه، ناحیه‌ای به نام (Depletion Region) یا ناحیه تخلیه قرار دارد که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها همدیگر را خنثی کرده و یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌کنند. این میدان الکتریکی، یک سد محکم در برابر جریانی‌ست که در جهت معکوس به دیود وارد می‌شود.
نحوهٔ عملکرد دیود
همانطور که گفته شد، عملکرد دیود به بیان ساده همان گذر جریان الکتریکی در یک جهت و ممانعت از عبور جریان در جهت معکوس است. اگر بخواهیم کمی بیشتر دربارهٔ عملکرد دیود توضیح دهیم، به بایان مستقیم و بایاس معکوس اشاره خواهیم کرد:
- بایاس مستقیم (Forward Bias) : منظور از بایاس مستقیم، حالتی‌ست که قطب مثبت منبع تغذیه به آند و قطب منفی آن به پایه کاتد دیود متصل است. در این حالت، میدان الکتریکی داخلی کاهش می‌یابد و حامل‌های بار، می‌توانند از ناحیه تخلیه عبور کنند. به همین دلیل است که در بایاس مستقیم، جریان از دیود عبور می‌کند.
- بایاس معکوس (Reverse Bias) : همانطور که از نام آن پیداست، بایاس معکوس به حالتی اطلاق می‌شود که قطب مثبت منبع تغذیه به کاتد و قطب منفی منبع تغذیه به آند دیود متصل است. به این حالت اصطلاحاً بایاس معکوس گفته می‌شود. با قرارگیری دیود در این حالت، شاهد تقویت میدان الکتریکی و گسترش ناحیه تخلیه خواهیم بود. اینجاست که تقریباً هیچ الکترونی نمی‌تواند از دیود عبور کند.
مفهوم ولتاژ شکست در دیود چیست؟
ولتاژ شکست (Breakdown Voltage) به حالتی گفته می‌شود که ولتاژ معکوس اعمال شده به دیود از حد مشخصی فراتر برود. در این حالت، دیود دچار شکست شده و جریان زیادی از آن عبور داده می‌شود. بنابراین کنترل ولتاژ معکوس وارد شده به دیود و محاسبه دقیق آن می‌تواند یک امر حیاتی برای سلامت عملکردی دیودها باشد. البته باید به این نکته اشاره کنیم که برخی از دیودها هستند که جهت فعالیت تحت ولتاژ معکوس طراحی شده‌اند و در این زمینه کاربردی هستند که در ادامه به معرفی آنها خواهیم پرداخت.
انواع دیود
به جهت محبوبیت زیاد دیودها در صنعت الکترونیک، انواع مختلفی از آنها برای کاربردهای گوناگون تولید شده‌اند. هر کدام از این انواع، ویژگی‌های خاص خود را داشته و بسته به کاربردشان، مشخصات منحصر به فردی دارند. مهمترین انواع دیودها به همراه ویژگی و کاربرد آنها در ادامه آمده است:
دیود زنر (Zener)
دیودهای زنر از جمله ابتدایی‌ترین انواع دیودها هستند که برای استفاده در حالت بایاس معکوس طراحی شده‌اند. این دیودها می‌توانند در ولتاژی معین -که با عنوان ولتاژ زنر شناخته می‌شود،- به صورت پایدار و ثابت جریان را از خود عبور دهند. عمدهٔ کاربرد این دیودها به تثبیت ولتاژ در انواع مدارات الکترونیکی و همچنین جلوگیری از اضافه‌بار به ویژه در مدارهای حفاظتی بر می‌گردد.
دیود پیوندی (Junction)
می‌توان گفت که ساده‌ترین نوع دیود است که تنها در یک جهت جریان را از خود عبور می‌دهد. در بایاس مستقیم (همان حالتی که ثطب مثبت منبع تغذیه به آند و قطب منفی به کاتد وصل می‌شود) جریان را از خود عبور داده و در بایاس معکوس، جریان بسیار ناچیزی به عنوان «نشتی جریان» از خود عبور می‌دهد. همانطور که از کارکردشان پیداست، این دیودها برای یکسوسازی جریان در انواع مدارهای الکترونیکی و همچنین محافظت از مدار در برابر ورود جریان معکوس کاربرد دارند.
دیود نوری (LED)
دیودهای LED کارکرد بسیار ویژه‌ای در صنعت الکترونیک دارند. این دیودها با عبور دادن جریان الکتریکی از خود، فوتون تولید می‌کنند. به دلیل تنوع در رنگ‌ها و شدت نوری متفاوت، از این دیودها می‌توان در بسیاری از مدارات الکترونیکی استفاده کرد. کارایی بالای دیودهای نوری، کم مصرف بودن و طول عمر بالا سبب شده تا این قطعات برای تولید و ساخت چراغ‌های راهنمایی، تابلوهای تبلیغاتی، نمایشگر دستگاه‌های مختلف، روشنایی محیط و… بسیار مناسب باشند.
دیود تونلی
از دیودهای تونلی برای تقویت سیگنال‌ها و تولید نوسانات در مدارهای پرسرعت استفاده می‌شود. پایه و اساس عملکرد این دیودها، پدیدهٔ تونل‌زنی کوانتومی‌ست و در ولتاژهای پایین، جریان را از خود عبور می‌دهند. در این نوع دیود، پیوند بسیار نازکی بین نواحی P و N برقرار است و همین موضوع باعث کاهش شدید گستردگی ناحیه تخلیه شده است. الکترون‌ها با عبور به این دیود، با استفاده از تونل‌زنی کوانتومی عبور می‌کنند. از مهمترین ویژگی‌های دیود تونلی می‌توان به زمان پاسخ‌دهی بسیار سریع آن اشاره کرد؛ چرا که از تونل‌زنی به جای برخی پدیده‌های کندتر مثل بازترکیب بارها استفاده می‌کند و همین امر، آن را برای فرکانس‌های بسیار بالا مناسب کرده است.
دیود شاتکی
این دیود نیز از جمله انواع دیودهای اصلی و زمینه‌ای شناخته می‌شود و عمدهٔ کاربرد آن در منابع تغذیه سوئیچینگ و مدارهای پرسرعت و به طور کلی مدارهایی که نیازمند سرعت پاسخ‌دهی بالا با کمترین تلفات هستند، دیده می‌شود. ولتاژ آستانه پایین و سرعت سوئیچینگ بالا از جمله مهمترین مشخصه‌های دیود شاتکی است.
انواع دیگر دیود
- دیود لیزری: برخی از دیودها را زیرمجموعه‌ای از LED ها می‌دانند؛ احتمالاً درست است. این دیودها به طور خاصی نور تولید می‌کنند؛ به طوری که نور تولید شده توسط آنها به شدت متمرکز و پرقدرت است و اصطلاحاً لیزری‌ست. در تولید پرینتر‌ها، دستگاه‌های بارکدخوان، پزشکی و مخابرات از این دیودها استفاده می‌شود.
- دیود واراکتور: عملکردی مشابه به یک خازن متغیر در مدار دارد؛ به طوری که مقدار خازن با تغییر ولتاژ معکوس دیود تغییر می‌کند. در ساخت فیلترهای تطبیقی به ویژه صنعت مخابرات و تنظیم فرکانس مدارات RF کاربرد دارد.
- دیود پل: همانطور که از نام آنها پیداست، جهت یکسوسازی کامل موج در منابع تغذیه کاربرد دارند. به بیان دیگر، این دیودها -که مجموعه‌ای از ۴ دیود هستند،- می‌توانند جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل کنند.
- دیود آشکارساز: از آنها با عنوان (Detector) یاد می‌شود و جهت شناسایی و استخراج سیگنال‌های RF استفاده می‌شوند. عمدهٔ کاربرد آن هم در صنعت مخابرات برای جداسازی نویز از سیگنال اصلی است.
- دیود گان: اثر گان در نیمه رساناها، اساس کار این دیود است. این قطعات الکترونیکی می‌توانند امواج مایکروویو تولید کنند؛ به همین جهت در صنایعی مانند تولید رادار، تجهیزات آزمایشگاهی، مخابرات و قطعات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جمع‌بندی
دیودها نقشی تعیین کننده در صنعت الکترونیک دارند و استفاده از آنها می‌تواند مداراتی منظم و با عملکرد فوق العاده به ما بدهد. در این مقاله تنها مهمترین کاربردها و انواع دیود را معرفی کردیم؛ بدون شک این قطعات الکترونیکی به شکلی گسترده در انواع و کاربردهای گوناگون تولید می‌شوند. برای آشنایی با دیگر قطعات الکترونیکی و مطالعه دربارهٔ جهان الکترونیک، دیگر مقالات ما را بخوانید.