دیود

بلور مربعی شکل نیمرسانا در دیود
شکل‌های گوناگون دیودها؛ پایین: پل یکسوساز دیودی
دیود ، (نام‌های دیگر: «دوقطبی الکتریکی»، «یکسوساز») قطعه‌ای الکترونیکی است که دارای دو سر می‌باشد. دیود، جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌دهد (در این حالت، مقاومت (قطعه الکتریکی) دیود ایدئال، صفر است) و در جهت دیگر، در مقابل گذر جریان از خود، مقاومت (قطعه الکتریکی) بسیار بالایی (در حد بینهایت) نشان می‌دهد. این خاصیت دیود، باعث شده بود تا در سال‌های اولیه ساخت این قطعه الکترونیکی، به آن «دریچه» نیز اطلاق شود. در حال حاضر، رایج‌ترین گونه دیود از بلور ماده‌های نیمه هادی ساخته می‌شود. دیود را از اتصال دو نیم‌رسانا از نوع P و N می‌سازند. به پایه‌ای که به نیمه هادی N متصل است «کاتد» و به پایه‌ای که به نیمه هادی نوع P متصل است «آند» گفته می‌شود. لامپ‌های خلا که نخستین دیودها بودند، امروزه فقط در فناوری‌هایی که در ولتاژ بالا کار می‌کنند استفاده می‌شوند. دیود، اولین قطعه تولید شده با نیمه هادی‌ها است.
مهم‌ترین کاربرد دیود، عبور جریان در یک جهت و ممانعت در برابر گذر جریان در جهت مخالف است (یکسو سازی). در نتیجه می‌توان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یکطرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.
به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ولتاژ (بایاس کردن) در جهت درست (+ به آند و - به کاتد که به آن بایاس مستقیم گفته می‌شود) آن را آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به رسانش جریان الکتریکی نماید، ولتاژ آستانه یا (threshold voltage) نامیده می‌شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت (برای دیودهای سیلیکون) و ۰٫۲ تا ۰٫۳ ولت (برای دیود ژرمانیوم) می‌باشد.
اما هنگامی که ولتاژ معکوس به دیود متصل شود، (+ به کاتد و - به آند که به آن بایاس معکوس می‌گویند) جریانی از آن، نمی‌گذرد؛ مگر جریان بسیار کمی که به «جریان نشتی» معروف است و در حدود چند میکروآمپر یا حتی کمتر می‌باشد. این مقدار جریان معمولا در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل چشم پوشی است و تاثیری در رفتار سایر المان‌های مدار نمی‌گذارد. هرچه جنس بلور به‌کاررفته در ساخت دیود، به لحاظ ساختار، منظم‌تر باشد، دیود مرغوب‌تر و جریان نشتی، کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیودهای با فناوری جدید، عملا به صفر می‌گراید.
اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای بیشینه ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌سوزد (بلور ذوب می‌شود) و جریان را در جهت معکوس نیز می‌گذراند. به این ولتاژ آستانه، «ولتاژ شکست» گفته می‌شود.
ولتاژ شکست معکوس دیود
چنانچه ولتاژ معکوس دیود را تا حد مشخصی بیفزاییم، جریان معکوس دیود بطور ناگهانی شروع به افزایش سریع می‌کند. پدیده‌ای که در این حالت رخ می‌دهد را «پدیده شکست» و ولتاژی که در آن این پدیده آغاز می‌شود را ولتاژ شکست دیود دیود گویند و با V BR نشان می‌دهند. ولتاژ شکست دیود، به ساختمان پیوند P-N و غلظت ناخالصی آن بنحو نسبتا شناخته‌شده‌ای بستگی دارد؛ شکست دیود می‌تواند حاصل یکی از دو پدیده شکست بهمنی و شکست زنر می‌باشد.
احتمال وقوع پدیده شکست بهمنی در دیودهای سیلیکونی که ولتاژ شکست آن‌ها بیش از ۶ولت است، بیشتر می‌باشد. درحالیکه شکست زنر به صورت پدیده غالب، تنها در دیودهایی با ولتاژ شکست کمتر از ۶ولت یافت می‌شود.
پدیده شکست بهمنی
می‌دانیم که در بایاس معکوس پیوند P-N، با ازدیاد ولتاژ معکوس دیود، عرض ناحیه تهی بیشتر می‌شود و همچنین شدت میدان الکتریکی در این ناحیه افزایش می‌یابد. در این حالت، حامل‌های اقلیت در واقع در سراشیبی سد پتانسیل ناشی از پتانسیل داخلی و ولتاژ معکوس اعمالی قرار می‌گیرند و سرعت آن‌ها بشدت افزایش می‌یابد. این حامل‌ها با شتاب گرفتن خود می‌توانند با اتم‌های سیلیکون واقع در ناحیه تهی برخورند و ضمن شکستن پیوندهای کووالانسی آن‌ها تعدادی حامل جدید آزاد کنند. حامل‌های جدید نیز تحت تاثیر میدان الکتریکی زیاد در ناحیه تهی قرار می‌گیرند و پس از برخورد با دیگر اتم‌ها، حامل‌های بیشتری را از پیوند کووالانسی آن‌ها جدا می‌سازند؛ بنابراین، تعداد حامل‌هایی که می‌توانند در ایجاد جریان دخالت کنند بطور ناگهانی افزایش می‌یابند و باعث ازدیاد سریع جریان می‌شوند. این پدیده را شکست بهمنی می‌نامند.
پدیده شکست زنر
پدیده دیگری که ممکن است باعث ایجاد شکست در مشخصه ولتاژ-جریان دیود شود به پدیده زنر معروف است. تشریح این پدیده بدین صورت است که با ازدیاد ولتاژ معکوس دیود، شدت میدان الکتریکی در ناحیه تهی ممکن است بحدی برسد که حامل‌های اقلیت موجود در نیمه‌های p یعنی الکترون‌ها بتوانند از داخل لایه سد تونل زده و به طرف مقابل وارد شوند و جریان معکوسی را به وجود آورند.
مقاومت در دیود
با توجه به غیر خطی بودن مشخصه دیود، دو نوع مقاومت (قطعه الکتریکی) می‌توان برای دیود تعریف کرد. این مقاومت (قطعه الکتریکی)‌ها عبارتند از مقاومت استاتیکی (R s ) که در جریان DC و مقاومت دینامیکی (r d ) در جریان AC حساب می‌شود. و اگر سیگنال ورودی به قدر کافی بزرگ باشد به‌طوری‌که بتواند تغییرات قابل توجهی در منحنی مشخصه دیود ایجاد کند مقاومت مربوط به قطعه در این ناحیه را مقاومت متوسط گویند که از رابطه زیر به دست می‌آید.
Rav = ∆Vd/∆Id
Vd=ولتاژ دیود
Id= جریان دیود
∆= تغییرات ولتاژ یا جریان
مقاومت استاتیکی
مقاومت اهمی در یک دیود از تقسیم ولتاژ دو سر دیود بر جریان عبوری از آن به دست می‌آید. مقاومت دیود در مقابل عبور جریان مستقیم و جریان متناوب فرق می‌کند. مقاومت دیود در مقابل عبور جریان مستقیم را مقاومت استاتیکی می‌نامند و مقدار آن را از رابطه زیر به دست می‌آورند.
Rdc = Vf/If
مقاومت دینامیکی
مقاومت دیود در مقابل جریان متناوب را مقاومت دینامیکی می‌نامند و از رابطه زیر بدست می‌آورند.
Rac = ∆Vf/∆If
Vf=ولتاژ دیود
If= جریان دیود
∆= تغییرات ولتاژ یا جریان
مقاومت‌های معادل دیود در شرایط AC
در هر دیود عملا سه نوع مقاومت وجود دارد. یکی مقاومت مربوط به لایه N و دیگری مقاومت مربوط به لایه P و سومی مربوط به مقاومت دینامیکی لایه سد R AC است. مجموعه این مقاومت‌ها را R d می‌نامند.
Rd = Rp+Rac+Rn
دسته‌بندی دیودها
در این بخش، پنج دسته مهم از انواع دیودها معرفی می‌شوند.
دیود زنر
در بایاس مستقیم ولتاژ دو سر دیود تقریبا ثابت است و تغییر جریان در آن تاثیری ندارد. دیودهایی که به منظور استفاده در بایاس معکوس و ناحیه فروشکست معکوس ساخته شده‌اند به «دیود زنر» معروف‌اند. البته اینکه این دیودها را زنر می‌نامند، بدان مفهوم نیست که پدیده شکست بهمنی در آن‌ها صورت نمی‌گیرد؛ بلکه هردو پدیده می‌توانند در ایجاد فروشکست در این دیودها نقش داشته باشند. ولتاژ فروشکست این‌گونه دیودها را «ولتاژ زنر» نیز می‌نامند و با v z نشان می‌دهند.
مقدار ولتاژ فروشکست در دیود زنر به میزان چگالی ناخالصی بستگی دارد. با افزایش چگالی ناخالصی، ولتاژ فروشکست دیود کاهش می‌یابد. دیودهای زنر تجاری، با ولتاژ زنر از ۲،۴ تا ۲۰۰ ولت و تا توان‌های حدود ۱۰۰وات ساخته می‌شوند.
چون دیود زنر باید به صورت معکوس بایاس شود، کاتد آن به قطب مثبت منبع ولتاژ و آند آن به قطب منفی وصل می‌شود. در این صورت، جهت جریان از کاتد به آند خواهد بود. معمولا کارخانه سازنده یک جریان کمینه I k و یک جریان بیشینه مشخص می‌سازد که تغییرهای جریان دیود زنر باید به آن محدود شوند. قابل توجه است که مشخصه دیود زنر در حالت بایاس مستقیم، مشابه دیودهای معمولی است. از دیود زنر، جهت تثبیت ولتاژ در تنظیم‌کنندههای ولتاژ استفاده می‌شود.
دیود خازنی (واراکتور)
هرگاه یک پیوند P-N به صورت معکوس بایاس شود، در حوالی پیوند یک ناحیه تهی یا بار فضایی متشکل از بارهای ساکن مثبت در طرف N و بارهای ساکن منفی در طرف P پدید می‌آید. با توجه به اینکه در ناحیه‌های خنثای P و N، حامل‌های بار الکتریکی، آزادند و همانند رسانا عمل می‌کنند، می‌توان پیوند P-N را در این حالت به صورت خازنی مدلسازی کرد که در آن، ناحیه‌های خنثی همانند دو صفحه خازن، ناحیه تهی (همانند عایق) را در میان گرفته‌اند.
در رابطه فوق C، ظرفیت خازن ناحیه تهی؛ A، سطح مقطع پیوند؛  (اپسیلون)، ضریب دی الکتریک ناحیه تهی که بستگی به جنس بلور و شیوه توزیع بار در این ناحیه دارد؛ و W، عرض ناحیه تهی می‌باشد. چون عرض ناحیه تهی با افزایش ولتاژ معکوس پیوند تغییر می‌کند، بنابراین خازن پیوند را می‌توان به عنوان یک خازن متغیر با ولتاژ لحاظ کرد.
ناگفته نماند که وقتی از رابطه مزبور برای محاسبه ظرفیت خازنی استفاده می‌کنیم، درحقیقت فرض یکنواخت بودن میدان در عایق را پذیرفته‌ایم. می‌توان نشان داد که برای یک پیوند P-N با چگالی ناخالصی یکنواخت، ظرفیت خازنی ناحیه تهی با ولتاژ معکوس دو سر دیود، به صورت زیر ارتباط دارد.
در این رابطه V 0 اختلاف پتانسیل تماس پیوند است و
ظرفیت خازنی دیودهای معمولی در حدود چند پیکوفاراد است. دیودهایی که برای استفاده به عنوان یک خازن متغیر منحصرا ساخته می‌شوند به «دیود خازنی» یا «دیود ورکتور» مشهورند. این‌گونه دیودها همیشه به صورت معکوس بایاس می‌شوند.
دیودهای خازنی معمولا از جنس سیلیکون و برای ظرفیت‌های نامی تا 2500pf ساخته می‌شوند. از دیود خازنی برای تنظیم ولتاژ مدارهای تشدید LC در نوسانگرها استفاده می‌شود.
دیود دالانه‌ای
تفاوت اساسی ساختمان «دیود دالانه‌ای» با دیودهای معمولی در چگالی بسیار بالای ناخالصی در نیمه‌رساناهای نوع P و N به‌کاررفته در آن است.
چون عرض ناحیه تهی با چگالی ناخالصی، نسبت عکس دارد؛ بنابراین در دیود دالانه‌ای، عرض ناحیه تهی بسیار کمست و درحدود ۰،۰۱ دیودهای معمولی می‌باشد. این دیود در ولتاژهای معکوس و ولتاژهای مستقیم کوچک، دارای مقاومت بسیار کوچکی است. از ویژگی‌های بارز دیود دالانه‌ای، داشتن مقاومت منفی در بخشی از مشخصه‌اش می‌باشد. از ویژگی‌های دیود دالانه‌ای می‌توان قیمت ارزان، اغتشاش کم، سرعت زیاد و توان مصرفی کم آن را نام برد.
دیود نورگسیل (LED)
دیودهای نورگسیل معمولا از بلور نیمرسانا گالیم-آرسنیک ساخته می‌شوند. در بایاس مستقیم به دلیل ترکیب الکترون و حفره‌ها در لایه سد، نور تولید می‌شود؛ بنابراین لایه سد در این دیودها به منظور خروج نور نمی‌پوشانند. در بلور گالیم آرسنیک، بازده بازترکیب الکترون آزاد و حفره بسیار بیشتر از بلورهای سیلیکون یا ژرمانیم است. نکته دیگر در مورد این بلور آنست که آزاد شدن انرژی در هر بازترکیب، به صورت تابش یک فوتون نوری است. در بلورهای سیلیکون و ژرمانیوم، این انرژی بشکل گرما تلف می‌شود و به نور تبدیل نمی‌شود.
مشخصه دیودهای نورگسیل، مشابه دیودهای معمولی است. تنها تفاوت در ولتاژ آستانه رسانش است که در دیودهای نورگسیل فروسرخ تا سبز، مقدار آن از ۱،۴ تا ۲،۹ ولت تغییر می‌کند. دیودهای نورگسیل، بشکل مستقیم بایاس می‌شوند. با افزایش جریان مستقیم، تولید فوتون‌های نوری زیادتر می‌شود و در نتیجه شدت نور تابشی افزایش می‌یابد.
امروزه دیودهای نورگسیل برای نورهای قرمز، زرد، سبز، آبی و فروسرخ ساخته شده‌اند. دیودهای نورگسیل در نمایشگرهای رقمی برای نمایش عددها یا حرف‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله موردهای مهم کاربرد دیودهای نورگسیل فروسرخ، مخابرات تار نوری است.
دیود نوری
در این نوع دیود، جریان اشباع معکوس تقریبا متناسب با شدت نور تابیده به سطح آن می‌باشد. این‌گونه دیود در واقع یک پیوند P-N معمولی است که داخل یک پوشش پلاستیکی که یک طرف آن شفاف می‌باشد قرار گرفته‌است.
دیود نوری به صورت معکوس بایاس می‌شود. با تابش فوتون‌های نوری به محل پیوند و جذب این فوتون‌ها توسط الکترون‌های پیوندهای کوالانسی اتم‌های نیمرسانا، به تعداد حامل‌های اقلیت افزوده می‌شود و جریان این حامل‌ها تشدید می‌شود. معمولا مشخصه جریان-ولتاژ دیودهای نوری توسط کارخانه سازنده داده می‌شود. در این مشخصه‌ها تغییرهای جریان معکوس دیود برحسب ولتاژ معکوس دو سر آن به ازای مقدارهای گوناگون شار نوری نمایانده می‌شوند.
دیود‌گان
این دیود در اسیلاتورهای فرکانس بالا (مایکروویو) بکار می‌رود.
کاربرد
مهم‌ترین کاربرد عملی دیود، تبدیل جریان الکتریکی متناوب به مستقیم است. در بسیاری از آداپتورها جریان برقی که به‌وسیله ترانسفورماتور کاهش یافته‌است به کمک یک دیود (یکسوسازی نیم‌موج)، دو دیود (در ترانسفورماتور با ثانویه سه‌سر) یکسوسازی تمام‌موج یا با چهار دیود (در ترانسفورماتور با ثانویه دوسر) یکسوسازی تمام‌موج انجام می‌شود.
توجه داشته باشید که ولتاژ یکسو پس از این دیودها، بسامد ریپل به میزان دوبرابر فرکانس متناوب (در حالت تمام‌موج) را دارد و جهت مستقیم شدن کامل ولتاژ بایستی خازن صافی با ولتاژ مجاز، ظرفیت بالا (با توجه به مقدار جریان مصرفی) و با رعایت قطبیت و پس از پل-دیود نصب شود.
در گیرنده‌های AM مانند رادیو، دیود نقش آشکارساز را دارد چنان‌که فرکانس میانی پس از تقویت در بخش تقویت‌کننده فرکانس میانی، وارد یک دیود می‌شود و خروجی آن سیگنال نهایی قابل استفاده است. گرچه معمولا به جای دیود از ترانزیستور استفاده می‌شود تا یک طبقه تقویت صورت گرفته باشد و دیود بیس-امیتر ترانزیستور کار آشکارسازی را هم عملا انجام خواهد داد.
در موردهای خاص، هنگامی که برای روشن کردن وسیله‌های الکتریکی تنها دسترسی به جریان الکتریکی مستقیم باشد برای جلوگیری از سوختن وسیله الکتریکی بر اثر اتصال معکوس سیم مثبت و منفی، از یک دیود در ابتدای مسیر جریان برق استفاده می‌کنند. اگر این دیود در مسیر مثبت جریان با مصرف‌کننده در حالت سری باشد به آن دیود یکسوساز می‌گویند؛ ولی اگر به صورت موازی با مصرف‌کننده و بشکل معکوس قرار گرفته باشد به آن «دیود محافظ در بایاس معکوس» می‌گویند.
از نوعی دیود به نام «زنر» در ساخت نوعی تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده می‌شود.
مقادیر حد در دیود
در کاربرد دیودها نیز همانند سایر تجهیزات الکترونیکی با محدودیت‌هایی مواجه می‌باشیم. آشنایی با این محدودیت‌ها طراح را در گزینش دیودی که بتواند شرایط ملزوم مدار دلخواهش را برآورده سازد، یاری می‌کند. از محدودیت‌های عمده دیود، «بیشینه جریان»، «بیشینه ولتاژ»، «بیشینه توان اتلاف‌پذیر» و «سرعت قطع و وصل» آن را می‌توان نام برد که در ادامه به شرح آن‌ها می‌پردازیم.
بیشینه جریان و ولتاژ دیود
بیشینه جریانی که دیود می‌تواند از خود بگذراند، به جنس و سطح مقطع دیود بستگی دارد و معمولا کارخانه سازنده بیشینه جریان مستقیم و بیشینه جریان معکوس دیود را مشخص می‌کند. همچنین بیشینه ولتاژ مستقیم و معکوس دیود توسط سازنده داده می‌شود. باید توجه داشت که مقدارهای داده‌شده مربوط به دمای اتاق برای بدنه دیود می‌باشند.
بیشینه توان اتلاف‌پذیر دیود
از جمله عامل‌هایی که می‌توانند باعث خرابی قطعات الکترونیکی شود، بالا رفتن دما از یک حد مجاز است. در افزاره‌های مقاومتی، چنان‌که می‌دانیم توان مصرفی به صورت حرارت ظاهر می‌شود که باید بنحو مناسبی با محیط پیرامون مبادله شود. هرچه تبادل حرارت با محیط شدیدتر باشد، مشکل‌های ناشی از افزایش دما کمتر می‌شود. افزاره‌هایی که دارای سطح خارجی بزرگتری‌اند، بهتر می‌توانند این تبادل حرارتی را انجام دهند. به همین دلیل، مقاومت (قطعه الکتریکی)‌ها یا دیودهایی که توان نامی بزرگ‌تری دارند در حجم‌های فیزیکی بزرگ‌تری ساخته می‌شوند.
همچنین جنس ماده‌هایی که در ساختمان افزاره بکار می‌روند، در این امر تاثیر بسزایی دارد. در دیودهای پیوندی، افزایش بیش از حد دما می‌تواند باعث تغییر خواص بلور از قبیل تغییر ni, u، p و … گردد، یا بعلت یکنواخت نبودن ضریب انبساط حرارتی تغییرهای مکانیکی در ساختمان آن پدیدآورد. همچنین ذوب شدن لحیم‌هایی که در اتصال‌ها بکار رفته‌اند ممکن است باعث خرابی دیود شود. درحالیکه دیودهای ژرمانیوم بیشینه ۷۵ تا ۱۰۰ درجه سیلسیوس را می‌توانند تحمل کنند، دیودهای سیلیکون تا حدود ۲۰۰ درجه سیلسیوس قابل استفاده می‌باشند.
برای افزایش توانایی انتقال حرارت می‌توان از عامل‌های کمکی از قبیل گرماگیر، گذر مایعات و گذر جریان‌های هوا توسط پنکه استفاده شود. در هر صورت با توجه به وضعیت و شرایط نصب، هر دیود، توان بیشینه‌ای خواهد داشت که آن را با می‌نمایانند؛ بنابراین، ولتاژ و جریان مجاز دیود در رابطه زیر صدق می‌کند:
از آنجا که برای هر دیود توسط کارخانه سازنده داده می‌شود، می‌توان به کمک ترسیم در صفحه مختصه‌های ولتاژ-جریان دیود و با توجه به نامساوی بالا، ناحیه‌های مجاز تغییرهای جریان و ولتاژ دیود را مشخص کرد. در استفاده از دیودها، باید این نکته را در نظر داشت که توان که توسط کارخانه سازنده داده می‌شود، معمولا در دمای محیط ( ) است. با بالا رفتن دما، توان اتلاف‌پذیر نیز کاهش می‌یابد.
سرعت قطع و وصل دیود
در مدارهای کلید یا مدارهای منطقی معمولا با قطع و وصل دیود سروکار داریم. در این موردها باید به محدودیت سرعت قطع و وصل دیود توجه کرد و با توجه به بسامد قطع و وصل منظور، دیود مناسب را برگزید. معمولا دیودهای که با نام «uf» شروع می‌شوند، دیودهای با سرعت قطع و و صل بالا می‌باشند.
مشخصه‌های مهم دیود
از مشخصه‌های مهم دیود، مقدارهای حدی ولتاژ و جریان تحمل‌پذیر توسط آن می‌باشند که می‌توان آن‌ها را در کتابچه‌های فنی دیود یافت؛ از جمله:
جریان متوسط یا I f که بیشینه مقدار مجاز جریان در بایاس مستقیم است توسط آمپرسنج دی‌سی قابل اندازه‌گیری خواهد بود.
جریان بیشینه یا I M که بیشترین جریانی است که اگر با بازه‌های زمانی ۱۰میلی‌ثانیه‌ای به دیود اعمال گردد، به دیود آسیبی نخواهد رسید و می‌توان به آن بیشینه جریان تکراری نیز گفت.
بیشینه جریان لحظه‌ای غیر تکراری یا بیشینه جریانی است که دیود در بازه‌های زمانی کوتاه تنها برای یکبار می‌تواند تحمل کند.
بیشینه ولتاژ معکوس تکراری یا V RRM بیشینه ولتاژی است که در بایاس معکوس به دیود، آسیبی نخواهد رساند.
بیشینه ولتاژ معکوس غیر تکراری یا بیشینه ولتاژ لحظه‌ای قابل تحمل برای دیود در بایاس معکوس است.
دیود زنر
دیود شاتکی
دیود گسیل نور ارگانیک
دیود واراکتور