دیود چیست؟ انواع و کاربرد آن
دیود (Diode) از قطعات الکترونیکی پرکاربرد است که در مدارهای الکترونیکی به عنوان یکسوکننده، تنظیم کننده ولتاژ، سوئیچ، محدود کننده سیگنال، مدولاتور و دمدولاتور سیگنال و نوسان ساز استفاده می شوند.
دیود دارای دو الکترود به نام های آند و کاتد است. این قطعه الکترونیکی معمولا از مواد نیمه هادی مانند ژرمانیوم، سلنیوم و سیلیکون ساخته می شود. برخی از آنها نیز الکترودهای فلزی هستند که در خلاء یا در محفظه پر شده از گاز خالص در فشار کم قرار گرفته اند.
تقریبا در اکثر مدارهای الکتریکی قطعه دیود وجود دارد. این قطعه در کاربردهایی از جمله تبدیل نیرو، مدولاسیون رادیویی، مدارهای منطقی یا دیجیتالی، اندازه گیری پارامترهای فیزیکی مانند دما، نور و غیره ارائه می شود.
تقریبا اکثر افرادی که در حوزه علوم الکترونیک به فعالیت یا تحصیل مشغول هستند، با این قطعه آشنایی دارند. ما در این مقاله این قطعه را به صورت کامل توضیح خواهیم داد.
آنچه در این مطلب خواهید خواند:
کار دیود چیست؟
دیود Diode قطعه ای نیمه هادی است که اجازه می دهد، جریان الکتریکی فقط در یک جهت از آن عبور پیدا کند. به عبارت دیگر در یک جهت، مقاومت کم و در حد اتصال کوتاه است و جریان به راحتی عبور می کند؛ اما در جهت مخالف مقاومت بالایی وجود دارد که اجازه عبور جریان را نمی دهد.
به زبان ساده این قطعه را مانند شیر آبی در نظر بگیرید که به صورت یک طرفه است و جریان را فقط در یک جهت هدایت می کند.
اجزای اصلی و عملکرد دیود
دیود از دو ترمینال آند (+) و کاتد (-) تشکیل شده است. این قطعه الکترونیکی دارای دو بخش P و N می باشد. بخش P از یون های با بار مثبت تشکیل شده و به ترمینال آند متصل می گردد. بخش N نیز متشکل از یون های با بار منفی است که به قطب کاتد وصل می شود. جریان همواره از آند به سمت کاتد عبور پیدا می کند و مسیر جریان از کاتد به سمت آند مسدود می باشد.
پیوند P-N مرز بین ناحیه P و ناحیه N است. این پیوند، منطقه‌ای با بار الکتریکی خالص صفر ایجاد می‌کند که به آن ناحیه تخلیه (Depletion Region) گفته می‌شود.
انواع بایاس دیود
- بایاس مستقیم: زمانی که ولتاژی به دیود اعمال شود که قطب مثبت آن به ناحیه P و قطب منفی آن به ناحیه N متصل شود، حفره‌ها از ناحیه P به سمت پیوند P-N و الکترون‌ها از ناحیه N به سمت پیوند P-N حرکت می‌کنند. این باعث کاهش عرض ناحیه تخلیه و عبور جریان از دیود می‌شود.
- بایاس معکوس: زمانی که قطبیت ولتاژ اعمال شده به دیود برعکس شود، حفره‌ها و الکترون‌ها از پیوند P-N دور می‌شوند و عرض ناحیه تخلیه افزایش می‌یابد. در نتیجه، جریان بسیار کمی از دیود عبور می‌کند و عملاً دیود مانند یک عایق عمل می‌کند.
ساختار و ماهیت دیود
همان طور که در بالا گفتیم، دیود از یک ماده نیمه هادی مانند سیلیکون ساخته می شود. دو کریستال از یک ماده نیمه هادی با ناخالصی های مختلف در کنار هم قرار می گیرند. یکی از کریستال ها با ناخالصی پنج ظرفیتی و کریستال بعدی با ناخالصی سه ظرفیتی برای ساخت نیمه هادی های P و N مورد استفاده قرار می گیرند.
نیمه هادی های نوع P به صورت حفره هستند و نیمه هادی های نوع N حاوی الکترون یا بارهای منفی می باشند.
وقتی دو نیمه هادی P و N به یکدیگر اتصال پیدا می کنند، الکترون های آزاد از سمت N به سمت قسمت P و حفره های خالی از سمت P به سمت N حرکت می کنند.سپس در مرز این دو نیمه هادی الکترون ها با حفره ها ترکیب شده و خنثی می شوند که به این قسمت، منطقه تخلیه گفته می شود.
وقتی جریان الکتریسیته در دو سر قطعه برقرار شود، الکترون ها می توانند، سد را شکسته و وارد منطقه P شوند.
ولتاژ لازم برای غلبه الکترون ها بر ناحیه تخلیه، ولتاژ آستانه یا شکست نامیده می شود. این ولتاژ برای دیود های سیلیکون حدودا برابر با +0.7 ولت، ژرمانیوم برابر با +0.3 ولت و سلنیوم برابر با +1 ولت می باشد.
مقالات آموزشی برق و الکترونیک را از اینجا بخوانید.
دسته بندی انواع دیود
دیودها انواع مختلفی دارند مانند دیود معمولی، دیود زنر، دیود LED، دیود Schottky و … هر کدام کاربرد خاص خود را دارند و مشخصات فنی متفاوتی دارند. انواع دیود هایی که معمولا در بازار یافت شده و در مدارات استفاده می شوند، عبارتند از:
- دیود یکسوکننده: این نوع از قطعات دارای منطقه تخلیه بسیار بزرگ بوده و ظرفیت خازنی بسیار بالایی در جهت معکوس دارند. کاربرد آنها در یکسوسازی و تبدیل جریان AC به جریان DC است.
- دیود LED :LED ها چراغ های کوچکی هستند که از ماده کریستال مایع ساخته شده اند. بسته به نوع کریستال استفاده شده در LED، این چراغ ها نورهایی با رنگ های قرمز، آبی، سبز و … را از خود ساطع می کنند. LED ها نوری با طیف باریک و متمرکز و طول موج خاص را می تابانند.
- دیود زنر: زنرها که به قطعات شکست معکوس نیز معروف هستند، در شرایط بایاس معکوس نیز هدایت می شوند. شکست زنر در محدوده ولتاژ خاصی رخ می دهد. این قطعات به عنوان یک ولتاژ مرجع دقیق در مدارهای الکتریکی عمل می کنند. ولتاژ شکست در این قطعات عموما کمتر از 5 ولت است.
- فوتو دیود: این قطعات از مواد نیمه هادی مخصوص ساخته شده اند که نسبت به نور حساس بوده و معمولا در ارتباطات نوری و سلول های خورشیدی استفاده می شوند. آنها به عنوان گیرنده و فرستنده نور مادون قرمز (IR) و ماوراء بنفش (UV) در صنعت کاربرد وسیعی دارند.
- دیود شاتکی: این قطعات فاقد نیمه هادی P بوده و فقط شامل نیمه هادی N و فلز می باشند. آنها به دلیل این که فاقد پیوند خازنی هستند، دارای سرعت سوئیچینگ بسیار بالا و افت ولتاژ کم می باشند.
- دیود وارکتور: ظرفیت خازنی آن با ولتاژ اعمال شده تغییر می‌کند و در مدارهای تنظیم فرکانس استفاده می‌شود.
کاربرد دیود چیست؟
دیود ها به جریان اجازه می دهند که در یک جهت حرکت کند، بنابراین آنها برای کاربردهای زیر مناسب می باشند:
- گیت های منطقی یا مدارات دیجیتال با استفاده از دیود ها و سایر قطعات الکترونیکی طراحی می شوند.
- آنها می توانند، شکل موج سیگنال های اطلاعاتی یا مخابراتی را تغییر دهند. آنها پیک منفی یا پیک مثبت سیگنال را برای رسیدن به یک ولتاژ معین از بین می برند.
- دیود ها می توانند، برای اندازه گیری دما به کار برده شوند. آنها به دما حساس بوده و دچار افت ولتاژ می شوند. ضریب دمایی آنها منفی است و در دمای بالای 20 کلوین ثابت می مانند.
- انواع دیود به صورت گسترده ای به منظور دمدولاسیون دامنه سیگنال و تصحیح سیگنال رادیویی AM به کار می روند. دامنه سیگنال AM که برای ارتباطات صوتی استفاده می شود، دارای پیک های مثبت و منفی است. با دمدولاسیون پیک های منفی حذف شده و تنها موج مثبت سیگنال باقی می ماند. سپس امواج وارد تقویت کننده شده و در نهایت امواج صوتی تولید می شود.
- یکسوسازها متشکل از دیود هایی هستند که جایگزین کموتاتور شده و برای تبدیل سیگنال AC به DC به کار می روند.
- در دیودهای LED تولید نور یکی از کاربردهای دیود است.
برخی از مدارهای الکترونیکی دارای حساسیت بالایی به جهش های ولتاژ هستند. ولتاژ های بالا می توانند، در این مدارات بسیار آسیب رسان باشند. کاربرد دیود در مدارات الکترونیکی حساس، جلوگیری از جهش های ولتاژی ناخواسته است.
جمع بندی
دیود یک قطعه الکترونیکی نیمه‌رسانا است که اجازه عبور جریان الکتریکی را تنها در یک جهت می‌دهد. این ویژگی به دلیل ساختار پیوندی P-N در داخل دیود است. انواع مختلفی دارد که هر کدام کاربرد مخصوص خودش را دارد. دیودها در طیف گسترده‌ای از مدارهای الکترونیکی از جمله مدارهای یکسو کننده، مدارهای حفاظتی، مدارهای منطقی و … استفاده می‌شوند و در کل، دیود یک قطعه الکترونیکی ساده اما بسیار مهم است که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد. درک ساختار و عملکرد دیود به شما کمک می‌کند تا مدارهای الکترونیکی را بهتر تحلیل و طراحی کنید.
مقالات مرتبط:
سوالات متداول درباره دیود
منابع:
https://www.techtarget.com/whatis/definition/diode
https://www.theengineeringprojects.com/2018/05/introduction-to-diode.html
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.