انواع دیود و کاربرد آن

دیود پیوند PN:
«دیود پیوند پی ان » (PN Junction Diode) از مواد نیمه هادی ساخته می شود. این نوع دیود شامل دو لایه نیمه هادی است که یک لایه آن با ماده نوع P و لایه دیگر آن با ماده نوع N آلاییده شده است. دلیل نام گذاری این دیود، ترکیب این دو لایه و ایجاد پیوندی به نام پیوند PN است.

این نوع دیودها به دلیل عبور جریان در جهت مستقیم و مسدود کردن آن در جهت معکوس، به عنوان دیود یکسوکننده شناخته شده و برای یکسوسازی مورد استفاده قرار می گیرند. انواع مختلفی از دیودها وجود دارند که در ساخت آن ها از پیوند PN با تراکم آلایش متفاوت استفاده می شود. در ادامه در مورد این نوع دیودها بحث خواهیم کرد.

دیود سیگنال کوچک:
«دیود سیگنال کوچک» (Small Signal Diode) یک نوع دیود پیوند PN است که در سیگنال های ولتاژ پایین کار می کند. از آنجایی که ناحیه پیوند این دیود بسیار کوچک است، این پیوند ظرفیت خازنی کمتر و ظرفیت ذخیره بار پایینی دارد. این ویژگی، دیود سیگنال کوچک را قادر می سازد تا سرعت سوئیچینگ بالا و زمان بازیابی بسیار سریعی داشته باشد. نقاط ضعف این دیود، جریان و ولتاژ پایین است. این نوع دیودها به دلیل سرعت سوئیچینگ بالا در مدارهایی با فرکانس بالا به کار می روند.

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 رایج ترین و پرکاربردترین نوع دیود است. دیودهای یکسوکننده در تبدیل AC به DC (یکسوسازی) مورد استفاده قرار می گیرند و قادرند جریان قوی را تحمل کنند.

دیود شاتکی:
«دیود شاتکی» (Schottky Diode) از پیوندی کوچک بین یک نیمه هادی نوع N و یک فلز تشکیل شده (پیوند PN ندارد) و به افتخار فیزیکدان آلمانی «والتر شاتکی» (Walter H. Schottky) نام گذاری شده است.

از نقاط قوت دیود شاتکی می توان 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 می کند.

دیود نورافشان (LED):
«دیود نورافشان» (Light Emitting Diode) یا LED یک نوع دیود پیوند PN است که در شرایط بایاس مستقیم نور منتشر می کند.

این دیود از یک نیمه هادی باند مستقیم ساخته می شود و انرژی الکتریکی را به انرژی نورانی تبدیل می کند. هنگامی که حامل های بار (الکترون ها) از سد عبور می کنند و با حفره های الکترونی در طرف دیگر بازترکیب می شوند، ذرات فوتون (نور) منتشر می کنند. رنگ نور منتشرشده به گاف انرژی نیمه هادی بستگی دارد.

فتودیود:
«فتودیود» (Photodiode) یک دیود پیوند PN است که برخلاف دیود نورافشان انرژی نورانی را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. این نوع دیود در شرایط بایاس معکوس مورد استفاده قرار می گیرد و می توان آن را در سلول های خورشیدی به کار برد.

از آنجایی که هر دیود نیمه هادی تحت تأثیر حامل های بار نوری قرار می گیرد، آن ها را در ماده ای بسته بندی می کنند که نور را مسدود کند. البته، در این نوع دیود دریچه مخصوصی وجود دارد که به نور اجازه ورود به قسمت حساس آن را می دهد.

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

دیود لیزری:
«دیود لیزری» (Laser Diode) مانند دیود نورافشان انرژی الکتریکی را به انرژی نورانی تبدیل می کند. البته این نوع دیود برخلاف دیود نورافشان نور همدوس تولید می کند. این دیود دارای یک پیوند PIN است که در آن الکترون و حفره ها در ناحیه ذاتی (I) با هم ترکیب می شوند و پرتو لیزری تولید می کنند.

دیودهای لیزری در مخابرات نوری، اشاره گرهای لیزری، درایوهای CD، چاپگرهای لیزری و… به کار می روند.

دیود تونلی:
«دیود تونلی» (Tunnel Diode) توسط «لئو ایساکی» (Leo Esaki) در سال 1958 ابداع شد و در رابطه با آن نیز در سال 1973 جایزه نوبل دریافت کرد. به همین دلیل، این دیود را دیود ایساکی نیز می نامند.

دیود تونلی یک دیود پیوند PN ببسیار آلاییده است که براساس اصل اثر تونل زنی کار می کند. در این نوع دیود، به علت تراکم آلایش زیاد، سد پیوند بسیار نازک می شود و به الکترون اجازه می دهد تا به آسانی از سد بگریزد. این پدیده به عنوان اثر تونل زنی شناخته می شود.

در نمودار VI دیود تونلی ناحیه ای وجود دارد که در آن با زیاد شدن ولتاژ، جریان کاهش می یابد. این ناحیه، ناحیه مقاومت منفی نامیده می شود. دیود تونلی در این ناحیه به منظور کاربردهای گوناگونی از قبیل اسیلاتور و تقویت کننده مایکروویو کار می کند. از جمله ویژگی های 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 نام گذاری 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 می دهد.

دیود زنر در بایاس مستقیم، مانند یک دیود پیوند PN ساده (یکسوکننده) عمل می کند ولی در بایاس معکوس، تا زمانی که ولتاژ معکوس به ولتاژ شکست (یا ولتاژ زنر) برسد، جریان را مسدود می کند و پس از آن، با افت ولتاژ ثابت به جریان اجازه جاری شدن می دهد.

شکست معکوس زنر به دو دلیل ایجاد می شود: تونل زنی کوانتومی الکترون و «شکست بهمنی» (Avalanche Breakdown). دیود زنر ولتاژ ثابتی برای حفاظت مدارها در برابر اضافه ولتاژ فراهم می کند و اساساً در شرایط بایاس معکوس مورد استفاده قرار می گیرد.

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 می کند اما اثر تونل زنی 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 نمی گیرد، اما می توان آن را برای یکسوسازی یک سیگنال ولتاژ کوچک (0٫1 تا 0٫6 ولت) به کار برد. این دیود به دلیل سرعت سوئیچینگ بالا، می تواند به عنوان یک سوئیچ در ضرب کننده و میکسر RF استفاده شود.

دیود بهمنی:
«دیود بهمنی» (Avalanche Diode) یک دیود پیوند PN است که به طور ویژه برای عمل کردن در ناحیه شکست بهمنی طراحی شده است. شکست بهمنی پدیده ای است که در آن ولتاژ معکوس کافی به پیوند PN اعمال می شود. به همین دلیل، حامل های اقلیت یونش ایجاد کرده و شروع به شارش جریان قوی در جهت معکوس می کنند.

دیود بهمنی از نظر الکتریکی مانند دیود زنر عمل می کند، اما تراکم آلایش آن در مقایسه با دیود زنر نسبتاً کمتر است. آلایش زیاد در داخل دیود زنر پیوند کوچکی ایجاد می کند، به گونه ای که ولتاژهای پایین می توانند 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 می شود که این دیود در مقایسه با دیود زنر ساده، محافظت بهتری در برابر نوسان برق داشته باشد.

دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا:
«دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا» (Transient Voltage Suppression) یا دیود TVS یک نوع دیود بهمنی است که از مدار در برابر نوسانات ولتاژ زیاد محافظت می کند. دیود TVS در مقایسه با دیود بهمنی ظرفیت نگه داشتن ولتاژ های بالا را دارد.

عملکرد دیود یک طرفه TVS شبیه دیود بهمنی است. این دیود به عنوان یک یکسوکننده در بایاس مستقیم و محافظ نوسانی در بایاس معکوس عمل می کند. عملکرد دیود دوطرفه TVS نیز مانند دو دیود بهمنی است که مخالف یکدیگر و به صورت سری بسته شده اند. این دیود به صورت تک جزئی ساخته می شود و به دو روش عمل می کند. هنگامی که به صورت موازی با یک مدار بسته می شود، حفاظت نوسانی ایجاد می کند.

دیود آلاییده شده با طلا:
در این نوع دیود از طلا یا پلاتینیوم به عنوان آلاینده (ماده ناخالصی) استفاده می شود. این آلایش دیود را قادر می سازد تا در سرعت سوئیچینگ بالا همراه با افزایش افت ولتاژ مستقیم عمل کند. جریان نشتی معکوس این دیود نسبت به دیود پیوند PN معمولی بالاتر است.

دیود جریان ثابت:
«دیود جریان ثابت» (Constant Current Diode) یا دیود محدودکننده جریان (CLD) یک دیود دوسر است که از ترانزیستور پیوندی اثر میدان (JFET) ساخته می شود و شار جریان را از طریق آن تا مقدار ثابتی تنظیم می کند.

CLD با ایجاد اتصال کوتاه بین گیت و منبع JFET ساخته می شود و درست مانند دیود زنر که ولتاژ را محدود می کند، جریان را محدود می سازد.

دیود بازسازی پله ای:
«دیود بازسازی پله ای» (Step Recovery Diode) یا SRD یک دیود پیوند PN است که شار جریان را هنگام معکوس شدن جهتش به طور ناگهانی متوقف می کند.

از آنجا که این دیود از یک پیوند PN با تراکم آلایش بسیار پایین در نزدیکی پیوند ساخته می شود، تعداد حامل های بار (الکترون و حفره ها) نزدیک پیوند کاهش یافته و ظرفیت ذخیره بار در آنجا ناچیز می شود. این ویژگی، دیود بازسازی پله ای 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 می شود. به همین دلیل، سوئیچینگ دیود معمولی مدتی زمان می برد. اما دیود SRD به دلیل ذخیره نکردن بار می تواند 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 خنک کننده یک طرف دیود، به طرف دیگر آن در یک جهت جریان می یابد.

این دیود در ریزپردازنده برای کنترل گرمایی و در یخچال ها برای اثر خنک کنندگی به کار می رود.

دیود خلأ:
«دیود خلأ» (Vacuum Diode) ساده ترین شکل یک دیود است که از یک لامپ خلأ و دو الکترود (کاتد و آند) که در داخل لامپ خلأ محصور شده اند، ساخته شده است. با گرم شدن تدریجی کاتد، آند الکترون های ارسال شده از کاتد را دریافت کرده و جریان جاری می شود. کاتد می تواند به طور مستقیم یا غیرمستقیم گرم شود.

در بایاس مستقیم، الکترون های آزاد روی کاتد پس از گرم شدن، در خلأ رها شده و توسط آند جمع آوری می-شوند. بنابراین، در این حالت، جریان جاری خواهد شد. در بایاس معکوس، به دلیل اتصال آند به پایانه منفی، الکترون های آزاد در خلأ (توسط آند) دفع می شوند. از این رو، در این حالت جریان جاری نمی شود.

دیود خازنی:
«دیود خازنی» (Varactor Diode)، خازن های کنترل شده با ولتاژ هستند. آن ها پیوند PN و ظرفیت خازنی پیوند متغیری دارند. دیودهای خازنی تحت شرایط بایاس معکوس عمل می کنند و در اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در حلقه قفل فاز، فیلترهای تنظیم RF و ضرب کننده های فرکانس به کار می روند. لایه تخلیه بین ماده نوع P و N در این دیود با تغییر ولتاژ معکوس تغییر می کند.

ظرفیت خازنی پیوند تمام دیودها با ولتاژ معکوس تغییر می یابد 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 می شود، 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، نام گذاری شده است.

دیود گان پیوند PN ندارد و تنها شامل ماده نوع N است. در نتیجه، AC را یکسو نمی کند (شبیه یک دیود معمولی عمل نمی کند). به همین دلیل، بسیاری از افراد آن را به جای دیود، المان الکترون انتقال یافته می نامند. این دیود شامل سه لایه نوع N است. دو لایه ای که در طرفین و در دو سر دیود قرار دارند، تراکم آلایش بیشتری دارند اما لایه نازک وسط تراکم آلایش کمتری دارد.

هنگامی که ولتاژ به دیود گان اعمال می شود، ابتدا جریانش با افزایش ولتاژ افزایش می یابد. در ولتاژ بالاتر، مقاومت لایه وسط همراه با ولتاژ شروع به افزایش می کند و منجر به افت شار جریان می شود. بنابراین، دیود گان یک ناحیه مقاومت منفی دارد و در این ناحیه کار می کند. دیود گان در یک اسیلاتور برای تولید مایکروویوهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

دیود پین:
«دیود پین» (PIN Diode) یک دیود سه لایه (p، I و N) است. لایه نیمه هادی ذاتی I بین نیمه هادی بسیار آلاییده نوع P و N قرار دارد. الکترون و حفره ها به ترتیب از ناحیه نوع N و P به ناحیه ذاتی I جریان می یابند. به محض اینکه ناحیه I با الکترون و حفره ها کاملاً پر شد، دیود شروع به رسانش می کند. در بایاس معکوس، لایه ذاتی وسیع دیود می تواند ولتاژهای معکوس بالا را مسدود و تحمل کند.

در فرکانس بالاتر، دیود پین به عنوان یک مقاومت خطی عمل می کند. به همین دلیل، این دیود زمان بازیابی معکوس ناچیزی دارد. دلیل آن این است که ناحیه بسیار باردار I در طول چرخه های سریع زمان کافی برای تخلیه به دست نمی آورد. البته این دیود در فرکانس پایین، مانند یک دیود یکسوکننده عمل می کند، زیرا برای تخلیه زمان کافی به دست می آورد و در طول چرخه قطع می شود.

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

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

یکسوساز کنترل شده با سیلیکون:
«یکسوساز کنترل شده با سیلیکون» (Silicon Controlled Rectifier) یا SCR یک قطعه سوئیچینگ نیمه-هادی چهار لایه (P-N-P-N) است که سه سر (آند، کاتد و گیت) دارد. SCR در اصل یک دیود با یک ورودی کنترل خارجی است که به عنوان ورودی گیت شناخته می شود و امکان جاری شدن جریان را در یک جهت می دهد.

هنگامی که SCR در بایاس مستقیم متصل می شود، هنوز اجازه جاری شدن جریان را نمی دهد. این ویژگی به عنوان مد مسدودسازی مستقیم شناخته می شود. 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 نمی دهد. اما اگر ولتاژ معکوس به ولتاژ شکست معکوس برسد، SCR به علت پدیده بهمنی شروع به رسانش می کند. SCR برای کنترل مدارهای توان بالا و یکسوسازی AC توان بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

دیود شاکلی:
«دیود شاکلی» (Shockley Diode) یک دیود چهار لایه PNPN است. این دیود مانند SCR است، اما ورودی کنترل یا گیت ندارد. دیود شاکلی به محض اینکه به حالت ON و OFF برگردانده شود، تمایل به ماندن در آن حالت ها را خواهد داشت.

همان طور که می دانیم، 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 می شود.

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 نقطه ای» (Point Contact Diode) که به عنوان «دیود سبیل گربه ایK (Cat Whisker Diode) یا «دیود کریستالی» (Crystal Diode) شناخته می شود، دیودی است که در آن یک پیوند نقطه ای کوچک بین یک سیم فلزی و کریستال نیمه هادی نوع N شکل می گیرد.

سبیل گربه یک سیم فنری نازک است که از فسفر برنز یا تنگستن ساخته می شود و یک پیوند اتصال نقطه ای با یک نیمه هادی نوع N ایجاد می کند، از این رو، آن را دیود اتصال نقطه ای می نامند. 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 می کند.

هنگام ساخت، عبور جریان نسبتاً زیاد از سیم سبیل گربه منجر به تشکیل یک ناحیه P کوچک روی نیمه هادی نوع N می شود.

این پیوند کوچک مانند پیوند PN عمل می کند. دیودهای اتصال نقطه ای برای سیگنال ولتاژ پایین و در میکسر مایکروویو و آشکارسازها استفاده می شوند. آن ها جزء رایج ترین نوع دیودها هستند که در طراحی و عملکرد مدارهای الکترونیکی به کار می روند.