دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌‌دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می‌‌دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی ، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود. از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می‌‌سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می‌شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.6 ولت میباشد.
ولتاژ معکوس
هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می‌‌کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی‌کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر میباشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تأثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمی‌گذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس بیش از آن شود دیود می‌‌سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می‌‌دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می‌شود.
دسته بندی دیود ها
در دسته بندی اصلی ، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می‌‌کنند، دیود های سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می‌‌روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می‌‌دهند، دیودهای یکسو کننده (Rectifiers) که برای یکسو سازی جریان های متناوب بکار برده میشوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالاخره دیودهای زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می‌شود.
اختراع دیود پلاستیکی (plastic diode)
محققان فیزیک دانشگاه اوهایو (Ohio State University) توانستند دیود تونل پلیمری اختراع کنند. این قطعه الکترونیکی منجر به ساخت نسل آینده حافظه‌های پلاستیکی کامپیوتری و چیپهای مدارات منطقی خواهد شد. این قطعات کم مصرف و انعطاف پذیر خواهند بود. ایده اصلی از سال 2003 که یک دانشجوی کارشناسی دانشگاه اوهایو ، سیتا اسار ، شروع به طراحی سلول خورشیدی پلاستیکی نمود بوجود آمد. تیم پژوهشی توسط پاول برگر (Paul Berger) ، پروفسور الکترونیک و مهندسی کامپیوتر و همچنین پروفسور فیزیک دانشگاه اوهایو رهبری می‌شود.
دیود چگونه کار می کند ؟ - انواع دیود
استفاده از دیود سیگنار در مدار رله برای جلوگیری ازایجاد ولتاژ های ناخواسته زیاد
در ادامه بحث لازم است قدری راجع به انواع دیود که در مطلب قبل به آنها اشاره کردیم داشته باشیم.
دیودهای سیگنال
این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنالهای ضعیف - معمولا" رادیویی - و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقیم آن 0.7 ولت است.
اما برخی از دیود های سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.
بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیوید خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.
از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد. هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن میتواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب میتواند این ولتاژ را خنثی کند. به شکل اول توجه کنید.
استفاده از دیود زنر برای تهیه ولتاژ ثابت
دیود های زنر
همانطور که قبلا" اشاره کردیم از این دیودها برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود. این نوع از دیود ها برای شکسته شدن با اطمینان در ولتاژ معکوس ساخته شده اند، بنابراین بدون ترس می توان آنها را در جهت معکوس بایاس کرد و از آنها برای تثبیت ولتاژ استفاده نمود. به هنگام استفاده از آنها معمولا" از یک مقاومت برای محدود کردن جریان بطور سری نیز استفاده می شود. به شکل نگاه کنید به این طریق شما یک ولتاژ رفرنس دقیق بدست آورده اید.
دیودهای زنر معمولا" با حروفی که در آنها Z وجود دارد نامگذاری می شوند مانند BZX یا BZY و ... و ولتاژ شکست آنها نیز معمولا" روی دیود نوشته می شود، مانند 4V7 که به معنی 4.7 ولت است. همچنین توان تحمل این دیود ها نیز معمولا" مشخص است و شما هنگام خرید باید آنرا به فروشنده بگویید، در بازار نوع 400mW و 1.3W آن بسیار رایج است.
نیمه هادیها –دیودها
در میان عناصر گروهی هستند که به فلز کامل ونه غیر فلز کامل هستند به همین ترتیب این عناصر نه رسانای خوب ونه رسانای خوب هسستند از اینرو به آنها نیمه رسانا یا نیمه هادی می گویند رسانائی این عناصر که در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارند با اندکی ناخالصی از عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی تقویت می شود.
عناصر چهارم (مانند سیلسیوم ویا یاژرمانیوم ) در لایه آخر خود 4الکترون دارند عناصر گروه پنجم (مانند آرسنیک ) وارد شود موجب تولید الکترونهای آزاد می شود به ماده حاصل نیمه هادی نوع N می گویند زیرا این الکترونها هستند که مسئولیت هادی بودن ماده را دارند اگر همین عمل با عناصر گروه 3مانند آلومینیوم یا گالیم تکرار شود حاصل یک نیمه هادی نوع Pاست که در این نوع مواد حفره ها الکترونی یا اصطلاحا بار مثبت مسئولیت هادی بودن ماده هستند .
از اتصال دونیمه رسانا P-n یک دیود یا یک سو کننده واز اتصال سه نیمه رسانا بصورتهای N-p-n,p-n-p تزانزیستور بدست می آید همانطور که در پی می آید از دیود برای امور مختلف تولید موج مادون قرمز دریافت آنها یکسو سازی یا نمایش اعداد استفاده می شود واز ترانزیستور برای یکسو سازی و تقویت جریانهای ضعیف استفاده می شود امروزه با پیدایش مدارات مجتمع دیودها و ترانزیستورها بصورت منفرد استفاده نمی شوند و بلکه تعداد زیادی (هزاران بلکه میلیونها) از آنها را بصورت مدارات منیاتوری در یک چیپ الکترونیکی بکار می روند .
با توجه به گستردگی بحث ترانزیستورها از ارائه توضیح بیشتر در این زمینه خودداری می شود ولی با توجه به اهمیت دیودها جزئیات بیشتری در مود آنها ذکر می شود اصولا دیودها به غیر از ایفای نقش به عنوان یک قطعه الکترونیکی که در مدارات بکار می رود بصورت مستقیم به عنوان یک بخش مستقل و اساسی دستگاهای طولیاب بکار می رود دیودها بیشتر در سیستمهای الکترواپتیکال به کار می روند.
دیودهای نیمه هادی : زمانیکه به دو سر یک دیود اختلاف پتانسیل اعمال می شود بسته به نحوه اتصال قطب مثبت ومنفی به بخش N,p در حالت تغذیه مستقیم و معکوس پیش می آید در تغذیه معکوس قطب منفی به بخش P که حاوی حفره الکترونیکی است وصل می شود و قطب مثبت به بخش N در نتیجه با جذب حفرها توسط قطب منفی و جذب الکترونها توسط قطب مثبت ،دیود پلاریزه شده و جریانی عبور داده نمی شود اما در تغذیه مستقیم دیود امکان عبور الکتریسته را میسر می سازد شکل 5-2 تغذیه مستقیم و معکوس را نشان می دهد .
دیودهای مولد اشعه مادون قرمز : در دستگاههای مادون قرمز از دیودهای خاصی استفاده می شود که ساختمان آنها اساسا همان پیوند مواد نیمه رسانای P-n است در این دیودها از نیمه هادی گالیم ارسناید (آرسنیک ) که با افزودن ناخاصیهای بدل به مواد P,n شده اند استفاده می شود علت تولید اشعه مادون قرمز ترکیب شدن الکترونهای لایه N با حفره های لایه P در محل تماس و آزاد شدن انرژی بصورت فوتون می باشد .
یکی از نخستین دستگاههای که از دیود گالیم آرسناید استفاده کرد دیستومات Di10 ساخت شرکت ویلد در سال1968 بود شکل 5-3 نمائی از چنین دیودهای را نشان می دهد استفاده از صمغ اپوکسی برفراز ناحیه نشر اشعه مادون قرمز باعث پلاریزه شدن نور و جبران پراکندگی زاویه فاز موج تولیدی است سرعت بالای این دیودها نسبت به تغییرات ولتاژ اعمال شده باعث می شود تا براحتی بتوان از طریق مدولاسیون مستقیم دامنه عمل مدولاسیون رابه انجام رساند مصرف اندک این دیودها نیز از دیگر مزایای آنهاست .
با گسترش تکنولوژی دیودهای نوری نوع دیگری از این دیودها موسوم به نمایشگرهای کریستال مایع کاربردی بیشتر یافته است مزیت بارز نمایشگرهای کریستال مایع توان معرفی ناچیز آنهاست اما همین امر برضعف آنها در زمینه عمر محدودتر و آسیب پذیری بیشتر نسبت به دیودهای نوری تفوق دارد نمایشگرهای کریستال مایع از خود نوری ایجاد نمی کند بلکه به یک منبع داخلی یا خارجی نور وابسته اند .
دیودهای آشکار ساز موج برگشتی :همانطور که مورد تاکید قرار گرفت دیودها در دستگاههای الکترواپتیکال کاربردی وسیعی دارند از دیودها همچنین برای آشکار سازی موج برگشتی نیز استفاده می شود دیودهای آشکار ساز شدت نور برگشتی را به شدت جریان متناوب تبدیل می کند .
برای این منظور از دیودهای نوری یا فتودیودهای سیلیکونی استفاده و یا فتودیودهای آوالاتشه سیلیکونی یا ای پی دی استفاده می شود نوع اول دارای ژرمانیوم نیز هست ولی نوع دوم اساسا سیلیکونی است و بعلت نسبت خوب سیگنال به نویز در طولیابهای برد کوتاه استفاده می شود ساختمان این دیودها با دیودهای ارسال تفاوت اساسی در مواد بکار رفته دارد .
راه دیگر آشکاری نور با استفاده از فتولوله ها یا فتوتوبهاست دراین لوله ها پس از برخورد نور به سطح آنها بعلت ماهیت فتو الکتریک آنها الکترون تولید می شود وبا استفاده از یک رشته قطبهای مثبت و منفی متوالی تعداد الکترونها تقویت می شود از اینرو به برخی از آنها فتو مولتی پلاریز می گویند شکل 5-5 نمائی ازیک فوتومولتی پلاریز را نشان می دهد .
با استفاده از دیودها با مقدار ناخالصی افزونتر و شدت جریان عبوری قویتر می توان به کمک این دیودها اشعه لیزری تولید کرد در مورد سیستم لیزر بیشتر از اشعه پالسی استفاده می شود تا موج پیوسته امروزه در سیستمهای لیزری بسته به مورد هرجا که امکان آن باشد بجای سیستمهای گازی لیزر از دیودهای تولید کننده اشعه لیزر استفاده می شود .
دیودهای نوری :اساس کار این دیود مانند دیود نوع قبل است در دیودهای گالیوم آرسناید انرژی تولیدی بیشتر بصورت حرارت (اشعه مادون قرمز) ودر دیودهای گالیوم فسفات یا گالیوم آرسناید فسفات بصورت نور مرئی است فرآیند ایجاد نور بوسله کاربرد منابع الکتریکی را الکترولومینانس نامیده می شود شکل 5-4 نمای یک دیود نوری یا Led را نشان می دهد.
امروزه دیودهای نوری با شکل ها ورنگهای مختلفی ساخته می شوند در شکل 5-4 همچنین یک دیود نوری مرکب از هفت دیود دیده می شود که به آن هفت قطعه یا سون مگمنت می گویند در واقع با وصل کردن ولتاژ مناسب به چند قطعه از این سون مگمنت می توان اعداد بین صفرتا9 را نشان داد در سیستمهای جدید برای نمایش طول اندازه گیری شده از مجموعه ای از چند سون مگمنت استفاده می شود طبعا کنترل نحوه روشن روشن شدن این دیودها توسط مدار منطقی و ریز پردازنده موسوم به واحد کنترل پردازش یا سی پی یو صورت می گیرد عمر دیودهای نوری به صد هزار ساعت می رسد .
دیود diode -یکسو کننده ها-ترانسفور ماتور- ترموستات ها.
دیود- همانطور که در مبحث الکتریسته گفتیم عناصر ژرمانیوم و سیلیکون در آخرین مدار یا لایه اتمی خود دارای 4 الکترون هستند که تمایل به جذب یا از دست دادن الکترون ها به منظور تکمیل مدار آخر خود تا رسیدن به 8 الکترون را دارند. با اضافه کردن مقدار کمی اتم نا خالصی به نیمه هادی مذکور امکان ازدیاد بار الکتریکی بوجود خواهد آمد مثلا" ترکیب اتم ژرمانیوم که دارای 4 الکترون در مدار خارجی می باشد با ارسنیک که 5 الکترون دارد پیوندهای مشترکی با یک الکترون اضافی برای هر اتم نا خالصی ارسنیک بوجود می آید در نتیجه جسم حاصل منفی ویا نیمه هادی نوع N حاصل می شود .برای حالت عکس هم به همین ترتیب است یعنی اگر مقداری ژرمانیوم را با مقداری گالیوم که دارای 3 الکترون در مدار خارجی است مخلوط کنیم بعد از تشکیل پیوند اشتراکی با اتم ناخالصی مجموعا" 7 الکترون به جای 8 الکترون در مدار خارجی بدست می آید. کمبود یک الکترون برای هر پیوند اشتراکی با اتم خالصی به منزله یک بار مثبت است که آن را حفره می نامند این نوع اضافه کردن باعث بوجود آمدن نیمه هادی نوع P با بار مثبت می شود . از نیمه هادی های ذکر شده در ساخت دیود استفاده می شود و دیود ها برای یکسو کردن جریان الکتریکی به کار می رود(یعنی تبدیل جریان ACبه DC ) دیود مثل یک جاده یک طرفه عمل کرده واز یک سو جریان را از خود عبور می دهد واز سوی دیگر نه.
یکسو کننده ها- برای شارژ باتری ها،آبکاری،جوشکاری بعضی فلزات ،دستگاه های صوتی وتصویری،تجزیه شیمیایی و ...احتیاج به جریان دایم Dc داریم وچون برق شهر متناوب است بنابراین در دستگاه های مختلف به روش های گوناگون جریان مذکور را مستقیم می کنند.لامپ الکترونی ،دینام جریان مستقیم ودیود ها از روش های معمول یکسو سازی می باشد که در این جا انواع یکسو سازی های دیودی که بیشتر مورد استفاده دارد شرح داده می شود.
یکسو ساز نیم موج - اگرولتاژ متناوبی را به دیودوصل کنیم هنگامی که نیم سیکل مثبت به آند می رسدازآن عبور می کند به مجرد اینکه نیم سیکل منفی شروع می شود دیود نیم سیکل منفی را از خود عبور نمی دهد.به این ترتیب ولتاژ متناوب تبدیل به ولتاژ یکسو شده ی ضربان دار می شود .در خروجی فقط نیم سیکل های مثبت وجود دارد برای صاف کردن این ولتاژ ضربانی از خازن وسیم پیچ یا مقاومت استفاده می شود .از مشخصه یک سو سازهای نیم موج افت ولتاژ و عدم کیفیت می باشد.