دیودهای نیمه هادی به طور گسترده در الکترونیک و صنعت الکترونیک استفاده می شود. آنها هم به صورت مستقل و هم به عنوان پیوند p-n ترانزیستورها و بسیاری از وسایل دیگر استفاده می شوند. دیودها به عنوان یک جزء مجزا، بخش کلیدی بسیاری از مدارهای الکترونیکی هستند. آنها برنامه های بسیاری را پیدا می کنند، از برنامه های کاربردی کم توان گرفته تا یکسو کننده ها.
دیود چیست؟
ترجمه از یونانی، نام این عنصر الکترونیکی به معنای واقعی کلمه به معنای "دو پایانه" است. به آنها آند و کاتد می گویند. در یک مدار، جریان از آند به کاتد می گذرد. دیود نیمه هادی یک عنصر یک طرفه است و جریان جریان در جهت مخالف مسدود شده است.
اصل عملیات
دستگاه دیودهای نیمه هادی بسیار متفاوت است. به همین دلیل است که انواع مختلفی از آنها وجود دارد که هم از نظر ارزش اسمی و هم در عملکرد آنها متفاوت است. با این حال، در بیشتر موارد اصل اساسیعملکرد دیودهای نیمه هادی یکسان است. آنها حاوی یک اتصال p-n هستند که عملکرد اصلی آنها را فراهم می کند.
این اصطلاح معمولاً در رابطه با شکل استاندارد یک دیود استفاده می شود. در واقع، تقریباً برای هر نوع از آنها اعمال می شود. دیودها ستون فقرات صنعت الکترونیک مدرن را تشکیل می دهند. همه چیز - از عناصر ساده و ترانزیستورها گرفته تا ریزپردازنده های مدرن - بر پایه نیمه هادی ها است. اصل کار یک دیود نیمه هادی بر اساس ویژگی های نیمه هادی ها است. این فناوری مبتنی بر گروهی از مواد است که ورود ناخالصی‌ها به شبکه کریستالی آن، دستیابی به مناطقی را که سوراخ‌ها و الکترون‌ها حامل بار هستند، ممکن می‌سازد.
P-n-junction
دیود نوع p-n به این دلیل نام خود را گرفت که از یک اتصال p-n استفاده می کند که اجازه می دهد جریان فقط در یک جهت جریان یابد. این عنصر دارای ویژگی های دیگری است که به طور گسترده نیز مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، دیودهای نیمه هادی می توانند نور ساطع و تشخیص دهند، ظرفیت خازن را تغییر دهند و ولتاژ را تنظیم کنند.
P-n-junction یک ساختار نیمه هادی اساسی است. همانطور که از نام آن پیداست، این محل اتصال بین نواحی نوع p و n است. انتقال به حامل‌های بار اجازه می‌دهد فقط در یک جهت حرکت کنند، که برای مثال، تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم را ممکن می‌سازد.
دیودهای استاندارد معمولاً از سیلیکون ساخته می شوند، اگرچه ژرمانیوم و سایر مواد نیمه هادی نیز عمدتاً برای اهداف خاص استفاده می شوند.
ولت-مشخصه آمپر
دیود با منحنی جریان-ولتاژ مشخص می شود که می توان آن را به ۲ شاخه تقسیم کرد: جلو و عقب. در جهت مخالف، جریان نشتی نزدیک به 0 است، اما با افزایش ولتاژ به آرامی افزایش می یابد و با رسیدن به ولتاژ شکست، شروع به افزایش شدید می کند. در جهت رو به جلو، جریان با ولتاژ اعمال شده بالاتر از آستانه هدایت که 0.7 ولت برای دیودهای سیلیکونی و 0.4 ولت برای ژرمانیوم است، به سرعت افزایش می یابد. سلول هایی که از مواد مختلف استفاده می کنند دارای ویژگی های ولت آمپر و آستانه هدایت و ولتاژ شکست متفاوت هستند.
دیود p-n-junction را می توان به عنوان یک دستگاه سطح پایه در نظر گرفت. این به طور گسترده در بسیاری از کاربردها از مدارهای سیگنال و آشکارسازها گرفته تا محدود کننده ها یا سرکوبگرهای گذرا در سیم پیچ های القایی یا رله و یکسو کننده های توان بالا استفاده می شود.
ویژگی ها و پارامترها
مشخصات دیود داده های زیادی را ارائه می دهد. با این حال، توضیح دقیقی از آنچه که هستند همیشه در دسترس نیست. در زیر جزییات مشخصات و پارامترهای مختلف دیود آمده است که در مشخصات آورده شده است.
مواد نیمه هادی
مواد مورد استفاده در اتصالات p-n از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا بر بسیاری از ویژگی های اساسی دیودهای نیمه هادی تأثیر می گذارد. سیلیکون به دلیل راندمان بالا و هزینه تولید پایین بیشترین کاربرد را دارد. یکی دیگر که اغلب استفاده می شودعنصر ژرمانیوم است. مواد دیگر معمولاً در دیودهای مخصوص استفاده می شوند. انتخاب ماده نیمه هادی مهم است زیرا آستانه رسانایی را تعیین می کند - حدود 0.6 ولت برای سیلیکون و 0.3 ولت برای ژرمانیوم.
افت ولتاژ در حالت جریان مستقیم (U pr.)
هر مدار الکتریکی که از آن جریان عبور می کند باعث افت ولتاژ می شود، و این پارامتر یک دیود نیمه هادی از اهمیت زیادی برخوردار است، به ویژه برای یکسوسازی، زمانی که تلفات برق متناسب با U ave باشد. علاوه بر این، قطعات الکترونیکی اغلب نیاز به یک افت ولتاژ کوچک ایجاد کنید، زیرا سیگنال‌ها ممکن است ضعیف باشند، اما هنوز باید بر آن غلبه کنند.
این به دو دلیل اتفاق می افتد. اولین مورد در ماهیت پیوند p-n نهفته است و نتیجه یک ولتاژ آستانه هدایت است که به جریان اجازه عبور از لایه تخلیه را می دهد. مؤلفه دوم افت مقاومتی طبیعی است.
این نشانگر برای دیودهای یکسو کننده که می توانند جریان های زیادی را حمل کنند از اهمیت زیادی برخوردار است.
پیک ولتاژ معکوس (U arr. max)
این بالاترین ولتاژ معکوس است که یک دیود نیمه هادی می تواند تحمل کند. نباید از آن تجاوز کرد، در غیر این صورت ممکن است عنصر از کار بیفتد. این فقط ولتاژ RMS سیگنال ورودی نیست. هر مدار را باید بر اساس محاسن خود در نظر گرفت، اما برای یکسوساز نیمه موج ساده با خازن صاف کننده، به یاد داشته باشید که خازن ولتاژی برابر با پیک ورودی خواهد داشت.علامت. سپس دیود در جهت معکوس در معرض پیک سیگنال ورودی قرار می گیرد و بنابراین در این شرایط حداکثر ولتاژ معکوس برابر با مقدار پیک موج وجود خواهد داشت.
حداکثر جریان رو به جلو (U pr. max)
هنگام طراحی مدار الکتریکی، مطمئن شوید که از حداکثر سطوح جریان دیود تجاوز نکنید. با افزایش جریان، گرمای اضافی تولید می شود که باید حذف شود.
جریان نشتی (Irr.)
در یک دیود ایده آل، جریان معکوس نباید وجود داشته باشد. اما در اتصالات p-n واقعی به دلیل وجود حامل های بار اقلیت در نیمه هادی است. مقدار جریان نشتی به سه عامل بستگی دارد. بدیهی است که مهمترین آنها ولتاژ معکوس است. همچنین، جریان نشتی به دما بستگی دارد - با رشد آن، به طور قابل توجهی افزایش می یابد. علاوه بر این، بستگی زیادی به نوع مواد نیمه هادی دارد. از این نظر سیلیکون بسیار بهتر از ژرمانیوم است.
جریان نشتی در یک ولتاژ معکوس مشخص و یک دمای معین تعیین می شود. معمولاً بر حسب میکروآمپر (ΜA) یا پیکوآمپ (pA) مشخص می‌شود.
خازن انتقال
همه دیودهای نیمه هادی دارای ظرفیت اتصال هستند. منطقه تخلیه یک مانع دی الکتریک بین دو صفحه است که در لبه منطقه تخلیه و منطقه با حامل های بار اکثر تشکیل می شود. مقدار خازن واقعی به ولتاژ معکوس بستگی دارد که منجر به تغییر در منطقه انتقال می شود. افزایش آن باعث گسترش منطقه تخلیه و در نتیجه،ظرفیت را کاهش می دهد. این واقعیت در وارکتورها یا واریکاپ ها مورد استفاده قرار می گیرد، اما برای سایر کاربردها، به ویژه کاربردهای RF، این اثر باید به حداقل برسد. این پارامتر معمولاً در pF در یک ولتاژ مشخص مشخص می شود. دیودهای ویژه با مقاومت کم برای بسیاری از کاربردهای RF در دسترس هستند.
نوع مورد
بسته به هدف، دیودهای نیمه هادی در بسته بندی هایی با انواع و اشکال مختلف تولید می شوند. در برخی موارد، به ویژه هنگامی که در مدارهای پردازش سیگنال استفاده می شود، بسته یک عنصر کلیدی در تعیین ویژگی های کلی آن عنصر الکترونیکی است. در مدارهای قدرت که اتلاف گرما مهم است، پکیج می تواند بسیاری از پارامترهای کلی یک دیود را تعیین کند. دستگاه های با قدرت بالا باید قابلیت اتصال به هیت سینک را داشته باشند. اقلام کوچکتر را می توان در جعبه های سربی یا به عنوان دستگاه های نصب سطحی تولید کرد.
انواع دیود
گاهی اوقات آشنایی با طبقه بندی دیودهای نیمه هادی مفید است. با این حال، برخی از موارد ممکن است به چندین دسته تعلق داشته باشند.
دیود معکوس. اگرچه به طور گسترده ای مورد استفاده قرار نمی گیرد، اما یک نوع عنصر از نوع p-n است که در عملکرد خود بسیار شبیه به تونل است. دارای افت ولتاژ کم در حالت. یافته ها در آشکارسازها، یکسو کننده ها و سوئیچ های فرکانس بالا استفاده می شود.
دیود ترانزیت تزریق. شباهت زیادی با بهمن پریدن معمولی دارد. در ژنراتورهای مایکروویو و سیستم های هشدار استفاده می شود.
Diode Gun. این به نوع p-n تعلق ندارد، بلکه یک دستگاه نیمه هادی با دو پایانه است. معمولاً برای تولید و تبدیل سیگنال‌های مایکروویو در محدوده 1 تا 100 گیگاهرتز استفاده می‌شود.
ساطع نور یا LED یکی از محبوب ترین انواع قطعات الکترونیکی است. در بایاس رو به جلو، جریانی که از محل اتصال می گذرد باعث تابش نور می شود. آنها از نیمه هادی های ترکیبی (مانند آرسنید گالیم، فسفید گالیوم، فسفید ایندیم) استفاده می کنند و می توانند در رنگ های مختلف بدرخشند، اگرچه در ابتدا فقط به قرمز محدود می شدند. بسیاری از پیشرفت‌های جدید وجود دارند که نحوه عملکرد و تولید نمایشگرها را تغییر می‌دهند. OLED یک نمونه است.
فتودیود. برای تشخیص نور استفاده می شود. هنگامی که یک فوتون به یک اتصال p-n برخورد می کند، می تواند الکترون ها و حفره ها را ایجاد کند. فتودیودها معمولاً تحت شرایط بایاس معکوس کار می کنند، جایی که حتی جریان های کوچک تولید شده توسط نور به راحتی قابل تشخیص هستند. فتودیودها می توانند برای تولید برق استفاده شوند. گاهی اوقات از عناصر نوع پین به عنوان آشکارسازهای نوری استفاده می شود.
پین دیود. نام عنصر الکترونیکی به خوبی دستگاه یک دیود نیمه هادی را توصیف می کند. دارای نواحی استاندارد از نوع p و n است، اما یک ناحیه داخلی بدون ناخالصی بین آنها وجود دارد. این اثر افزایش مساحت منطقه تخلیه را دارد که می تواند برای سوئیچینگ و همچنین در فتودیودها و غیره مفید باشد.
پیوند استاندارد p-n را می توان به عنوان یک عادی در نظر گرفتیا نوع استاندارد دیودی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. آنها را می توان در RF یا سایر کاربردهای ولتاژ پایین، و همچنین یکسو کننده های ولتاژ بالا و قدرت بالا استفاده کرد.
دیودهای شاتکی. آنها افت ولتاژ رو به جلو کمتری نسبت به نیمه هادی های سیلیکونی استاندارد نوع p-n دارند. در جریان های کم، می تواند از 0.15 تا 0.4 ولت باشد و نه 0.6 ولت، مانند دیودهای سیلیکونی. برای انجام این کار، آنها به طور معمول ساخته نمی شوند - از یک تماس فلزی نیمه هادی استفاده می کنند. آنها به طور گسترده به عنوان محدود کننده، یکسو کننده و در تجهیزات رادیویی استفاده می شوند.
دیود با تجمع بار. این یک نوع دیود مایکروویو است که برای تولید و شکل دادن پالس ها در فرکانس های بسیار بالا استفاده می شود. عملکرد آن بر اساس یک مشخصه خاموش شدن بسیار سریع است.
دیود لیزر. با ساطع نور معمولی متفاوت است زیرا نور منسجمی تولید می کند. دیودهای لیزر در بسیاری از دستگاه ها، از درایوهای DVD و CD گرفته تا نشانگرهای لیزری استفاده می شوند. آنها بسیار ارزان تر از سایر انواع لیزر هستند، اما به طور قابل توجهی گران تر از LED ها هستند. آنها عمر مفید محدودی دارند.
دیود تونلی. اگرچه امروزه به طور گسترده ای مورد استفاده قرار نمی گیرد، اما قبلاً در تقویت کننده ها، نوسان سازها و دستگاه های سوئیچینگ، مدارهای زمان بندی اسیلوسکوپ استفاده می شد، زمانی که از سایر عناصر کارآمدتر بود.
Varactor یا Varicap. در بسیاری از دستگاه های RF استفاده می شود. برای این دیود، بایاس معکوس، عرض لایه تخلیه را بسته به ولتاژ اعمال شده تغییر می دهد. در این پیکربندی آن رابه عنوان یک خازن با یک منطقه تخلیه عمل می کند که به عنوان یک دی الکتریک عایق عمل می کند و صفحات تشکیل شده توسط مناطق رسانا. مورد استفاده در اسیلاتورهای کنترل ولتاژ و فیلترهای RF.
دیود زنر. این یک نوع بسیار مفید از دیود است زیرا ولتاژ مرجع پایداری را ارائه می دهد. به همین دلیل، دیود زنر در مقادیر زیادی استفاده می شود. تحت شرایط بایاس معکوس کار می کند و زمانی که به یک اختلاف پتانسیل معین رسید از بین می رود. اگر جریان توسط یک مقاومت محدود شود، این یک ولتاژ پایدار ایجاد می کند. به طور گسترده برای تثبیت منابع تغذیه استفاده می شود. 2 نوع شکست معکوس در دیودهای زنر وجود دارد: تجزیه زنر و یونیزاسیون ضربه.
بنابراین، انواع مختلف دیودهای نیمه هادی شامل عناصری برای کاربردهای کم توان و توان بالا، ساطع و تشخیص نور، با افت ولتاژ رو به جلو کم و ظرفیت خازنی متغیر است. علاوه بر این، انواع مختلفی وجود دارد که در فناوری مایکروویو استفاده می شود.
