دیود چگونه کار می کند؟

منحنی رفتار یک دیود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت
اگر به یک پیوند PN ولتاژ با پلاریته موافق متصل کنیم جریان از این پیوند عبور کرده و اگر ولتاژ را معکوس کنیم در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهد. باید اشاره کنیم که قصد نداریم تا به تفضیل وارد بحث فیزیک الکترونیک شویم و فقط سعی خواهیم کرد با بیان نتایج حاصل از این شاخه علمی ابتدا عملکرد دیود و سپس ترانزیستور را بررسی کنیم.

همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند. 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 می سازد 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 می شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت می باشد. به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت – منظور جهت درست می باشد – تا قبل از ۰٫۷ ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد.

نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید
اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و – به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معروف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.
در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود

اطلاعات اولیه
سیلیکن یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن Si و عدد اتمی آن ۱۴ می‌باشد. این شبه فلز ۴ ظرفیتی به واکنش‌پذیری کربن نیست. این عنصر دومین عنصر از نظر فراوانی در سطح پوسته زمین است که ۲۵٫۷% از وزن آن را به خود اختصاص می‌دهد. این عنصر در خاک رس ، فلدسپار ، گرانیت ، کوارتز و ماسه معمولا به شکل دی‌اکسید سیلیکن وجود دارد که با عنوان سیلیکا شناخته می‌شود. ترکیبات سیلیکاتی حاوی سیلیکن ، اکسیژن و فلزات هستند. سیلیکن ماده اصلی شیشه ، ماده‌های نیمه رسانا ، سیمان ، سرامیک و Silicones می‌باشد که ماده پلاستیکی است که نام آن معمولا با سیلیکن اشتباه می‌شود.

تاریخچه
سلیکن که از واژه لاتین Silex به معنی سنگ چخماق گرفته شده است، برای اولین بار توسط “Antonie Lavoisier” در سال ۱۷۸۷ شناسایی شد و بعدا توسط “همفری دیوی” برای یک ترکیب بصورت نادرست دوباره گرفته شد. در سال ۱۸۱۱ “Gay Lussac” و “Thenard” سیلیکن بی‌نظم و ناخالصی را بوسیله گرما دادن پتاسیم و سیلیکن بدست آوردند. در سال ۱۸۲۴ “Berzelius” سیلیکن بی‌نظم را تقریبا با همان شیوه Lussac بدست آورد. Berzelius همچنین این عنصر را با شستن مکرر آن پالایش کرد.

پیدایش
سیلیکن ماده اصلی شهاب سنگهای Aerolite بوده که یک گروه از شهاب سنگها می‌باشد. همچنین سیلیکن ماده اصلی Tektites ها را که ماده اصلی شیشه نیز هست، تشکیل می‌دهد. سیلیکن بعد از اکسیژن دومین عنصر در پوسته زمین است که ۲۵٫۷% آن را به خود اختصاص می‌دهد. عنصر سیلیکن به‌صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد و معمولا به‌صورت اکسید سیلیکات وجود دارد. ماسه ، یاقوت ، عقیق ، کوارتز ، سنگ کریستال ، سنگ چخماق ، یشم و اوپال همگی موادی هستند که در آنها اکسید سیلیکن وجود دارد. گرانیت ، پنبه نسوز ، فلدسپار ، خاک رس ، هورن بلند و میکاتعدادی از کانی‌های سیلیکات می‌باشند.

 

خصوصیات قابل توجه
سیلیکن به‌صورت کریستال و متبلور ، درخشش فروزانی و رنگ مایل به خاکستری دارد. اگر چه سیلیکن یک عنصر بی‌اثر است، ولی با هالوژنها واکنش نشان داده و مواد قلیایی را رقیق می‌کند. اما بیشتر اسیدها بجز اسید هیدروفلوریک بر آن اثر نمی‌گذارند. عنصر سیلیکن بیش از ۹۵% طول موج نور مادون قرمز را انتقال می‌دهد.

کاربردها
• سیلیکن ماده بسیار مهمی است که برای بسیاری از صنایع بشری نقش حیاتی دارد. دی‌اکسید سیلیکن به شکل ماسه و خاک رس ماده اصلی ساخت بتون و آجر بوده و در ساخت سیمان نیز استفاده می‌شود. سیلیکن یک عنصر بسیار مهم برای زندگی گونه‌های حیوانات و گیاهان است. دیاتم‌ها سیلیکا را از آب می‌گیرند تا دیواره‌های سلولی محافظ خود درا بسازند.
• سیلیکن از مواد بسیار مقاوم و نسوزی است که تولید مواد با درجه حرارت بالا استفاده میشود. همچنین سیلیکاتهای آن در مینا کاری و سفالگری کاربرد دارد.
• سیلیکن جزء اصلی برخی از فلزات می‌باشد.
• سیلیکای ماسه از ترکیبات مهم شیشه است. شیشه می‌تواند به شکلهای گوناگون ساخته شده ، در پنجره‌ها ، ظرفهای نگه دارنده و عایق‌ها استفاده شود.
• کربید سیلیکن از مواد ساینده بسیار مهم به شمار می‌رود.

• سیلیکن Ultrapure می‌تواند با آرسنیک ، بور ، گالیوم یا فسفر تخدیر شده و رسانایی سلیکن را برای استفاده در ترانزیستورها ، سلولهای خورشیدی و وسایل نیمه هادی که در الکترونیک کاربرد دارند، افزایش دهد.
• سیلیکن می‌تواند در لیزرها برای تولید نور منسجم با طول موج ۲۵۶۰Angstrom بکار رود.
• Silicones ها ترکیبات قابل انعطافی هستند که شامل Silicon-Oxygen ، Silicon Carbon می‌شوند که به میزان گسترده ای در کاشت سینه مصنوعی و لنزهای تماسی استفاده می‌شوند.
• به نظر می‌رسد که سیلیکن بی‌نظم هیدروژنه در مقیاس وسیع در الکترونیک و سلولهای خورشیدی بکار گرفته شود.

• سیلیکا به دلیل واکنش پذیری پایینش عنصر اصلی سازنده آجر می‌باشد.
تولید
سیلیکن به‌صورت اقتصادی با حرارت دادن سیلیکای خالص در کوره با استفاده از الکترودهای کربنی بدست می‌آید. در دمای بالا ۱۹۰۰ درجه سانتی‌گراد ، کربن سیلیکا را بر طبق معادله زیر به سیلیکن تبدیل می‌کند:
SiO+ 2C → Si + CO2

سلیکن مایع در زیر کوره جمع شده و سپس سرد و خشک می‌شود. سلیکنی که از این راه بدست آید Metallurgical Grade Silicon نامیده می‌شود و ۹۹% خالص می‌باشد. در سال ۱۹۹۷ این شیوه حدودا ۵۰ سنت در هر گرم هزینه در برداشت.
پالایش
استفاده از سیلیکن در وسایل نیمه هادی ، تخلیص بیشتری از شیوه Metallurgical Grade Silicon را می‌طلبید. در طول تاریخ شیوه‌های گوناگونی برای تولید سیلیکن خالص وجود داشته است.
روشهای فیزیکی
روشهای اولیه پالایش سیلیکن بر این اساس بوده است که اگر سیلیکن ذوب شود و دوباره منجمد شود، آخرین قسمت جسم که جامد می‌شود، بیشترین خلوص را دارد. اولین شیوه پالایش سلیکن در سال ۱۹۱۹ شرح داده شد و در ساخت اجزاء رادارها در طی جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت که این عمل در واقع فشردن سلیکن بدست آمده از طریق شیوه Metallurgical Grade Silicon و حل کردن پودر سلیکن در اسید بود. به هنگام فشردن سیلیکن ، قسمت ناخالص در بیرون تفاله سلیکن قرار می‌گرفت و به این طریق ، دانه‌های خالص سلیکن بدست می‌آمد و در نتیجه سلیکن نا خالص اولین چیزی بود که در اسید حل می‌شد و سلیکن خالصتر را باقی می‌گذاشت.
در مرحله آب شدن در اولین شیوه پالایش سلیکن که در صنعت بسیار استفاده می‌شود، میله‌های Metallurgical Grade گرما داده می‌شوند تا آب شوند. سپس طول میله ها به تدریج کاهش می‌یابد و زمانی که سلیکن سرد و جامد می‌شود، قسمت کوچکی از میله بصورت ذوب شده باقی می‌ماند. از آنجا که بیشتر ناخالصی‌ها در قسمت ذوب شده باقی می‌مانند تا در قسمت جامد، وقتی که این فرایند کامل می‌شود، تمام ناخالصی‌ها به آخر میله روانه می‌شوند که آخرین قسمتی است که ذوب می‌شود. قسمت آخر پس از سرد شدن جدا می‌شود و دور انداخته می‌شود. اگر خلوص بیشتری مد نظر باشد، این فرایند مجددا تکرار می‌شود.
روشهای شیمیایی

امروزه سیلیکن با تبدیل آن به ترکیبات سیلیکن و سپس پالایش آنها خالص می‌شود، چرا که این عمل به مراتب ساده‌تر از پالایش خود سیلیکن به تنهایی می‌باشد. بعد از عمل پالایش ترکیب سیلیکن ،‌ آن ترکیب مجددا به سیلکن خالص تبدیل می‌شود. تری‌کلرو سیلان یکی از ترکیبات سلیکن است که به‌عنوان میانجی برای عمل پالایش استفاده می‌شود.
البته تترا کلرید سلیکن و سیلان نیز استفاده می‌شوند. هنگامی که این گازها در دمای بالا به سیلکن دمیده می‌شوند، سیلیکن خالص را بوجود می‌آورد. در فرآیند Siemens ، میله‌های خالص سیلیکن در دمای ۱۱۵۰ درجه سانتی‌گراد در معرض تری کلروسیلان قرار می‌گیرد. گاز تری کلروسیلان تجزیه شده و سیلیکن بیشتری را در روی میله‌ها بوجود می‌آورد و باعث بزرگتر شدن آنها بر طبق فرمول شیمیایی زیر می‌شود:
HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4

 

سیلیکن بدست آمده از این شیوه و همچنین فرآیندهای مشابه سیلیکن Polycrystalline نامیده می‌شود. سیلیکن Polycrystalline معمولا دارای ناخالصی یک قسمت در هر یک میلیارد قسمت است. DuPont یک بار توانست سیلیکن بسیار خالصی را با واکنش دادن تترا کلرید سیلیکن با بخار روی خالص در دمای ۹۵۰ درجه را بر طبق معادله شیمیایی زیر تولید کند:
SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2
با این حال این روش از مشکلات عملی رنج می‌برد (مانند بوجود آمدن محصول دوم کلرید روی و منجمد شدن آن) و سرانجام با بودن فرایند Siemens به فراموشی سپرده شد.
اطلاعات دیگر
از آنجا که سیلیکن یک عنصر مهم در ابزار نیمه رسانا و پیشرفته می‌باشد، منطقه High Tech در خیابان Silicon کالیفرنیا به این نام نامگذاری شده است.
دیود پیوندی
از پیوند دو نوع نیم رسانای n و p یک قطعه الکترونیکی به نام دیود بوجود می‌آید که در انواع مختلفی در سیستمهای مخابرات نوری ، نمایشگرهای دیجیتالی ، باتری‌های خورشیدی و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.
دید کلی
دیود یک قطعه ‌الکترونیکی است که ‌از به هم چسباندن دو نوع ماده n و p )هر دو از یک جنس ، سیلیسیم یا ژرمانیم(ساخته می‌شود. چون دیود یک قطعه دو پایانه ‌است، اعمال ولتاژ در دو سر پایانه‌هایش سه حالت را پیش می‌آورد.
• دیود بی بایاس یا بدون تغذیه که ولتاژ دو سر دیود برابر صفر است و جریان خالص بار در هر جهت برابر صفر است.

• بایاس مستقیم یا تغذیه مستقیم که ولتاژ دو سر دیود بزرگتر از صفر است که ‌الکترونها را در ماده n و حفره‌ها را در ماده p تحت فشار قرار می‌دهد تا یونهای مرزی با یکدیگر ترکیب شده و عرض ناحیه تهی کاهش یابد). گرایش مستقیم دیود(
• تغذیه یا بایاس معکوس که ولتاژ دو سر دیود کوچکتر از صفر است، یعنی ولتاژ به دو سر دیود طوری وصل می‌شود که قطب مثبت آن به ماده n و قطب منفی آن به ماده p وصل گردد و به علت کشیده شدن یونها به کناره عرض ناحیه تهی افزایش می‌یابد)گرایش معکوس دیود(
انواع دیودهای پیوندی
دیودهای نور گسل

در دیودی که بایاس مستقیم دارد، الکترونهای نوار رسانش از پیوندگاه عبور کرده و به داخل حفره‌ها می‌افتند. این الکترونها به هنگام صعود به نوار رسانش انرژی دریافت کرده بودند که به هنگام برگشت به نوار ظرفیت انرژی دریافتی را مجددا تابش می‌کنند. در دیودهای یکسوساز این انرژی به صورت گرما پس داده می‌شود، ولی دیودهای نور گسل LED این انرژی را به صورت فوتون تابش می‌کنند.
فوتودیودها
انرژی گرمایی باعث تولید حامل‌های اقلیتی‌ در دیود می‌گردد. با افزایش دما جریان دیود در بایس معکوس افزایش می‌یابد. انرژی نوری هم همانند انرژی گرمایی باعث بوجود آمدن حاملهای اقلیتی ‌می‌گردد. کارخانه‌های سازنده با تعبیه روزنه‌ای کوچک برای تابش نور به پیوندگاه دیودهایی را می‌سازند که فوتودیود نامیده می‌شوند. وقتی نور خارجی به پیوندگاه یک فوتودیود که بایس مستقیم دارد فرود آید، زوجهای الکترون _ حفره در داخل لایه تهی بوجود می‌آیند. هرچه نور شدیدتر باشد، مقدار حاملهای اقلیتی ‌نوری افزایش یافته، در نتیجه جریان معکوس بزرگتر می‌شود. به ‌این دلیل فوتودیودها را آشکارسازهای نوری گویند.
وراکتور
نواحی p و n در دو طرف لایه تهی را می‌توان مانند یک خازن تخت موازی در نظر گرفت، ظرفیت این خازن تخت موازی را ظرفیت خازن انتقال یا ظرفیت پیوندگاه گویند. ظرفیت خازن انتقال CT هر دیود با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می‌یابد. دیودهای سیلسیم که برای این اثر ظرفیتی طراحی و بهینه شده‌اند، دیود با ظرفیت متغییر یا وارکتور نام دارند. وراکتور موازی با یک القاگر تشکیل یک مدار تشدید را می‌دهد که با تغییر ولتاژ معکوس وراکتور می‌توانیم فرکانس تشدید را تغییر بدهیم.
دیودهای شاتکی

دیود شاتکی یک وسیله تک‌قطبی است که در آن به جای استفاده ‌از دو نوع نیمه ‌هادی p و n متصل به هم ، معمولا از یک نوع نیم ‌هادی سیلیسیم نوع n با یک اتصال فلزی مانند طلا – نقره یا پلاتین استفاده می‌شود. در هر دو ماده ‌الکترون حامل اکثریت را تشکیل می‌دهد. وقتی که دو ماده به هم متصل می‌شوند، الکترونها در ماده سیلیسیم نوع n فورا به داخل فلز نفوذ می‌کنند و یک جریان سنگینی از بارهای اکثریت بوجود می‌آید. دیود شاتکی لایه تهی ذخیره بار ندارد. کاربرد این دیود در فرکانس‌های خیلی بالاست.

دیودهای زنر
این دیود سیلیسیم برای کار در ناحیه شکست طراحی و بهینه شده است، گاهی آن را دیود شکست هم می‌گویند. با تغییر میزان آلایش ، کارخانه‌های سازنده می‌توانند دیودهای زنری بسازند که ولتاژ شکست آنها از دو تا دویست ولت تغییر کند. با اعمال ولتاژ معکوس که ‌از ولتاژ شکست زنر بگذرد، وسیله‌ای خواهیم داشت که مانند یک منبع ولتاژ ثابت عمل می‌کند.
وقتی غلظت آلایش در دیود خیلی زیاد باشد، لایه تهی بسیار باریک می‌شود. میدان الکتریکی در لایه تهی بسیار شدید است. میدان چنان شدید است که ‌الکترونها را از مدارهای ظرفیت خارج می‌کند. ایجاد الکترونهای آزاد به ‌این روش را شکست زنر می‌نامیم.
کاربردها
قطعات پیوندی p – n در صنعت الکترونیک از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. به عنوان مثال دیودهای نور افشان LED در نمایشگرهای دیجیتالی و گسیلنده‌های نور قرمز GaAs و InP بویژه برای سیستمهای مخابرات نوری مناسب هستند. آرایش لیزر نیم رسانا ، آشکارساز نوری را می‌توان در سیستم دیسک فشرده برای خواندن اطلاعات دیجیتال از دیسک چرخان مورد استفاده قرار داد.
کاربرد بسیار مهم پیوندها به عنوان باتری‌های خورشیدی است که ‌انرژی نوری جذب شده را به انرژی ‌الکتریکی مفید تبدیل می‌کنند. دیودهای با ظرفیت متغیر در تولید رمونی‌ها ، مخرب فرکانس‌های مایکروویو و فیلترهای فعال است. دیودهای زنر به عنوان مرجع در مدارهایی که نیازمند مقدار معینی از ولتاژ هستند، استفاده می‌شوند.

دیود تونلی
دیدکلی
دیود تونلی یک قطعه پیوندی p-n است که بر اساس تونل زنی مکانیک کوانتومی الکترونها از درون سد پتانسیل پیوند عمل می‌کند. چگونگی تونل زنی برای جریان معکوس در اصل اثر زنر است، هر چند مقدار اندکی گرایش معکوس برای شروع آن در دیودهای تونلی لازم است.