دیود پیوند PN

دیود پیوند PN 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 یک سوسازی مورد استفاده قرار می گیرند. انواع مختلفی از دیودها وجود دارند که در ساخت آنها از پیوند PN با تراکم آلایش متفاوت استفاده میشود.

 

دیود سیگنال کوچک 

دیود سیگنال کوچک نوع دیود پیوند PN است که در سیگنالهای 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 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 از پیوندی کوچک بین یک نیمه هادی نوع N و یک فلز تشکیل شده است (پیوند PN ندارد). از نقاط قوت دیود شانگی می توان به افت ولتاژ مستقیم بسیار کم و سرعت سوئیچینگ بسیار بالا به دلیل نداشتن پیوند خارنی (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 یا دیود SBR یک دیود یکسوکننده است. این دیود مانند دیود شانگی، 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 استفاده می کند.

 

دیود نورافشان

دیود نورافشان با 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 حاصل های بار (الکترون ها) از سد عبور می کنند و با حفره های الکترونی در طرف دیگر باز ترکیب می شوند، ذرات فوتون (نور) منتشر می کنند. رنگ نور منتشر شده به کاف انرژی نیمه هادی بستگی دارد.

فتو دیود

فتو دیود یک دیود پیوند PN است که بر خلاف 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 سلولهای 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 فتو دیود از یک دیود پیوند PIN استفاده می شود.

دیود لیزری

دیود لیزری مانند دیود نورافشان انرژی الکتریکی را به انرژی نورانی تبدیل می کند. البته این نوع دیود بر خلاف دیود نورافشان نور همدوس تولید می کند. این دیود دارای یک پیوند PIN است که در آن الکترون و حفره ها در ناحیه ذاتی 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 یک دیود پیوند PN بسیار آلاییده است که بر اساس اصل اثر تونل زنی کار می کند در این نوع دیود، به علت تراكم 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 ماکروویو کار می کند. از جمله ویژگی های این دیود، هدایت جریان در جهت معکوس و داشتن سوئیچینگ سریع است.

دیود زنر

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 (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. 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 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 یک سوسازی 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 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 ولتاژگذرا

دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا یا 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 ولتاژهای 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 دو طرفه 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 جریان ثابت

دیود جریان ثابت یا دیود محدود کننده جریان (CLD) یک دیود دوسر است که از ترانزیستور پیوندی اثر میدان (IFET) 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 با 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 مدنی زمان می برد، اما دیود SRD به دلیل ذخیره نکردن بار می تواند شار جریان را فوری متوقف سازد.

دیود حرارتی یا پلتیر

دیود حرارتی یا پلتیر 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 آلاینده 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 خلأ

دیود خلأ  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 الکترونهای ارسال شده از کاتد را دریافت کرده و جریان جاری می شود. کاتد می تواند به طور مستقیم یا غیر مستقیم 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، خازن های کنترل شده با ولتاژ هستند. آن ها پیوند PN و ظرفیت خازنی پیوند متغیری دارند. دیود های خازنی تحت شرایط بایاس معکوس عمل می کنند و در اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ در حلقه قفل فاز، فیلتر های تنظیم RF و ضرب کننده های فرکانس به کار می روند. لایه تخلیه بین ماده نوعp  و N  در این دیود با تغییر ولتاژ معکوس تغییر می کند. ظرفیت خازنی پیوند تمام دیود ها با ولتاژ معکوس تغییر می یابد اما دیود خازنی قادر است از این اثر با محدوده بالایی از ظرفیت خازنی استفاده کند.

دیود پین

دیود پین یک دیود سه لایه  I،P 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 بین 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 یک سوسازی ولتاژ بالا، عملکرد RF به عنوان تضعیف کننده و المان سوئیچینگ به کار می روند.

دیود یک سوساز کنترل شده با سیلیکون

یکسوساز کنترل شده با سیلیکون یا SCR یک قطعه سوئیچینگ نیمه _ هادی چهار لایه (P-N-P-N) است که سه سر (آند ، کاند 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 مسدود سازی مستقیم شناخته می شود. برای ایجاد هدایت SCR در مد مستقیم، یا ولتاژ لازم برای عبور از حد شکست آن لازم است با 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 _ کاند 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 یک سوسازی AC توان بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

دیود شالکی

دیود شاکلی 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 نقطه ای 

دیود اتصال نقطه ای که به عنوان دیود سبیل گربه ای K یا دیود کریستالی 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 ماکروویو و آشکارسازها استفاده می شوند. آنها جزء رایج ترین نوع دیودها هستند که در طراحی و عملکرد مدارهای الکترونیکی به کار می روند.

دیود گان

دیود گان که به عنوان المان الکترون انتقال یافته نیز شناخته می شود. مانند دیود تونلی دارای مقاومت منفی 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 باید. 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 ماکروویوهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرد.