آشنایی با دیود‌ها

دیودها از نیمه‌هادی‌های نوع N و P ساخته می‌شوند. (برای آشنایی با نیمه‌هادی‌ها، به صفحه آشنایی با نیمه‌هادی‌ها از همین وب سایت مراجعه فرمایید). هرگاه دو کریستال نیمه‌هادی نوع N و P به هم اتصال یابند الکترونهای آزاد نیمه‌هادی نوع N که در نزدیکی محل اتصال P–N قرار دارند به منطقه P نفوذ می‌نمایند و با حفره‌های کریستال نوع P ترکیب می‌شوند و به این ترتیب حفره‌هایی از بین می‌روند و الکترونهای آزاد به صورت الکترون‌های ظرفیت درمی‌آیند. عبور یک الکترون از محل اتصال سبب ایجاد یک جفت یون می‌شود زیرا وقتی الکترونی از ناحیه N به ناحیه P وارد می‌شود در ناحیه N یک اتم پنج ظرفیتی، الکترونی را از دست داده و به یون مثبت تبدیل می‌شود و در مقابل، در ناحیه P یک اتم سه ظرفیتی الکترونی را دریافت می‌کند و به یون منفی تبدیل می‌شود. به این ترتیب در اثر عبور تعداد زیادی الکترون از محل اتصال نیمه‌هادی‌ها، در محل پیوند تعداد زیادی یون مثبت و منفی ایجاد می‌شود. این یون‌ها در کریستال ثابت هستند زیرا به علت پیوند کووالانس بین الکترونهای اتم‌ها، نمی‌توانند مانند الکترونهای آزاد حرکت کنند. بنابراین در محل پیوند ناحیه‌ای به نام لایه تخلیه به وجود می‌آید که در آن حامل‌های هدایت الکتریکی یعنی الکترونها و حفره‌ها وجود ندارند. به ناحیه تخلیه، ناحیه سد هم گفته می‌شود. یون‌های مثبت و منفی در ناحیه تخلیه سبب ایجاد میدان الکتریکی می‌شوند. این میدان الکتریکی با عبور الکترونهای آزاد از محل اتصال مخالفت می‌کند. هرگاه میدان ایجاد شده به حدی برسد که مانع عبور الکترون از محل اتصال گردد حالت تعادل به وجود می‌آید و به این صورت دیود کریستالی ساخته می‌شود. ولتاژ ایجاد شده در ناحیه تخلیه، پتانسیل سد نامیده می‌شود. در شکل (1) ساختمان دیود نمایش داده شده است.

در این شکل یون‌های مثبت ومنفی در ناحیه تخلیه و میدان الکتریکی ایجاد شده بین یون‌ها و همچنین نیمه‌هادی‌های نوع N و P به خوبی نمایش داده شده است. در این شکل دایره‌های سفید رنگ، بیانگر حفره‌ها و دایره‌های دنباله‌دار قرمز رنگ، بیانگر الکترونهای آزاد در حال حرکت هستند. در ادامه می‌خواهیم به بررسی این موضوع بپردازیم که اگر ولتاژی به دو سر اتصال P–N اعمال شود چه اتفاقی روی می‌دهد.
بایاس کردن اتصال P–N: هرگاه به دو سر اتصال P–N ولتاژی اعمال کنیم گوییم آن را بایاس نموده‌ایم. بایاس کردن اتصال P–N به دو صورت مستقیم و معکوس انجام می‌گیرد.
بایاس مستقیم (Forward Bias): اگر قطب مثبت منبع تغذیه را به نیمه‌هادی نوع P و قطب منفی منبع تغذیه را به نیمه‌هادی نوع N وصل کنیم، دیود را در بایاس مستقیم یا موافق قرار داده‌ایم. در شکل (2) بایاس مستقیم دیود نمایش داده شده است.

هنگامی که میدان الکتریکی ناشی از منبع تغذیه، میدان الکتریکی پتانسیل سد را خنثی می‌کند، منطقه تخلیه و پتانسیل سد از بین می‌رود و الکترونهای کریستال N به سمت محل پیوند رانده می‌شوند. این الکترونها وارد کریستال نوع P شده و در اثر ترکیب با حفره‌ها به الکترون ظرفیت تبدیل می‌شوند. الکترونهای ظرفیت از حفره‌ای به حفره دیگر می‌روند تا به انتهای کریستال و سرانجام به قطب مثبت منبع تغذیه می‌رسند. چنین به نظر می‌رسد که حفره‌ها در کریستال نوع P در خلاف جهت حرکت الکترونها حرکت می‌کنند و جریانی را به وجود می‌آورند، در حالی که عملاً آنها بدون حرکت هستند. در بایاس مستقیم دیود، اگر ولتاژ دو سر دیود را به تدریج از صفر افزایش دهیم، در ابتدا جریان کمی از مدار عبور خواهد کرد. همین که ولتاژ دو سر دیود به حدود ولتاژ تماس پیوند P–N رسید جریان شروع به افزایش می‌نماید. این ولتاژ حدی را ولتاژ آستانه هدایت دیود می‌گویند. در شکل (3) منحنی مشخصه ولت-آمپر دیود در بایاس مستقیم نمایش داده شده است.

بایاس معکوس (Reverse Bias): اگر قطب مثبت منبع تغذیه را به کریستال نوع N و قطب منفی آن را به کریستال نوع P متصل کنیم، دیود را در بایاس معکوس یا مخالف قرار داده‌ایم. در شکل (4) بایاس معکوس دیود نمایش داده شده است.

در این حالت الکترونهایی از قطب منفی منبع تغذیه وارد نیمه‌هادی نوع P می‌شوند و با حفره‌های مجاور ناحیه تخلیه ترکیب می‌شوند و به این ترتیب سبب افزایش عرض ناحیه تخلیه در نیمه‌هادی نوع P می‌شوند. همچنین در نیمه‌هادی نوعN ، الکترونهای اطراف ناحیه تخلیه جذب قطب مثبت منبع تغذیه می‌شوند و آن نواحی از الکترون تهی می‌شود و به این ترتیب در نیمه‌هادی نوع N نیز عرض ناحیه تخلیه افزایش می‌یابد. با افزایش ناحیه تخلیه، پتانسیل سد نیز افزایش می‌یابد و این افزایش پتانسیل سد آنقدر ادامه می‌یابد تا پتانسیل سد با ولتاژ منبع تغذیه برابر شود و پس از آن عرض ناحیه تخلیه ثابت خواهد ماند. علت این امر این است که زمانی که پتانسیل سد با ولتاژ منبع تغذیه برابر می‌شود در نیمه‌هادی نوعN ، نیروی دافعه بین یون‌های منفی و الکترونهای قطب منفی منبع تغذیه مانع نزدیک شدن این الکترونها به ناحیه تخلیه می‌شود و در نتیجه عرض ناحیه تخلیه در این نیمه‌هادی ثابت می‌ماند. همچنین در نیمه‌هادی نوع P نیز، نیروی جاذبه بین یون‌های مثبت و الکترونهای اطراف ناحیه تخلیه، مانع دور شدن این الکترونها از این نواحی می‌شود و در نتیجه در این نیمه‌هادی نیز عرض ناحیه تخلیه ثابت می‌ماند. البته توجه داشته باشید که در بایاس معکوس دیود، جریان بسیار ضعیفی از دیود عبور می‌کند که جهت این جریان از طرف کاتد به طرف آند است و علت برقراری این جریان در دیود این است که در بایاس معکوس دیود، در ناحیه تخلیه یک میدان الکتریکی قوی ایجاد می‌شود، تحت تأثیر این میدان و نیز انرژی حرارتی محیط، بعضی از پیوندهای کووالانسی بین یون‌ها و اتم‌ها شکسته شده و الکترونهایی آزاد می‌شوند. الکترونهای آزاد شده در خلاف جهت میدان حرکت کرده و خود را به قطب مثبت منبع تغذیه می‌رسانند. بعضی از این الکترونها در طول مسیر خود با حامل‌های اقلیت نیمه‌هادی نوع N یعنی حفره‌ها ترکیب می‌شوند و در اثر شکسته شدن پیوندهایی، مجدداً همان تعداد الکترون آزاد می‌شود که به طرف قطب مثبت منبع تغذیه حرکت می‌کنند. هم زمان در نیمه‌هادی نوع P نیز، حامل‌های اقلیت که الکترونها هستند وارد ناحیه تخلیه شده و با حفره‌های ایجاد شده ترکیب می‌شوند و همان تعداد الکترون از منبع تغذیه وارد نیمه‌هادی نوع P می‌شود و به این ترتیب جریان ضعیفی در دیود جاری می‌شود که به آن جریان اشباع معکوس دیود می‌گویند. بنابراین، این حامل‌های اقلیت نیمه‌هادی‌ها هستند که سبب برقراری جریان اشباع معکوس در دیود می‌شوند. مقدار جریان اشباع معکوس دیود به درجه حرارت محیط وابسته است و پس از به اشباع رسیدن جریان معکوس دیود، افزایش ولتاژ معکوس در مقدار آن تأثیری ندارد. اما آیا می‌توان هر مقدار ولتاژ معکوسی را به دو سر دیود وصل کرد؟ این موضوع را در ادامه و تحت عنوان ولتاژ شکست معکوس دیود مورد بررسی قرار می‌دهیم.

ولتاژ شکست معکوس دیود: زمانی که ولتاژ معکوس دو سر دیود از یک مقدار مشخصی بیشتر شود جریان معکوس دیود به سرعت و به شدت افزایش می‌یابد و این جریان زیاد، حرارت زیادی در دیود تولید می‌کند که سبب سوختن دیود می‌شود. به پدیده‌ای که در این حالت رخ می‌دهد پدیده شکست و به ولتاژی که در آن، این پدیده آغاز می‌شود ولتاژ شکست معکوس دیود می‌گویند. پدیده شکست دیود می‌تواند حاصل یکی از دو پدیده شکست ضرب بهمنی و یا شکست زنر باشد که در ادامه به بررسی آنها می‌پردازیم.

پدیده شکست ضرب بهمنی: دیدیم که در بایاس معکوس دیود با زیاد شدن ولتاژ معکوس، عرض ناحیه تخلیه بیشتر می‌شود و همچنین شدت میدان الکتریکی در این ناحیه افزایش می‌یابد. حال اگر ولتاژ معکوس دیود به مقدار خاصی برسد، در اثر میدان الکتریکی قوی ایجاد شده، حامل‌های اقلیت نیمه‌هادی نوع P در خلاف جهت میدان شروع به حرکت کرده و به سرعت شتاب می‌گیرند. این حامل‌ها با شتاب گرفتن خود می‌توانند با شدت زیاد با یون‌ها و اتم‌های واقع در ناحیه تخلیه برخورد نموده و ضمن شکستن پیوندهای کووالانس آنها، تعدادی حامل جدید را نیز آزاد نمایند. حامل‌های جدید نیز تحت تأثیر میدان الکتریکی زیاد در ناحیه تخلیه قرار گرفته و پس از برخورد با یون‌ها و اتم‌های دیگر، حامل‌های بیشتری را از پیوندهای کووالانس آنها جدا می‌سازند. بنابراین تعداد حامل‌هایی که می‌توانند در ایجاد جریان دخالت کنند بطور ناگهانی افزایش یافته و باعث افزایش سریع جریان می‌شوند. این پدیده را که موجب افزایش ناگهانی جریان معکوس دیود می‌شود، پدیده شکست ضرب بهمنی گویند

پدیده شکست زنر: با زیاد شدن ولتاژ معکوس دیود، شدت میدان الکتریکی در ناحیه تخلیه ممکن است به حدی برسد که بتواند مستقیماً پیوندهای کووالانسی موجود در این ناحیه را شکسته و الکترونهای زیادی را آزاد نماید. در این حالت جدا شدن الکترونها ناشی از برخورد سایر الکترونها با آنها نبوده، بلکه ناشی از تأثیر مستقیم میدان الکتریکی ناحیه تخلیه بر آنها است. این پدیده نیز باعث افزایش سریع جریان معکوس دیود می‌شود.

در شکل (5) منحنی مشخصه ولت-آمپر دیود در بایاس معکوس نمایش داده شده است.

مقادیر حد در دیودها: برخی از کمیت‌های دیود اگر از میزان ماکزیمم بیشتر شوند به دیود آسیب می‌رسانند. مقادیر ماکزیمم این کمیت‌ها مقادیر حد دیود نام دارند. برخی از مقادیر حد که در کتاب مشخصات دیودها آورده می‌شوند و با توجه به طراحی می‌توان از آنها استفاده نمود عبارتند از:
1- حداکثر ولتاژ معکوس: حداکثر ولتاژی که در بایاس معکوس می‌تواند در دو سر دیود قرار گیرد به طوری که دیود آسیب نبیند، حداکثر ولتاژ معکوس دیود نام دارد. معمولاً چهار پارامتر برای حداکثر ولتاژ معکوس قید می‌شود که این چهار پارامتر عبارتند از :
الف) حداکثر ولتاژ معکوس DC: حداکثر ولتاژ DC اعمال شده به دو سر دیود در بایاس معکوس که دیود می‌تواند تحمل کند را حداکثر ولتاژ معکوس DC می‌گویند و آن را با V_R نمایش می‌دهند.
ب) حداکثر ولتاژ معکوس مؤثر: حداکثر ولتاژ مؤثری که به صورت معکوس می‌تواند در دو سر دیود قرار گیرد به طوری که دیود آسیب نبیند و آن را با V_R(rms) نمایش می‌دهند.
ج) ولتاژ معکوس قابل تحمل در وضعیت کار عادی: حداکثر ولتاژ معکوس قابل تحمل توسط دیود در وضعیت کار عادی را ولتاژ معکوس قابل تحمل در وضعیت کار عادی می‌گویند و آن را با V_RWM نمایش می‌دهند.
د) ماکزیمم ولتاژ معکوس تکرار سیکل‌ها: حداکثر ولتاژ معکوسی که به صورت تکرار سیکل‌ها می‌تواند در دو سر دیود قرار بگیرد بطوری که دیود آسیب نبیند را ماکزیمم ولتاژ معکوس تکرار سیکل‌ها می‌گویند و آن را با V_RRM نمایش می‌دهند.

2- حداکثر جریان مستقیم: به حداکثر جریان DC یا متوسط که می‌توان از دیود در گرایش مستقیم عبور داد به گونه‌ای که دیود آسیب نبیند حداکثر جریان مستقیم دیود می‌گویند و آن را با I_F نمایش می‌دهند. در اثر عبور این جریان در محل اتصال P–N حرارت ایجاد می‌شود. اگر در هوای آزاد، حرارت ایجاد شده در دیود خوب دفع نشود، باید دیود را روی گرماگیر نصب نمود.

3- حداکثر جریان تکرای: حداکثر جریانی که به صورت تکرار سیکل‌ها در بایاس مستقیم در دیود جاری می‌شود را حداکثر جریان تکراری دیود می‌گویند و آن را با I_FRM نمایش می‌دهند. در شکل (6) یک نمونه جریان تکراری نمایش داده شده است.

4- حداکثر جریان لحظه‌ای: حداکثر جریانی که در زمان بسیار کوتاه (حدود چند میکروثانیه) می‌تواند از دیود عبور کند به گونه‌ای که به دیود آسیب نرسد را حداکثر جریان لحظه‌ای دیود گویند و آن را با I_FSM نمایش می‌دهند.

5- درجه حرارت محل پیوند: حداکثر حرارتی که در یک دیود، در محل پیوند نیمه‌هادی‌های N و P می‌تواند ایجاد شود به طوری که به دیود آسیب نرسد و آن را با T_j نمایش می‌‌دهند.

انواع دیود: دیودها انواع مختلفی دارند که در ادامه به بررسی آنها می‌پردازیم.
دیود معمولی: دیودهای معمولی سیلیسیمی در بایاس مستقیم و به ازای ولتاژهای کمتر از 0.5 ولت جریانی را از خود عبور نمی‌دهند. اگر ولتاژ بایاس بین 0.5 تا حدود 0.65 ولت شود، جریان ضعیفی در دیود برقرار می‌شود و اگر ولتاژ بایاس بیشتر از این مقدار شود جریان دیود به طور ناگهانی افزایش می‌یابد. بنابراین ولتاژ آستانه هدایت دیود معمولی سیلیسیمی حدود 0.65 ولت می‌باشد. دیودهای معمولی ژرمانیومی دارای ولتاژ آستانه هدایت 0.2 ولت می‌باشند. این دیودها در بایاس مستقیم، به ازای ولتاژ بایاس کمتر از 0.1 ولت جریانی را از خود عبور نمی‌دهند و اگر ولتاژ بایاس بین 0.1 تا 0.2 ولت شود، جریان ضعیفی در دیود برقرار می‌شود و در صورتی که مقدار ولتاژ بایاس از 0.2 ولت بیشتر شود، جریان دیود به طور ناگهانی افزایش می‌یابد. دیودهای معمولی دارای ولتاژ شکست معکوس بالایی هستند که مقدار ولتاژ شکست معکوس هر نوع دیود توسط کارخانه سازنده آن مشخص می‌شود. دیودهای معمولی، از نظر شکل ظاهری انواع مختلفی دارند اما علامت اختصاری همه آنها یکسان است. در شکل (7) علامت اختصاری دیود معمولی نمایش داده شده است.

در شکل (7)، علامت مثلث، جهت جریان قراردادی در دیود به ازای بایاس مستقیم را نشان می‌دهد. همچنین نیمه‌هادی نوعP ، آند و نیمه‌هادی نوعN ، کاتد نام گذاری شده است و شرط هدایت دیود این است که ولتاژ آند حداقل به اندازه ولتاژ آستانه هدایت دیود، بیشتر از کاتد باشد. معمولاً بر روی دیود، پایه کاتد توسط یک نوار رنگی و یا یک نقطه مشخص می‌شود و گاهی نیز بر روی دیود علامت اختصاری آن را درج می‌کنند که در این صورت تشخیص پایه‌های دیود مطابق شکل (7) می‌باشد. تعدادی از دیودهای معمولی که کاربرد زیادی دارند دیودهای 1N4001 تا 1N4007 هستند. این دیودها در مدارهای مختلف از جمله در مدارهای یکسوساز به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرند. در شکل (8) تصویری از چند دیود معمولی 1N4007 نمایش داده شده است.

دیود زنر (Zener Diode): دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P و N ساخته می‌شود. جنس نیمه‌هادی‌های این دیود از سیلیسیم بوده و در بایاس موافق مانند یک دیود معمولی سیلیسیمی عمل می‌کند. بر خلاف دیودهای معمولی که در بایاس مخالف، در منطقه شکست آسیب می‌بینند، دیودهای زنر به گونه‌ای ساخته می‌شوند تا بتوانند در منطقه شکست کار کنند. وقتی ولتاژ بایاس مخالف دیود زنر را به تدریج افزایش دهیم، در یک ولتاژ خاص دیود شروع به هدایت می‌کند. ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس هادی می‌شود به ولتاژ شکست زنر معروف است. در کارخانه‌های سازنده دیود زنر، با تنظیم میزان ناخالصی در این دیودها، دیودهایی با ولتاژهای شکست مختلف ساخته می‌شوند. با هادی شدن دیود در ولتاژ شکست دیود، ولتاژ دو سر دیود تقریباً ثابت می‌ماند و جریان عبوری از دیود افزایش می‌یابد. از این خاصیت دیود زنر برای تثبیت ولتاژ استفاده می‌شود. منحنی مشخصه ولت-آمپر دیود زنر شبیه به منحنی مشخصه ولت-آمپر دیود معمولی است. در شکل (9) علائم اختصاری دیود زنر نمایش داده شده است.

استاندارد ولتاژهای زنر: دیود زنر در ولتاژهای شکست مختلف مطابق استاندارد سری E ساخته می‌شود. دو سری استاندارد E₁₂ و E₂₄ متداول‌تر است. ولتاژ زنر معمولاً از 2.4 ولت تا 200 ولت ساخته می‌شود. سری E₁₂ دارای تلرانس 10 درصد و سری E₂₄ دارای تلرانس 5 درصد است. معمولاً تلرانس همراه با ولتاژ شکست بر روی دیود نوشته می‌شود. حرف C برای تلرانس 5 درصد و حرف D برای تلرانس 10 درصد به کار می‌رود.

توان دیودهای زنر: جریانی که در بایاس معکوس، از دیود زنر عبور می‌کند اگر زیاد شود باعث سوختن دیود می‌شود. زیرا این جریان باعث به وجود آمدن حرارت در محل پیوند P–N می‌شود. حداکثر جریانی که به ازای آن، دیود معیوب نمی‌شود بستگی به توان زنر و ولتاژ شکست زنر دارد. توان دیود زنر از رابطه زیر به دست می‌آید.که در این رابطه P_Z توان دیود زنر، V_Z ولتاژ شکست زنر و I_Z حداکثر جریانی است که می‌تواند در بایاس معکوس از دیود زنر عبور کند. بنابراین در صورت داشتن توان زنر و ولتاژ شکست آن، می‌توان با استفاده از فرمول بالا حداکثر جریانی که می‌تواند در بایاس معکوس از دیود عبور کند به طوری که دیود آسیب نبیند را به دست آورد. دیددهای زنر معمولاً برای توان‌های 0.15 وات تا 50 وات ساخته می‌شوند. در شکل (10) یک نمونه دیود زنر توان پایین و در شکل (11) نیز یک نمونه دیود زنر توان بالا نمایش داده شده است.

ضریب حرارتی دیود زنر: مقدار ولتاژ دیود زنر در اثر گرما تغییر می‌کند. کارخانجات سازنده برای هر دیود زنر ضریبی را تعیین می‌کنند که این ضریب بیانگر این است که به ازای تغییر حرارت به اندازه یک درجه، ولتاژ زنر چه تغییری می‌کند. این ضریب را ضریب حرارتی دیود زنر می‌نامند. ضریب حرارتی دیود زنر با ولتاژ شکست 5.1 ولت تا 5.6 ولت تقریباً صفر است و برای ولتاژهای کمتر از این مقدار ضریب حرارتی منفی و برای ولتاژهای بیشتر از این مقدار ضریب حرارتی مثبت می‌باشد.

دیود نوردهنده یا LED: واژه LED از عبارت Light Emitting Diode به معنای دیود منتشر کننده نور گرفته شده است. دیود نوردهنده از دو نیمه‌هادی نوع N و P ساخته شده است. هرگاه این دیود در بایاس مستقیم قرار گیرد و جریان به اندازه کافی باشد، دیود از خود نور تولید می‌کند. نور تولیدی در محل اتصال نیمه‌هادی‌های N و P ایجاد می‌شود. رنگ نور تولیدی به جنس نیمه‌هادی‌های استفاده شده در دیود بستگی دارد و این دیودها معمولاً دارای نورهایی به رنگ‌های آبی، قرمز، زرد، نارنجی، سفید و سبز هستند. نور تولید شده، نتیجه بعضی از ترکیبات بین الکترونها و حفره‌ها می‌باشد که به صورت پالس‌های نور ظاهر می‌شود. لازم به تذکر است که این عمل برای دیودهای معمولی نیز اتفاق می‌افتد ولی در این دیودها فرکانس نور تولید شده به اندازه‌ای است که نور قابل رؤیت نمی‌باشد. بیشترین نور در محل اتصال نیمه‌هادی‌های نوع N و P تولید می‌شود زیرا در این محل، الکترونها و حفره‌های بیشتری با یکدیگر ترکیب می‌شوند. در شکل (12) تصویری از چند LED و در شکل (13) علامت اختصاری آن نمایش داده شده است.

در شکل (14) منحنی نور تولید شده توسط دیود نوردهنده، نسبت به جریان عبوری از آن نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می‌کنید این منحنی کاملاً خطی است. بنابراین به وسیله دیود نوردهنده می‌توان سیگنال‌های الکتریکی را به نور تبدیل نمود و آنها را به روشهای مختلف از جمله با استفاده از فیبرهای نوری ارسال کرد و در انتهای مسیر مجدداً نور دریافت شده را که بدون اعوجاج است به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل نمود.

مقدار نوری که از دیود نوردهنده خارج می‌شود به وسیله شکل فیزیکی آن کنترل می‌شود. شکل نیم‌کره‌ای قادر به خارج کردن نور بیشتری است و به همین دلیل این شکل فیزیکی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما استفاده از دیود نوردهنده مزایای زیادی دارد از جمله کوچک بودن اندازه آن، داشتن عمر کارکرد بالا (حدود یکصد هزار ساعت)، داشتن سرعت بالا در قطع و وصل نور، تلفات حرارتی کم، داشتن ولتاژ کار کم (بین 1.7 تا 3.3 ولت)، مصرف جریان کم (حدود چند میلی‌آمپر) و داشتن توان کم (حدود 10 تا 150 میلی‌وات).


فتو دیود (Photo Diode): فتو دیود که به آن دیود نوری نیز می‌گویند مانند دیود معمولی از اتصال دو نیمه‌هادی نوع N و P ساخته می‌شود با این تفاوت که محل اتصال نیمه‌هادی‌ها، با مواد پلاستیکی سیاه پوشیده نمی‌شود بلکه برای اینکه نور به محل اتصال نیمه‌هادی‌ها برسد معمولاً آن محل را توسط شیشه و یا مواد پلاستیکی شفاف می‌پوشانند. روی اکثر فتودیودها یک لنز بسیار کوچک نصب می‌شود تا نور تابیده شده به آن منطقه را متمرکز کرده و به محل پیوند برساند. در شکل (15) تصویری از یک فتو دیود و در شکل (16) علامت اختصاری آن نمایش داده شده است.

فتو دیود همیشه در بایاس معکوس به کار می‌رود و با تابش نور به محل اتصال نیمه‌های‌های آن، پیوندهای کووالانس موجود در ناحیه تخلیه در اثر انرژی نور تابیده شده شکسته شده و جریان معکوس فتو دیود افزایش می‌یابد. هر چه نور تابیده شده به محل اتصال نیمه‌هادی‌ها بیشتر باشد مقدار جریان معکوس فتو دیود بیشتر می‌شود و برعکس، هر چه نور تابیده شده به محل پیوند کمتر باشد مقدار جریان معکوس فتو دیود کمتر می‌شود. در شکل (17) منحنی مشخصه یک فتو دیود رسم شده است. این منحنی فقط به ازای طول موج ثابت و شدت روشنایی‌های مختلف رسم شده است. همانطور که در شکل (17) مشاهده می‌کنید با افزایش شدت روشنایی، جریان I_λ نیز افزایش پیدا می‌کند و تقریباً در ولتاژهای مختلف معکوسی که در دو سر آن قرار گرفته است، در یک نور مشخص ثابت می‌ماند و مقدار آن فقط بستگی به نور تابیده شده به محل اتصال نیمه‌هادی‌ها دارد.

ولتاژ معکوس این دیودها 20 الی 50 ولت و توان آنها حدود چند صد میلی‌وات و جریان معکوس آنها در تاریکی حدود چند نانو‌آمپر است که این همان جریان اشباع معکوس در دیودهای معمولی است.


دیود خازنی یا دیود واراکتور (Varactor Diode): دیود خازنی مانند یک دیود معمولی است و از دو قطعه نیمه‌هادی نوع N و P که معمولاً از جنس سیلیسیم هستند ساخته می‌شود. همانطور که قبلاً گفته شد، در یک دیود معمولی بایاس نشده یک ناحیه تخلیه ایجاد می‌شود. اگر نیمه‌هادی‌های نوع N و P را به عنوان دو هادی و ناحیه تخلیه را به عنوان عایق بین دو هادی در نظر بگیریم، مجموعه دیود را می‌توان به عنوان یک خازن در نظر گرفت. حال اگر دیود را در بایاس معکوس به کار ببریم عرض ناحیه تخلیه بیشتر می‌شود و عایق بین دو نیمه‌هادی نیز افزایش می‌یابد و در نتیجه ظرفیت خازنی آن کمتر می‌شود. بنابراین می‌توان با تغییر مقدار ولتاژ معکوس، ظرفیت خازنی دیود واراکتور را تغییر داد. بنابراین دیود خازنی همیشه در بایاس معکوس قرار می‌گیرد. در شکل (18) تصویری از یک دیود خازنی و در شکل (19) علامت اختصاری آن نمایش داده شده است.

دیود خازنی اندکی با دیود معمولی تفاوت دارد. اولاً جریان اشباع معکوس آن فوق‌العاده کم است و ثانیاً سطح دو نیمه‌هادی را طوری انتخاب می‌کنند که حداکثر ظرفیت خازنی 2.5 نانوفاراد باشد. رایج‌ترین دیودهای خازنی دارای ظرفیت 300 پیکوفاراد هستند. از این دیودها در مدارات رادیو و تلویزیون به عنوان خازن متغیر استفاده می‌شود زیرا دارای حجمی بسیار کم، ظریف و محکم می‌باشند. در شکل (20) منحنی تقریبی ظرفیت خازنی دیود خازنی نسبت به ولتاژ معکوس دو سر آن نمایش داده شده است.

همانطور که در این شکل مشاهده می‌کنید با افزایش ولتاژ معکوس دو سر دیود خازنی، ظرفیت خازنی آن کاهش می‌یابد.


دیود تونلی (Tunnel Diode): دیود تونلی از دو قطعه نیمه‌هادی نوع N و P که غالباً از جنس ژرمانیوم و گالیم آرسنید می‌باشند ساخته می‌شود. میزان ناخالصی نیمه‌هادی‌های N و P در دیود تونلی نسبت به دیود معمولی بسیار زیاد است (حدود چند هزار برابر)، که این موضوع خود باعث به وجود آمدن یک ناحیه تخلیه بسیار نازک در محل پیوند می‌شود که عرض آن حدود 0.01 عرض ناحیه تخلیه در دیودهای معمولی است. ناحیه نازک باعث می‌شود که حامل‌های زیادی به جای اینکه در ولتاژهای پایین از آن عبور نمایند از آن تونل بزنند. شکل (21) منحنی مشخصه یک دیود تونلی را نشان می‌دهد. همانطور که در این شکل مشاهده می‌کنید با افزایش ولتاژ موافق از صفر تا V_P، بر خلاف دیود معمولی جریان عبوری تا I_P افزایش سریع دارد. از V_P به بعد با افزایش ولتاژ موافق تا V_V جریان کاهش سریع دارد. فاصله ولتاژ پیک تا ولتاژ دره را ناحیه مقاومت منفی می‌گویند.

نسبت جریان پیک به جریان دره در کاربردهای این دیود بسیار مهم است. این نسبت برای ژرمانیوم 10 به یک و برای گالیم‌آرسنید 20 به یک می‌باشد. جریان پیک در دیود تونلی می‌تواند بین چند میکروآمپر تا چند صد آمپر متغیر باشد در حالی که ولتاژ دره دو سر دیود از حدود 0.6 ولت تجاوز نمی‌کند. به همین دلیل است که اتصال ولتمتری با باتری 1.5 ولت، به طور نادرست به دو سر دیود تونلی به آن صدمه می‌زند. در شکل (22) تصویری از یک دیود تونلی و در شکل (23) علائم اختصاری آن نمایش داده شده است.

از مزایای دیود تونلی می‌توان قیمت ارزان، اغتشاش کم، سرعت زیاد، توان مصرفی کم و ضریب اطمینان بالای آن را نام برد.


دیود اتصال نقطه‌ای (Point Contact Diode): همانطور که قبلاً گفته شد در دیودهای معمولی، در بایاس معکوس، یک ظرفیت خازنی ایجاد می‌شود. اگر بخواهیم این دیودها را در فرکانس‌های بالا به کار ببریم به علت ظرفیت خازنی ایجاد شده، در بایاس معکوس جریانی از دیود عبور می‌کند. یعنی در فرکانس‌های بالا، مقاومت معکوس دیود کاهش و جریان افزایش می‌یابد. یکی از راه‌های افزایش مقاومت معکوس دیود در فرکانس‌های بالا این است که ظرفیت خازنی دیودهایی را که در فرکانس‌های بالا به کار می‌روند کم کنیم. برای کم کردن ظرفیت خازنی این دیودها، ساده‌ترین راه، کم کردن سطح اتصال نیمه‌هادی‌های N و P می‌باشد. بر همین اساس دیودهای اتصال نقطه‌ای برای کار در فرکانس‌های بالا و جریان‌های کم ساخته شدند. در شکل (24) یک نمونه دیود اتصال نقطه‌ای و در شکل (25) علامت اختصاری آن نمایش داده شده است.

برای ساختن دیود اتصال نقطه‌ای، نیمه‌هادی نوع N را انتخاب کرده، یک سیم نازک مخصوص که خاصیت فنری داشته باشد به آن می‌چسبانند و سپس یک جریان ضربه‌ای قوی از آن عبور می‌دهند. در اثر این عمل اولاً نیمه‌هادی نوع N ذوب می‌شود و نوک سیم در داخل آن قرار می‌گیرد. ثانیاً در اطراف آن یک ناحیه کوچک P ایجاد می‌گردد. علت تبدیل شدن نیمه‌هادی نوع N به نوع P این است که در اثر عبور این جریان از نوک سیم، اتم‌های خارجی وارد نیمه‌هادی N گردیده و آن را تبدیل به نوع P می‌نمایند. از این دیودها بیشتر در مدارات آشکارساز و مخلوط کننده استفاده می‌شود.


تشخیص آند و کاتد و سالم بودن دیود: به وسیله اهم‌متر آنالوگ و نیز مولتی‌متر دیجیتال می‌توان آند و کاتد دیود را تشخیص داد و نیز به سالم و یا معیوب بودن آن پی برد. در ادامه هر دو روش را بررسی می‌کنیم.
تشخیص آند و کاتد و سالم بودن دیود با استفاده از اهم‌متر آنالوگ: اگر اهم‌متر آنالوگ (عقربه‌ای) را به دو سر دیود وصل کرده و اهم آن را اندازه بگیرید سپس اتصال دیود را برعکس کرده، مجدداً اهم آن را اندازه بگیرید در صورتی که در یک حالت اهم‌متر، اهم کم و در حالت دیگر اهم زیاد را اندازه بگیرد دیود سالم است. واضح است که در حالت اهم کم، دیود به وسیله باتری داخلی اهم‌متر در بایاس مستقیم قرار گرفته است و در حالتی که اهم‌متر، اهم زیاد را نشان می‌دهد دیود در بایاس معکوس قرار گرفته است که اصطلاحاً گفته می‌شود دیود از یک طرف راه می‌دهد و از طرف دیگر راه نمی‌دهد. در شکل‌های (26) و (27) این دو حالت نمایش داده شده است. در شکل (26) دیود در بایاس مستقیم و در شکل (27) دیود در بایاس معکوس می‌باشد.

در حالتی که اهم‌متر، اهم کم را نشان می‌دهد مثبت واقعی اهم‌متر به آند و منفی واقعی اهم‌متر به کاتد دیود اتصال دارد. به ترتیب می‌توان آند و کاتد دیود را تعیین کرد. البته مقدار مقاومتی که اهم‌متر نشان می‌دهد به انتخاب کلید سلکتور اهم‌متر بستگی دارد.
یک دیود در صورتی معیوب می‌باشد که قطع و یا اتصال کوتاه شده باشد. در صورتی که دیود قطع شده باشد، در هر دو حالت اتصال اهم‌متر به دو سر آن، اهم‌متر، اهم بینهایت را نشان می‌دهد و در صورتی که دیود اتصال کوتاه شده باشد در هر دو حالت اتصال اهم‌متر به دو سر دیود، اهم‌متر، اهم صفر را نشان می‌دهد.

تشخیص آند و کاتد و سالم بودن دیود با استفاده از مولتی‌متر دیجیتالی: اغلب مولتی‌مترهای دیجیتالی دارای وضعیت تست دیود هستند. هرگاه کلید سلکتور مولتی‌متر دیجیتالی را در وضعیت تست دیود که با علامت اختصاری دیود معمولی مشخص شده است قرار دهید و دیود به وسیله مولتی‌متر در بایاس موافق قرار بگیرد مولتی‌متر دیجیتالی ولتاژ بایاس دیود را نشان می‌دهد که این ولتاژ برای دیودهای سیلیسیومی بین 0.5 تا 0.7 ولت و برای دیودهای ژرمانیومی حدود 0.2 ولت می‌باشد. البته در بعضی از مولتی‌مترهای دیجیتالی در این حالت عبارت good نیز بر روی صفحه نمایش مولتی‌متر ظاهر می‌شود. اما اگر دیود در بایاس مخالف قرار گیرد، ولتاژ بایاس مخالف اعمال شده به وسیله مولتی‌متر به دو سر دیود، توسط مولتی‌متر نمایش داده خواهد شد و در بعضی از مولتی‌مترهای دیجیتالی در این حالت عبارت open بر روی صفحه نمایش مولتی‌متر نمایش داده می‌شود. در حالتی که مولتی‌متر ولتاژ بایاس موافق دیود را نشان می‌دهد، سیم منفی (com) به کاتد و سیم مثبت به آند متصل است و به این ترتیب می‌توان آند و کاتد دیود را تعیین کرد. در صورتی که دیود قطع شده باشد در هر دو وضعیت اتصال مولتی‌متر به دیود، روی صفحه نمایش آن ولتاژ باتری داخلی یا عبارت open نمایش داده می‌شود و اگر دیود اتصال کوتاه شده باشد در هر دو وضعیت اتصال مولتی‌متر به دیود، روی صفحه نمایش مولتی‌متر ولتاژ صفر نمایش داده می‌شود.


نامگذاری دیودها: برای نامگذاری دیودها سه روش مهم وجود دارد. هر چند برخی از کارخانه‌های سازنده در گوشه و کنار دنیا از روش‌های مخصوصی برای نامگذاری استفاده می‌نمایند. این سه روش عبارتند از:

1- روش ژاپنی

2- روش اروپایی

3- روش آمریکایی

روش ژاپنی: در این روش نامگذاری از عدد 1 و حرف S که به دنبال آن می‌آید استفاده می‌شود و به دنبال آن تعدادی شماره خواهد آمد که با مراجعه به جدول مشخصات دیودها می‌توان مشخصات الکتریکی آن را به دست آورد. در این روش، جنس و نوع دیود مشخص نمی‌باشد. به عنوان مثال دیود 1S3010A دیود زنر، دیود 1S310 یک دیود معمولی و دیود 1S2049 یک دیود واراکتور است.

روش اروپایی: در روش اروپایی تا سال 1960 تمامی دیودها را با حروف OA و تعدادی شماره به دنبال آن مشخص می‌کردند که با مراجعه به جدول مشخصات دیودها می‌توانستیم مشخصات الکتریکی آن را به دست آوریم. مانند دیود OA34 اما از سال 1960 به بعد این روش نامگذاری تغییر کرد. نحوه تغییر به این صورت بود که دیودهایی که بیشتر در مدارات رادیو و تلویزیون به کار می‌روند با دو حرف و سه شماره مشخص می‌شوند و دیودهایی که کاربرد آنها در مدارات مخصوصی می‌باشد با سه حرف و دو شماره معین می‌شوند. روش دو حرفی و سه شماره‌ای به این صورت است که حرف اول جنس نیمه‌هادی به کار رفته در دیود را مشخص می‌کند. اگر دیود از جنس ژرمانیوم باشد با حرف A و اگر از جنس سیلیسیوم باشد با حرف B مشخص می‌شود. حرف دوم نوع دیود را مشخص می‌کند که حرف A بیانگر دیود معمولی یکسوکننده، حرف B بیانگر دیود واراکتور، حرف Y بیانگر دیود یکسوکننده قدرت و حرف Z بیانگر دیود زنر است. بعد از این حروف شماره‌هایی آورده می‌شود که می‌توان با استفاده از آنها و با مراجعه به جدول مشخصات دیودها، مشخصات الکتریکی دیود را به دست آورد. مثلاً دیود BA316 یک دیود یکسوکننده معمولی سیلیسیومی است و برای به دست آوردن مشخصات الکتریکی آن باید به جدول مشخصات دیودها مراجعه کرد. لازم به تذکر است که در اکثر مواقع در مورد نامگذاری دیود زنر، ولتاژ زنر را نیز بر روی آن قید می‌کنند.

روش آمریکایی: در این روش از عدد 1 و حرف N و تعدادی شماره که به دنبال آن می‌آید استفاده می‌شود. در این روش جنس و نوع دیود مشخص نمی‌باشد. با توجه به شماره‌ای که بعد از 1N می‌آید می‌توان با مراجعه به جدول مشخصات دیودها مشخصات الکتریکی و نوع دیود را تعیین کرد. مثلاً دیود 1N4007 یک دیود یکسوکننده است که مشخصات الکتریکی آن را می‌توان از جداول مربوطه به دست آورد. بعضی مواقع نیز به جای ارقام بعد از 1N از کدهای رنگی استفاده می‌شود. زمانی که از کدهای رنگی استفاده می‌شود از چاپ 1N صرفنظر می‌شود. کدهای رنگی مانند مقاومت‌ها می‌باشد با این تفاوت که شماره رنگ‌ها به دنبال هم قرار می‌گیرد. مثلاً دیود نمایش داده شده در شکل (28)، دیود 1N4148 می باشد.