تحقیق در مورد دیود و انواع آن

بخشی از مقاله

ديود و انواع آن

دیود متغییر
دیدکلی
وقتی که دیودی در بایاس معکوس قرار می‌گیرد، با افزایش ولتاژ معکوس لایه تهی تقریبا فاقد حاملهای بار الکتریکی است، شبیه به یک عایق یا دی‌الکتریک عمل می‌کند. از سوی دیگر نواحی n و p شبیه به رسانای خوب عمل می‌کنند. با یک تجسم ساده می‌توان نواحی p و n را در دو طرف لایه تهی مانند یک خازن تخت موازی در نظر گرفت. از این جهت ظرفیت این خازن تخت موازی را ظرفیت خازن انتقال یا ظرفیت لایه تهی گویند. ظرفیت خازن انتقال (Ct) هر دیود با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می‌یابد. دیودهای سیلسیوم که برای این اثر ظرفیتی طراحی و بهینه شده‌اند، دیود با ظرفیت متغیر یا ورکتور نام دارند.

ساخت دیود متغیر
در دیود متغیر ، رابطه ظرفیت دیود با پتانسیل گرایش معکوس به صورت است، که اگر پیوند خطی باشد، است. ولی اگر پیوند تیز باشد، است. پس حساسیت ولتاژ برای یک پیوند تیز بیشتر از پیوند شیبدار خطی است. به این دلیل ورکتور غالبا با روشهای آلیاژی یا رشد رونشستی و یا کاشت یونی ساخته می‌شوند.

مشخصات لایه رونشستی و ناخالصی بستر را می‌توان طوری انتخاب کرد که پیوندهای با نمای n بزرگتر از بدست آید. چنین پیوندهایی فوق تیز نامیده می‌شوند. ورکتور موازی با یک القاگر تشکیل یک مدار تشدید می‌دهد. با تغییر ولتاژ معکوس ورکتور می‌توانیم فرکانس تشدید را تغییر بدهیم. این کنترل الکترونیکی فرکانس تشدید در موارد مختلف مدارهای الکترونیکی کاربرد فراوان دارد.
کاربرد دیود متغیر

دیود متغیر یا ورکتور به شکل متداولتری برای بهره‌گیری ویژگی‌های ولتاژ متغیر ظرفیت بکار می‌رود. مثلا یک ورکتور با مجموعه‌ای از ورکتورها را می‌توان در طبقه تنظیم ، که گیرنده رادیویی به جای خازن حجیم صفحه متغیر ظرفیت مورد استفاده قرار داد. در این صورت اندازه مدار می‌تواند بسیار کوچک شده قابلیت اطمینان آن بهتر شود. از دیگر کاربردهای ورکتورها می‌توان به تولید رمونی‌ها ، ضرب فرکانس‌های مایکرویو ، فیلتر‌های فعال اشاره کرد.

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).
مشخصه دیود در گرایش مستقیم

فرض کنید توسط مداری بتوانیم ولتاژ دو سر یک دیود را تغییر دهیم و توسط ولتمتر و آمپرمتر ولتاژ و جریان دیود را در هر لحظه اندازه گیری کرده ،بر روی محورهای مختصات رسم نماییم.جریان I در جهتی است که دیود قادر به عبور آن است .به همین علت اصطلاحاَ گفته می شود دیود در گرایش مستقیم یا بایاس مستقیم است . در هر حال اگر توسط پتانسیومتر ولتاژ دو سر دیود را از صفر افزایش دهیم ،مشاهده می شود تا ولتاژ به خصوصی ، جریان قابل ملاحظه ای از دیود عبور نمی کند.به این ولتاژ زانو می گویند ،این ولتاژبرای دیودهای از جنس ژرمانیم 2/0 ولت و برای دیودهای سیلیسیم 7/0 ولت است .تا ولتاژ زانو اگرچه دیود در جهت مستقیم است ، اما هنوز دیود روشن نشده است .از این ولتاژ به بعد ، به طور ناگهان جریان در مدار افزایش یافته و هرچه ولتاژ دیود را افزایش دهیم ، جریان دیود افزایش می یابد .
مشخصه دیود در گرایش معکوس

هرگاه جهت دیود را تغییر داده یعنی برعکس حالت گرایش مستقیم ، در جهت بایاس معکوس جریان مدار خیلی کم بوده و همچنین با افزایش ولتاژ معکوس دو سر دیود جریان چندان تغییر نمی کند به همین علت به آن جریان اشباع دیود گویند که این جریان حاصل حاملهای اقلیت می باشد . حدود مقدار این جریان برای دیودهای سیلیسیم ،نانو آمپر و برای دیودهای ژرمانیم حدود میکرو آمپر است. ارگ ولتاژ معکوس دیود را همچنان افزایش دهیم به ازاء ولتاژی ، جریان دیود به شدت افزایش می یابد . ولتاژ مزبور را ولتاژ شکست دیود می نامند و آنرا با VB نشان می دهند . دیودهای معمولی ،اگر در ناحیه شکست وارد شوند از بین می روند .(اصطلاحاَ می سوزند).

بنابر این ولتاژ شکست دیود یکی از مقادیر مجاز دیود است که توسط سازنده معین می گردد و استفاده کننده از دیود باید دقت نماید تا ولتاژ معکوس دیود به این مقدار نرسد.
البته در حالت مستقیم نیز جریان دیود اگر از حدی تجاوز نماید به علت محدودیت توان دیودباعث از بین رفتن دیود می گردد.این مقدار نیز یکی از مقادیر مجاز دیود است و به آن جریان مجاز دیود گفته می شود و توسط سازنده دیود معین می گردد.

ديود زنر
ديود زنر:
ديود هاي زنر يا شكست ، ديود هاي نيمه هادي با پيوند p-n هستند كه در ناحيه باياس معكوس كار كرده و داراي كاربردهاي زيادي در الكترونيك ، مخصوصآ به عنوان ولتاژ مبنا و يا تثبيت كننده ي ولتاژ دارند.

هنگاميكه پتانسيل الكتريكي دو سر ديود را در جهت معكوس افزايش دهيم در ولتاژ خاصي پديده شكست اتفاق مي افتد، بد ين معني كه با افزايش بيشتر ولتاژ ، جريان بطور سريع و ناگهاني افزايش خواهد داشت. ديود هاي زنر يا شكست ديود هايي هستند كه در اين ناحيه يعني ناحيه شكست كار ميكنند و ظرفيت حرارتي آنها طوري است كه قادر به تحمل محدود جريانمعيني در حالت شكست مي باشند، براي توجيه فيزيكي پديده شكست دو نوع مكانيسم وجود دارد.

مكانيسم اول در ولتاژهاي كمتر از 6 ولت براي ديودهايي كه غلظت حامل ها در آن زياد است اتفاق مي افتد و به پديده شكست زنر مشهور است. در اين نوع ديود ها به علت زياد بودن غلظت ناخالصي ها در دو قسمت p و n ، عرض منطقه ي بار فضاي پيوند باريك بوده و در نتيجه با قرار دادن يك اختلاف پتانسيل v بر روي ديود (پتانسيل معكوس) ، ميدان الكتريكي زيادي در منطقه ي پيوند ايجاد مي شود.

با افزايش پتانسيل v به حدي مي رسيمكه نيروي حاصل از ميدان الكتريكي ، يكي از پيوند هاي كووالانسي را مي شكند. با افزايش بيشتر پتانسيل دو سر ديود از انجايي كه انرژي يا نيروهاي پيوند كووالانسي باند ظرفيت در كريستال نيمه هادي تقريبأ مساوي صفر است ، پتانسيل تغيير چنداني نكرده ، بلكه تعداد بيشتري از پيوندهاي ظرفيتي شكسته شده و جريان ديود افزايش مي يابد.

آزمايش نشان ميدهد كه ضريب حرارتي ولتاژ شكست براي اين نوع ديود منفي است ، يعني با افزايش درجه حرارت ولتاژ شكست كاهش مي يا بد. بنابر اين ديود با ولتاژ كمتري به حالت شكست مي رود (انرژي باند غدغن براي سيليكن و ژرمانيم در درجه حرارت صفر مطلق بترتيب 1.21 و0.785 الكترون_ولت است، و در درجه حرارت 300 درجه كلوين اين انرژي براي سيليكن ev 1.1و براي ژرمانيم ev0.72 خواهد بود). ثابت مي شود كه مي دان الكتريكي لازم براي ايجاد پديده زنر در حدود 2*10است.

اين مقدار براي ديود هايي كه در آنها غلظت حامل ها خيلي زياد است در ولتاژهاي كمتر از 6 ولت ايجاد مي شود . براي ديودهايي كه داراي غلظت حاملهاي كمتري هستند ولتاژ شكست زنر بالاتر بوده و پديده ي ديگري بنام شكست بهمني در آنها اتفاق مي افتد (قبل از شكست زنر) كه ذيلأ به بررسي آن مي پردازيم.

مكانيسم ديگري كه براي پديده شكست ذكر مي شود ، مكانيسم شكست بهمني است. اين مكانيسم در مورد ديودهايي كه ولتاژ شكست آنها بيشتر از 6 ولت است صادق مي باشد . در اين ديود ها به علت كم بودن غلظت ناخالصي ، عرض منطقه ي بار فضا زياد بوده و ميدان الكتريكي كافي براي شكستن پيوندهاي كووالانسي بوجود نمي آيد ، بلكه حاملهاي اقليتي كه بواسطه انرژي حرارتي آزاد مي شود ، در اثر ميدان الكتريكي شتاب گرفته و انرژي جنبشي كافي بدست آورده و در بار فضا با يون هاي كريستال برخورد كرده و در نتيجه پيوندهاي كووالانسي را مي شكنند . با شكستن هر پيوند حاملهاي ايجاد شده كه خود باعث شستن پيوند هاي بيشتر مي شوند .