مقاله در مورد دیود زنر

بخشی از مقاله

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 شكستن پيوند هاي بيشتر مي شوند .

بدين ترتيب پيوندها بطور تصاعدي يا زنجيري و يا بصورت پديده ي بهمني شكسته مي شوند و اين باعث مي شود كه ولتاژ دو سر ديود تقريبأ ثابت مانده و جريان آن افزايش يافته و بواسطه ي مدار خارجي محدود مي شود . چنين ديود هايي داراي ضريب درجه ي حرارتي مثبت هستند . زيرا با افزايش درجه ي حرارت اتمهاي متشكله كريستال به ارتعاش در آورده ، در نتيجه احتمال برخورد حاملهاي اقليت با يونها ، بهنگام عبور از منطقه بار فضا زيادتر مي گردد . به علت زياد شدن برخوردها احتمال اينكه انرژي جنبشي حفره يا الكترون بين دو برخورد متوالي بمقدار لازم براي شكست پيوند برسد كمتر شده و در نتيجه ولتاژ شكست افزايش مي يابد.
همانطور كه در مبحث الكتريسته گفتيم عناصر ژرمانيوم و سيليكون در آخرين مدار ي

ا لايه اتمي خود داراي 4 الكترون هستند كه تمايل به جذب يا از دست دادن الكترون ها به منظور تكميل مدار آخر خود تا رسيدن به 8 الكترون را دارند. با اضافه كردن مقدار كمي اتم نا خالصي به نيمه هادي مذكور امكان ازدياد بار الكتريكي بوجود خواهد آمد مثلا" تركيب اتم ژرمانيوم كه داراي 4 الكترون در مدار خارجي مي باشد با ارسنيك كه 5 الكترون دارد پيوندهاي مشتركي با يك الكترون اضافي براي هر اتم نا خالصي ارسنيك بوجود مي آيد در نتيجه جسم حاصل منفي ويا نيمه هادي

نوع N حاصل مي شود .براي حالت عكس هم به همين ترتيب است يعني اگر مقداري ژرمانيوم را با مقداري گاليوم كه داراي 3 الكترون در مدار خارجي است مخلوط كنيم بعد از تشكيل پيوند اشتراكي با اتم ناخالصي مجموعا" 7 الكترون به جاي 8 الكترون در مدار خارجي بدست مي آيد. كمبود يك الكترون براي هر پيوند اشتراكي با اتم خالصي به منزله يك بار مثبت است كه آن را حفره مي نامند اين نوع اضافه كردن باعث بوجود آمدن نيمه هادي نوع P با بار مثبت مي شود . از نيمه هادي هاي ذكر شده در ساخت ديود استفاده مي شود و ديود ها براي يكسو كردن جريان الكتريكي به كار مي رود(يعني تبديل جريان ACبه DC ) ديود مثل يك جاده يك طرفه عمل كرده واز يك سو جريان را از خود عبور مي دهد واز سوي ديگر نه.

يكسو كننده ها- براي شارژ باتري ها،آبكاري،جوشكاري بعضي فلزات ،دستگاه هاي صوتي وتصويري،تجزيه شيميايي و ...احتياج به جريان دايم Dc داريم وچون برق شهر متناوب است بنابراين در دستگاه هاي مختلف به روش هاي گوناگون جريان مذكور را مستقيم مي كنند.لامپ الكتروني ،دينام جريان مستقيم وديود ها از روش هاي معمول يكسو سازي مي باشد كه در اين جا انواع يكسو سازي هاي ديودي كه بيشتر مورد استفاده دارد شرح داده مي شود.
يكسو ساز نيم موج - اگرولتاژ متناوبي را به ديودوصل كنيم هنگامي كه نيم سيكل مثبت به آند مي رسدازآن عبور مي كند به مجرد اينكه نيم سيكل منفي شروع مي شود ديود نيم سيكل منفي را از خود عبور نمي دهد.به اين ترتيب ولتاژ متناوب تبديل به ولتاژ يكسو شده ي ضربان دار مي شود .در خروجي فقط نيم سيكل هاي مثبت وجود دارد براي صاف كردن اين ولتاژ ضرباني از خازن وسيم پيچ يا مقاومت استفاده مي شود .از مشخصه يك سو سازهاي نيم موج افت ولتاژ و عدم كيفيت مي باشد.
يكسو ساز تمام موج - براي بدست آوردن ولتاژ منا

سب و صاف تر از اين يكسو كننده ها استفاده مي شود كه هم نيم سيكل مثبت وهم نيم سيكل منفي را هدايت وتثبيت مي نمايد در شكل زير دو نمونه از آن ها را مي بينيد.

عيب يابي ديودها- اهم متر را روي رنج R×1 قرار مي دهيم وسيم هاي آن را به دو سر ديود متصل مي كنيم اگر عقربه منحرف شد يعني ديود از اين سو جريان عبور مي دهد حال اگر جاي سيم هاي اهم متر را عوض كنيم نبايد عقربه منحرف شود .نتيجه اينكه با اتصال سيم هاي اهم متر ،ديودي كه درهر دو حالت عقربه را منحرف كند وهمچنين ديودي كه درهر دو حالت عقربه را منحرف نكند خراب است .(تذكر :هنگام آزمايش بهتر است يك سر ديود از مدار جدا شود .).

ترانسفور ماتور (مبدل)- تشكيل شده است از هسته اي ازآهن خالص به شكل قاب يا حلقه كه برروي آن دو دسته سيم پيچي شده است كه تعداد حلقه هاي آن متفاوت واز يكديگر مجزاست.به سيم پيچي كه جريان مي دهند اوليه وسيم پيچ يا مدار ديگر را ثانويه مي نامند.با عبور جريان متناوب در مدار سيم پيچ اوليه ،درمدار ثانويه يك جريان الكتريكي القا مي شود كه ولتاژ وشدت جريان بوجود آمده به قطر سيم وتعداد دور آن ها بستگي دارد.وبطور كلي مي توان گفت ترانسفور ماتور مي تواند ولتاژ وشدت را به دلخواه تغيير دهد بدون آنكه توان تغييركند.پس ترانسفور ماتور

ممكن است افزاينده يا كاهنده باشد.در اكثر وسايل صوتي وتصويري از ترانسفور ماتور كاهنده ولتاژ استفاده مي شود از موارد استفاده ترانسفور ماتور ها ،كوره هاي القايي،دستگاه هاي جوشكاري هويه هفت تيري وكويل خود رو را مي توان نام برد (لازم به تذكر است كه ترانسفور ماتور با جريان متناوب كار مي كند.)
ترموستات ها- ترموستات ها كليد هاي خود كاري هستند كه جهت تنظيم درجه حرارت بكار مي روند از انواع آن ها مي توان ترموستات بي متالي وترموستات گازي را نام برد.

ترموستات بي متالي - مي دانيم در اثر گرما فلزات منبسط مي شوند واين انبساط براي فلزات مختلف متفاوت است هر گاه دوقطعه فلز مختلف كه داراي ضريب انبساط حرارتي متفاوت هستند را به هم جوش دهيم وآن را در نزديكي منبع حرارتي مورد نظر ودر مسير جريان برق قرار دهيم هر دو فلز گرم مي شوند وطول آن ها ازدياد مي يابد ولي چون ازدياد طول يكي از فلزات بيشتر از ديگري است لذا دو فلز به يك طرف خم مي شوند اين حركت مستقيما" ويا بوسيله اهرم هايي به يك كنتاكت منتقل شده ومدار را قطع يا وصل مي كند از اين وسيله در فيوزها ،سماور برقي،اتوي برقي و...بالاخره در اكثر وسايل برقي كه در آن ها يك المان حرارتي وجود دارد استفاده مي

شود.همچنين براي حفاظت موتور ها از سوختن نيزمورد استفاده قرار مي گيرد.
ترموستات گازي- اين ترموستات با انبساط وانقباض گازهاي حساس نظير اتر ويا جيوه كار مي كند . گاز مذكور در محفظه اي بنام بلو و لوله مويي همراه آن قرار دارد ودر نزديكي منبع حرارت قرار مي گيرد .بطور خلاصه انبساط گاز درون بلو از طريق لوله مويي به فانوسك مخزن گاز ونهايتا" به پلاتين هاي قطع و وصل جريان فشار وارد كرده وباعث قطع جريان مي شود .با سرد شدن محيط اطراف بلو قضيه بر عكس مي شود. از ترموستات هاي گازي در رادياتور ،در آبگرم كن ها ويخچال ها استفاده مي شود .نمونه ساده تري از ترموستات گازي در رادياتور خود رو استفاده مي

شود.
از اتصال دولایه p & n دیود درست می شود
1- بعد از پیوند نیمه هادی نوع p & n کنار یکدیگر ، الکترونهای آزاد و حفره ها از محل پیوند عبور کرده ، با هم ترکیب می شوند و تشکیل یک لایه سد یا عایق می دهند .
2- یک منطقه تخلیه در محل پیوند ها ایجاد می شود که فاقد الکترونهای آزاد و حفره ها می باشد ، لکن اتمهایی که الکترون از دست داده و یا گرفته اند ، در دو طرف لایه سد و در منطقه تخلیه وجود دارند .

3- اتمهای یونیزه شده ، ایجاد سد پتانسیل می کنند که برای نیمه هادی ژرمانیومی حدود ۰.۲ ولت است و برای نیمه هادی سیلسیمی حدود ۰.۶ ولت است .
4- سد پتانسیل باعث که از حرکت و ترکیب بیشتر الکترونها و حفره ها در لایه سد جلوگیری به عمل آید .
5- کریستال نیمه هادی نوع p دارای بار الکتریکی مثبت و کریستال نیمه هادی n دارای بار الکتریکی منفی می باشد .
بایاس دیود
وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می گویند .
بایاس مستقیم
اگرنیمه هادی نوع p به قطب مثبت باتری و نیمه هادی نوع n به قطب منفی آن وصل شود و ولتاژ از پتانسیل سد دیود بیشترباشد ، در مدار جریان بر قرار خواهد شد .
بایاس معکوس
اگر قطب مثبت باتری به نیمه هادی نوع n وصل شود و قطب منفی باتری به نیمه هادی نوع p وصل شود ، جریانی در مدار نخواهیم داشت .

تست دیود
همانطور که گفته شد اگر دوید در بایاس موافق یا معکوس قرار بگیرد جریان را از خود عبور می دهد و ما می توانیم دیود را با یک مدار ساده سری کنیم ( البته با رعایت قطبهای دیود و باتری ) اگر مدار شروع به کار کرد پس دیود سالم است و در غیر این صورت دیود سوخته شده است .
انواع دیود ها
- دیود اتصال نقطه ای
2- دیود زنر
3- دیود نور دهنده LED
4- دیود خازنی ( واراکتور )
5- فتو دیود
دیود اتصال نقطه ای
دیود های معمولی در بایاس معکوس ایجاد ظرفیت خازنی ( حدود PF ) می کنند . اگر بخواهیم در فرکانس های بالا به کار می بریم ، به علت ظرفیت خازنی در بایاس معکوس ، جریان در مدار عبور می کند . چون در فرکانس های بالا مقاومت دیود کم می شود . برای جلوگیری از این کار از دیود اتصال نقطه ای استفاده می کنیم
دیود زنر
یود زنر ، مانند یک دیود معمولی از دو نیمه هادی نوع P & N ساخته می شود . اگر یه دیود معمولی را در بایاس معکوس اتصال دهیم و ولتاژ معکوس را زیاد کنیم ، در یک ولتاژ خاص ، دیود در بایاس معکوس نیز شروع به هدایت می کند . ولتاژی که دیود در بایاس مخالف ، شروع به هدایت می کند ، به ولتاژ زنر معروف است و با تنظیم نا خالصی می توان ولتاژ شکسته شدن پیوند ها را کنترل کرد
ولتاژ زنر : ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس ، هادی می شود به ولتاژ زنر معروف است .

دیود نوردهنده LED
این دوید از دو نوع نیمه هادی P & N تشکیل شده است . هر گاه این دیود ، در بایاس مستقیم ولتاژی قرار گیرد و شدت جریان به اندازه کافی باشد ، دیود ، از خود نور تولید می کند . نور تولید شده در محل اتصال دو نیمه هادی تشکیل می شود . نور تولیدی بستگی به جنس به کار برده شده در نیمه هادی دارد . این لامپ چند مزایا بر لامپ های معمولی دارد که عبارتند از:
1- کوچک بودن و نیاز به فضای کم
2- محکم بودن و داشتن عمر طولانی ( حدود صد هزا

ر ساعت کار )
3- قطع و وصل سریع نور
4- تلفات حرارتی کم
5- ولتاژ کار کم ، بین ۱.۷ ولت تا 3.3 ولت
6- جریان کم حدود چند میلی آمپر با نور قابل رویت
7- توان کم ، حدود ۱۰ تا ۱۵۰ میلی وات
دیود خازنی ( واراکتور )
این دیود از دو نیمه هادی نوع P & N تشکیل می شود . دیود خازنی در واقع دیودی است که به جای خازن بکار می رود و مقدار ظرفیت آن با ولتاژ دو سر آن رابطه عکس دارد
فتو دیود
این دیود از دو نیمه هادی نوع P & N تشکیل می شود . با این تفاوت که محل پیوند P & N ، جهت تابانیدن نور به آن از مواد پلاستیکی سیاه پوشیده نمی باشد ، بلکه توسط شیشه و یا پلاستیک شفاف پوشیده می گردد تا نور بتواند با آسانی به آن بتابد . روی اکتر فتو دیود ها یک لنز بسیار کوچک نصب می شود تا بتواند نور تابانیده شده به آن را متمرکز کرده و به محل پیوند برساند .
ديود نوری
قطعات دو پایانه طراحی شده برای پاسخ به جذب فوتون ، دیودهای نوری نامیده می‌شوند. برخی از دیودهای نوری سرعت پاسخ و حساسیت بسیار بالایی دارند. از آنجایی که ‌الکترونیک نوین علاوه بر سیگنالهای الکتریکی اغلب دارای سیگنالهای نوری نیز می‌باشد، دیودهای نوری نقش مهمی ‌را به عنوان قطعات الکترونیک ایفا می‌کنند. غالبا از قطعات پیوندی برای بهبودی سرعت پاسخ و حساسیت آشکارسازهای نوری یا تابشهای پر انرژی استفاده می‌شود.
ولتاژ و جریان در یک پیوند نور تابیده

رانش حاملین بار اقلیت در دو سر یک پیوند تولید جریان می‌کنند، بویژه حاملین بار تولید شده در ناحیه تهی w توسط میدان پیوند جدا شده ‌الکترونها در ناحیه n و حفره‌ها در ناحیه p جمع می‌شوند. همچنین حاملین بار اقلیت که به صورت گرمایی در فاصله یک طول نفوذ از طرفین پیوند تولید می‌شوند، به ناحیه تهی نفوذ کرده و توسط میدان الکتریکی به طرف دیگر جاروب می‌شوند. اگر پیوند بطور یکنواخت توسط فوتون‌های با انرژی hv>Eg تحت تابش قرار گیرد، یک نرخ تولید اضافی در این جریان مشارکت می‌کند و ولتاژ مستقیم در هر دو سر یک پیوند نور تابیده به نام پدیده فوتوولتائیک ایجاد می‌شود.
باتریهای خورشیدی
امروزه برای تأمین توان الکتریکی مورد نیاز بسیاری از ماهواره‌های فضایی از آرایه‌های باتری خورشیدی از نوع پیوندی p-n استفاده می‌شود. باتریهای خورشیدی می‌توانند توان مورد نیاز تجهیزات داخل یک ماهواره را در مدت زمان طولانی فراهم سازند. آرا

یه‌های پیوندی را می‌توان در سطح ماهواره توزیع و یا اینکه در باله‌های باتری خورشیدی متصل به بدنه ‌اصلی ماهواره جا داد. برای بهره گیری از بیشترین مقدار انرژی نوری موجود ، لازم است که باتری خورشیدی دارای پیوندی با سطح مقطع بزرگ و در نزدیکی سطح قطعه باشد. پیوند سطحی توسط نفوذ یا کاشت یون تشکیل شده و برای جلوگیری از انعکاس و نیز کاهش بازترکیب ، سطح آن با مواد مناسب پوشیده می‌شود.
آشکارسازهای نوری
یک چنین قطعه‌ای برای اندازه گیری سطوح روشنایی یا تبدیل سیگنالهای نوری متغیر با زمان به سیگنالهای الکتریکی وسیله‌ای مناسب است. در بیشتر آشکارسازهای نوری سرعت پاسخ آشکارساز بسیار مهم است. مرحله نفوذ حاملین بار امری زمان‌بر است و باید در صورت امکان حذف شود. پس مطلوب است که پهنای ناحیه تهی به ‌اندازه کافی بزرگ باشد تا اکثر فوتون‌ها به‌جای نواحی خنثی n و p در درون ناحیه تهی جذب شوند. وقتی که یک EHP در ناحیه تهی بوجود آید، میدان الکتریکی ، الکترون را به طرف n و حفره را به طرف p می‌کشد. چون این رانش حاملین بار در زمان کوتاهی رخ می‌دهد، پاسخ دیود نوری می‌تواند بسیار سریع باشد. هنگامی ‌که حاملین بار عمدتا در ناحیه تهی w ایجاد شوند، به آشکارساز یک دیود نوری لایه تهی گفته می‌شود. اگر w پهن باشد، اکثر فوتونهای تابشی در ناحیه تهی جذب خواهند شد. w پهن منجر به کاهش ظرفیت پیوند شده و در نتیجه ثابت زمانی مدار آشکارساز را کاهش می‌دهد.
نحوه کنترل پهنای ناحیه تهی
روش مناسب برای کنترل پهنای ناحیه تهی ساختن یک آشکارساز نوری p-i-n است. ناحیه i مادامی که مقاومت ویژه زیاد است، لزومی ‌ندارد که حقیقتا ذاتی باشد. می‌توان آن را به روش رونشستی روی بستر نوع n رشد داد و ناحیه p را توسط نفوذ ایجاد کرد. هنگامی‌ که ‌این قطعه در گرایش معکوس قرار می‌گیرد، ولتاژ وارده تقریبا بطور کامل در دو سر ناحیه i ظاهر می‌شود. برای آشکارسازی سیگنالهای نوری ضعیف اغلب مناسب است که دیود نوری در ناحیه شکست بهمنی مشخصه‌اش عمل کند.
نویز و پهنای باند آشکارسازهای نوری

در سیستمهای مخابرات نوری حساسیت آشکارسازهای نوری و زمان پاسخ آنها بسیار مهم است. متاسفانه ‌این دو ویژگی عموما با هم بهینه نمی‌شوند. مثلا در یک آشکارساز نوری بهره به نسبت طول عمر حاملین بار به زمان گذار وابسته ‌است. از سوی دیگر پاسخ فرکانسی نسبت عکس با طول عمر حاملین بار دارد. معمولا حاصلضرب بهره در پهنای باند را به عنوان ضریب شایستگی برای آشکارسازها ملاک قرار می‌دهند. طراحی برای افزایش بهره سبب کاهش پهنای باند می‌شود و برعکس ویژگی مهم دیگر آشکارسازها نسبت سیگنال به نویز است که مقدار اطلاعات مفید در مقایسه با نویز در زمینه آشکارساز را نشان می‌دهد. منبع اصلی نویز در نور رساناها نوسانات اتفاقی در جریان تاریک است. جریان نویز در تاریکی متناسب ، دما و رسانایی ماده ‌افزایش می‌یابد. افزایش مقاومت تاریک همچنین بهره نور رسانا را افزایش داده و بالطبع باعث کاهش پهنای باند می‌شود.
کاربرد دیود نوری
کاربرد باتریهای خورشیدی محدود به فضای دور نیست. حتی با تضعیف شدت تابش خورشید توسط جو می‌توان توسط این باتریها توان مفیدی را برای کاربردهای زمینی بدست آورد. یک باتری خوش ساخت از سیلیسیوم می‌تواند دارای بازده خوب در تبدیل انرژی الکتریکی باشد.
یک عنصر نیمه هادی دو سر است که جریان الکتریکی را یکسو می‌کند.

دیودها دارای قطب مثبت (آنود) و منفی (کاتود) هستند و جریان را فقط هنگامیکه از سمت مثبت وارد ی‌شود (بایاس مستقیم) از خود عبور می‌دهند.
قطب کاتود معمولاً روی بدنه دیود نشانه گذاری شده است.
دیود نوری (LED) و دیود زینر نمونه‌های دیگری از انواع دیودها هستند.