دیود (Diode) چیست؟

نماد دیود

با توجه به این‌که دیود الکترونیکی جریان الکتریکی را تنها در یک جهت عبور می‌دهد، بنابراین نماد استفاده شده برای آن نیز بایستی بیان‌گر این موضوع باشد. در شکل زیر مسیر جریان عبوری از یک دیود و هم‌چنین نماد استفاده شده برای آن نشان داده شده است.

شکل ۱

بردار مشکی رنگِ ▶ جهت جریان الکتریکیِ i را نشان می‌دهد. جهت مثبت دیود،‌ پایه‌ای است که جریان الکتریکی به آن وارد و جهت منفی دیود، پایه‌ای است که جریان از آن خارج می‌شود. احتمالا شما نیز متوجه مفهوم این نماد شده‌اید. خط عمودی استفاده شده نشان می‌دهد که جریان، اجازه عبور از سمت راست به چپ را ندارد.

ترمینال

با توجه به آن‌چه که در بالا بیان شد، نماد دیود الکترونیکی، جهت جریان الکتریکی را به ما نشان می‌دهد. به بخش منفی دیود، «کاتد» (Cathode) و به بخش مثبت آن،‌ «آند» (Anode) گفته می‌شود. در شکل ۱ این بخش‌ها نشان داده شده‌اند. این دو بخش ترمینال‌های یک دیود نامیده می‌شوند.

تشخیص ترمینال‌ها در یک دیود واقعی

دیود‌ها به شکل قطعاتی بسیار کوچک از سیلیکون طراحی و ساخته می‌شوند. راه‌های مختلفی جهت تشخیص پایه‌های یک دیود الکترونیکی وجود دارد. معمولا‌ در دیود‌های به شکل شیشه یا پلاستیکِ مشکی، بخشی مجزا توسط یک نوار مشخص شده است. نوار مجزا شده، ترمینالِ کاتد دیود را نشان می‌دهد. در زیر دو نمونه از این‌گونه دیو‌دها به نمایش در آمده.

در LED‌ها نیز پایه‌ها با اندازه متفاوت ساخته می‌شوند. جریان از سمت پایه بلند‌تر به دیود وارد شده و از سمت پایه کوتاه‌تر خارج می‌شود. از این رو پایه بلند‌تر آند و کوتا‌ه‌تر، کاتد را نشان می‌دهند. شماتیک زیر یک LED و ترمینال‌هایش را ترسیم کرده‌ است.

جریان مستقیم و معکوس

بسته به نوع کاربری، دیود‌ها را می‌توان به‌شکل‌های گوناگونی در یک مدار قرار داد. در هرکدام از این حالات، جریان برقرار شده در دیود به‌صورت متفاوتی عمل می‌کند.

جریان مستقیم

فرض کنید در دو سر یک دیود سیلیکونی، ولتاژی برابر با ۰.۲V اعمال شود. با اعمال این ولتاژ اندک، جریان الکتریکی در دیود برقرار نخواهد شد. زمانی‌که اندازه ولتاژ تا ۰.۶V افزایش یابد، جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری در دیود برقرار خواهد شد. با افزایشِ بیشتر از این مقدار، جریان به‌سرعت در دیود افزایش خواهد یافت. در این نقطه، نمودار i-v تقریبا به‌صورت عمودی خواهد شد. شکل زیر نمودار جریان-ولتاژ برای دیودی سیلیکونی نشان داده شده.

با توجه به مفاهیم بالا، زمانی که ولتاژی مثبت دو سر یک دیود الکترونیکی اعمال شود، به حالت ایجاد شده، «بایاس مستقیم» (Forward Bias) گفته می‌شود. در حقیقت زمانی یک دیود بایاس مستقیم است که در تمامی نقاط، ولتاژ در بخش مثبت قرار گرفته باشد. در شرایطی نرمال، ولتاژ در حالت بایاس مستقیم، بین ۰.۶ تا ۰.۷۵ ولت است. اگر ولتاژ اعمال شده، در شرایطی اجباری بیشتر از ۰.۷۵ ولت شود، جریان الکتریکی بسیار زیاد خواهد شد که منجر به داغ شدن دیود می‌شود.

جریان معکوس

اگر ولتاژی منفی دو سر دیود اعمال شود، پایه – در پتانسیل بیشتری نسبت به + قرار دارد. در این حالت در بخش سمت چپ شکل ۲ قرار داریم. به دیود در این حالت،‌ دیود با بایاس معکوس (Reverse Bias) گفته می‌شود. در حالت معکوس، اندازه جریان الکتریکی تقریبا نزدیک به صفر و دارای مقداری منفی است.

در مواردی به این جریان، «جریان اشباع معکوس» (Reverse Saturation Current) نیز گفته می‌شود. اندازه این جریان در دیود‌های استاندارد بین Is=10^-۹ A تا Is=10^-۱۲ A است؛ البته در تحلیل‌های الکتریکی این مقدار را برابر با صفر در نظر می‌گیرند.

دیود در حالت بایاس، در بعضی موارد ممکن است نتواند نقش خود را ایفا کند. برای نمونه در ولتاژ‌های بالا، تحت عنوان «ولتاژ شکست» (Breakdown Voltage) یا V_BR، دیود همانند یک رسانا عمل کرده و جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهد. در لحظه شکست، جریان به‌سرعت و در جهت معکوس افزایش می‌یابد. اندازه V_BR در یک دیود معمولی حدود $$-\mathrm{۵۰}V$$ است. در اکثر موارد تلاش بر این است که دیود به دور از ولتاژ شکست نگه داشته شود.

رابطه بین جریان و ولتاژ در یک دیود

رابطه جریان-ولتاژ برای یک دیود، با استفاده از ثابت‌های تعیین شده در آزمایشگاه، مشخص می‌شود. معمولا رابطه بین جریان و ولتاژ را در دیود‌ها مطابق با معادله زیر در نظر می‌گیرند.

در این رابطه، q ،k ،v ،T به ترتیب نشان دهنده دما، ولتاژ دو سر دیود، ثابت بولتزمن و بار الکترون هستند. مقادیر k و q برابر هستند با:

رابطه بالا به ازای مقادیر مثبت ولتاژ صادق است. در حقیقت این مفهوم یک‌طرفه بودن دیود را نشان می‌دهد. در نمودار زیر منحنی مبتنی بر معادله بالا نشان داده شده است.

با استفاده از این فرضیات، رابطه ولتاژ-جریان در دمای اتاق را می‌توان به‌ شکل زیر بدست آورد.

معمولا از این معادله بصورت تحلیلی جهت توصیف رفتار دیود استفاده نمی‌شود. معمولا از تحلیل نموداری و تصویری جهت توصیف رفتار دیود استفاده می‌شود.

شاید تعجب کنید که به چه دلیل نمودار بالا، حالتی نمایی ندارد؛ دلیل این امر نشان دادن جریان الکتریکی بر حسب میلی‌آمپر است. در حقیقت اگر این رابطه بر حسب پیکو آمپر رسم شود، شکل زیر بدست می‌آید.

در شکل بالا I_S نشان دهنده جریان اشباع است. همچنین در این شکل مقادیر اندک جریانِ اشباعِ منفی، قابل روئیت است. مقدار جریان معکوس اشباع،‌ در دیود‌های سیلیکونی حدود ^۱۲-۱۰ و در دیود‌های ژرمانیومی حدود ^۶-۱۰ آمپر است. توجه داشته باشید که رابطه ۱ بیان کننده یک مدل‌سازی است و نمی‌توان از آن به‌عنوان یک قانون یاد کرد. بنابراین در حالت کلی رابطه بین جریان و ولتاژ در یک دیود به نحوه ساخت، جنس، دما و غیره وابسته است.