زمان مطالعه: ۶ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به قطعه الکترونیکی دیود بپردازیم. فیزیک و ساختار قطعه دیود بر اساس پیوندگاه p-n است. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

پیشنهاد می‌کنیم تا قبل از مطالعه این مقاله، نگاهی بر دو مقاله مهم که پیشنیازی بر این مقاله هستند، داشته باشید.

پیوند p-n

اگر یک نیمه رسانا نوع n را به یک نیمه رسانای نوع p متصل کنیم، ساختار حاصل به پیوند p-n موسوم است. لازم به ذکر است که مرز مشترک در این پیوند را پیوندگاه p-n می‌گویند.

پیوند p - n
اتصال دو نیمه رسانای نوع n و نوع p به یکدیگر

یکی از ویژگی‌های جالب توجه ساختار یا پیوند p-n این است که اگر در یک مدار الکتریکی (الکترونیکی) قرار گیرد، جریان الکتریکی را تنها از یک سمت عبور می‌دهد. در فیزیک و علم الکترونیک قطعه‌ای که دارای ساختار یا پیوند p-n است، به دیود موسوم است.

با توجه به اینکه قطعه دیود‌، جریان الکتریکی را تنها از یک سمت عبور می‌دهد، می‌توان گفت که دیود را قطعه‌ای دانست که مقاومت آن برای جریان‌هایی که در یک سوی معین گذر می‌کنند، بسیار ناچیز و برای جریان‌های سوی مخالف بسیار زیاد است. به همین جهت است که قطعه دیود را یکسو کننده نیز می‌نامند.

نماد مداری قطعه دیود به شکل زیر است. در این نماد، جهت پیکان، جهت حرکت جریان الکتریکی را نشان می‌دهد.

نماد مداری دیود
عبور جریان الکتریکی تنها در یک سو توسط دیود (به لامپ و علامت قطب‌های باتری توجه کنید).

فیزیک پیوند p-n

در مقاله (مواد نیمه رسانا) دیدیم که نیمه رسانای نوع n دارای الکترون آزاد (اضافی) و نیمه رسانای نوع p دارای حفره آزاد (اضافی) است.

هنگامی که پیوند p-n را تشکیل می‌دهیم، الکترون‌هایی که در طرف نیمه رسانای نوع n در نزدیکی مرز مشترک یعنی در نزدیکی پیوندگاه قرار دارند، به طرف نیمه رسانای نوع p (دارای حفره) می‌روند و در نتیجه یون‌هایی مثبت که قادر به حرکت نیستند را در ناحیه نوع n بر جای می‌گذارند.

همچنین به طور مشابه، حفره‌های ناحیه p به سمت ناحیه n می‌روند و ناحیه‌ای از بارهای منفی ثابت را برجای می‌گذارند. با این اوصاف وقتی الکترون‌های آزاد و حفره‌های ازاد که از دو ناحیه می‌آیند و به هم می‌رسند، با یکدیگر ترکیب می‌شوند و یکدیگر را خنثی می‌کنند. در نتیجه در ناحیه پیوندگاه p-n از تعداد حاملان بار ازاد کم می‌شود.

پیوندگاه p - n
در ناحیه تهی حاملان بار بسیار کم بوده و حاملان برای امکان عبور از ناحیه تهی باید انرژی بیشتر از انرژی سد پتانسیل به دست آورند.

از آنجایی که تعداد حاملان بار در پیوندگاه p-n بسیار کم است، این ناجیه را ناحیه تهی می‌نامند. لازم به ذکر است که ناحیه تهی در پیوند p-n عرض معینی دارد. چرا که به دلیل این جابه‌جایی‌ها و حضور یون‌های ثابت یک میدان الکتریکی داخلی به وجود می‌آید و از رفتن الکترون‌های بیشتر از ناحیه n به ناحیه p و رفتن حفره‌های از ناحیه p به ناحیه n حلوگیری می‌کند. لذا عرض ناحیه تهی نمی‌تواند از یک مقدار معینی بیشتر شود. در شکل زیر جهت میدان الکتریکی با پیکان زرد رنگ از ناحیه n به طرف ناحیه p نمایش داده شده است.

دیود
شماتیکی از ساختار دیود و نمودار پتانسیل الکتریکی آن. حاملان جهت عبور از ناحیه تهی باید از سد پتانسیل عبور کنند. منظور از سد پتانسیل همان نمودار پله شکلی است که در نمودار مشاهده می‌فرمایید.

یکسوسازی جریان الکتریکی با دیود

ویژگی‌های ناحیه‌های مختلف یک دیود را می‌توانیم توسط نمودار پتانسیل آن که در شکل فوق مشخص است، دریابیم. میدان الکتریکی که در ناحیه تهی شکل می‌گیرد، باعث می‌شود که در یک سمت پتانسیل الکتریکی بیشتری نسبت به سمت مقابل داشته باشیم.

اگر اختلاف پتانسیل دو سمت ناحیه تهی را با \(\Delta V_{0}\) (در شکل) نمایش دهیم، نیروی الکتریکی (از جانب میدان الکتریکی داخلی) وارد شده بر هر حفره‌آی که بخواهد از ناحیه p به ناحیه n برود، در جهتی است که آن را به طرف همان ناحیه p می‌راند. در نتیجه برای آنکه بر میدان الکتریکی داخلی غلبه کنیم، نیاز به انرژی کمی بیشتر از \(\Delta V_{0}\) داریم.

این امر برای الکترون‌هایی که بخواهند از ناحیه n به ناحیه p بروند نیز صادق است. در این حالت میدان الکتریکی داخلی آن‌ها به سمت ناحیه n می‌راند. پس الکترون‌های نیز جهت گذر از ناحیه تهی نیاز به انرژی بیشتری دارند.

این انرژی بیشتر را می‌توانیم توسط اعمال اختلاف پتانسیل خارجی فراهم کنیم. این اعمال ولتاژ یا اختلاف پتانسیل خارجی باید به گونه‌ای باشد که پایانه مثبت به ناحیه p و پایانه منفی به ناحیه n متصل شود. با این کار می‌توانیم اختلاف پتانسیل بین دو طرف ناحیه تهی را کاهش دهیم (میدان الکتریکی داخلی کاهش می‌یابد) که در نتیجه آن حرکت الکترون‌ها از n به p و حرکت حفره‌ها از p به n ساده‌تر شده و لذا جریان الکتریکی به وجود می‌آید.

بایاس مستقیم
بایاس مستقیم

لازم به ذکر است که در حالت فوق، می‌گوییم دیود دارای پیش ولت موافق یا بایاس مستقیم است.

بایاس مستقیم - موافق
کاهش عرض ناحیه تهی در بایاس مستقیم

بدیهی است که اگر ولتاژ خارجی را عکس حالت فوق اعمال کنیم، اختلاف پتانسیل دو سر ناحیه تهی افزایش پیدا می‌کند. یعنی اگر پایانه مثبت به ناحیه n و پایانه منفی به ناحیه p متصل شود، اختلاف پتانسیل ناحیه تهی بیشتر شده و عملاً از عبور الکترون از n به p و عبور حفره از p به n جلوگیری می‌شود. لذا جریان الکتریکی بسیار کمی از پیوندگاه p-n عبور می‌کند. لازم به ذکر است که در این حالت می‌گوییم دیود دارای پیش ولت مخالف یا بایاس معکوس است.

بایاس غیر مستقیم (معکوس)
بایاس غیر مستقیم
بایاس معکوس
افزایش عرض ناحیه تهی در بایاس معکوس

منحنی تغییرات جریان برحسب اختلاف پتانسیل دو سر یک دوید نوعی در شکل زیر رسم شده است.

دیود - غیر اهمی
نمودار جریان ولتاژ یک دیود

همان‌طور که در (قانون اهم) عنوان کردیم، دیود از قانون اهم پیروی نمی‌کند. لازم به ذکر است که منحنی تغییرات جریان بر حسب ولتاژ برای مقاومت‌هایی که از قانون اهم پیروی می‌کنند (مقاومت‌های اهمی) به صورت خطی راست بوده که از مبدا مختصات گذر می‌کند که شیب خط برابر با عکس مقدار مقاومت است.

پس به طور خلاصه دیود جریان الکتریکی را تنها از یک جهت عبور می‌دهد و در جهت دیگر عبور نمی‌دهد. کاربرد عمده آن در یکسوسازی جریان‌های الکتریکی متناوب است.

یکسازی با دیود
حذف ولتاٰژهای ناحیه منفی (عبور دادن جریان در یک سمت)

امیدواریم تا این مقاله دیود و پیوند p-n مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.