دیود چیست؟ و چه کاربردی دارد؟

گاهی در مدارهای الکترونیکی نیاز هست جریان الکتریکی در یک جهت جاری شود. و در جهت دیگر جریانی جاری نشود (مدار باز). در این مواقع از قطعه ای به نام دیود در مدار استفاده می کنیم.

Diode را می توان به دریچه دهلیز قلب تشبیه کرد. دریچه دهلیز قلب خون را از یک جهت هدایت کرده و از سوی دیگر مانع عبور خون می شود.

Diode هم جریان الکتریکی را از یک سو عبور می دهد. و از سوی دیگر مانع عبور جریان می شود.

دیود (به انگلیسی: Diode)، (نام های دیگر: یکسوساز) قطعه ‌ای الکترونیکی است که دو سر دارد. دیود، جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهد (در این حالت، مقاومت دیود ناچیز است) و در جهت دیگر، در مقابل گذر جریان مقاومت بسیار بالایی (در حالت ایده آل، بینهایت) از خود نشان می دهد.

این خاصیت دیود، باعث شده بود تا در سال ‌های اولیهٔ ساخت این قطعهٔ الکترونیکی، به آن «دریچه» نیز اطلاق شود. رایج ترین گونهٔ دیود از بلور نیمه هادی ساخته می ‌شود. دیود را از اتصال دو نیم رسانا از نوع P و N می‌سازند. به پایه‌ای که به نیمه هادی N متصل است «کاتد» و به پایه‌ای که به نیمه هادی نوع P متصل است «آند» گفته می ‌شود. دیود، اولین قطعه تولید شده با نیمه هادی ها است.

مهم ترین کاربرد دیود، عبور جریان در یک جهت (به انگلیسی: diode’s forward direction) و ممانعت در برابر گذر جریان در جهت مخالف (به انگلیسی: reverse direction) است (یکسو سازی). در نتیجه می توان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یک طرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.

به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ولتاژ (بایاس کردن) در جهت درست (+ به آنُد و – به کاتُد؛ که به آن بایاس مستقیم می گویند)، آمادهٔ کار شود. مقدار ولتاژی که باعث می شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی کند، ولتاژ آستانه یا (threshold voltage) نامیده می شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت (برای دیودهای سیلیکون) و ۰٫۲ تا ۰٫۳ ولت (برای دیود ژرمانیوم) است.

اما هنگامی که ولتاژ معکوس به دیود متّصل شود، (+ به کاتُد و – به آنُد؛ که به آن بایاس معکوس می گویند) جریانی از آن نمی گذرد؛ مگر جریان بسیار کمی که به «جریان نشتی» معروف است و در حدود چند میکروآمپر یا حتّی کمتر است. این مقدار جریان معمولاً در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل چشم پوشی است و تأثیری در رفتار سایر المان های مدار نمی ‌گذارد.

هرچه جنس بلور به کار رفته در ساخت دیود، به لحاظ ساختار، منظم ‌تر باشد، دیودْ مرغوب ‌تر و جریان نشتی، کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیودهای با فناوری جدید، عملاً به صفر می گراید. نکتهٔ مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای بیشینهٔ ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌سوزد (بلور ذوب می ‌شود) و جریان را در جهت معکوس نیز می گذراند. به این ولتاژ آستانه، «ولتاژ شکست» گفته می شود.

بایاس دیود:

وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می گویند .اعمال ولتاژدر دو سر پایه هایش دو حالت را پیش می ‌آورد.

بایاس مستقیم یا تغذیه مستقیم:

دراین حالت مثبت باتری به آند (قطب p ) و منفی باتری به کاتد (قطب n ) می خورد و باعث می شود تا جریان در دیود برقرار شود و ولتاژی حدود 0.6 روی آن افت می کند.

بایاس معکوس:

ولتاژ به دو سر دیود طوری وصل می ‌شود که قطب مثبت آن به کاتد و قطب منفی آن به آند وصل گردد (بایاس معکوس دیود).

هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می ‌‌کنید جریانی از دیود عبور نمی ‌کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد.

اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس بیش از آن شود دیود می ‌‌سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می ‌‌دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می ‌شود.

دسته بندی کلی دیودها :

در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریان های متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریان های زیاد را دارند و دیودهای زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.

دیودهای سیگنال

این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنال های ضعیف – معمولا رادیویی و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ بایاس مستقیم آن 0.7 ولت است.

اما برخی از دیودهای سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ بایاس مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.

دیود سیلیسیم بهتر است یا ژرمانیم؟

بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیود خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.

از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد. هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن می تواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب می تواند این ولتاژ را خنثی کند.