دیود چیست؟ بررسی انواع، کاربرد و روش عملکرد

دیودها امروزه یکی از پرکاربردترین اجزای الکترونیکی هستند که در بسیاری از مدارها و دستگاه‌ها ازجمله منابع تغذیه، مدارهای کنترل‌کننده، سیستم‌های مخابراتی و حتی سیستم‌های نورپردازی استفاده می‌شوند. این قطعات از جنس نیمه‌هادی هستند و جریان الکتریکی را تنها در یک جهت از خود عبور می‌دهند. این ویژگی دیودها باعث می‌شود تا بتوان از آن‌ها به عنوان یک‌سوساز جریان و ولتاژ در مدارهای الکترونیکی استفاده کرد. در این مقاله قصد داریم تا ضمن معرفی انواع دیودها، به طور مفصل در مورد کارکرد، ویژگی‌ها و کاربردهای این قطعه مهم الکترونیکی بحث و توضیح دهیم.

دیود چیست؟

دیود (Diode به انگلیسی) یک عنصر الکترونیکی نیمه‌هادی است که به عنوان یک‌سوساز جریان الکتریکی عمل می‌کند که برای تبدیل جریان همراه با جهتی واحد به جریان دوطرفه با جهت معکوس استفاده می‌شود.

دیودها فقط اجازه می‌دهند تا جریان الکتریکی در یک جهت از مدار عبور کند و مانند یک شیر یک‌طرفه عمل می‌نمایند.
وقتی ولتاژ مثبت به آند دیود و ولتاژ منفی به کاتد آن اعمال می‌شود، دیود وارد حالت روشن شده و اجازه می‌دهد تا جریان از آن عبور کند؛ اما اگر قطبیت ولتاژ معکوس شود، دیود بسته شده و مانع عبور جریان می‌شود.

دیودها کاربردهای فراوانی در مدارهای الکترونیک دیجیتال و آنالوگ دارند. ازجمله در مدارهای یک‌سوکننده، مدارهای کنترل ولتاژ، منابع تغذیه و صافی سیگنال به کار می‌روند.

انواع دیود کدام است؟

دیودها در تقسیم‌بندی‌های مختلفی قرار می‌گیرند، این تقسیم‌بندی‌ها بر اساس نوع مواد سازنده، ولتاژ کاری، جریان کاری، کاربردها و خصوصیات دیگر متفاوت هستند.

انواع دیود عبارت‌اند از:

1- دیود زنر (Zener Diode)

یک نوع دیود است که به طور خاص برای استفاده در مدارهای تنظیم و تثبیت ولتاژ طراحی شده است. دیود زنر مانند دیود شناور عمل می‌کند، با این تفاوت که الگوی آن برای تحریک نوسانات الکتریکی کنترل شده است. با اعمال ولتاژ مناسب، دیود زنر می‌تواند ولتاژ را در مقدار ثابتی به عنوان ویژگی خود تثبیت کند. این ویژگی دیود زنر، آن را تبدیل به تنظیم کننده ولتاژ در مدارهای الکترونیکی کرده است.

2- دیود فتو (Photo Diode)

فتو دیود (photo diode) یک نوع سنسور نوری است که برای تشخیص نور استفاده می‌شود. این قطعه عموماً به صورت یک دیود نوری ساخته می‌شود که با جذب فوتون‌های نور، جریان الکتریکی تولید می‌کند.

کاربردهای فتو دیودها بسیار پراکنده است، مثلاً در دستگاه‌های اندازه‌گیری نور، سنسورهای تشخیص حرکت، دوربین‌های عکاسی و فیلم‌برداری و نظامی، اپتوالکترونیک و سایر صنایع الکترونیکی که به تشخیص نور نیاز دارند، استفاده می‌شوند. همچنین فتودیودها در سیستم‌های مخابراتی و شبکه‌های نوری (fiber optics) به عنوان سنسورهای دریافت کننده نور استفاده می‌شوند.

3- دیود پین (PIN Diode)

پین دیود (PIN Diode) یک نوع دیود نیمه هادی است که به دلیل خواص الکترونیکی منحصر به فرد خود، در بسیاری از کاربردهای مختلف به کار می‌رود. ازجمله کاربردهای این دیود می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• فرکانس‌های بالا: به دلیل زمان پاسخ بسیار کوتاه و عملکرد بهتر در فرکانس‌های بالا، پین دیود در کاربردهایd مانند رادارها، سیستم‌های تشخیص مواد مخدر و سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم و ماهواره‌ای به کار می‌رود.
• توان بالا: پین دیود، قابلیت تحمل پرتوهای نور و توان بالا را داراست. به همین دلیل در لیزرها، دیودهای تابشی و سایر سیستم‌هایی که به توان بالا نیاز دارند، به کار می‌رود.
• با توجه به ویژگی‌های پین دیود به عنوان یک عنصر در مدار شنیداری استفاده می‌شود.
• کاربرد در سایر حوزه‌ها: پین دیود در بسیاری از حوزه‌های دیگر نیز کاربرد دارد. ازجمله این حوزه‌ها می‌توان به الکتروفورز، ژنتیک و تشخیص پیچیدگی سیگنال‌ها در تجزیه‌وتحلیل طیفی (Spectrum Analyzers) اشاره کرد.

4- دیود شاتکی (Shottky Diode)

دیود شاتکی یک نوع دیود نیمه‌موصل است که بر اساس اثر شاتکی کار می‌کند. بر طبق اثر شاتکی وقتی الکترودهای فلزی و نیمه‌موصل به یکدیگر متصل شوند، ایجاد یک باریر برای جریان الکتریکی در نیمه‌موصل عامل می‌شود که ممکن است باعث کاهش ولتاژ نوسانی در مدار شود.

از دیود شاتکی برای کاربردهای مختلفی استفاده می‌شود، ازجمله:

• در ادوات دیجیتال و برای تقویت سرعت تراشه‌های منطقی
• در مدارهای تغذیه برای جلوگیری از از دست رفتن ولتاژ
• در مدارهای RF برای تقویت سیگنال‌های فرکانس بالا و فرم‌دهی آن‌ها
• در مدارهای تقویت کننده ولتاژ برای جلوگیری از از دست رفتن انرژی به صورت حرارتی

دیود شاتکی به دلیل ویژگی‌هایی مانند زمان بازگشت نوسانی کوتاه، سرعت جریان الکتریکی بالا، خطای ولتاژ کم و سازگاری با فرکانس‌های بالا، برای کاربردهای مختلفی کاربرد دارد.

5- دیود تونل (Tunnel Diode)

دیود تونل یا تونلی (Tunnel Diode) یک نوع دیود نیمه هادی است که در آن اتصال موجب تونلینگ متناوب الکترون‌ها از یک ناحیه با فرکانسی بالاتر به ناحیه دیگر می‌شود. این پدیده موجب ایجاد خاصیت‌های الکترونیکی خاصی می‌شود که با دیود‌های دیگر متفاوت است، به عنوان مثال فعالیت این دیود در واحدهای پرسرعت الکترونیکی مانند ایستگاه‌های ارتباطی و ماشین‌های محاسباتی بسیار استفاده می‌شود.

در برخی کاربردهای دیگر، دیود تونل به عنوان یکی از عناصر مدار الکترونیکی، به کار می‌روند. به‌طور مثال، در مدارهای پخش‌کننده رادیویی FM، از دیود تونل برای انتخاب فرکانس رادیویی استفاده می‌شود. همچنین، در مدار تقویت‌کننده‎‌های بالابر صوت، دیود تونل جهت افزایش امپدانس و کاهش نویز به کار می‌رود.

به طور خلاصه، دیود تونل یکی از عناصر مهم در مدارات الکترونیکی با سرعت بالا مانند ایستگاه‌های ارتباطی، پخش‌کننده‌های رادیویی، ماشین‌های محاسباتی و همچنین در مدارهای تقویت کننده استفاده می‌شود.

6- دیود خازنی یا واراکتور (Varactor Diode)

دیود خازنی یا Varactor Diode یک نوع دیود نیمه‌رسانا است که توانایی تغییر ظرفیت خازنی خود را دارد. دیود خازنی با تغییر ولتاژ هدایتی، می‌تواند ظرفیت خازنی خود را تغییر دهد. با افزایش ولتاژ هدایتی، ظرفیت خازنی دیود خازنی کاهش می‌یابد و در صورت کاهش ولتاژ، ظرفیت خازنی افزایش می‌یابد.

دیودهای خازنی در انواع مدارات با فرکانس بالا به کار می‌روند، برای مثال در مدارات مخابراتی و رادیویی، به عنوان فیلترهای تنظیم‌پذیر، جداسازهای فرکانسی، افزایش‌دهنده‌های فرکانس و مدار همگام‌سازی (phase-locked loop) به کار می‌روند. اندازه‌گیری فرکانس، تنظیم فاصله بین اجزای مدار و پردازش سیگنال نیز ازجمله کاربردهای دیودهای خازنی هستند. به دلیل این‌که قابلیت تنظیم ظرفیت دیود خازنی، در حین کاربرد قابل تغییر است، این دیودها به‌عنوان یک پراکنده (VAR) در نام خود دارای حرف اضافه VAR هستند.

7- دیود نورافشان (Light-Emitting Diode)

دیود نورافشان یا LED یک قطعه الکترونیکی است که به عنوان منبع نور کار می‌کند. دیودهای نورافشان معمولاً از مواد نیمه هادی تشکیل شده‌اند که در پاسخ به جریان الکتریکی، نور می‌تابانند. این نوع از دیودها در بسیاری از صنایع استفاده می‌شود، ازجمله:

• روشنایی خودروها، موتورها و دوچرخه‌ها
• روشنایی صفحات نمایش دیجیتال (LCD و OLED)
• روشنایی دستگاه‌های الکترونیکی، مانند تلفن همراه، لپ‌تاپ و تبلت
• روشنایی ریزپردازنده‌ها و سایر قطعات الکترونیکی
• روشنایی فضای داخلی و خارجی ساختمان‌ها و معابر عمومی
• استفاده در لوازم آرایشی و بهداشتی، مانند لامپ‌های ناخن و دستگاه‌های لیزر
• استفاده در صنعت تلویزیون و فیلم‌برداری، به عنوان ره‌گیر نور و تابش کننده

استفاده از LED ها علاوه بر صرفه‌جویی در مصرف انرژی، در برخی موارد باعث بهبود کیفیت نور و کاهش توان مصرفی نور شده است.

8- دیود لیزری (Laser Diode)

دیود لیزری یک نوع دیود الکترونیکی است که در فرآیند ساخت آن از پدیده لیزر استفاده می‌شود. در این دیود، جریان الکتریکی از طریق یک ماده نیمه‌رسانا عبور می‌کند که با وجود اعمال شدت بالای برق، فوتون‌های لیزر را تولید می‌کند.
دیودهای لیزری از برخی ویژگی‌های خاص، مانند قابلیت کنترل شدتِ نور، اندازهٔ کوچک و مصرف کم توان برق برخوردار هستند که آن‌ها را برای استفاده در بسیاری از برنامه‌های مختلف و صنایع، ازجمله پزشکی، ارتباطات، علوم نظامی و فضایی، صنعت خودرو‌سازی و…، مناسب می‌کند.

برخی از کاربردهای دیودهای لیزری شامل موارد زیر می‌شود:

• کاربری در محصولات الکترونیکی، مانند دیسک‌های نوری (CD و DVD)، سیستم‌های تشخیص خودرو، دستگاه‌های اندازه‌گیری، دستگاه‌های پزشکی و دیگر سیستم‌های الکترونیکی
• به‌عنوان منبع نور در دستگاه‌های ارتباطی اپتیکی‌، مانند فیبر نوری برای انتقال داده‌ها
• استفاده در تحقیقات علمی، مانند بررسی مواد و تحقیقات فیزیکی
• کاربرد در تجهیزات نظامی و امنیتی، مانند ردیابی هوایی و زمینی، ارتباطات نظامی و حفاظت از امنیت مرزها
• کاربرد در صنعت خودروسازی، مانند استفاده در دیودهای خودرو برای روشنایی، نور‌پردازی و ردیابی

9- دیود بهمنی (Avalanche Diode)

دیود بهمنی (Avalanche Diode) یک نوع دیود نیمه هادی است که در کاربردهایی استفاده می‌شود که به یک ولتاژ بالاتر از ولتاژ منفی و صفر نیاز دارند. این دیود به دلیل خاصیت رسانایی الکتریکی در مقابل نوسانات ولتاژی در کاربردهایی که نیاز به پایداری بیشتری دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در دیود بهمنی، یک الکترون از میدان الکتریکی بسیار قوی عبور می‌کند و باعث گسترش یک الکترون پرشینگ شده (electron-hole pair) می‌شود. این پدیده آوالانچ (Avalanche) نامیده می‌شود. درنتیجه، جریان الکتریکی بیشتر شده و این جریان کاربردهایی مانند فعالیت‌های اندازه‌گیری، کاربردهای پزشکی و ارتباطات بی‌سیم را پوشش می‌دهد.

کاربردهای دیود چیست؟

دیود یکی از اجزای الکترونیکی است که بسیاری از کاربردهای متنوعی را در صنعت الکترونیک و مخابرات دارد. برخی از کاربردهای دیود عبارت‌اند از:

1. تنظیم ولتاژ: دیود می‌تواند برای تنظیم ولتاژ و جریان در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد، به طور مثال در دستگاه‌های روشنایی خودرو.
2. تصفیه جریان: دیود می‌تواند برای تصفیه جریان الکتریکی استفاده شود، به طور مثال در منابع تغذیه سوئیچینگ.
3. ردیابی موج: دیود می‌تواند برای ردیابی و تفکیک موج‌های FM و AM در برخی مدارات مخابراتی استفاده شود.
4. روشنایی: دیودهای LED برای روشنایی در دستگاه‌های الکترونیکی، صفحات نمایش و سایر پروژه‌های مشابه مورد استفاده قرار می‌گیرند.
5. امواج فرکانس بالا: دیود می‌تواند برای تولید امواج فرکانس بالا در مدارات حفاظتی و افزایشی مورد استفاده قرار گیرد.
6. ادغام با تراشه‌های الکترونیکی: دیودها به صورت متعدد در تراشه‌های الکترونیکی جایگزینی برای دیودهای معمول هستند.
7. تشخیص پالس: دیود می‌تواند برای تشخیص پالس‌های الکترونیکی در مدارات استفاده شود.
8. دیود آزمایش: در برخی موارد برای آزمایش دیودها و تشخیص صلاحیت استفاده می‌شود.
9. پیاده‌سازی سوئیچینگ: در منابع تغذیه‌ها و همچنین در تقویت‌کننده‌های تمام ‌پل، دیود به صورت سوئیچینگ در کنترل جریان و ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دیود چطور کار می‌کند؟

دیود یک قطعه الکترونیکی است که اجازه می‌دهد جریان الکتریکی فقط در یک جهت عبور کند. دیودها از دو نیمه هادی P و N تشکیل شده‌اند که باهم ترکیب می‌شوند.

نیمه هادی P دارای بارهای مثبت اضافی (حفره‌ها) است درحالی‌که نیمه هادی N دارای الکترون‌های اضافی است. وقتی قطب مثبت باتری به نیمه هادی P و قطب منفی به نیمه هادی N متصل می‌شود، الکترون‌ها از نیمه هادی N به سمت نیمه هادی P جریان پیدا می‌کنند و باعث ایجاد جریان الکتریکی در یک جهت می‌شوند؛ اما هنگامی‌که قطبیت برعکس شود (قطب مثبت به نیمه هادی N و قطب منفی به نیمه هادی P متصل شود) پیوند P-N به شکل یک مانع عمل می‌کند و جریان الکتریکی در دیود جاری نمی‌شود.

به عبارت دیگر، وقتی دیود در حالت فوروارد بایاس قرار دارد جریان می‌تواند عبور کند، اما وقتی در حالت ریورس بایاس قرار می‌گیرد، جریان عبور نمی‌کند. این ویژگی دیود اجازه می‌دهد به عنوان یک دستگاه تنظیم‌کننده جریان در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی استفاده شود که از خرابی مدار با اعمال ولتاژ بیش از حد جلوگیری می‌کند و می‌توان آن را در بسیاری از کاربردها مانند مدارهای نورپردازی LED، تولید انرژی خورشیدی، مدارهای مستقیم کننده و غیره مورد استفاده قرار داد.

دیود از چه مواد اولیه‌ای تولید می‌شود؟

دیودها از مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون و ژرمانیم ساخته می‌شوند. مراحل تولید دیود به طور خلاصه به شرح زیر است:

• خالص‌سازی مواد اولیه: سیلیکون و ژرمانیوم با درجه بالایی از خلوص تهیه می‌شوند تا ناخالصی‌هایی که ممکن است باعث اختلال در عملکرد دیود شوند، حذف گردند.
• رشد بلور: تکه‌هایی از سیلیکون یا ژرمانیوم خالص درون محفظه‌ای قرار داده می‌شوند و تحت فرایندهای کنترل‌شده‌ای، بلورهای بزرگی رشد می‌کنند.
• آلایش: مقادیر بسیار کمی از عناصر دیگر به بلورها اضافه می‌شود تا خواص الکتریکی آن‌ها تغییر کند.
• برش و ساخت ساختار PN: بلورها به ورقه‌ها یا تیغه‌های بسیار نازکی برش داده شده و لایه‌های P و N به روش‌های مختلف بر روی آن‌ها ایجاد می‌گردد.
• متصل‌کردن سیم‌ها: الکترودها به نواحی P و N متصل شده و سپس دیود درون محفظه قرار داده می‌شود.

درنهایت با آزمون‌های مختلف، دیودهایی که مشخصات الکتریکی مناسبی دارند انتخاب شده و برای استفاده در الکترونیک آماده می‌گردند.

واحد اندازه‌گیری دیود چیست؟

دیودها دارای چندین پارامتر و واحد اندازه‌گیری هستند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• ولتاژ آستانه (Threshold voltage): ولتاژ مورد نیاز برای شروع هدایت جریان در دیود است و واحد آن برحسب ولت یا میلی‌ولت اندازه‌گیری می‌شود.
• جریان مستقیم (DC Forward current): حداکثر مقدار جریان مستقیمی که می‌تواند به صورت پیوسته از دیود عبور کند. واحد آن آمپر است.
• ولتاژ معکوس (Reverse voltage): حداکثر مقدار ولتاژ معکوس قابل تحمل توسط دیود که واحد آن ولت یا کیلوولت است.
• ظرفیت جانبی (Junction capacitance): ظرفیت خازنی بین دو لایه P و N دیود که واحد آن پیکوفاراد یا پیکوفاراد است.
• مقاومت الکتریکی (DC resistance): مقاومت دیود در برابر عبور جریان مستقیم که واحد آن اهم است.
• فرکانس کاری (Cut-off frequency): حداکثر فرکانسی که دیود می‌تواند با آن کار کند و واحد آن هرتز است.

این موارد مهم‌ترین پارامترهای الکتریکی دیود به شمار می‌روند که جهت انتخاب نوع مناسب دیود برای کاربردهای مختلف باید به آن‌ها توجه نمود.

روش تست دیود

دیودها را می‌توان با استفاده از چند روش ساده بررسی و تست کرد.

• یک روش استفاده از آومتر است. آومتر را روی مقیاس مگااهم قرار می‌دهیم. سپس پروب‌های آومتر را به دو سر دیود متصل می‌کنیم. اگر دیود سالم باشد باید مقاومت بالایی (به عنوان یک مدار باز) را نشان دهد. حال اگر جهت پروب‌ها را عوض کنیم باید مقاومت پایین و در حد چند صد اهم را مشاهده کنیم که مقاومت مسیر هدایت دیود است.
• روش دیگر استفاده از منبع تغذیه و آمپرمتر است. منبع تغذیه را به صورت مستقیم به دوسر دیود متصل می‌کنیم. سپس آمپرمتر را به صورت سری در مدار قرار می‌دهیم تا جریان عبوری را اندازه بگیرد. با تغییر ولتاژ منبع تغذیه و اندازه‌گیری جریان، مشخصه ولت-آمپر دیود به دست می‌آید. همچنین با تغییر پلاریته منبع تغذیه، ولتاژ معکوس دیود را می‌توان تست کرد.

بنابراین با ترکیب آزمون‌های فوق و استفاده از تجهیزاتی مانند مولتی‌متر، می‌توان کلیه مشخصات دیود مانند ولتاژ آستانه، مقاومت، ظرفیت و غیره را اندازه‌گیری و تست نمود.