دیود

دیود چیست

اگر مقاومت اساسی ترین جزء غیرفعال در مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی باشد، باید دیود نیمه هادی را به عنوان اساسی ترین جزء فعال در نظر بگیریم. با این حال، بر خلاف یک مقاومت، یک دیود با توجه به ولتاژ اعمال شده به صورت خطی رفتار نمی کند زیرا دارای یک رابطه نمایی IV است و بنابراین نمی توان آن را به سادگی با استفاده از قانون اهم مانند مقاومت ها توصیف کرد.

دیودها دستگاه های نیمه هادی یک طرفه اولیه هستند که فقط اجازه می دهند جریان از آنها فقط در یک جهت عبور کند و بیشتر شبیه یک شیر الکتریکی یک طرفه عمل می کند (شرایط بایاس به جلو). اما، قبل از اینکه نگاهی به نحوه عملکرد دیودهای سیگنال یا قدرت بیندازیم، ابتدا باید اصول ساخت و مفهوم نیمه هادی ها را درک کنیم.

دیودها از یک تکه ماده نیمه هادی ساخته می شوند که دارای یک "منطقه P" مثبت در یک انتها و یک "منطقه N" منفی در سمت دیگر است و دارای مقدار مقاومتی بین مقاومت هادی و عایق است. اما یک ماده "نیمه هادی" چیست. ابتدا بیایید ببینیم که چه چیزی چیزی را رسانا یا عایق می کند .

مقاومت

مقاومت الکتریکی یک قطعه یا دستگاه الکتریکی یا الکترونیکی به طور کلی به عنوان نسبت اختلاف ولتاژ در آن به جریان عبوری از آن تعریف می شود، مقاومت بستگی زیادی به اندازه فیزیکی ماده ای که از آن ساخته شده است دارد. به عنوان مثال، اگر بخواهیم طول ماده را افزایش دهیم (آن را طولانی تر کنیم)، مقاومت آن نیز به نسبت افزایش می یابد.

به همین ترتیب، اگر قطر یا اندازه آن را افزایش دهیم (ضخیم تر کنیم)، مقدار مقاومت آن کاهش می یابد. بنابراین می‌خواهیم بتوانیم ماده را به گونه‌ای تعریف کنیم که توانایی آن را برای هدایت یا مخالفت با جریان الکتریکی از طریق آن بدون توجه به اندازه یا شکل آن نشان دهیم.

کمیتی که برای نشان دادن این مقاومت خاص استفاده می شود، مقاومت نامیده می شود و نماد یونانی ρ ، ( Rho ) به آن داده می شود. مقاومت در اهم متر ( Ω.m ) اندازه گیری می شود. مقاومت معکوس رسانایی است.

اگر مقاومت مواد مختلف مقایسه شود، می توان آنها را به سه گروه اصلی رساناها ، عایق ها و نیمه هادی ها طبق شکل زیر طبقه بندی کرد.

هادی ها

اکنون می دانیم که رساناها موادی هستند که مقاومت بسیار کمی دارند، معمولاً میکرو اهم بر متر. این مقدار کم به آنها اجازه می دهد تا به راحتی یک جریان الکتریکی را به دلیل وجود تعداد زیادی الکترون آزاد در ساختار اصلی اتم خود عبور دهند. اما این الکترون‌ها تنها در صورتی از طریق یک رسانا جریان می‌یابند که چیزی برای تحریک حرکت آنها وجود داشته باشد و آن چیزی یک ولتاژ الکتریکی باشد.

هنگامی که یک پتانسیل ولتاژ مثبت به ماده اعمال می شود، این "الکترون های آزاد" اتم مادر خود را ترک می کنند و با هم از طریق ماده حرکت می کنند و یک رانش الکترونی را تشکیل می دهند که بیشتر به عنوان جریان شناخته می شود. اینکه این الکترون‌ها چگونه می‌توانند «آزادانه» در یک رسانا حرکت کنند، بستگی به این دارد که وقتی ولتاژ اعمال می‌شود چقدر راحت می‌توانند از اتم‌های تشکیل‌دهنده خود رها شوند. سپس مقدار الکترون هایی که جریان می یابند به مقدار مقاومتی که هادی دارد بستگی دارد.

نمونه هایی از رساناهای خوب عموماً فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، نقره یا غیرفلزاتی مانند کربن هستند، زیرا این مواد الکترون های بسیار کمی در "پوسته ظرفیت" یا حلقه بیرونی خود دارند و در نتیجه به راحتی از مدار اتم خارج می شوند.

این به آن‌ها اجازه می‌دهد تا آزادانه در میان مواد جریان داشته باشند تا زمانی که به اتم‌های دیگر بپیوندند و یک «اثر دومینو» از طریق مواد ایجاد کنند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد کنند. مس و آلومینیوم رسانای اصلی مورد استفاده در کابل های الکتریکی همانطور که نشان داده شده است.

به طور کلی، بیشتر فلزات رسانای خوبی برای الکتریسیته هستند، زیرا مقادیر مقاومت بسیار کمی دارند، معمولاً در ناحیه میکرو اهم بر متر، (μΩ.m).

در حالی که فلزاتی مانند مس و آلومینیوم رسانای بسیار خوبی برای الکتریسیته هستند، اما هنوز مقداری مقاومت در برابر جریان الکترون ها دارند و در نتیجه رسانایی کامل ندارند.

انرژی که در فرآیند عبور جریان الکتریکی از دست می رود، به صورت گرما ظاهر می شود و به همین دلیل با افزایش مقاومت هادی ها با افزایش دمای محیط، هادی ها و به ویژه مقاومت ها داغ می شوند.

عایق ها

از طرف دیگر عایق ها دقیقا برعکس هادی ها هستند. آنها از مواد، عموماً غیرفلز، ساخته شده‌اند که «الکترون‌های آزاد» بسیار کمی دارند یا اصلاً در ساختار اتمی اصلی خود شناور نیستند، زیرا الکترون‌های موجود در لایه ظرفیت بیرونی به شدت توسط هسته داخلی با بار مثبت جذب می‌شوند.

به عبارت دیگر، الکترون‌ها به اتم مادر چسبیده‌اند و نمی‌توانند آزادانه به اطراف حرکت کنند، بنابراین اگر ولتاژ پتانسیل به ماده اعمال شود، جریانی جریان نخواهد داشت، زیرا الکترون‌های آزاد برای حرکت در دسترس نیستند و به این مواد عایق می‌شوند. خواص

عایق ها همچنین مقاومت های بسیار بالایی دارند، میلیون ها اهم بر متر و عموماً تحت تأثیر تغییرات دمایی معمولی قرار نمی گیرند (البته در دماهای بسیار بالا چوب به زغال چوب تبدیل می شود و از عایق به هادی تبدیل می شود). نمونه هایی از عایق های خوب عبارتند از سنگ مرمر، کوارتز ذوب شده، پلاستیک PVC، لاستیک و غیره.

عایق ها نقش بسیار مهمی در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی دارند، زیرا بدون آنها مدارهای الکتریکی با هم کوتاه می شوند و کار نمی کنند. به عنوان مثال، عایق های ساخته شده از شیشه یا چینی برای عایق کاری و حمایت از کابل های انتقال بالای سر استفاده می شود، در حالی که از مواد رزین شیشه اپوکسی برای ساخت بردهای مدار چاپی، PCB و غیره استفاده می شود در حالی که از PVC برای عایق کاری کابل های الکتریکی همانطور که نشان داده شده است استفاده می شود.

مبانی نیمه هادی

مواد نیمه هادی مانند سیلیکون (Si)، ژرمانیوم (Ge) و آرسنید گالیم (GaAs)، دارای خواص الکتریکی در جایی در وسط، بین خواص الکتریکی یک "رسانا" و یک "عایق" هستند. آنها هادی و عایق خوبی نیستند (از این رو نام آنها "نیمه هادی" است). آنها «الکترون‌های آزاد» بسیار کمی دارند، زیرا اتم‌های آن‌ها در یک الگوی کریستالی به نام «شبکه بلوری» در کنار هم قرار گرفته‌اند، اما الکترون‌ها هنوز می‌توانند جریان داشته باشند، اما فقط در شرایط خاص.

توانایی نیمه هادی ها برای هدایت الکتریسیته را می توان با جایگزینی یا افزودن اتم های دهنده یا گیرنده خاصی به این ساختار کریستالی بهبود بخشید و در نتیجه الکترون های آزاد بیشتری نسبت به سوراخ ها تولید کرد یا برعکس. یعنی با افزودن درصد کمی از عنصر دیگر به ماده پایه، سیلیکون یا ژرمانیوم.

سیلیکون و ژرمانیوم به تنهایی به عنوان نیمه رسانای ذاتی طبقه بندی می شوند، یعنی از نظر شیمیایی خالص هستند و چیزی جز مواد نیمه رسانا ندارند. اما با کنترل مقدار ناخالصی های اضافه شده به این ماده نیمه هادی ذاتی می توان رسانایی آن را کنترل کرد. ناخالصی های مختلفی به نام دهنده یا پذیرنده می تواند به این ماده ذاتی اضافه شود تا به ترتیب الکترون ها یا حفره های آزاد تولید شود.

این فرآیند افزودن اتم های دهنده یا پذیرنده به اتم های نیمه هادی (به ترتیب 1 اتم ناخالصی در هر 10 میلیون (یا بیشتر) اتم نیمه هادی) دوپینگ نامیده می شود . از آنجایی که سیلیکون دوپ شده دیگر خالص نیست، این اتم های دهنده و گیرنده در مجموع به عنوان "ناخالصی" نامیده می شوند و با دوپ کردن این مواد سیلیکونی با تعداد کافی ناخالصی، می توانیم آن را به نوع N یا نوع P تبدیل کنیم. مواد نیمه هادی

متداول ترین مواد اولیه نیمه هادی که تا کنون استفاده می شود سیلیکون است . سیلیکون دارای چهار الکترون ظرفیتی در بیرونی‌ترین پوسته خود است که با اتم‌های سیلیکون همسایه‌اش به اشتراک می‌گذارد تا اوربیتال کامل هشت الکترونی را تشکیل دهد. ساختار پیوند بین دو اتم سیلیکون به گونه ای است که هر اتم یک الکترون با همسایه خود به اشتراک می گذارد و پیوند را بسیار پایدار می کند.

از آنجایی که الکترون‌های آزاد بسیار کمی برای حرکت در اطراف کریستال سیلیکون وجود دارد، بلورهای سیلیکون خالص (یا ژرمانیوم) عایق‌های خوبی هستند، یا حداقل مقاومت‌هایی با ارزش بسیار بالا هستند.

اتم های سیلیکون در یک الگوی متقارن مشخص قرار گرفته اند و آنها را به یک ساختار جامد کریستالی تبدیل می کند. کریستال سیلیس خالص (دی اکسید سیلیکون یا شیشه) به طور کلی به عنوان یک کریستال ذاتی (بدون ناخالصی) گفته می شود و بنابراین الکترون آزاد ندارد.

اما اتصال ساده یک کریستال سیلیکون به منبع باتری برای استخراج جریان الکتریکی از آن کافی نیست. برای انجام این کار، باید یک قطب «مثبت» و «منفی» در داخل سیلیکون ایجاد کنیم که به الکترون‌ها و در نتیجه جریان الکتریکی اجازه می‌دهد از سیلیکون خارج شوند. این قطب ها با دوپینگ سیلیکون با ناخالصی های خاصی ایجاد می شوند.

ساختار اتم سیلیکون

نمودار بالا ساختار و شبکه یک کریستال خالص "معمولی" سیلیکون را نشان می دهد.

مبانی نیمه هادی نوع N

برای اینکه کریستال سیلیکون ما رسانای الکتریسیته باشد، باید یک اتم ناخالصی مانند آرسنیک، آنتیموان یا فسفر را وارد ساختار کریستالی کنیم و آن را بیرونی کنیم (ناخالصی ها اضافه می شود). این اتم ها دارای پنج الکترون بیرونی در بیرونی ترین مدار خود هستند تا با اتم های همسایه به اشتراک بگذارند و معمولاً ناخالصی های پنج ظرفیتی نامیده می شوند.

این به چهار الکترون از پنج الکترون مداری اجازه می دهد تا با اتم های سیلیکون همسایه خود پیوند برقرار کنند و یک "الکترون آزاد" را با اعمال ولتاژ الکتریکی (جریان الکترون) متحرک کنند. از آنجایی که هر اتم ناخالصی یک الکترون "اهدا" می کند، اتم های پنج ظرفیتی به طور کلی به عنوان "داننده" شناخته می شوند.

آنتیموان (نماد Sb) و همچنین فسفر (نماد P)، اغلب به عنوان یک افزودنی پنج ظرفیتی به سیلیکون استفاده می شود. آنتیموان دارای 51 الکترون است که در 5 لایه در اطراف هسته خود قرار گرفته اند که بیرونی ترین اوربیتال دارای پنج الکترون است. مواد اولیه نیمه رسانای حاصل دارای الکترون های حامل جریان اضافی است که هر کدام دارای بار منفی هستند و بنابراین به عنوان یک ماده نوع N با الکترون ها "حامل اکثریت" نامیده می شود در حالی که حفره های حاصل "حامل اقلیت" نامیده می شوند.

هنگامی که توسط یک منبع انرژی خارجی تحریک می شود، الکترون های آزاد شده از اتم های سیلیکون توسط این تحریک به سرعت با الکترون های آزاد موجود از اتم های آنتیموان دوپ شده جایگزین می شوند. اما این عمل همچنان یک الکترون اضافی (الکترون آزاد شده) را در اطراف کریستال دوپ شده شناور می گذارد و آن را دارای بار منفی می کند.

سپس یک ماده نیمه هادی زمانی که چگالی دهنده آن بیشتر از چگالی گیرنده آن باشد، به عنوان نوع N طبقه بندی می شود، به عبارت دیگر، الکترون های بیشتری نسبت به سوراخ ها دارد و در نتیجه یک قطب منفی ایجاد می کند.

مبانی نیمه هادی نوع P

اگر به سمت دیگری برویم و ناخالصی «سه ظرفیتی» (3 الکترونی) را به ساختار کریستالی وارد کنیم، مانند آلومینیوم، بور یا ایندیم که تنها سه الکترون ظرفیتی در بیرونی‌ترین اوربیتال خود دارند، پیوند بسته چهارم نمی‌تواند وجود داشته باشد. شکل گرفت. بنابراین، اتصال کامل امکان‌پذیر نیست و به مواد نیمه‌رسانا، حامل‌های با بار مثبت فراوانی می‌دهند که به عنوان سوراخ‌هایی در ساختار کریستال شناخته می‌شوند که در آن الکترون‌ها به طور مؤثری از دست می‌روند.

همانطور که اکنون سوراخی در کریستال سیلیکون وجود دارد، یک الکترون همسایه به سمت آن جذب می شود و سعی می کند برای پر کردن آن به درون سوراخ حرکت کند. با این حال، الکترونی که حفره را پر می کند، حفره دیگری را در حین حرکت پشت آن بر جای می گذارد. این به نوبه خود الکترون دیگری را جذب می کند که به نوبه خود حفره دیگری در پشت خود ایجاد می کند و به همین ترتیب این ظاهر را نشان می دهد که سوراخ ها به عنوان بار مثبت در ساختار کریستالی در حال حرکت هستند (جریان جریان معمولی).

این حرکت حفره ها منجر به کمبود الکترون در سیلیکون می شود و کل کریستال دوپ شده را به یک قطب مثبت تبدیل می کند. از آنجایی که هر اتم ناخالصی یک حفره ایجاد می کند، ناخالصی های سه ظرفیتی به طور کلی به عنوان " پذیرنده " شناخته می شوند، زیرا آنها به طور مداوم الکترون های اضافی یا آزاد را "پذیرش" می کنند.

بور (نماد B) معمولاً به عنوان یک افزودنی سه ظرفیتی استفاده می شود زیرا فقط پنج الکترون دارد که در سه لایه در اطراف هسته خود قرار گرفته اند و بیرونی ترین اوربیتال فقط سه الکترون دارد. دوپینگ اتم‌های بور باعث می‌شود که رسانایی عمدتاً از حامل‌های بار مثبت تشکیل شود که منجر به یک ماده از نوع P می‌شود که حفره‌های مثبت آن «حامل اکثریت» نامیده می‌شود در حالی که الکترون‌های آزاد «حامل اقلیت» نامیده می‌شوند.

سپس یک ماده اولیه نیمه هادی زمانی که چگالی گیرنده آن بیشتر از چگالی دهنده آن باشد، به عنوان نوع P طبقه بندی می شود. بنابراین، یک نیمه هادی نوع P دارای سوراخ های بیشتری نسبت به الکترون ها است.

مبانی نیمه هادی - اتم بور و دوپینگ