دیود پیوند PN (انگلیسی : PN Junction Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود پیوند PN (انگلیسی : PN Junction Diode) :
دیود پیوند PN اساسی ترین نوع دیود است که از اتصال دو نیمه هادی نوع P و نوع N ساخته می شود. این دیود یک قطعه الکترونیکی دوپایه است که جریان الکتریکی را فقط در یک جهت عبور می دهد و در جهت مخالف، جریان را مسدود می کند. این خاصیت به عنوان یکسوسازی (Rectification) شناخته می شود.
در ناحیه اتصال این دو نوع نیمه هادی، یک ناحیه تهی (Depletion Region) تشکیل می شود. در این ناحیه، حامل های بار (الکترون ها و حفره ها) با یکدیگر ترکیب شده و یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد می کنند. این میدان الکتریکی مانع از عبور جریان در حالت بایاس معکوس (Reverse Bias) می شود.
وقتی دیود در بایاس مستقیم (Forward Bias) قرار می گیرد (ولتاژ مثبت به سمت P و ولتاژ منفی به سمت N اعمال شود)، میدان الکتریکی داخلی ضعیف شده و ناحیه تهی باریک می شود. در نتیجه، حامل های بار می توانند از اتصال عبور کرده و جریان الکتریکی برقرار شود. ولتاژی که برای شروع این عبور جریان لازم است، ولتاژ آستانه (Threshold Voltage) نامیده می شود که برای دیودهای سیلیکونی حدود ۰.۷ ولت و برای ژرمانیومی حدود ۰.۳ ولت است.
در بایاس معکوس (Reverse Bias)، ولتاژ مثبت به سمت N و ولتاژ منفی به سمت P اعمال می شود. در این حالت، میدان الکتریکی داخلی تقویت شده و ناحیه تهی گسترش می یابد. این وضعیت باعث می شود که تقریبا هیچ جریانی از دیود عبور نکند (به جز جریان نشتی بسیار کوچک). اگر ولتاژ معکوس از حد معینی (ولتاژ شکست - Breakdown Voltage) فراتر رود، دیود دچار شکست شده و جریان معکوس زیادی عبور می کند که می تواند به دیود آسیب برساند.
معادله مشخصه جریان-ولتاژ دیود پیوند PN توسط فرمول شاکلی (Shockley) بیان می شود:
\[ I = I_S \left( e^{\frac{V}{nV_T}} - 1 \right) \]که در آن
\[ I \]جریان دیود،
\[ I_S \]جریان اشباع معکوس،
\[ V \]ولتاژ دو سر دیود،
\[ n \]ضریب ایده آلی (بین ۱ تا ۲) و
\[ V_T \]ولتاژ حرارتی (حدود ۲۶ میلی ولت در دمای اتاق) است. این رابطه نشان می دهد که در بایاس مستقیم، جریان به صورت نمایی با ولتاژ افزایش می یابد.
از دیودهای پیوند PN به طور گسترده در یکسوسازی ولتاژ AC به DC، حفاظت مدارها در برابر قطبیت معکوس، مدارهای قطع و وصل (سوئیچینگ) و به عنوان عنصر پایه در ساخت سایر قطعات نیمه هادی مانند ترانزیستورها استفاده می شود. دیودهای سیلیکونی رایج ترین نوع این دیودها هستند که به دلیل پایداری حرارتی بالا و جریان نشتی کم، در اکثر کاربردهای عمومی مورد استفاده قرار می گیرند.
یکی از نکات مهم در استفاده از دیودهای پیوند PN، توجه به حداکثر جریان مجاز (Maximum Forward Current) و حداکثر ولتاژ معکوس (Peak Inverse Voltage - PIV) است. تجاوز از این مقادیر می تواند منجر به تخریب فیزیکی دیود شود. همچنین، دمای کاری دیود تأثیر مستقیمی بر ویژگی های الکتریکی آن دارد؛ با افزایش دما، جریان نشتی افزایش یافته و ولتاژ آستانه کاهش می یابد.
در کاربردهای فرکانس بالا، دیودهای پیوند PN معمولی با محدودیت مواجه می شوند زیرا زمان بازیابی معکوس (Reverse Recovery Time) نسبتا طولانی دارند. این بدان معناست که وقتی دیود از حالت بایاس مستقیم به معکوس سوئیچ می شود، مدت زمان کوتاهی جریان معکوس عبور می کند تا حامل های ذخیره شده در ناحیه تهی تخلیه شوند. این ویژگی در یکسوسازی فرکانس های بالا می تواند مشکل ساز باشد.
از نظر فیزیکی، دیود پیوند PN می تواند با روش های مختلفی مانند آلیاژسازی (Alloying)، انتشاری (Diffusion) یا رشد کریستال (Crystal Growth) ساخته شود. هر روش ساخت، ویژگی های خاصی به دیود می بخشد و برای کاربردهای معینی مناسب است. به عنوان مثال، دیودهای انتشاری معمولا سرعت سوئیچینگ بالاتری نسبت به دیودهای آلیاژی دارند.
به طور خلاصه، دیود پیوند PN پایه و اساس الکترونیک نیمه هادی مدرن است. درک عملکرد آن برای هر مهندس برق و الکترونیک ضروری می باشد و مفاهیم مطرح شده در آن، پایه ای برای تحلیل سایر ادوات نیمه هادی محسوب می شود.
