دیود چهارلایه (Four-Layer Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود چهارلایه (Four-Layer Diode) :
دیود چهارلایه (Four-Layer Diode) که با نام دیود شاکلی (Shockley Diode) یا دیود PNPN نیز شناخته می شود، یک قطعه نیمه هادی با ساختار چهارلایه P-N-P-N است. این دیود دو پایانه (آند و کاتد) دارد و به عنوان یک سوئیچ دوحالته (Bistable Switch) عمل می کند. دیود چهارلایه اساس ساخت خانواده تریستورها (Thyristors) است و اولین بار توسط ویلیام شاکلی معرفی شد.
ساختار داخلی دیود چهارلایه از چهار لایه نیمه هادی متناوب P و N تشکیل شده است: لایه P1 (آند)، لایه N1، لایه P2، و لایه N2 (کاتد). این ساختار شامل سه پیوند PN به نام های J1 (بین P1 و N1)، J2 (بین N1 و P2) و J3 (بین P2 و N2) است. این قطعه را می توان معادل دو ترانزیستور BJT (یکی PNP و دیگری NPN) در نظر گرفت که به صورت متقاطع (Cross-Coupled) به هم متصل شده اند.
مشخصه جریان-ولتاژ (I-V Curve) دیود چهارلایه دارای دو ناحیه پایدار (Stable Regions) و یک ناحیه مقاومت منفی (Negative Resistance Region) است. در بایاس مستقیم (آند مثبت نسبت به کاتد)، تا رسیدن به ولتاژ شکست (Breakover Voltage - V_BO)، دیود در حالت قطع (Off State) قرار دارد و فقط جریان نشتی بسیار کوچکی (چند میکروآمپر) از آن عبور می کند. با رسیدن ولتاژ به V_BO، دیود به حالت هدایت (On State) سوئیچ می کند.
مکانیزم سوئیچینگ بر اساس بازخورد مثبت (Positive Feedback) بین دو ترانزیستور داخلی است. با افزایش ولتاژ آند، پیوند میانی J2 (که در بایاس معکوس است) دچار شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) می شود. این امر باعث تزریق حامل ها به پایه های ترانزیستورها شده و جریان افزایش می یابد. افزایش جریان باعث فعال تر شدن ترانزیستورها و افزایش بیشتر جریان می شود تا جایی که هر دو ترانزیستور به اشباع رفته و دیود در حالت هدایت قرار می گیرد.
پس از روشن شدن، ولتاژ دو سر دیود به مقدار کمی به نام ولتاژ نگهدارنده (Holding Voltage - V_H) کاهش می یابد (حدود ۱ تا ۲ ولت). در این حالت، جریان توسط مدار خارجی محدود می شود. برای خاموش کردن دیود، باید جریان عبوری از آن به زیر جریان نگهدارنده (Holding Current - I_H) کاهش یابد. این کار معمولا با قطع موقت جریان یا کاهش آن به زیر I_H انجام می شود.
پارامترهای مهم دیود چهارلایه عبارتند از: ولتاژ شکست (V_BO) که معمولا بین ۲۰ تا ۲۰۰ ولت است، جریان نگهدارنده (I_H) که حداقل جریان برای حفظ حالت هدایت است (معمولا چند میلی آمپر)، ولتاژ هدایت (V_ON) در حالت روشن (حدود ۱-۲ ولت)، و حداکثر جریان مجاز در حالت هدایت (I_ON).
کاربرد اصلی دیود چهارلایه به عنوان یک کلید (Switch) در مدارات راه انداز (Trigger Circuits) و مولدهای پالس (Pulse Generators) است. یک کاربرد رایج، در مدار فلیشر (Flashing Circuit) یا چشمک زن است. با شارژ یک خازن از طریق یک مقاومت، ولتاژ دو سر خازن افزایش می یابد تا به V_BO برسد. در این لحظه، دیود روشن شده و خازن را به سرعت از طریق یک بار (مثلا یک لامپ) تخلیه می کند و پالس نوری ایجاد می شود.
کاربرد دیگر در مدارات حفاظت ولتاژ (Voltage Protection) است. مانند دیود زنر، می توان از دیود چهارلایه برای محدود کردن ولتاژ اضافی استفاده کرد. وقتی ولتاژ از V_BO فراتر رود، دیود هدایت کرده و ولتاژ را محدود می کند. اما برخلاف زنر، دیود چهارلایه پس از هدایت، ولتاژ را تا V_H پایین نگه می دارد که ممکن است برای مدار مطلوب نباشد.
دیود چهارلایه همچنین به عنوان یک المان پایه در ساخت سایر قطعات خانواده تریستور مانند SCR (Silicon Controlled Rectifier) استفاده می شود. در واقع SCR یک دیود چهارلایه با یک پایه گیت اضافی است که امکان کنترل ولتاژ شکست را فراهم می کند. DIAC نیز یک دیود چهارلایه دوطرفه (Bidirectional) است که از دو دیود چهارلایه موازی معکوس ساخته می شود.
محدودیت های دیود چهارلایه شامل عدم توانایی در خاموش شدن با سیگنال کنترلی (چون گیت ندارد) و نیاز به کاهش جریان از I_H برای خاموش شدن است. این بدان معناست که برای خاموش کردن دیود در مدارات DC، باید جریان مدار قطع شود یا به زیر I_H برسد. این ویژگی کاربرد آن را در مدارات DC محدود می کند، مگر اینکه مدار به گونه ای طراحی شود که جریان به طور دوره ای به صفر برسد.
مواد سازنده دیود چهارلایه معمولا سیلیکون (Silicon) است. ساختار آن مشابه SCR است اما بدون پایه گیت. امروزه دیود چهارلایه به ندرت به صورت قطعه مجزا استفاده می شود و بیشتر کاربردهای آن توسط SCRها و TRIACهای کنترل شونده با گیت پوشش داده می شود. با این حال، DIAC که نوعی دیود چهارلایه دوطرفه است، هنوز در مدارات راه انداز تریاک (TRIAC Trigger Circuits) کاربرد دارد.
یکی از کاربردهای جالب دیود چهارلایه در ساخت نوسان سازهای آرامش (Relaxation Oscillators) است. با ترکیب یک مقاومت، یک خازن و یک دیود چهارلایه، می توان یک نوسان ساز ساده ساخت که پالس های ولتاژ تولید می کند. فرکانس نوسان با ثابت زمانی RC و ولتاژ شکست دیود تعیین می شود:
\[ f \approx \frac{1}{RC \ln\left(\frac{V_{CC}}{V_{CC}-V_{BO}}\right)} \].
در نهایت، دیود چهارلایه به عنوان نیای خانواده تریستورها، نقش تاریخی مهمی در الکترونیک قدرت دارد. اگرچه امروزه کمتر به صورت مستقیم استفاده می شود، اما درک عملکرد آن برای فهمیدن نحوه کار قطعات پیشرفته تری مانند SCR، TRIAC، و GTO ضروری است. این دیود نشان دهنده اولین گام در جهت ساخت قطعات سوئیچینگ قابل کنترل با قدرت بالا بود و مفاهیم بنیادی بازخورد مثبت و لچینگ (Latching) را در قطعات نیمه هادی معرفی کرد.
