دیود پیوندی (Junction Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود پیوندی (Junction Diode) :
دیود پیوندی (Junction Diode) یک اصطلاح کلی است که به دیودهایی اطلاق می شود که بر اساس یک پیوند PN (PN Junction) ساخته شده اند. این رایج ترین نوع دیود است و اساس کار بسیاری از قطعات نیمه هادی را تشکیل می دهد. دیود پیوندی از اتصال دو ناحیه نیمه هادی نوع P و نوع N ساخته می شود و خاصیت یکسوسازی (Rectification) جریان را دارد.
ساختار دیود پیوندی شامل یک بلور نیمه هادی (معمولا سیلیکون) است که در یک سمت با ناخالصی پذیرنده (Acceptor) برای ایجاد ناحیه P و در سمت دیگر با ناخالصی دهنده (Donor) برای ایجاد ناحیه N دوپینگ (Doped) شده است. در مرز بین این دو ناحیه، یک ناحیه تهی (Depletion Region) تشکیل می شود که میدان الکتریکی داخلی دارد.
مشخصه جریان-ولتاژ (I-V Curve) دیود پیوندی به صورت نمایی است. در بایاس مستقیم (Forward Bias) با رابطه
\[ I = I_S (e^{V/(nV_T)} - 1) \]توصیف می شود. در بایاس معکوس، جریان نشتی بسیار کوچکی (I_S) عبور می کند تا به ولتاژ شکست (Breakdown Voltage) برسد. این رفتار اساس کار دیود در یکسوسازی و سوئیچینگ است.
پارامترهای مهم دیود پیوندی عبارتند از: حداکثر جریان مستقیم (I_F)، حداکثر ولتاژ معکوس (V_RRM)، افت ولتاژ مستقیم (V_F) (حدود ۰.۷ ولت برای سیلیکون و ۰.۳ ولت برای ژرمانیوم)، جریان نشتی معکوس (I_R)، و زمان بازیابی معکوس (t_rr). این پارامترها در دیتاشیت هر دیود ذکر شده اند.
دیودهای پیوندی انواع مختلفی دارند: یکسوساز (Rectifier)، سیگنال (Signal)، سوئیچینگ (Switching)، زنر (Zener)، و غیره. هر کدام برای کاربرد خاصی بهینه شده اند. برای مثال، دیودهای یکسوساز برای جریان بالا و فرکانس پایین، دیودهای سیگنال برای جریان کم و فرکانس بالا، و دیودهای زنر برای تثبیت ولتاژ طراحی شده اند.
کاربرد دیود پیوندی بسیار گسترده است. از یکسوسازی AC به DC در منابع تغذیه، حفاظت در برابر قطبیت معکوس، مدارات کلیپر و شپر، تا عنصر اصلی در ساخت ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) و سایر قطعات نیمه هادی. درک عملکرد دیود پیوندی برای هر مهندس الکترونیک پایه ای و ضروری است.
یکی از مفاهیم مهم در دیود پیوندی، ظرفیت خازنی پیوند (Junction Capacitance) است. این ظرفیت خازنی که در بایاس معکوس کاهش می یابد، می تواند در فرکانس های بالا مشکل ساز شود. دیودهای سیگنال برای کاهش این ظرفیت طراحی می شوند. از طرف دیگر، دیودهای واراکتور (Varactor) از این ظرفیت خازنی به عنوان یک ویژگی مفید استفاده می کنند.
دمای کاری بر عملکرد دیود پیوندی تأثیر می گذارد. با افزایش دما، جریان نشتی معکوس افزایش می یابد (تقریبا دو برابر به ازای هر ۱۰ درجه سانتیگراد برای سیلیکون) و ولتاژ آستانه کاهش می یابد (حدود -۲ میلی ولت بر درجه سانتیگراد). در کاربردهای توان، این نکات در طراحی حرارتی اهمیت دارند.
شکست (Breakdown) در دیود پیوندی می تواند دو نوع باشد: شکست زنر (Zener Breakdown) که در ولتاژهای پایین (زیر ۵ ولت) رخ می دهد و شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) که در ولتاژهای بالا رخ می دهد. دیودهای زنر برای کار در ناحیه شکست بهمنی طراحی می شوند، در حالی که دیودهای معمولی نباید وارد این ناحیه شوند.
در نهایت، دیود پیوندی اساسی ترین قطعه در الکترونیک نیمه هادی است. از زمان اختراع آن در اوایل دهه ۱۹۵۰، تحول عظیمی در صنعت الکترونیک ایجاد کرده و پایه گذار عصر اطلاعات بوده است. با وجود پیشرفت های چشمگیر در فناوری های جدید (مانند SiC و GaN)، دیود پیوندی سیلیکونی همچنان پرکاربردترین و مهم ترین قطعه الکترونیکی باقی مانده است.
