دیود و بایاس

دیود(Diode) در واقع پیوندی از دو نیمه هادی نوع N و P است که نیمه هادی نوع N و Pهر دو از یک عنصر هستند ولی به نوع مختلفی باردار شده اند،در نیمه هادی N چگالی بار الکترون ها بیشتر است و در نیمه هادی Pچگالی بار حفره ها بیشتر است . هرگاه دو کریستال نیمه هادی نوع N و P به هم اتصال یابند الکترونهای آزاد موجود در نیمه هادی نوع N که در نزدیکی محل اتصال P–N قرار دارند به سمت نیمه هادی  P می روند و با حفره های کریستال نوع P ترکیب می شوند و به این ترتیب حفره هایی از بین رفته و الکترونهای آزاد به الکترون های ظرفیت تبدیل می شوند . عبور یک الکترون از محل اتصال سبب ایجاد یک جفت یون می شود زیرا وقتی الکترونی از ناحیه N به ناحیه P وارد می شود در ناحیه N یک اتم پنج ظرفیتی الکترونی را از دست داده و به یون مثبت تبدیل می شود و در مقابل ، در ناحیه P یک اتم سه ظرفیتی الکترونی را دریافت می کند و به یون منفی تبدیل می شود .

 

 به این ترتیب در آموزش تعمیر موبایل  در اثر عبور تعداد زیادی الکترون از محل اتصال نیمه هادی ها ، در محل پیوند تعداد زیادی یون مثبت و منفی ایجاد می شود . این یون ها در کریستال ثابت هستند زیرا به علت پیوند کووالانس بین الکترونهای اتم ها ، نمی توانند مانند الکترونهای آزاد حرکت کنند . بنابراین در محل پیوند ناحیه ای به نام ناحیه تهی به وجود می آید که در آن حامل های هدایت الکتریکی (که همان الکترونها در نیمه هادی نوع N و حفره ها نیمه هادی نوع p هستند) وجود ندارند . به ناحیه ، ناحیه سد هم گفته می شود . یون های مثبت و منفی در ناحیه تخلیه (ناحیه تهی)، میدان الکتریکی ایجاد می کنند . این میدان الکتریکی مانع عبور الکترونهای آزاد از محل اتصال می شود . هرگاه میدان ایجاد شده به حدی برسد که مانع عبور الکترون از محل اتصال گردد حالت تعادل به وجود خواهد آمد و به این صورت دیود کریستالی ساخته می شود . ولتاژ ایجاد شده در ناحیه تهی ، پتانسیل سد نامیده می شود .

 

 در این شکل یون های مثبت ومنفی در ناحیه تهی و میدان الکتریکی ایجاد شده بین یون ها و همچنین نیمه هادی های نوع N و P به خوبی نمایش داده شده است . در این شکل دایره های سفید رنگ ، بیانگر حفره ها و دایره های دنباله دار قرمز رنگ ، بیانگر الکترونهای آزاد در حال حرکت هستند .

 

به این ترتیب اگر ولتاژی به دو سر اتصال P–N اعمال شود، دیودها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌‌دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می‌‌دهند. این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی ، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود.

 

در ادامه به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت که اگر ولتاژی به دو سر اتصال P–N اعمال شود چه اتفاقی روی می دهد .

 

بایاس کردن

 

 اعمال ولتاژ به دو سر پیوند P–N را بایاس کردن آن پیوند گوییم. بایاس کردن پبوند P–N به دو صورت مستقیم و معکوس انجام می گیرد .

بایاس مستقیم ( Forward Bias ) : هنگامی که قطب مثبت منبع تغذیه را به نیمه هادی نوع P و قطب منفی منبع تغذیه را به نیمه هادی نوع N متصل کنیم ، گوییم دیود در بایاس مستقیم یا موافق قرار گرفته است.

 

هنگامی که میدان الکتریکی ناشی از منبع تغذیه ، میدان الکتریکی پتانسیل سد را خنثی می کند ، ناحیه تهی و پتانسیل سد از بین می روند و الکترونهای ناحیه N به سمت محل پیوند رانده می شوند . این الکترونها وارد ناحیه نوع P شده و در اثر ترکیب با حفره های موجود در ناحیه  P به الکترون ظرفیت تبدیل می شوند . الکترونهای ظرفیت از حفره ای به حفره دیگر می روند تا به انتهای ناحیه  Pو سرانجام به قطب مثبت منبع تغذیه برسند . در این حالت به نظر می رسد که حفره ها در ناحیهp  در خلاف جهت حرکت الکترونها حرکت کرده و جریانی را به وجود می آورند ، در حالی که عملاً آنها بدون حرکت وساکن هستند . در بایاس مستقیم دیود ، اگر ولتاژ دو سر دیود را به تدریج از صفر افزایش دهیم ، در ابتدا جریان ناچیزی از مدار عبور خواهد کرد . به محض اینکه ولتاژ دو سر دیود به حدود ولتاژ تماس پیوند P–N برسد، جریان خروجی از دیود به طور چشم گیری شروع به افزایش  می کند . این ولتاژ حدی را ولتاژ آستانه هدایت دیود می نامند .

 

 

بایاس معکوس ( Reverse Bias ) : اگر قطب مثبت منبع تغذیه را به ناحیه نوع N و قطب منفی آن را به ناحیه نوع P متصل کنیم ، دیود را در بایاس معکوس یا مخالف قرار داده ایم .

 

در این حالت الکترونهایی از قطب منفی منبع ولتاژ به سمت نیمه هادی نوع P می روند و با حفره های موجود در نیمه هادی p و همچنین حفره های موجود در مجاورت ناحیه تخلیه (تهی) ترکیب می شوند و به این ترتیب به عرض ناحیه تهی در نیمه هادی نوع P افزوده میشود . در نیمه هادی نوع N ، الکترونهای اطراف ناحیه تخلیه جذب قطب مثبت منبع تغذیه می شوند و این ناحیه نیز الکترون های آزاد خود را از دست می دهد و به این ترتیب در نیمه هادی نوع N نیز عرض ناحیه تهی افزایش می یابد .

 

هر قدر که عرض ناحیه تهی افزایش یابد، پتانسیل سد نیز افزایش می یابد . این افزایش پتانسیل سد آنقدر ادامه می یابد تا پتانسیل سد با ولتاژ منبع تغذیه برابر شود و از این مقدار به بعد عرض ناحیه تهی ثابت خواهد ماند . و این به خاطر آن است که وقتی پتانسیل سد با ولتاژ منبع تغذیه برابر می شود در نیمه هادی نوع N ، نیروی دافعه بین یون های منفی و الکترونهای قطب منفی منبع تغذیه اجازه نزدیک شدن این الکترونها به ناحیه تهی را نمی دهد و در نتیجه عرض ناحیه تهی در این نیمه هادی ثابت می ماند . همچنین در نیمه هادی نوع P نیز ، نیروی جاذبه بین یون های مثبت و الکترونهای اطراف ناحیه تهی ، مانع دور شدن این الکترونها از این نواحی شده و در نتیجه در این نیمه هادی نیز عرض ناحیه تهی ثابت می ماند .

 

 البته باید توجه داشت که در بایاس معکوس، دیود جریان بسیار ضعیفی را از خود عبور می دهد که جهت این جریان از طرف کاتد به طرف آند است و علت برقراری این جریان در دیود این است که در بایاس معکوس دیود ، در ناحیه تهی یک میدان الکتریکی قوی ایجاد می شود . به دلیل وجود این میدان و نیز انرژی حرارتی محیط ، بعضی از پیوند های کووالانسی بین یون ها و اتم ها شکسته شده و الکترونهایی آزاد می شوند . جهت حرکت الکترونهای آزاد شده در خلاف جهت میدان بوده و خود را به قطب مثبت منبع تغذیه می رسانند .

 

 بعضی از این الکترونها در طول مسیر خود با حامل های اقلیت نیمه هادی نوع N که همان حفره ها هستند، ترکیب می شوند و در اثر شکسته شدن برخی پیوندها در این میان ، مجدداً همان تعداد الکترون آزاد می شود که به طرف قطب مثبت منبع تغذیه حرکت می کنند.

 

هم زمان در نیمه هادی نوع P نیز ، حامل های اقلیت که الکترونها هستند وارد ناحیه تهی شده و با حفره های ایجاد شده ترکیب می شوند و همان تعداد الکترون از منبع تغذیه وارد نیمه هادی نوع P می شود و به این ترتیب جریان ضعیفی در دیود جاری می شود که به آن جریان اشباع معکوس دیود می گویند .

 

بنابراین می توان گفت، این حامل های اقلیت نیمه هادی ها هستند که سبب برقراری جریان اشباع معکوس در دیود می شوند . مقدار جریان اشباع معکوس دیود به درجه حرارت محیط بستگی دارد و پس از به اشباع رسیدن جریان معکوس دیود ، افزایش ولتاژ معکوس در مقدار آن تأثیری نخواهد داشت . شاید این سوال پرسیده شود که آیا می توان هر مقدار ولتاژ معکوسی را به دو سر دیود وصل کرد ؟ این موضوع را در ادامه و تحت عنوان ولتاژ شکست معکوس دیود بررسی می کنیم .