آموزش الکترونیک – دیود و مبانی نیمه هادی
تعریف نیمه هادی
نیمه هادی ها موادی هستند که در لایه آخر اتم های آن ها ۴ الکترون والانس وجود دارد. مانند : کربن و سیلیسیم و ژرمانیم و … .
باند های انرژی
همانطور که می دانیم در فعل و انفعالات شیمیایی و ترکیبات اجسام با یکدیگر ، فقط الکترون های مدار آخر هر اتم ، شرکت می کنند. لذا ، ظرفیت هر جسم به تعداد الکترون های مدار آخر هر اتم بستگی دارد.
مثلا آلومینیم که سه ظرفیتی است و در مدار آخر اتم آن ، سه الکترون وجود دارد.
اگر اتمی الکترون از دست بدهد ، این الکترون از مدار آخر حذف می شود ، اگر الکترون دریافت کند این الکترون در مدار آخراتم جای می گیرد.
همانطور که می دانید شرط برقراری جریان در یک جسم وجود الکترون آزاد در آن جسم می باشد. انرژی لازم برای آزاد کردن الکترون های ظرفیت هادی ها ، بسیار کم و در حدود ۰٫۰۱ الکترون ولت ( ev ) است.
در نیمه هادی ها مقدار این انرژی بیشتر و در حدود ۰٫۵ تا ۱٫۵ الکترون ولت می باشد. مقدار دقیق این انرژی برای مواد مختلف متفاوت است. لذا ، باتوجه به انرژی مورد نیاز ، برای عناصر مختلف باند انرژی ممنوع ، ظرفیت و هدایت را تعریف می کنیم:
باند ظرفیت ( Valance Band )
در این باند الکترون های لایه آخر هر اتم با تحریک انرژی خارجی از مدار جدا می شوند.
باند ممنوع ( Forbidden Band )
این باند نشان می دهد که چه مقدار انرژی لازم است تا الکترون ها از مدار آخر آزاد شوند.
باند هدایت ( Conduction Band )
در این باند الکترون های آزاد با تحریک خارجی از جمله میدان الکتریکی به راحتی می توانند در داخل اجسام به حرکت در بیایند.
در هریک از عناصر برای این که الکترون بتواند از لایه ی ظرفیت خارج شود و به صورت الکترون آزاد دربیاید باید انرژی لازم به آن داده شود.
در شکل زیر باند انرژی را برای مواد نیمه هادی و عایق ها و هادی ها مشاهده می کنید و می بینید که چه مقدار انرژی لازم است تا الکترون های ظرفیت به صورت الکترون آزاد در بیایند :
انواع نیمه هادی
هدایت الکتریکی نیمه هادی ها از فلزات کم تر ولی از عایق ها بیش تر است. مدار آخر نیمه هادی ها دارای ۴ الکترون می باشد. در جدول زیر چند نوع نیمه هادی را مشاهده می کنید:
ساختمان اتمی ژرمانیم و سیلیسیم
ژرمانیم دارای عدد اتمی ۳۲ است. الکترون های لایه های آن به ترتیب عبارت اند از :
K=2 , L=8 , M=18 , N=4
سیلیسیم دارای عدد اتمی ۱۴ می باشد و در شکل زیر لایه های آنرا مشاهده می کنید :
ساختمان کریستالی ژرمانیم و سیلیسیم
اتم های نیمه هادی ژرمانیم و سیلیسیم ، به صورت یک بلور سه بعدی مطابق شکل زیر می باشند ، که با کنار هم قرار گرفتن بلور ها ، شبکه ی کریستالی آن ها پدید می آید.
با توجه به این که الکترون های لایه آخر سیلیسیم و ژرمانیم ۴ عدد می باشد لذا مدار آن ها کامل نیست و می توانند تعدادی الکترون بگیرند. با کنار هم قرار گرفتن ژرمانیم و سیلیسیم ، الکترون های مدار آخر خود را به اشتراک می گذارند تا مدار آخرشان کامل شود. در شکل زیر تعدادی از اتم های سیلیسیم که پیوند اشتراکی تشکیل داده اند را مشاهده می کنید :
همانطور که مشاهده می کنید اتم مرکزی در شکل بالا با ۴ اتم دیگر پیوند اشتراکی برقرار کرده و لایه آخر الکترون خود را با ۸ الکترون تکمیل می کند و به این ترتیب تمام اتم های ماده سیلیسیم پیوند اشتراکی برقرار می کنند و یک شبکه کریستالی منظم را بوجود می آورند .
به این ترتیب ماده سیلیسیم و ژرمانیم یک عایق محسوب می شوند . چون فاقد الکترون آزاد اند.
نیمه هادی نوع N و P
همانطور که دیدید سیلیسیم و ژرمانیم خالص تقریبا عایق می باشند و فاقد الکترون آزاد اند. حال اگر بخواهیم از آن ها استفاده کنیم و بتوانیم عناصر ویژه ای بسازیم باید آن ها را ناخالص کنیم. برای ناخالص کردن کریستال نیمه هادی ، عناصر با اتم های پنج ظرفیتی و یا ۳ طرفیتی به آن می افزاییم. این عناصر را ناخالصی می نامند.
ناخالص کردن کریستال با اتم ۵ ظرفیتی
اگر به یک کریستال ، یک اتم ۵ ظرفیتی مانند آرسنیک یا آنتیموان اضلفه کنیم ، چهار الکترون مدار آخر ارسنیک با چهار اتم مجاور کریستال پیوند اشتراکی می دهد و الکترون پنجم آن ، به صورت الکترون آزاد در می آید.
به این ترتیب در این کریستال الکترون اضافی وجود دارد که به آن نیمه هادی نوع N می گوییم.
ناخالص کردن کریستال با اتم ۳ ظرفیتی
اگر یک عنصر ۳ ظرفیتی ، مانند آلومینیوم یا گالیم را به سیلیسیم یا ژرمانیم خالص اضافه کنیم سه الکترون مدار آخر الومینیم با سه الکترون اتم سیلیسیم یا ژرمانیم مجاور خود ، پیوند اشتراکی تشکیل می دهد و پیوند چهارم در شرایط کمبود الکترون قرار می گیرد. به این ترتیب می توان گفت که یک حفره ایجاد شده است.
بایاس PN
در این قسمت می خواهیم ببینیم که در اثر اتصال دو کریستال P و N به یکدیگر چه اتفاقی می افتد.
لحظه ای که دو کریستال P و N را به هم پیوند می دهیم ، از آن جا که الکترون ها و حفره ها قابل انتقال اند ، الکترون های موجود در نیمه هادی نوع N به سبب بار الکتریکی مثبت حفره ها ، جذب حفره ها می گردد. لذا در محل اتصال نیمه هادی نوع N و P ، نه الکترون آزاد وجود دارد و نه حفره . به این محل که در که در آن الکترون ها و حفره ها وجود ندارند ، ناحیه تخلیه یا لایه سد می گویند. عرض این ناحیه بسیار کم و در حدود چند دهم میکرون است.
همان طور که در شکل بالا می بینید ، ناحیه ی تخلیه فاقد الکترون و حفره آزاد است. اما در این ناحیه ، اتم هایی که الکترون از دست داده اند یا دریافت کرده اند ، به صورت بار های مثبت و منفی در نیمه هادی نوع N و P باقی می مانند. بقیه ی قسمت های دو نیمه هادی نوع N و P ( به جز ناحیه تخلیه ) وضع عادی خود را حفظ می کنند.
در ناحیه ی تخلیه ، بار های مثبت در نیمه هادی نوع N و بار های منفی در نیمه هادی نوع P ، در دوطرف لایه سد قرار گرفته اند.
مجموعه ی ناحیه تخلیه ، مانند یک خازن شارژ شده عمل می کند. در این شرایط سطوح دو نیمه هادی به منزله ی دو جوشن و لایه سد به منزله ی عایق ( دی الکتریک ) خازن است. بنابراین بار های مثبت و منفی بین دو جوشن یک پتانسیل تشکیل می دهند.
این پتانسیل را پتانسیل سد می نامند که مقدار آن برای دو قطبی PN با سیلیسیم برابر ۰٫۷v و برای دو قطبی PN با ژرمانیم برابر ۰٫۲v می باشد.
دیود
علامت اختصاری و ساختمان ظاهری دیود معمولی
دیود از یک کریستال Pو N که به هم متصل اند ایجاد می گردد. دیود های معمولی از نظر ظاهری به شکل های مختلفی ساخنه می شوند ولی علامت اختصاری همه یک سان است. در شکل زیر ساختمان کریستالی و نماد مداری دیود را مشاهده می کنید :
در شکل زیر شکل ظاهری انواع دیود ها را بر حسب کار برد و توان های مختلف مشاهده می کنید :
دیود در بایاس مستقیم و معکوس
اصطلاح بایاسینگ را برای راه اندازی و آماده به کار کردن یک مجموعه به کار می برند. در این قسمت منظور از بایاسینگ دیود وصل کردن ولتاژ خارجی به آن می باشد.
بایاس مستقیم ( Forward Bias )
اگر نیمه هادی نوع P را به قطب مثبت باتری و نیمه هادی نوع N را به قطب منفی آن متصل کنیم ، این حالت را بایاس مستقیم گویند.
اگر در این بایاس ولتاژ باتری بیشتر از پتانسیل سد باشد ، میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ باتری ، میدان الکتریکی پتانسیل سد دیود را خنثی می کند ( زیرا جهت میدان باتری ، عکس میدان پتانسیل سد است ) . لذا منطقه ی تخلیه و پتانسیل سد از بین می رود و به عبارت دیگر لایه سد ، در اثر میدان الکتریکی ولتاژ باتری می شکند.
در نتیجه الکترون های آزاد واقع در کریستال N از ناحیه سد عبور کرده و سپس از کریستال نوع P عبور کرده و جذب قطب مثبت باتری می شوند.
همین طور نیز حفره های واقع در کریستال نوع P از ناحیه سد عبور کرده و از کریستال نوع N می گذرند و به طرف قطب مفی باتری می روند.
به این ترتیب در مدار جریان برقرار می شود.
بایاس معکوس ( Reverse Bias )
در صورتی که نیمه هادی نوع P را به قطب منفی باتری و نیمه هادی نوع N را به قطب مثبت آن وصل کنیم ، این حالت را بایاس معکوس می نامند.
در این شرایط الکترون های آزاد واقع در نیمه هادی نوع N ، به سبب پتانسیل مثبت باتری ، به سمت راست و حفره ها نیز به دلیل پتانسیل منفی باتری ، به سمت چپ کشیده می شوند. در این حالت عرض ناحیه تخلیه زیادتر می گردد و ولتاژ باتری ، پتانسیل سد را تشدید می کند. لذا به دلیل افزایش پتانسیل سد و تهی تر شدن ناحیه ی تخلیه از الکترون ها و حفره ها ، جریانی در مدار برقرار نخواهد شد.
جریان اشباع معکوس در دیود
به خاطر داشته باشیم که همواره بر اثر گرما ، پیوند ها در حال شکسته شدن و ترکیب مجدد هستند. حال اگر دیودی در بایاس معکوس بسته شود و تعدادی از پیوند ها در لایه سد شکسته شوند ، چه اتفاقی می افتد ؟
با توجه به شکل زیر فرض می کنیم یک پیوند در محل سد شکسته شده باشد، در نتیجه یک الکترون آزاد و یک حفره به وجود می آید.
الکترون آزاد به سمت پتانسیل مثبت باتری کشیده می شود و جذب قطب مثبت باتری می شود و می توانیم بگوییم که حفره ، جذب قطب منفی گردیده است ، لذا در مدار ، جریان بسیار ضعیفی به وجود می آید که به جریان اسباع معکوس معروف است. مقدار این جریان به جنس نیمه هادی و گرمای محیط بستگی دارد ، زیرا این جریان فقط در اثر شکسته شدن پیوند ها ایجاد می شود. مقدار این جریان بسیار کم است و از نانو آمپر تجاوز نمی کند .
منحنی مشخصه ی ولت – آمپر دیود
در این قسمت می خواهیم منحنی مشخصه ی دیود را بررسی کنیم ، یعنی می خواهیم ببینیم که با تغییر ولتاژ دوسر دیود در حالات مختلف ، جریان آن چه تغییری می کند .
در شکل زیر منحنی مشخصه دیود را در بایاس مستقیم مشاهده می کنید :
در منحنی بالا دو ناحیه اصلی وجود دارد که یکی ناحیه دینامیکی یا غیر خطی نام دارد و دیگری ناحیه ی استاتیکی یا خطی نام دارد. در ناحیه ی دینامیکی چون ولتاژ ورودی هنوز کمتر از پتانسیل سد دیود است جریان در مدار برقرار نشده و جریان بسیار کمی در حال عبور کردن است اما در ناحیه خطی چون ولتاژ ورودی از پتانسیل سد کمی بیشتر شده دیود به اصطلاح می شکند و جریان در مدار برقرار می شود.
در شکل زیر منحنی مشخصه ی دیود را در نبایاس معکوس مشاهده می کنید :
در این بایاس همانطور که گفته شد دیود قطع بوده و جریانی از آن نمی گذرد . تنها جریانی که از دیود می گذرد جریان اشباع معکوس دیود می باشد که بسیار کم و در حدود نانو آمپر می باشد.
پس هر قدر ولتاژ را افزایش دهیم دیود هادی نمی شود اما از یک ناحیه ای به بعد دیگر تحمل ناحیه سد از بین می رود و دیود به یکباره هادی شده و جریان بسیار زیادی از آن می گذرد و دیود می سوزد.
ولتاژ شکست دیود یکی از پارامتر های مهم دیود است و مقدار آن را کارخانه سازنده به ما می دهد.
مقادیر حد در دیود ها
به طور کلی هر دیودی که ساخته می شود برای کاربرد خاصی ساخته شده و پارامتر های آن از قبیل ولتاژ ها و جریان آن متفاوت است. در زیر این پارامتر های مهم را بررسی می کنیم :
مشخصه های جریان
الف ) ماکزیمم جریان مستقیم یا متوسط دیود ( I )
مقدار ماکزیمم جریان عبوری مستقیم ، عبارت است از مقدار جریان DC یا متوسط که مجاز هستیم از دیود عبور دهیم.
در شکل زیر متوسط جریان دو نوع سیگنال را مشاهده می کنید :
در صورتی که بر اثر عبور ای جریان ، حرارت ایجاد شده در اتصال PN ، در هوای آزاد به خوبی نتواند دفع شود باید دیود را روی گرماگیر نصب کنیم. لازم است یاد آوری کنیم که اگر قرار باشد دیود ها روی گرماگیر نصب شوند ، کارخانه سازنده مشخص می کند.
ب ) ماکزیمم جریان تکراری دیود ( IFRM )
ماکزیمم جریان تکراری دیود عبارت است از حداکثر دامنه ی جریانی که به صورت تکرار سیکل ها در دیود جاری می گردد.
ج ) ماکزیمم جریان لحظه ای ( IFSM )
عبارت است از حداکثر جریان غیر تکراری که دیود می تواند در لحظه ای بسیار کوتاه ( حدود چند میکرو ثانیه یا میلی ثانیه ) تحمل کند. اگر این جریان چند بار پشت سر هم اعمال شود ممکن است دیود بسوزد :
مشخصه های ولتاژ
الف ) ماکزیمم ولتاژ معکوس مجاز ( VR )
ماکزیمم ولتاژ معکوس مجاز ، عبارت است از حداکثر ولتاژی که در بایاس معکوس ، دوسر دیود قرار می گیرد. این ولتاژ می تواند جمع ولتاژ های لحظه ای و ثابت یا ماکزیمم دامنه ی سیکل های تکراری باشد.
معمولا کار خانه ها ، حداکثر ولتاژ معکوس مجاز که در دوسر دیود قرار می گیرد را برای ولتاز های ثابت و متناوی یه صورت جداگانه در اختیار قرار می گذارند و علامت VR را برای ولتاژ های ثابت و علامت VRM را برای ولتاژ های متناوب به کار می برند.
ب ) ماکزیمم ولتاژ معکوس غیر تکراری
حداکثر ولتاژی است که دیود می تواند به صورت غیر تکراری در بایاس معکوس تحمل کند و در صورت تکرار ، دیود آسیب می بیند.
بیشتر بخوانید :
