دیودهایی با کاربردهای خاص(دیود ورکتور،دیود تونلی و دیود شاتکی)

دیودهایی با کاربردهای خاص، تعدادی از دیودها وجود دارند که به منظور برآورده سازی اهدافی خاص طراحی شده‌اند. مانند دیودهای TVS( کاهنده ولتاژ گذرا)، دیودهای با آلایش طلا، دیودهای SB  Super barrier ، دیودهای اتصال نقطه‌ای، دیودهای پلتیر و …

علاوه بر مواد ذکر شده در بالا، چند دیود خاص منظوره‌ی دیگر هم هستند که از بقیه مهم‌تر هستند و کاربردهای زیادی نیز دارند. در این آموزش می‌خواهیم به این دیودها بپردازیم.

دیود ورکتور

یک دیود پیوندی در دو طرف پیوند خود دارای دو پتانسیل مثبت و منفی است و در این شرایط ناحیه تخلیه مانند یک دی‌الکتریک عمل می‌کند و به این ترتیب در این‌جا یک خازن خواهیم داشت.

دیود ورکتور دیودی به‌خصوص است که در ناحیه‌ی بایاس معکوس که در آن خازن پیوند دچار تغییر می‌شود، عمل می‌کند.

خازن متغیر

دیود ورکتور را گاهی خازن متغیر یا خازن ولتاژی نیز می‌نامند. در تصویر زیر یک دیود ورکتور را می‌بینیم که به صورت بایاس معکوس در مدار قرار گرفته است.

اگر ولتاژ معکوس اعمال شده افزایش پیدا کند، پهنای ناحیه‌ی دی‌الکتریک نیز افزایش می‌یابد که موجب کاهش خازن پیوندی خواهد شد  و اگر ولتاژ معکوس اعمال شده کاهش پیدا کند، پهنای ناحیه‌ی دی‌الکتریک نیز کاهش می‌یابد که موجب افزایش خازن پیوندی خواهد شد.  اگر ولتاژ بایاس معکوس به صفر رسد، خازن پیوند حداکثر مقدار خود را خواهد داشت.

در تصویر زیر، انواع نمادهای مداری که برای دیود ورکتور به کارگرفته می‌شود را می‌بینیم. تنوع این نماد‌ها به دلیل تنوع عملکردهای دیود ورکتور است.

با آن‌که این خازن پیوندی در تمام دیودهای پیوند وجود دارد، خازن‌های ورکتور را  به طور مشخص به نحوی طراحی و تولید می‌کنند که از اثر این خازن بهره‌برداری کنیم و وضعیت‌های متنوع این خازن را افزایش دهیم.

کاربردهای دیود ورکتور

• استفاده به عنوان خازن متغیر با ولتاژ
• استفاده در مدار تانک LC متغیر
• استفاده به عنوان کنترلر خودکار فرکانس
• استفاده به عنوان مدولاتور فرکانس
• استفاده به عنوان جابه‌جاکننده (shifter) فاز RF
• استفاده به عنوان ضرب‌کننده ولتاژ در مدار اسیلاتور محلی

دیود تونلی

اگر تجمع ناخالصی در یک پیوند P-N  معمولی را به‌شدت افزایش دهیم، یک دیود تونلی ایجاده کرده‌ایم. گاهی به‌ آن‌ها دیود ایساکی هم گفته می‌شود که نام مخترع آن است.

زمانی‌ که تجمع ناخالصی در یک پیوندP-N  معمولی دچار افزایش شود، پهنای ناحیه‌ی تخلیه کاهش می‌یاید. چرا که افزایش غلظت ناخالصی‌ها، حامل‌های بیشتری را برای عبور از پیوند نیرومندتر می‌کند. حال هر قدر این غلظت را افزایش دهیم، به علت پهنای کمتر و کمتر ناحیه‌ی تخلیه و به علت انرژی بیشتر حاملان بار، آن‌ها به جای عبور کردن از روی سد پتانسیلی، به اصطلاح در میان آن نفوذ می‌کنند. این پدیه نفوذ کردن را به نوعی تونل زدن تعبیر می‌کنند و از همین رو این دیودها را دیود تونلی می‌نامند.

دیودهای تونلی قطعاتی کم‌توان هستند و لازم است با دقت از آن‌ها استفاده شود چرا که ممکن است حتی بوسیله الکتریسته ساکن و گرما تحت تاثیر قرار بگیرند.

مشخصهV-I دیود تونلی

دیود تونلی مشخصهV-I مخصوص به خود را دارد که عملکرد آن‌ را توضیح می‌دهد. در تصویر زیر می‌توانیم نگاهی به این مشخصه بیاندازیم.

تصور کنید که دیود در وضعیت بایاس مستقیم است. با افزایش ولتاژ مستقیم، جریان مرتبا افزایش می‌یابد تا زمانی که به یک نقطه‌ی قله برسد (I_P). ولتاژ در نقطه I_P  را نیز ولتاژ قله (V_P ) می‌نامیم. این نقطه در نموادر بالا با A مشخص شده است.

حال اگر ولتاژ از V_P نیز فراتر رود، آن‌گاه جریان شروع به کاهش یافتن می‌کند تا به نقطه‌ی مشخصی برسد که آن را جریان دره یا (I_V) می‌نامیم. ولتاژ در نقطه  I_V را نیز ولتاژ دره (V_V ) می‌نامیم. این نقطه در نموادر بالا با B مشخص شده است.

اگر ولتاژ باز هم از این فراتر رود، جریان مانند یک دیود معمولی افزایش می‌یابد. و برای مقادیر بزرگ‌تر ولتاژ مستقیم، جریان نیز به صورتی فراتر از آن(با شیبی بزرگتر از 1) افزایش می‌یابد.

مقاومت منفی

اگر تصور کنیم که دیود در وضعیت بایاس معکوس است، آن‌گاه دیود تونلی مانند یک رسانای بی‌نظیر عمل خواهد کرد و هر قدر ولتاژ معکوس افزایش یابد، کیفیت رسانایی نیز بهتر خواهد شد. در واقع دیود تونلی در این حالت مانند یک ناحیه‌ی با مقاومت منفی عمل می‌کند.

کاربردهای دیود تونلی

دیود‌های تونلی کاربردهای فراوانی دارند از جمله:

• کاربرد به عنوان یک قطعه‌ی سوییچینگ سریع
• کاربرد به عنوان یک قطعه‌ی ذخیره‌ی حافظه
• استفاده در اسیلاتورهای مایکرویو
• استفاده در اسیلاتورهای  relaxation oscillator

دیود شاتکی

نوعی منحصربه فرد از دیودها که در آن به جای پیوند دو نیمه‌هادی N و P  از اتصال یک فلز با یک نیمه‌هادی استفاده می‌شود. در واقع نیمه‌هادی نوع P در این‌جا با یک فلز جایگزین شده و با نیمه‌هادی نوع N پیوند برقرار می‌‌کند. این ترکیب دیگر ناحیه تخلیه نخواهد داشت. تصویر زیر یک دیود شاتکی و نماد مداری آن را نشان می‌دهد.

فلزی که در این این پیوند استفاده می‌شود ممکن است طلا، نقره، پلاتیوم، تنگستن یا … باشد. هم‌چنین برای نیمه‌هادی نیز معمولا از عناصری به جز سیلیکون یا گالیوم آرساناید استفاده می‌شود.

نحوه‌ی عملکرد دیود شاتکی

زمانی که هنوز هیچ‌ ولتاژی اعمال نشده و مدار بایاس نیست، الکترون‌های موجود در نیمه‌هادی نوع N، انرژی کمتری نسبت به الکترون‌های موجود در فلز دارند. حال اگر دیود به صورت مستقیم بایاس شود، الکترون‌های نیمه‌هادی صاحب مقداری انرژی شده و شروع به حرکت می‌کنند. به همین دلیل به این الکترون‌ها حاملان برانگیخته گفته می‌شود. تصویر زیر یک دیود شاتکی را نشان می‌دهد که در مدار متصل شده است.

مزایا

• دیود شاتکی یک قطعه‌ی تک قطبی است بنابراین هیچ جریان معکوسی در آن ایجاد نمی‌شود.
• مقاومت مستقیم آن‌ها مقدار اندکی است.
• افت ولتاژ آن‌ها بسیار کم است.
• یکسوسازی به‌وسیله‌ آن‌ها سریع و آسان است.
• هیچ ناحیه‌ی تخلیه‌ای ندارند و لذا خازن پیوندی ندارند. به همین دلیل دیود‌های شاتکی می‌توانند به سرعت به وضعیت خاموش تغییر وضعیت دهند.

کاربردهای دیود شاتکی

• استفاده به عنوان دیودهای آشکارساز
• استفاده به عنوان یکسوساز توان
• استفاده در میکسرهایRF
• استفاده در مدارهای توانی
• استفاده به عنوان دیودهای جهش (clamping)

منبع:  میکرودیزاینرالکترونیک