1. دیود دکتر سعید شیری فصل سوم از: & کتابMICROELECTRONIC CIRCUITS 5/e
Sedra/Smith
Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department

2. مقدمه
اغلب مداراتی که در فصول قبل با تقویت کننده ها ساختیم بصورت خطی عمل میکردند. ولی در کاربردهای زیادی وجود دارند که فقط توسط مدارات غیر خطی قابل پباده سازی هستند. برای مثال تولید سیگنال dc از یک منبع تغذیه سینوسی و یا مدارات منطقی و حافظه ها
در این فصل به بررسی ساده ترین المان غیر خطی یعنی دیود میپردازیم.
دیود همانند مقاومت یک المان دوترمینالی است اما یک مشخصه غیر خطی دارد.

3. دیود ایده آل دیود دارای دو ترمینال آنود(مثبت) و کاتد (منفی) است:
اگر ولتاژ اعمالی به آند بیشتر از کاتد باشد دیود در گرایش مستقیم بوده و جریان ازآن عبور خواهد کرد.
اگر ولتاژ اعمالی به آند کمتر از کاتد باشد دیود در گرایش معکوس بوده و بصورت قطع عمل خواهد کرد.
Figure 3.1 The ideal diode: (a) diode circuit symbol; (b) i–v characteristic; (c) equivalent circuit in the reverse direction; (d) equivalent circuit in the forward direction.

4. محافظت از دیود
در عمل باید توسط مدارات جانبی جریان عبوری از دیود را وقتی که در حال هدایت است و همچنین مقدار ولتاژ معکوسی که هنگام گرایش معکوس دردو سر آن میافتد را محدود کرد وگرنه دیود آسیب خواهد دید.
چون جریان قطع است کل ولتاژ 10 ولت روی دیود میافتد.
Figure 3.2 The two modes of operation of ideal diodes and the use of an external circuit to limit the forward current (a) and the reverse voltage (b).

5. یکسوساز دیودی
یکی از کاربردهای اصلی دیود در مدارات یکسوساز (rectifier) است. یک مدار ساده یکسوساز مطابق شکل زیر از یک دیود و یک مقاومت ساخته میشود. اگر به این مدار ولتاژ سینوسی اعمال شود، در طول سیکل مثبت دیود هدایت کرده و جریان را عبور میدهد. در سیکل منفی ولتاژ، دیود در گرایش منفی قرار گرفته و جریان را عبور نخواهد داد.
Figure 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when vI  0. (d) Equivalent circuit when vI  0. (e) Output waveform.
مقدار متوسط خروجی صفرنبوده و دارای مقداری DC خواهد بود.

6. مثال
مدار شکل زیر برای شارژ یک باتری 12 ولت استفاده میشود. اگر منبع سیگنال یک ولتاژ سینوسی با مقدار پیک 24 ولت باشد، مشخص کنید دیود چه مقدار از هر سیکل در حال هدایت است. همچنین مقدار حداکثر جریان عبوری و ولتاژ معکوس آنرا مشخص کنید.
Figure 3.4 Circuit and waveforms for Example 3.1.

7. پاسخ
دیود وقتی هدایت میکند که ولتاژ دو سرآن مثبت باشد یعنی vs از 12 ولت بیشتر باشد. لذا زاویه هدایت عبارت است از:
در نتیجه دیود باندازه 120 درجه هدایت خواهد کرد.
مقدار حداکثر جریان:
مقدار حداکثر ولتاژ معکوس:

8. گیت دیودی
با استفاده از دیود و مقاومت میتوان برخی از مدارات منطقی را پیاده سازی نمود:
Figure 3.5 Diode logic gates: (a) OR gate; (b) AND gate (in a positive-logic system).

9. مثال
با فرض ایده آل بودن دیودها مقدار جریان I و ولتاژ V را برای هر یک از مدارات زیربدست آورید.
Figure 3.6 Circuits for Example 3.2.

10. پاسخ اگر فرض کنیم هر دو دیود در حال هدایت باشند، برای مدار a داریم:
در نقطه B خواهیمداشت:
برای مدار b اگر فرض کنیم هر دو دیود در حال هدایت هستند، خواهیمداشت:
در نتیجه باید فرض را عوض کنیم:
غیر ممکن !

11. مشخصات دیود واقعی
یکی از دیودهای مهم مورد استفاده دیود پیوندی ساخته شده از سیلیکون است.
مشخصه ولتاژ-جریان این دیود دارای 3 قسمت است:
Figure 3.8 The diode i–v relationship with some scales expanded and others compressed in order to reveal details.

12. ناحیه گرایش مستقیم
وقتی که ولتاژ دو سر دیود مثبت باشد دیود وارد ناحیه گرایش مستقیم شده و جریان زیر از آن عبور میکند:
در این رابطه مقدار Is که جریان اشباع نامیده میشود در یک درجه حرارت ثابت مقداری ثابت خواهد بود ( در حد )
مقدار VT که ولتاژ حرارتی نامیده میشود از رابطه زیر بدست میآید:

13. ناحیه گرایش مستقیم
اگر جریان دیود باندازه کافی بزرگ باشد میتوان رابطه جریان را بصورت زیر نوشت:
در نتیجه ولتاژ دو سر دیود بصورت زیر خواهد بود:
وقتی که ولتاژ دو سردیود کمتر از 0.5 ولت باشد، جریان دیود بسیارکم خواهد بود. این ولتاژ نامیده میشود.
بخاطر رابطه نمائی بین ولتاژ و جریان با افزایش جریان ورودی ولتاژ در محدوده باقی خواهد ماند.
در نتیجه برای دیودی که در حال هدایت است میتوان فرض کرد که ولتاژ 0.7 در دو سر آن افت خواهد نمود.

14. ناحیه گرایش معکوس
وقتی که ولتاژدوسردیود معکوس شود، دیود وارد ناحیه گرایش معکوس میشود. اگر این ولتاژ منفی چندین بار از کوچکتر باشد، مقدار جریان معکوس را میتوان بصورت زیر تقریب زد:
بعبارت دیگر جریان گرایش معکوس ثابت و برابر با جریان اشباع میباشد. البته در عمل مقدار آن از جریان Is خیلی بیشتر خواهد بود.

15. ناحیه شکست
وقتی که ولتاژ معکوس دو سر دیود از مقدار مشخصی که مقدار شکست نامیده میشود تجاوز کند دیود وارد ناحیه شکست میشود.
در این ناحیه جریان بشدت زیاد میشود در حالیکه ولتاژ متناسب با آن فقط اندکی اضافه میشود.
اگر اتلاف حرارتی دیود کنترل شود قرار گرفتن در این ناحیه مخرب نخواهد بود.
از این خاصیت برای تنظیم ولتاژ استفاده میشود.

16. آنالیز مدارات دیودی: آنالیز دقیق
برای آنالیز دقیق دیود در یک مدار از مدل نمائی استفاده میشود. این مدل غیر خطی و برای استفاده مشکل است.
درمدار شکل مقابل با فرض اینکه VDD از0.5 بیشترباشد تا اینکه دیود در حال هدایت قرار گیرد، جریان دیود از رابطه زیر بدست می آید.
از طرفی این جریان برابر است با:
در این دومعادله دو مجهول وجود دارد که به دوطریق گرافیکی و تکراری قابل حل است.

17. آنالیز گرافیکی مدل نمائی
برای آنالیز گرافیکی ، دو معادله فوق در نمودار ولتاژ-جریان رسم میشوند. محل تلاقی این دو نمودار راه حل مسئله خواهد بود.
محل تلاقی نقطه کار نامیده میشود و خط رسم شده خط بار نامیده میشود.
Figure Graphical analysis of the circuit in Fig using the exponential diode model.

18. حل به روش تکرار پاسخ معالات فوق را میتوان به روش تکرار حل نمود. مثال
اگر در شکل قبل مقدار VDD=5v و R=1K اهم باشد و همچنین اگر جریان دیود در ولتاژ 0.7 برابر با 1mA بوده و افت ولتاژی برابر با 0.1v در هر دهه از تغییر جریان داشته باشد، مقدار ID و VD را مشخص کنید.

19. پاسخ با فرض VD=0.7 خواهیمداشت: سپس با استفاده از رابطه
وجایگزین کردن مقادیر
خواهیمداشت:
با استفاده از این مقدار جدید برای ولتاژ دیود و تکرار روش فوق داریم:
با تکرار بیشتر مقادیر فوق تغییر چندانی نخواهند نمود:

20. آنالیز سریع
در مواقع زیادی آنالیز دقیق به روش تکراری بسیار وقت گیر خواهد بود. در چنین مواقعی میتوان از یک روش سریع اما با دقت کمتری استفاده کرده و پس از ارزیابی نتیجه در صورت نیاز به آنالیز دقیق پرداخت.
یک راه حل تقریب زدن مشخصه دیود با یک نمودار خطی است. این مشخصه را میتوان با دو خط یکی با شیب صفر و دیگری با شیب 1/rD تقریب زد.

21. تقریب خطی مشخصه دیود
در تقریب خطی مشخه دیود را میتوان بصورت زیر نشان داد:
چنین مدلی را میتوان با ترکیب یک دیود ایده آل و یک مقاومت نشان داد:
Figure Piecewise-linear model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.

22. مثال مثال قبل را به روش تقریب خطی دیود حل کنید.
از مقادیر زیر استفاده نمائید:
Figure The circuit of Fig with the diode replaced with its piecewise-linear model of Fig

23. مدل افت ولتاژ ثابت
یک مدل بسیار ساده تر که در شکل زیر نشان داده شده است، مشخصه دیود ایده آل را با دو خط جایگزین میکند: یکی با شیب صفر و دیگری با شیب بینهایت. این مدل شبیه به مدل ایده آل است با این تفاوت که در حالت گرایش مستقیم افت ولتاژی برابر با V=0.7 ولت در دو سر دیود در نظر میگیرد.
Figure Development of the constant-voltage-drop model of the diode forward characteristics. A vertical straight line (B) is used to approximate the fast-rising exponential. Observe that this simple model predicts VD to within 0.1 V over the current range of 0.1 mA to 10 mA.

24. مثال مثال قبل را با مدل افت ولتاژ ثابت حل کنید.
Figure The constant-voltage-drop model of the diode forward characteristics and its equivalent-circuit representation.

25. مدل سیگنال کوچک
در برخی کاربردها دیود بایاس میشود تا در یک نقطه کار dc قرار بگیرد و سپس یک مقدار ac کوچک به آن اضافه میشود.
در چنین مواقعی معمولا از مدل افت ولتاژ ثابت استفاده میشود تا نقطه کار دیود مشخص گردد سپس مشخصه دیود با خطی که شیب آن در نقطه کار از روی منحنی بدست میآید تقریب زده میشود.

26. مدل سیگنال کوچک
Figure Development of the diode small-signal model. Note that the numerical values shown are for a diode with n = 2.

28. استفاده از افت ولتاژ مستقیم دیود برای تنظیم ولتاژ
تنظیم کننده ولتاژ (رگولاتور) مداری است که یک مقدار ولتاژ dc ثابت بین دو ترمینال آن برقرار میکند. این ولتاژ باید علیرغم تغییرات در جریانی که بار از ترمینال تنظیم کننده ولتاژ میکشد و همچنین در صورت تغییر ولتاژ ورودی به تنظیم کننده ولتاژ، ثابت بماند.
از آنجائیکه در حالیکه علیرغم تغییرات زیاد در جریان دیود در حالت گرایش مستقیم ولتاژ دوسرآن تقریبا در مقدار 0.7 ولت ثابت باقی میماند؛ میتوان از دیود بعنوان یک رگولاتور ساده استفاده نمود.

29. مثال
در مدار شکل زیرولتاژ تغذیه دارای مقدار dc برابر با 10 ولت و یک ولتاژ سینوسی با پیک 1ولت است. با فرض
مقدار تغییر در ولتاژ دوسر دیودچقدر است؟
Figure (a) Circuit for Example 3.6.

30. پاسخ با فرض VD=0.7 داریم: در این نقطه مقاومت دیود برابر است با
با استفاده از مدل سیگنال کوچک دیود
داریم:
ملاحظه میشود که تغییرات ولتاژ دو سر دیود علیرغم 1 ولت تغییرات در ولتاژ منبع بسیار کم است.
Figure (b) Circuit for calculating the dc operating point. (c) Small-signal equivalent circuit.

31. سری کردن چند دیود برای افت ولتاژ بیشتر
در مدار شکل زیر با سری کردن 3 دیود میتوان به افت ولتاژ 2.1 ولت رسید. اگر ولتاژ منبع 10 درصد تغییرات داشته باشد مقدار تغییرات ولتاژ رگولاتور برابر است با:
جریان دیود ها:
مقدار مقاومت هر دیود:
این مقاومت ها با هم سری میشوند.
مقدار تغییرات سیگنال کوچک برابر است با:
Figure Circuit for Example 3.7.

32. سری کردن چند دیود برای افت ولتاژ بیشتر
با وصل کردن بار Rl این مقاومت جریانی برابر با تقریبا 2.1ma خواهد کشید که جریان دیود ها را به همین مقدار کاهش خواهد داد.
اینکار باعث میشود تا ولتاژ vo نیز بصورت زیر تغییر کند:
سهم هر دیود از افت ولتاژ برابر با 13.2mV است که باعث میشود تا فرض سیگنال کوچک دیگر درست نباشد.
در اینصورت باید از آنالیز مدل نمائی استفاده نمود که مقدار تغییر ولتاژ را بصورت زیر بدست میدهد که البته تفاوت چندانی ندارد.
Figure Circuit for Example 3.7.

33. دیود زنر
شیب تند جریان در ناحیه شکست دیود و تغییر بسیار کم ولتاژ در این ناحیه باعث میشود تا بتوان از دیود در ناحیه شکست بعنوان رگولاتور ولتاژ استفاده نمود.
دیود زنر دیودی است که طراحی شده تا در ناحیه شکست کار کند.
در کار بردهای معمولی این دیود کاتد به ولتاژ بالاتری نسبت به آند وصل میشود در نتیجه جریانی مطابق شکل از آن عبور خواهد کرد.
Figure Circuit symbol for a zener diode.

34. دیود در ناحیه شکست
مطابق منحنی ولتاژ-جریان دیود، وقتی که جریان معکوس دیود از مقدار Izk بیشتر میشود، این منحنی تقریبا بصورت یک خط راست در می آید.
معمولاهردیود زنر برای یک ولتاژ بخصوص طراحی میشود. مثلا دیودزنر 6.8 در ولتاژ معکوس 6.8 ولت جریان معکوس 10mA را از خود عبور خواهد داد. با تغییر جریان مقدار ولتاژ دوسردیودنیز تغییر خواهد نمود.
Figure The diode i–v characteristic with the breakdown region shown in some detail.

35. مدل دیود زنر در ناحیه شکست
مدل دیود در ناحیه شکست در شکل مقابل آورده شده است:
مقاومت rz مقاومت دیود زنر درنقطه کار است که معمولا بسیار کم و در حد چنداهم است.
ولتاژ Vz معمولا در حد چند ولت تا چند صد ولت در نظر گرفته میشود.
برای هر دیود زنر مقدار توانی که میتواند تلف کند توسط سازنده تعیین میشود.
مدل دیود درناحیه شکست بصورت
است. Vzo معمولا نزدیک به Vz است.
Figure Model for the zener diode.

36. مثال در شکل زیر مقدار Vo در حالت بی باری چقدر است.
مقدار Line Regulation یا
چقدر است.
مقدار Load Regulation یا
تغییرات ولتاژ در اثر اتصال باری که 1mA جریان میکشد چقدراست.
مقدار Vo برای بارهای 2K , 0.5K اهم چقدر است.
مقدار حداقل RL برای اینکه دیود درناحیه زنر باقی بماند چقدر است؟
Figure (a) Circuit for Example 3.8.

37. پاسخ با قراردادن مقادیر فوق در رابطه مقدار جریان در حالت بی باری: لذا:
برای تغییر +-1V در ولتاژ منبع داریم:
Figure (b) The circuit with the zener diode replaced with its equivalent circuit model.

38. پاسخ
وقتی که بار جریان 1mA را بکشد جریان زنر به همین اندازه کم خواهد شد.
برای بار 2k مقدار تقریبی جریان برابر
است با
این جریان از دیودکم میشود لذا:
Figure (b) The circuit with the zener diode replaced with its equivalent circuit model.

39. پاسخ برای مقاومت 0.5 کیلو اهم مقدار جریان برابر است با:
اما این امکان پذیرنیست زیرا جریان R برابربا 6.4mA است.
در اینصورت زنر قطع بوده و مقدار ولتاژ برابر خواهد بود با:
برای اینکه زنر در حالت شکست باقی بماند باید جریان آن از Iz=0.2 و ولتاژ آن از Vzk=6.7 کمتر نشود. در کمترین مقدار ولتاژ منبع مقدار جریان R برابر است با
در نتیجه مقدار جریان بار برابر است با
ودر آخر

40. مدارات یکسو ساز اصلی ترین کاربرد دیود درمدارات یکسوساز است.
در این مدار با استفاده از یک ترانسفورمر برق شهر تا حد لازم کاهش داده میشود. نسبت کاهش ممکن است در حدود 15:1 نیز باشد.
ترانسفورمر علاوه بر کاهش ولتاژ، مدارات دو طرف را از لحاظ الکتریکی نیز عایق میکند که خطر برق گرفتگی در طرف مصرف کننذه را کاهش میدهد.
220 V (rms)
50Hz
Figure Block diagram of a dc power supply.

41. مدارات یکسو ساز
خروجی ترانسفورمر به یک مدار یکسوساز دیودی وصل میشود که ولتاژ Ac را به dc تبدیل میکند.
اگرچه خروحی یکسوساز دیودی dc است اما دارای نوسان زیادی است که برای مدارات الکترونیکی مناسب نیست. برای کاهش این نوسان از یک مدار فیلتر استفاده میشود.
معمولا خروجی فیلتر دارای نوسان اندکی خواهدبود که ripple نامیده میشود. برای حذف آن از یک مدار رگولاتور استفاده میشود.
220 V (rms)
50Hz
Figure Block diagram of a dc power supply.

42. یکسوساز نیم موج
یکسوساز نیم موج جریان را برای نصف سیکل موج ورودی هدایت میکند.
Figure (a) Half-wave rectifier. (b) Equivalent circuit of the half-wave rectifier with the diode replaced with its battery-plus-resistance model. (c) Transfer characteristic of the rectifier circuit. (d) Input and output waveforms, assuming that rD ! R.

43. یکسوساز تمام موج
این مدار در هر دو نیمه موج سینوسی هدایت میکند. برای ایجاد ولتاژ dc باید جریان سیکل منفی تغییر علامت داده شود.
در این مدار از ترانسفورمری استفاده میشود که طوری پیچیده شده است تا دو خروجی یکسان تولید نماید.
وقتی که ورودی مثبت است هر دو سیگنال خروجی ترانسفورمر مثبت هستند در نتیجه D1 هدایت کرده و D2 قطع خواهد بود. در اینحالت جریان D1 همانند یک یکسوساز نیم موج وارد بار میشود.
وقتی که ورودی منفی میشود هر دو سیگنال خروجی ترانسفورمرنیز منفی شده در نتیجه D2 هدایت کرده و D1 قطع خواهد بود. در اینحالت جریان D2 وارد بار میشود.
توجه شود که جریان بار در هر دو حالت در یک جهت جریان داشته و ازطریق مقاومت بار وارد ترانسفورمر میشود.
Figure Full-wave rectifier utilizing a transformer with a center-tapped secondary winding: (a) circuit; (b) transfer characteristic assuming a constant-voltage-drop model for the diodes; (c) input and output waveforms.

44. یکسوساز تمام موج
اگر افت ولتاژ دیود VD باشد، در اینصورت منحنی مشخصه تبدیل یکسوساز تمام موج بصورت زیر خواهد شد.
برای پیدا کردن PIV ( حداکثرولتاژ معکوس) وقتی که D1 هدایت میکند و D2 قطع است، ولتاژ کاتد D2 برابر Vo و آند آن برابر –vs خواهد شد.
لذا ولتاژ معکوس D2 برابر
خواهد شد که ماکزیمم آن برابر است با:
لذا:

45. یکسوساز پل
یک مدار دیگر برای یکسوساز تمام موج مدار پل است که در آن بجای یک ترانسفورمر با سروسط از یک ترانسفورمر معمولی استفاده میشود. اما در مقابل به 4 دیود نیاز دارد.
Figure The bridge rectifier: (a) circuit; (b) input and output waveforms.

46. طرز کاریکسوساز پل دیودی
در سیکل مثبت ورودی Vs نیز مثبت بوده و D1 هدایت کرده و جریان را از طریق R و D2 عبور میدهد. در این حالت D3,D4 قطع خواهند بود.
چون دو دیود درمسیر جریان قرار دارند،
خروجی به اندازه افت دو دیود از Vs کمتر
خواهد بود.

47. طرز کاریکسوساز پل دیودی
در سیکل منفی ورودی، Vs نیز منفی بوده و D3 هدایت کرده و جریان را از طریق R و D4 عبور میدهد. در این حالت D1,D2 قطع خواهند بود.
جریان بار در هر دو سیکل در یک جهت هدایت خواهد کرد درنتیجه خروجی دارای مقدار dc مثبت خواهد بود.
ولتاژ معکوس D3 را میتوان از حلقه D3,R,D2 بدست آورد:
در نتیجه مقدار ماکزیمم آن برابر است با:

48. خلاصه ویژگی های یکسوساز پل
به یک ترانسفورمربا سروسط نیاز ندارد.
ولتاژ روشن شدن بالائی دارد
حد اکثر ولتاژ معکوس آن
در اکثر مدارات عملی از آن استفاده میشود.
معمولا میتوان 4 دیودپل را در یک بسته بندی تهیه کرد.

49. یکسوساز همراه با فیلتر خازنی
برای کاهش تغییرات ولتاژ dc در خروجی یکسوساز میتوان از یک خازن که با بار موازی است استفاده نمود.
در شکل مقابل اگر دیود ایده آل باشد با افزایش ورودی خروجی نیز زیاد میشود تا به مقدار پیک Vp برسد. با کاهش ورودی، دیود در گرایش معکوس قرار گرفته و قطع میشود.
در مدار فوق چون مسیری برای خالی کردن خازن وجود ندارد، خروجی برابر با مقدار Vp شده و همانقدر باقی خواهد ماند.
Figure (a) A simple circuit used to illustrate the effect of a filter capacitor. (b) Input and output waveforms assuming an ideal diode. Note that the circuit provides a dc voltage equal to the peak of the input sine wave. The circuit is therefore known as a peak rectifier or a peak detector.

50. یکسوساز همراه با فیلتر خازنی
اگر به مدار قبل مقاومت بار R وصل شود، وقتی که دیود قطع میشود خازن از طریق مقاومت خالی خواهد شد. اینکار تا آنجا ادامه خواهد داشت که ورودی از مقدار باقی مانده ولتاژ خازن بیشتر شود. در اینصورت دوباره دیود هدایت کرده و خازن را تا مقدار Vp شارژ خواهد کرد.
برای اینکه در زمانی که دیود قطع است خازن بطور کامل خالی نشود، خازن باید طوری انتخاب شود که ثابت زمانی RC از زمان تخلیه خیلی بیشتر باشد.
Figure Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with T. The diode is assumed ideal.

51. تحلیل فیلتر اگر CR>>T باشد (T پریود سیگنال ورودی باشد) داریم:

52. تحلیل فیلتر اگر نوسان ولتاژ خروجی کوچک باشد:
ولتاژ متوسط خروجی برابر است با:
در مدت قطع بودن دیود داریم:
و درانتهای زمان تخلیه داریم:
اگر RC خیلی بزرگ باشد تقریبا داریم:
در اینصورت:
برای زمان هدایت دیود اگر آنرا باندازه کافی کوچک بدانیم داریم:

53. تحلیل فیلتر برای تعیین جریان متوسط دیود داریم:
دیود باری برابر با مقدار زیر به خازن تحویل میدهد:
در زمان تخلیه خازن بار زیر را از دست میدهد:
با استفاده از روابط بالا داریم:

54. یکسو کننده دقیق: سوپر دیود
مدارات یکسو کننده ای که بررسی شد قادر نیستند سیگنالهای کوچک رایکسو کنند زیرا تا ورودی به 0.7 نرسد دیود در حالت قطع خواهدبود.
در مدار مقابل به محض اینکه ورودی مثبت میشود خروجی مثبت شده و دیود هدایت میکند و یک فیدبک منفی بین خروجی و ورودی منفی برقرار میشود. در واقع به محض اینکه ورودی از مقدار 0.6 تقسیم بر گین مدارباز اپ امپ بیشتر شود دیود شروع به هدایت خواهد نمود.
اگر ورودی منفی شود خروجی نیز منفی شده و دیود قطع میشود. در نتیجه ولتاژ خروجی صفر شده و جریان بار نیز صفر میشود. این باعث میشود تا اپ امپ بصورت مدار باز کار کند و خروجی آن در اشباع منفی قرار گیرد.
مشخصه این مدار در شکل مقابل نشان داده شده است.
Figure The “superdiode” precision half-wave rectifier and its almost-ideal transfer characteristic. Note that when vI > 0 and the diode conducts, the op amp supplies the load current, and the source is conveniently buffered, an added advantage. Not shown are the op-amp power supplies.

55. مدار محدود کننده
مداری است که در محدوده معینی بصورت خطی عمل کرده و خروجی آن بصورت KVi عمل میکند که K<=1 است. ولی وقتی که ورودی از این محدوده خارج میشود خروجی را درمقدار مشخصی ثابت نگه میدارد.
انواع مختلفی از محدود کننده ولتاژ را میتوان با دیود و زنر ساخت.
کاربرد این مدار در محافظت از ورودی به مدارات دیگر نظیر اپ امپ ها در مقابل اضافه ولتاژ است.
Figure General transfer characteristic for a limiter circuit.
Figure Applying a sine wave to a limiter can result in clipping off its two peaks.

56. مثالهائی از محدود کننده ولتاژ
Figure A variety of basic limiting circuits.

57. مدار کلمپ خازنی
در مدار شکل زیر که مشابه فیلتر خازنی است، خروجی به جای خازن از دیود گرفته شده است. وقتی که وردی برای مثال برابر با -6 ولت میشود دیود هدایت کرده و Vo=0 میشود. در این حالت خازن شارژ میشود. جهت نصب دیود باعث میشود تا پولاریته ولتاژی که خازن به آن شارژ میشود بصورت نشان داده شده در شکل باشد.
در سیکل مثبت ورودی دیود قطع شده و خروجی برابر با مجموع ولتاژ منبع و ولتاژ خازن یعنی Vo=+10 میشود.
بدین ترتیب مقدار سطح بالا و پائین خروجی نسبت به ورودی جابجا میشود.
با تعویض جهت دیود خروجی بین 0 , -10 قرار میگیرد.
Figure The clamped capacitor or dc restorer with a square-wave input and no load.

58. مدار کلمپ خازنی
با افزودن مقاومت بار به مدار کلمپ خروجی تغییرات زیادی میکند.
Figure The clamped capacitor with a load resistance R.

59. مدار دو برابر کننده ولتاژ
مدار شکل مقابل از یک کلمپ (C1,D1) و یک پیک دیتکتور (C2,D2) تشکیل شده است. مدار کلمپ باعث میشود تا ولتاژ دیود D1 بافرض ایده آل بودن دیود مطابق شکل b شود.
با اعمال این ولتاژ به پیک دیتکتور خروجی در مقدار پیک (-2VP) ثابت باقی خواهد ماند.
Figure Voltage doubler: (a) circuit; (b) waveform of the voltage across D1.

60. فیزیک دیود
دیود های نیمه هادی از یک پیوند pn ساخته میشوند که از کنار هم قرار گرفتن یک نیمه هادی نوع p با یک نیمه هادی نوع n ساخته میشوند.
امروزه عمده مدارات نیمه هادی از سیلیکون ساخته میشوند.
Figure Simplified physical structure of the junction diode. (Actual geometries are given in Appendix A.)

61. سیلیکون طبیعی
سیلیکون طبیعی دارای یک ساختار شبکه ای است که در آن هر اتم سیلیکون توسط پیوندهای کووالانسی با چهار اتم دیگر پیوند برقرار میکند.
در دمای اتاق، حرارت باعث میشود تا تعدادی از پیوندهای کووالانسی شکسته شده و الکترونهای آزاد بوجود آیند.
Figure Two-dimensional representation of the silicon crystal. The circles represent the inner core of silicon atoms, with +4 indicating its positive charge of +4q, which is neutralized by the charge of the four valence electrons. Observe how the covalent bonds are formed by sharing of the valence electrons. At 0 K, all bonds are intact and no free electrons are available for current conduction.

62. حفره و الکترون
وقتی که یک پیوند کووالانسی شکسته میشود، یک الکترون اتم اصلی خود را ترک میکند آنچه که بر جای میماند یک اتم با بار مثبت است که آماده پذیرش یک الکترون را دارد. این محل خالی یک حفره نامیده میشود.
این حفره میتواند توسط الکترونی که از اتم دیگری جدا شده پرشود. اینکار باعث میشود تا حفره در محل دیگری تشکیل شود. بدین ترتیب با جابجا شدن الکترونها حفره ها هم جابجا خواهند شد. یعنی جریانی از حفره ها!
مقداربارالکتریکی حفره برابر با بار الکترون اما مثبت است. در عمل تعداد حفره ها و الکترونهای آزاد با هم برابرهستند لذا بارالکتریکی کل نیمه هادی برابر با صفر است.
Figure At room temperature, some of the covalent bonds are broken by thermal ionization. Each broken bond gives rise to a free electron and a hole, both of which become available for current conduction.

63. تولید و ترکیب
در حالت تعادل حرارتی پدیده تولید الکترون آزاد و ترکیب الکترون و حفره با نرخ واحدی رخ میدهند.
در یک درجه حرارت مشخص تعداد حفره ها و الکترونها برابر است با:
که ni برای نیمه هادی خالص از رابطه زیر حساب میشود:
در دمای اتاق داریم:
دلیل اینکه سیلیکون نیمه هادی نامیده میشود آن است که تعداد الکترونهای آزاد آن مابین عایق و هادی است.
فقط یکی از هر میلیارد الکترون آزاد است

64. پدیده های Diffusion و ِDrift
الکترون و حفره بر مبنای دو پدیده در داخل نیمه هادی حرکت میکنند:
Diffusion: اگر تعداد الکترونها و حفره ها در بخش هائی از یک نیمه هادی برابر نباشند، الکترونها از جائی که بیشتر هستند به سمت محلی که الکترون کمتری دارد حرکت خواهند کرد. این پدیده نفوذ نامیده میشود که باعث جریانی به نام جریان نفوذی میگردد.
البته در یک نیمه هادی خالص در تمام نقاط توازن بین حفره و الکترون وجود داشته و چنین پدیده ای رخ نمیدهد.

65. مثالی از پدیده نفوذ
در نیمه هادی شکل زیر با اعمال ناخالصی ترکیب حفره ها در طول نیمه هادی به هم خورده است. وجود این نایکنواختی باعث میشود تا جریانی از حفره در امتداد x بوجود آید. مقدار جریان با شیب پروفایل غلظت حفره ها مرتبط خواهد بود:
q بار الکتریکی الکترون
Dp مقداری است ثابت
Jpدانسیته جریان
رابطه مشابه برای جریان الکترون
Figure A bar of intrinsic silicon (a) in which the hole concentration profile shown in (b) has been created along the x-axis by some unspecified mechanism.

66. پدیده drift
Drift یا رانش مکانیزم دیگری است که باعث بوجود آمدن جریان درداخل نیمه هادی میشود.
رانش ناقلها هنگامی اتفاق می افتد که یک میدان الکتریکی به دوسر نیمه هادی اعمال میشود. الکترونها و حفره ها در اثر این میدان شتاب گرفته و به سرعتی میرسند که سرعت رانش گفته میشود.
حفره ها در اثر میدان E درراستای آن به سرعتی برابر با
میرسند. در این رابطه mp موبیلیتی حفره ها بوده و برحسب cm2/ms بیان میشود.

67. جریان رانش
اگر در یک نیمه هادی چگالی حفره ها برابر با p و چگالی الکترونها برابر با n بوده و به این نیمه هادی میدان الکتریکی E اعمال شود هر دو ناقل مجبور به حرکت خواهند شد، ناقلهای مثبت یا همان حفره ها در جهت میدان و ناقلهای منفی یا الکترونها در خلاف جهت آن.
مقدار این جریان برای حفره برابر است با
و برای الکترونها داریم:
در نتیجه کل جریان حاصل از رانش برابر خواهد بود با:

68. افزودن ناخالصی به نیمه هادی
در یک نیمه هادی خالص تعداد حفره ها و الکترونها برابر است. اما میتوان با افزودن ناحالصی به نیمه هادی این برابری را به هم زد.
یک نیمه هادی ناخالص که تعداد الکترونهای آزاد آن بیشتر از حفره هایش باشد n-type و نیمه هادی با کثریت حفره ها p-type نامیده میشود.
برای ساختن نیمه هادی نوع n به سیلیکون یک ناخالصی مثل فسفر که در لایه ولانس خود 5 الکترون دارد اضافه میشود.

69. افزودن ناخالصی به نیمه هادی
با افزودن ناخالصی، اتم های فسفر جایگزین برخی ازاتم های سیلیکون شده و هر یک با 4 چهار اتم های مجاور پیوند کووالانسی برقرار میکنند. اما فقط 4 الکترون لایه آخر آن در پیوند با 4 همسایه شرکت کرده و یک الکترون لایه آخر بصورت آزاد باقی میماند که باعث تبدیل نیمه هادی به نوع n میشود.
ناخالصی مثل فسفر که یک الکترون آزاد به نیمه هادی اضافه میکند Doner نامیده میشود.
Figure A silicon crystal doped by a pentavalent element. Each dopant atom donates a free electron and is thus called a donor. The doped semiconductor becomes n type.

70. افزودن ناخالصی به نیمه هادی
اگر غلظت اتمهای بخشنده برابرND باشد در حالت تعادل حرارتی غلظت الکترونهای آزاد برابرخواهد بود با
بر طبق اصول فیزیک نیمه هادی ها در تعادل حرارتی حاصلضرب غلظت الکترون و حفره ثابت است:
لذا تعداد حفره های حاصل از یونیزه شدن حرارتی برابر است با:
نیمه هادی ناخالص از لحاظ الکتریکی خنثی است زیرا بار حاملهای اکثریت با بار اتمها خنثی میشود.

71. نیمه هادی نوع p
اگر ناخالصی اضافه شده ماده ای نظیر برم باشد که تعداد الکترونهای لایه آخر ان 3 عدد است، هر اتم ناخالصی فقط با 3 اتم سیلیکون پیوند کووالانسی برقرار کرده و ایجاد یک حفره خواهد نمود.
تعداد این حفره ها در تعادل حرارتی با غلظت اتمهای ناخالصی رابطه دارد:
تعداد الکترونهای آزاد برابر است با:
Figure A silicon crystal doped with a trivalent impurity. Each dopant atom gives rise to a hole, and the semiconductor becomes p type.

72. پیوند pn در حالت مدار باز
اگر دو قطعه نیمه هادی نوع n و p به هم متصل شوند، در محل اتصال غلظت الکترونها و حفره ها با هم برابر نبوده و لذا حفره ها از ناحیه p به سمت ناحیه n حرکت کرده و یک جریان نفوذی از p به سمت n خواهیم داشت.
به همین ترتیب الکترونها نیز از ناحیه n به ناحیه p نفوذ خواهند نمود و یک مولفه دیگر به جریان نفوذی اضافه خواهند کرد. مجموع این دوجریان یک جریان نفوذی برابر با ID ایجادخواهد کرد.
Figure (a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction.

73. ناحیه تخلیه
حفره هائی که از ناحیه p به ناحیه n نفوذ میکنند به سرعت با الکترونهای آزادی که به وفور در این ناحیه وجود دارند ترکیب شده و تعدادی از آنها را از گردونه فعالیت خارج میکنند. این امر باعث میشود تا حالت تعادلی که قبلا بین الکترونها و بارهای مثبت این ناحیه وجود داشت از بین رفته و در مرز بین دو ناحیه، منطقه ای بوجود آید که فاقد الکترون آزاد باشد. در نتیجه این قسمت از لحاظ الکتریکی خنثی نبوده ودارای بار مثبت خواهد شد.
به این ناحیه ناحیه تخلیه گفته میشود.
پدیده مشابهی برای الکترونهائی که از ناحیه n به ناحیه p نفوذ میکنند رخ داده و باعث میشود تا یک ناحیه تخلیه فاقد حفره در نزدیکی مرز بوجود آید.
وجود بار مثبت و منفی در اطراف ناحیه تخلیه باعث میشود تا یک میدان الکتریکی در این ناحیه بوجود آید.
Figure (a) The pn junction with no applied voltage (open-circuited terminals). (b) The potential distribution along an axis perpendicular to the junction.

74. مقدار ولتاژ ناحیه تخلیه
در غیاب میدان الکتریکی خارجی، ولتاژ ناحیه تخلیه عبارت است از:
که مقدار آن برای سیلیکون در درجه حرارت معمولی برابر با 0.6 تا 0.8 ولت است.
توجه شود که اگر ولتاژ دو سر یک دیود در حالت باز اندازه گیری شود برابر با صفر خواهد بود زیرا در نقطه اتصال فلز به نیمه هادی ولتاژ کنتاکتی وجود دارد که مقدار آن دقیقا برابر با این ولتاژ خواهد شد.

75. عرض ناحیه تخلیه
عرض ناحیه تخلیه در دو طرف یکسان نبوده و بستگی به مقدار ناخالصی دو طرف دارد. اگر سطح مقطع این ناحیه A باشد برای برقراری تعادل الکتریکی داریم:
بعلت اختلاف زیاد غلظت دو طرف ممکن است عمده ناحیه تخلیه در یکطرف نیمه هادی قرار بگیرد. عرض کل ناحیه از رابطه زیر بدست می آید که معمولا بین 0.1 تا 1 میکرومتر است

76. ناحیه پیوندی pn تحت ولتاژ معکوس
اگر رفتار دیود در گرایش معکوس را با منبع جریانی برابر با Is نشان دهیم، این جریان باید توسط مدار خارجی الکترونها را از ناحیه n به ناحیه p ببرد. خروج الکترون از ناحیه n باعث خواهد شد تا تعداد بارهای مثبت آن افزایش یابد که خود به معنای اضافه شدن به عرض ناحیه تخلیه است.
اتفاق مشابهی برای حفره ها در ناحیه p می افتد و با حذف آنها از این ناحیه عرض ناحیه تخلیه زیاد شده و در نتیجه ولتاژ ناحیه تخلیه نیز افزایش یافته و باعث کاهش جریان نفوذی در ناحیه تخلیه میشود.
Figure The pn junction excited by a constant-current source I in the reverse direction. To avoid breakdown, I is kept smaller than IS. Note that the depletion layer widens and the barrier voltage increases by VR volts, which appears between the terminals as a reverse voltage.

77. پیوند pn در ناحیه شکست
اگر به دیود جریان معکوسی بزرگتر از Is اعمال شود، دو پدیده جدید با نامهای اثر زنر و اثر بهمنی در دیود اتفاق میافتند. پدیده زنر برای دیود هائی اتفاق میافتد که ولتاژ شکست آنها کمتر از 5 ولت باشد. وقتی که ولتاژ معکوس از این حد فراتر میرود میتواند باعث شکسته شدن پیوند کووالانسی و آزاد شدن الکترون حفره در ناحیه پیوندی شود. تعداد آنها بقدری خواهد بود که جریان مورد نیاز مدار خارجی در ناحیه شکست را تامین نمایند.
پدیده بهمنی وقتی اتفاق می افتد که الکترونها تحت تاثیر میدان خارجی از پیوند خود جدا شده و با سرعت به حرکت در می آیند. این الکترونهای سریع در اثر برخورد با اتمهای مجاور باعث ازاد شدن حفره الکترون دیگری میشوند که به نوبه خود میتواند الکترونهای دیگری را آزاد کند.
مقدار جریانی که در این پدیده ها از دیود عبور میکند توسط مدار خارجی محدود خواهد شد.
Figure The pn junction excited by a reverse-current source I, where I > IS. The junction breaks down, and a voltage VZ , with the polarity indicated, develops across the junction.

78. پیوند pn در گرایش مستقیم
در گرایش مستقیم جهت جریان بگونه ای است که باعث تزریق الکترون به ناحیه n و حفره به ناحیه p میشود. تزریق حاملهای اکثریت باعث میشود تا تعدادی از بارهای ناحیه تخلیه خنثی شده و از عرض ان کاسته شود.
با کاسته شدن عرض ناحیه تخلیه
ولتاژ barrier آن کاسته شده و اجازه
عبور تعداد بیشتری حفره و الکترون
از این ناحیه داده میشود که باعث
افزایش جریان نفوذی میگردد.
Figure The pn junction excited by a constant-current source supplying a current I in the forward direction. The depletion layer narrows and the barrier voltage decreases by V volts, which appears as an external voltage in the forward direction.

79. توزیع حاملهای تزریق شده
تزیق حاملهای اقلیت به نواحی باعث میشود تا غلظت آن در هر ناحیه از مقدار تعادل حرارتی بیشتر شود که توزیع آن مطابق شکل زیر خواهد بود. این توزیع باعث افزایش جریان نفوذ و بیشتر شدن آن از مقدار Is میشود.
Figure Minority-carrier distribution in a forward-biased pn junction. It is assumed that the p region is more heavily doped than the n region; NA @ ND.

80. رابطه جریان و ولتاژ دیود
توزیع حاملها در گرایش مستقیم در لبه ناحیه تخلیه از رابطه زیر پیروی میکند.
و مقدار آن برای سایر نواحی بر اساس فاصله از رابطه زیر تبعیت میکند

81. LED
در یک پیوند PN که در گرایش مستقیم قرار داشته باشد تعداد زیادی الکترون و حفره از مرز پیوند عبور کرده و با حفره و الکترونهای ناحیه مجاور ترکیب میشوند. در اثر این ترکیب به شرط داشتن یک bandgap مناسب مقداری نور تولید میشود.
دیود LED بنحوی ساخته میشود که این نور قابل مشاهده باشد.

82. دیود نوری (photodiode)
این دیود ها برای تشخیص نور ساخته میشوند. دارای محفظه ای هستند که نور را به سطح پیوند میتاباند.
این دیود در گرایش معکوس مورد استفاده قرار میگیرد. فوتون های نوری که به ناحیه تخلیه میتابد باعث تولید الکترون و حفره میشوند که به سرعت توسط میدان الکتریکی اعمالی جذب میشوند.
اگر عرض ناحیه تخلیه نسبت به عرض دیود بسیار کم باشد جریانی که در ناحیه پیوند ایجاد میشود با شدت نور متناسب خواهد بود.
معمولا از مواد نیمه هادی نظیر گالیم آرسناید ساخته میشوند.