دیود های زنر یا شکست ، دیود های نیمه هادی با پیوند p-n هستند که در ناحیه بایاس معکوس کار کرده و دارای کاربردهای زیادی در الکترونیک ، مخصوصآ به عنوان ولتاژ مبنا و یا تثبیت کننده ی ولتاژ دارند.
هنگامیکه پتانسیل الکتریکی دو سر دیود را در جهت معکوس افزایش دهیم در ولتاژ خاصی پدیده شکست اتفاق می افتد، بد ین معنی که با افزایش بیشتر ولتاژ ، جریان بطور سریع و ناگهانی افزایش خواهد داشت.
دیود های زنر یا شکست دیود هایی هستند که در این ناحیه یعنی ناحیه شکست کار میکنند و ظرفیت حرارتی آنها طوری است که قادر به تحمل محدود جریانمعینی در حالت شکست می باشند، برای توجیه فیزیکی پدیده شکست دو نوع مکانیسم وجود دارد.
مکانیسم اول در ولتاژهای کمتر از 6 ولت برای دیودهایی که غلظت حامل ها در آن زیاد است اتفاق می افتد و به پدیده شکست زنر مشهور است.
در این نوع دیود ها به علت زیاد بودن غلظت ناخالصی ها در دو قسمت p و n ، عرض منطقه ی بار فضای پیوند باریک بوده و در نتیجه با قرار دادن یک اختلاف پتانسیل v بر روی دیود (پتانسیل معکوس) ، میدان الکتریکی زیادی در منطقه ی پیوند ایجاد می شود.
با افزایش پتانسیل v به حدی می رسیمکه نیروی حاصل از میدان الکتریکی ، یکی از پیوند های کووالانسی را می شکند.
با افزایش بیشتر پتانسیل دو سر دیود از انجایی که انرژی یا نیروهای پیوند کووالانسی باند ظرفیت در کریستال نیمه هادی تقریبأ مساوی صفر است ، پتانسیل تغییر چندانی نکرده ، بلکه تعداد بیشتری از پیوندهای ظرفیتی شکسته شده و جریان دیود افزایش می یابد.
آزمایش نشان میدهد که ضریب حرارتی ولتاژ شکست برای این نوع دیود منفی است ، یعنی با افزایش درجه حرارت ولتاژ شکست کاهش می یا بد.
بنابر این دیود با ولتاژ کمتری به حالت شکست می رود (انرژی باند غدغن برای سیلیکن و ژرمانیم در درجه حرارت صفر مطلق بترتیب 1.21 و0.785 الکترون_ولت است، و در درجه حرارت 300 درجه کلوین این انرژی برای سیلیکن ev 1.1و برای ژرمانیم ev0.72 خواهد بود).
ثابت می شود که می دان الکتریکی لازم برای ایجاد پدیده زنر در حدود 2*10است.
این مقدار برای دیود هایی که در آنها غلظت حامل ها خیلی زیاد است در ولتاژهای کمتر از 6 ولت ایجاد می شود .
برای دیودهایی که دارای غلظت حاملهای کمتری هستند ولتاژ شکست زنر بالاتر بوده و پدیده ی دیگری بنام شکست بهمنی در آنها اتفاق می افتد (قبل از شکست زنر) که ذیلأ به بررسی آن می پردازیم.
مکانیسم دیگری که برای پدیده شکست ذکر می شود ، مکانیسم شکست بهمنی است.
این مکانیسم در مورد دیودهایی که ولتاژ شکست آنها بیشتر از 6 ولت است صادق می باشد .
در این دیود ها به علت کم بودن غلظت ناخالصی ، عرض منطقه ی بار فضا زیاد بوده و میدان الکتریکی کافی برای شکستن پیوندهای کووالانسی بوجود نمی آید ، بلکه حاملهای اقلیتی که بواسطه انرژی حرارتی آزاد می شود ، در اثر میدان الکتریکی شتاب گرفته و انرژی جنبشی کافی بدست آورده و در بار فضا با یون های کریستال برخورد کرده و در نتیجه پیوندهای کووالانسی را می شکنند .
با شکستن هر پیوند حاملهای ایجاد شده که خود باعث شکستن پیوند های بیشتر می شوند .
بدین ترتیب پیوندها بطور تصاعدی یا زنجیری و یا بصورت پدیده ی بهمنی شکسته می شوند و این باعث می شود که ولتاژ دو سر دیود تقریبأ ثابت مانده و جریان آن افزایش یافته و بواسطه ی مدار خارجی محدود می شود .
چنین دیود هایی دارای ضریب درجه ی حرارتی مثبت هستند .
زیرا با افزایش درجه ی حرارت اتمهای متشکله کریستال به ارتعاش در آورده ، در نتیجه احتمال برخورد حاملهای اقلیت با یونها ، بهنگام عبور از منطقه بار فضا زیادتر می گردد .
به علت زیاد شدن برخوردها احتمال اینکه انرژی جنبشی حفره یا الکترون بین دو برخورد متوالی بمقدار لازم برای شکست پیوند برسد کمتر شده و در نتیجه ولتاژ شکست افزایش می یابد.
همانطور که در مبحث الکتریسته گفتیم عناصر ژرمانیوم و سیلیکون در آخرین مدار یا لایه اتمی خود دارای 4 الکترون هستند که تمایل به جذب یا از دست دادن الکترون ها به منظور تکمیل مدار آخر خود تا رسیدن به 8 الکترون را دارند.
با اضافه کردن مقدار کمی اتم نا خالصی به نیمه هادی مذکور امکان ازدیاد بار الکتریکی بوجود خواهد آمد مثلا" ترکیب اتم ژرمانیوم که دارای 4 الکترون در مدار خارجی می باشد با ارسنیک که 5 الکترون دارد پیوندهای مشترکی با یک الکترون اضافی برای هر اتم نا خالصی ارسنیک بوجود می آید در نتیجه جسم حاصل منفی ویا نیمه هادی نوع N حاصل می شود .برای حالت عکس هم به همین ترتیب است یعنی اگر مقداری ژرمانیوم را با مقداری گالیوم که دارای 3 الکترون در مدار خارجی است مخلوط کنیم بعد از تشکیل پیوند اشتراکی با اتم ناخالصی مجموعا" 7 الکترون به جای 8 الکترون در مدار خارجی بدست می آید.
کمبود یک الکترون برای هر پیوند اشتراکی با اتم خالصی به منزله یک بار مثبت است که آن را حفره می نامند این نوع اضافه کردن باعث بوجود آمدن نیمه هادی نوع P با بار مثبت می شود .
از نیمه هادی های ذکر شده در ساخت دیود استفاده می شود و دیود ها برای یکسو کردن جریان الکتریکی به کار می رود(یعنی تبدیل جریان ACبه DC ) دیود مثل یک جاده یک طرفه عمل کرده واز یک سو جریان را از خود عبور می دهد واز سوی دیگر نه.
یکسو کننده ها- برای شارژ باتری ها،آبکاری،جوشکاری بعضی فلزات ،دستگاه های صوتی وتصویری،تجزیه شیمیایی و ...احتیاج به جریان دایم Dc داریم وچون برق شهر متناوب است بنابراین در دستگاه های مختلف به روش های گوناگون جریان مذکور را مستقیم می کنند.لامپ الکترونی ،دینام جریان مستقیم ودیود ها از روش های معمول یکسو سازی می باشد که در این جا انواع یکسو سازی های دیودی که بیشتر مورد استفاده دارد شرح داده می شود.
یکسو ساز نیم موج - اگرولتاژ متناوبی را به دیودوصل کنیم هنگامی که نیم سیکل مثبت به آند می رسدازآن عبور می کند به مجرد اینکه نیم سیکل منفی شروع می شود دیود نیم سیکل منفی را از خود عبور نمی دهد.به این ترتیب ولتاژ متناوب تبدیل به ولتاژ یکسو شده ی ضربان دار می شود .در خروجی فقط نیم سیکل های مثبت وجود دارد برای صاف کردن این ولتاژ ضربانی از خازن وسیم پیچ یا مقاومت استفاده می شود .از مشخصه یک سو سازهای نیم موج افت ولتاژ و عدم کیفیت می باشد.
یکسو ساز تمام موج - برای بدست آوردن ولتاژ مناسب و صاف تر از این یکسو کننده ها استفاده می شود که هم نیم سیکل مثبت وهم نیم سیکل منفی را هدایت وتثبیت می نماید در شکل زیر دو نمونه از آن ها را می بینید.
عیب یابی دیودها- اهم متر را روی رنج R×1 قرار می دهیم وسیم های آن را به دو سر دیود متصل می کنیم اگر عقربه منحرف شد یعنی دیود از این سو جریان عبور می دهد حال اگر جای سیم های اهم متر را عوض کنیم نباید عقربه منحرف شود .نتیجه اینکه با اتصال سیم های اهم متر ،دیودی که درهر دو حالت عقربه را منحرف کند وهمچنین دیودی که درهر دو حالت عقربه را منحرف نکند خراب است .(تذکر :هنگام آزمایش بهتر است یک سر دیود از مدار جدا شود .).
ترانسفور ماتور (مبدل)- تشکیل شده است از هسته ای ازآهن خالص به شکل قاب یا حلقه که برروی آن دو دسته سیم پیچی شده است که تعداد حلقه های آن متفاوت واز یکدیگر مجزاست.به سیم پیچی که جریان می دهند اولیه وسیم پیچ یا مدار دیگر را ثانویه می نامند.با عبور جریان متناوب در مدار سیم پیچ اولیه ،درمدار ثانویه یک جریان الکتریکی القا می شود که ولتاژ وشدت جریان بوجود آمده به قطر سیم وتعداد دور آن ها بستگی دارد.وبطور کلی می توان گفت ترانسفور ماتور می تواند ولتاژ وشدت را به دلخواه تغییر دهد بدون آنکه توان تغییرکند.پس ترانسفور ماتور ممکن است افزاینده یا کاهنده باشد.در اکثر وسایل صوتی وتصویری از ترانسفور ماتور کاهنده ولتاژ استفاده می شود از موارد استفاده ترانسفور ماتور ها ،کوره های القایی،دستگاه های جوشکاری هویه هفت تیری وکویل خود رو را می توان نام برد (لازم به تذکر است که ترانسفور ماتور با جریان متناوب کار می کند.) ترموستات ها- ترموستات ها کلید های خود کاری هستند که جهت تنظیم درجه حرارت بکار می روند از انواع آن ها می توان ترموستات بی متالی وترموستات گازی را نام برد.
ترموستات بی متالی - می دانیم در اثر گرما فلزات منبسط می شوند واین انبساط برای فلزات مختلف متفاوت است هر گاه دوقطعه فلز مختلف که دارای ضریب انبساط حرارتی متفاوت هستند را به هم جوش دهیم وآن را در نزدیکی منبع حرارتی مورد نظر ودر مسیر جریان برق قرار دهیم هر دو فلز گرم می شوند وطول آن ها ازدیاد می یابد ولی چون ازدیاد طول یکی از فلزات بیشتر از دیگری است لذا دو فلز به یک طرف خم می شوند این حرکت مستقیما" ویا بوسیله اهرم هایی به یک کنتاکت منتقل شده ومدار را قطع یا وصل می کند از این وسیله در فیوزها ،سماور برقی،اتوی برقی و...بالاخره در اکثر وسایل برقی که در آن ها یک المان حرارتی وجود دارد استفاده می شود.همچنین برای حفاظت موتور ها از سوختن نیزمورد استفاده قرار می گیرد.
ترموستات گازی- این ترموستات با انبساط وانقباض گازهای حساس نظیر اتر ویا جیوه کار می کند .
گاز مذکور در محفظه ای بنام بلو و لوله مویی همراه آن قرار دارد ودر نزدیکی منبع حرارت قرار می گیرد .بطور خلاصه انبساط گاز درون بلو از طریق لوله مویی به فانوسک مخزن گاز ونهایتا" به پلاتین های قطع و وصل جریان فشار وارد کرده وباعث قطع جریان می شود .با سرد شدن محیط اطراف بلو قضیه بر عکس می شود.
از ترموستات های گازی در رادیاتور ،در آبگرم کن ها ویخچال ها استفاده می شود .نمونه ساده تری از ترموستات گازی در رادیاتور خود رو استفاده می شود.
از اتصال دولایه p & n دیود درست می شود 1- بعد از پیوند نیمه هادی نوع p & n کنار یکدیگر ، الکترونهای آزاد و حفره ها از محل پیوند عبور کرده ، با هم ترکیب می شوند و تشکیل یک لایه سد یا عایق می دهند .
2- یک منطقه تخلیه در محل پیوند ها ایجاد می شود که فاقد الکترونهای آزاد و حفره ها می باشد ، لکن اتمهایی که الکترون از دست داده و یا گرفته اند ، در دو طرف لایه سد و در منطقه تخلیه وجود دارند .
3- اتمهای یونیزه شده ، ایجاد سد پتانسیل می کنند که برای نیمه هادی ژرمانیومی حدود ۰.۲ ولت است و برای نیمه هادی سیلسیمی حدود ۰.۶ ولت است .
4- سد پتانسیل باعث که از حرکت و ترکیب بیشتر الکترونها و حفره ها در لایه سد جلوگیری به عمل آید .
5- کریستال نیمه هادی نوع p دارای بار الکتریکی مثبت و کریستال نیمه هادی n دارای بار الکتریکی منفی می باشد .
بایاس دیود وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می گویند .
بایاس مستقیم اگرنیمه هادی نوع p به قطب مثبت باتری و نیمه هادی نوع n به قطب منفی آن وصل شود و ولتاژ از پتانسیل سد دیود بیشترباشد ، در مدار جریان بر قرار خواهد شد .
بایاس معکوس اگر قطب مثبت باتری به نیمه هادی نوع n وصل شود و قطب منفی باتری به نیمه هادی نوع p وصل شود ، جریانی در مدار نخواهیم داشت .
تست دیود همانطور که گفته شد اگر دوید در بایاس موافق یا معکوس قرار بگیرد جریان را از خود عبور می دهد و ما می توانیم دیود را با یک مدار ساده سری کنیم ( البته با رعایت قطبهای دیود و باتری ) اگر مدار شروع به کار کرد پس دیود سالم است و در غیر این صورت دیود سوخته شده است .
انواع دیود ها - دیود اتصال نقطه ای 2- دیود زنر 3- دیود نور دهنده LED 4- دیود خازنی ( واراکتور ) 5- فتو دیود دیود اتصال نقطه ای دیود های معمولی در بایاس معکوس ایجاد ظرفیت خازنی ( حدود PF ) می کنند .
اگر بخواهیم در فرکانس های بالا به کار می بریم ، به علت ظرفیت خازنی در بایاس معکوس ، جریان در مدار عبور می کند .
چون در فرکانس های بالا مقاومت دیود کم می شود .
برای جلوگیری