نیمه هادی ها – دیودها
عناصر چهارم (مانند سیلسیوم و یا یاژرمانیوم) در لایه آخر خود ۴ الکترون دارند. اگر عناصر گروه پنجم (مانند آرسنیک) وارد شود، موجب تولید الکترون های آزاد می شود. به ماده حاصل نیمه هادی نوع N می گویند زیرا این الکترون ها هستند که مسئولیت هادی بودن ماده را دارند. اگر همین عمل با عناصر گروه ۳ مانند آلومینیوم یا گالیم تکرار شود حاصل یک نیمه هادی نوع P است که در این نوع مواد حفره ها الکترونی یا اصطلاحا بار مثبت مسئولیت هادی بودن ماده هستند.
از اتصال دو نیمه رسانا P-N یک دیود یا یک سو کننده و از اتصال سه نیمه رسانا به صورتهای N-P-N,P-N-P تزانزیستور به دست می آید. همانطور که در پی می آید از دیود برای امور مختلف تولید موج مادون قرمز دریافت آنها یکسو سازی یا نمایش اعداد استفاده می شود و از ترانزیستور برای یکسو سازی و تقویت جریانهای ضعیف استفاده می شود.
امروزه با پیدایش مدارات، مجتمع دیودها و ترانزیستورها به صورت منفرد استفاده نمی شوند و بلکه تعداد زیادی (هزاران بلکه میلیونها) از آنها را به صورت مدارات مینیاتوری در یک چیپ الکترونیکی به کار می روند.
با توجه به گستردگی بحث ترانزیستورها از ارائه توضیح بیشتر در این زمینه خودداری می شود ولی با توجه به اهمیت دیودها جزئیات بیشتری در مود آنها ذکر می شود. اصولا دیودها به غیر از ایفای نقش به عنوان یک قطعه الکترونیکی که در مدارات به کار می رود به صورت مستقیم به عنوان یک بخش مستقل و اساسی دستگاهای طولیاب به کار می رود. دیودها بیشتر در سیستمهای الکترواپتیکال به کار می روند.
دیودهای نیمه هادی
زمانیکه به دو سر یک دیود اختلاف پتانسیل اعمال می شود بسته به نحوه اتصال قطب مثبت و منفی به بخش N,P در حالت تغذیه مستقیم و معکوس پیش می آید. در تغذیه معکوس قطب منفی به بخش P که حاوی حفره الکترونیکی است وصل می شود و قطب مثبت به بخش N. در نتیجه با جذب حفره ها توسط قطب منفی و جذب الکترونها توسط قطب مثبت، دیود پلاریزه شده و جریانی عبور داده نمی شود اما در تغذیه مستقیم دیود امکان عبور الکتریسته را میسر می سازد.
دیودهای مولد اشعه مادون قرمز
در دستگاههای مادون قرمز از دیودهای خاصی استفاده می شود که ساختمان آنها اساسا همان پیوند مواد نیمه رسانای P-N است. در این دیودها از نیمه هادی گالیم ارسناید (آرسنیک) که با افزودن ناخالصی های بدل به مواد P,N شده اند استفاده می شود. علت تولید اشعه مادون قرمز ترکیب شدن الکترونهای لایه N با حفره های لایه P در محل تماس و آزاد شدن انرژی به صورت فوتون می باشد.
یکی از نخستین دستگاههای که از دیود گالیم آرسناید استفاده کرد دیستومات DI10 ساخت شرکت ویلد در سال۱۹۶۸ بود. استفاده از صمغ اپوکسی برفراز ناحیه نشر اشعه مادون قرمز باعث پلاریزه شدن نور و جبران پراکندگی زاویه فاز موج تولیدی است. سرعت بالای این دیودها نسبت به تغییرات ولتاژ اعمال شده باعث می شود تا به راحتی بتوان از طریق مدولاسیون مستقیم دامنه عمل مدولاسیون را به انجام رساند. مصرف اندک این دیودها نیز از دیگر مزایای آنهاست.
با استفاده از دیودها با مقدار ناخالصی افزونتر و شدت جریان عبوری قویتر می توان به کمک این دیودها اشعه لیزری تولید کرد در مورد سیستم لیزر بیشتر از اشعه پالسی استفاده می شود تا موج پیوسته امروزه در سیستمهای لیزری بسته به مورد هرجا که امکان آن باشد به جای سیستمهای گازی لیزر از دیودهای تولید کننده اشعه لیزر استفاده می شود.
دیودهای نوری
اساس کار این دیود مانند دیود نوع قبل است در دیودهای گالیوم آرسناید انرژی تولیدی بیشتر به صورت حرارت (اشعه مادون قرمز) و در دیودهای گالیوم فسفات یا گالیوم آرسناید فسفات بصورت نور مرئی است. فرآیند ایجاد نور به وسیله کاربرد منابع الکتریکی الکترولومینانس نامیده می شود.
امروزه دیودهای نوری با شکل ها و رنگهای مختلفی ساخته می شوند که یک نوع آن هفت قطعه یا سون مگمنت است. در واقع با وصل کردن ولتاژ مناسب به چند قطعه از این سون مگمنت می توان اعداد بین صفر تا ۹ را نشان داد. در سیستمهای جدید برای نمایش طول اندازه گیری شده از مجموعه ای از چند سون مگمنت استفاده می شود. طبعا کنترل نحوه روشن شدن این دیودها توسط مدار منطقی و ریز پردازنده موسوم به واحد کنترل پردازش یا سی پی یو صورت می گیرد. عمر دیودهای نوری به صد هزار ساعت می رسد.
با گسترش تکنولوژی دیودهای نوری نوع دیگری از این دیودها موسوم به نمایشگرهای کریستال مایع کاربردی بیشتر یافته است. مزیت بارز نمایشگرهای کریستال مایع توان معرفی ناچیز آنهاست اما همین امر بر ضعف آنها در زمینه عمر محدودتر و آسیب پذیری بیشتر نسبت به دیودهای نوری تفوق دارد. نمایشگرهای کریستال مایع از خود نوری ایجاد نمی کند بلکه به یک منبع داخلی یا خارجی نور وابسته اند.
دیودهای آشکار ساز
دیودهای آشکار ساز موج برگشتی همانطور که مورد تاکید قرار گرفت در دستگاههای الکترواپتیکال کاربردی وسیعی دارند. از دیودها همچنین برای آشکار سازی موج برگشتی نیز استفاده می شود. دیودهای آشکار ساز شدت نور برگشتی را به شدت جریان متناوب تبدیل می کند.
برای این منظور از دیودهای نوری یا فتودیودهای سیلیکونی استفاده و یا فتودیودهای آوالاتشه سیلیکونی یا ای پی دی استفاده می شود. نوع اول دارای ژرمانیوم نیز هست ولی نوع دوم اساسا سیلیکونی است و به علت نسبت خوب سیگنال به نویز در طولیاب های برد کوتاه استفاده می شود. ساختمان این دیودها با دیودهای ارسال تفاوت اساسی در مواد به کار رفته دارد.
راه دیگر آشکاری نور با استفاده از فتولوله ها یا فتوتوبهاست. دراین لوله ها پس از برخورد نور به سطح آنها به علت ماهیت فتو الکتریک آنها الکترون تولید می شود و با استفاده از یک رشته قطبهای مثبت و منفی متوالی تعداد الکترونها تقویت می شود. از این رو به برخی از آنها فتومولتی پلاریز می گویند.
