الثنائيات: مفرق pn ، أنواعها ، إنشاء وتشغيل

ما هو الصمام الثنائي؟

بشكل عام ، تحتاج جميع الأجهزة الإلكترونية إلى مصدر طاقة تيار مستمر ولكن من المستحيل توليد طاقة تيار مستمر ، لذلك نحن بحاجة إلى بديل للحصول على بعض طاقة التيار المستمر وبالتالي يظهر استخدام الثنائيات في الصورة لتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة التيار المستمر. الصمام الثنائي عبارة عن مكون إلكتروني صغير يستخدم في جميع الدوائر الإلكترونية تقريبًا لتمكين تدفق التيار في اتجاه واحد فقط ( جهاز أحادي الاتجاه ). يمكننا القول أن استخدام مواد أشباه الموصلات لبناء المكونات الإلكترونية بدأ باستخدام الثنائيات. قبل اختراع الصمام الثنائي ، كان هناك أنابيب مفرغة ، حيث تتشابه تطبيقات هذين الجهازين ولكن الحجم الذي يشغله الأنبوب المفرغ سيكون أكبر بكثير من الثنائيات. يعتبر بناء الأنابيب المفرغة معقدًا بعض الشيء ويصعب الحفاظ عليها عند مقارنتها بثنائيات أشباه الموصلات. قليل من تطبيقات الثنائيات هي التصحيح والتضخيم والتبديل الإلكتروني وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وطاقة ضوئية إلى طاقة كهربائية.

تاريخ الصمام الثنائي:

في عام 1940 في Bell Labs ، كان Russell Ohl يعمل بكريستال سيليكون لاكتشاف خصائصه. في أحد الأيام عن طريق الخطأ عندما تعرضت بلورة السيليكون التي بها صدع لأشعة الشمس ، وجد تدفق التيار عبر البلورة والذي سمي فيما بعد بالديود ، والذي كان بداية عصر أشباه الموصلات.

بناء الصمام الثنائي:

يتم تصنيف المواد الصلبة بشكل عام إلى ثلاثة أنواع هي الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات. الموصلات لديها عدد أقصى من الإلكترونات الحرة، عوازل دينا عدد لا يقل عن الإلكترونات الحرة (ضئيلة بحيث تدفق التيار ليس ذلك ممكنا)، في حين أشباه الموصلات يمكن أن تكون إما الموصلات أو العوازل تبعا للإمكانات المطبق عليه. أشباه الموصلات المستخدمة بشكل عام هي السيليكون والجرمانيوم. يُفضل السيليكون لأنه متوفر بكثرة على الأرض ويعطي نطاقًا حراريًا أفضل.

يتم تصنيف أشباه الموصلات أيضًا إلى نوعين هما أشباه الموصلات الداخلية والخارجية.

أشباه الموصلات الجوهرية:

وتسمى هذه أيضًا باسم أشباه الموصلات النقية حيث تكون ناقلات الشحن (الإلكترونات والثقوب) بكميات متساوية في درجة حرارة الغرفة. لذا فإن التوصيل الحالي يحدث عن طريق الثقوب والإلكترونات بالتساوي

أشباه الموصلات الخارجية:

من أجل زيادة عدد الثقوب أو الإلكترونات في مادة ما ، نختار أشباه الموصلات الخارجية حيث تتم إضافة الشوائب (بخلاف السيليكون والجرمانيوم أو ببساطة المواد ثلاثية التكافؤ أو خماسية التكافؤ) إلى السيليكون. تسمى عملية إضافة الشوائب إلى أشباه الموصلات النقية باسم Doping.

تشكيل أشباه الموصلات من النوع P و N:

N- نوع أشباه الموصلات:

إذا تمت إضافة عناصر خماسية التكافؤ (عدد إلكترونات التكافؤ خمسة) إلى Si أو Ge ، فستتوفر إلكترونات حرة. كما الإلكترونات (حاملات الشحنة السالبة) هي أكثر في عدد وتسمى هذه كما N-نوع أشباه الموصلات . في النوع N ، تكون الإلكترونات شبه الموصلة عبارة عن ناقلات شحن أغلبية والثقوب عبارة عن ناقلات شحنة أقلية.

قليل من العناصر الخماسية التكافؤ هي الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون والبزموت. نظرًا لأن هذه تحتوي على إلكترون فائض التكافؤ وتكون جاهزة للاقتران مع الجسيمات الخارجية موجبة الشحنة ، تسمى هذه العناصر بالمانحين .

نوع P- أشباه الموصلات

وبالمثل ، إذا تمت إضافة عناصر ثلاثية التكافؤ مثل البورون والألمنيوم والإنديوم والغاليوم إلى Si أو Ge ، فسيتم إنشاء ثقب لأن عدد إلكترونات التكافؤ فيه ثلاثة. نظرًا لأن الثقب جاهز لقبول الإلكترون والاقتران ، يُطلق عليه اسم Accepters . ولما كان عدد من الثقوب الزائدة في المواد التي شكلت حديثا وتسمى هذه كما P من نوع أشباه الموصلات . في ثقوب أشباه الموصلات من النوع P عبارة عن ناقلات شحن أغلبية والإلكترونات هي ناقلات شحن أقلية.

ديود مفرق PN:

الآن ، إذا انضممنا إلى نوعي أشباه الموصلات من النوع P و N-type معًا ، فسيتم تشكيل جهاز جديد يسمى PN junction diode. نظرًا لأن تقاطعًا يتشكل بين مادة من النوع P ونوع N يطلق عليه اسم تقاطع PN.

يمكن تفسير كلمة الصمام الثنائي بأن كلمة "Di" تعني اثنين ويتم الحصول على "قصيدة" من القطب. نظرًا لأن المكون الذي تم تشكيله حديثًا يمكن أن يحتوي على محطتين أو قطبين (أحدهما متصل بالنوع P والآخر بالنوع N) يطلق عليه الصمام الثنائي أو الصمام الثنائي PN أو الصمام الثنائي شبه الموصل.

تسمى المحطة المتصلة بالمواد من النوع P الأنود وتسمى المحطة المتصلة بمواد من النوع N باسم الكاثود .

و تمثيل رمزي من الصمام الثنائي هو كما يلي.

يشير السهم إلى تدفق التيار عبره عندما يكون الصمام الثنائي في وضع منحاز للأمام ، تشير اندفاعة أو كتلة عند طرف السهم إلى انسداد التيار من الاتجاه المعاكس.

نظرية مفرق PN:

لقد رأينا كيف يصنع الصمام الثنائي من أشباه الموصلات P و N لكننا نحتاج إلى معرفة ما يحدث داخله لتشكيل خاصية فريدة للسماح للتيار في اتجاه واحد فقط وما يحدث عند نقطة الاتصال الدقيقة في البداية عند تقاطعها.

تشكيل مفرق:

في البداية ، عندما يتم ضم كلتا المادتين معًا (بدون أي جهد خارجي مطبق) ، فإن الإلكترونات الزائدة في النوع N والثقوب الزائدة في النوع P سوف تنجذب إلى بعضها البعض ويتم إعادة تجميعها حيث يتم تكوين أيونات غير متحركة (أيون مانح) و Acceptor ion) كما هو موضح في الصورة أدناه. تقاوم هذه الأيونات غير المتحركة تدفق الإلكترونات أو الثقوب من خلالها والتي تعمل الآن كحاجز بين المادتين (تكوين الحاجز يعني أن الأيونات غير المتحركة تنتشر في مناطق P و N). يسمى الحاجز الذي تم تشكيله الآن باسم منطقة النضوب . عرض منطقة النضوب في هذه الحالة يعتمد على تركيز المنشطات في المواد.

إذا كان تركيز المنشطات متساويًا في كلتا المادتين ، فإن الأيونات غير المتحركة تنتشر في كل من المواد P و N بالتساوي.

ماذا لو اختلف تركيز المنشطات مع بعضها البعض؟

حسنًا ، إذا اختلفت المنشطات ، فإن عرض منطقة النضوب يختلف أيضًا. ينتشر أكثر في المنطقة المخدرة قليلاً وأقل في المنطقة المخدرة بشدة .

الآن دعونا نرى سلوك الصمام الثنائي عند تطبيق الجهد المناسب.

الصمام الثنائي في التحيز إلى الأمام

يوجد عدد من الثنائيات التي يتشابه تركيبها ولكن يختلف نوع المواد المستخدمة. على سبيل المثال ، إذا اعتبرنا الصمام الثنائي الباعث للضوء ، فهو مصنوع من مواد الألمنيوم والغاليوم والأرسينيد التي تطلق الطاقة عند الإثارة في شكل ضوء. وبالمثل ، يتم النظر في التباين في خصائص الصمام الثنائي مثل السعة الداخلية والجهد العتبة وما إلى ذلك ، ويتم تصميم الصمام الثنائي المعين بناءً على ذلك.

شرحنا هنا أنواعًا مختلفة من الثنائيات بعملها ورمزها وتطبيقاتها:

• الصمام الثنائي زينر
• يؤدى
• ديود ليزر
• ضوئي
• الصمام الثنائي المتغير
• شوتكي الصمام الثنائي
• نفق ديود
• صمام ثنائي PIN إلخ.

دعونا نرى بإيجاز مبدأ العمل وبناء هذه الأجهزة.

ديود زينر:

مناطق P و N في هذا الصمام الثنائي مخدرة بشدة بحيث تكون منطقة النضوب ضيقة جدًا. على عكس الصمام الثنائي العادي ، يكون جهد الانهيار منخفضًا جدًا ، عندما يكون الجهد العكسي أكبر من أو يساوي جهد الانهيار ، تختفي منطقة النضوب ويمر الجهد الثابت عبر الصمام الثنائي حتى إذا زاد الجهد العكسي. لذلك ، يتم استخدام الصمام الثنائي لتنظيم الجهد والحفاظ على جهد الخرج الثابت عندما يكون متحيزًا بشكل صحيح. فيما يلي مثال واحد للحد من الجهد باستخدام زينر.

يُطلق على الانهيار في الصمام الثنائي Zener انهيار زينر . هذا يعني أنه عندما يتم تطبيق الجهد العكسي على الصمام الثنائي زينر ، يتم تطوير مجال كهربائي قوي عند التقاطع وهو ما يكفي لكسر الروابط التساهمية داخل التقاطع ويسبب تدفقًا كبيرًا للتيار من خلاله. يحدث انهيار Zener عند الفولتية المنخفضة جدًا عند مقارنته بانهيار الانهيار الجليدي.

هناك نوع آخر من الانهيار يسمى انهيار الانهيار الجليدي الذي يُرى عمومًا في الصمام الثنائي العادي والذي يتطلب قدرًا كبيرًا من الجهد العكسي لكسر التقاطع. مبدأ عملها هو عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا عكسيًا ، تمر تيارات تسرب صغيرة عبر الصمام الثنائي ، عندما يزداد الجهد العكسي ، يزداد تيار التسرب أيضًا وهو سريع بما يكفي لكسر عدد قليل من الروابط التساهمية داخل التقاطع ، تتفكك ناقلات الشحن الجديدة هذه. تتسبب الروابط التساهمية المتبقية في تيارات تسرب ضخمة قد تتلف الصمام الثنائي إلى الأبد.

الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED):

يشبه تركيبه الصمام الثنائي البسيط ولكن يتم استخدام مجموعات مختلفة من أشباه الموصلات لتوليد ألوان مختلفة. أنه يعمل في وضع منحازة إلى الأمام. عندما تأخذ إعادة تركيب ثقب الإلكترون أماكن يتم تحرير الفوتون الناتج الذي ينبعث منه الضوء ، إذا زاد الجهد الأمامي بشكل أكبر ، فسيتم إطلاق المزيد من الفوتونات وتزداد شدة الضوء أيضًا ولكن يجب ألا يتجاوز الجهد قيمة العتبة وإلا تعرض مؤشر LED للتلف.

لتوليد ألوان مختلفة ، يتم استخدام مجموعات AlGaAs (زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم) - الأحمر والأشعة تحت الحمراء ، GaP (فوسفيد الغاليوم) - الأصفر والأخضر ، InGaN (نيتريد الغاليوم الإنديوم) - مصابيح LED زرقاء وفوق بنفسجية إلخ. تحقق من دائرة LED بسيطة هنا.

بالنسبة لمصباح IR LED ، يمكننا رؤية ضوءه من خلال الكاميرا.

ديود الليزر:

LASER تعني تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع. يتكون تقاطع PN من طبقتين من أرسينيد الغاليوم المخدر حيث يتم تطبيق طلاء عاكسة عالية على أحد طرفي التقاطع وطلاء عاكس جزئي في الطرف الآخر. عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا للأمام على غرار الصمام الثنائي الباعث للضوء فإنه يطلق فوتونات ، وتضرب هذه الذرات الأخرى بحيث يتم إطلاق الفوتونات بشكل مفرط ، عندما يضرب الفوتون الطبقة العاكسة ويضرب الوصلة مرة أخرى ويطلق المزيد من الفوتونات ، وتتكرر هذه العملية وتتكرر شعاع عالي الكثافة يتم إطلاق الضوء في اتجاه واحد فقط. يحتاج الصمام الثنائي للليزر إلى دائرة تشغيل ليعمل بشكل صحيح.

التمثيل الرمزي للديود الليزري مشابه لتمثيل الصمام الثنائي الباعث للضوء.

ديود الصورة:

في الصمام الثنائي الضوئي ، يعتمد التيار من خلاله على الطاقة الضوئية المطبقة على تقاطع PN. يتم تشغيله في انحياز عكسي. كما نوقش سابقًا ، يتدفق تيار التسرب الصغير عبر الصمام الثنائي عندما يكون متحيزًا عكسيًا والذي يسمى هنا التيار المظلم . لأن التيار بسبب قلة الضوء (الظلام) يطلق عليه كذلك. يتم إنشاء هذا الصمام الثنائي بطريقة أنه عندما يضرب الضوء التقاطع يكون كافياً لكسر أزواج ثقب الإلكترون وتوليد إلكترونات تزيد من تيار التسرب العكسي. هنا يمكنك التحقق من عمل Photodiode مع IR LED.

ديود فاراكتور:

ويسمى أيضًا باسم Varicap (مكثف متغير) الصمام الثنائي. انها تعمل في وضع منحازة العكسي. التعريف العام لفصل مكثف للوحة التوصيل مع عازل أو عازل ، عندما يكون الصمام الثنائي العادي متحيزًا عكسيًا ، يزداد عرض منطقة النضوب ، حيث تمثل منطقة النضوب عازلًا أو عازلًا يمكن أن يعمل الآن كمكثف. مع اختلاف الجهد العكسي يؤدي إلى اختلاف فصل مناطق P و N وبالتالي يؤدي الصمام الثنائي إلى العمل كمكثف متغير.

نظرًا لأن السعة تزداد مع انخفاض المسافة بين الألواح ، فإن الجهد العكسي الكبير يعني السعة المنخفضة والعكس صحيح.

شوتكي الصمام الثنائي:

يتم ربط أشباه الموصلات من النوع N بالمعدن (الذهب والفضة) بحيث توجد إلكترونات عالية الطاقة في الصمام الثنائي ، ويطلق عليها اسم الناقلات الساخنة ، لذلك يُطلق على هذا الصمام الثنائي أيضًا اسم الصمام الثنائي الساخن . لا تحتوي على ناقلات أقلية ولا توجد منطقة استنفاد ، بل يوجد تقاطع شبه موصل معدني ، عندما يكون هذا الصمام الثنائي متحيزًا للأمام ، فإنه يعمل موصلًا ولكن الشحنة لديها مستويات طاقة عالية تساعد في التبديل السريع خاصة في الدوائر الرقمية هذه أيضًا المستخدمة في تطبيقات الميكروويف. تحقق من Schottky Diode أثناء العمل هنا.

نفق ديود:

المناطق P و N في هذا الصمام الثنائي مخدرة بشدة مثل وجود نضوب ضيق للغاية. يعرض منطقة مقاومة سلبية يمكن استخدامها كمذبذب ومضخمات الميكروويف. عندما يكون هذا الصمام الثنائي متحيزًا للأمام أولاً ، نظرًا لأن منطقة النضوب تضيق نفق الإلكترونات من خلاله ، فإن التيار يزداد بسرعة مع تغيير طفيف في الجهد. عندما يزداد الجهد بشكل أكبر ، بسبب الإلكترونات الزائدة عند التقاطع ، يبدأ عرض منطقة النضوب في الزيادة مما يتسبب في انسداد التيار الأمامي (حيث تتشكل منطقة المقاومة السالبة) عند زيادة الجهد الأمامي بشكل أكبر ، فإنه يعمل بمثابة الصمام الثنائي العادي.

الصمام الثنائي PIN:

في هذا الصمام الثنائي ، يتم فصل المنطقتين P و N بواسطة أشباه موصلات جوهرية. عندما يكون الصمام الثنائي متحيزًا عكسيًا ، فإنه يعمل كمكثف ذو قيمة ثابتة. في حالة التحيز إلى الأمام ، تعمل كمقاومة متغيرة يتحكم فيها التيار. يتم استخدامه في تطبيقات الميكروويف التي يتم التحكم فيها بواسطة جهد التيار المستمر.

تمثيلها الرمزي يشبه الصمام الثنائي PN العادي.

تطبيقات الثنائيات:

• مزود الطاقة المنظم: من المستحيل عمليًا توليد جهد تيار مستمر ، والنوع الوحيد المتاح هو جهد التيار المتردد. نظرًا لأن الثنائيات عبارة عن أجهزة أحادية الاتجاه ، فيمكن استخدامها لتحويل جهد التيار المتردد إلى تيار مستمر نابض ومع أقسام ترشيح أخرى (باستخدام المكثفات والمحاثات) يمكن الحصول على جهد تيار مستمر تقريبي.

• دارات الموالف: في أنظمة الاتصالات عند طرف المستقبِل حيث يستقبل الهوائي جميع ترددات الراديو المتاحة في الفضاء ، هناك حاجة لاختيار التردد المطلوب. لذلك ، يتم استخدام دارات الموالف التي ليست سوى دائرة ذات مكثفات متغيرة ومحثات. في هذه الحالة يمكن استخدام الصمام الثنائي المتغير.

• أجهزة التلفزيون وإشارات المرور ولوحات العرض: من أجل عرض الصور على أجهزة التلفزيون أو على لوحات العرض ، يتم استخدام مصابيح LED. نظرًا لأن LED يستهلك طاقة أقل ، فإنه يستخدم على نطاق واسع في أنظمة الإضاءة مثل مصابيح LED.

• منظمات الجهد: نظرًا لأن الصمام الثنائي Zener يحتوي على جهد انهيار منخفض جدًا ، فيمكن استخدامه كمنظم للجهد عند التحيز العكسي.

• الكاشفات في أنظمة الاتصالات: الكاشف المعروف الذي يستخدم الصمام الثنائي هو كاشف الأظرف الذي يستخدم للكشف عن قمم الإشارة المعدلة.