الثنائي: التعريف، الرمز، آلية العمل، الخصائص، الأنواع والتطبيقات

مرحباً يا شباب! أتمنى أن تكونوا بخير. اليوم، سنلقي نظرة على مكون إلكتروني يُدعى الدايود. سنناقش بالتفصيل آلية عمل الدايود، ورمزه، وتطبيقاته، وخصائصه.

الثنائي (الديود) مُكوّن إلكتروني يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط. يتميز بمقاومة منخفضة في اتجاه واحد ومقاومة عالية جدًا في الاتجاه المعاكس. كل من درس العلوم يعرف الثنائيات جيدًا. مع أنه يبدو مُكوّنًا صغيرًا في الدائرة، إلا أنه في الواقع مُعقد للغاية، أو كما يُمكن القول، إنه زوبعة في فنجان.

تُستخدم الثنائيات عادةً في مقومات التيار، حيث تُحوّل إشارات التيار المتردد إلى إشارات تيار مستمر. لها تطبيقات واسعة، تشمل تحويل الطاقة، وتعديل الترددات الراديوية، والبوابات المنطقية، وقياسات درجة الحرارة، وتوجيه التيار. سأحاول تغطية كل ما يتعلق بالثنائيات، فلنبدأ:

تعريف الثنائي

الصمام الثنائي هو مكون إلكتروني أساسي منفصل ذو طرفين، يتكون من مادة شبه موصلة، مما يسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد من خلاله، أي أنه يوصل التيار في اتجاه واحد فقط.

الصمام الثنائي يشبه صمام تدفق المياه أحادي الاتجاه، والذي يسمح للماء بالتدفق في اتجاه واحد ولكنه يقيده بالتدفق للخلف.

يتكون الثنائي من طرفين، يسميان:

الأنود (+).

الكاثود (-).

ترتبط هذه المحطات بمنطقتين للتنشيط:

منطقة النوع P.

منطقة من النوع N.

تتكون المنطقة من النوع P من أيونات موجبة الشحنة تُسمى الفجوات، بينما تتكون المنطقة من النوع N من إلكترونات سالبة الشحنة. سنناقش تركيبها بالتفصيل لاحقًا.

في الصمام الثنائي، يتدفق التيار من الأنود إلى الكاثود (يعمل الصمام الثنائي كمفتاح مغلق)، ولكن إذا تدفق التيار في الاتجاه المعاكس (أي من الكاثود إلى الأنود)، فإن الصمام الثنائي سوف يمنعه، لذلك يمكننا القول أن الصمام الثنائي يعمل كمفتاح مفتوح.

رمز الصمام الثنائي

يظهر رمز الثنائي وحزمته الحقيقية في الشكل أدناه:

يمثل رأس السهم في رمز الصمام الثنائي اتجاه تدفق التيار، أي أن التيار يمكن أن يتدفق من الأنود إلى الكاثود

بناء الصمام الثنائي

الآن دعونا نلقي نظرة على بناء الصمام الثنائي:

يتكون الصمام الثنائي عادة من مادة شبه موصلة مثل السيليكون والجرمانيوم

وزرنيخيد الغاليوم وما إلى ذلك.

يتم خلط بلورتين من نفس المادة شبه الموصلة (عادة السيليكون) بأنواع مختلفة من الشوائب، واحدة ببلورة ذات شوائب خماسية التكافؤ، والثانية ببلورة ثلاثية التكافؤ، لإنشاء نوعين من المواد شبه الموصلة تسمى:

أشباه الموصلات من النوع P:

 حاملات الشحنة الغالبة عبارة عن ثقوب (+).

أشباه الموصلات من النوع N: 

حاملات الشحنة الغالبة هي الإلكترونات (-).

عندما يتم ربط أو دمج هذين شبه الموصلين معًا، تبدأ الإلكترونات الحرة من النوع N بالتحرك نحو منطقة النوع P، بينما تبدأ الثقوب بالتحرك نحو منطقة النوع N.

على حدود هاتين المنطقتين، تتحد الإلكترونات مع الفجوات ويتم تحييدها.

تُشكّل هذه الذرات المُعادِلة طبقةً على حدود منطقتي النوع N والنوع P، وتُوقف تدفق الإلكترونات والفجوات. تُسمّى هذه الطبقة/المنطقة الثالثة المُنشأة حديثًا منطقة النضوب .

تعتبر منطقة الاستنزاف صغيرة جدًا في الحجم وتعمل كحاجز لتدفق حاملات الشحنة (أي الإلكترونات والثقوب) من منطقة النوع N إلى منطقة النوع P.

سيعطيك الرسم التخطيطي أدناه فكرة أفضل عن بناء الثنائى

كما ترى في الشكل أعلاه، لدينا 3 مناطق في الصمام الثنائي النهائي، تسمى:

منطقة النوع N: حاملات الشحنة الأغلبية هي الإلكترونات (-).

منطقة النوع P: حاملات الشحنة الأغلبية عبارة عن ثقوب (+).

منطقة الاستنفاد: بدون شحن (محايد)

يتم توصيل قطبين/مسبارين موصلين للكهرباء إلى هاتين المنطقتين ويطلق عليهما:

الكاثود: متصل بمنطقة النوع N.

الأنود: متصل بمنطقة النوع P.

لا بد أنك فهمت الآن كيفية تركيب الثنائيات. الآن، لنلقِ نظرة على كيفية عمل الثنائيات

عمل الثنائي

كما ناقشنا في القسم السابق، عند دمج مادتين شبه موصلتين معًا، يحدث تدفق لحظي لحاملات الشحنة، مما يؤدي إلى تكوين منطقة استنفاد. تُسمى هذه الحالة للثنائي عادةً بحالة الانحياز الصفري ، حيث لا تُطبق أي طاقة على أي طرف. في وضع التشغيل، يمتلك الثنائي حالتي انحياز أخريين، تُسمى:

متحيز للأمام.

متحيز عكسيًا.

الصمام الثنائي كثنائي متحيز للأمام

إن الوصلة PN التي تنشأ في مركز المنطقتين صغيرة جدًا ولكنها قوية بما يكفي لمنع الإلكترونات الحرة من المرور من خلالها.

لذا، إذا تمكنا من توفير بعض الطاقة الخارجية لهذه الإلكترونات، فإنها يمكن أن تكسر هذا الحاجز وتتمكن من الدخول إلى منطقة النوع P.

تُسمى هذه الطاقة الخارجية المطلوبة للتغلب على منطقة الاستنفاد عادةً بجهد العتبة الأمامية للثنائي.

تعتمد قيمة جهد العتبة هذه على مادة أشباه الموصلات المستخدمة في بناء الصمام الثنائي، أي بالنسبة للسيليكون تكون +0.7 فولت وبالنسبة للجرمانيوم تكون +0.3 فولت.

وبالتالي، بالنسبة للديود العادي، إذا قمنا بتوفير طاقة خارجية قدرها +0.7 فولت، فإن الإلكترونات ستتغلب على منطقة الاستنزاف وبكلمات بسيطة، سيبدأ التيار بالتدفق عبر الصمام الثنائي.

كما ترى في الشكل أدناه، يتم توصيل الطرف الموجب للبطارية بأنود الصمام الثنائي وبما أننا سنوفر جهدًا أكبر من جهد العتبة، سيبدأ الصمام الثنائي في التوصيل ويقال إنه يتصرف كتحيز أمامي.

في ظروف التحيز الأمامي، يكون للديود المثالي مقاومة صفرية، ولكن كما أخبرتك سابقًا، لا توجد ظروف مثالية

الصمام الثنائي كثنائي منحاز عكسيًا

إذا تم عكس قطبية الطاقة المطبقة، أي أن الطرف الموجب للبطارية متصل بالكاثود (-)، بينما يتصل الطرف السالب بالأنود (+)، فإن منطقة الاستنزاف ستبدأ في الزيادة.

في هذه الحالة، لن يسمح الصمام الثنائي للتيار بالمرور من خلاله ويقال أنه يعمل كتحيز عكسي.

يوفر الوصل PN في التحيز العكسي مقاومة عالية جدًا بسبب سمك منطقة الاستنزاف.

يتمتع الثنائي في حالة مثالية عند التحيز العكسي بمقاومة لا نهائية.

تاريخ الثنائي

تم تقديم أول ثنائي أشباه الموصلات في عام 1906، وتم تسميته بثنائي

والذي تم تصنيعه باستخدام بلورات معدنية

عندما لا يكون هناك جهد مطبق عبر أطراف الصمام الثنائي، فلن يقوم الصمام الثنائي بالتوصيل وتوجد منطقة استنزاف رقيقة للغاية بدون حاملات شحنة حول الوصلة pn للصمام الثنائي.

سوف يتم توصيل الصمام الثنائي فقط عندما يكون الجهد المطبق في حالة التحيز الأمامي أكبر من الإمكانات المضمنة في الصمام الثنائي، مما يسمح بتدفق الإلكترونات من الكاثود إلى الأنود.

لا تخلط بين إشارة سهم الصمام الثنائي الممتد من الأنود إلى الكاثود. فهو يُظهر التيار الاعتيادي المتدفق من الأنود إلى الكاثود. يحدث التوصيل من الكاثود إلى الأنود عند تطبيق جهد معين أعلى من الجهد الداخلى

يتوقف الصمام الثنائي عن التوصيل عندما يكون الجهد المطبق عليه منحازًا عكسيًا، مما يسمح لمنطقة الاستنزاف بالتمدد، مما يعيق تدفق التيار. ومع ذلك، عندما يكون الجهد المنحاز عكسيًا كبيرًا جدًا، فإنه يسمح بتدفق تيار صغير يُسمى تيار التسريب . يكون هذا التيار صغيرًا جدًا، لذا غالبًا ما يتم تجاهله عند حساب قيم التيار.

وبالمثل، عندما يكون الجهد المنحاز العكسي كبيرًا جدًا، فإنه يسمح لمنطقة الاستنزاف بالتمدد كثيرًا حتى تنهار، لتصل إلى حالة تسمى الانهيار ، والتي يبدو أنها ضارة جدًا بجودة الجهاز وتشغيله.

عند فحص قيمة المقاومة باستخدام جهاز قياس متعدد، يُظهر انخفاض قيمة المقاومة عند أحد الطرفين وارتفاعها عند الطرف الآخر، مما يدل على عمل الصمام الثنائي. لا يُشير هذا إلى القيمة الفعلية للمقاومة، بل يُظهر انخفاض الجهد عبر الوصلة p-n.

بالنسبة لثنائيات السيليكون، يبلغ انخفاض الجهد الأمامي 0.7 فولت، وهو الجهد اللازم للتغلب على الجهد الداخلي لبدء تدفق التيار من الكاثود إلى الأنود. وبالمثل، يبلغ انخفاض الجهد الأمامي للجرمانيوم 0.3 فولت، مما يجعله خيارًا مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب انخفاضًا في الجهد.

يعتمد انخفاض الجهد بشكل كبير على التيار المتدفق عبر الصمام الثنائي، ومع ذلك، فإنه يظل ثابتًا على مدى مجموعة واسعة من التيارات.

ثنائيات الوصلات

تنقسم الثنائيات إلى نوعين بناءً على تشكيل الوصلة بين الأطراف.

ثنائي الوصلة P-N

يتم تصنيع الصمام الثنائي ذو الوصلة pn من أشباه الموصلات مثل السيليكون أو الجرمانيوم حيث يتم إنشاء منطقة من النوع N بمساعدة حاملات الشحنة السالبة تسمى أشباه الموصلات من النوع n بينما يتم إنشاء منطقة من النوع P بإضافة حاملات الشحنة الموجبة تسمى أشباه الموصلات من النوع p.

في البداية، لا يوجد تدفق للتيار بين منطقتين حتى يتم ربطهما معًا، مما يؤدي إلى تكوين وصلة pn حيث تبدأ حركة الإلكترونات من أشباه الموصلات من النوع N إلى أشباه الموصلات من النوع P.

توجد منطقة حول الوصلة p-n لا توجد فيها أي حاملات شحنة، تُسمى منطقة النضوب. عندما يكون النضوب ضئيلاً للغاية، يُشير إلى وجود توصيل من المنطقة N إلى المنطقة P. أما عندما تكون منطقة الحذف كبيرة جداً، فيُشير ذلك إلى انعدام أو قلة تدفق التيار بين المنطقتين.

يحدث عمل الصمام الثنائي حول الوصلة pn. عندما يُطبّق جهد أمامي أكبر من الجهد الداخلي بين طرفي الصمام الثنائي، يسمح ذلك بتدفق الإلكترونات من المنطقة N إلى المنطقة P، مع منع تدفق الإلكترونات بشكل معاكس.

الوضع المتحيز للأمام يعني تدفق الإلكترونات من منطقة النوع N إلى منطقة النوع P. الوضع المتحيز عكسيًا يعني عدم تدفق الإلكترونات، مما يعيق التيار في الاتجاه الآخر.

ثنائي شوتكي

ثنائي شوتكي هو نوع آخر من ثنائيات الوصلات، حيث تُشكَّل الوصلة باستخدام أشباه موصلات معدنية بدلًا من وصلة p-n. وهو خيار مثالي للتطبيقات التي تتطلب سرعة تحويل عالية.

خصائص التيار والجهد

يُظهر الجهد في منحنى VI الجهد المطبق عبر أطراف الصمام الثنائي، ويُظهر التيار التيار المقابل الناتج عن هذا الجهد. بناءً على الاحتياجات والمتطلبات، يُمكن تخصيص خصائص VI للصمام الثنائي باستخدام مادة أشباه الموصلات المناسبة وتركيز الشوائب المُشَبَّبة أثناء تصنيع الجهاز.

تظهر منطقة الاستنفاد الموجودة بين الوصلة pn كيفية حدوث حركة الإلكترونات بين المنطقتين من النوع N والنوع P.

عندما يتم تشكيل الوصلة pn، تنتقل الإلكترونات من منطقة النوع N إلى منطقة النوع P، حيث تنضم إلى الفجوات الموجودة في منطقة النوع P.

عندما يتحد الإلكترون مع الثقب، يختفي الزوج الناتج، وتُستنفد المنطقة المحيطة بالوصلة p-n دون وجود أي حاملات شحنة. تعمل منطقة النضوب الناتجة حول الوصلة p-n كعازل.

من المهم ملاحظة أن عرض منطقة النضوب لا يمكن أن يتجاوز الحد الأقصى. عند تكوين زوج إلكترون-فجوة، ينتج عنه أيون موجب الشحنة في منطقة النوع N، وأيون مستقبل سالب الشحنة في منطقة النوع P.

مع استمرار تكوين زوج الإلكترون-الفجوة، يؤدي ذلك إلى إنشاء جهد داخلي حيث يوقف المجال الكهربائي المتزايد المتطور حول منطقة النضوب التكوين الإضافي لزوج الإلكترون-الفجوة.

الوضع المتحيز للأمام

عندما يكون الجهد الخارجي المطبق بين طرفي الثنائي معاكسًا لقطبية الجهد الداخلي، يبدأ تدفق التيار حيث تعمل منطقة الاستنفاد كموصل. في هذه الحالة، تكون منطقة الاستنفاد المتكونة حول الوصلة p-n رقيقة جدًا.

إذا طُبِّق جهد خارجي متعاكس القطبية، يزيد عن 0.7 فولت، بين طرفي الثنائي في حالة ثنائي السيليكون، فإنه يسمح بمرور التيار من الأنود إلى الكاثود. يُعتبر الثنائي في هذه الحالة "مُشغَّلاً".

يُطلق على الجهد الذي يبدأ عنده الثنائي في التوصيل عبر منطقة الاستنزاف حول الوصلة pn اسم جهد العتبة الأمامية والذي يختلف عن الجهد المدمج.

الوضع المتحيز العكسي

عندما يكون الجهد الخارجي المطبق بين أطراف الصمام الثنائي بنفس قطبية الإمكانات المدمجة، فإنه يسمح لمنطقة الاستنزاف بالتوسع ويوقف تدفق التيار حيث تعمل منطقة الاستنزاف كعازل

أنواع الثنائيات

تتوفر أنواع عديدة من الثنائيات في السوق، تُستخدم بشكل رئيسي لتعديل الجهد أو التيار. تُصنع معظم ثنائيات الوصلة p-n من السيليكون والجرمانيوم. قبل ظهور ثنائيات الطاقة هذه، كان السيلينيوم يُستخدم في تصنيعها.

ثنائيات LED

تتكون هذه الثنائيات من مادة بلورية تصدر الضوء بألوان مختلفة مثل الأحمر والأزرق والأخضر أو ​​البرتقالي، اعتمادًا على المادة البلورية المستخدمة في الثنائي.

تصدر هذه الثنائيات ضوءًا غير متماسك ذي نطاق ضيق، قادر على إنتاج أطوال موجية في نطاق واسع.

معظم ثنائيات LED منخفضة الكفاءة، مما يجعلها خيارًا مثاليًا لتطبيقات الإشارات. كما تُستخدم في صناعة العوازل الضوئية

ثنائيات الانهيار الجليدي

هذه الثنائيات مطابقة تمامًا لثنائيات زينر، حيث تبدأ بالتوصيل في الاتجاه المعاكس عندما يصبح جهد الانحياز العكسي أكبر من جهد الانهيار. تتميز هذه الثنائيات بقدرتها على الانهيار عند جهد معين، دون تدميرها تمامًا.

إن كل من ثنائيات زينر وأفالانش متشابهتان إلى حد كبير فيما يتعلق بطريقة تشغيلهما مع اختلاف عملي واحد وهو أن كلا الثنائيتين تظهران معامل درجة حرارة بأقطاب متعاكسة.

ثنائيات زينر

تُعرف ثنائيات زينر أيضًا باسم ثنائيات الانهيار العكسي، وهي الثنائيات التي توصل في حالة التحيز العكسي.

يحدث تأثير انهيار زينر عند جهد محدد للغاية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام كجهد مرجعي دقيق.

في الدوائر المرجعية، يمكن تحقيق موازنة معامل درجة الحرارة باستخدام مزيج من الثنائيات زينر والثنائيات التبديلية.

يقع كل من ثنائيات الانهيار وزينر ضمن فئة ثنائيات الانهيار، واستجابتهما كهربائيًا متشابهة تمامًا باستثناء واحد، حيث تعمل ثنائيات زينر بجهد انهيار أقل من 5 فولت، بينما تعمل ثنائيات الانهيار بجهد انهيار أعلى من 5 فولت

ثنائيات الكريستال

ثنائي البلورة، المعروف أيضًا باسم ثنائي شارب القط، هو ثنائي نقطي التلامس، وهو غير متوفر بسهولة في السوق. يتكون هذا الثنائي من معدن رقيق يُعرف بالأنود، وبلورة شبه موصلة تُعرف بالكاثود

الثنائيات الضوئية

 مواد شبه موصلة حساسة للضوء، مما يجعلها خيارًا مثاليًا للخلايا الشمسية والاتصالات البصرية.

التطبيقات

تسمح الثنائيات بتدفق التيار في اتجاه واحد، مما يجعلها مناسبة لمعظم التطبيقات التي تتطلب التحكم في التيار. فيما يلي التطبيقات الرئيسية للثنائيات.

اولا. يتم تصميم البوابات المنطقية باستخدام الثنائيات مع مكونات إلكترونية أخرى.

ثانيا. تُستخدم الثنائيات أيضًا كمقص لشكل الموجة، حيث تقوم بقص الذروة السلبية أو الإيجابية للإشارة من أجل الوصول إلى جهد محدد.

ثالثًا. تُعدّ الثنائيات مفيدة في قياس درجة الحرارة، لأن انخفاض الجهد الأمامي عبرها حساس جدًا لدرجة الحرارة. تأتي معظم الثنائيات بمعامل درجة حرارة سالب يبقى ثابتًا فوق ٢٠ كلفن.

رابعًا. تُستخدم الثنائيات على نطاق واسع لفك تشفير إشارة السعة. تتناسب سعة إشارة AM طرديًا مع إشارة الصوت الأصلية، وتأتي مع قمم موجبة وسالبة للموجة الحاملة. يُستخدم الثنائي لتصحيح إشارة الراديو AM، مما ينتج عنه قمم موجبة فقط للموجة الحاملة. يُستخدم مُرشِّح لاستخراج إشارة الصوت من الموجة الحاملة الراديوية، والتي تُنتج بدورها موجات صوتية عند تطبيقها على المُضخِّم.

خامسا. تُصنع المقومات من الثنائيات التي تحل محل المبدل على نطاق واسع لتحويل إشارة التيار المتردد إلى إشارة تيار مستمر.

سادسًا. بعض الدوائر الإلكترونية حساسة للغاية وتُظهر طفرات عالية في الجهد أثناء تنفيذ المشروع. تُستخدم هذه الثنائيات لمنع الدوائر من طفرات الجهد العالية، والتي قد تكون ضارة للغاية، إذا لم تُسيطر عليها بشكل صحيح، في المراحل الأولى.

هذا كل شيء لليوم. آمل أن تكون هذه المقالة مفيدة. إذا لم تكن متأكدًا أو لديك أي استفسار، يمكنك التواصل معي في قسم التعليقات أدناه. يسعدني مساعدتك وفقًا لخبرتي وبكل ما أستطيع. لا تتردد في إطلاعنا على اقتراحاتك، فهي تساعدنا على تقديم عمل عالي الجودة يلبي احتياجاتك ومتطلباتك. شكرًا لقراءة المقال.