ثنائي الوصلة – الدايود - Diod

ثنائي الوصلة – الدايود - Diode

شرح مبسط لاهم عنصر من العناصر الالكترونية حيث يعتبر الاساس لبقية العناصر الالكترونية الاخري.

سأتعرض في هذه المساحة لتركيب او بنية الدايود ثم طريقة العمل ، و بعد ذلك طرق التحييز للدايود ، و اخيراً بعض الانواع المستخدمة و المطبقة في الدوائر الالكترونية المختلفة.

يرمز للدايود في الدوائر الالكترونية بالرمز التالي :

http://www.kwanms.com/tech/diode/diode.jpg

يتكون الدايود من قسمين او طرفين هما الكاثود (الطرف السالب) و الانود (الطرف الموجب) يعمل الدايود وفقاً لاتجاه مرور التيار في هذين الاتجاهين :
و له مثالين في العمل :
1- عندما يكون الدايود ON فان اتجاه التيار الداخل الى الدايود يجب ان يسرى فيه باتجاه السهم اي من الانود إلى الكاثود ...
و عند هذه الحالة يمثل الدايود في الدوائر الكهربية بدائرة مغلقة (short circuit).
و في الحقيقة يمثل الدايود بمقاومة مربوطة على التوالي مع مصدر فولطية و لكن المقاومة اغلب الاحيان يتم اهمالها و الاكتفاء فقط بمقدار الفولطية بين طرفي الدايود ( و التي تبلغ قيمتها اما 0.7 او 0.3 فولط في حال استعمال السيليكون او الجرمانيوم علي التوالي ). و هكذا يمكننا التعامل مع الدايود و التعامل مع الدائرة لحل المجاهيل فيها ...
2- عندما يكون الدايود OFF فان اتجاه التيار يسري بالاتجاه المعاكس اي من الكاثود الى الانود و في هذه الحالة سيمر تيار بالجهة المعاكسة يسمى Saturation Current و تكون قيمته صغيرة الى درجة قياسه بـµ A و يهمل في الحسابات الرياضية. و في هذه الحالة يمثل الدايود في الدوائر الكهربية بدائرة مفتوحة ( open circuit )

طريقة العمل :

الآن نأتي للطريقة التي يعمل بها الدايود ، اي مجموعة العمليات السريعة التي تحصل داخل الدايود و تؤدي الى عمله ..
يتكون الدايود في الاصل من طبقتين ملتصقتين ببعضهما تسميان Channels و هي على نوعين :
1- P-Channel :

يكون ما يسمـى بالفجوات ( Holes ) هي العنصر السائد في هذه الطبقة. و ال Holes هي فجوات يخلفها الالكترون عند انتقاله بين القناتين ...
و يمكن الحصول على هذا النوع من الموصلات عن طريق عملية التشويب ( Doping ) و ذلك عن طريقة اضافة بعض ذارت عناصر معينة الى شبه الموصل لزيادة ما يسمى بحاملات الشحنات ( Free Carriers ) فيه ، و هي العناصر التي تحمل التيار.
فعلى سبيل المثال يمكن اضافة ذرة البورون التي تحتوي على 3 الكترونات حرة في غلافها الاخير لذرة السليكون لزيادة قابلية التوصيل.
2- N-Channel :

و تكون الالكترونات هي العنصر السائد في هذه الطبقة. و يمكن الحصول عليها عن طريق اضافة ذرة عنصر يحمل 5 الكترونات حرة في غلافه الخارجي كالفسفور لزيادة قابلية توصيله ...
و الدايود في الاصل يجمع بين هذين المكونيين ليكون مسمى الدايود ..و يسمى الدايود في هذه الحالة PN Diode ...

تحييز الدايود ( Biasing ) له ثلاث انواع :
No Biasing
Forward Biasing
Reverse Biasing

1- No Biasing :
كيفية عمل الدايود في حال عدم تسليط اي فولطية عليه .. اي تكون الفولطية المسلطة علي طرفيه صفراً...
في اللحظة التي يتم جمع الـN channel مع الـ P Channel سيحصل تجاذب بين ما يسمى ب Free Carriers او الالكترونات الحرة و التي سبق و ان قلنا انها تعتبر اكثر من الفجوات (Holes ) في الـN Channel ، و بين الفجوات ال Holes التي تكثر في P channel...
هذا التجاذب سيغلق المنطقة بين المكونين تماماً مما سيؤدي الى نقص في الالكترونات التي تحمل التيار او الشحنة .. او ملخصاً سيؤدي الى نقص في ال Free Carriers ..
فتتبقي الايونات الموجبة و السالبة بعد امتصاص جميع الـ Free Carriers ...
تسمى هذه المنطقة بين المكونين او لنسميهما " القناتين " بمنطقة النفاذ (Depletion Region ) لخلوها من حوامل التيار ...
اي ان الدايود في هذه الحالة يكون معزولاً لعدم تسليط جهد خارجي عليه ..
في حالة كون الفولطية صفراً و هي هذه الحالة ، فإن اي فجوة ( Hole ) في القناة او الطرف N تجد نفسها لاي سبب كان في منطقة Depletion Region سوف تعبر بالكامل الى الطرف الثاني P و الذي تعتبر اكثرية فيه ..
كلما كانت الاقليات او ما تسمى بـ Majority Carriers قريبة من الـ Depletion Region كلما زاد جذب الايون المعاكس لها في الشحنة وقل ارتباطها بالايونات المماثلة لها في الشحنة ..
طبعا Majority Carriers هي الـHoles في الـ N-Channel و الـ Electrons في الـ P-Channel..
و ما ذُكر اعلاه عن الفجوات ( Holes) ينطبق بنفس الاسلوب على الالكترونات.
اي سيحصل سيل من الجريان بين الفجوات التي تعتبر اقلية في N-Channel و الـP-Channel حيث تعتبر اكثرية و بالعكس ..
مما تجدر الاشارة اليه الا ان الـ Majority Carriers في اي من القناتين يجب ان تمتلك ما يكفي من الطاقة الحركية حتى يكون باستطاعتها تجاوز الـDepletion Region و الانتقال الى الطرف الثاني ...

2- Forward biased :
في طريقة ربط الدايود بانحياز امامي ( Forward biased) فان طرف الفولطية الخارجية الموجب يُربط على الـ P-Channel و الطرف السالب للفولطية على الـ N-Channel ..
في هذه الحالة سيحصل ما يلي :
الفولطية المسلطة على طرفي الـChannels ستضغط على الالكترونات في الـN-Channel و الـفجوات في الـP-Channel لاعادة الإندماج مع الايونات التي تقع بينهما ( Depletion Region ) ..
مما سيؤدي الى تقليص عرض المنطقة الفاصلة بينهما ( اي تقليص عرض الـ Depletion Region ) ...
تدفق الـMajority Carriers لم يتاثر كثيراً ككمية في هذه الحالة ..لان مستوى التوصيل Conduction Level مسيطر عليه بشكل رئيسي بواسطة العدد المحدود من الشوائب في المادة Channel ...
لكن بالنسبة لـMajority Carriers فان الالكترونات في الـN-Channel مثلاً سوف ترى حاجزاً اقل عرضاً في المنطقة الفاصلة و سيكون لها انجذاب قوى نحو الشحنة ( الفولطية ) الموجبة المسلطة على الـP-Channel ...
كلما زادت الفولطية الموجبة على P كلما قلت المنطقة الفاصلة ( Depletion Region) في العرض ( السُمك ) حتى تستطيع الالكترونات ( حوامل التيار) المرور خلال المنطقة الفاصلة بين المادتين و نتيجة لذلك زيادة التيار ( تيار الدايود ) زيادة لوغارتمية ...

3- Biased Reverse :

الان ناتي على طريقة عمل الدايود في الـ biased Reverse و تربط البطارية كالاتي يكون الطرف الموجب ( + ) مربوطاً على الجهة المعاكسة له ( N-Channel ) و الطرف السالب ( - ) مربوطاً على ( P-Channel ) و في هذه الحالة سيحصل التالي:
سيزاد عدد الايونات الموجبة المتراكمة ( و التي تعتبر اقلية في N) في ال Depletion Region من جهـة الـ N للتنافر الحاصل بينها و بين الشحنة الموجب المربوطة على طرف N .. فسيزاد انجذابها للجهة الثانية الـP المربوط عليها فولطية سالبة ( لكن تراكم الايونات يمنعها من الانتقال )
و بنفس الطريقة فان عدد الالكترونات ( التي تعتبر اقلية في P ) سيزاد في الـ Depletion Region...
و بالتالي فان هذه العملية ستؤدي الى زيادة عرض الـ Depletion Region ...
و هذه الزيادة في العُرض ستقف عائقا كبيراً امام مرور Majority Carriers التي تحمل التيار و ستقلصها الى الصفر ...
لكن في نفس الوقت فان التيار المار نتيجة تدفق الـMajority Carriers من الجهة المعاكسة لن يتغير و سيبقى على حاله و على نفس الكمية التي كان يمر بها في No Biased و يسمى هذا التيار Saturation Current و له قيمة صغيرة جداً و يُقاس بـ µ A ...
جاء تعبير كلمة Saturation من واقع ان هذا التيار المار في الجهة المعاكسة يصل الى قيمته القصوى Maximum سريعاً جداً و لا يتغير مع زيادة الفولطية السالبة Reverse Voltage ..

و اخيراً اليكم بعض انواع الدايودات مع العلم انها كثيرة جداً الا انني اخترت لكم ما كثر استخدامه في الدوائر الالكترونية.

ثنائي الجرمانيوم Ge Diode :
هو ذلك الثنائى المصنوع من الجرمانيوم ومحقون بشوائب تكون بلورة موجبة مع شوائب اخرى تكون بلورة سالبة ، بحيث تكون البلورتان الموجبة والسالبة متجاورتين

ثنائي السيليكون Se Diode :
هو ذلك الثنائي المصنوع من السيليكون ومحقون بشوائب تكون بلورة موجبة مع شوائب اخرى تكون بلورة سالبة ، بحيث تكون البلورتان الموجبة والسالبة متجاورتين .
هذا الثنائي و ثنائي الجرمانيوم من القطع المشهورة وتستعمل دائما في دوائر القدرة

مثل دوائر التقويم Bridge ومن أشهرها : (Power Diode 1N4001)

ثنائي الزينر Zener Diode :
هناك مشكلة أساسية في منابع القدرة الD.C هي أن جهد الخرج عادة ما يتغير مع تغيرات جهد الدخل أو الحمل ، وبالطبع فانه يكون من المفضل في معظم الدوائر الحصول على جهد ثابت بصرف النظر عن التغيرات في جهد الدخل أو الحمل ، ولتحقيق ذلك لابد من استخدام دائرة " منظم جهد " وقد صممت دوائر عديدة لهذا الغرض وكان العنصر الأساسي فيها هو ثنائى الزينر.
و فكرة عمله انه يوصل بوضع الانحياز العكسي علي التوازي مع الدائرة المراد تنظيم جهدها ( الحمل مثلاً ) وهو يحمل رقم عليه يمثل الفولطية التي يعمل عندها تسمي جهد العتبة فيكون عبارة عن open circuit حتي يصل الجهد بين طرفيه الي جهد العتبة و عندها يحافظ علي هذه القيمة للجهد بين طرفيه حتي عند زيادة الجهد الواقع عليه.

ثنائى الانبعاث الضوئيLight Emitting Diode (LED ) :
يوصل ثنائى الأ نبعاث الضوئى في وضع الانحياز الأمامي وتعتمد نظرية عمل هذا الثنائي على أن الطاقة الكهربية المعطا ة له بالتوصيل الأمامي تعمل على تحريك حاملات الشحنة مما يؤدي الى تولد فوتونات حرة تنبعث في كل الاتجاهات مسببة اشعاع الضوء .
يستخدم الثنائي الباعث للضوء كلمبة بيان في مختلف الاجهزة الالكترونية كما يستخدم بكثرة كمرسل في دوائر الحساسات الضوئية.

الثنائى الضوئى Photo Diode :
يتكون الثنائى الضوئى من شبه موصل موجب P واخر سالب N ونافذة شفافة منفذة للضوء عندما يسقط الضوء على الثنائى الضوئى ، يقوم الضوء بكسر الروابط البلورية ويتحرر عدد من الشحنات التى تسمى بـشحنات الأقلية ، يزداد هذا العدد بزيادة الضوء الساقط مكونا تيارا يسمى بتيار التسريب يستخدم في الدوائر الالكترونية
يستخدم الثنائي الضوئي كمستقبل فئ دوائر الحساسات الضوئية.

الثنائى السعوى Varactor Diode :
تستخدم الثنائيات السعوية كمكثفات متغيرة اعتمادا على الجهد الواقع عليها.
نظرية العمل :
يتم توصيل الوصلة الثنائية السعوية بانحياز عكسي و عندها يتكون ما يسمى بمنطقة الاستنفاذ هذه المنطقة تعمل بدلا من عازل المكثف أما المنطقة P ، والمنطقة N فانهما يعملان كلوحى المكثف.
عندما يزداد جهد التغذية العكسي فان منطقة الاستنفاذ تتسع لتزيد بذلك سمك العازل وتنقص السعة ، وعندما يتناقص جهد التغذية العكسي يضيق سمك منطقة الاستنفاذ وبذلك تزداد السعة.

يستخدم بكثرة في دوائر المذبذبات المتحكم فيها بالجهد ( VCO )

( Voltage Control Oscillator ) .

و في الختام ارجو ان تكونوا قد وجدتم و لو القليل من الفائدة ، كما ارجو ان تعلمو انني اذا اصبت فذلك توفيق من الله عز وجل و ان اخطأت فمن نفسي او انساني الشيطان الرجيم فارجو منكم العذر.

فمن وجد خطأ اتمني ان يبادر بتصحيحي لتعم الفائدة وجزاكم الله حيراً.

الله يعطيك العافية
نرجو منك درس في الثايرستور لو امكن