تستخدم الثنائيات أشباه الموصلات على نطاق واسع فيصناعة الإلكترونيات والإلكترونيات. يتم استخدامها بشكل مستقل وكترانزستورات p-n-junction والعديد من الأجهزة الأخرى. كمكون منفصل ، تعتبر الثنائيات جزءًا أساسيًا من العديد من الدوائر الإلكترونية. وجدوا مجموعة متنوعة من التطبيقات تتراوح من التطبيقات منخفضة الطاقة إلى المقومات.
ما هو الصمام الثنائي؟
ترجمت من اليونانية اسم هذاالعنصر الإلكتروني يعني حرفياً "خيوطان". يطلق عليهم الأنود والكاثود. في الدائرة ، يتدفق التيار من القطب الموجب إلى الكاثود. الصمام الثنائي شبه الموصّل هو عنصر أحادي الاتجاه ويتم حظر حركة التيار في الاتجاه المعاكس.
مبدأ العملية
جهاز الثنائيات شبه الموصلة مختلف تمامًا. هذا هو سبب وجود العديد من الأنواع التي تختلف من حيث القيمة الاسمية والوظائف التي تؤديها. ومع ذلك ، في معظم الحالات ، يكون المبدأ الأساسي لتشغيل الثنائيات شبه الموصلة هو نفسه. تحتوي على تقاطع pn ، والذي يوفر وظائفها الأساسية.
يستخدم هذا المصطلح عادة فيما يتعلق بـشكل الصمام الثنائي القياسي. ومع ذلك ، فإنه في الواقع ينطبق على أي نوع منها تقريبًا. تشكل الثنائيات العمود الفقري لصناعة الإلكترونيات اليوم. كل شيء - من العناصر البسيطة والترانزستورات إلى المعالجات الدقيقة الحديثة - يعتمد على أشباه الموصلات. يعتمد مبدأ تشغيل الصمام الثنائي أشباه الموصلات على خصائص أشباه الموصلات. تعتمد التقنية على مجموعة من المواد ، حيث يتيح إدخال الشوائب في الشبكة البلورية الحصول على المناطق التي تكون فيها حاملات الشحنة عبارة عن ثقوب وإلكترونات.
مفرق Р-n
حصل الصمام الثنائي من النوع p-n على اسمه لأنه فييستخدم تقاطع pn يسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط. يحتوي العنصر على خصائص أخرى تُستخدم أيضًا على نطاق واسع. الثنائيات شبه الموصلة ، على سبيل المثال ، قادرة على إصدار وتسجيل الضوء ، وتغيير السعة ، وتنظيم الجهد.
تقاطع P-n هو أشباه موصلات أساسيةبناء. كما يوحي الاسم ، إنه تقاطع بين مناطق من النوع p و n. يسمح الانتقال لحاملات الشحن بالتحرك في اتجاه واحد فقط ، مما يجعل ، على سبيل المثال ، من الممكن تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر.
تصنع الثنائيات القياسية عادةً من السيليكون ، على الرغم من استخدام الجرمانيوم ومواد أشباه الموصلات الأخرى أيضًا ، بشكل أساسي لأغراض خاصة.
خصائص فولت أمبير
يتميز الصمام الثنائي بمنحنى فولت أمبير ،والتي يمكن تقسيمها إلى فرعين: الأمام والخلف. في الاتجاه المعاكس ، يقترب تيار التسرب من الصفر ، ولكن مع ارتفاع الجهد ، يزداد ببطء وعندما يتم الوصول إلى جهد الانهيار ، يبدأ في الزيادة بشكل حاد. في الاتجاه الأمامي ، يرتفع التيار بسرعة حيث يرتفع الجهد المطبق فوق عتبة التوصيل ، وهي 0.7 فولت لثنائيات السيليكون و 0.4 فولت للجرمانيوم. العناصر التي تستخدم مواد أخرى لها خصائص مختلفة للجهد الحالي والجهد لعتبة التوصيل والانهيار.
يمكن اعتبار الصمام الثنائي للوصل pn على أنهالجهاز الأساسي. يستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات التي تتراوح من دوائر الإشارة وأجهزة الكشف إلى المحددات أو المثبطات العابرة في ملفات الحث أو الترحيل ومعدلات الطاقة العالية.
الخصائص والمعلمات
توفر مواصفات الصمام الثنائي حجمًا كبيرًاالبيانات. ومع ذلك ، فإن التفسيرات الدقيقة لما هو متاح دائمًا. فيما يلي تفاصيل الخصائص والمعايير المختلفة للديود ، والتي ترد في المواصفات.
مادة أشباه الموصلات
المواد المستخدمة في تقاطعات pn لهاذات أهمية قصوى ، حيث أنها تؤثر على العديد من الخصائص الأساسية لثنائيات أشباه الموصلات. السيليكون هو الأكثر استخدامًا بسبب كفاءته العالية وتكاليف التصنيع المنخفضة. عنصر آخر شائع الاستخدام هو الجرمانيوم. عادة ما تستخدم المواد الأخرى في الثنائيات ذات الأغراض الخاصة. يعد اختيار مادة أشباه الموصلات أمرًا مهمًا ، نظرًا لأن عتبة الموصلية تعتمد عليها - حوالي 0.6 فولت للسيليكون و 0.3 فولت للجرمانيوم.
انخفاض الجهد في الوضع الحالي الأمامي (U pr.)
أي دائرة كهربائية تمر عبرهايتسبب التيار في انخفاض الجهد ، وهذه المعلمة الخاصة بصمام ثنائي أشباه الموصلات لها أهمية كبيرة ، خاصة بالنسبة للتصحيح ، عندما تكون خسائر الطاقة متناسبة مع U pr. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن توفر العناصر الإلكترونية في كثير من الأحيان انخفاضًا صغيرًا في الجهد ، نظرًا لأن الإشارات يمكن أن تكون ضعيفة ، لكنها لا تزال بحاجة إلى التغلب عليها له.
يحدث هذا لسببين. الأول يكمن في طبيعة تقاطع pn وهو نتيجة جهد عتبة التوصيل ، والذي يسمح للتيار بالتغلب على طبقة النضوب. المكون الثاني هو خسائر مقاومة عادية.
يعتبر المؤشر ذا أهمية كبيرة بالنسبة لثنائيات المعدل ، والتي يمكن أن تمر من خلالها التيارات الكبيرة.
الجهد العكسي الذروة (U arr. Max)
هذا هو أكبر جهد عكسييمكن أن تصمد أمام الصمام الثنائي أشباه الموصلات. لا يمكن تجاوزه ، وإلا فقد يفشل العنصر. إنها ليست فقط جهد جذر متوسط التربيع لإشارة الدخل. يجب النظر إلى كل دائرة من حيث الجوهر ، ولكن بالنسبة لمعدل الموجة الواحدة البسيط مع مكثف التنعيم ، تذكر أن المكثف سيحتفظ بجهد مساوٍ لذروة إشارة الدخل. سيخضع الصمام الثنائي بعد ذلك إلى ذروة إشارة الإدخال في الاتجاه المعاكس ، وبالتالي ، في ظل هذه الظروف ، سيكون هناك أقصى جهد عكسي يساوي قيمة الذروة للموجة.
أقصى تيار أمامي (U pr. Max)
عند تصميم دائرة كهربائية ، فهذا ضروريتأكد من عدم تجاوز الحد الأقصى لمستويات التيار الثنائي. مع زيادة التيار ، يتم توليد حرارة إضافية ، والتي يجب إزالتها.
تيار التسرب (I arr.)
في الصمام الثنائي المثالي ، يجب ألا يكون هناك تيار عكسي. ولكن في تقاطعات pn الحقيقية ، يرجع ذلك إلى وجود ناقلات شحن أقلية في أشباه الموصلات. يعتمد تيار التسرب على ثلاثة عوامل. من الواضح أن أهم هذه العوامل هو الجهد العكسي. أيضًا ، يعتمد تيار التسرب على درجة الحرارة - يرتفع بشكل كبير مع نموه. علاوة على ذلك ، فهي تعتمد بشكل كبير على نوع مادة أشباه الموصلات. في هذا الصدد ، يعتبر السيليكون أفضل بكثير من الجرمانيوم.
يتم تحديد تيار التسرب بجهد عكسي محدد ودرجة حرارة معينة. يتم تحديده عادة في ميكرو أمبير (μA) أو بيكو أمبير (pA).
قدرة التحويل
جميع الثنائيات شبه الموصلة لها سعةانتقال. المنطقة المستنفدة عبارة عن حاجز عازل بين لوحين ، يتم تشكيلهما على حافة المنطقة المستنفدة والمنطقة التي بها حاملات الشحنة الرئيسية. تعتمد القيمة الفعلية للسعة على الجهد العكسي الذي يغير منطقة الانتقال. زيادته يوسع منطقة النضوب وبالتالي يقلل من السعة. تُستخدم هذه الحقيقة في varactors أو varicaps ، ولكن بالنسبة للتطبيقات الأخرى ، خاصةً تردد الراديو ، يجب تقليل هذا التأثير. عادة ما يتم تحديد المعلمة في pF عند جهد معين. تتوفر صمامات ثنائية خاصة ذات مقاومة منخفضة للعديد من تطبيقات التردد اللاسلكي.
نوع القشرة
حسب الغرض ، أشباه الموصلاتيتم إنتاج الثنائيات في عبوات من أنواع وأشكال مختلفة. في بعض الحالات ، خاصة عند استخدامها في دارات معالجة الإشارات ، تعتبر الحزمة عنصرًا أساسيًا في تحديد الخصائص العامة لهذا العنصر الإلكتروني. في دوائر الطاقة حيث يكون تبديد الحرارة مهمًا ، يمكن للحزمة تحديد العديد من المعلمات الشائعة للديود. يجب أن تكون الأجهزة عالية الطاقة قابلة للتركيب على المبرد. يمكن إنتاج العناصر الصغيرة في علب الرصاص أو كأجهزة تثبيت على السطح.
أنواع الصمام الثنائي
من المفيد أحيانًا التعرف على تصنيف الثنائيات شبه الموصلة. ومع ذلك ، يمكن أن تنتمي بعض العناصر إلى عدة فئات.
الصمام الثنائي المعكوس.على الرغم من عدم استخدامه على نطاق واسع ، إلا أنه نوع من عنصر pn يشبه إلى حد كبير في العمل عنصر النفق. يتميز بانخفاض الجهد المنخفض في حالة الفتح. يجد التطبيق في أجهزة الكشف والمعدلات ومفاتيح التردد العالي.
الصمام الثنائي للحقن العابر. لديها الكثير من القواسم المشتركة مع التحليق الجليدي الأكثر شيوعًا. تستخدم في مولدات الميكروويف وأنظمة الإنذار.
غن ديود. ليس من النوع pn ، ولكنه جهاز أشباه الموصلات ذو طرفين. يستخدم بشكل شائع لتوليد وتحويل إشارات الميكروويف في نطاق 1-100 جيجاهرتز.
انبعاث الضوء أو LED هي واحدة من أكثرهاأنواع العناصر الإلكترونية الشائعة. منحازًا للأمام ، يتسبب التيار المتدفق عبر التقاطع في انبعاث الضوء. يستخدمون أشباه الموصلات المركبة (مثل زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد الغاليوم ، فوسفيد الإنديوم) ويمكن أن يتوهج بألوان مختلفة ، على الرغم من اقتصارها في الأصل على اللون الأحمر. هناك العديد من التطورات الجديدة التي تعمل على تغيير طريقة عمل شاشات العرض وتصنيعها ، ومن الأمثلة على ذلك شاشات OLED.
ضوئي. تستخدم لاكتشاف الضوء.عندما يصطدم الفوتون بتقاطع pn ، يمكنه تكوين إلكترونات وثقوب. تعمل الثنائيات الضوئية عادةً في ظل ظروف منحازة عكسيًا حيث يمكن حتى اكتشاف التيارات الصغيرة من الضوء بسهولة. يمكن استخدام الثنائيات الضوئية لتوليد الكهرباء. في بعض الأحيان يتم استخدام عناصر من نوع الدبوس كأجهزة كشف ضوئية.
الصمام الثنائي.يصف اسم العنصر الإلكتروني جيدًا جهاز الصمام الثنائي أشباه الموصلات. لديها مناطق قياسية من النوع p و n ، ولكن بينهما منطقة داخلية خالية من الشوائب. له تأثير في زيادة مساحة منطقة النضوب ، والتي يمكن أن تكون مفيدة للتبديل ، وكذلك في الثنائيات الضوئية ، إلخ.
يمكن عرض تقاطع pn القياسي كـالنوع المعتاد أو القياسي من الصمام الثنائي المستخدم اليوم. يمكن استخدامها في تطبيقات الترددات اللاسلكية أو غيرها من تطبيقات الجهد المنخفض وكذلك في مقومات الجهد العالي والطاقة العالية.
الثنائيات شوتكي.احصل على انخفاض جهد أمامي أقل من أشباه موصلات السيليكون القياسية من النوع pn. في التيارات المنخفضة ، يمكن أن يتراوح من 0.15 إلى 0.4 فولت ، وليس 0.6 فولت ، كما هو الحال في ثنائيات السيليكون. للقيام بذلك ، لا يتم تصنيعها كالمعتاد - فهي تستخدم جهة اتصال معدنية بأشباه الموصلات. تستخدم على نطاق واسع كمحددات ومعدلات وفي معدات الراديو.
ديود التخزين.إنه نوع من صمامات الميكروويف يستخدم لتوليد وتشكيل نبضات بترددات عالية جدًا. يعتمد تشغيلها على خاصية التعثر السريع جدًا.
الصمام الثنائي بالليزر.يختلف عن انبعاث الضوء التقليدي لأنه ينتج ضوءًا متماسكًا. تُستخدم صمامات الليزر الثنائية في العديد من الأجهزة ، من محركات أقراص DVD و CD إلى مؤشرات الليزر. إنها أرخص بكثير من أشكال الليزر الأخرى ، لكنها أغلى بكثير من مصابيح LED. لديهم عمر خدمة محدود.
نفق ديود.على الرغم من عدم استخدامه على نطاق واسع اليوم ، فقد تم استخدامه سابقًا في مكبرات الصوت والمذبذبات وأجهزة التبديل ودوائر توقيت راسم الذبذبات عندما كان أكثر كفاءة من العناصر الأخرى.
Varactor أو varicap.تستخدم في العديد من أجهزة الترددات اللاسلكية. بالنسبة لهذا الصمام الثنائي ، يغير التحيز العكسي عرض طبقة النضوب اعتمادًا على الجهد المطبق. في هذا التكوين ، يعمل كمكثف مع منطقة استنفاد تعمل كعزل كهربائي وألواح مكونة من المناطق الموصلة. تستخدم في المولدات التي يتم التحكم فيها بالجهد ومرشحات الترددات اللاسلكية.
الصمام الثنائي زينر.إنه نوع مفيد جدًا من الصمام الثنائي لأنه يوفر جهدًا مرجعيًا ثابتًا. بفضل هذا ، يتم استخدام الصمام الثنائي Zener بكميات كبيرة. يعمل في ظروف التحيز العكسي ويخترق عند الوصول إلى فرق محتمل معين. إذا كان التيار مقيدًا بمقاوم ، فإن هذا يوفر جهدًا ثابتًا. يستخدم على نطاق واسع لتحقيق الاستقرار في إمدادات الطاقة. في ثنائيات زينر ، هناك نوعان من الانهيار العكسي: تحلل زينر وتأين التأثير.
وهكذا ، أنواع مختلفة من أشباه الموصلاتتشمل الثنائيات عناصر لتطبيقات الطاقة المنخفضة والعالية التي تنبعث وتكشف الضوء ، مع انخفاض الجهد الأمامي المنخفض والسعة المتغيرة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك عدد من الأصناف المستخدمة في تقنية الميكروويف.
