تستخدم الثنائيات شبه الموصلة على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات والإلكترونيات. يتم استخدامها بشكل مستقل وكوصلة p-n بين الترانزستورات والعديد من الأجهزة الأخرى. كمكون منفصل ، تعتبر الثنائيات جزءًا أساسيًا من العديد من الدوائر الإلكترونية. وجدوا العديد من التطبيقات تتراوح من تطبيقات الطاقة المنخفضة إلى المقومات.
ما هو الصمام الثنائي
مترجم من اليونانية ، اسم هذا العنصر الإلكتروني يعني حرفيا "محطتين". يطلق عليهم الأنود والكاثود. في الدائرة ، يتدفق التيار من القطب الموجب إلى الكاثود. الصمام الثنائي أشباه الموصلات هو عنصر من جانب واحد ويتم حظر تدفق التيار في الاتجاه المعاكس.
مبدأ العملية
جهاز الثنائيات شبه الموصلة مختلف جدا. هذا هو السبب في وجود العديد من الأنواع ، والتي تختلف في كل من القيمة الاسمية والوظائف التي يؤدونها. ومع ذلك ، في معظم الحالات المبدأ الأساسيتشغيل الثنائيات أشباه الموصلات هو نفسه. تحتوي على تقاطع p-n ، والذي يوفر وظائفها الأساسية.
يستخدم هذا المصطلح عادة للإشارة إلى الشكل القياسي للديود. في الواقع ، ينطبق هذا على أي نوع منهم تقريبًا. تشكل الثنائيات العمود الفقري لصناعة الإلكترونيات الحديثة. 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 هذه التقنية على مجموعة من المواد ، وإدخال الشوائب في الشبكة البلورية مما يجعل من الممكن الحصول على المناطق التي تكون فيها الثقوب والإلكترونات ناقلات شحن.
تقاطع ف ن
حصل الصمام الثنائي من النوع p-n على اسمه لأنه يستخدم تقاطع p-n يسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط. يحتوي العنصر على خصائص أخرى تُستخدم على نطاق واسع أيضًا. على سبيل المثال ، يمكن لثنائيات أشباه الموصلات أن تبعث الضوء وتكشف عنه وتغير السعة وتنظم الجهد.
تقاطع P-n هو هيكل أساسي لأشباه الموصلات. 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 عادة من السيليكون ، على الرغم من استخدام الجرمانيوم ومواد أشباه الموصلات الأخرى ، بشكل أساسي لأغراض خاصة.
فولت-خاصية الأمبير
يتميز الصمام الثنائي بمنحنى الجهد الحالي ، والذي يمكن تقسيمه إلى فرعين: الأمام والخلف. في الاتجاه المعاكس ، يكون تيار التسرب قريبًا من 0 ، ولكن مع زيادة الجهد يزداد ببطء ، وعندما يتم الوصول إلى جهد الانهيار ، يبدأ في الزيادة بشكل حاد. في الاتجاه الأمامي ، يرتفع التيار بسرعة مع الجهد المطبق فوق عتبة التوصيل ، وهي 0.7 فولت لثنائيات السيليكون و 0.4 فولت للجرمانيوم. الخلايا التي تستخدم مواد مختلفة لها خصائص فولت أمبير مختلفة وعتبة التوصيل وجهود الانهيار.
يمكن اعتبار الصمام الثنائي p-n-junction بمثابة جهاز المستوى 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.
الميزات والمعلمات
توفر مواصفات الصمام الثنائي الكثير من البيانات. ومع ذلك ، فإن التفسيرات الدقيقة لما هو متاح دائمًا. فيما يلي تفاصيل الخصائص والمعلمات المختلفة للديود ، والتي ترد في المواصفات.
مادة أشباه الموصلات
المواد المستخدمة في تقاطعات pn ذات أهمية قصوى لأنها تؤثر على العديد من الخصائص الأساسية لثنائيات أشباه الموصلات. السيليكون هو الأكثر استخدامًا بسبب كفاءته العالية وانخفاض تكاليف الإنتاج. كثيرا ما تستخدم آخرالعنصر هو الجرمانيوم. عادة ما تستخدم المواد الأخرى في الثنائيات ذات الأغراض الخاصة. يعد اختيار مادة أشباه الموصلات أمرًا مهمًا لأنه يحدد عتبة التوصيل - حوالي 0.6 فولت للسيليكون و 0.3 فولت للجرمانيوم.
انخفاض الجهد في الوضع الحالي المباشر (العلاقات العامة)
أي دائرة كهربائية يمر من خلالها التيار يسبب انخفاضًا في الجهد ، وهذه المعلمة الخاصة بصمام ثنائي أشباه الموصلات لها أهمية كبيرة ، خاصة بالنسبة للتصحيح ، عندما تكون فقد الطاقة متناسبة مع التيار الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما تحتاج المكونات الإلكترونية إلى توفر انخفاضًا بسيطًا في الجهد ، لأن الإشارات قد تكون ضعيفة ، لكنها لا تزال بحاجة إلى التغلب عليها.
يحدث هذا لسببين. الأول يكمن في طبيعة تقاطع pn وهو نتيجة جهد عتبة التوصيل الذي يسمح للتيار بعبور طبقة النضوب. المكون الثاني هو الخسارة المقاومة العادية.
المؤشر ذو أهمية كبيرة بالنسبة لثنائيات المعدل ، والتي يمكن أن تحمل تيارات كبيرة.
ذروة الجهد العكسي (U arr. max)
هذا هو أعلى جهد عكسي يمكن أن يتحمله الصمام الثنائي شبه الموصل. يجب عدم تجاوزه ، وإلا فقد يفشل العنصر. إنه ليس فقط جهد RMS لإشارة الإدخال. يجب النظر إلى كل دائرة على أساس مزاياها ، ولكن بالنسبة لمعدل نصف موجة واحد بسيط مع مكثف تجانس ، تذكر أن المكثف سيحتفظ بجهد مساوٍ لذروة الدخلالإشارة. سيخضع الصمام الثنائي بعد ذلك إلى ذروة الإشارة الواردة في الاتجاه العكسي ، وبالتالي في ظل هذه الظروف سيكون هناك أقصى جهد عكسي مساوٍ لقيمة الذروة للموجة.
الحد الأقصى الحالي للأمام (العلاقات العامة القصوى)
عند تصميم دائرة كهربائية ، تأكد من عدم تجاوز الحد الأقصى لمستويات تيار الصمام 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 p-n الحقيقية ، يرجع ذلك إلى وجود ناقلات شحن أقلية في أشباه الموصلات. يعتمد مقدار تيار التسرب على ثلاثة عوامل. من الواضح أن أهم هذه العوامل هو الجهد العكسي. أيضًا ، يعتمد تيار التسرب على درجة الحرارة - مع نموه يزداد بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد بشكل كبير على نوع مادة أشباه الموصلات. في هذا الصدد ، فإن السيليكون أفضل بكثير من الجرمانيوم.
يتم تحديد تيار التسرب عند جهد عكسي معين ودرجة حرارة معينة. يتم تحديده عادة في ميكرو أمبير (ΜA) أو بيكو أمبير (pA).
سعة الانتقال
جميع الثنائيات شبه الموصلة لها سعة تقاطع. منطقة النضوب عبارة عن حاجز عازل بين لوحين يتشكلان عند حافة منطقة النضوب والمنطقة التي بها حاملات الشحنة الأغلبية. تعتمد قيمة السعة الفعلية على الجهد العكسي ، مما يؤدي إلى تغيير في منطقة الانتقال. توسع زيادتها منطقة النضوب ، وبالتالي ،يقلل من السعة. يتم استغلال هذه الحقيقة في varactors أو varicaps ، ولكن بالنسبة للتطبيقات الأخرى ، وخاصة تطبيقات RF ، يجب تقليل هذا التأثير. عادة ما يتم تحديد المعلمة في pF عند جهد معين. تتوفر الثنائيات الخاصة منخفضة المقاومة للعديد من تطبيقات الترددات اللاسلكية.
نوع الحالة
اعتمادًا على الغرض ، يتم إنتاج ثنائيات أشباه الموصلات في عبوات من أنواع وأشكال مختلفة. في بعض الحالات ، لا سيما عند استخدامها في دارات معالجة الإشارات ، تكون الحزمة عنصرًا أساسيًا في تحديد الخصائص العامة لذلك العنصر الإلكتروني. في دوائر الطاقة حيث يكون تبديد الحرارة مهمًا ، يمكن للحزمة تحديد العديد من المعلمات العامة للديود. يجب أن تكون الأجهزة عالية الطاقة قادرة على توصيلها بمبدد حراري. يمكن إنتاج عناصر أصغر في علب الرصاص أو كأجهزة تثبيت على السطح.
أنواع الثنائيات
في بعض الأحيان يكون من المفيد التعرف على تصنيف الثنائيات شبه الموصلة. ومع ذلك ، قد تنتمي بعض العناصر إلى عدة فئات.
الصمام الثنائي المعكوس. على الرغم من أنه لا يستخدم على نطاق واسع ، إلا أنه نوع من عناصر النوع p-n ، والذي يشبه إلى حد بعيد النفق في عمله. يتميز بانخفاض الجهد المنخفض على الدولة. يجد الاستخدام في أجهزة الكشف والمعدلات ومفاتيح التردد العالي.
حقن الصمام الثنائي العابر. تشترك في الكثير مع الانهيارات الجليدية الأكثر شيوعًا. تستخدم في مولدات الميكروويف وأنظمة الإنذار.
ديود جان. لا ينتمي إلى النوع p-n ، ولكنه جهاز أشباه الموصلات مع طرفين. يستخدم بشكل شائع لتوليد وتحويل إشارات الميكروويف في نطاق 1-100 جيجاهرتز.
يعد انبعاث الضوء أو LED أحد أكثر أنواع المكونات الإلكترونية شيوعًا. في التحيز الأمامي ، يتسبب التيار المتدفق عبر التقاطع في انبعاث الضوء. يستخدمون أشباه موصلات مركبة (مثل زرنيخيد الغاليوم ، فوسفيد الغاليوم ، فوسفيد الإنديوم) ويمكن أن يتوهج في مجموعة متنوعة من الألوان ، على الرغم من أنها اقتصرت في الأصل على اللون الأحمر فقط. هناك العديد من التطورات الجديدة التي تعمل على تغيير طريقة عمل شاشات العرض ويتم إنتاجها ، OLED مثال على ذلك.
الثنائي الضوئي. تستخدم لاكتشاف الضوء. عندما يصطدم الفوتون بتقاطع p-n ، يمكنه تكوين إلكترونات وثقوب. تعمل الثنائيات الضوئية عادةً في ظل ظروف التحيز العكسي ، حيث يمكن بسهولة اكتشاف التيارات الصغيرة الناتجة عن الضوء. يمكن استخدام الثنائيات الضوئية لتوليد الكهرباء. في بعض الأحيان يتم استخدام عناصر من نوع الدبوس كأجهزة كشف ضوئية.
دبوس الصمام الثنائي. يصف اسم العنصر الإلكتروني جيدًا جهاز الصمام الثنائي أشباه الموصلات. لديها مناطق قياسية من النوع p و n ، ولكن هناك منطقة داخلية بدون شوائب بينها. له تأثير على زيادة مساحة منطقة النضوب ، والتي يمكن أن تكون مفيدة للتبديل ، وكذلك في الثنائيات الضوئية ، إلخ.
يمكن اعتبار تقاطع p-n-القياسي عاديًاأو النوع القياسي من الصمام الثنائي المستخدم اليوم. يمكن استخدامها في تطبيقات الترددات اللاسلكية أو غيرها من التطبيقات ذات الجهد المنخفض ، وكذلك في مقومات الجهد العالي والطاقة العالية.
الثنائيات شوتكي. لديهم انخفاض جهد أمامي أقل من أشباه موصلات السيليكون القياسية من النوع p-n. في التيارات المنخفضة ، يمكن أن يكون من 0.15 إلى 0.4 فولت ، وليس 0.6 فولت ، كما هو الحال مع ثنائيات السيليكون. للقيام بذلك ، لا يتم تصنيعها كالمعتاد - فهي تستخدم اتصالًا بأشباه الموصلات المعدنية. تستخدم على نطاق واسع كمحددات ومعدلات وفي معدات الراديو.
ديود مع تراكم الشحنات. إنه نوع من صمامات الميكروويف يستخدم لتوليد وتشكيل نبضات بترددات عالية جدًا. يعتمد تشغيله على خاصية التعثر السريع جدًا.
ليزر ديود. إنه يختلف عن الضوء العادي لأنه ينتج ضوءًا متماسكًا. تُستخدم ثنائيات الليزر 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 أنه لا يستخدم على نطاق واسع اليوم ، إلا أنه كان يستخدم 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 عليهيعمل كمكثف مع منطقة استنفاد تعمل كعزل عازل وألواح مكونة من المناطق الموصلة. تستخدم في المذبذبات التي تسيطر عليها الفولتية ومرشحات الترددات اللاسلكية.
الصمام الثنائي زينر. إنه نوع مفيد جدًا من الصمام الثنائي لأنه يوفر جهدًا مرجعيًا ثابتًا. نتيجة لهذا ، يتم استخدام الصمام الثنائي زينر بكميات ضخمة. إنه يعمل في ظل ظروف التحيز العكسي ويخترق عند الوصول إلى فرق محتمل معين. إذا كان التيار مقيدًا بمقاوم ، فإن هذا يوفر جهدًا ثابتًا. تستخدم على نطاق واسع لتحقيق الاستقرار في إمدادات الطاقة. هناك نوعان من الانهيار العكسي في ثنائيات زينر: تحلل زينر وتأين التأين.
وهكذا ، تشتمل الأنواع المختلفة من ثنائيات أشباه الموصلات على عناصر لتطبيقات الطاقة المنخفضة والطاقة العالية ، والانبعاث والكشف عن الضوء ، مع انخفاض الجهد الأمامي المنخفض والسعة المتغيرة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك عدد من الأصناف التي تستخدم في تقنية الميكروويف.
