منحني الخواص للدايود Characteristic Curve for Diode

منحني الخواص للدايود هو المنحنى الكامل الذي يوضح خصائص الدايود في حالة التوصيل الأمامي والتوصيل العكسي ويسمي أيضاً بمنحنى خواص الجهد والتيار للدايود.

من منحني الخواص يمكن استنتاج ما يلي :

• ● عندما نقوم بتوصيل جزء من مادة نصف الناقل السالب مع جزء موجب، فإنه يتكون لدينا وصلة تسمى الوصلة الثنائية القطبية P-N Junction أي أن لها قطبين قطب سالب N وقطب موجب P ، إضافة إلى تكون منطقة استنزاف Depletion Region وتسمى هذه الوصلة الثنائية الدايود Diode .
• ● يعد الدايود من أبسط العناصر الإلكترونية، وهو يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد وذلك في حالة الانحياز الأمامي (Forward Biasing) ، ويمنع ميرر التيار في الاتجاه الآخر وذلك في حالة الانحياز العكسي (Reverse Biasing) .
• ● يكون الديود في حالة انحياز أمامي (forward biased) إذا كان جهد المصعد (anode) أعلى من جهد المهبط (cathode).
• ● عند الانحياز الأمامي للديود يبدأ الديود بإيصال التيار الكهربائي عندما يبلغ فرق الجهد بين طرفيه قيمة محددة تسمى فولطية العتبة (threshold voltage)، ويرمز لها بالرمز Vt .
• ● عند الانحياز الأمامي للديود وعندما يكون فرق الجهد بين طرفي الديود أعلى Vt، فإن تغير قليل لفرق الجهد بين طرفي الديود يسبب تغيراً كبيراً للتيار المار فيه.
• ● يكون الديود في حالة إنحياز عكسي (reverse) إذا كان جهد المهبط (cathode) أعلى من جهد المصعد (anode).
• ● عندما يكون الديود في حالة الانحياز العكسي يمر في الديود تيار قليل جداً يسمى تيار الاشباع (saturation curcent) أو نيار التسريب (leakage current).
• ● عند وصول فرق الجهد العكسي بين طرفي الديود الى القيمة Vb والتي تسمى جهد الانهيار (breakdown voltage) يزداد مقدار التيار العكسي المار في الديود بشكل كبير مما قد يؤدي الى تعطله.
• ● قيمة تيار التسريب تبقى ثابتة (تقريبا) ولا تتغير بتغير مقدار فرق الجهد العكسي بين طرفي الديود مادامت قيمة فرق الجهد بين طرفي الديود أقل من Vb ٠

ويمكن وصف العلاقة بين تيار الدايود وفرق الجهد بين طرفيه بممادلة (Shockley )، وهي:

حيث :

• i- التيار المار في الدايود (diode current)
• i_s- تيار الاشباع للديود (saturation current)
• V_D- فرق الجهد (الغولطية) بين طرفى الديود (diode voltage)
• n- معامل يعتمد على المادة المصنوع منها الديود فللديود المصنوع من الجرمانيوم فإن n=1، وللديود المصنوع من السيليكون فإن n=2 عندما يكون التيار المار في الديود قليلأ، وتكون n=1 عندما يكون التيار المار فيه كبيراً .
• V_T- تعتمد على درجة حرارة الديود وتسمى thermal voltage ، وتعطى بالعلاقة:
  
  حيث :
  
  K - ثابت   ،Boltzman 
  T - درجة الحرارة المطلقة للدايود 
  q - شحنة الالكترون  

وبتعويض قيمة V_T في المعادلة السابقة وتعويض قيمة الثوابت المعروفة K  وq ينتج :

الديود Diode

الديود (The Diode)

يعتبر الديود من أبسط العناصر الالكترونية والذي يستخدم للسماح للتيار الكهربائي بالمرور بإتجاه معين ومنعه من المرور بالاتجاه المعاكس.
 للديود طرفان احدهما يسى المصعد (anode) والأخر يسمى المهبط (cathode)، ويسمح الديود للتيار الكهرباني بالمرور من المصعد الى المهبط ويمنعه من المرور بالاتجاه المعاكس. والشكل المجاور يبين رمز الديود وطرفيه واتجاه مرور التيار الكهربائي خلاله.
يتكون الديود من اتصال بلورتين من السيليكون (أو الجرمانيوم) أحدهما موجبة والأخرى سالبة.

الديود عند الاستقرار Diode at Equilibrium 

عند تشكيل الوصلة الثنائية (P-N Jnction)  يكون تركيز كل من الإلكترونات والفجوات على جانبي الوصلة بين المادتين كما هو موضح بالشكل المجاور .
ونتيجة لهذا الاختلاف في التركيز فإن بعض الإلكترونات تنتشر من الوصلة السالبة إلى الوصلة الموجبة المجاورة لها، كما تنتشر بعض الفجوات من الوصلة الموجبة إلى الوصلة السالبة، ولهذا فإن كلا الإلكترونات والفجوات في المنطقة القريبة من الوصلة تختفي وتصبح هذه المنطقة خالية من الشحنات الحرة حيث يحل مكانها أيونات موجبة في الوصلة السالبة وأيونات سالبة في الوصلة الموجبة أي إن  الالكترونات والفجوات الموجودة في منطقة الإتصال سوف تتعادل مع بعضها لتشكل منطقة خالية من الشحنات تسمى منطقة الاستنزاف (depletion region).  كما بالشكل  ويعتمد عرض هذه المنطقة على نسبة تركيز الشوائب في مادة شبه الموصل، وبذلك ينشأ فرق جهد على جانبي الوصلة يطلق عليه اسم الجهد الحاجز(Barrier Voltage) ، يمنع مرور الشحنات بنوعيها من خلال منطقة العزل ويصل الدايود إلى حالة الاستقرار .

 نظراً لعدم امكانية التنقية التامة لمادة السليكون (او الجرمانيوم) والتي تصنع منها البلورتان السالبة والموجبة للدايود فسوف يكون هناك بعض الأيونات الموجبة في البلورة السالبة وكذلك بعض الأيونات السالبة أو الالكترونات الحرة في البلورة الموجبة.
ومما يجب ذكره ان كل من الأيونات الموجبة في البلورة السالبة والالكترونات او الأيونات السالبة في البلورة الموجبة تسمى ناقلات التيار الأقلية (minority carriers)، بينما تسمى الالكترونات في البلورة السالبة والايونات الموجبة في البلورة الموجبة ناقلات التيار الأغلبية .(majority carriers) .

الدايود عند تطبيق الانحياز Diode with Applied Bias

يوجد نوعان من الانحياز هما الانحياز الأمامي (Forward Bias) والذي يكون عنده جهد المنطقة (P) موجبا بالنسبة لجهد المنطقة (N)، والانحياز العكسي (Reverse Bias) والذي يكون عنده جهد المنطقة (N) موجبا بالنسبة لجهد المنطقة (P). وفيما يلي نستعرض كلا النوعين بشكل من التفصيل.

الانحياز الأمامي Forward Bias

عندما نقوم بتوصيل الديود بالبطارية كما في الشكل بحيث يكون الجانب (p) من الدايود متصلا بالقطب الموجب من البطارية والجانب (N) متصلا بالقطب السالب،عندها الإلكترونات التي في الجزء السالب تتنافر مع القطب السالب للبطارية وتندفع لعبور الوصلة إلى الجانب (P). بينما الفجوات تتنافر مع القطب الموجب للبطارية وتندفع لعبور الوصلة إلى الجانب (N). وتصبح منطقة الاستنزاف Depletion Region بمثابة حاجزاً بسيطا (يضيق الحاجز) في طريق حركة الإلكترونات، ولذلك فإن الإلكترونات تحتاج إلى فرق جهد بسيط يمكنها من تجاوز جهد الحاجز، ففي حالة مادة السليكون، جهد الحاجز مقداره 0,7 بينما قيمته 0,3 في حالة الجرمانيوم .

فإذا ما تم التوصيل بهذه الطريقة، فإنه يمر تيار في الوصلة يسمى في هذه الحالة بالتيار الأمامي (Foiward Current If) ويكون اتجاهه من الوصلة الموجبة إلى الوصلة السالبة.

إن قيمة  المقاومة الداخلية للدايود rd صغيرة جدا  ، وبالتالي وصل الديود مباشرة مع المنبع سوف يؤدي  لمرور تيار عال جدا فوق تحمل الدايود والذي سوف يتسبب في حرقه ولذلك تم إضافة المقاومة R على التسلسل مع الديود لضمان عدم تجاوز التيار المار به الحد المسموح والمحدد من قبل المصنع.

لرسم العلاقة بين الجهد الواقع على الدايود V_d، والتيار المار في الدايود I_d، فإننا نقوم بتغييرجهد المصدر V_s، وقياس I_d و Vd فعندما يكون V_s مساونا للصفر، فإن التيار يساوي صفرا أيضا. وعند زيادة جهد المصدر تدريجيا، فإن التيار يبدأ بالزيادة ولكن بصورة صغيرة جدا حتى يتعدى الجهد 0.7V وهو الجهد اللازم لعمل الدايود. عندها يبدأ التيار بالزيادة السريعة. فكلما زاد جهد المصدر، زاد التيار وبقي جهد الدايود ثابئا عند 0.7V تقربا كما هو موضح في المنحني البياني التالي .

ونلاحظ من المنحنى أن جهد الدايود، V_D، يزداد قليلا فوق 0.7V مع زيادة جهد المصدر وذلك بسبب مقاومة الدايود الداخلية والتي تستهلك جزءا صغيرا من الجهد.

الانحياز العكسي Reverse Bias

إذا تم توصيل الدايود كما في الشكل ، بحيث يكون الجانب (N) من الدايود متصلا بالقطب الموجب من البطارية والجانب (P) من الدايود متصلا بالقطب السالب من البطارية، لذا فإن الإلكترونات التي في الجزء السالب تتجاذب مع القطب الموجب للبطارية وتبتعد عن الوصلة من الجانب (N). بينما الفجوات تتجاذب مع القطب السالب للبطارية وتبتعد عن الوصلة من الجانب (P). ونتيجة لذلك، فإن منطقة الاستنزاف سوف تتسع اتساعا كبير وتشكل حاجزا كبير أمام تحرك الإلكترونات فلا تستطيع اجتيازه. وبالطبع، فإنه لن يمر التيار الكهربائي في الدائرة، وتسمي هذه الحالة بالانحياز العكسي.

في هذه الحالة يمر تيار بسيط نتيجة حركة شحنات الأقلية يسمى تيار التسريب Ic وسنناقش لاحقا سبب ظهور هذا التيار بشكل مفصل .

ولأن في حالة الانحياز العكسي، جهد الجانب (P) أقل من جهد (N)  وهنا يمر تيار صغيرجدا جدا، عادة  μA أو nA  ويمكن اعتباره صفرا. وإذا ما استمر الزيادة في جهد المصدر، فإن الدايود يستمرفي منع التيار من المرور حتى يصل إلى حالة الانهيارBreakdown، ويسمى هذا الجهد بجهد الانهيار (Breakdown Voltage) وكما هوموضح في الشكل  حيث يمر تيار عال جدا. وتختلف قيمة جهد الانهيار من دايود لآخر حسب التصنيع.

منحني الخواص للدايود Characteristic Curve for Diode

الشكل التالي  يوضح الصورة الكاملة لعمل الدايود، وهي أنه يعمل في حالة الانحياز الأمامي ويسمح بمرور التيار، ولكنه يحتاج إلى جهد مقداره "0.7" ، ولا يسمح بمرور التيار في حالة الانحياز العكسي، ويجب آلا نصل إلى جهد الانهيار عند استخدامنا للدايود في حالة التطبيقات العملية.وهذا المنحنى الكامل والذي يوضح خصائص الدايود في كلا الاتجاهين، في حالة التوصيل الأمامي والتوصيل العكسي ويسمي بمنحنى خواص الجهد والتيار للدايود.

ملخص الدايود

• ✓ عندما نقوم بتوصيل جزء من مادة نصف الناقل السالب مع جزء موجب، فإنه يتكون لدينا وصلة تسمى الوصلة الثنائية القطبية P-N Junction أي أن لها قطبين قطب سالب N وقطب موجب P ، إضافة إلى تكون منطقة استنزاف Depletion Region وتسمى هذه الوصلة الثنائية الدايود Diode .
• ✓ يعد الدايود من أبسط العناصر الإلكترونية، وهو يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد وذلك في حالة الانحياز الأمامي (Forward Biasing) ، ويمنع ميرر التيار في الاتجاه الآخر وذلك في حالة الانحياز العكسي (Reverse Biasing) .
• ✓ يكون الديود في حالة انحياز أمامي (forward biased) إذا كان جهد المصعد (anode) أعلى من جهد المهبط (cathode).
• ✓ عند الانحياز الأمامي للديود يبدأ الديود بإيصال التيار الكهربائي عندما يبلغ فرق الجهد بين طرفيه قيمة محددة تسمى فولطية العتبة (threshold voltage)، ويرمز لها بالرمز Vt .
• ✓ عند الانحياز الأمامي للديود وعندما يكون فرق الجهد بين طرفي الديود أعلى Vt، فإن تغير قليل لفرق الجهد بين طرفي الديود يسبب تغيراً كبيراً للتيار المار فيه.
• ✓ يكون الديود في حالة إنحياز عكسي (reverse) إذا كان جهد المهبط (cathode) أعلى من جهد المصعد (anode).
• ✓ عندما يكون الديود في حالة الانحياز العكسي يمر في الديود تيار قليل جداً يسمى تيار الاشباع (saturation curcent) أو نيار التسريب (leakage current).
• ✓ عند وصول فرق الجهد العكسي بين طرفي الديود الى القيمة Vb والتي تسمى جهد الانهيار (breakdown voltage) يزداد مقدار التيار العكسي المار في الديود بشكل كبير مما قد يؤدي الى تعطله.
• ✓ قيمة تيار التسريب تبقى ثابتة (تقريبا) ولا تتغير بتغير مقدار فرق الجهد العكسي بين طرفي الديود مادامت قيمة فرق الجهد بين طرفي الديود أقل من Vb ٠
  

   هناك بعض الديودات مصممة لتعمل في حالة الانحياز العكسي تسمى ثنائيات الزنر (zener diodes) .

أشباه الموصلات Semiconductors

عنصرا السليكون والجرمانيوم 

يعتبر عنصرا السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) من أهم العناصر شبه الموصلة والتي تستخدم في صناعة العناصر الالكترونية وذلك لأسباب عديدة منها إمكانية تنقيتهما لدرجة عالية وإمكانية تغيير خصائصهما الكهربائية بإضافة بعض الشوائب الى بلوراتهما النقية. وتحتوي كل من ذرتي السيليكون والجرمانيوم على اربعة الكترونات تكافؤ، والاختلاف بينهما هو أن ذرة السيليكون تحتوي على 14 الكترون بينما ذرة الجرمانيوم تحتوي  على 32 الكترون، ويوضح الشكل المجاور التركيب الذري لكل من مادتي السيليكون والجرمانيوم .

وبما أن كل من ذرتي السيليكون والجرمانيوم تحوي أربعة الكترونات تكافؤ في المدار الخارجي، وحتى يكتمل نطاق التكافؤ لكل من هذين العنصرين، فإنه لابد من وجود ثمانية الكترونات في المدار الخارجي، وعلى ذلك فإن كل ذرة تشارك الذرات الأربع التي حولها بالكتروناتها كما هو مبين في الشكل .

ويطلق على هذه الرابطة بين الذرات والتي تتشارك فيها الذرات بالكترونات التكافؤ بالرابطة التساهمية  أو رابطة التكافؤ covalent bonding في هذه الرابطة تبدو الذرة وكأنها محاطة بثمانية الكترونات (الأربعة الكترونات الأصلية وأربعة الكترونات أخرى من الذرات المجاورة). في هذه الحالة، ولعدم وجود الكترونات حرة فان كل من مادتي السيليكون والجرمانيوم لا تكونان قابلتين لتوصيل التيار الكهربائي، أي أن مادتي السيليكون والجرمانيوم في صورتيهما النقية أقرب الى المواد العازلة.

ولكي تتحول المادة النقية (والتي يطلق عليها عادة intrinsic material ) من السيليكون أوالجرمانيوم الى مادة قابلة للتوصيل فانه يتم تطعيمها (doping) بإحدى المواد التي يطلق عليها مواد شائبة. وتسمى المادة النقية بعد إضافة بعض الشوائب اليها (extrinsic material). وحسب عدد الكترونات التكافؤ، في المواد الشائبة التي يتم اضافتها لكل من البلورات النقية من مادتي السيليكون والجرمانيوم، فانه يتم عمل بلورات مادة سالبة ( n-type material) أو بلورات مادة موجبة (p-type material).

البلورات السالبة :

حتى نتحول بلورة السيليكون او الجرمانيوم النقي الى بلورة سالبة فإنه يتم تطعيمها بشوائب من عناصر خماسية التكافؤ (pentavalent elements)، والتي تسمى عادة عناصر مانحة (donors)، مثل الفسفور (P) والأنتيمون (Sb) .

ويظهر الشكل اسلوب تكوين البلورة السالبة، حيث نجد أن كل أربعة الكترونات تكافؤ من الكترونات المادة خماسية التكافؤ ترتبط في روابط تساهمية مع ذرة جرمانيوم ليكتمل المدار الخارجي لذرة الجرمانيوم، ويبقى الكترون زائد (من الكترونات المادة خماسية المتكافؤ) يصبح حر الحركة خلال البلورة ، بهذا الأسلوب  يزداد عدد الالكترونات (السالبة ) الحرة ، وتتحول المادة الى بلورة مادة سالبة (n-type material).

البلورات الموجبة 

حتى تتحول بلورة السيليكون أو الجرمانيوم النقي الى بلورة موجبة فإنه يتم تطعيمها بشوائب من عناصر ثلاثية التكافؤ مثل الجاليوم (Ga) والبورون (i)  والتي تسمى عادة عناصر قابلة (acceptors).

ويظهر الشكل  اسلوب تكوين البلورة الموجبة، حيث نجد أن كل ثلاثة الكترونات تكافؤ من الكترونات المادة ثلاثية التكافؤ ترتط. في روابط. تساهمية مع ذرات الجرمانيوم المجاورة، وهنا نجد أن ذرة الجرمانيوم ينقصها الكترون واحد حتى يكتمل البناء الترابطي التساهمي وهذا يعني وجود فجوة (hole) والتي تمثل شحنة موجبة لها قدرة قوية على جذب الالكترونات. ولهذا يطلق على هذه البلورة بلورة مادة موجبة (p-type material).

مدخل إلى أشباه الموصلات

بنية الذرة 

من المعروف أن جميع المواد تتكون من ذرات (atoms) مكونة من نواة (nucleus) تحوي نوعين من الأجسام , أحدهما موجب الشحنة ويطلق عليها بروتونات والثاني متعادل الشحنة يطلق عليها نيوترونات، ويدور حول النواة، وفي مدارات ثابته، الكترونات سالبة الشحنة.
وتعتمد مقدرة مادة معينة على إيصال التيار الكهربائي على مقدار ارتباط إلكترونات المدار الخارجي، والتي تسمى الكترونات التكافؤ (valence elections )، مع نواة الذرة. ويمكن تصنيف المواد من حيث مقدرتها على ايصال التيار الكهربائي إلى ثلاثة أنواع هي ،المواد الموصلة (conductors) والمواد العازلة (insulators) والمواد شبه الموصلة (semiconductors).

تصنيف المواد من حيث مقدرتها على ايصال التيار الكهربائي

المواد الموصلة conductors

في المواد الموصلة يكون ارتباط الكترونات التكافؤ مع النواة ضعيفا ويمكن لتلك الالكترونات ان تتحرر من ذراتها وتتحرك حركة عشواية بين الذرات ، واذا تعرضت هذء الالكترونات لمجال كهربائي فإنها تكون تياراً كهربائياً. ومن أمثة المواد الموصلة كهربائيا الفضة والنحاس  ومختلف المعادن الأخرى.

المواد العازلة insulators

وفي المواد العازلة تكون قوة جذب النواة لإلكترونات التكافؤ كبيرا ولا تسطيع هذه الالكترونات الإفلات من الذرة عند تعرضها لمجال كهربائي. ومن أمثلة المواد العازلة الورق ،الزجاج، الميكا , البلاستيك , المطاط وغريها .

المواد شبه الموصلة semiconductors

أما المواد شبة الموصلة فهي المواد التي تكون قدرتها على توصيل الكهرباء بين المواد الموصلة والمواد العازلة مثل مادة السليكون Silicon والجرمانيوم Germanium. وهذه المواد تحتوي عادة على أربعة إلكترونات في مدارها الأخير .

المقاومة النوعية  للمادة

وتستخدم عادة المقاومة النوعية (p) للمادة للتعبير عن  مقدار ممانعة المادة لايصال التيار الكهربائي. والجدول التالي يبين مقدار المقاومة النوعية لكل من الموصلات والعوازل واشباه الموصلات.

الجيل الرابع 4G

عرض النطاق وزمن التحميل

النكونات الأساسية لنظام الاتصالات