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 Vd، والتيار المار في الدايود Id، فإننا نقوم بتغييرجهد المصدر Vs، وقياس Id و Vd فعندما يكون Vs 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، VD، 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) .
