الدايود - Diode

ما هو الدايود أو ثنائي المسار؟

الصمّام الثنائي أو الدايود: هو مكون كهربائي يسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط، في الرسوم البيانية للدائرة، يتم تمثيل الصمام الثنائي بمثلث يحتوي على خط عبر رأس واحد. يُعرَّف الصمام الثنائي أيضاً بأنّه مكون إلكتروني ذو طرفين يقوم فقط بتوصيل التيار في إتجاه واحد (طالما أنّه يعمل ضمن مستوى جهد محدد). سيكون للدايود المثالي مقاومة صفرية في إتجاه واحد ومقاومة للمالانهاية (infinite resistance) في الإتجاه العكسي.

على الرغم من أنّه في العالم الحقيقي، لا يمكن للديودات تحقيق صفر أو مقاومة لانهائية، بدلاً من ذلك، سيكون للدايود مقاومة ضئيلة في إتجاه واحد (للسماح بتدفق التيار)، ومقاومة عالية جداً في الإتجاه العكسي (لمنع تدفق التيار)، الصمام الثنائي يشبه بشكل عام صمّام الدائرة الكهربائية.

كيفية عمل الدايود؟

الدايودات أشباه الموصلات هي أكثر أنواع الصمامات (الدايودات) شيوعاً، تبدأ هذه الدايودات في توصيل الكهرباء فقط في حالة وجود جهد عتبة معينة في الإتجاه الأمامي (أي إتجاه “المقاومة المنخفضة”)، يقال أنّ الدايود الثنائي “متحيز للأمام” عند توصيل التيار في هذا الإتجاه، وعند التوصيل داخل الدائرة الكهربائية في الإتجاه العكسي (أي إتجاه “المقاومة العالية”)، يُقال أنّ الدايود الثنائي “متحبز عكسياً”، يقوم الدايود الثنائي فقط بحظر التيار في الإتجاه العكسي (أي عندما يكون متحيزاً عكسياً) عندما يكون الجهد العكسي ضمن نطاق محدد، أما عندما يتجاوز الجهد الكهربائي هذا النطاق، ينكسر الحاجز العكسي، يسمى الجهد الذي يحدث عنده هذا الانهيار “جهد الانهيار العكسي”.
عندما يكون جهد الدائرة أعلى من جهد الانهيار العكسي، يكون الدايود الثنائي قادراً على توصيل الكهرباء في الاتجاه العكسي (أي اتجاه “المقاومة العالية”) هذا هو السبب في أنّنا نقول عملياً أنّ الدايودات تتمتع بمقاومة عالية في الاتجاه العكسي – وليست مقاومة لانهائية. تقاطع (PN junction) هو أبسط شكل من أشكال الدايود الثنائي أشباه الموصلات، في الظروف المثالية يتصرف تقاطع (PN) كدائرة قصيرة عندما يكون متحيزاً للأمام، وكدائرة مفتوحة عندما يكون متحيزاً في الإتجاه المعاكس.

اسم الصمام الثنائي مشتق من “di–ode” الذي يعني الجهاز الذي يحتوي على قطبين، تُستخدم الدايودات بشكل شائع في العديد من مشاريع الإلكترونيات ويتم تضمينها في العديد من أفضل مجموعات بدء تشغيل (Arduino).

رمز الدايود – Diode Symbol:

يظهر رمز الدايود أدناه، يشير رأس السهم إلى إتجاه تدفق التيار التقليدي في حالة الانحياز للأمام. هذا يعني أنّ الأنود متصل بالجانب p والكاثود متصل بالجانب n.

يمكننا إنشاء (PN junction diode) بسيط من كتلة بلوريّة من السيليكون أو الجرمانيوم، تصنع هذه الدايودات من تقاطع (PN) في الجزء الأوسط من الكتلة، يمكننا أيضاً تكوين تقاطع (PN) من خلال ربط أشباه الموصلات من النوع (p-type semiconductor) وأشباه الموصلات من النوع (n-type semiconductor) جنباً إلى جنب مع تقنية تصنيع معينة. الطرف الموصول بالنوع (p) هو الأنود، والطرف الموصول بالنوع (n) هو الكاثود.

ما هو مبدأ عمل الدايود؟

يعتمد مبدأ عمل الدايود على تفاعل أشباه الموصلات من النوع (n وp)، تحتوي أشباه الموصلات من النوع (n) على الكثير من الإلكترونات الحرة وعدد قليل جداً من الثقوب (الشحنات الموجبة). بمعنى آخر، يمكننا القول أنّ تركيز الإلكترونات الحرة مرتفع وأنّ تركيز الثقوب منخفض جداً في أشباه الموصلات من النوع (n). يشار إلى الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات من النوع (n) على أنّها ناقلات شحنة الأغلبية، ويشار إلى الثقوب (الشحنات الموجبة) الموجودة في أشباه الموصلات من النوع (n) على أنّها ناقلات الشحنة الأقلية.

تحتوي أشباه الموصلات من النوع (p) على تركيز عالٍ من الثقوب (الشحنات الموجبة) وتركيز منخفض من الإلكترونات الحرة. الثقوب الموجودة في أشباه الموصلات من النوع (p) عبارة عن ناقلات شحنة الأغلبية، والإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات من النوع (p) هي ناقلات الشحنة الأقلية.

الدايود غير المتحيز – Unbiased Diode:

الآن لنرى ماذا يحدث عندما تتلامس منطقة واحدة من النوع (n) ومنطقة واحدة من النوع (p)، هنا بسبب اختلافات التركيز، تنتشر ناقلات الأغلبية من جانب إلى آخر. نظراً لأنّ تركيز الثقوب مرتفع في منطقة النوع (p) وهو منخفض في منطقة النوع (n)، تبدأ الثقوب بالانتشار من منطقة النوع (p) إلى منطقة النوع (n)، أيضاً يكون تركيز الإلكترونات الحرة مرتفعاً في منطقة النوع (n) وهو منخفض في منطقة النوع (p) ولهذا السبب، تبدأ الإلكترونات الحرة في الإنتشار من منطقة النوع (n) إلى منطقة النوع (p).

ستعمل الإلكترونات الحرة المنتشرة في المنطقة من النوع (p) مع منطقة النوع (n) على الاتحاد مع الثقوب المتاحة هناك وإنشاء أيونات سالبة مكشوفة في منطقة النوع (p)، نفس الطريقة، فإنّ الثقوب المنتشرة في المنطقة من النوع (n) مع منطقة النوع (p) سوف تتحد مع الإلكترونات الحرة المتاحة هناك وتخلق أيونات موجبة مكشوفة في منطقة النوع (n) الطريقة، ستظهر طبقة من الأيونات السالبة في الجانب من النوع (p) وطبقة الأيونات الموجبة في المنطقة من النوع (n) خط التقاطع لهذين النوعين من أشباه الموصلات.

تشكل طبقات الأيونات الموجبة المكشوفة والأيونات السالبة المكشوفة منطقة في منتصف الدايود حيث لا يوجد حامل شحنة ويتم إعادة تجميع جميع ناقلات الشحنة في هذه المنطقة، بسبب نقص ناقلات الشحنة، تسمى هذه المنطقة منطقة الإستنفاذ (depletion region). بعد تكوين منطقة الاستنفاذ، لم يعد هناك إنتشار لحاملات الشحنة من جانب إلى آخر في الدايود، ويرجع ذلك إلى أنّ المجال الكهربائي الذي ظهر عبر منطقة الاستنفاذ سيمنع المزيد من هجرة ناقلات الشحن من جانب إلى آخر.

الدايود المتحيز إلى الأمام – Forward Biased Diode:

الآن لنرى ماذا يحدث إذا تمّ توصيل الطرف الموجب للمصدر بالطرف من النوع (p) وربط الطرف السالب للمصدر بالطرف من النوع (n) من الدايود وإذا قمنا بزيادة جهد هذا المصدر ببطء ابتداءً من الصفر، في البداية لا يوجد تيار يتدفق عبر الدايود وهذا لأنّه على الرغم من وجود مجال كهربائي خارجي مطبق عبر الدايود، إلّا أنّ حاملات الشحنة الأغلبية لا تزال لا تحصل على تأثير كافٍ للحقل الخارجي لعبور منطقة الاستنفاذ.

كما قلنا، فإنّ منطقة الاستنفاذ تعمل كحاجز للجهد ضد ناقلات الشحنة ذات الأغلبية. هذا الحاجز للجهد يسمى حاجز الجهد للأمام (forward potential barrier)، تبدأ ناقلات الشحنة الأكبر في عبور حاجز الجهد الأمامي فقط عندما تكون قيمة الجهد المطبق خارجياً عبر التقاطع أكبر من إمكانات الحاجز الأمامي. بالنسبة لدايودات السيليكون، تبلغ احتمالية الحاجز الأمامي 0.7 فولت ولدايودات الجرمانيوم 0.3 فولت.

عندما يصبح الجهد الأمامي المطبق خارجياً عبر الدايود أكثر من إمكانات الحاجز الأمامي، تبدأ ناقلات الشحنة ذات الأغلبية في عبور الحاجز وتساهم في تيار الدايود الأمامي. في هذه الحالة، سوف يتصرف الدايود كمسار قصير للدائرة (short-circuited path)، ويتم تقييد التيار الأمامي فقط بواسطة المقاومات المتصلة خارجياً بالدايود.

الدايود المتحيز عكسيا – Reverse Biased Diode:

الآن لنرى ماذا يحدث إذا قمنا بتوصيل الطرف السالب لمصدر الجهد بالطرف من النوع (p) والطرف الموجب لمصدر الجهد بالطرف من النوع (n) من الدايود. في هذه الحالة، بسبب الجذب الكهروستاتيكي للجهد السالب للمصدر، سيتم إزاحة الثقوب (الشحنات الموجبة) الموجودة في المنطقة من النوع (p) بعيداً عن التقاطع، ممّا يترك المزيد من الأيونات السالبة عند التقاطع.

بنفس الطريقة، سيتم إزاحة الإلكترونات الحرة في المنطقة من النوع (n) بعيداً عن التقاطع بإتجاه الطرف الموجب لمصدر الجهد، مما يترك المزيد من الأيونات الموجبة في التقاطع. كنتيجة لذلك، تصبح منطقة الاستنفاذ أوسع، تسمى حالة الدايود هذه الحالة المنحازة عكسياً. في هذه الحالة، لا تعبر ناقلات الأغلبية التقاطع، وبدلاً من ذلك تبتعد عن التقاطع. بهذه الطريقة، يمنع الدايود تدفق التيار عندما يكون منحازاً عكسياً. كما ذكرنا سابقاً، هناك دائماً بعض الإلكترونات الحرة في أشباه الموصلات من النوع (p) وبعض الثقوب في أشباه الموصلات من النوع (n). تسمى ناقلات الشحنة المعاكسة في أشباه الموصلات ناقلات شحنة الأقليّة.

في حالة الانحياز العكسي، تجد الثقوب نفسها في الطرف من النوع (n) تعبر بسهولة منطقة الاستنفاذ المنحازة عكسياً حيث لا يوجد المجال عبر منطقة الاستنفاذ، بدلاً من ذلك يساعد حاملات الشحنة الأقلية على عبور منطقة الاستنفاذ. نتيجةً لذلك، هناك تيار صغير يتدفق عبر الدايود من الطرف الموجب إلى الطرف السالب، سعة هذا التيار صغيرة جداً نظراً لأنّ عدد ناقلات الشحنة الأقلية في الدايود صغير جداً، هذا التيار يسمى تيار التشبع العكسي (reverse saturation current).

إذا زاد الجهد العكسي عبر الدايود إلى ما هو أكثر من القيمة الآمنة، بسبب القوة الكهروستاتيكية العالية وبسبب الطاقة الحركية العالية لحاملات الشحنة الأقلية التي تصطدم بالذرات، فإنّ عدداً من الروابط التساهمية ينكسر ليساهم في عدد كبير من أزواج (free electron-hole) في الدايود وهذه العملية تراكمية. سوف يساهم العدد الهائل من حاملات الشحنة المتولدة في حدوث تيار عكسي ضخم في الدايود، إذا لم يكن هذا التيار مقيداً بمقاومة خارجية متصلة بدائرة الدايود فقد يتم تدمير الدايود بشكل دائم.

أنواع الدايود:

• دايود زينر – Zener diode.
  
• دايود تقاطع – PN junction diode.
  
• الدايود الأنبوبي – Tunnel diode.
  
• الدايود المتغير – Varactor diode.
  
• دايود – Schottky diode.
  
• الدايود الضوئي – Photodiode.
  
• الدايود – PIN diode.
  
• دايود الليزر – Laser diode.
  
• دايود الانهيار – Avalanche diode.
  
• الدايود الباعث للضوء – Light emitting diode.