اقرأ في هذا المقال
تعريف الصمام الثنائي النفق:
الصمام الثنائي النفق: يُعرف جهاز أشباه الموصلات ثنائي الأطراف والذي يتدفق من خلاله التيار الكهربائي بسبب نفق (tunnelling) الإلكترونات باسم (Tunnel Diode). إنّه يمتلك خاصية المقاومة السلبية (negative resistance) التي ينخفض فيها التيار حتى عند زيادة الجهد المطبق، يشير النفق بشكل أساسي إلى اختراق الإلكترونات عبر منطقة النضوب، حيث أنّ الصمام الثنائي المشبع بدرجة عالية له منطقة استنفاد رقيقة، يعمل على مبدأ النفق الميكانيكي الكمومي، نظرًا لأنّ الثنائيات النفقية تظهر خصائص التبديل السريع، فإنّها تجد تطبيقات واسعة في مجال الميكروويف.
بناء الصمام الثنائي النفق:
مادة التصنيع الأساسية للصمام الثنائي النفقي هي الجرمانيوم أو زرنيخيد الغاليوم أو أنتيمونيد الغاليوم، لا يتم تشكيله باستخدام السيليكون كمادة أساسية، هذا لأنّ نسبة القيمة القصوى للتيار الأمامي إلى التيار (valley current) في حالة السيليكون منخفضة جدًا، ومع ذلك، فإنّ زرنيخيد الغاليوم له القيمة القصوى لهذه النسبة وبالتالي يستخدم على نطاق واسع.
في الصمام الثنائي النفقي، يكون تركيز المنشطات مرتفعًا جدًا، إنّ تركيز الشوائب المنشطة في الصمام الثنائي النفقي يزيد ألف مرة مقارنة بأي دايود عادي، يتم ذلك من أجل الحصول على منطقة نضوب رقيقة، وهذا هو أساس تأثير النفق، اخترع الدكتور “ليو إيساكي” هذا الصمام الثنائي في عام (1957)، ومن هنا يُعرف أيضًا باسم (Esaki Diode).
مبدأ عمل الصمام الثنائي النفق:
كما قلنا أنّ تركيز المنشطات في حالة الصمام الثنائي النفقي مرتفع للغاية، نتيجةً لذلك، يؤدي انخفاض عرض منطقة النضوب إلى تغلغل ناقلات الشحنة عبر التقاطع حتى عندما لا يكون لدى الناقلات طاقة كافية للقفز عبرها. ولنفهم عمل الصمام الثنائي النفقي يجب النظر في بعض الشروط:
- في حالة التحيز الصفري (zero biased condition)، لا يتم تزويد الصمام الثنائي المشبع بشدة بأي جهد إدخال، لذلك، في حالة عدم وجود تحيز، لوحظ تداخل بين نطاق التوصيل للمنطقة (n) ونطاق التكافؤ للمنطقة (p).
يؤدي هذا التداخل إلى ظهور النطاقين عند نفس مستوى الطاقة تقريبًا، نظرًا لأنّ عرض النضوب صغير جدًا، بدون أي جهد مطبق، بسبب اختلاف درجة الحرارة، فإنّ الإلكترونات تنتقل من الأنفاق الجانبية (n) إلى الجانب (p)، وبالمثل، الثقوب تنتقل من الأنفاق الجانبية (p) إلى الجانب (n). نظرًا لأنّ النفق متساوٍ لكل من الناقلتين، فلا يتم ملاحظة أي تيار في حالة عدم وجود أي انحياز.
- الآن، عندما يتم تطبيق جهد أمامي معين على الصمام الثنائي، فلن يتدفق أي تيار بسبب هذا الجهد المطبق، حيث أنّ هذا الجهد الأمامي أقل من قدرة الحاجز في منطقة النضوب.
لكن مع ذلك، يتدفق تيار صغير عبر الجهاز، هذا صحيح، لأنّ الإلكترونات في نطاق التوصيل للمنطقة (n) سوف تخترق منطقة استنفاد رقيقة وتصل إلى نطاق التكافؤ في المنطقة (p)، سرعة تثقيب “تحويلها إلى الشحنة الموجبة” هذه الإلكترونات تشبه إلى حد ما سرعة الضوء، وبالتالي، فإنّ هذا العمل يولد تيارًا أماميًا عبر الجهاز.
- الآن، عندما يتم زيادة الجهد الأمامي المطبق، لذلك في هذه الحالة ، يبدأ تيار كبير في التدفق عبر الجهاز، تتحرك الإلكترونات التي لديها طاقة كافية عبر التقاطع، لكن تلك التي لديها طاقة أقل سوف تخترق أيضًا التقاطع بسبب عرض النضوب الرقيق.
في هذه الحالة، ينفق المزيد من الإلكترونات عبر التقاطع للوصول إلى المنطقة (p). لهذا فإنّ نطاق التوصيل للمنطقة (n) متوازي مع نطاق التكافؤ للمنطقة (p)، وبالتالي، يتم تحقيق أعلى تيار “ذروة” في هذه الحالة.
- إذا تم زيادة الجهد الأمامي المطبق على الجهاز، يظهر بعض التداخل بين نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ، هذا يتسبب في تدفق تيار صغير عبر الجهاز، ومع ذلك، هنا مع زيادة تيار الجهد من خلال الجهاز يبدأ الآن في التناقص.
بعد ذلك، يتم زيادة الجهد المطبق، ولكن الآن سيؤدي هذا الجهد المطبق إلى وصول التيار عبر الجهاز إلى الصفر تقريبًا، نظرًا لأنّ نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ لم يعدا يشكلان اتصالًا متداخلًا، لكن الجهد المطبق سيتغلب الآن على حاجز الجهد لمنطقة النضوب. لذلك، فإنّ التيار كما في حالة الصمام الثنائي العادي سوف يتدفق عبر الصمام الثنائي النفق أيضًا.
مزايا وعيوب الصمام الثنائي النفق:
مزايا الصمام الثنائي النفق:
- إنّه جهاز يستهلك طاقة منخفضة.
- ليست غالية الثمن.
- الصمام الثنائي النفقي سهل التشغيل ويوفر تشغيلًا عالي السرعة.
عيوب الصمام الثنائي النفق:
- أحيانًا يتم التعامل مع التغيير المفاجئ في تيار الحمل مع الجهد المطبق على أنّه عيب من عيوبه.
- لا يتم الحفاظ على العزل المناسب بين الإدخال والإخراج لأنّه جهاز طرفي.
تطبيقات الصمام الثنائي النفق:
يستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الميكروويف والتطبيقات عالية التردد بسبب استجابته السريعة، يمكن استخدامه أيضًا كمكبرات صوت وفي دوائر المذبذب.
