اقرأ في هذا المقال
- ما هو الصمام الثنائي شوتكي؟
- بناء الصمام الثنائي شوتكي
- تشغيل الصمام الثنائي شوتكي
- تطبيقات الصمام الثنائي شوتكي
ما هو الصمام الثنائي شوتكي؟
الصمام الثنائي شوتكي (Schottky): هو عبارة عن جهاز من نوع الصمام الثنائي لتقاطع أشباه الموصلات. الصمام الثنائي الحاجز (Barrier diode) والثنائيات ذات الجهد المنخفض (low voltage diodes)، هي الأسماء الأخرى لـ (Schottky diode). عند مقارنتها بالصمام الثنائي تقاطع (PN)، يكون انخفاض الطاقة أقل في الصمام الثنائي (Schottky). اكتشف عالم يدعى “والتر شوتكي” الصمام الثنائي شوتكي لأول مرة.
بشكل عام، في جهاز تقاطع (PN)، عندما يتم ربط النوع الموجب “النوع (p)” والنوع السالب “النوع (n)” معًا، فإنّهما يشكلان تقاطع (PN). ومع ذلك، في الصمام الثنائي (Schottky)، يتم استخدام مواد مثل الألومنيوم أو البلاتين بدلاً من أشباه الموصلات من النوع (P).
عمل الصمام الثنائي شوتكي:
إن أهم معلمة فيزيائية لهذا الصمام الثنائي (Schottky) هي معدل التحويل السريع وانخفاض انخفاض الجهد الأمامي. إنّه تقاطع معدني بأشباه الموصلات ليس لديه القدرة على تخزين الشحنات عند تقاطعها. يعود السبب وراء ذلك إلى عدم وجود طبقة نضوب (depletion layer).
عادةً، يحدث انخفاض الجهد عبر أطراف الصمام الثنائي، عندما يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي. عادةً ما يكون انخفاض جهد شوتكي دايود بين (0.15) و(0.45) فولت عند مقارنته بالدايود العادي. الصمام الثنائي العادي للوصلة (PN) له انخفاض في الجهد يتراوح بين (0.6) إلى (1.7) فولت، للحصول على كفاءة وخرج أفضل، يجب أن يكون انخفاض الجهد منخفضًا، عند تصنيع الصمام الثنائي، تعمل أشباه الموصلات من النوع (N) ككاثود ويعمل الجانب المعدني كأنود الصمام الثنائي.
عندما يتم إعطاء الجهد للصمام الثنائي، يتدفق التيار في الاتجاه الأمامي. عندما يتدفق هذا التيار عبر الصمام الثنائي، سيكون هناك حد أدنى من فقدان الجهد عبر أطراف الصمام الثنائي. يسمّى هذا الفقد في الجهد بانخفاض الجهد (Voltage drop).
بناء الصمام الثنائي شوتكي:
هي مصنوعة من المعدن وأشباه الموصلات التي تشكل تقاطع أحادي الجانب. يتم استخدام القليل من المعادن مثل الذهب والفضة والموليبدينوم والتنغستن والبلاتين. عادةً ما يتم استخدام أشباه الموصلات من النوع (N)، والتي تشمل الغاليوم. يستخدم السيليكون لعملية التردد المنخفض. يرتبط الصمام الثنائي (Schottky) ارتباطًا مباشرًا بانخفاض درجة الحرارة، في أشباه الموصلات من النوع (N)، يحدث انخفاض وزيادة في تركيز المنشطات (doping) في درجة الحرارة، بين تقاطعات أشباه الموصلات والمعدن، تتشكل طبقة نضوب تعرف باسم “حاجز شوتكي” (Schottky barrier).
يسمّى هذا الحاجز كحاجز جهد الطاقة، نوعان من حواجز شوتكي هما النوع المصحح (Rectifying) وغير المعدل (Non-rectifying type). عندما يلتقي المعدن وأشباه الموصلات المنشطة قليلاً، يتشكل حاجز شوتكي. بالتتابع عندما يصادف المعدن أشباه الموصلات المنشطة بشدة، فإنّه يشكل حاجزًا غير مقوم. يرتفع عرض طبقة النضوب عندما يزداد تنشيط أشباه الموصلات. في الوقت نفسه، عندما ينخفض العرض، تنتقل حاملات الشحنة عبر النفق وتصل إلى طبقة النضوب، عندما يزداد مستوى المنشطات، لا يعمل التقاطع كمقوم ويصبح موصلًا أوميًا (ohmic contact).
في ظل ظروف غير متحيزة، سيكون للإلكترونات المتراكمة على جانب أشباه الموصلات مستوى طاقة أقل من الإلكترونات الموجودة في المنطقة المعدنية، لهذا السبب، لا يمكن للإلكترونات أن تتدفق عبر حاجز شوتكي، في ظل ظروف منحازة للأمام، يتلقى الإلكترون الموجود في الجانب (N) مزيدًا من الطاقة لعبور حاجز الوصلة (junction barrier) ويدخل في المعدن. نتيجةً لهذا، تسمّى الإلكترونات أيضًا بالناقل الساخن (hot carrier). ومن ثمّ، يطلق على الصمام الثنائي اسم الصمام الثنائي الساخن (hot carrier Diode).
تخصصات الصمام الثنائي شوتكي:
- نظرًا لغياب تدفق التيار من المعدن إلى أشباه الموصلات من النوع (N)، فإنّه يعمل كجهاز أحادي القطب. حيث أنّ الصمام الثنائي للوصلة (PN) هو جهاز ثنائي القطب.
- لا يحتوي المعدن على أي ثقوب “شحنات موجبة”، ولا يخزن أي شحنة، لهذا السبب، يتمتع الصمام الثنائي (Schottky) بميزة التبديل السريع مع ضوضاء منخفضة نسبيًا.
- لديها قدرة منخفضة للحاجز مقارنة بالصمام الثنائي (PN).
تشغيل الصمام الثنائي شوتكي:
الصمام الثنائي شوتكي غير المتحيز – Unbiased Schottky Diode:
ستنتقل الإلكترونات الحرة الموجودة داخل أشباه الموصلات من النوع (n) من أشباه الموصلات من النوع (n) إلى المعدن أثناء الجمع بين أشباه الموصلات من النوع (n)، ينتج عن هذا إنتاج حالة التوازن. عندما تتحرك الإلكترونات الحرة عبر التقاطع، فإنّها توفر إلكترونًا إضافيًا للذرات الموجودة في الذرة، نتيجةً لذلك، تتلقى الذرات الموجودة في الوصلة المعدنية إلكترونًا إضافيًا، تفقد الذرات عند التقاطع الجانبي السالب الإلكترونات وتصبح أيونات موجبة، عند التقاطع المعدني، تكتسب الذرات إلكترونات إضافية وتحاول أن تصبح أيونات سالبة.
وبالتالي، سينتج عن ذلك إنتاج أيونات موجبة في الجانب السالب وأيونات سالبة على الجانب الموجب عند تقاطع المعدن، تتشكل منطقة النضوب عندما تتحد هذه الأيونات الموجبة والسالبة، في الصمام الثنائي (Schottky) غير المتحيز، سيتدفق عدد أقل من الإلكترونات من أشباه الموصلات إلى المعدن، توقف تدفق الإلكترونات الأخرى بسبب الجهد المدمج.
الصمام الثنائي شوتكي المنحاز للأمام – Forward Biased Schottky Diode:
في أشباه الموصلات من النوع (n) عندما يكون الطرف الموجب للبطارية متصلاً بالمعدن والطرف السالب متصل بموصل من النوع (n)، يُطلق عليه اسم الصمام الثنائي شوتكي المنحاز للأمام. على الصمام الثنائي عند تطبيق جهد التحيز الأمامي، يتم تكوين المزيد من الإلكترونات في المعدن والموصل. عندما يتم تطبيق جهد أكبر من (0.2) فولت، لا يمكن للإلكترونات الحرة التحرك عبر حاجز التوصيل، بسبب هذا التيار سوف تتدفق من خلال الصمام الثنائي، عندما تزداد قيمة الجهد، تصبح منطقة النضوب ضعيفة وتختفي.
الصمام الثنائي شوتكي المنحاز العكسي – Reverse Biased Schottky Diode:
في أشباه الموصلات من النوع (n)، إذا كان الطرف السالب للبطارية متصلًا بالمعدن وكان الطرف الموجب متصلًا بموصل من النوع (n)، يُطلق عليه اسم صمام شوتكي المنحاز العكسي، في الوقت نفسه، إذا تمّ تطبيق جهد انحياز عكسي، يزداد عرض منطقة النضوب.
لذلك، يتوقف تدفق التيار، في اللوحة المعدنية، سيكون هناك عدد أكبر من الإلكترونات المثارة، نتيجة لهذا، سيكون هناك تدفق لكمية صغيرة من تيار التسرب (leakage current). عندما يزداد الجهد المنحاز العكسي أكثر، يزداد التيار أيضًا بسبب ضعف الحاجز، عندما تحدث زيادة غير طبيعية في جهد التحيز، يزداد التيار الكهربائي أيضًا فجأة، سيتلف الجهاز، عندما تتعطل منطقة النضوب.
تطبيقات الصمام الثنائي شوتكي:
تستخدم ثنائيات شوتكي في صناعة الإلكترونيات للعديد من التطبيقات في مقوم الصمام الثنائي بسبب خصائصه، يتم استخدامها لتطبيقات تثبيت الجهد، لمنع تشبع الترانزستور. يتم استخدامه كـ (Schottky TTL) في الأجهزة الرقمية لأنّ هذه الأجهزة تتطلب تبديلًا سريعًا، نظرًا لأنّ أداء أجهزة الكمبيوتر الرقمية يتم تحديده من خلال تبديل سرعة الثنائيات، فإنّ (Schottky diode) يعد مكونًا مهمًا لأجهزة الكمبيوتر الرقمية.
