اقرأ في هذا المقال
تعريف الصمام الثنائي PIN:
الصمام الثنائي (PIN) هو نوع خاص من الصمام الثنائي يحتوي على أشباه الموصلات الجوهرية “الداخلية” (intrinsic) غير المغطاة بين أشباه الموصلات من النوع (p) ومناطق أشباه الموصلات من النوع (n). وهو يختلف عن الصمام الثنائي العادي بمعنى أنّه يحتوي على طبقة إضافية بين الوصلات (p و n). نقصد بطبقة جوهرية بلورة نقية من السيليكون أو الجرمانيوم دون أي منشّطات. هذه الطبقة لا توصل التيار الكهربائي بشكل جيد. إنّ الطبقة من النوع (p و n) منشطة بشكل كبير حيث يتم استخدامها في جهات الاتصال الأومية (ohmic contacts).
يشبه الأمر وجود منطقة (p)، متبوعة بمنطقة جوهرية (intrinsic region) ثمّ منطقة (N)، ممّا يجعلها بمثابة صمام ثنائي (PIN) وبالتالي اشتق الاسم من نفس المنطقة.
بناء الصمام الثنائي PIN:
كما أوضحنا سابقًا، يحتوي الصمام الثنائي على طبقة داخلية غير قابلة للكسر “ذات مقاومة عالية” محصورة بين تقاطع (PN)، سننظر الآن في بناء الصمام الثنائي بالتفصيل:
يمكن بناء الصمام الثنائي (Pin diode) في هيكلين مختلفين: هيكل ميسا (Mesa structure) وهيكل مستو (Planar structure). في بنية “الميسا”، تزرع الطبقات المنشطة بالفعل على الركيزة “الطبقة الجوهرية أو الداخلية”. يمكن التحكم في كمية المنشّطات وسمك الطبقة حسب المتطلبات. في البنية المستوية، يتم زراعة طبقة فوقية على مادة الركيزة ويتم إنشاء منطقة (p+) إمّا عن طريق غرس الأيونات (ion implantation) أو الانتشار (diffusion).
عمل الصمام الثنائي PIN:
على الرغم من أنّ عمل الصمام الثنائي (Pin diode) يشبه الصمام الثنائي العادي، إلّا أنّ هناك بعض الاختلافات بسبب الطبقة الداخلية الإضافية. الصمام الثنائي (Pin diode) هو مقوم أدنى ولكنّه مناسب على نطاق واسع للمفاتيح والمخففات وما إلى ذلك.
عملية التحيز للأمام للصمام الثنائيPIN:
عندما يتعرض الصمام الثنائي (PIN) للانحياز الأمامي (forward bias)، تقل منطقة النضوب (depletion region) عند تقاطع (pn). مع تقليل منطقة النضوب، يبدأ التيار بالتدفق عبر الصمام الثنائي. يعمل الصمام الثنائي (PIN) كمقاومة متغيرة عند تشغيله في اتجاه أمامي. يتم تطوير مجال كهربائي عالي عبر التقاطع وهذا يسرع نقل ناقلات الشحنة من المنطقة (P) إلى المنطقة (N). هذا يساعد في تشغيل أسرع وبالتالي يتم استخدام الصمام الثنائي للتطبيقات عالية التردد.
عملية التحيز العكسي للصمام الثنائيPIN:
عندما يكون الصمام الثنائي (pin diode) في حالة إنحياز عكسية (reverse biased)، يزداد عرض منطقة النضوب. عند جهد انحياز عكسي معين، سيتم مسح الطبقة الجوهرية بالكامل من حاملات الشحنة. هذا الجهد يسمى “اجتياح في الجهد” (swept in voltage). القيمة هي (-2v). يتم استخدامه لأغراض التحويل أثناء التحيز العكسي.
خصائص الصمام الثنائي PIN:
هذا يخضع لمعادلة الصمام الثنائي النموذجية لإشارات التردد الصغيرة. عند الترددات الأعلى، يظهر الصمام الثنائي (PIN) كمقاوم مثالي تقريبًا. هناك مجموعة من الشحنات المخزنة في المنطقة الجوهرية. عند الترددات الصغيرة، يمكن فصل الشحنة وإيقاف تشغيل الصمام الثنائي.
في الترددات الأعلى، لا يوجد وقت كاف للتخلص من الشحنات، لذلك لا يتم إيقاف تشغيل الصمام الثنائي (PIN). الصمام الثنائي لديه وقت استرداد عكسي مخفض. الصمام الثنائي (PIN) منحاز بشكل صحيح، وبالتالي يعمل كمقاومة متغيرة. قد تختلف مقاومة التردد العالي هذه على مدى واسع “من (0.1 Ω-10 kΩ) في بعض الحالات”؛ النطاق العملي أقل، رغم ذلك.
عند مستوى أدنى من التحيز العكسي، تصبح طبقة النضوب مستنفدة تمامًا. تصبح سعة الصمام الثنائي مستقلة عن مستوى التحيز بمجرد استنفاد طبقة النضوب تمامًا. هذا بسبب وجود شحنة صافية قليلة جدًا في الطبقة الجوهرية “الداخلية”. يكون تسرب إشارة التردد اللاسلكي أقل من الثنائيات الأخرى لأنّ مستوى السعة عادةً ما يكون أقل.
في التحيز الأمامي، يتصرف الصمام الثنائي كمقاومة أكثر من كونه جهاز غير خطي ولا ينتج عنه تصحيح أو تشويه. تعتمد قيمة المقاومة على جهد التحيز. يستخدم الصمام الثنائي كمفتاح (RF) أو كمقاومة متغيرة لأنّه ينتج تشوهات أقل من الصمام الثنائي العادي.
تطبيقات الصمام الثنائي PIN:
تستخدم الثنائيات (Pin diodes) لعدد من التطبيقات. بعض الاستخدامات المهمة لهذه الأنواع من الثنائيات هي:
- مفتاح (RF): كما نوقش أعلاه، يمكن استخدام الصمام الثنائي كمفتاح (switch) (RF). بسبب الطبقة الجوهرية “الداخلية” بين تقاطعات (PN)، ينخفض مستوى السّعة. نتيجةً لذلك، يزداد مستوى العزل (isolation) عندما ينعكس التحيز في الصمام الثنائي. هذا يجعله مفتاح (RF) مثاليًا.
- معدل الجهد العالي (High Voltage Rectifier): نظرًا للطبقة الجوهرية، تزداد المسافة بين تقاطعات (p-n) وبالتالي السماح بتحمل أعلى للجهد بين الوصلات.
- الكاشف الضوئي (Photodetector): يعتمد تحويل الضوء إلى تيار كهربائي على منطقة استنفاد الثنائي الضوئي (photodiode). في الصمام الثنائي (pin diode)، يتم زيادة منطقة النضوب عن طريق إضافة طبقة جوهرية بين تقاطعات (pn). نظرًا للزيادة في منطقة النضوب، يزداد حجم التحويل وكفاءة الثنائي الضوئي أيضًا. ومن ثمّ يتم استخدام الصمام الثنائي (pin) كصمامات ثنائية ضوئية.
