الفرق بين الصمام الثنائي PN Junction و Zener Diode

ما هو الصمام الثنائي PN Junction؟

في النوع (n) من إلكترونات أشباه الموصلات هي الناقلات الرئيسية للشحنة، بينما في أشباه الموصلات من النوع (p)، فإنّ الناقلات الرئيسية هي الثقوب “الشحنات الموجبة”. عندما يتم توصيل النوع (p و n) من أشباه الموصلات، “والذي يتحقق عمليًا من خلال عملية تكنولوجية أكثر تعقيدًا من اقتران بسيط”، حيث أنّ تركيز الإلكترونات في النوع (n) أكبر بكثير من تركيزه في النوع (p)، هناك انتشار للإلكترونات والثقوب، والتي تهدف إلى معادلة التركيز في جميع أجزاء هيكل أشباه الموصلات.

وهكذا، تبدأ الإلكترونات في الانتقال من الأماكن الأكثر تركيزًا إلى الأماكن ذات التركيز الأقل، أي في اتجاه النوع (n) إلى النوع (p) من أشباه الموصلات. وبالمثل، ينطبق هذا على الثقوب، والانتقال من النوع (p) إلى النوع (n) من أشباه الموصلات. عند حدود المركب، يحدث إعادة التركيب، أي ملء الثقوب بالإلكترونات. وهكذا، حول حدود المركب، يتم تكوين طبقة حدث فيها هجر الإلكترونات والثقوب، والتي أصبحت الآن موجبة جزئيًا، وسالبة جزئيًا.

شرح الصمام الثنائي PN Junction:

كما حول المجال، يتم تشكيل كهرباء سالبة وموجبة، ويتم إنشاء مجال كهربائي، والذي له اتجاه من الشحنة الموجبة إلى السالبة. أي أنّه يتم إنشاء مجال يكون اتجاهه مثل معارضة الحركة الإضافية للإلكترونات أو الثقوب “يكون اتجاه الإلكترونات تحت تأثير المجال عكس اتجاه المجال”.

عندما تزداد شدة المجال بشكل كافٍ لمنع المزيد من حركة الإلكترونات والثقوب، تتوقف حركة الانتشار. ثم يقال أنّه داخل تقاطع (p-n) تتشكل منطقة شحنة مكانية. يسمّى فرق الجهد بين نقاط النهاية لهذه المنطقة “بحاجز الجهد” (potential barrier).

الناقلات الرئيسية للشّحنة، على جانبي التقاطع، غير قادرة على المرور في ظل الظروف العادية “عدم وجود مجال غريب”. تم إنشاء مجال كهربائي داخل منطقة الحمل المكاني، والتي تكون أقوى عند حدود التقاطع. في درجة حرارة الغرفة “مع التركيز المعتاد للمادة المضافة”، يكون فرق الجهد لهذا الحاجز حوالي (0.2) فولت للسيليكون أو حوالي (0.6) فولت لثنائيات الجرمانيوم.

ما هو زينر دايود Zener Diode؟

من خلال اتصال (pn) المستقطب غير المنفذ، يتدفق تيار عكسي صغير من تدفقات التشبع الثابت. ومع ذلك، في الصمام الثنائي الحقيقي عندما يتجاوز جهد الاستقطاب الذي لا يمكن اختراقه قيمة معينة، يحدث تسرب مفاجئ للتيار، بحيث يزداد التيار عمليًا في النهاية دون أي زيادة أخرى في الجهد.

تسمّى قيمة الجهد الذي ينشأ فيه تسرب مفاجئ للتيار بالانهيار أو “جهد زينر” (Zener voltage). هناك سببان فيزيائيان يؤديان إلى انهيار حاجز (pn). في الحواجز الضيقة جدًا، التي تنتج عن وجود شوائب عالي جدًا لأشباه الموصلات من النوع (p و n)، يمكن أن تمر إلكترونات التكافؤ عبر الحاجز. تفسر هذه الظاهرة الطبيعة الموجية للإلكترون.

يُطلق على هذا النوع من التفصيل اسمه انهيار (Zener) أو (Zener’s breakdown). في الحواجز الأوسع، يمكن لحاملات الأقليات التي تعبر الحاجز بحرية أن تكتسب سرعة كافية عند نقاط قوة المجال العالية لكسر روابط التكافؤ داخل الحاجز. بهذه الطريقة، يتم إنشاء أزواج إضافية من الثقوب الإلكترونية، ممّا يساهم في زيادة التيار.

شرح الصمام الثنائي Zener Diode:

لا تختلف خاصية فولتية الطاقة في الصمام الثنائي (Zener) لمنطقة استقطاب النطاق الترددي عن خصائص الصمام الثنائي أشباه الموصلات المعدل الشائع. في مجال الاستقطاب غير المنفذ، عادةً ما يكون لاختراق الصمام الثنائي (Zener) قيمًا أقل من الفولتية المخترقة لثنائيات أشباه الموصلات العادية، وهي تعمل فقط في مجال الاستقطاب غير المنفذ.

بمجرد حدوث انهيار اتصال (pn)، يمكن أن يقتصر التيار على قيمة معينة مسموح بها فقط بمقاومة خارجية، وإلا يتم تدمير الثنائيات. يمكن التحكم في قيم جهد الاختراق في الصمام الثنائي (Zener) أثناء عملية الإنتاج. هذا يجعل من الممكن إنتاج ثنائيات بجهد انهيار من عدة فولت حتى عدة مئات من الفولتات.

الثنائيات ذات جهد الانهيار أقل من (5) فولت لا تحتوي على جهد انهيار واضح كثيراً ولها معامل درجة حرارة سالب، “ارتفاع درجة الحرارة يقلل من جهد زينر”. تحتوي الثنائيات التي تحتوي على (UZ> 5V) على معامل درجة حرارة موجب، “يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى زيادة جهد (Zener)”. تستخدم الثنائيات (Zener) كمثبتات ومحددات للجهد (stabilizers and voltage limiters).

الفرق بين P-N Junction Diode و Zener Diode:

الصمام الثنائي (PN Junction) والصمام الثنائي (Zener diode)، كلاهما جهازان لأشباه الموصلات الطرفية، ولكن النقطة الحاسمة التي تميز كلاهما هي القدرة على العمل في وضع الانحياز العكسي. صممت ثنائيات زينر بطريقة تجعلها تعمل في وضع الانحياز العكسي دون أن تتضرر. على العكس من ذلك، لا يمكن استخدام الصمام الثنائي (PN Junction) لهذا الغرض.

الفروقات الرئيسية بين P-N Junction و Zener Diode:

تعريف الصمام الثنائي تقاطع PN و Zener Diode:

الصمام الثنائي هو مكون إلكتروني يسمح بتدفق الكهرباء في اتجاه واحد دون مقاومة “أو بمقاومة قليلة جدًا” بينما في الاتجاه المعاكس لديه مقاومة لانهائية “أو على الأقل عالية جدًا”. على العكس من ذلك، تسمح ثنائيات زينر بتدفق التيار العكسي عند الوصول إلى جهد زينر.

إنشاء الصمام الثنائي تقاطع P-N والصمام الثنائي Zener Diode:

يتكون الصمام الثنائي لتقاطع (pn) من طبقتين من أشباه الموصلات، “النوع (p) – الأنود والنوع (n) – الكاثود”. في حالة ثنائيات زينر، يجب تحديد تركيزات الشوائب في أشباه الموصلات بدقة، “عادةً أعلى بكثير من الثنائيات (p-n)” من أجل الحصول على جهد الانهيار المطلوب.

تطبيقات الصمام الثنائي P-N Junction و Zener Diode:

يتم استخدام الصمامات الثنائية (PN Junction) كمعدلات، وموجهات تشكيل، ومحوّلات، ومضاعفات الجهد. غالبًا ما تستخدم ثنائيات زينر كمثبتات للجهد.

جدول المقارنة بين P-N Junction و Zener Diode:

أوجه المقارنة	الصمام الثنائي PN Junction	الصمام الثنائي Zener
التعريف	الصمام الثنائي (PN Junction) هو جهاز أشباه الموصلات يعمل فقط في اتجاه الانحياز للأمام.	الصمام الثنائي (Zener) عبارة عن جهاز شبه موصل يمكنه إجراء إنحياز للأمام وكذلك أن يكون متحيزًا معكوسًا.
العمل في حالة الانحياز العكسي	يتضرر في حالة الانحياز العكسي.	يمكن أن يعمل دون أن يتضرر.
الرمز
كثافة المنشطات	في هذه الثنائيات تكون كثافة المنشطات منخفضة.	في زينر ديود كثافة المنشطات عالية لتحقيق انهيار حاد.
التطبيقات	يستخدم الصمام الثنائي في المقومات، والقصاصات، والمشابك.	يستخدم الصمام الثنائي زينر في الغالب في منظم الجهد.
جهد الانهيار	جهد الانهيار في ثنائيات (PN Junction)، يكون مرتفعًا نسبيًا.	جهد الانهيار في حالة الصمام الثنائي زينر حاد.