شرح الدايود – ورمز، وإستخدامات، وأنواع الدايود

ما هو الدايود

 

الدايود Diode (الوصلة الثنائية) يُعتبر واحد من أبسط قطع أشباه الموصلات حيث يسمح للتيار بالمرور في اتجاه واحد فقط. 

ما هو الدايود؟

الدايود Diode (الوصلة الثنائية) هو قطعة إلكترونية يعمل كصمام أحادي الاتجاه، مما يعني أنه يسمح للتيار بالمرور في اتجاه واحد فقط. يتم تصنيع هذه الثنائيات من مواد أشباه الموصلات مثل الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم.

ويعد الديود من اكثر العناصر الإلكترونية استخدامًا في مجال إلكترونيات القدرة حيث يستخدم في دارات التقويم لتوحيد التيار المتردد إلى تيار مستمر، ويستخدم أيضًا كمفتاح إلكتروني، أو لحماية العناصر الأخرى من الجهود والتيارات العابرة.

رمز الدايود

رمز الدايود في الدوائر يشبه المثلث كما هو موضح بالصورة التالية

رمز الدايود
رمز الدايود

تركيب الدايود

يتكون الديود من طبقتين P-N من أشباه الموصلات مثل السيلكون أو الجرمانيوم إحداهما من النوع الموجب والأخرى من النوع السالب مكونة ما يعرف بوصلة موجب سالب P-N junction، يسمى طرف الوصلة الموجبة للديود بالمصعد (A) Anode بينما يسمى طرف الوصلة السالبة بالمهبط (K) Cathode وبينهما منطقة عازلة تسمى بمنطقة الاستنزاف.

مكونات الدايود

على عكس المقاومة، لا يتصرف الدايود بشكل خطي فيما يتعلق بالجهد المطبق عليه لأن الدايود له علاقة أسية بين الجهد والتيار (I-V) وبالتالي لا يمكننا وصف عمله ببساطة باستخدام معادلة مثل قانون أوم

 مبدأ عمل الدايود

يسمح الدايود للتيار بالمرور في اتجاه واحد فقط، فإذا تم توصيل الطرف الموجب (الأنود) للدايود بالطرف الموجب للبطارية والطرف السالب (الكاثود) بالطرف السالب للبطارية، فسيمر تيار كهربائي في الدائرة الكهربائية، وتسمى هذه الطريقة بالتوصيل الأمامي.

أما إذا تم توصيل الطرف الموجب الأنود بالطرف السالب للبطارية ولكاثود بالطرف الموجب للبطارية ، فإن الدايود في هذه الحالة لا يسمح للتيار بالمرور في الدائرة الكهربائية، وتسمى هذه الطريقة بالتوصيل العكسي.

في البداية فإن النوع N والنوع P كلاهما متعادل كهربي بمعنى أن مجموع الإلكترونات والبروتونات في كل جزء متساوٍ. بعد مرور وقت قصير في تصنيع الوصلة بالمصنع تنجذب الإلكترونات الحرة بالناحية اليمنى إلى الفجوات القريبة من الحاجز الفاصل بالناحية اليسرى وتتحد معها مكونة على طرفي الحاجز منطقة خالية من حاملات الشحنة كما نرى في الصورةهذه المنطقة تسمى بمنطقه الاستنزاف (depletion region).

طريقة عمل الدايود

إن عملية انتقال مزيد من الإلكترونات والاتحاد مع مزيد من الفجوات وبالتالي توسع منطقة الاستنفاد لا تستمر طويلًا بسبب تكون ما يسمى بالجهد الحاجز. هذا الجهد يساوي حوالي 0.7V في السيلكون . ولكن كيف يتكون هذا الجهد ؟ 

عندما ينتقل إلكترون عبر الحاجز الفاصل يترك خلفه ذرة تكون فاقدة إلكترونًا واحدًا وتصبح عندئذ متأينة وذات شحنة موجبة. وبصورة مماثلة فإن انتقال الإلكترون عبر الحاجز الفاصل ومتحدًا مع الفجوة يجلب إلكترونًا إضافيًا داخل تلك الذرة وإعطائها شحنة سالبة وتكون الذرة عندئذ أيونًا سالبًا وتستمر هذه العملية ويزداد الجهد على طرف الحاجز الفاصل حتى يصل إلى قيمة 0.7V 

وعندها تتوقف العملية لأن حاملات الشحنة لا تستطيع تخطي هذا الحاجز وتكون الوصلة كما تبدو مكونة من ثلاثة أجزاء: شبه موصل موجب، وسالب، وبينهما منطقة مجردة من الشحنات تُعتبر من الناحية العملية منطقة عازلة. وبالتالي فإن الدايود يعتبر عازلًا لوجود منطقة الاستنفاد التي يكون سمكها حوالي 100 ميكرومتر.

خصائص الدايود

لتحديد خواص الدايود لابد من معرفة سلوكه في التوصيل الأمامي والعكسي كما يلي:

الإنحياز الأمامي للدايود  

 في حالة الانحياز الأمامي يتم توصيل الطرف السالب للبطارية بالنوع N-type للدايود، ويتم توصيل الطرف الموجب للبطارية بالنوع P-Type للدايود.  

الإنحياز الأمامي للدايود
الإنحياز الأمامي للدايود

وبما أن الشحنات المتشابهة تتنافر؛ فإن الإلكترونات الحرة تتنافر من القطب السالب، وتتجه نحو منطقة الاستنفاد، وتعبر إلى المنطقة P، نظرًا لقوة الجذب المتولدة في المنطقة P؛ فإن الإلكترونات تنجذب وتتحرك نحو الطرف الموجب. 

وكذلك بالنسبة للفجوات، تتنافر من القطب الموجب للبطارية وتتجه نحو منطقة الاستنفاد، في نفس الوقت تنجذب الفجوات إلى الطرف السالب للبطارية، بواسطة حركة الإلكترونات والفجوات يتدفق التيار. 

خصائص الدايود V-I في حالة الإنحياز الأمامي 

من خلال تطبيق فرق جهد موجب، تحصل الإلكترونات على طاقة كافية للتغلب على جهد الحاجز وتعبر منطقة الاستنفاد، ويحدث نفس الشيء مع الفجوات أيضًا.

خواص الدايود في الإنحياز الأمامي
خواص الدايود في الإنحياز الأمامي

كمية الطاقة التي تتطلبها الإلكترونات والفجوات لعبور منطقة الاستنفاد تساوي جهد الحاجز، وقيمته 0.3V لـ Ge، و 0.7V لـ Si، و 1.5V لـ GaAs. ينشأ الجهد الحاجز بسبب المقاومة الداخلية. يمكن ملاحظة ذلك في الرسم البياني أعلاه.‌‌ 

الإنحياز العكسي للدايود  

يكون الدايود منحازًا عكسيًا إذا كان القطب الموجب للمصدر متصلاً بالنوع N للدايود. والقطب السالب للمصدر متصلاً بالنوعP. 

الصورة توضح الإنحياز العكسي للدايود
الإنحياز العكسي للدايود

وبما أن الشحنات المختلفة تتجاذب فإن الإلكترونات الحرة تنجذب نحو الطرف الموجب لمصدر الجهد، وتنجذب الفجوات نحو الطرف السالب.  وتكون النتيجة اتساع منطقة الاستنفاد وبالتالي لا يكون هناك تيار داخل الانود أو في الدائرة الخارجية. 

ويكون المجال الكهربائي الناتج عن الجهد العكسي المطبق ومنطقة الاستنفاد في نفس الإتجاه.هذا يجعل المجال الكهربائي أقوى من ذي قبل. بسبب هذا المجال الكهربائي القوي؛ لايمكن للإلكترونات والفجوات عبور منطقة الاستنفاد إلى المنطقة المقابلة. وبالتالي، لا يوجد تدفق للتيار بسبب قلة حركة الإلكترونات والفجوات. 

خصائص الدايود V-I في حالة الإنحياز العكسي  

 بسبب الطاقة الحرارية في الدايود تنشأ ناقلات الشحنات الأقلية – ناقلات الشحنة الأقلية تعني الفجوات في النوع N والإلكترونات في النوع P – حاملات الشحنة الأقلية هذه هي الإلكترونات والفجوات التي يتم دفعها بواسطة الطرف السالب والطرف الموجب، على التوالي.  

بسبب حركة ناقلات الشحنة الأقلية، يتدفق تيار قليل جدًا، قيمته بحدود نانو أمبير (للسيليكون). يسمى هذا التيار بتيار التسرب. 

خواص الدايود في الإنحياز العكسي
خواص الدايود في الإنحياز العكسي

جهد الإنهيار العكسي للدايود 

عند زيادة الجهد العكسي إلى حد معين، نجد أن التيار يزيد فجأة زيادة كبيرة. هذا الجهد المعين الذي يُسبب التغيير الكبير في التيار العكسي يسمى جهد الانهيار العكسي Break Revese Voltage.  
وجهد الانهيار العكسي بالنسبة لدايود السليكون يتراوح ما بين 50 إلى 1000 فولت حسب تصميم الدايود ويجب عند تشغيل الدايود الحرص على عدم تجاوز جهد الانهيار العكسي لكي لا تدمر الدايود. 

أنواع الدايود 

يوجد أنواع كثيرة جدًا من الدايودات، من أهم الأنواع والمستخدمة بكثرة :

شوتكي دايود Schottky Diode

سمي على اسم عالم الفيزياء الألماني Walter H. Schottky، ,هو من أنواع الصمام الثنائي يتكون من قطعه من أشباه الموصلات من النوع N ومعدن.

الدايود العادي يتكون من جزئين أحدهما من النوع بي (P-type)، والآخر من النوع إن (N-type) وبهذا تتكون الوصلة بي-إن (P-N junction).

أما دايود شوتكي فيتم استخدام معدن مثل الذهب أو الفضة أو البلاتين. بدلًا عن النوع بي (P-type) في الوصلة.

رمز دايود شوتكي

دايود شوتكي
رمز دايود شوتكي

مميزات وإستخدامات دايود شوتكي

نظرًا لعدم وجود وصلة P-N، فإن سرعة تبديل الصمام الثنائي (سرعة الفتح والإغلاق) سريعة جدًا. يمكن استخدامه في التطبيقات عالية التردد وفي العديد من الدوائر الرقمية لتقليل زمن التبديل. ومن مميزاته أن الفولتية المفقودة أقل في الإنحياز الأمامي.

سلبيات دايود شوتكي

من سلبياته أنه يمتلك جهد إنهيار عكسي (reverse breakdown voltage) صغير، وتيار تسرب عكسي (reverse leakage current) عالي.

زينر ديود Zener

زينر ديود هو وصلة سيليكون P-N مصمم للعمل في حالة الإنحياز العكسي. يتم ضبط جهد إنهيار الصمام الثنائي زينر عن طريق التحكم بعناية في مستوى الشوائب أثناء التصنيع.

زينر-دايود
رمز الزينر دايود

عندما يصل الصمام الثنائي إلى الانهيار العكسي، يظل جهده ثابتًا تقريبًا على الرغم من تغير التيار بشكل كبير، وهذا هو مبدأ عمل الصمام الثنائي زينر. وعند توصيله في الاتجاه الأمامي يعمل بشكل مشابه للديود العادي.

يعمل زينر دايود كمنظم للجهد لأنه يحافظ على جهد ثابت تقريبًا عبر أطرافه على مدى محدد من قيم التيار العكسي.

الدايود الباعث للضوء Light Emitting Diode (LED)

يعد الصمام الثنائي الباعث للضوء أو LED أحد أكثر أنواع الصمام الثنائي شيوعًا.

رمز الدايود-الباعث-للضوء-LED
رمز الدايود الباعث للضوء

وعندما يكون في حالة الإنحياز الأمامي عند مرور التيار عبر الوصلة، يتم توليد الضوء. كان اللون الأصلي لهذه الثنائيات أحمر ، لكن معظم الألوان متوفرة هذه الأيام. يتم تحقيق ذلك باستخدام مزيج مختلف من أشباه الموصلات على جانبي الوصلة PN.

الدايود الضوئي Photodiode

عندما يصطدم الضوء بالوصلة PN، فإنه يمكن أن ينتج إلكترونات وثقوبًا( holes)، مما يتسبب في مرور التيار.

PhotoDiode
رمز الدايود الضوئي

نتيجة لذلك، من الممكن استخدام أشباه الموصلات كحساس للضوء. يمكن أيضًا استخدام هذه الأنواع من الثنائيات لتوليد الكهرباء. بالنسبة لبعض التطبيقات، تعمل ثنائيات PIN بشكل جيد جدًا كحساسات ضوئية.

للمزيد اقرأ: أنواع الدايود

استخدامات الدايود

يوجد العديد من التطبيقات في الحياة العملية باستخدام الوصلة الثنائية، فهو مكون رئيسي للدوائر المنطقية والدوائر المتكاملة بالإضافة إلى ذلك يتم استخدامه فيما يلي :

  • التقويم أو التوحيد للتيار المتناوب 
  • ‏ مضاعفات الجهد.  
  • ‏ الملزمات والقواطع 
  • ‏ تطبيقات على أنواع خاصة من الدايودات مثل.
    • موحدات الزينر 
    • موحدات مشعة للضوء
    • موحدات ضوئية 
    • موحدات السعة المتغيرة  .

وتلك أمثلة بسيطة و قليلة على سبيل المثال فإن استخدامات الدايود عديدة وغير محدودة.


مراجع:

3 أفكار عن “شرح الدايود – ورمز، وإستخدامات، وأنواع الدايود”

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

photoshop beta crack download