الموحدات Diodes


https://drive.google.com/file/d/0B5zxZ0A1AI-XSHBCN1Q3Yjh6NlE/view

هذا المقال جزء من كتيب الذرة وأنصاف النواقل (16 صفحة)
الموحد
الموحد عبارة عن قطعة إلكترونية تتكون من جزئين كلاهما نصف ناقل مشاب يحمل أحدهما شحنة موجبة والآخر شحنة سالبة ولكي نتعرف على طريقة عمل الموحد دعونا نبدأ أولا بفهم ماذا يحدث عندما نكون وصلة من نصف ناقل موجب وآخر سالب فيما يسمى الوصلة الثنائية أو الثنائي البلوري (PN-Junction).

الثنائي البلوري (PN-Junction)
عندما يرتبط الجزئين السالب والموجب كما في الشكل أدناه يحدث إنتقال لبعض الإلكترونات من الجانب السالب إلى الموجب وفي نفس الوقت تنتقل بعض الثقوب من الجانب الموجب إلى السالب وذلك بسبب تجاذب الشحنات المختلفة وتدعى هذه العملية بالتسلل (Diffusion). ولكن الإلكترونات عندما تنتقل تترك وراءها أيونات ذات شحنة موجبة وكذلك تفعل الثقوب بترك ورائها أيونات سالبة الشحنة مما يشكل عائقا في كلا الناحيتين يمنع مرور المزيد من الإلكترونات أو الثقوب بسبب تنافر الشحنات المتشابهة.
إذن يتكون لدينا جزء موجب محدود من ناحية الوصلة بحاجز من الأيونات السالبة, وجزء سالب محدود من ناحية الوصلة بحاجز من الأيونات الموجبة. إن وجود هذين الحاجزين يشكل عائقاً أمام مرور التيار يحتاج إلى بذل المزيد من الجهد الكهربائي من أجل كسره والسماح للتيار بالمرور، وتختلف قيمة الجهد المطلوب لتخطي الحاجز بناء على خواص كلتا القطعتين ولكن القيم المتعارف عليها هي (0.7 فولت) عندما تكون أنصاف النواقل من السيليكون المشاب و (0.3 فولت) عندما تكون من الجرمانيوم المشاب. ويسمى هذا الحاجز بحاجز الجهد (Potential Barrier).

الثنائي البلوري PN-Junction
ويرافق عملية الإنتقال تكون منطقة مستنفذة (مفرغة) من حوامل الشحنات على كلا الجانبين يختلف عرض هذه المنطقة تبعا لكثافة الإشابة في كلا الشطرين. فانتقال عدد معين من الإلكترونات من جهة يقابله انتقال عدد مساو من الثقوب من الجهة الإخرى وكلما كانت كثافة الإشابة أعلى كلما ضاقت مساحة المنطقة التي تفرغ منها الشحنات. أنظر الشكل أدناه الذي يوضح على سبيل المثال أنه لو كانت كثافة إشابة الجزء الموجب أعلى من كثافة إشابة الجزء السالب فإن عرض المنطقة المستنفذة في الجزء السالب يكون أكبر.
Depletion Region
الإنحياز العكسي (Reverse Biased PN-junction)
دعنا الآن نقوم بتسليط جهد من بطارية مثلا على الثنائي بشرط أن يوصل القطب السالب للبطارية إلى الجزء الموجب من الثنائي والقطب الموجب للبطارية إلى الجزء السالب من الثنائي (عكس الأقطاب). 
ما الذي سيحدث الآن؟ كما يبين الشكل بالأسفل فإن الثقوب الموجبة سوف تنجذب نحو القطب السالب والإلكترونات السالبة ستنجذب نحو القطب الموجب مما سيؤدي إلى زيادة مساحة المنطقة المستنفذة ويزيد بالتالي حاجز الجهد المطلوب تخطيه لإنتقال التيار ومع استمرار زيادة مقدار الجهد المطبق على الثنائي تزداد مساحة المنطقة المستنفذة ويزداد معها مقدار الحاجز أي أن مقاومة الثنائي لمرور التيار تزداد حتى أنها تصل لأن تقاس بالميغا أوم (MΩ).
ولكن حوامل الشحنات الثانوية في كلا الجزئين تكون مختلفة الشحنة مما يمنحها الفرصة لتمر ولكن نظرا لندرة هذه الحوامل فإن مقدار ما يمر منها يكون ضئيلا جدا ويسمى التيار الناتج عن هذه الحوامل الثانوية بتيار التشبع العكسي (Reverse Saturation Current). وتبقى قيمته ثابتة لأن الحوامل الثانوية تنتقل بين الجانبين بمقدار ثابت تحدده كثافة الإشابة لكلا الطرفين ولا يتأثر بفرق الجهد المسلط على الثنائي.
Reverse Biased PN-Junction
الإنحياز الأمامي (Forward Biased PN-junction)
والآن دعنا نضع الأقطاب في وضعها الصحيح فنوصل القطب الموجب للبطارية بالجزء الموجب من الثنائي والقطب السالب من البطارية بالجزء السالب من الثنائي. كيف تسيرالأمور الآن؟ ينبئنا الشكل أدناه أن الإلكترونات سوف تندفع مبتعدة عن القطب السالب متجهة بإتجاه القطب الموجب وبالعكس ستفعل الثقوب حيث ستبتعد عن القطب الموجب وتندفع باتجاه القطب السالب أي أن التيار سوف ينتقل بين طرفي الثنائي متخطيا بسهولة حاجز الجهد الموجود بين القطعتين. وباستمرار رفع الجهد المطبق على الثنائي فإن حاجز الجهد يبدأ بالإنخفاض فيما تضيق المنطقة المستنفذة وتصبح مقاومة الثنائي لمرور التيار فيه صغيرة جدا (بضعة عشرات من الأومات) وبالطبع يبقى تيار التشبع العكسي ثابتا.
مما سبق نستنتج أن الموحد (الدايود) أحادي القطبية (Unipolar) أي أنه يسمح بمرور التيار في إتجاه واحد فقط فيما يمنع مروره بالإتجاه الآخر.

Forward Biased PN-Junction
ويرمز عادة للدايود بالرمز الموضح أدناه. حيث يشير السهم إلى اتجاه مرور التيار من القسم الموجب أو ما يسمى بالمصعد (Anode) إلى القسم السالب أو ما يسمى بالمهبط (Cathode).

 الموحد  Diode


تيار التشبع العكسي (Reverse Saturation Current)
سبق أن تبينا سبب وجود هذا التيار ولن أقوم هنا بإعادة شرحه ولكن دعونا نتطرق قليلا إلى العوامل التي تؤثر في مقدار هذا التياربشكل أساسي يعتمد مقدار التيار على شحنة الإلكترون وعلى كثافة الإشابة لكلا الطرفين بالإضافة إلى مساحة الثنائي. فازدياد أي من هذه العوامل يؤدي إلى زيادة عدد حوامل الشحنات الثانوية وبالتالي زيادة مقدار تيار التشبع العكسي.

تأثير الحرارة (Temperature Effect)
كما تبينا في الفصل السابق فإن ارتفاع درجة الحرارة يزيد من تكون ثنائي الثقب- الإلكترون وبالتالي فإن ارتفاع درجة الحرارة لا بد أن يزيد من مقدار تيار التشبع العكسي وتقريبا فإن التيار يتضاعف مقداره مرة بارتفاع الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية  ويمكن حساب مقدار الإختلاف في التيار العكسي باختلاف درجة الحرارة تبعا للمعادلة التالية :



ويوضح الشكل أدناه تأثر جهد الإنحياز الأمامي مع تيار الإنحياز الأمامي تبعا لتأثير درجة الحرارة، وبناء عليه يمكن حساب الإختلاف في جهد الحاجز بين شطري الدايود مع اختلاف درجة الحرارة.

سلوك الدايود (Diode Characteristics)
ما نعنيه بسلوك أي قطعة إلكترونية هو مقدار التغير الحاصل على أطرافها للجهد والتيار سواء في دائرة الدخل أو الخرج وبالنسبة للدايود فإن ما يعنينا هو سلوك الجهد والتيار خلال الدايود في حالتي الإنحياز العكسي والأمامي وهو ما يوضحه الشكل أدناه حيث نلحظ على الجانب الأيمن الذي يمثل وضع الإنحياز الأمامي أن مقدار التيار الذي يمر في الدايود يكون ضئيلا جدا ويتخذ شكل دالة لوغاريتمية إلى أن يصل إلى حاجز الجهد بين طرفي الدايود حيث يزداد بعدها مرور التيار مع ازداياد فرق الجهد المطبق على الدايود بشكل خطي. 
أما على الناحية اليسرى من الرسم والتي تمثل وضع الإنحياز العكسي فإن تيار التشبع العكسي يزداد من الصفر إلى حد معين ثم يثبت على هذا المقدار مع إزدياد الجهد إلى أن يصل الجهد إلى قيمة كبيرة نسبيا تسمى جهد التعطل (Break Down Voltage) حيث تزداد بعدها قيمة تيار التشبع العكسي بشكل كبير مع أدنى ازدياد في قيمة الجهد المطبق على الدايود.

سلوك الدايود (Diode Characteristics)
ونلاحظ أن قيمة تيار التشبع العكسي التي يثبت عندها في أغلب فترة الإنحياز العكسي أكبر في الجرمانيوم منها في السيليكون نظرا لوجود وفرة من حوامل الشحنات الثانوية بالجرمانيوم أكثر من السيليكون ولكن جهد التعطل لدايود الجرمانيوم أقل منه في السيليكون وهو ما يتضح من الرسم.

متغيرات الدايود (Diode Parameters)
  • جهد الانحياز الأمامي (Forward Voltage VF) ويبلغ (0.3 فولت ) في الجرمانيوم و (0.7 فولت) في السيليكون.
  • تيار التشبع العكسي (Reverse Saturation Current IR) ويبلغ (10 μ أمبير) للجرمانيوم في حين لا يتجاوز (0.1 μ أمبير) للسليكون.
  • جهد التعطل (Break Down Voltage VBR) ويساوي (75 فولت) في السيليكون و (50 فولت) في الجرمانيوم.
  • تيار الإنحياز الأمامي الأقصى (Maximum Forward Current IFMax).
  • المقاومة الديناميكية (Dynamic Resistance  R).
مثال :
دايود من السيليكون وصل في درجة حرارة (25 درجة مئوية) وجهد الحاجز = (0.7 فولت) احسب جهد الحاجز في درجتي حرارة (100 درجة مئوية) و(-100 درجة مئوية).
الدوائر المكافئة للدايود (Equivalent Circuits for Diode)
يمكن تمثيل الدايود بأربعة أشكال من الدوائر المكافئة تتدرج في درجة تعقيدها. وتستخدم هذه الدوائر عند الرغبة في تحليل دائرة كهربائية تحوي دايوداً. 
  • الدايود المثالي (Ideal Diode) وهنا يمثل الدايود وكأنه مفتاح فتح وغلق حيث يمكن تمثيله على أنه وصلة في حالة الإنحياز الأمامي وعلى أنه جزء مفتوح من الدائرة في حالة الإنحياز العكسي.
  • الدائرة المكافئة المبسطة (Simplified Equivalent Circuit) وفيها يتم تمثيل الدايود في حالة الانحياز الأمامي على أنه بطارية ذات جهد يساوي جهد الحاجز وفي حالة الانحياز العكسي على أنه جزء مفتوح من الدائرة.
  • دائرة بايس فايس الخطية المكافئة (PiceWise Linear Equivalent Circuit) حيث يمثل الدايود هنا ببطارية تتبعها مقاومة تمثل مقاومة الدايود في حالة الإنحياز الأمامي.
  • الدائرة المكافئة الحقيقية للدايود (Real Equivalent Circuit for Diode) وفيها يمثل الدايود بمفتاح فتح وغلق أو دايود مثالي موصل على التوالي ببطارية ومقاومة الإنحياز الأمامي موصل بالجميع على التوازي مقاومة الإنحياز العكسي وموصل على التوازي كذلك مكثف ذو قيمتين قيمة في الانحياز الأمامي وأخرى في الإنحياز العكسي. وينتج تأثير المكثف عن المنطقة المفرغة العازلة الموجودة بين الموصلين.
(يوضح الشكل أدناه ملخصا للدوائر المكافئة للدايود)

Diode Equivalent Circuits 
معادلة الدايود (Diode Equation)
من خلا ل دراسة سلوك الدايود توصل الباحثون إلى علاقة تربط التيار المار في الدايود بالجهد المطبق عليه هي:
حيث:
Id = Diode Current (Ampere)
Vd = Diode Voltage (Volt)
Q= Electron Charge=1.6E -19 (Coulomb)
n= Identify Factor = 1 or 2
K= Bolt’s Man Constant = 1.38E -23 (Joule/°Kelvin)
T= Temperature (°Kelvin)
I0= Reverse Saturation Current (Ampere)

وباعتبار أن الجهد الحراري (Thermal Voltage Vt)  يحسب من المعادلة :  
Vt = KT/Q
فإن المعادلة تصبح:
حيث:
Vt =25.7 (mV)
وذلك عند درجة حرارة (25 درجة مئوية) أو (298 درجة كلفن).
في حالة الإنحياز العكسي فإننا نطبق المعادلة كما هي، أما في حالة الإنحياز الأمامي فإننا نهمل الواحد لصغره فتصبح المعادلة بالصيغة:
المقاومة الديناميكية (Dynamic Resistance)
المقاومة هي ثابت العلاقة بين معدل تغير التيار ومعدل تغير الجهد ويمكننا استنتاجها كالتالي :
مثال :
إذا كان mAId=2   و n=2  إحسب المقاومة الديناميكية.

الموحدات Diodes الموحدات Diodes Reviewed by Ammar Moussa on 9:58 ص Rating: 5