يستخدم الصمام الثنائي أشباه الموصلات على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية والإلكترونيات. نظرًا لتكلفتها المنخفضة ونسبة الطاقة إلى الحجم الجيدة ، فقد استبدلت بسرعة أجهزة التفريغ ذات الغرض المماثل.
محتوى
الجهاز ومبدأ تشغيل الصمام الثنائي لأشباه الموصلات
يتكون الصمام الثنائي شبه الموصّل من منطقتين (طبقتين) مصنوعتين من أشباه الموصلات (السيليكون والجرمانيوم وما إلى ذلك). تحتوي إحدى المناطق على فائض من الإلكترونات الحرة (n-semiconductor) ، والأخرى بها نقص (p-semiconductor) - ويتحقق ذلك عن طريق تعاطي المادة الأساسية. يوجد بينهما منطقة صغيرة حيث "يغلق" فائض الإلكترونات الحرة من الموقع n الثقوب من الموقع p (يحدث إعادة التركيب بسبب الانتشار) ، ولا توجد ناقلات شحن مجانية في هذه المنطقة. عندما يتم تطبيق جهد أمامي ، تكون منطقة إعادة التركيب صغيرة ، ومقاومتها صغيرة ، ويوصل الصمام الثنائي التيار في هذا الاتجاه. مع الجهد العكسي ، ستزداد المنطقة الخالية من الناقل ، وستزيد مقاومة الصمام الثنائي. لن يتدفق أي تيار في هذا الاتجاه.
أنواع وتصنيفات وتسميات الجرافيك على المخططات الكهربائية
في الحالة العامة ، يشار إلى الصمام الثنائي في الرسم البياني كسهم منمنم يشير إلى اتجاه التيار. تحتوي الصورة الرسومية الشرطية (UGO) للجهاز على نتيجتين - الأنود والكاثود، والتي ترتبط في اتصال مباشر بدائرة كهربائية زائد وناقص ، على التوالي.
هناك عدد كبير من أنواع جهاز أشباه الموصلات ثنائي القطب ، والتي ، حسب الغرض ، قد تحتوي على UGOs مختلفة قليلاً.
ثنائيات زينر (ثنائيات زينر)
الصمام الثنائي زينر هو جهاز أشباه الموصلاتتعمل بجهد عكسي في منطقة انهيار الانهيار الجليدي. في هذه المنطقة ، يكون جهد الصمام الثنائي Zener مستقرًا على مدى واسع من التيار عبر الجهاز. تستخدم هذه الخاصية لتثبيت الجهد عبر الحمل.
Stabistors
تقوم ثنائيات زينر بعمل جيد في تثبيت الفولتية من 2 فولت وما فوق.يتم استخدام Stabistors للحصول على جهد ثابت أقل من هذا الحد. إن تعاطي المواد التي تصنع منها هذه الأجهزة (السيليكون ، السيلينيوم) يحقق أكبر قدر من العمودية للفرع المباشر للخاصية. في هذا الوضع ، تعمل المثبتات ، مما يعطي جهدًا مثاليًا في حدود 0.5 ... 2 فولت على الفرع المباشر لخاصية الجهد الحالي عند الجهد الأمامي.
الثنائيات شوتكي
تم بناء الصمام الثنائي Schottky وفقًا لنظام أشباه الموصلات المعدني ، ولا يحتوي على تقاطع تقليدي. نتيجة لذلك ، تم الحصول على خاصيتين مهمتين:
- انخفاض انخفاض الجهد الأمامي (حوالي 0.2 فولت) ؛
- زيادة ترددات التشغيل بسبب انخفاض السعة الذاتية.
تشمل العيوب زيادة قيم التيارات العكسية وتقليل التسامح مع مستوى الجهد العكسي.
دوالي
كل ديود له سعة كهربائية. صفائح المكثف عبارة عن شحنتين فضائيتين (مناطق p و n من أشباه الموصلات) ، والطبقة الحاجزة هي العازل. عندما يتم تطبيق جهد عكسي ، تتوسع هذه الطبقة وتقل السعة. هذه الخاصية متأصلة في جميع الثنائيات ، ولكن بالنسبة إلى varicaps ، يتم تطبيع السعة ومعروفة بحدود جهد معينة. هذا يجعل من الممكن استخدام مثل هذه الأجهزة مثل مكثفات متغيرة ويطبق لضبط الدوائر أو ضبطها عن طريق توفير جهد عكسي بمستويات مختلفة.
الثنائيات النفقية
تحتوي هذه الأجهزة على انحراف في القسم المستقيم من الخاصية ، حيث تؤدي زيادة الجهد إلى انخفاض في التيار. في هذه المنطقة ، المقاومة التفاضلية سلبية.هذه الخاصية تجعل من الممكن استخدام الثنائيات النفقية كمضخمات إشارة ضعيفة ومولدات بترددات أعلى من 30 جيجاهرتز.
دينيستورز
الدينيستور - الثايرستور الصمامي - له هيكل p-n-p-n و CVC على شكل S ، لا يقوم بتوصيل التيار حتى يصل الجهد المطبق إلى مستوى العتبة. بعد ذلك ، يتم تشغيله ويتصرف مثل الصمام الثنائي العادي حتى ينخفض التيار إلى ما دون مستوى التثبيت. تستخدم Dinistors في إلكترونيات الطاقة كمفاتيح.
الثنائيات الضوئية
يتكون الثنائي الضوئي في حزمة مع وصول الضوء المرئي إلى البلورة. عندما يتم تشعيع تقاطع p-n ، تنشأ قوة emf فيه. يتيح لك ذلك استخدام الثنائي الضوئي كمصدر حالي (كجزء من الألواح الشمسية) أو كمستشعر للضوء.
المصابيح
الخاصية الرئيسية لمصباح LED هي القدرة على إصدار الضوء عندما يمر التيار عبر تقاطع p-n. لا يرتبط هذا التوهج بكثافة التسخين ، مثل المصباح المتوهج ، لذا فإن الجهاز اقتصادي. في بعض الأحيان يتم استخدام التوهج المباشر للانتقال ، ولكن في كثير من الأحيان يتم استخدامه كبادئ لاشتعال الفوسفور. أتاح ذلك الحصول على ألوان LED لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا ، مثل الأزرق والأبيض.
الثنائيات Gunn
على الرغم من أن الصمام الثنائي Gunn له التعيين الرسومي المعتاد ، إلا أنه ليس صمامًا ثنائيًا بالمعنى الكامل. لأنه لا يحتوي على تقاطع p-n. يتكون هذا الجهاز من صفيحة زرنيخيد الغاليوم على ركيزة معدنية.
دون الخوض في تفاصيل العمليات: عند تطبيق مجال كهربائي بحجم معين في الجهاز ، تحدث تذبذبات كهربائية ، وتعتمد مدتها على حجم رقاقة أشباه الموصلات (ولكن ضمن حدود معينة ، يمكن ضبط التردد بواسطة العناصر الخارجية).
تستخدم الثنائيات Gunn كمذبذبات بترددات 1 جيجاهرتز وما فوق. ميزة الجهاز هي استقرار التردد العالي ، والعيب هو السعة الصغيرة للتذبذبات الكهربائية.
الثنائيات المغناطيسية
تتأثر الثنائيات العادية بشكل ضعيف بالمجالات المغناطيسية الخارجية. تتميز الثنائيات المغناطيسية بتصميم خاص يزيد من الحساسية لهذا التأثير. إنها مصنوعة باستخدام تقنية p-i-n بقاعدة ممتدة. تحت تأثير المجال المغناطيسي ، تزداد مقاومة الجهاز في الاتجاه الأمامي ، ويمكن استخدام ذلك لإنشاء عناصر تبديل غير متصلة ، ومحولات مجال مغناطيسي ، إلخ.
ثنائيات الليزر
يعتمد مبدأ تشغيل الصمام الثنائي بالليزر على خاصية زوج ثقب الإلكترون أثناء إعادة التركيب في ظل ظروف معينة لإصدار إشعاع مرئي أحادي اللون ومتماسك. تختلف طرق إنشاء هذه الظروف ، فمن الضروري فقط للمستخدم معرفة طول الموجة المنبعثة من الصمام الثنائي وقوتها.
الثنائيات الانهيار
تستخدم هذه الأجهزة في الميكروويف. في ظل ظروف معينة ، في وضع انهيار الانهيار الجليدي ، يظهر قسم بمقاومة تفاضلية سلبية على خاصية الصمام الثنائي. تسمح خاصية APD هذه باستخدامها كمولدات تعمل بأطوال موجية تصل إلى نطاق المليمتر. هناك من الممكن الحصول على طاقة لا تقل عن 1 واط. عند الترددات المنخفضة ، تتم إزالة ما يصل إلى عدة كيلووات من هذه الثنائيات.
الثنائيات PIN
هذه الثنائيات مصنوعة باستخدام تقنية p-i-n. بين الطبقات المخدرة لأشباه الموصلات توجد طبقة من مادة غير مملوءة. لهذا السبب ، ساءت خصائص تصحيح الصمام الثنائي (مع الجهد العكسي ، يتم تقليل إعادة التركيب بسبب عدم وجود اتصال مباشر بين منطقتي p و n).ولكن نظرًا للتباعد بين مناطق الشحن الفضائي ، تصبح السعة الطفيلية صغيرة جدًا ، في الحالة المغلقة ، يتم استبعاد تسرب الإشارة عند الترددات العالية عمليًا ، ويمكن استخدام الصمامات الثنائية على الترددات اللاسلكية والميكروويف كعناصر تبديل.
الخصائص والمعلمات الرئيسية للديودات
تشمل الخصائص الرئيسية لثنائيات أشباه الموصلات (باستثناء الثنائيات المتخصصة للغاية) ما يلي:
- الحد الأقصى المسموح به للجهد العكسي (ثابت ونبضي) ؛
- تردد التشغيل الحدودي
- انخفاض الجهد الأمامي
- نطاق الحرارة الشغالة.
من الأفضل النظر إلى بقية الخصائص المهمة باستخدام مثال خصائص I-V للديود - وهذا أكثر وضوحًا.
خاصية فولت أمبير لصمام ثنائي أشباه الموصلات
تتكون خاصية الجهد الحالي للديود شبه الموصّل من فرع أمامي وعكسي. تقع في الربعين الأول والثالث ، حيث يتزامن اتجاه التيار والجهد عبر الصمام الثنائي دائمًا. وفقًا لخاصية الجهد الحالي ، يمكنك تحديد بعض المعلمات ، وكذلك رؤية ما تؤثر عليه خصائص الجهاز بوضوح.
عتبة التوصيل الجهد
إذا قمت بتطبيق جهد أمامي على الصمام الثنائي وبدأت في زيادته ، فلن يحدث شيء في اللحظة الأولى - لن يزداد التيار. ولكن عند قيمة معينة ، سيفتح الصمام الثنائي وسيزداد التيار وفقًا للجهد. يسمى هذا الجهد بجهد عتبة التوصيل ويتم تمييزه على VAC على أنه Uthreshold. يعتمد ذلك على المادة التي يتكون منها الصمام الثنائي. بالنسبة لأشباه الموصلات الأكثر شيوعًا ، تكون هذه المعلمة هي:
- السيليكون - 0.6-0.8 فولت ؛
- الجرمانيوم - 0.2-0.3 فولت ؛
- زرنيخيد الغاليوم - 1.5 فولت.
تُستخدم خاصية أجهزة أشباه الموصلات الجرمانيوم التي تفتح بجهد منخفض عند العمل في دوائر الجهد المنخفض وفي حالات أخرى.
أقصى تيار من خلال الصمام الثنائي مع اتصال مباشر
بعد فتح الصمام الثنائي ، يزداد تياره مع زيادة الجهد الأمامي. للحصول على الصمام الثنائي المثالي ، يذهب هذا الرسم البياني إلى اللانهاية. في الممارسة العملية ، هذه المعلمة محدودة بقدرة جهاز أشباه الموصلات على تبديد الحرارة. عندما يتم الوصول إلى حد معين ، سوف يسخن الصمام الثنائي ويفشل. لتجنب ذلك ، تشير الشركات المصنعة إلى أعلى تيار مسموح به (في VAC - Imax). يمكن تحديده تقريبًا من خلال حجم الصمام الثنائي وحزمته. بترتيب من الاعلي الي الاقل:
- يتم الاحتفاظ بأكبر تيار بواسطة الأجهزة الموجودة في غلاف معدني ؛
- العلب البلاستيكية مصممة للطاقة المتوسطة ؛
- تستخدم الثنائيات الموجودة في المظاريف الزجاجية في دوائر التيار المنخفض.
يمكن تركيب الأجهزة المعدنية على المشعات - وهذا سيزيد من قوة التبديد.
عكس تيار التسرب
إذا قمت بتطبيق جهد عكسي على الصمام الثنائي ، فلن يظهر مقياس التيار غير الحساس شيئًا. في الواقع ، فقط الصمام الثنائي المثالي لا يمر بأي تيار. سيكون للجهاز الحقيقي تيار ، لكنه صغير جدًا ، ويسمى تيار التسرب العكسي (على CVC - Iobr). إنه عشرات من الأمبيرات الدقيقة أو أعشار المللي أمبير وأقل بكثير من التيار المباشر. يمكنك العثور عليه في الدليل.
جهد الانهيار
عند قيمة معينة للجهد العكسي ، تحدث زيادة حادة في التيار ، تسمى الانهيار. لها طابع نفق أو انهيار جليدي ويمكن عكسها. يستخدم هذا الوضع لتثبيت الجهد (الانهيار الجليدي) أو لتوليد نبضات (نفق).مع زيادة أخرى في الجهد ، يصبح الانهيار حراريًا. هذا الوضع لا رجوع فيه ويفشل الصمام الثنائي.
السعة الطفيلية pn-junction
لقد سبق ذكره أن تقاطع p-n له القدرة الكهربائية. وإذا كانت هذه الخاصية مفيدة وتستخدم في الدوالي ، فقد تكون ضارة في الثنائيات العادية. رغم القدرة هي الوحدات أو عشرات من pF وفي التيار المباشر أو الترددات المنخفضة غير محسوس ، مع زيادة التردد يزداد تأثيره. سيخلق عدد قليل من البيكوفاراد في الترددات اللاسلكية مقاومة منخفضة بدرجة كافية لتسرب الإشارات الزائفة ، ويضيف إلى السعة الحالية ويغير معلمات الدائرة ، ويشكل مع محاثة الخرج أو الموصل المطبوع دائرة رنين زائفة. لذلك ، في إنتاج الأجهزة عالية التردد ، يتم اتخاذ تدابير لتقليل سعة الانتقال.
بمناسبة الصمام الثنائي
أسهل طريقة لتمييز الثنائيات في علبة معدنية. في معظم الحالات ، يتم تمييزها بتسمية الجهاز و pinout الخاص به. يتم تمييز الثنائيات الموجودة في علبة بلاستيكية بعلامة حلقة على جانب الكاثود. ولكن ليس هناك ما يضمن أن الشركة المصنعة تلتزم بدقة بهذه القاعدة ، لذلك من الأفضل الرجوع إلى الدليل. والأفضل من ذلك ، رن الجهاز بمقياس متعدد.
قد تحتوي ثنائيات زينر المحلية منخفضة الطاقة وبعض الأجهزة الأخرى على علامات على حلقتين أو نقطتين بألوان مختلفة على جوانب متقابلة من العلبة. لتحديد نوع هذا الصمام الثنائي و pinout الخاص به ، تحتاج إلى أخذ كتاب مرجعي أو العثور على معرف علامة عبر الإنترنت على الإنترنت.
تطبيقات الثنائيات
على الرغم من الجهاز البسيط ، فإن الثنائيات شبه الموصلة تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات:
- لتقويم AC الجهد. كلاسيكي من هذا النوع - يتم استخدام خاصية الوصلة pn لتوصيل التيار في اتجاه واحد.
- كاشفات الصمام الثنائي. هنا ، يتم استخدام اللاخطية للخاصية I-V ، مما يجعل من الممكن عزل التوافقيات عن الإشارة ، والتي يمكن تمييز الضروريات منها بواسطة المرشحات.
- يعمل صمامان ثنائيان ، متصلان من ظهر إلى ظهر ، كمحدد للإشارات القوية التي يمكن أن تفرط في مراحل الإدخال اللاحقة لمستقبلات الراديو الحساسة.
- يمكن تضمين ثنائيات زينر كعناصر مقاومة للشرر والتي لا تسمح للنبضات عالية الجهد بدخول دوائر أجهزة الاستشعار المثبتة في المناطق الخطرة.
- يمكن أن تعمل الثنائيات كأجهزة تبديل في الدوائر عالية التردد. يفتحون بجهد ثابت ويمررون (أو لا يمرون) إشارة التردد اللاسلكي.
- تعمل الثنائيات البارامترية كمضخمات للإشارات الضعيفة في نطاق الميكروويف بسبب وجود قسم بمقاومة سلبية في الفرع المباشر للخاصية.
- تستخدم الثنائيات لتجميع الخلاطات العاملة في معدات الإرسال أو الاستقبال. يختلطون إشارة مذبذب محلي بإشارة عالية التردد (أو منخفضة التردد) لمزيد من المعالجة. كما أنه يستخدم خاصية اللاخطية لخاصية الجهد الحالي.
- تسمح الخاصية غير الخطية باستخدام ثنائيات الميكروويف كمضاعفات تردد. عندما تمر الإشارة عبر الصمام الثنائي المضاعف ، يتم تمييز التوافقيات الأعلى. ثم يمكن تحديدها عن طريق التصفية.
- تستخدم الثنائيات كعناصر ضبط لدوائر الرنين. في هذه الحالة ، يتم استخدام وجود سعة مضبوطة عند تقاطع pn.
- تستخدم بعض أنواع الثنائيات كمولدات في نطاق الميكروويف. هذه هي في الأساس ثنائيات وأجهزة نفق ذات تأثير Gunn.
هذا مجرد وصف موجز لقدرات أجهزة أشباه الموصلات ثنائية الأطراف. من خلال دراسة متعمقة للخصائص والخصائص بمساعدة الثنائيات ، من الممكن حل العديد من المشكلات المخصصة لمطوري المعدات الإلكترونية.
مقالات مماثلة:
