الترانزستورات ج4 الوصلة PN والثنائيات Diodes ج2

� حدثنا في المقال السابق بشكل مفصل عن الوصلة PN عند عدم تطبيق جهد خارجي عليها، هذه الحالة التي تسمى بحالة توازن القوى "State of Equilibrium".

سنقوم في هذا المقال بدراسة سلوك الوصلة PN عند تطبيق جهد كهربائي بين طرفيها.

متابعة مفيدة وممتعة.

1- مقدمة:

يعتبر الثنائي ذو الوصلة "PN Junction Diode" أبسط الأجهزة المصنوعة من أنصاف النواقل، ويتميز بخاصية تمرير التيار الكهربائي باتجاه واحد.

الاختلاف الأساسي بين الثنائيات "Diodes" والمقاومات "Resistors" في كون العلاقة بين الجهد المطبق عليها والتيار المار فيها علاقة (أسية) غير خطية، وبالتالي لا يمكن تطبيق قانون أوم بشكله المعروف V=R*I

إذا ما تم تطبيق جهد موجب مناسب بحيث يجعل الثنائي في حالة انحياز أمامي، تقوم الالكترونات الحرة والثقوب الموجودة ضمن المادة نصف الناقلة باكتساب طاقة إضافة كافية لعبور منطقة الوصلة بسهولة، وذلك يعني أن منطقة النضوب قد أصبحت أضيق، وسيمر تيار كهربائي ضمن الوصلة.

أما عند تطبيق جهد كهربائي سالب على طرفي الثنائي، فإن ذلك يجعله في حالة انحياز عكسي، وسيقوم الجهد المطبق بسحب الالكترونات الحرة والثقوب بعيداً عن منطقة الوصلة، وبالتالي فإن ذلك يجعل منطقة النضوب أعرض، وذلك يعني أن الوصلة الان منع مرور التيار الكهربائي.

نستنتج من ذلك أن منطقة النضوب للثنائي يزداد عرضها بزيادة الجهد العكسي المطبق والعكس بالعكس، وذلك بسبب الفرق في الخصائص الكهربائية لطرفي الوصلة وينتج عن ذلك تغيرات فيزيائية، أحد تلك التغيرات تكمن في القدرة على تقويم التيار التي يتمتع بها الـ Diode

الشكل 1: رمز الثنائي ذو الوصلة، وميزة الفولط –أمبير

نلاحظ من منحني مميزة الفولط–أمبير، وجود منطقتي عمل للثنائي وثلاث حالات انحياز ممكنة هي:

1- الانحياز Zero Bias: يحصل عندما يكون فرق الجهد الخارجي على طرفي الثنائي صفر أي عند قصر الثنائي.

2- الانحياز الأمامي Forward Bias: يكون بتطبيق فرق الجهد على طرفي الثنائي بحيث يتم وصل القطب الموجب لمنبع التغذية مع الطرف P للثنائي، ويتم وصل القطب السالب للمنبع مع الطرف N للثنائي.

3- الانحياز العكسي Reversed Bias: يكون بتطبيق فرق الجهد على طرفي الثنائي بحيث يتم وصل القطب السالب لمنبع التغذية مع الطرف P للثنائي، ويتم وصل القطب الموجب للمنبع مع الطرف N للثنائي.

تعتبر الدراسة الدقيقة للعمليات الفيزيائية التي تجري داخل الوصلة PN والتحليل النظري لها معقد جداً، لذلك سنقوم فيما يلي بتحليل مبسط للوصلة بناءاً على الانحياز المطبق.

1. حالات توصيل الثنائي ذو الوصلة:

1.1. الثنائي ذو الوصلة PN في حالة قصر:

الشكل 2: الثنائي ذو الوصلة في وضعية الانحياز الصفري

نلاحظ في هذه الوضعية عدم تطبيق أي مصدر للطاقة (جهد كهربائي) خارجي على الثنائي، ونتيجة لحالة القصر التي تم تطبيقها بين طرفي الثنائي فإننا نلاحظ بعض الظواهر:

• بعض حاملات الشحنة الأكثرية Majority Carriers التي تملك طاقة كافية لعبور منطقة الوصلة (الالكترونات الحرة في المنطقة N والثقوب الموجبة في المنطقة P) ستجتاز الوصلة مولدة تيار أمامي Forward Current ورمزه IF.

• بشكل مشابه لكن وباتجاه معاكس، ستقوم حاملات الشحنة الأقلية Minority Carriers (الالكترونات الحرة في المنطقة P والثقوب الموجبة في المنطقة N) بعبور منطقة الوصلة مولدة تياراً عكسياً Reverse Current رمزه IR.

• هذه الحركة العفوية للالكترونات الحرة والثقوب عبر الوصلة وفي الاتجاهين تُعرَف باسم الانتشار Diffusion.

• يعمل الحاجز الكموني Potential Barrier المُتَشكل في منطقة الوصلة على إبطاء عملية انتشار حاملات الشحنة الأكثرية عبر الوصلة، في حين يساعد حاملات الأقلية في عملية العبور حيث يزيد طاقة هذه الحاملات مسبباً انجرافها Drifting عبر الوصلة.

• تحصل حالة التوازن Equilibrium عندما تتساوى حركة حاملات الأكثرية في الاتجاهين المتعاكسين وتصبح قيمة تيار المحصلة المتدفق في الدارة صفراً، ونقول بأن الوصلة أصبحت في حالة توازن ديناميكي Dynamic Equilibrium.

• تتولَّد حاملات الشحنة الأقلية بصورة مستمرة بتأثير الطاقة الحرارية، مما يعني أن حالة التوازن Equilibrium قابلة للكسر بزيادة درجة حرارة الوصلة التي تسبب زيادة في توليد حاملات الشحنة الأقلية فينتج عن ذلك زيادة في قيمة تيار التسريب "Leakage Current".

من الجدير بالملاحظة أن التيارات الكهربائية المذكورة في هذه الفقرة تحدث ضمن الثنائي، ولا يوجد أي تيار خارجي لأن الثنائي غير موضوع في دارة كهربائية، كما أن الجهد الداخلي للوصلة PN يُعوَّض تماماً بجهدي الاتصال أو التلامس Contact Potentials بين كل من المنطقتين N وP والطبقتين المعدنيتين حيث ينتج جهد التلامس بين أي معدن ونصف ناقل وتتأثر قيمته بنوع المادة ودرجة الحرارة وتكون قطبيته الموجبة للجهة التي تحمل الكترونات حرة أكثر (وهي جهة المعدن).

1.2. الثنائي PN في حالة الانحياز العكسي:

الشكل 3: الثنائي ذو الوصلة في وضعية الانحياز العكسي

نحصل عليها عند وصل القطب الموجب للبطارية (مصدر التغذية الخارجي) مع الطرف N في الثنائي، ووصل القطب السالب للبطارية مع الطرف P في الثنائي، وبناءاً على هذا التوصيل نستطيع ملاحظة الأحداث التالية:

• يقوم القطب الموجب للبطارية بجذب الالكترونات الحرة (حاملات الأكثرية) في المنطقة N باتجاهه فتبتعد عن الوصلة، في حين يجذب القطب السالب للبطارية الثقوب الموجبة في المنطقة P مُبعِداً إياها عن الوصلة أيضاً.

• تزيد هذه العملية من عرض الوصلة (منطقة النضوب) وبالتالي تزداد قيمة الحاجز الكموني وتزداد معه ممانعة مرور تيار أمامي ويبدو نصف الناقل وكأنه عازل.

• يمر عبر الوصلة تيار تسريب صغير جداً قيمته من مرتبة مكرو أمبير μA أي 10^(-6) أمبير.

• تسبب زيادة قيمة جهد الانحياز العكسي ارتفاعاً في درجة حرارة الثنائي، وعند ازديادها فوق حد معين تزداد الحرارة بشكل كبير ويحصل انهيار مفاجئ للوصلة "Avalanche Effect" مما يؤدي لعطب الثنائي وحصول حالة قصر تؤدي لمرور تيار أعظمي عبر الدارة.

يبين الشكل التالي منحني الميزة الستاتيكية العكسية للثنائي Reverse Static Characteristics Curve:

الشكل 4: منحني الميزات العكسية للثنائي ذو الوصلة

يوجد تطبيق مهم لمنطقة الانهيار المفاجئ للوصلة Avalanche Effect من خلال تصميم ثنائيات بمواصفات خاصة تسمى "ثنائيات زينر"، تستخدم في دارات تثبيت الجهد، حيث سنتعرف في المقال القادم على هذه الثنائيات.

1.3. الثنائي PN في حالة الانحياز الأمامي:

نحصل على هذه الحالة بوصل القطب الموجب للبطارية (مصدر التغذية الخارجي) مع الطرف P للثنائي ووصل القطب السالب للبطارية مع الطرف N للثنائي، وفي حال تجاوز قيمة الجهد الأمامي المطبق لقيمة الحاجز الكموني (0.7 v لنصف الناقل المصنوع من السيليكون، و0.3 v لنصف الناقل المصنوع من الجرمانيوم) وذلك عند قيمة تسمى الركبة Knee، عندها سيبدأ التيار بالمرور عبر الثنائي بصورة متسارعة (زيادة صغيرة للجهد تسبب زيادة كبيرة للتيار المتدفق) حيث يدفع قطب البطارية السالب الالكترونات الحرة الموجودة بغزارة ضمن مادة نصف الناقل N المتصل معها مانحاً إياها طاقة إضافية تمكنها من تجاوز منطقة الوصلة بسهولة أكبر، ويسلك القطب الموجب للبطارية نفس السلوك مع الثقوب الموجودة ضمن مادة نصف الناقل P الموصول معها.

الشكل 5: منحني الميزات الأمامية للثنائي ذو الوصلة

يسبب الجهد الأمامي المطبق على الثنائي تقليص عرض منطقة النضوب، وبالتالي ممانعة أقل لمرور التيار عبر الوصلة، وبذلك يتدفق تيار كبير عبر الثنائي، وتسمى النقطة التي يحدث عندها الارتفاع المفاجئ في التيار المار بالركبة "Knee".

يبين الشكل التالي حالة الوصلة وعرض منطقة النضوب نتيجة تطبيق جهد انحياز أمامي على الثنائي.

الشكل 6: الثنائي ذو الوصلة في وضعية الانحياز الأمامي

رغم أن عرض منطقة النضوب قد نقص بتأثير الانحياز الأمامي المطبق على الثنائي، لكن قيمة الحاجز الكموني لا تتغير (0.7 v لنصف الناقل المصنوع من السيليكون"Si"، و 0.3 vلنصف الناقل المصنوع من الجرمانيوم "Ge").

تستخدم مقاومات تسلسلية مع الثنائيات عند توصيلها بانحياز أمامي للحد من قيمة التيار المار في الثنائي لأن مرور تيار أمامي ضمن الثنائي يتجاوز قيمة التيار الأعظمي المسموح به سيؤدي لتشتيت كمية كبيرة من الطاقة على شكل حرارة لا يستطيع الثنائي تصريفها مما يؤدي لتلفه.

رابط الجزء الأول: هنا

سنستعرض في المقال القادم أحد التطبيقات الهامة للثنائيات، وهو ثنائي زينر.

هنا

Solayman, Prof. Nadim. الهندسة الالكترونية 1. Hims: جامعة البعث, 2004, 6.