الفصل الثالث : نظرية تشغيل الموحد

Operation Theory of Diode

· الموحد

· الثنائي البلوري PN-Junction

· الإنحياز العكسي Reverse Biased PN-junction

· الإنحياز الأمامي Forward Biased PN-junction

· تيار التشبع العكسي Reverse Saturation Current

· تأثير الحرارة Temperature Effect

· سلوك الدايود Diode Characteristics

· متغيرات الدايود Diode Parameters

· الدوائر المكافئة للدايود Equivalent Circuits for Diode

· معادلة الدايود Diode Equation

· المقاومة الديناميكية Dynamic Resistance

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 (الثنائي البلوري) PN-Junction

الثنائي البلوري PN-Junction

عندما يرتبط الجزئين السالب والموجب كا في الشكل 1-3 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.

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 شكل 2-3 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.

عودة للعناوين

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 (نعكس الأقطاب ).

ما الذي سيحدث الآن ؟ كما يبين الشكل 3-3 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 Ω .

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.

عودة للعناوين

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 شكل 4-3 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 - وسنسميه من الآن فصاعدا بالدايود للتسهيل – أحادي القطبية Unipolar أي أنه يسمح بمرور التيار في إتجاه واحد فقط فيما يمنع مروره بالإتجاه الآخر .

ويرمز عادة للدايود بالرمز الموضح بشكل 5-3.

عودة للعناوين

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.

عودة للعناوين

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 6-3 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 من المعادلتين 5-3 و 6-3

عودة للعناوين

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 شكل 7-3 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.

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.

عودة للعناوين

متغيرات الدايود Diode Parameters

· جهد الانحياز الأمامي Forward Voltage (VF) ويبلغ 0.3 في الجرمانيوم و 0.7 في السيليكون

· تيار التشبع العكسي Reverse Saturation Current (IR) ويبلغ 10μ أمبير للجرمانيوم في حين لا يتجاوز 0.1μ أمبير للسليكون

· جهد التعطل Break Down Voltage (VBR) ويساوي 75 فولت في السيليكون و50 فولت في الجرمانيوم

· تيار الإنحياز الأمامي الأقصى Maximum Forward Current (IF Max)

· المقاومة الديناميكية Dynamic Resistance ( R )

مثال :

دايود من السيليكون وصل في درجة حرارة 25 درجة مئوية وجهد الحاجز = 0.7 فولت إحسب جهد الحاجز في درجتي حرارة 100 درجة مئوية و-100 درجة مئوية.

عودة للعناوين

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 دايودا.

· 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. ويوضح شكل 8-3 ملخصا للدوائر المكافئة للدايود.