الثنائي البلوري (الدايود) – شرح شامل ومبسط – فيزياء

الثنائي البلوري (الدايود) – شرح شامل ومبسط

يُعد الثنائي البلوري أو ما يُعرف بـ الدايود (Diode) من أبسط وأهم العناصر الإلكترونية في عالم الدوائر الكهربائية والإلكترونية. وظيفته الأساسية هي السماح للتيار الكهربائي بالمرور في اتجاه واحد فقط ومنع مروره في الاتجاه المعاكس، ما يجعله عنصرًا حاسمًا في تقنيات التقويم (تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر)، وحماية الدوائر، وتنظيم الجهد.

🔷 أولًا: مكونات الثنائي البلوري

يتكون الدايود من وصلة بين نوعين من أشباه الموصلات:

• منطقة من النوع N: تحتوي على إلكترونات حرة كحاملات شحنة أساسية.
• منطقة من النوع P: تحتوي على فجوات (ثقوب) كحاملات شحنة.

ويُعرف الحد الفاصل بين هاتين المنطقتين بـ وصلة PN.

🔷 ثانيًا: منطقة الانتقال (Depletion Region)

عند التقاء النوعين (N وP):

• تنتقل بعض الإلكترونات من المنطقة N إلى المنطقة P لملء الفجوات.
• ينتج عن ذلك منطقة عازلة خالية من الحاملات الحرة، تُعرف بـ منطقة الانتقال.
• تتولد مجالات كهربائية داخلية تمنع استمرار انتقال الشحنات.

تُشكّل هذه المنطقة حاجز جهد طبيعي يسمى الجهد الحاجز (Barrier Potential)، ويبلغ حوالي:

• 0.7 فولت في السيليكون.
• 0.3 فولت في الجرمانيوم.

🔷 ثالثًا: انحياز الدايود

يتصرف الدايود بشكل مختلف حسب طريقة التوصيل أو ما يسمى بـ الانحياز.

1. الانحياز الأمامي (Forward Bias):

• يتم توصيل القطب الموجب للبطارية بطرف P، والسالب بطرف N.
• تنخفض سماكة منطقة الانتقال.
• إذا تجاوز الجهد المطبق الجهد الحاجز (مثلاً 0.7 فولت)، يبدأ التيار الكهربائي بالمرور بحرية.

✅ النتيجة: الدايود يسمح بمرور التيار.

2. الانحياز العكسي (Reverse Bias):

• يتم عكس التوصيل: القطب الموجب على N، والسالب على P.
• تتسع منطقة الانتقال.
• لا يمر تيار (إلا تيار صغير جدًا يسمى تيار التسرب).

❌ النتيجة: الدايود يمنع مرور التيار.

🔷 رابعًا: رمزه في الدوائر الكهربائية

الرمز المستخدم في الدوائر للدايود هو:

        |
   >|---|----
        |

• السهم (>) يُشير إلى اتجاه السماح للتيار.
• الشريط يمثل الحاجز الذي يمنع التيار في الاتجاه المعاكس.

🔷 خامسًا: خواص التيار والجهد في الدايود

• تيار الانحياز الأمامي: يظهر فقط عندما يتجاوز الجهد الحاجز.
• تيار الانهيار (Breakdown): في حال تجاوز الجهد العكسي حدًا معينًا، قد ينهار الدايود ويمر تيار كبير جدًا (يُستغل هذا في بعض أنواع الدايودات مثل الزينر).

🔷 سادسًا: أنواع الدايودات

🔷 سابعًا: استخدامات الثنائي البلوري

1. تقويم التيار المتناوب:
   • يُستخدم لتحويل التيار المتناوب إلى مستمر في مصادر الطاقة.
   • مثال: قنطرة التقويم (Bridge Rectifier).
2. حماية الدوائر:
   • يمنع مرور التيار في الاتجاه الخاطئ، ما يحمي المكونات الإلكترونية الحساسة.
3. الثنائيات الباعثة للضوء (LED):
   • تُستخدم في الإضاءة، المؤشرات، الشاشات.
4. تنظيم الجهد (Zener):
   • يُثبت الجهد في الدوائر لتوفير جهد مستقر للأجهزة.
5. الكشف عن الإشارات:
   • يستخدم في أجهزة الاستقبال لفصل الإشارة عن الموجة الحاملة.

🔷 ثامنًا: التوصيف الرياضي للدايود

في الانحياز الأمامي، يُوصف سلوك الدايود بمعادلة شوكلي:

$$I = I_s \left( e^{\frac{V}{nV_T}} – 1 \right)$$

حيث:

• $I$: التيار عبر الدايود.
• $I_s$: تيار التشبع العكسي.
• $V$: الجهد المطبق.
• $V_T$: الجهد الحراري = $\frac{kT}{q}$.
• $n$: معامل المثالية (عادة بين 1 و2).

🔷 تاسعًا: ملاحظات مهمة

• الدايود لا يُستخدم كمقاومة، بل كمفتاح اتجاهي.
• إذا تم توصيله بالعكس بجهد كبير، قد يتلف ما لم يكن من نوع الزينر.
• في LED، يجب الحذر من استخدام تيار مرتفع لأنه قد يحترق.
• الدايود لا يعمل بشكل مثالي، بل له مقاومة صغيرة جدًا في الانحياز الأمامي.

🔷 خاتمة

الثنائي البلوري (الدايود) هو حجر الأساس في الإلكترونيات الحديثة. فهم طريقة عمله وسلوكه في الانحياز الأمامي والعكسي ضروري لفهم عمل الأجهزة الإلكترونية المختلفة. وبفضل تنوع أنواعه واستخداماته، يمكن اعتباره العنصر الإلكتروني الأبسط والأكثر استعمالًا في جميع أنظمة التحكم والطاقة والاتصالات.

هل تحب أن أزودك برسم توضيحي للانحيازين أو دائرة تقويم باستخدام دايود؟