ما هو الديود
تعد الديودات (Diodes) من أبسط العناصر المستخدمة في الإلكترونيات الصناعية، وحجر الأساس في معظم الدارات الإلكترونية فهي تعمل كمفاتيحَ إلكترونيةٍ وظيفتها الفصل والوصل، بالإضافة إلى بعض الوظائف الأخرى، فدعنا نتعرف في مقالنا التالي على الديود وأنواعه وأهم استخداماته.
الديود
هو عنصرٌ إلكترونيٌّ يتم تشكيله من وصلة p-n على بلورة أحادية متصلة مكونة من مادة شبه موصلة نقية كالسيليكون أو الجرمانيوم، حيث يسمح بتمرير التيار بجهةٍ واحدةٍ فقط من المصعد (الأنود Anode) ذو الشحنة الموجبة إلى المهبط (الكاثود Cathode) ذو الشحنة السالبة.
للحصول على تلك الخصائص، يتم تطعيم إحدى جوانب البلورة الأحادية بشوائبَ مانحةٍ، بينما يُطعّم الجانب الأخر بشوائب آخذة، ومن المهم هنا ذكر أنّه من غير الممكن تكوين الديود من خلال وضع مادة شبه ناقلة من النوع n بجانب مادة شبه ناقلة من النوع p، ووصلهما ببعض لتشكيل الوصلة، وذلك لتجنب ضياع خصائص الوصلة بسبب عدم استمرارية البناء البلوري لها.
.
طريقة عمل الديود
يعمل Diode عندما يكون في وضع الانحياز الأمامي ويمتنع عن تمرير التيار عندما يكون منحاز عكسيًّا، لكن ما هو الانحياز الأمامي والعكسي؟
الانحياز الأمامي
يكون Diode منحازًا أماميًّا عندما يكون جهد المصعد أكبر من جهد المهبط بقيمة تزيد عن 0.6 بالنسبة للديودات المصنوعة من السيليكون و0.3 بالنسبة للديودات المصنوعة من الجرمانيوم، ولتحقيق ذلك يتم وصل المصعد مع القطب الموجب لمنبع التغذية بينما يوصل المهبط مع القطب السالب، حيث يسمح Diode بتمرير التيار الكهربائي عبره نتيحة مقاومته الداخلية المنخفضة جدًا.
الانحياز العكسي
يكون Diode منحازًا عكسيًّا عندما يكون جهد مصعده أقل من جهد مهبطه، حيث تصبح مقاومته الداخلية مرتفعةً جدًا فتمنع مرور التيار الكهربائي ضمنه، ويتحقق ذلك عندما يوصل المصعد بالقطب السالب لمنبع التغذية والمهبط بالقطب الموجب له.
.
أنواع الديود
تختلف Diodes وتتنوع باختلاف المواد المصنوعة منها، لتتنوع بذلك خصائصها المميزة والتطبيقات التي يمكن استخدامها بها، من تلك الأنواع:
- ديودات الإشارة الصغيرة (Small Signal Diode): تصنع هذه الديودات من وصلة n-p وتعمل على الجهود المنخفضة نتيجةً لمنطقة التقاطع الصغيرة بين طرفي الوصلة، لذا فهي تملك سعةَ تخزينٍ منخفضة، لكن تتميز بسرعة التبديل العالية لذا تعتبر الخيار المثالي في الدارات الكهربائية ذات الترددات العالية.
- ديودات التقويم (Rectifer Diodes): تتكون أيضًا من وصلة n-p لكن بمنطقة تقاطع كبيرة، لذا فهي ذات سعة تخزينٍ عالية ولكن سرعة تبديلٍ منخفضة. يعد هذا النوع الخيار الأمثل في التطبيقات التي تحتاج إلى تياراتٍ كبيرةٍ.
- ديود شوتكي (Shottky Diode): ينسب اسم هذا الديود إلى العالم الألماني وولتر شوتكي (Walter Shottky)، الذي اكتشف تأثير شوتكي. على عكس الديودات العادية، يتكون هذا النوع من مادةٍ شبه ناقلة من النوع N للمنطقة السالبة، مع مادةٍ معدنيةٍ للمنطقة الموجبة. يتميز هذا النوع بسرعة التبديل العالية جدًا، وذلك بسبب عدم وجود عمليات اتحادٍ بين الإلكترونات الحرة والثقوب كما في الديودات العادية، لكن بالمقابل، تمتلك ديودات شوتكي تيار تسريبٍ عالي، الأمر الذي يجعلها مناسبةً للتطبيقات ذات الجهود أقل من 200 فولط، وتيار أقل من 30 أمبير.
- الديودات الضوئية (Photodiode): يعمل هذا النوع على تحويل الطاقة الضوئية إلى كهربائيةٍ، حيث تصمم الضوئية بحيث تكون الوصلة نصف الناقلة مكشوفة لتتحسس بالضوء الساقط عليها، وتنتج تيارًا كهربائيًّا.
- الديودات الليزرية (Laser Diode): تعمل الليزرية على تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوئيةٍ، فهي تتكون من وصلة PIN (طبقة P كثيرة الإشابة وطبقة N قليلة الإشابة وطبقة أخرى N كثيرة الإشابة)، عندما يتحيز الديود أماميًّا يبدأ بتوليد الشعاع الليزري. يستخدم هذا النوع في تطبيقات الاتصالات الضوئية ومؤشر الليزر ومحركات الأقراص المضغوطة وطابعة الليزر وما إلى ذلك.
- ديود زينر (Zener diode): ينسب هذا النوع إلى العالم كلارنس مالفين زينر (Clarence Malvin Zener) الذي اكتشف تأثير زينر، يتميز هذا النوع بإمكانية تمرير التيار الكهربائي في كِلا حالتي الانحياز الأمامي والعكسي، ففي حالة الانحياز الأمامي يتصرف Diode وكأنّه ديود عادي، أمّا في حالة الانحياز العكسي، فهو يسمح بتمرير التيار حين تبلغ قيمة الجهد العكسي المطبق على طرفيه جهد الانهيار، والمسمى جهد زينر.
.
استخدامات الديود
تعتبر Diodes من العناصر المفيدة جدًا والمستخدمة على نطاقٍ واسعٍ في تطبيقات التكنولوجيا الحديثة، من أهم استخداماتها:
انبعاث الضوء
تكون بعض أنواع Diodes المصنوعة من موادٍ محددةٍ كزرنيخيد الفوسفيد أو فوسفيد الغاليوم، قادرة على إشعاع الضوء عن طريق إنبعاث الفوتونات الضوئية منها عند انحيازها أماميًّا، ويتوقف لون الضوء المنبعث على نوع المادة المستخدمة في صناعة الديود، وتتراوح الألوان من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية.
تقويم التيار الكهربائي
قد يكون الاستخدام الأكثر شيوعًا للديودات بالنسبة للناس العاديين هو الانبعاث الضوئي، لكن هناك استخدام أكثر أهمية، وهو استخدامها في دارات تقويم الإشارات الكهربائية سواء في دارات التقويم الجسرية أو نصف الموجة أو الموجة الكاملة، والتي تستخدم لتحويل التيار المتناوب إلى تيارٍ مستمرٍ، كما في الشواحن الكهربائية للهواتف المحمولة والحواسيب، والتي تحتاج إلى تحويل التيار الكهربائي المتناوب إلى تيارٍ كهربائيٍّ مستمرٍ يمكن للبطاريات تخزينه والاستفادة منه.
الحماية من الجهد الزائد
جميع الأجهزة الإلكترونية الحساسة بحاجةٍ إلى دارات حماية من التيار الكهربائي الزائد المفاجئ، والديودات الكهربائية مثالية لذلك، فهي تحمي تلك الأجهزة من أي نبضات جهدٍ عالية قد تسبب لها أذى عن طريق قصرها وتفريغها في الأرض.
.