الدايود وأشباه الموصلات: السلك والمفتاح والدايود الضوئي

٢٠ أكتوبر ٢٠٢٦

الدرس فيه حفظ كثير وبضع دوائر،‏ وكل الدوائر تعتمد على فكرة واحدة: الدايود المثالي سلك وفاصل في نفس الوقت. مقاومته صفر (سلك) إذا مرّ فيه التيار في اتجاه السهم،‏ و لانهائية (مفتاح مفتوح) إذا كان التيار عكس السهم. وبينهما أشياء من الدرس: أشباه الموصلات والتطعيم وقانون الكتلة والدايود الضوئي والتقويم. ومعها أمثلة حقيقية من صفحة الأسئلة جرّبها قبل أن تقرأ الحل.

أشباه الموصلات النقية

• السيليكون والجرمانيوم رباعيا التكافؤ،‏ كل ذرة ترتبط بأربع روابط تساهمية.
• عند الصفر المطلق ($-273\ ^\circ C$) لا توجد إلكترونات حرة فالبلورة عازلة تمامًا.
• رفع الحرارة يكسر الروابط فيتولد إلكترون حر وفجوة معًا،‏ فتزداد الحاملات وتقل المقاومة. وهذا عكس المعادن التي تزداد مقاومتها بالحرارة،‏ فبالتبريد تقل مقاومة النحاس وتزداد مقاومة الجرمانيوم.
• في البلورة النقية دائمًا: $n = p = n_i$.

التطعيم: النوع n والنوع p

نضيف ذرات شائبة قليلة جدًا إلى البلورة النقية فتزداد توصيليتها كثيرًا:

وللتمييز: ثلاثية = فجوات = p،‏ وخماسية = إلكترونات = n. وإذا أعطاك السؤال عدد الإلكترونات في المستوى الأخير للعنصر الشائب فهو يحدد تكافؤه: 3 إلكترونات تعني p،‏ و5 تعني n. والبلورة تبقى متعادلة في الحالتين لأن الذرات الشائبة نفسها متعادلة.

قانون الكتلة

عند ثبات درجة الحرارة يبقى حاصل ضرب التركيزين ثابتًا مهما كان التطعيم:

والحاملات السائدة تساوي تقريبًا تركيز الشوائب. فإذا عرفت السائدة وجدت الأقلية: $n = \frac{n_i^2}{p}$ أو $p = \frac{n_i^2}{n}$. ورفع الحرارة يرفع $n_i$. وتطعيم بلورة بالفوسفور يجعل الإلكترونات فيها أكثر من $n_i$،‏ وبالألومنيوم يجعلها أقل منه.

مثالان على استخدام القانون،‏ الأول لإيجاد $n_i$ والثاني لإيجاد الأقلية:

الوصلة الثنائية p-n

نصل بلورة p مع بلورة n فتنتشر الحاملات بينهما،‏ وتتكون عند الحد منطقة نضوب فيها:

• خالية من الحاملات الحرة،‏ لذلك مقاومتها كبيرة.
• جهد حاجز يمنع مرور الحاملات: حوالي $0.7\ V$ للسيليكون.

ورمز الدايود سهم من p إلى n،‏ والتيار يمر مع اتجاه السهم. وفي المنحنى لا يبدأ التيار الأمامي في الازدياد الواضح إلا بعد تخطي الجهد الحاجز ($0.7\ V$ للسيليكون). وفي التوصيل الأمامي تتحرك الحاملات السائدة في كل منطقة نحو الوصلة: الفجوات في p والإلكترونات في n. ولتحديد نوع التوصيل من الشكل انظر إلى القطب الموجب للبطارية: إن كان متصلًا بمنطقة p فالتوصيل أمامي،‏ وإن كان متصلًا بمنطقة n فهو عكسي.

الدايود المثالي: سلك أو مفتاح مفتوح

هذه أهم نقطة في الدرس. تحل أي دائرة فيها دايود بثلاث خطوات:

1. اتبع التيار من القطب الموجب للبطارية.
2. إذا دخل الدايود مع اتجاه السهم فهو سلك (مقاومته صفر). وإذا دخله عكس السهم فهو مفتاح مفتوح: احذف هذا الفرع من الدائرة.
3. احسب الدائرة الباقية بالقوانين العادية.

وإذا أعطتك المسألة مقاومة الدايود في التوصيل الأمامي (مثل $R$ أو $5R$) فاعتبرها مقاومة عادية في هذا الفرع. وإذا وُجدت بطاريتان متعاكستان فالمحصلة هي الفرق بينهما،‏ وإذا قصر الدايود جزءًا من الدائرة فاحسب المقاومة قبل وبعد التقصير.

كيف أعرف أن التوصيل أمامي؟

• التوصيل أمامي إذا كان جهد الطرف p أكبر من جهد الطرف n (التيار يدخل من جهة السهم).
• لو كان فولتميتر على مقاومة في الدائرة وقراءته صفر فالوصلة عكسية.
• الأوميتر: في الأمامي المقاومة صغيرة فيتحرك المؤشر نحو الصفر،‏ وفي العكسي لانهائية فيبقى عند اللانهاية.

الدايود الضوئي (LED)

الدايود الضوئي وصلة ثنائية تصدر ضوءًا عند التوصيل الأمامي فقط. فهو يضيء إذا كان التيار مع اتجاه السهم،‏ ولا يضيء في العكسي. وهكذا يُحل أي سؤال مصابيح: المصباح الذي في فرع عكسي لا يضيء.

وإذا أعطتك المسألة مقاومة الدايود الأمامية فقارن مقاومة الفرعين: الفرع الأقل مقاومة يمر فيه تيار أكبر فمصباحه أشد إضاءة. والمفتاح الموصول على فرع عكسي لا يغيّر شيئًا في الدائرة.

التقويم

الدايود يمرر التيار في اتجاه واحد فيحوّل التيار المتردد إلى تيار في اتجاه واحد:

ولاحظ في المنحنيات: النصف الذي يمر فيه التيار نصف دائرة مرتفعة،‏ والنصف المحذوف خط على المحور.

قبل الامتحان

• ثلاثية = فجوات = p،‏ خماسية = إلكترونات = n،‏ وكل بلورة متعادلة.
• النقية: $n = p = n_i$،‏ وعند الصفر المطلق عازلة. رفع الحرارة يقلل مقاومة شبه الموصل (عكس المعادن).
• قانون الكتلة: $n\,p = n_i^2$.
• منطقة النضوب خالية من الحاملات ومقاومتها كبيرة،‏ والجهد الحاجز $0.7\ V$ للسيليكون.
• أمامي: p بالموجب،‏ الحاجز يقل. عكسي: n بالموجب،‏ الحاجز يزداد.
• الدايود المثالي: مع السهم سلك،‏ عكس السهم مفتاح مفتوح. فرع الدايود العكسي احذفه.
• الدايود الضوئي يضيء في الأمامي فقط.
• وصلة واحدة نصف موجة،‏ قنطرة أو محول بنقطة منتصف موجة كاملة.

للتدرّب على الدرس كاملًا،‏ افتح صفحة الأسئلة واختر درس الدايود من الفيزياء،‏ وابدأ بالوضع العادي.