فيديو الدرس: الدايودات الفيزياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتناول مكونًا في الدائرة الكهربية يعرف باسم الدايود. وسنتعرف على وظيفة الدايود في الدائرة الكهربية، وكذلك المواد التي يصنع منها.

دعونا نفكر أولًا فيما يفعله الدايود. الدايود هو مكون من مكونات الدائرة الكهربية يسمح بمرور التيار عبره في اتجاه واحد وليس في الاتجاه المعاكس. هذا هو رمز الدايود في الدائرة الكهربية. وهو في الواقع أحد الرموز المفيدة في الدائرة الكهربية؛ لأن السهم في هذا الرمز يوضح لنا الاتجاه الذي يسمح للتيار الاصطلاحي بالتدفق فيه عبر الدايود. وتذكر أن التيار الاصطلاحي يتكون من شحنات موجبة.

لذا، على سبيل المثال، إذا أخذنا هذا الدايود ووصلناه على التوالي ببطارية ومقاومة، ففي هذا الاتجاه للبطارية، سيتدفق التيار الاصطلاحي مبتعدًا عن الطرف الموجب ومارًّا عبر الدايود في الاتجاه المسموح به ثم عبر المقاومة، ثم سيلتف حول الدائرة إلى أن يكمل الدائرة عندما يصل إلى الطرف السالب للبطارية. بعبارة أخرى، في هذا الاتجاه للبطارية والدايود، سيتدفق تيار في الدائرة الكهربية يتألف من شحنات موجبة في اتجاه عقارب الساعة.

لكن إذا فكرنا في تدفق الإلكترونات، وهي جسيمات سالبة الشحنة، فإنها ستتدفق مبتعدة عن الطرف السالب للبطارية وتتحرك عكس اتجاه عقارب الساعة عبر المقاومة والدايود. وفي الواقع هذا هو الاتجاه المسموح للجسيمات السالبة الشحنة بالتدفق فيه. ويرجع ذلك إلى أن السهم في الدايود يوضح فقط الاتجاه الذي يمكن للشحنات الموجبة التدفق فيه. وبذلك، يمكن أن تتدفق الشحنات السالبة في الاتجاه الآخر عبر الدايود.

لكن إذا عكسنا قطبية البطارية بحيث يصبح الطرف الموجب هنا والطرف السالب هنا، ثم فكرنا في التيار الاصطلاحي، فسنجد أن البطارية تحاول الآن تكوين تيار يتدفق في هذا الاتجاه مبتعدًا عن الطرف الموجب ومارًّا عبر المقاومة ثم يصل إلى الدايود. ومع ذلك، لن يسمح الدايود للشحنات الموجبة بالتدفق في هذا الاتجاه من خلاله. وبذلك، لن يمر تيار في هذه الدائرة الكهربية. إذا فكرنا بالطريقة نفسها في تدفق الشحنات السالبة، أي تدفق الإلكترونات، فسنجد أن البطارية تحاول دفع الإلكترونات في هذا الاتجاه. لكن الشحنات السالبة لا يمكنها التحرك في هذا الاتجاه عبر الدايود. وهكذا، كما لاحظنا من قبل، لن يمر تيار في هذه الدائرة الكهربية.

هذه إذن وظيفة أو سلوك الدايود المثالي. ونعم، في هذه الدائرة الكهربية، نتناول مكونات مثالية. لكن كما سنرى لاحقًا، لا تتصرف الدايودات الحقيقية مثل الدايودات المثالية بالضبط. هذا يشبه بالضبط، على سبيل المثال، كيف يكون لدى الأسلاك الحقيقية بعض المقاومة، بينما نمثلها كأسلاك مثالية في مخططات الدائرة الكهربية بحيث تساوي مقاومتها صفرًا. إذن مكونات الدائرة الكهربية الحقيقية لا تتصرف بالضبط مثل نظيراتها المثالية. ولا يستثنى من ذلك الدايود. لكن دعونا نضع هذه الفكرة في اعتبارنا ونرجع إليها بعد قليل.

لنفكر أولًا في الدايود المثالي، مرة أخرى، في دائرتنا الكهربية المثالية. دعونا نتخلص الآن من المقاومة. وبدلًا من ذلك، نضع أميترًا في هذا المكان، وكذلك فولتميترًا على التوازي مع الدايود. ولنأخذ أيضًا البطارية ونحولها إلى مصدر جهد متغير. والغرض من ذلك كله هو تغيير الجهد الكهربي الخارج من مصدر الجهد المتغير ثم ملاحظة الجهد عبر الدايود وتأثره بهذا التغيير، وكذلك التيار في الدائرة الكهربية. ونظرًا لأن الأميتر متصل على التوالي بالدايود، فإنه سيقيس التيار المار عبر الدايود.

والآن، دعونا نتفق على أن التيار الذي يتدفق في اتجاه عقارب الساعة يتدفق في الاتجاه الموجب. وبذلك، فإن أي فرق جهد يحرك تيارًا في اتجاه عقارب الساعة هو فرق جهد موجب. دعونا إذن نرسم زوجًا من المحاور حيث نمثل التيار المقيس بالأميتر هنا على المحور الرأسي، وفرق الجهد ‪𝑉‬‏ المقيس عبر الدايود بواسطة هذا الفولتميتر. ونضع فرق الجهد على المحور الأفقي. في هذا الاتجاه للبطارية، وبغض النظر عن مقدار الجهد المطبق بواسطة البطارية، نعلم أن البطارية تحاول تمرير تيار في هذا الاتجاه. وهذا هو التيار الاصطلاحي.

تحاول البطارية دفع الشحنات الموجبة في هذا الاتجاه. لكن الدايود لا يسمح بذلك. في الواقع، الدايود المثالي يفعل ذلك بصرف النظر عن مقدار فرق الجهد الذي تنتجه البطارية. تذكر أننا قلنا سابقًا إن أي جهد يحاول دفع تيار في اتجاه عقارب الساعة هو جهد موجب. حسنًا، في هذه الحالة تحاول البطارية أن تدفع تيارًا اصطلاحيًّا في الاتجاه السالب، أي عكس اتجاه عقارب الساعة. وبالنسبة إلى الدايود المثالي، إذا بدأنا عند جهد قيمته صفر وزدنا الجهد في الاتجاه السالب، فسنرى أن التيار يساوي صفرًا بصرف النظر عن الجهد السالب. وذلك لأنه مهما حاولت هذه البطارية دفع تيار اصطلاحي في هذا الاتجاه، لن يسمح الدايود بذلك. إذن التمثيل البياني ‪𝐼‬‏-‪𝑉‬‏ هو خط مستقيم لجميع قيم الجهد السالب لأن التيار يساوي صفرًا.

لكن إذا عكسنا الآن قطبية البطارية المتغيرة وزدنا الجهد ببطء في هذا الاتجاه، فسنلاحظ أن البطارية تحاول الآن تمرير تيار اصطلاحي يتدفق في اتجاه عقارب الساعة في الدائرة الكهربية. حسنًا، في هذه الحالة عندما نزيد الجهد على مصدر الجهد المتغير، يقيس الفولتميتر جهدًا متزايدًا؛ لأن هذا هو فرق الجهد عبر الدايود أيضًا. وما نتوقعه هو أن يبدأ التيار في التدفق مباشرة بمجرد زيادة الجهد فوق الصفر. علاوة على ذلك، عندما يكون الدايود المثالي في الاتجاه الصحيح بالنسبة إلى البطارية، سيتصرف كمفتاح مغلق.

ومن ثم، فإن العناصر الوحيدة التي لدينا في هذه المرحلة هي البطارية، والمفتاح المغلق، والفولتميتر، والأميتر. هذا يعني في الأساس إمكانية تدفق تيار ضخم نظرًا لعدم وجود مقاومة لهذا التيار. ولذلك، ما سنراه في التمثيل البياني للتيار مقابل الجهد هو أنه بمجرد زيادة الجهد فوق الصفر، نحصل على قيمة هائلة للتيار. إذن ما رأيناه هو أنه إذا كان اتجاه الدايود صحيحًا بالنسبة إلى البطارية، أي إذا سمح الدايود بمرور التيار الذي تحاول البطارية تمريره، فإن الدايود سيتصرف كمفتاح مغلق. لكن إذا عكسنا قطبية البطارية وحاولت البطارية دفع تيار عكس اتجاه عقارب الساعة خلال الدائرة الكهربية، فإن الدايود سيعمل عمل المفتاح المفتوح. وهذا في الواقع يمنع مرور أي تيار في الدائرة الكهربية.

إذن هذا هو سلوك الدايود المثالي. ويوضح هذا التمثيل البياني خصائص الجهد والتيار ‪𝐼‬‏-‪𝑉‬‏ لهذا الدايود. بعبارة أخرى، يوضح هذا التمثيل البياني ما نتوقع رؤيته عندما نغير فرق الجهد عبر الدايود ونقيس التيار المار عبره. لكن، كما ذكرنا من قبل، الدايودات الحقيقية لا تتصرف بالضبط مثل الدايودات المثالية. إذن مرة أخرى هذه هي خصائص ‪𝐼‬‏-‪𝑉‬‏ لدايود مثالي. وهذه هي خصائص ‪𝐼‬‏-‪𝑉‬‏ لدايود حقيقي، وهي مختلفة تمامًا عما نتوقعه.

دعونا ننظر في البداية إلى هذا الجزء. نلاحظ أنه بالنسبة إلى قيم الجهد السالبة العالية جدًّا، يوجد بالفعل تيار في الاتجاه السالب. بعبارة أخرى، عند قيم الجهد السالبة العالية جدًّا، سينهار الدايود الحقيقي ويسمح للتيار بالمرور عبره في الاتجاه الخطأ. هذا يعني أننا إذا رجعنا إلى الدائرة الكهربية وجهزنا قطبية البطارية بحيث تحاول دفع تيار في الاتجاه الخطأ عبر الدايود، فإن ما يخبرنا به التمثيل البياني للدايود الحقيقي ‪𝐼‬‏-‪𝑉‬‏ هو أنه إذا كان فرق الجهد عبر الدايود كبيرًا بما يكفي، فإنه في النهاية سيسمح للتيار بالتدفق عكس اتجاه عقارب الساعة. وهكذا، عند قيم الجهد السالبة العالية جدًّا، ينهار الدايود.

وعندما يكون مقدار الجهد السالب أصغر، لن يسمح الدايود المثالي بمرور تيار عبر الدائرة الكهربية، بينما لدينا في هذه الحالة تيار صغير جدًّا يمر عبر الدائرة الكهربية. إذن حتى في حالة عكس قطبية البطارية، هناك تيار صغير جدًّا يمر عكس اتجاه عقارب الساعة عبر الدائرة الحقيقية. ويسمح الدايود بحدوث ذلك. لنفكر الآن فيما يحدث عندما يصبح الجهد موجبًا. بعبارة أخرى، نعكس قطبية البطارية مرة أخرى حتى تحاول البطارية تمرير تيار في الاتجاه الذي سيسمح الدايود للتيار بالمرور عبره. وتذكر مرة أخرى أن هذا التيار الذي نتحدث عنه هو التيار الاصطلاحي.

حسنًا، في حالة الدايود المثالي، ما نتوقع أن نراه هو أنه بمجرد أن يزيد الجهد عن الصفر بأي قيمة ولو قليلة، يمر تيار ضخم في الدائرة الكهربية. وذلك لأن الدايود المثالي، كما ذكرنا، يتصرف مثل مفتاح مغلق في هذه الحالة. لكن الدايود الحقيقي يتصرف بطريقة مختلفة قليلًا. ما نلاحظه هو وجود حد أدنى معين للجهد يجب تطبيقه قبل أن يسمح بمرور أي تيار عبر الدائرة الكهربية. يعرف هذا الجهد بجهد العتبة، والذي سنسميه ‪𝑉𝑡‬‏. وهو يساوي صفر فولت في حالة الدايود المثالي؛ لأنه إذا كانت له أي قيمة أكبر من ذلك، فسيمر تيار مباشرة في الدائرة الكهربية. هذه هي إذن الفروق الرئيسية بين خصائص ‪𝐼‬‏-‪𝑉‬‏ للدايود المثالي والدايود الحقيقي.

حسنًا، من الملائم الآن أن نفكر في الدايودات باعتبارها مكونات في الدائرة الكهربية تتصرف بهذه الطريقة تحديدًا. لكن يمكننا أن نطرح سؤالًا هنا، وهو: مم تصنع الدايودات، أي من أي مواد؟ حسنًا، تصنع الدايودات عادة من مواد شبه موصلة، مثل السليكون. المادة شبه الموصلة هي مادة لا توصل الكهرباء بنفس كفاءة الموصل. لكنها موصل أفضل بكثير من العازل. بعبارة أخرى، تتراوح توصيلية أشباه الموصلات بين توصيلية العازل والموصل. ويعد السليكون مثالًا على أشباه الموصلات. تحتوي ذرة السليكون على أربعة إلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي الخاص بها. وهو ما يعني أنه يمكنها تكوين روابط مع أربع ذرات أخرى من السليكون.

لذا، على سبيل المثال، إذا نظرنا إلى ذرة السليكون هذه، فسنرى أنها ترتبط بهذه الذرة، وهذه، وهذه، وهذه. والنتيجة النهائية لذلك هي أنه في مستوى الطاقة الخارجي لذرة السليكون، يوجد الآن إلكترون، إلكترونان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية إلكترونات. بعبارة أخرى، إنه مستوى طاقة خارجي مكتمل. أربعة من هذه الإلكترونات الثمانية تأتي من ذرة السليكون هذه نفسها. وتأتي الإلكترونات الأربعة الأخرى من ذرات السليكون الأربع التي ترتبط بها. والسليكون شبه موصل. يرجع ذلك إلى أننا إذا أخذنا بلورة السليكون هذه وسخناها، فستتمكن بعض الإلكترونات الموجودة في هذه الروابط من الهروب إلى مستويات طاقة عالية. وبذلك، يتبقى لدينا فجوات صغيرة حيث توجد مساحة كافية لإلكترون. هذا يعني أن بإمكان إلكترونات أخرى ملء هذه الفجوات. ونظرًا لأن الإلكترونات جسيمات مشحونة، فهذا يعني أنه يمكن أن يكون هناك تدفق للجسيمات المشحونة في السليكون، أو بعبارة أخرى تيار.

لكن الخصائص التوصيلية للسليكون في حد ذاتها ليست جيدة بدرجة كافية. إذن، ما يمكننا فعله هو وضع ذرات عنصر آخر بدلًا من بعض ذرات السليكون. أحد هذه العناصر هو البورون. يحتوي البورون على ثلاثة إلكترونات فقط في مستوى الطاقة الخارجي الخاص به. إذن يمكننا إزالة إحدى ذرات السليكون هذه، ولتكن هذه الذرة، ونضع ذرة بورون بدلًا منها في عملية تعرف بالتطعيم. ونظرًا لأن لدينا الآن في هذا الموضع ذرة بورون بدلًا من ذرة سليكون، يقل عدد الإلكترونات المتاحة لإنشاء الروابط في مستوى الطاقة الخارجي في هذه الذرة بمقدار إلكترون واحد. هذا يعني أنه حتى دون الحاجة إلى تسخين بلورة السليكون، صارت هناك فجوة كان ليشغلها إلكترون لو كانت هذه ذرة سليكون. يمكن أن تشغل هذه الفجوة بالإلكترونات الأخرى التي تترك وراءها فجوات عند قفزها إلى هذا الموضع.

نظرًا لأن البورون ذرة ثلاثية التكافؤ، ما يعني أنها تحتوي على ثلاثة إلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي الخاص بها، سينتج عن هذا بلورة سليكون مطعمة أصبح بها الآن فجوات أكثر مما كانت ستكون عليه لولا ذلك. وهذه الفجوات تعتبر موجبة الشحنة لأنها موجودة بسبب غياب إلكترون سالب. ولذلك، يمكن اعتبار غياب الشحنة السالبة شحنة موجبة. ومن ثم، يعرف هذا النوع من بلورة السليكون المطعمة بشبه موصل من النوع ‪p‬‏ أو النوع الموجب. لكن إذا أردنا بدلًا من ذلك تطعيم بلورة السليكون بذرة خماسية التكافؤ، وهي ذرة تحتوي على خمسة إلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي الخاص بها بدلًا من الأربعة التي تحتوي عليها ذرة السليكون، ويعد الفسفور مثالًا لذرة خماسية التكافؤ، فسنلاحظ أن الفسفور يكون أربع روابط مع ذرات السليكون المحيطة به. لكن يوجد الآن إلكترون زائد من الفسفور يتحرك بحرية داخل البلورة.

هذا يعني أن الذرة الخماسية التكافؤ بها إلكترون إضافي مقارنة بذرة السليكون. وهذا الإلكترون الإضافي يتمتع بحرية الحركة. وهو ما يعني أن هذا الجسيم السالب الشحنة، أي هذا الإلكترون، يمكنه التحرك ومن ثم يمكنه تشكيل جزء من تدفق التيار. ولذلك، هذا يزيد أيضًا من توصيلية بلورة السليكون. وتعرف البلورة المطعمة بذرة خماسية التكافؤ بشبه موصل من النوع ‪n‬‏ أو النوع السالب. هذا لأنها توفر فائضًا من الجسيمات السالبة الشحنة أو الإلكترونات.

وهكذا فقد استعرضنا أشباه الموصلات من النوع ‪p‬‏ وأشباه الموصلات من النوع ‪n‬‏. لكن ما علاقة ذلك بالدايودات؟ حسنًا، إذا أخذنا شبه موصل من النوع ‪p‬‏ وشبه موصل من النوع ‪n‬‏ ووصلناهما في المنتصف، فإن هذه التجميعة ستؤدي وظيفة الدايود. بعبارة أخرى، توصيل البطارية في هذا الاتجاه يتيح تدفق التيار الاصطلاحي في اتجاه عقارب الساعة في الدائرة الكهربية كما رسمناها. بينما إذا عكسنا قطبية البطارية، فإن توصيل شبه موصل من النوع ‪p‬‏ بشبه موصل من النوع ‪n‬‏، والمعروف باسم الوصلة الثنائية ‪p‬‏-‪n‬‏، لن يسمح بمرور تيار اصطلاحي عكس اتجاه عقارب الساعة في الدائرة الكهربية. وبذلك، سيقيس الأميتر تيارًا يساوي صفر أمبير. والآن بعد أن تعرفنا على وظيفة الدايود وكذلك المواد المصنوع منها، لنتدرب قليلًا عن طريق التفكير في السؤال التالي.

أي عبارة من العبارات الآتية تصف بطريقة صحيحة الدايود؟ (أ) الدايود عبارة عن مكون إلكتروني ينبعث منه الضوء بكفاءة عالية جدًّا. (ب) الدايود عبارة عن مكون إلكتروني تتغير مقاومته بتغير كمية الضوء الساقطة عليه. (ج) الدايود عبارة عن مكون إلكتروني يسمح بمرور التيار خلاله في اتجاه واحد. (د) الدايود عبارة عن مكون إلكتروني يمكن استخدامه لتضخيم الإشارات الإلكترونية. (هـ) الدايود عبارة عن مكون إلكتروني تتغير مقاومته بتغير درجة حرارة الجو.

حسنًا، في هذا السؤال مطلوب منا تحديد الخيار الذي يصف الدايود من بين الخيارات (أ) إلى (هـ). للإجابة عن هذا السؤال، قد يكون من المفيد تذكر رمز الدايود في الدائرة الكهربية. هذه هي طريقة رسم الدايود في مخطط الدائرة الكهربية. وهذا الرمز مفيد للغاية بالنسبة إلينا لأنه يمكننا ملاحظة سهم صغير فيه. ولعلنا نتذكر أن هذا السهم يشير إلى الاتجاه الذي يسمح للتيار الاصطلاحي بالمرور فيه عبر الدايود. بعبارة أخرى، يمكن للتيار الاصطلاحي، الذي يتكون من شحنات موجبة، أن يتدفق في ذلك الاتجاه ولكن لا يسمح له بالتدفق في الاتجاه الآخر. وهذه هي وظيفة الدايود. بعبارة أخرى، الدايود عبارة عن مكون إلكتروني يسمح بتدفق التيار خلاله في اتجاه واحد. إذن، هذه هي إجابة السؤال.

بالنظر سريعًا إلى الخيارات الأخرى، نلاحظ أن الوصف في الخيار (أ) هو أن الدايود عبارة عن مكون إلكتروني ينبعث عنه الضوء بكفاءة عالية جدًّا. حسنًا، هذا النوع من المكونات هو نوع محدد جدًّا من الدايودات، وهو على وجه التحديد الدايود الباعث للضوء، أو ‪LED‬‏. وتبعث هذه الدايودات الضوء بكفاءة عالية جدًّا. لكن هذا ليس وصفًا جيدًا للدايودات بصفة عامة؛ لأن الدايودات ليست جميعها دايودات باعثة للضوء. ولذلك، لم نختر الخيار (أ) إجابة عن السؤال.

يشير الخيار (ب) إلى أن الدايود هو مكون إلكتروني تتغير مقاومته بتغير كمية الضوء الساقطة عليه. حسنًا، يبدو ذلك أشبه بوصف مقاومة ضوئية أو ‪LDR‬‏. وبالتالي، هذه ليست إجابة السؤال أيضًا. يقول الخيار (د) إن الدايود هو مكون إلكتروني يمكن استخدامه لتضخيم الإشارات. حسنًا، يشبه ذلك إلى حد كبير وصف المضخم الذي يتكون عادة من ترانزستورات ومكونات أخرى للدائرة الكهربية. ولذلك، لا يبدو هذا وصفًا للدايود. وأخيرًا، يقول الخيار (هـ) إن الدايود عبارة عن مكون إلكتروني تتغير مقاومته بتغير درجة حرارة الجو. حسنًا، يعرف مكون الدائرة الكهربية هذا بالثرمستور، أو أحيانًا بالمقاومة الحرارية. ومن ثم فإن الخيار (هـ) ليس إجابة السؤال أيضًا.

والآن بعد أن تناولنا هذا المثال، دعونا نلخص ما تحدثنا عنه في هذا الدرس.

عرفنا أولًا أن الدايودات هي مكونات إلكترونية تتيح تدفق التيار عبرها في اتجاه واحد ولكن ليس في الاتجاه المعاكس. ورأينا أيضًا أن هذا هو رمز الدايود في الدائرة الكهربية، وهو تمثيل مفيد لأن السهم يوضح لنا الاتجاه الذي يمكن للتيار الاصطلاحي التدفق فيه عبر الدايود. بعد ذلك، رأينا أن خصائص ‪𝐼‬‏-‪𝑉‬‏ للدايود المثالي تبدو هكذا، في حين تبدو خصائص الدايودات الحقيقية هكذا. عرفنا أيضًا أن أشباه الموصلات، مثل السليكون، يمكن تطعيمها لتكوين أشباه موصلات من النوع ‪p‬‏، أي النوع الموجب، ومن النوع ‪n‬‏، أي النوع السالب.

وأخيرًا، عرفنا أن الدايودات تصنع عادة من السليكون من النوع ‪p‬‏، وفيه تحل ذرات مثل البورون التي تحتوي على ثلاثة إلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي محل بعض ذرات السليكون في البلورة، وكذلك السليكون من النوع ‪n‬‏، وفيه تحل ذرة خماسية التكافؤ مثل الفسفور محل بعض ذرات السليكون. وعند توصيل شبه موصل من النوع ‪p‬‏ بشبه موصل من النوع ‪n‬‏ في صورة وصلة ثنائية ‪p‬‏-‪n‬‏، فإن هذا التكوين يسلك سلوك الدايود.