قام الفيزيائي الياباني ليو إيساكي باختراع في عام 1957 نوعاً جديداً من الصمام الثنائي عن طريق زيادة تركيز المنشطات في الصمام الثنائي الموصل PN عند القيام بذلك لاحظ المقاومة السلبية بسبب التأثير الميكانيكي الكمومي والذي أطلق عليه اسم تأثير نفق الإلكترون. وحصل على جائزة نوبل لاكتشافه تأثير نفق الإلكترون؛ لذلك تم تسمية الصمام الثنائي النفقي Tunnel Diode أو صمام إيزاكي Esaki Diode، والصمام الثنائي النفقي له مقاومة سالبة مما يعني أن التيار يتناقص مع زيادة الجهد في نطاق التشغيل، ولديه القدرة على التبديل عالي السرعة وبالتالي فهو يستخدم في التطبيقات عالية التردد.
|
| الصمام الثنائي النفقي Tunnel diode |
ما هو الصمام الثنائي النفقي؟
الصمام الثنائي النفقي هو نوع من الصمام الثنائي مصنوع من تقاطع PN لأشباه الموصلات المخدرة بشدة والتي ينخفض التيار مع زيادة الجهد بسبب المقاومة السلبية، وهذه الظاهرة تسمى أيضاً نفق الإلكترون وإنه يتيح التبديل عالي السرعة مما يجعله مناسباً للتطبيقات عالية التردد مثل أجهزة الطيران والرادار والكمبيوتر والميكروويف.
رمز الصمام الثنائي النفقي Symbol of Tunnel Diode
يمكن تمثيل الصمام الثنائي النفق باستخدام رمزين مختلفين كما يوضحه الشكل التالي:
|
| رمز الصمام الثنائي النفقي |
بناء الصمام الثنائي النفقي
على عكس الصمامات الثنائية لا تُصنع الثنائيات النفقية من السيليكون فالمواد المستخدمة في بناء الصمام الثنائي للنفقي هي أنتيمونيد الغاليوم و زرنيخيد الغاليوم والجرمانيوم وتكون مساحة الوصلة في منطقة الكمون الحاجز صغيرة ونسبة الشوائب عالية جدا.
في الصمام الثنائي النفقي عندما يتم تطبيق الجهد الأمامي يزداد التيار تلقائياً إلى
قيمة الذروة ثم مع زيادة الجهد فإنه ينخفض إلى أدنى مستوى يسمى نقطة الوادي، يجب أن
تكون نسبة تيار الذروة إلى تيار الوادي كبيرة لتمكين نفق الإلكترون.
بصرف
النظر عن اختيار المواد فإن العامل الثاني المهم في بناء الصمام الثنائي النفقي هو
مستوى المنشطات يكون تقاطع PN المخدر بشدة أكبر 1000 مرة تقريباً من الصمام الثنائي
العادي وتصبح منطقة النضوب في الصمام الثنائي النفقي ضيقة للغاية بسبب هذه المنشطات
الثقيلة وهذا يقلل أيضاً من جهد الانهيار العكسي للديود.
ما هو نفق الالكترون Electron Tunneling ؟
 |
| ما هو نفق الالكترون Electron Tunneling ؟ |
نظراً لأن منطقة النضوب في الصمام الثنائي النفقي يتم تقليلها إلى حد كبير بالنانومتر بفضل تركيز المنشطات الثقيلة يمكن للإلكترونات أن يخترق التقاطع حتى لو كان الجهد أقل من جهد الحاجز وتتحرك حاملات الشحنة أو الإلكترونات بسهولة عبر التقاطع بسبب منطقة استنفاذها الصغيرة جداً ويسمى هذا التأثير نفق الإلكترون ويسمى الصمام الثنائي الصمام الثنائي النفقي.
خصائص الصمام الثنائي النفقي
|
| خصائص الصمام الثنائي النفقي |
مثل الصمام الثنائي العادي لفهم خصائص الثنائي النفقي لابد لنا من معرفة كيف يعمل الصمام الثنائي النفقي في كل حالة على حدة كالتالي:
في حالة عدم الانحياز Unbiased
عندما يكون الصمام الثنائي النفق غير متحيز أو يمكننا القول عندما لا يتم تطبيق أي جهد عبر الصمام الثنائي في هذه الحالة لا يوجد تدفق تيار من خلال الصمام الثنائي النفق في ظروف غير متحيزة لأن صافي التيار يساوي صفراً بسبب نفق عدد الإلكترونات والثقوب متساوية.
في حالة الانحياز الأمامي Forward Biased
في حالة الانحياز للأمام ، يتم توصيل الجانب p بالطرف الموجب والجانب n متصل
بالطرف السالب للبطارية، وتختلف خصائص خرج الصمام الثنائي النفقي مع زيادة الجهد
الأمامي المطبق في البداية يعمل كصمام ثنائي عادي يزداد تياره بزيادة الجهد بعد
مستوى جهد معين يبدأ التيار في التناقص المعروف بالمقاومة السلبية.
عندما يتم تطبيق جهد أمامي صغير على الصمام الثنائي النفقي، فإنه غير
قادر على التغلب على الحاجز المحتمل لمنطقة الاستنفاذ الضيقة ومع ذلك يمكن لبعض
ناقلات الشحنة ذات الأغلبية أن تخترق منطقة النضوب بسبب التأثير النفقي يؤدي هذا
إلى مرور كمية صغيرة من التيار الأمامي عبر الصمام الثنائي.
مع زيادة
الجهد يبدأ تيار النفق في الزيادة بسرعة بسبب الحركة الحرة لحاملات الشحنة يتداخل
نطاق التكافؤ للمنطقة من النوع n مع نطاق التوصيل للمنطقة من النوع p مما يؤدي إلى
ارتفاع التيار، مع زيادة الجهد يتم إنشاء المزيد من الإلكترونات والثقوب مما يؤدي
إلى تدفق تيار عالي عبر الصمام الثنائي يغير تدفق التيار أيضاً مستويات الطاقة في
نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل في كلا المنطقتين. يصل التيار إلى نقطة الذروة عندما
يكون نطاق التكافؤ للمنطقة من النوع n يساوي نطاق التوصيل للمنطقة من النوع p.
أي
زيادة أخرى في الجهد تخلق مجالاً إلكتروستاتيكياً قوياً بسبب وجود الأيونات في
منطقة النضوب يؤدي هذا إلى اختلال محاذاة نطاقات التكافؤ والتوصيل مما يؤدي إلى
سقوط التيار عبر الصمام الثنائي فيسقط التيار إلى نقطة الوادي حيث يكون الحد الأدنى
عندما يستمر زيادة الجهد الأمامي يتضاءل تداخل نطاق التكافؤ والتوصيل تماماً ويبدأ
الصمام الثنائي النفق في التصرف مثل الصمام الثنائي العادي.
في حالة الانحياز العكسي Reverse Bias
في حالة التحيز العكسي يتم توصيل الجانب p بالطرف السالب والجانب n متصل
بالطرف الموجب للبطارية، في مثل هذه الظروف يعمل الصمام الثنائي النفق كصمام ثنائي
خلفي لأنه يحتوي على منطقة رقيقة جداً لا يوجد بها استنفاد تقريباً بسبب تركيز
المنشطات الثقيل فيمكنه إجراء كمية كبيرة من التيار العكسي ويظل في حالة التوصيل في
انحياز عكسي كما هو الحال في الصمام الثنائي الخلفي.
ونظراً لتركيز المنشطات
الثقيل تكون ذروة الجهد العكسي الذروة PIV صغيرة جداً مقارنة بالجهد الأقصى
الأمامي.
الدارة المكافئة للثنائي النفقى
 |
| الدارة المكافئة للثنائي النفقى |
يمكن تمثيل الثنائي النفقي باعتبار منطقة المقاومة السالبة منطقة عمل بدارة مكافئة كما هو موضح بالشكل السابق.
حيث أن:
Cd سعة وصلة الثنائي.
Rs مقاومة تسلسلية تعتمد على نقاط التوصيل والموصلات وتتراوح قيمتها بين 0.1 Ω إلى 1Ω.
Ls ملف تسلسلي يعتمد على الموصلات الداخلية وعلى أبعاد الثنائي، وتقدر قيمته بحدود من 1 إلى 1.5 nH.
Rd المقاومة السالبة للثنائي وتساوي قيمتها -30 Ω.
مزايا وعيوب الصمام الثنائي النفقي Advantages & Disadvantages of Tunnel Diode
مزايا الصمام الثنائي النفقي
فيما يلي بعض مزايا الصمام الثنائي النفقي.
- لديه مقاومة سلبية مفيدة في المذبذبات ومضخمات الصوت.
- يعمل بسرعة تحويل عالية جداً وبذلك يكون مناسب للتردد العالي.
- سهولة التشغيل.
- لديه تبديد منخفض للطاقة وكفاءة في استخدام الطاقة.
- لديه إعاقة عالية مع عمر أطول.
- تعمل بسلاسة مع noise منخفضة كما أنها محصنة ضد تداخل ال noise.
- لها تصميم بسيط للتصنيع وتكلفة منخفضة.
عيوب الصمام الثنائي النفقي
فيما يلي بعض عيوب الصمام الثنائي النفقي.
- لا يوفر العزل بين المدخلات والمخرجات لأنه يحتوي على محطتين فقط.
- لديه تصنيفات طاقة منخفضة ولا يمكنه التعامل مع ارتفاع التيار ودرجة الحرارة.
- يتأرجح جهد الخرج.
- له تكلفة تصنيع أعلى نسبياً.
تطبيقات الصمام الثنائي النفقي Applications of Tunnel Diode
يستخدم الصمام الثنائي النفقي بشكل أساسي لسرعة التحويل السريع والمقاومة السلبية وفيما يلي بعض تطبيقات الصمام الثنائي النفقي:
- هو الأفضل لمذبذبات التردد العالي و في دائرة مذبذب الاسترخاء حيث أنه يشكل مذبذباً مستقراً للغاية وبسرعة التحويل العالية لكنه لا يمكنه العمل بتردد منخفض.
- يستخدم الصمام الثنائي النفقي كمكبر للصوت نظراً لتشغيله منخفض التشويش noise.
- يستخدم في دوائر الميكروويف حيث تتطلب دوائر الميكروويف تبديلاً عالي السرعة.
- نظرًا لوجود تصنيفات طاقة منخفضة ، يتم استخدامه في تطبيقات التردد العالي منخفضة التيار.
- يتم استخدام مقاومته السلبية في مضخمات الانعكاس.
- يتم استخدامه في أجهزة الطيران والرادار.
- يمكن أن يتم إجراء تحيز عكسي ، لذلك يتم استخدامه في محول التردد.
- يتم استخدامه كجهاز تخزين ذاكرة منطقية في الدوائر الرقمية بسبب خصائصه ثلاثية القيمة.
- يتم استخدامه في أجهزة الكمبيوتر للتبديل عالي السرعة.
- يتم استخدامه في دائرة هزاز متعددة الطلقة واحدة.
- يتم استخدامه ككاشف في أجهزة الاستقبال لاستخراج إشارة الرسالة من الإشارة المعدلة.
- يتم استخدامه في دوائر الحالة الصلبة.
المصادر
Tunnel Diode: Construction, Working, Advantages, & Applications
?What is a tunnel diode Tunnel Diode – Working, Characteristics, Applications