11.2 : الصمام الثنائي: التحيز إلى الأمام

في أجهزة أشباه الموصلات، تلعب الثنائيات دورًا حاسمًا في توجيه تدفق التيار، ويتم تصنيف عملها بشكل أساسي إلى انحياز أمامي وانحياز عكسي. يقال إن الصمام الثنائي متحيز للأمام عندما تكون منطقته من النوع p متصلة بالطرف الموجب للبطارية وتكون منطقته من النوع n مرتبطة بالطرف السالب. يقلل هذا التكوين من الحاجز المحتمل داخل الصمام الثنائي، مما يسمح للتيار بالتدفق بسهولة من منطقة p إلى منطقة النوع n.

يخضع سلوك الصمام الثنائي في الانحياز الأمامي لخصائصه I-V التي تتأثر بمادة الصمام الثنائي ودرجة حرارته وأبعاده الفيزيائية. عندما يكون متحيزًا للأمام، يمكن وصف تيار الصمام الثنائي (I_D) بواسطة معادلة الصمام الثنائي:

حيث IS هو تيار التشبع، q هو شحنة الإلكترون، V_D هو الجهد المطبق عبر الصمام الثنائي، n هو معامل الانبعاث، k هو ثابت بولتزمان، وT هي درجة حرارة الوصلة. يقيس الجهد الحراري V_T (kT/q) الطاقة اللازمة لتحريك حاملات الشحنة عبر الصمام الثنائي وتبلغ قيمته في درجة حرارة الغرفة حوالي 26 مللي فولت.

يُظهر الصمام الثنائي تيارًا ضئيلًا للجهد أقل من جهد القطع، عادةً 0.7 فولت لثنائيات السيليكون. في الانحياز الأمامي، لكل عقد من التغيير في التيار الأمامي، يتغير جهد الصمام الثنائي بحوالي 60 مللي فولت. يتغير تيار التشبع (I_S) باختلاف درجة الحرارة ومساحة المقطع العرضي للدايود ويتضاعف مع كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية. نظرًا لاعتماد درجة حرارة IS وV_T، ينخفض انخفاض جهد الصمام الثنائي بمقدار 2 مللي فولت تقريبًا لكل زيادة بمقدار 1 درجة مئوية في درجة الحرارة عند تيار ثابت، وهي خاصية يتم الاستفادة منها في دوائر استشعار درجة الحرارة مثل موازين الحرارة الإلكترونية. يعد فهم هذه الخصائص أمرًا بالغ الأهمية للإلكترونيات حيث تكون الثنائيات مكونات مركزية، مثل المقومات وخلاطات الإشارة ومنظمات الجهد.