الصمام الثنائي

تتمثل الوظيفة الأكثر شيوعًا للدايود في السماح بمرور التيار الكهربائي في اتجاه واحد (يُسمى الاتجاه الأمامي للدايود )، مع منعه في الاتجاه المعاكس ( الاتجاه العكسي ). ويُشابه في النظام الهيدروليكي صمام عدم الرجوع . يُمكن لهذا السلوك أحادي الاتجاه تحويل التيار المتردد (AC) إلى تيار مستمر (DC)، وهي عملية تُسمى التقويم . وبصفتها مُقوِّمات، يُمكن استخدام الدايودات في مهام مثل استخلاص التضمين من إشارات الراديو في أجهزة استقبال الراديو . ^{[ 6 ]}

غالباً ما يتم تبسيط سلوك الصمام الثنائي على أنه يمتلك جهد عتبة أمامي أو جهد تشغيل أو جهد قطع ، والذي يكون فوقه تيار كبير، وتحته لا يوجد تيار تقريباً، وهذا يعتمد على تركيب الصمام الثنائي:

يمكن الإشارة إلى هذا الجهد بشكل عام باسم انخفاض الجهد الأمامي للدايود أو ببساطة انخفاض الجهد ، حيث أن انخفاض جهد الدايود لن يتجاوز جهد العتبة بشكل ملحوظ في ظل ظروف التشغيل العادية لانحياز أمامي، وذلك نتيجة لانحدار المنحنى الأسي. عادةً ما تذكر جداول البيانات جهدًا أماميًا نموذجيًا أو أقصى (V_{_F} ) لتيار ودرجة حرارة محددين (مثل 20  مللي أمبير و25 درجة مئوية لثنائيات LED)، ^{[ 7 ]} مما يضمن للمستخدم معرفة متى سيبدأ مرور تيار معين. عند التيارات العالية، يزداد انخفاض الجهد الأمامي للدايود. على سبيل المثال، يتراوح الانخفاض النموذجي بين 1 و1.5 فولت عند التيار المقنن الكامل لدايودات الطاقة المصنوعة من السيليكون. (انظر أيضًا: المقوم § انخفاض جهد المقوم )    

مع ذلك، فإن خاصية التيار-الجهد الأسية لثنائي أشباه الموصلات هي في الواقع أكثر تدرجًا من هذا التشغيل والإيقاف البسيط. ^{[ 8 ]} على الرغم من أن الرسم البياني للدالة قد يبدو وكأنه يحتوي على " انحناء " واضح حول هذه العتبة، إلا أن هذا يعكس طبيعتها الأسية فحسب؛ فلا يوجد شيء فريد في هذه المنطقة يختلف عن أي أجزاء أخرى من الرسم البياني (والذي يمكن رؤيته باستخدام رسم بياني شبه لوغاريتمي ، حيث يُمثل التيار على مقياس لوغاريتمي والجهد على مقياس خطي).

بما أن انخفاض الجهد الأمامي للثنائي يتغير قليلاً فقط مع التيار، وهو في الغالب دالة لدرجة الحرارة، فيمكن استخدام هذا التأثير كمستشعر لدرجة الحرارة أو كمرجع جهد غير دقيق إلى حد ما .

تنخفض مقاومة الثنائي العالية للتيار المتدفق في الاتجاه المعاكس فجأةً إلى مقاومة منخفضة عندما يصل الجهد العكسي عبر الثنائي إلى قيمة تُسمى جهد الانهيار . تُستخدم هذه الظاهرة لتنظيم الجهد ( ثنائيات زينر ) أو لحماية الدوائر من ارتفاعات الجهد المفاجئة ( ثنائيات الانهيار الجليدي ).

يمكن تعديل خصائص التيار-الجهد لثنائي أشباه الموصلات عن طريق اختيار مواد أشباه الموصلات والشوائب المضافة إليها أثناء التصنيع. ^{[ 8 ]} تُستخدم هذه التقنيات لإنتاج ثنائيات ذات أغراض خاصة تؤدي وظائف متعددة. [ ^{8 ] على} سبيل المثال، لضبط أجهزة استقبال الراديو والتلفزيون إلكترونيًا ( ثنائيات فاراكتور )، ولتوليد ذبذبات الترددات الراديوية ( ثنائيات النفق ، وثنائيات غان ، وثنائيات إمبات )، ولإنتاج الضوء ( الثنائيات الباعثة للضوء ). تتميز ثنائيات النفق وغان وإمبات بمقاومة سالبة ، وهو أمر مفيد في دوائر الميكروويف ودوائر التبديل.

يمكن استخدام الثنائيات، سواء كانت ثنائية الفراغ أو ثنائية أشباه الموصلات، كمولدات للضوضاء الناتجة عن الطلقات .

في عام 1873، لاحظ فريدريك غوثري أن كرة معدنية متوهجة ومؤرضة، عند تقريبها من مكشاف كهربائي، تُفرغ شحنة المكشاف الموجبة، بينما لا تُفرغ شحنة المكشاف السالبة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وفي عام 1880، لاحظ توماس إديسون تيارًا أحادي الاتجاه بين عنصرين ساخن وبارد في مصباح كهربائي، وهو ما عُرف لاحقًا بتأثير إديسون ، وحصل على براءة اختراع لتطبيق هذه الظاهرة في مقياس الفولتية للتيار المستمر . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

بعد حوالي عشرين عامًا، أدرك جون أمبروز فليمنج (المستشار العلمي لشركة ماركوني والموظف السابق لدى إديسون) إمكانية استخدام تأثير إديسون ككاشف للموجات الراديوية . حصل فليمنج على براءة اختراع أول صمام ثنائي حراري حقيقي، صمام فليمنج ، في بريطانيا في 16 نوفمبر 1904 ^{[ 15 ]} (تلتها براءة اختراع أمريكية رقم 803,684 في نوفمبر 1905). خلال عصر الصمامات المفرغة، استُخدمت الصمامات الثنائية في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا، مثل أجهزة الراديو والتلفزيون وأنظمة الصوت وأجهزة القياس. بدأت حصتها السوقية بالتراجع تدريجيًا بدءًا من أواخر الأربعينيات بسبب تقنية مقومات السيلينيوم، ثم لصالح الصمامات الثنائية شبه الموصلة خلال الستينيات. واليوم، لا تزال تُستخدم في بعض التطبيقات عالية الطاقة، حيث تمنحها قدرتها على تحمل الفولتية العابرة ومتانتها ميزة على الأجهزة شبه الموصلة، وفي تطبيقات الآلات الموسيقية وأنظمة الصوت عالية الجودة.

في عام 1874، اكتشف العالم الألماني كارل فرديناند براون "التوصيل أحادي الاتجاه" عبر نقطة تلامس بين معدن ومعدن آخر . ^{[ 17 ] [ 18 ]} صنع سي إي فيتس مقوم تيار من السيلينيوم حوالي عام 1886 ، لكن عمله لم يُثمر عن أي أجهزة عملية حتى ثلاثينيات القرن العشرين. ^{[ 19 ]} كان العالم الهندي جاغاديش تشاندرا بوس أول من استخدم بلورة للكشف عن الموجات الراديوية عام 1894، ^{[ 20 ]} وقدّم طلب براءة اختراع أمريكية للكشف عن الإشارات الراديوية باستخدام ثنائي أشباه موصلات ذي نقطة تلامس من بلورة الغالينا عام 1901. ^{[ 19 ]}

طُوِّر كاشف البلورات ليصبح جهازًا عمليًا للتلغراف اللاسلكي على يد غرينليف ويتير بيكارد ، الذي اخترع كاشف بلورات السيليكون عام 1903 وحصل على براءة اختراع له في 20 نوفمبر 1906. ^{[ 21 ]} أسس لاحقًا شركة لتسويق كواشف الراديو البلورية "ذات الشعيرات الشبيهة بشعيرات القطط"؛ وربما كانت أول من صنع وباع أجهزة أشباه موصلات السيليكون تجاريًا. ^{[ 19 ]} جرب باحثون آخرون مجموعة متنوعة من المعادن الأخرى ككواشف (على سبيل المثال، حصل هنري دانوودي على براءة اختراع باستخدام كربيد السيليكون في وقت لاحق من عام 1906، وحصل ويتشي توريكاتا على براءة اختراع عام 1908). ^{[ 19 ]}

لم تكن مبادئ أشباه الموصلات معروفة لمطوري هذه المقومات المبكرة. خلال ثلاثينيات القرن العشرين، تقدم فهم الفيزياء، وفي منتصف تلك الفترة، أدرك الباحثون في مختبرات بيل للهواتف إمكانات كاشف البلورات في تطبيقات تكنولوجيا الموجات الدقيقة. ^{[ 22 ]} وخلال الحرب العالمية الثانية، عمل باحثون في مختبرات بيل ، وويسترن إلكتريك ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وجامعة بيردو ، وفي المملكة المتحدة، على تطوير ثنائيات التلامس النقطي ( مقومات البلورات أو ثنائيات البلورات ) بشكل مكثف لاستخدامها في الرادار. ^{[ 22 ]} بعد الحرب العالمية الثانية، استخدمت شركة AT&T هذه الثنائيات في أبراج الموجات الدقيقة التي غطت الولايات المتحدة، ولا تزال العديد من أجهزة الرادار تستخدمها حتى في القرن الحادي والعشرين. في عام 1946، بدأت شركة سيلفانيا في طرح ثنائي البلورات 1N34. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} وفي أوائل خمسينيات القرن العشرين، تم تطوير ثنائيات الوصلة.

حتى أواخر خمسينيات القرن العشرين تقريبًا،  كانت الثنائيات التي تعتمد على سلك معدني صغير القطر، مثل سلك التنجستن، للتوصيل ببلورة شبه موصلة صغيرة، تُسمى جميعها "كواشف بلورية" . ويمكن أن يكون التوصيل من النوع غير الملحوم أو الملحوم . يعتمد النوع غير الملحوم على مبدأ حاجز شوتكي، حيث يكون الطرف المعدني هو الطرف المدبب لسلك صغير القطر متصلًا بالبلورة شبه الموصلة. ^{[ 32 ]} أما في النوع الملحوم، فتتشكل منطقة P صغيرة في البلورة، التي تكون في الأصل من النوع N، حول النقطة المعدنية أثناء التصنيع، وذلك بتمرير تيار كبير نسبيًا عبر الجهاز لفترة وجيزة. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

مع توفر ثنائيات الصمامات المفرغة لأجهزة الاستقبال، استُخدمت كواشف البلورات بشكل رئيسي في البحث والتطوير بين عامي 1925 و1940. أدى الاحتياج إلى مُزيل التضمين لتطبيقات الرادار ومعدات الاختبار في نطاقات الموجات الميكروية حتى 26 جيجاهرتز إلى استخدام السيليكون في كواشف البلورات من قِبل مختبرات بيل ، حيث بدأ الإنتاج في عام 1942. ^{[ 22 ] [ 35 ]} كانت كواشف البلورات هذه ذات غلاف خزفي، وتطلّبت ضبطًا يدويًا لنقطة التلامس أثناء الإنتاج. ^{[ 36 ]} بالنسبة لنطاقات الرادار النموذجية في ذلك الوقت، كانت الأنواع 1N25 (<1 جيجاهرتز)، و1N21 (<3 جيجاهرتز)، ولاحقًا 1N21WE (<12.4 جيجاهرتز)، و1N23 (<9.4 جيجاهرتز)، و1N26 (<24 جيجاهرتز) متوفرة.

في فبراير 1946، طرحت شركة سيلفانيا إلكتريك كاشفًا بلوريًا يستخدم الجرمانيوم بدلًا من السيليكون. استخدمت النماذج الأولى غلافًا خزفيًا، مثل 1N34، بينما صُنع غلاف النموذج اللاحق 1N34A من الزجاج. وعلى عكس الكواشف البلورية المصنوعة من السيليكون، سمح الصمام الثنائي 1N34 باستخدامه كمقوم للتيارات الصغيرة. ^{[ 37 ]} أطلقت شركة سيلفانيا إلكتريك على صماماتها الثنائية في البداية اسم "الكواشف البلورية" ^{[ 38 ]} ، ثم غيرته لاحقًا في يوليو 1946 إلى "الصمام الثنائي البلوري" ^{[ 39 ]} ، وفي نوفمبر 1947 في بياناتها الفنية إلى "الصمامات الثنائية البلورية الجرمانيومية" ^{[ 37 ].}

يُحدد سلوك ثنائي أشباه الموصلات في الدائرة الكهربائية من خلال خصائص التيار-الجهد . ويتحدد شكل المنحنى بانتقال حاملات الشحنة عبر ما يُسمى طبقة الاستنزاف أو منطقة الاستنزاف الموجودة عند وصلة p-n بين أشباه موصلات مختلفة. عند تكوين وصلة p-n لأول مرة، تنتشر إلكترونات نطاق التوصيل (المتحركة) من المنطقة المُطعّمة بالنوع N إلى المنطقة المُطعّمة بالنوع P حيث يوجد عدد كبير من الفجوات (أماكن شاغرة للإلكترونات) التي "تتحد" معها الإلكترونات. عندما يتحد إلكترون متحرك مع فجوة، تختفي كل من الفجوة والإلكترون، تاركةً وراءها مانحًا (مُطعّمًا) موجب الشحنة غير متحرك على الجانب N ومستقبلًا (مُطعّمًا) سالب الشحنة على الجانب P. تصبح المنطقة المحيطة بوصلة p-n مستنفدة من حاملات الشحنة ، وبالتالي تتصرف كعازل .

مع ذلك، لا يمكن أن يتسع عرض منطقة الاستنزاف (المسمى عرض الاستنزاف ) بلا حدود. فمع كل عملية إعادة تركيب لزوج إلكترون-فجوة ، يتبقى أيون مطعّم موجب الشحنة في المنطقة المطعمّة بالنيتروجين، ويتكوّن أيون مطعّم سالب الشحنة في المنطقة المطعمّة بالفوسفور. ومع استمرار عملية إعادة التركيب وتكوّن المزيد من الأيونات، يتولد مجال كهربائي متزايد عبر منطقة الاستنزاف، يعمل على إبطاء عملية إعادة التركيب ثم إيقافها نهائيًا. عند هذه النقطة، يوجد جهد داخلي عبر منطقة الاستنزاف.

مناطق التشغيل

يمكن تقريب خصائص التيار-الجهد للدايود بأربع مناطق تشغيل. من جهد الانحياز الأدنى إلى الأعلى، تكون هذه المناطق كالتالي:

• الانهيار : عند انحياز عكسي كبير جدًا، يتجاوز جهد الذروة العكسي (PIV)، تحدث عملية تُسمى الانهيار العكسي ، مما يُسبب زيادة كبيرة في التيار (أي، يتولد عدد كبير من الإلكترونات والفجوات عند وصلة p-n وتتحرك بعيدًا عنها)، وهو ما يُؤدي عادةً إلى تلف الجهاز بشكل دائم. صُمم ثنائي الانهيار خصيصًا للاستخدام بهذه الطريقة. أما في ثنائي زينر ، فلا ينطبق مفهوم جهد الذروة العكسي. يحتوي ثنائي زينر على وصلة p-n مُطعّمة بشدة، مما يسمح للإلكترونات بالانتقال عبر النفق الكمومي من نطاق التكافؤ للمادة من النوع p إلى نطاق التوصيل للمادة من النوع n، بحيث يتم تثبيت الجهد العكسي عند قيمة معروفة (تُسمى جهد زينر )، ولا يحدث انهيار. مع ذلك، لكلا الجهازين حد أقصى للتيار والطاقة التي يمكنهما تحملها في منطقة الجهد العكسي المُثبّت. كذلك، بعد انتهاء التوصيل الأمامي في أي ثنائي، يوجد تيار عكسي لفترة وجيزة. لا يصل الجهاز إلى كامل قدرته على الحجب إلا بعد توقف التيار العكسي.
• الانحياز العكسي : عند تطبيق جهد انحياز بين جهد الانهيار و0 فولت، يكون التيار العكسي ضئيلاً للغاية ويقترب تدريجيًا من -I _{_s} . في ثنائي مقوم P-N عادي، يكون التيار العكسي المار عبره في نطاق الميكروأمبير (μA). مع ذلك، يتأثر هذا التيار بدرجة الحرارة، وعند درجات حرارة عالية بما يكفي، يمكن ملاحظة تيار عكسي كبير (مللي أمبير أو أكثر). كما يوجد تيار تسرب سطحي ضئيل ناتج عن دوران الإلكترونات حول الثنائي كما لو كان عازلاً غير مثالي.

  

• في حالة الانحياز الأمامي : يكون منحنى التيار-الجهد أُسّيًا ، ويقارب معادلة ثنائي شوكلي . عند رسمه باستخدام مقياس تيار خطي، يظهر " ركبة " سلسة، ولكن لا يظهر جهد عتبة واضح على الرسم البياني شبه اللوغاريتمي.
• الاستقرار : عند تيارات أمامية عالية، يبدأ منحنى التيار-الجهد بالتأثر بشكل كبير بالمقاومة الأومية لأشباه الموصلات. لم يعد المنحنى أُسّيًا، بل أصبح مقاربًا لخط مستقيم ميله يساوي مقاومة المادة. هذه المنطقة مهمة بشكل خاص لثنائيات القدرة، ويمكن تمثيلها بثنائي شوكلي مثالي موصول على التوالي مع مقاومة ثابتة.

تُمثل معادلة شوكلي للثنائي المثالي، أو قانون الثنائي (نسبةً إلى ويليام برادفورد شوكلي، أحد مخترعي ترانزستور الوصلة ثنائية القطب )، العلاقة الأسية بين التيار والجهد (I-V) للثنائيات في حالة انحياز أمامي أو عكسي متوسط. وتُقدم مقالة " معادلة شوكلي للثنائي" تفاصيل إضافية.

عند جهد أمامي أقل من جهد التشبع، لا يكون منحنى خصائص الجهد مقابل التيار لمعظم الثنائيات خطًا مستقيمًا. ويمكن تقريب التيار بواسطة${\displaystyle I=I_{\text{S}}e^{V_{\text{D}}/(nV_{\text{T}})}}$كما هو موضح في مقال معادلة ثنائي شوكلي .

في تطبيقات الكاشفات والخلاطات، يمكن تقدير التيار باستخدام متسلسلة تايلور. ^{[ 42 ]} يمكن حذف الحدود الفردية لأنها تُنتج مكونات ترددية خارج نطاق تمرير الخلاط أو الكاشف. أما الحدود الزوجية التي تتجاوز المشتقة الثانية، فلا داعي لإدراجها عادةً لأنها صغيرة مقارنةً بالحد من الدرجة الثانية. ^{[ 42 ]} يتناسب مُركب التيار المطلوب تقريبًا مع مربع جهد الدخل، ولذلك يُطلق على الاستجابة في هذه المنطقة اسم قانون التربيع . ^{[ 32 ] : ص 3}

بعد انتهاء التوصيل الأمامي في ثنائي من نوع ap-n، يمكن أن يتدفق تيار عكسي لفترة وجيزة. ولا يكتسب الجهاز قدرته على الحجب إلا بعد استنفاد الشحنة المتحركة في الوصلة.

قد يكون هذا التأثير كبيرًا عند تبديل تيارات عالية بسرعة كبيرة. ^{[ 43 ]} قد يتطلب الأمر فترة زمنية معينة تُسمى "زمن الاسترداد العكسي" _tr ( تتراوح من عشرات النانوثواني إلى بضعة ميكروثواني) لإزالة شحنة الاسترداد العكسي Qr من الثنائي _. خلال هذا الزمن، يمكن للثنائي أن يوصل التيار في الاتجاه العكسي. قد يؤدي ذلك إلى تيار كبير في الاتجاه العكسي لفترة وجيزة أثناء انحياز الثنائي عكسيًا. يتحدد مقدار هذا التيار العكسي بدائرة التشغيل (أي المقاومة التسلسلية)، ويُقال حينها أن الثنائي في طور التخزين. ^{[ 44 ]} في بعض التطبيقات العملية، من المهم مراعاة الخسائر الناتجة عن هذا التأثير غير المثالي للثنائي. ^{[ 45 ]} مع ذلك، عندما لا يكون معدل تغير التيار حادًا (مثل تردد التيار الكهربائي)، يمكن تجاهل هذا التأثير بأمان. بالنسبة لمعظم التطبيقات، يكون هذا التأثير ضئيلًا أيضًا بالنسبة لثنائيات شوتكي .

يتوقف التيار العكسي فجأة عند استنفاد الشحنة المخزنة؛ ويتم استغلال هذا التوقف المفاجئ في ثنائيات استعادة الخطوة لتوليد نبضات قصيرة للغاية.

تُصنع الثنائيات العادية (p-n)، التي تعمل كما هو موضح أعلاه، عادةً من السيليكون أو الجرمانيوم المُطعّم . قبل تطوير ثنائيات تقويم الطاقة المصنوعة من السيليكون، استُخدم أكسيد النحاس الأحادي ، ثم السيلينيوم  لاحقًا. تطلّب انخفاض كفاءتها تطبيق جهد أمامي أعلى بكثير (عادةً من 1.4 إلى 1.7 فولت لكل "خلية"، مع تكديس خلايا متعددة لزيادة قيمة جهد الذروة العكسي لاستخدامها في مقومات الجهد العالي)، كما تطلّبت مشتت حراري كبير (غالبًا ما يكون امتدادًا للركيزة المعدنية للثنائي )، أكبر بكثير مما يتطلبه ثنائي السيليكون اللاحق ذو نفس تصنيفات التيار. تُشكّل ثنائيات p-n الغالبية العظمى من جميع الثنائيات الموجودة في الدوائر المتكاملة CMOS ، ^{[ 46 ]} والتي تتضمن ثنائيين لكل طرف والعديد من الثنائيات الداخلية الأخرى.

ثنائيات الانهيار الجليدي

هذه ثنائيات تُوصل التيار في الاتجاه المعاكس عندما يتجاوز جهد الانحياز العكسي جهد الانهيار. وهي تُشبه ثنائيات زينر كهربائيًا (ويُطلق عليها خطأً اسم ثنائيات زينر في كثير من الأحيان)، لكنها تنهار بآلية مختلفة: تأثير الانهيار الجليدي . يحدث هذا التأثير عندما يُسبب المجال الكهربائي العكسي المُطبق عبر وصلة p-n موجة تأين، تُشبه الانهيار الجليدي، مما يؤدي إلى تيار كبير. صُممت ثنائيات الانهيار الجليدي لتنهار عند جهد عكسي مُحدد بدقة دون أن تتلف. الفرق بين ثنائي الانهيار الجليدي (الذي ينهار عكسيًا عند جهد يزيد عن 6.2  فولت تقريبًا) وثنائي زينر هو أن طول قناة الأول يتجاوز متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات، مما يؤدي إلى العديد من التصادمات بينها أثناء مرورها عبر القناة. الفرق العملي الوحيد بين النوعين هو أن لهما معاملات حرارية ذات قطبية مُعاكسة.

ثنائيات التيار الثابت

هذه في الواقع ترانزستورات JFET ^{[ 47 ]} موصولة بوابتها بالمصدر، وتعمل كجهاز ثنائي الطرف لتحديد التيار، على غرار ثنائي زينر المحدد للجهد. تسمح هذه الترانزستورات بمرور تيار يصل إلى قيمة معينة، ثم يستقر عند قيمة محددة. وتُعرف أيضاً باسم ثنائيات التيار الثابت ، أو الترانزستورات الموصولة بالثنائيات ، أو ثنائيات تنظيم التيار .

مقومات الكريستال أو ثنائيات الكريستال

هذه ثنائيات ذات تلامس نقطي. ^{[ 32 ]} تُستخدم سلسلة 1N21 وغيرها في تطبيقات المزج والكشف في أجهزة استقبال الرادار والميكروويف. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} يُعدّ 1N34A مثالًا آخر على الثنائيات البلورية. ^{[ 51 ]}

ثنائيات غان

تُشبه هذه الثنائيات ثنائيات النفق من حيث أنها مصنوعة من مواد مثل زرنيخيد الغاليوم أو فوسفيد الإنديوم التي تُظهر منطقة مقاومة تفاضلية سالبة . ومع تطبيق انحياز مناسب، تتشكل نطاقات ثنائية القطب وتنتقل عبر الثنائي، مما يسمح ببناء مذبذبات ميكروية عالية التردد.

الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs)

في الصمام الثنائي المصنوع من أشباه موصلات ذات فجوة نطاق طاقة مباشرة ، مثل زرنيخيد الغاليوم ، تُصدر حاملات الشحنة التي تعبر الوصلة فوتونات عند إعادة اتحادها مع حاملات الشحنة الرئيسية على الجانب الآخر. وبحسب المادة، يمكن إنتاج أطوال موجية (أو ألوان) ^{[ 52 ]} تتراوح من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية القريبة . ^{[ 53 ]} كانت مصابيح LED الأولى حمراء وصفراء، وقد طُوّرت صمامات ثنائية بترددات أعلى مع مرور الوقت. تُنتج جميع مصابيح LED ضوءًا غير متماسك ذي طيف ضيق؛ فمصابيح LED "البيضاء" هي في الواقع مصابيح LED زرقاء مطلية بمادة وميضية صفراء ، أو مزيج من ثلاثة مصابيح LED بألوان مختلفة. يمكن أيضًا استخدام مصابيح LED كصمامات ثنائية ضوئية منخفضة الكفاءة في تطبيقات الإشارة. يمكن دمج مصباح LED مع صمام ثنائي ضوئي أو ترانزستور ضوئي في نفس العبوة، لتشكيل عازل ضوئي .

ثنائيات الليزر

عند وضع بنية شبيهة بالصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) داخل تجويف رنيني مُشكّل بصقل الأسطح الطرفية المتوازية، يُمكن تكوين ليزر . تُستخدم ثنائيات الليزر بشكل شائع في أجهزة التخزين الضوئية وفي الاتصالات الضوئية عالية السرعة .

الثنائيات الحرارية

يُستخدم هذا المصطلح لكلٍّ من الثنائيات التقليدية من نوع p-n المستخدمة لمراقبة درجة الحرارة نظرًا لتغير جهدها الأمامي بتغير درجة الحرارة، ولمضخات الحرارة من نوع بلتييه المستخدمة في التسخين والتبريد الكهروحراري . قد تُصنع مضخات الحرارة من نوع بلتييه من أشباه الموصلات، ورغم أنها لا تحتوي على أي وصلات تقويم، إلا أنها تستخدم اختلاف سلوك حاملات الشحنة في أشباه الموصلات من النوعين N و P لنقل الحرارة.

الثنائيات الضوئية

تخضع جميع أشباه الموصلات لتوليد حاملات الشحنة الضوئية . يُعدّ هذا عادةً تأثيرًا غير مرغوب فيه، لذا تُغلّف معظم أشباه الموصلات بمواد حاجبة للضوء. أما الثنائيات الضوئية، فهي مصممة لاستشعار الضوء ( كاشف ضوئي )، لذا تُغلّف بمواد تسمح بمرور الضوء، وعادةً ما تكون من نوع PIN (وهو النوع الأكثر حساسية للضوء). ^{[ 54 ]} يمكن استخدام الثنائي الضوئي في الخلايا الشمسية ، وفي قياس الضوء ، وفي الاتصالات الضوئية . قد تُغلّف عدة ثنائيات ضوئية في جهاز واحد، إما كمصفوفة خطية أو كمصفوفة ثنائية الأبعاد. يجب عدم الخلط بين هذه المصفوفات وأجهزة اقتران الشحنة .

ثنائيات PIN

تتكون ثنائيات PIN من طبقة مركزية غير مطعمة، أو طبقة جوهرية ، لتشكل بنية من النوع p/الجوهرية/النوع n. ^{[ 55 ]} تُستخدم هذه الثنائيات كمفاتيح ومخففات للترددات الراديوية، وككواشف للإشعاع المؤين ذات الحجم الكبير، وككواشف ضوئية . كما تُستخدم ثنائيات PIN في إلكترونيات الطاقة ، نظرًا لقدرة طبقتها المركزية على تحمل الفولتية العالية. علاوة على ذلك، توجد بنية PIN في العديد من أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في الطاقة ، مثل ترانزستورات IGBT ، وترانزستورات MOSFET ، والثايرستورات .

ثنائيات شوتكي

تُصنع ثنائيات شوتكي  من وصلة معدنية بشبه موصل. تتميز بانخفاض جهد أمامي أقل من ثنائيات الوصلة p-n. يتراوح انخفاض جهدها الأمامي عند تيارات أمامية تبلغ حوالي 1 مللي أمبير بين 0.15  و0.45  فولت، مما يجعلها مفيدة في تطبيقات تثبيت الجهد ومنع تشبع الترانزستور. كما يمكن استخدامها كمقومات منخفضة الفقد ، على الرغم من أن تيار التسرب العكسي فيها يكون أعلى عمومًا من تيار التسرب العكسي للثنائيات الأخرى. تُعد ثنائيات شوتكي أجهزة حاملة للأغلبية ، وبالتالي لا تعاني من مشاكل تخزين حاملات الأقلية التي تُبطئ العديد من الثنائيات الأخرى، لذا فهي تتميز باستعادة عكسية أسرع من ثنائيات الوصلة p-n. كما تميل إلى امتلاك سعة وصلة أقل بكثير من ثنائيات p-n، مما يوفر سرعات تبديل عالية واستخدامها في الدوائر عالية السرعة وأجهزة الترددات الراديوية مثل مصادر الطاقة ذات الوضع المُبدَّل ، والخلاطات ، والكواشف .

ثنائيات الحاجز الفائق

تُعد الثنائيات ذات الحاجز الفائق ثنائيات تقويم تجمع بين انخفاض الجهد الأمامي المنخفض لثنائي شوتكي مع قدرة التعامل مع الاندفاعات وانخفاض تيار التسرب العكسي لثنائي الوصلة p-n العادي.

ثنائيات مطعّمة بالذهب

يعمل الذهب (أو البلاتين ) كمادة مُطعِّمة كمركز لإعادة التركيب، مما يُسرِّع عملية إعادة تركيب حاملات الشحنة الأقلية. وهذا يسمح للثنائي بالعمل بترددات إشارة أعلى، على حساب انخفاض أكبر في الجهد الأمامي. تتميز الثنائيات المُطعَّمة بالذهب بسرعتها مقارنةً بثنائيات p-n الأخرى (ولكنها ليست بنفس سرعة ثنائيات شوتكي). كما أنها تتميز بتسريب تيار عكسي أقل من ثنائيات شوتكي (ولكن ليس بنفس كفاءة ثنائيات p-n الأخرى). ^{[ 56 ] [ 57 ]} ومن الأمثلة النموذجية على ذلك ثنائي 1N914.

ثنائيات الاستعادة السريعة أو ثنائية الاستعادة التدريجية

يشير مصطلح "استعادة الخطوة" إلى شكل خاصية الاستعادة العكسية لهذه الأجهزة. فبعد مرور تيار أمامي في جهاز SRD وانقطاعه أو انعكاسه، يتوقف التوصيل العكسي فجأة (كما في شكل موجة الخطوة). ولذلك، يمكن لأجهزة SRD توفير انتقالات جهد سريعة للغاية نتيجة الاختفاء المفاجئ لحاملات الشحنة.

المثبتات أو ثنائيات المرجع الأمامي

يشير مصطلح "المثبت" إلى نوع خاص من الثنائيات يتميز بثبات فائق في جهد التشغيل الأمامي . صُممت هذه الأجهزة خصيصًا لتطبيقات تثبيت الجهد المنخفض التي تتطلب جهدًا مضمونًا ضمن نطاق تيار واسع وثباتًا عاليًا في درجات الحرارة المختلفة.

صمام ثنائي لكبح الجهد العابر (TVS)

هذه ثنائيات انهيارية مصممة خصيصًا لحماية أجهزة أشباه الموصلات الأخرى من الارتفاعات المفاجئة في الجهد العالي . ^{[ 58 ]} تتميز وصلاتها من نوع p-n بمساحة مقطع عرضي أكبر بكثير من تلك الموجودة في الثنائيات العادية، مما يسمح لها بتوصيل تيارات كبيرة إلى الأرض دون أن تتعرض للتلف.

ثنائيات النفق أو ثنائيات إيساكي

تتميز هذه الثنائيات بمنطقة تشغيل تُظهر مقاومة سالبة ناتجة عن النفق الكمومي ، ^{[ 59 ]} مما يسمح بتضخيم الإشارات وإنشاء دوائر ثنائية الاستقرار بسيطة للغاية. وبسبب التركيز العالي لحاملات الشحنة، تتميز ثنائيات النفق بسرعة فائقة، ويمكن استخدامها في درجات حرارة منخفضة (مللي كلفن)، ومجالات مغناطيسية عالية، وفي بيئات ذات إشعاع عالٍ. ^{[ 60 ]} ونظرًا لهذه الخصائص، تُستخدم بكثرة في المركبات الفضائية.

صمامات ثنائية متغيرة السعة أو صمامات ثنائية متغيرة السعة

تُستخدم هذه المكثفات كمكثفات يتم التحكم فيها بالجهد . وهي مهمة في دوائر PLL ( حلقة قفل الطور ) وFLL ( حلقة قفل التردد )، مما يسمح لدوائر الضبط، مثل تلك الموجودة في أجهزة استقبال التلفزيون، بالالتصاق بسرعة بالتردد المطلوب. كما أنها مكّنت من استخدام مذبذبات قابلة للضبط في الضبط المنفصل المبكر لأجهزة الراديو، حيث كان مذبذب بلوري رخيص ومستقر، ولكنه ذو تردد ثابت، يوفر التردد المرجعي لمذبذب يتم التحكم فيه بالجهد .

ثنائيات زينر

يمكن جعل هذه الثنائيات تعمل في حالة الانحياز العكسي، وتُسمى بشكل صحيح ثنائيات الانهيار العكسي. تحدث هذه الظاهرة، المعروفة باسم انهيار زينر ، عند جهد محدد بدقة، مما يسمح باستخدام الثنائي كمرجع جهد دقيق. يُستخدم مصطلح ثنائيات زينر بشكل عام للإشارة إلى أنواع عديدة من ثنائيات الانهيار، ولكن من الناحية الدقيقة، يبلغ جهد انهيار ثنائيات زينر أقل من 5 فولت، بينما تُستخدم ثنائيات الانهيار الجليدي لجهود انهيار أعلى من ذلك. في دوائر مرجع الجهد العملية، يتم توصيل ثنائيات زينر وثنائيات التبديل على التوالي وفي اتجاهين متعاكسين لموازنة استجابة معامل درجة الحرارة للثنائيات عند درجة حرارة قريبة من الصفر. بعض الأجهزة المصنفة على أنها ثنائيات زينر عالية الجهد هي في الواقع ثنائيات انهيار جليدي (انظر أعلاه). يشكل ثنائيان زينر (متكافئان) موصلان على التوالي وفي ترتيب عكسي، في نفس العبوة، ماصًا عابرًا (أو Transorb ، وهي علامة تجارية مسجلة).

يُشير الرمز المستخدم لتمثيل نوع معين من الثنائيات في مخطط الدائرة الكهربائية إلى وظيفتها الكهربائية العامة. توجد رموز بديلة لبعض أنواع الثنائيات، إلا أن الاختلافات بينها طفيفة. يشير المثلث في الرموز إلى اتجاه التيار الأمامي، أي اتجاه تدفق التيار الاصطلاحي .

• 
  الصمام الثنائي
• 
  الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)
• 
  ثنائي ضوئي
• 
  ثنائي شوتكي
• 
  صمام ثنائي لكبح الجهد العابر (TVS)
• 
  ثنائي النفق
• 
  فاريكاب
• 
  ثنائي زينر
• 
  عبوات ثنائية نموذجية بنفس محاذاة رمز الثنائي. يمثل الشريط الرفيع المهبط .

توجد عدة أنظمة ترقيم وتشفير شائعة ومعيارية وموجهة من قبل الشركات المصنعة للثنائيات؛ وأكثرها شيوعًا هما معيار EIA / JEDEC ومعيار Pro Electron الأوروبي :

كان أول استخدام للدايود هو فك تشفير إشارات الراديو المعدلة السعة (AM). تتكون إشارة AM من قمم موجبة وسالبة متناوبة لموجة حاملة، تتناسب سعتها أو غلافها مع إشارة الصوت الأصلية. يقوم الدايود بتقويم إشارة تردد الراديو AM، تاركًا فقط القمم الموجبة للموجة الحاملة. ثم يُستخلص الصوت من الموجة الحاملة المُقوّمة باستخدام مرشح بسيط ، ويُغذّى إلى مُضخّم صوت أو مُحوّل طاقة ، والذي يُولّد موجات صوتية عبر مكبر صوت .

في مجال تكنولوجيا الموجات الميكروية والموجات المليمترية، بدأ الباحثون في ثلاثينيات القرن العشرين بتحسين وتصغير كاشف البلورات. وتُستخدم ثنائيات التلامس النقطي ( ثنائيات البلورات ) وثنائيات شوتكي في أجهزة الكشف عن الرادار والموجات الميكروية والموجات المليمترية. ^{[ 40 ]}

تُصنع المقومات من الثنائيات، حيث تُستخدم لتحويل التيار المتردد (AC) إلى تيار مستمر (DC). تُعد مولدات التيار المتردد في السيارات مثالًا شائعًا، حيث يوفر الثنائي، الذي يُقوّم التيار المتردد إلى تيار مستمر، أداءً أفضل من المُبدِّل أو الدينامو سابقًا . وبالمثل، تُستخدم الثنائيات أيضًا في مُضاعفات جهد كوكروفت-والتون لتحويل التيار المتردد إلى جهود تيار مستمر أعلى.

بما أن معظم الدوائر الإلكترونية قد تتلف عند عكس قطبية مدخلات مصدر الطاقة، يُستخدم أحيانًا صمام ثنائي موصول على التوالي للحماية من هذه الحالات. يُعرف هذا المفهوم بأسماء متعددة تحمل المعنى نفسه: الحماية من عكس الجهد، والحماية من عكس القطبية، والحماية من عكس قطبية البطارية.

تُستخدم الثنائيات بكثرة لتوصيل الفولتيات العالية الضارة بعيدًا عن الأجهزة الإلكترونية الحساسة. وهي عادةً ما تكون منحازة عكسيًا (غير موصلة) في الظروف العادية. وعندما يرتفع الجهد فوق النطاق الطبيعي، تصبح الثنائيات منحازة أماميًا (موصلة). على سبيل المثال، تُستخدم الثنائيات في دوائر التحكم بالمحركات ( محركات الخطوة وجسر H ) ودوائر المرحلات لفصل الطاقة عن الملفات بسرعة دون حدوث ارتفاعات مفاجئة في الجهد قد تكون ضارة. (يُطلق على الثنائي المستخدم في مثل هذا التطبيق اسم ثنائي الارتداد ). كما تتضمن العديد من الدوائر المتكاملة ثنائيات على أطراف التوصيل لمنع الفولتيات الخارجية من إتلاف الترانزستورات الحساسة . وتُستخدم ثنائيات متخصصة للحماية من الفولتيات الزائدة عند القدرة العالية (انظر أنواع الثنائيات أعلاه).

تُبنى دوائر المنطق الثنائي المقاوم باستخدام بوابات AND و OR المنطقية . ويمكن تحقيق الاكتمال الوظيفي بإضافة جهاز نشط لتوفير الانعكاس (كما هو الحال مع دوائر المنطق الثنائي الترانزستوري ).

إضافةً إلى الضوء المذكور سابقًا، تُعدّ الثنائيات شبه الموصلة حساسةً للإشعاعات ذات الطاقة العالية . في الإلكترونيات ، تُسبّب الأشعة الكونية ومصادر الإشعاع المؤين الأخرى نبضات ضوضاء وأخطاءً في البتات، سواءً كانت مفردة أو متعددة. يُستغلّ هذا التأثير أحيانًا في كاشفات الجسيمات للكشف عن الإشعاع. يُولّد جسيم إشعاعي واحد، بطاقة تُقدّر بآلاف أو ملايين الإلكترون فولت ، العديد من أزواج حاملات الشحنة، حيث تُخزّن طاقته في مادة شبه الموصل. إذا كانت طبقة الاستنزاف كبيرةً بما يكفي لالتقاط كامل وابل الإشعاع أو لإيقاف جسيم ثقيل، يُمكن إجراء قياس دقيق نسبيًا لطاقة الجسيم، ببساطة عن طريق قياس الشحنة المُوصّلة، دون الحاجة إلى تعقيدات المطياف المغناطيسي، وما إلى ذلك. تتطلّب كاشفات الإشعاع شبه الموصلة هذه تجميعًا فعالًا وموحدًا للشحنة وتيار تسريب منخفض. غالبًا ما تُبرّد باستخدام النيتروجين السائل . بالنسبة للجسيمات ذات المدى الأطول (حوالي سنتيمتر واحد)، فهي تحتاج إلى عمق كبير جدًا لمنطقة الاستنزاف ومساحة واسعة. بالنسبة للجسيمات قصيرة المدى، يجب أن يكون أي تلامس أو شبه موصل غير مستنفد على سطح واحد على الأقل رقيقًا جدًا. وتكون جهود الانحياز العكسي قريبة من جهد الانهيار (حوالي ألف فولت لكل سنتيمتر). الجرمانيوم والسيليكون من المواد الشائعة. بعض هذه الكواشف تستشعر الموقع بالإضافة إلى الطاقة. ولها عمر افتراضي محدود، خاصة عند الكشف عن الجسيمات الثقيلة، بسبب التلف الإشعاعي. يختلف السيليكون والجرمانيوم اختلافًا كبيرًا في قدرتهما على تحويل أشعة جاما إلى وابل من الإلكترونات.

تُستخدم أجهزة الكشف عن الجسيمات عالية الطاقة المصنوعة من أشباه الموصلات بأعداد كبيرة. ونظرًا لتقلبات فقد الطاقة، فإن القياس الدقيق للطاقة المترسبة يصبح أقل فائدة.

يمكن استخدام الصمام الثنائي كجهاز لقياس درجة الحرارة ، حيث يعتمد انخفاض الجهد الأمامي عبره على درجة الحرارة، كما هو الحال في مستشعر درجة الحرارة المصنوع من السيليكون ذي فجوة النطاق . من معادلة شوكلي للصمام الثنائي المثالي المذكورة أعلاه، قد يبدو أن الجهد له معامل حراري موجب (عند تيار ثابت)، ولكن عادةً ما يكون تغير تيار التشبع العكسي أكثر أهمية من تغير الجهد الحراري. لذلك، فإن معظم الصمامات الثنائية لها معامل حراري سالب ، عادةً -2 ملي فولت/درجة مئوية للصمامات الثنائية المصنوعة من السيليكون. يكون المعامل الحراري ثابتًا تقريبًا لدرجات الحرارة التي تزيد عن 20 كلفن . تُعرض بعض الرسوم البيانية لسلسلة 1N400x، ^{[ 65 ]} ومستشعر درجة الحرارة المبردة CY7. ^{[ 66 ]}

تمنع الثنائيات مرور التيارات في الاتجاهات غير المقصودة. ولتزويد الدائرة الكهربائية بالطاقة أثناء انقطاع التيار، يمكن للدائرة سحب التيار من البطارية . وقد يستخدم نظام الإمداد بالطاقة غير المنقطعة الثنائيات بهذه الطريقة لضمان سحب التيار من البطارية عند الضرورة فقط. وبالمثل، تحتوي القوارب الصغيرة عادةً على دائرتين كهربائيتين، لكل منهما بطارية أو بطاريات خاصة بها: إحداهما لتشغيل المحرك، والأخرى للاستخدامات المنزلية. وعادةً ما يتم شحن كلتيهما من مولد تيار متردد واحد، ويُستخدم ثنائي عالي التحمل لفصل الشحنات لمنع تفريغ البطارية ذات الشحنة الأعلى (عادةً بطارية المحرك) عبر البطارية ذات الشحنة الأقل عندما يكون المولد متوقفًا عن العمل.

تُستخدم الثنائيات أيضًا في لوحات المفاتيح الموسيقية الإلكترونية . ولتقليل كمية الأسلاك المطلوبة، غالبًا ما تستخدم هذه الآلات دوائر مصفوفة لوحة المفاتيح . يقوم متحكم لوحة المفاتيح بمسح الصفوف والأعمدة لتحديد النوتة التي ضغط عليها العازف. تكمن مشكلة دوائر المصفوفة في أنه عند الضغط على عدة نوتات في وقت واحد، قد يتدفق التيار عكسيًا عبر الدائرة، مما يؤدي إلى تشغيل " مفاتيح وهمية" تُسبب عزف نوتات غير مرغوب فيها. لتجنب تشغيل نوتات غير مرغوب فيها، تحتوي معظم دوائر مصفوفة لوحة المفاتيح على ثنائيات ملحومة مع المفتاح أسفل كل مفتاح من مفاتيح لوحة المفاتيح الموسيقية . يُستخدم المبدأ نفسه أيضًا في مصفوفة المفاتيح في آلات البينبول الإلكترونية .

يمكن استخدام الثنائيات للحد من الانحراف الموجب أو السالب للإشارة إلى جهد محدد.

تستطيع دائرة تثبيت الثنائي استقبال إشارة تيار متردد دورية تتأرجح بين قيم موجبة وسالبة، وإزاحتها عموديًا بحيث تقع قممها الموجبة أو السالبة عند مستوى محدد. لا تقيّد هذه الدائرة نطاق الإشارة من قمة إلى أخرى، بل تحرك الإشارة بأكملها لأعلى أو لأسفل لوضع القمم عند المستوى المرجعي.

يتم استغلال العلاقة الأسية بين التيار والجهد للثنائي لتقييم الأسية ووظيفتها العكسية اللوغاريتم باستخدام إشارات الجهد التناظرية (انظر تطبيقات مكبر العمليات §§ الإخراج الأسي والإخراجاللوغاريتمي ).