6.Modul de evaluare:6.1 Examen parial:6.2.Examen final:6.3. Activitate laborator:6.4 Activitate seminar:6.S.Tema de casa

25 puncte.25 puncte.20 puncte.15 puncte.15 puncte

Prezentarea cursului

1. Denumire: ELECTRONICA 1

2. Structura de ore: 3C, lS, IL

3. Numrul de puncte credit (p.c.) alocate: 5

4. Programa cursului:

1.Dioda semiconductoare1.1. Fenomene fizice n jonciunea pn;1.2. Ecuatia, caracteristica statica si punctul static de functionare (PSF);1.3. Probleme rezolvate1.4. Circuite elementare cu diode

2.Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune (TEC-J) si cu grila izolata (TEC-MOS)2.1. Structur, principiu de funcionare, simboluri, caracteristici statice;2.2. Circuite de polarizare (PSF);2.3. Circuite cu TEC;2.4. Etaje de amplificare, probleme rezolvate.

3.Tranzistorul bipolar (TE) .3.1. Structur, simboluri, funcionare, ecuaiile Ebers- Moll, caracteristici statice;3.2. Circuite de polarizare (PSF);3.3. Etaje de amplificare, probleme rezolvate.

4.Amplijicatoare operationale (AO)4.1. Generalitati4.2. Circuite elementare cu AO.

5. Bibliografie:5.1. Stanciu, D., Florescu, A., Dispozitive si circuite electronice analogice, EdituraStudenteasca, Bucuresti, 2003.5.2. Stanciu, D., Dispozitive si circuite electronice analogice. Probleme, Editura PolitehnicaPress, Bucuresti, 2004.5.3. Tomescu, N., Grigore, O., Dispozitive i Circuite Electronice; Electronic Analogic=Aplicaii Practice, Ed. Printeh, Bucureti, 2000.5.4. Hoit, Ch., Electronics Circuits, John Wiley & Sons, 1978.5.5. Dobo, L., Dispozitive i Circuite Electronice, Partea 1, Curs pentru studenii facultiide Electrotehnic, Litografiat U.P.B., 1980

/

11. DIODA SEMICONDUCTOARE

Cuprins Cap. 1.

1.1. Structur i simbol1.2.Fenomene fizice n jonciunea pn - Aproximaia de golire1.3. Diferena intern de potenial si grosimea regiunii de sarcin spaial1.4. Ecuaia diodei

1.4.1. Ecuaia teoretic a diodei (jonciunii pn)1.4.2. Ecuaia practic a diodei:1A.3. Caracteristica static ajonciunii pn1AA. Liniarizarea caracteristicii diodei

1.5. Polarizarea diodei (PSF)1.5.1. Polarizarea direct a diodei (PSF)1.5.2.Polarizarea invers a diodei

1.6. Aplicatii1.7. Strpungerea diodei si dioda Zener1.8. Dependena de temperatur a cderii de tensiune n polarizare direct1.9. Circuitul echivalent de semnal mic

1.9.1 Rezistena intern a jonciunii pn

1.9.2.Capacitile jonciunii pn

1.9.3. Circuitul echivalent al diodei1.10. Tipuri de diode1.11. Circuite cu diode

1.11.1.Redresorul monoalternan1.11.2.Redresorul bialternan1.11.3.Circuite de limitare a semnalului1.11A.Poarta de maxim1.11.5.Poarta de minim1.11.6.Detector de valoare de vrf

1.1.Structur i simbolDioda semiconductoare este o jonctiune pn ,i conine dou regiuni alturate, una de tipp

i cealalt de tip n. Linia de separare dintre cele dou regiuni se numete jonciune metalurgic.Unul dintre simbolurile diodei utilizat n circuitele electronice este prezentat fig. 1.1.l.a), n care

prinA s-a notat electrodul numit anod conectat la semiconductorul de tipp al jonciunii pn, iar prin Ks-a notat electrodul numit catod conectat la semiconductorul de tip n. Sensurile pozitivepentru tensiunesi curent pe/prin dioda sunt de la anod la catod, asa cum se vede si in figura 1.1.1.

/

electron smuls dinlegtura covalenteleciron liber

i DAI) C>t IKr~~

Vv

a) b)

Fig. 1.1.1. Simbolul si structura diodei

Semiconductoare de tip p i nMaterialele semiconductoare sunt siliciul i germaniul, dar cel utilizat astazi este siliciuln fig. 1.1.2 este prezentat structura semiconductorului .

electron care ocup locul liber,desfcnd alt legtur covalent

Fig.1.1.2. Structura semiconductorului

Siliciul i germaniul sunt tetravalente, adic un atom avnd patru electroni de valenformeaz patru legturi covalente cu cei patru atomi vecini.

Cercul n care s-a nscris cifra +4 simbolizeaz atomul fr electronii de valen, adicelectronii de pe ultimul strat. ntre doi atomi nvecinai se stabilete o legtur covalent.Legtura covalent se face cu o pereche de electroni, cte unul de la fiecare atom.

Funcionarea dispozitivelor semiconductoare impune studiul comportrii electronilor devalen, acetia fiind purttorii de sarcin n mecanismele de conducie electric. Acest studiuimplic i plasarea semiconductorului n cmpuri electrice, magnetice, sub aciune a luminii sau aradiaiilor nucleare, etc. Un caz particular l constituie absena acestor ageni externi i otemperatur uniform n tot volumul materialului, ceea ce situeaz semiconductorul n condiii deechilibru termodinamic, numit i echilibru termic sau, pe scurt, echilibru. Toate celelalte situaiisunt stri de neechilibru.

ntr-un semiconductor exist dou tipuri de purttori mobili de sarcin: golul cu sarcina

(+ q) i electronulliber cu sarcina (- q), unde q = 1,6.10-19 C.

Un electron care prsete legtura covalent nu mai este legat de atomul de la careprovine i se deplaseaz libern interiorul reelei cristaline. Acest electron se numete electron de

2

3conducie. Locul rmas liber poate fi ocupat de un alt electron din alt legtur covalent care s-arupt. Electronul smuls din legtura covalent este electron liber, iar locul rmas liber se numete"gol".

Din cele discutate mai sus, rezult c ntr-un semiconductor intrinsec (pur), prin rupereaunei legturi covalente se formeaz o pereche electron - gol.

Un semiconductor poate conine dou tipuri de impuriti (atomi de impuriti ionizaiimobili):

- impuriti donoare (pentavalente) cu sarcina + q ;- impuriti acceptoare (trivalente) cu sarcina - q .Impuriti donoare: sunt impuritipentavalente (fosforul, arseniul, stibiul). Impuritatea

donoare substituie un atom de semiconductor din retea. Patru dintre electronii de valent, ,formeaz legturile covalente cu atomii vecini, al cincilea este slab legat, astfel c la temperaturacamerei acesta primete suficient energie pentru a se desprinde de atomul donor i a devenielectron de conducie. Formarea acestui electron liber nu este nsoit de apariia unui gol (locliber ntr-o legtur covalent). Acesta este mecanismul prin care se realizeaz un semiconductorde tip n. Semiconductorul de tip n conine i goluri create prin mecanismul explicat anterior.

Impuriti acceptoare: sunt impuriti trivalente (borul, indiu, galiul, aluminiul). Atomulde impuritate trivalent satisface numai trei legturi covalente cu atomii vecini, rmnnd olegtur covalent nesatisfcut. Aceast legtur se poate completa cu un electron dintr-olegtur covalent vecin, care las n urma lui un gol. Formarea acestui gol nu este nsoit deapariia unui electron de conducie. Acesta este mecanismul prin care se realizeaz unsemiconductor de tip p. Semiconductorul de tip p conine i electroni creai prin mecanismulexplicat anterior.

La OK = -273C, impuritile nu sunt ionizate i concentraiile lor sunt nule. Dupcreterea temperaturii cu 50K, practic toate impuritile sunt ionizate i concentraiile devinconstante cu creterea temperaturii.

Semiconductoarele de tip p i n se numesc extrinseci pentru c proprietile lor suntdeterminate n principal de impuriti n domeniul temperaturilor de funcionare. nsemiconductorul de tipp golurile suntpurttori majoritari, iar electronii purttori minoritari, iar insemiconductorul de tip n electronii suntpurttori majoritari i golurile suntpurttori minoritari.

1.2.Fenomene fizice n jonciunea pn - Aproximaia de golireCele dou regiuni p i n ale jonciunii pn nu sunt independente i ntre ele apar fenomene

de difuzie,care dau natere unui curent de difuzie. Astfel, golurile, purttori majoritari n regiuneap, difuzeaz n regiunea n unde concentraia de goluri este mult mai mic (purttori minoritari).Aici golurile se recombin datorit tendinei s~miconductorului de tip n de a restabili echilibrul,caracterizat de o concentraie mic de goluri. In mod similar, electronii din zona n difuzeaz nzona p. Procesele de difuzie ncep evident cu purttorii din apropierea jonciunii metalurgice. nzona p adiacent jonciunii metalurgice, prin plecarea golurilor apare un exces de sarcin negativdatorat ionilor accept ori (sarcini fixe). Zona n din apropierea jociunii metalurgice capt osarcin n exces pozitiv, prin acelai procedeu. Ca urmare se stabilete un cmp electric internorientat de la regiunea n spre regiunea p( 1.2.1). Acest cmp electric transport golurile dinspreregiunea n spre regiunea p i electronii dinspre regiunea p spre regiunea n, deci n sens contrarfluxurilor de difuzie ,dnd natere unui curent de drift. Ca urmare, procesul de scdere aconeentraiilor de purttori majoritari continu pn se asigur echilibrul curenilor de difuzie ide drift (cmp). Aceast situaie corespunde unui curent electric nul prin structur, rezultatcompatibil cu condiia de echilibru termic.

4Conform aproximaiei de golire (fig.1.2.1) , jonciunea se mparte n trei regiuni:regiunea de trecere (n jurul jonciunii metalurgice) -1p ::::;x ::::;Ini dou regiuni neutre, una pi alta n. n regiunea de trecere nu exist purttori mobili de sarcin, ci numai ioni de impuritiacceptoare n regiuneap, avnd sarcin electric negativ i respectiv ioni de impuriti donoaren regiunea n, avnd sarcin electric pozitiv. Regiunile neutre sunt neutre din punct de vedereelectric.

Regiunea de trecere se mai numete i regiune golit sau regiune de sarcin spaial.Regiunile neutre p i n au o comportare identic cu aceea a dou semiconductoare

separate.

v /1' I v v /I I :regiune neutr nregiune neutr p I regiune deI

I _

I : trecere II I

I

I I I -!.o O f. 11 x~

Fig. 1.2.1 Jonctiunea pn, conform aproximatiei de golire

1.3. Diferena intern de potenial si grosimea regiunii de sarcin spaialCmpul electric intern E d natere unei tensiuni numit diferen intern de potenial

If/O, care are acelai sens cu cmpul electric.Intre dimensiunile regiunii de sarcina spatiala cu si fara tensiune aplicata se poate scrie:

1~IO~l- V ; IpdpO~l- V ; In=lnO~l- V (1.3.1)'PO 'PO 'PO

unde 10, IpO i InO sunt 1, IP i In pentru V=O.Pentru tensiune aplicat pozitiv (polarizare direct), adica cu polaritatea pozitiva la anod

si cea negativa la catod, grosimea regiunii de sarcin spaial scade, iar pentru tensiune negativ(polarizare invers), adica cu polaritatea negativa la anod si cea pozitiva la catod, grosimearegiunii de sarcin spaial creste, astfel c n polarizare direct fluxul de purtatori mobili au detraversat o regiune golita de dimensiuni mici (dioda conduce), iar in polarizare inversa totul esteopus(dioda este blocata).

1.4. Ecuaia diodei

1.4.1. Ecuaia teoretic a diodei (jonciuniipn)Ecuaia teoretic a diodei este:

qV

J = J s (e kT -1) (1.4.1)Unde: Is este curentul de saturaie al diodei ,care se mai numete curent invers sau curentrezidual, 1, V- curentul prin dioda, respectiv tensiunea pe dioda, k si T- constanta lui Boltzman,respectiv temperatura in grade Kelvin.

(1.4.4)Din relatia (l.4.4), neglijand curentul invers fata de curentul direct prin dioda

cderea de tensiune pe diod n polarizare direct

V=kT ln~q 1s

se obtine

Asa cum am aratat mai sus dioda poate fi polarizat direct sau invers.In polarizare directa exponentiala este mult mai mare ca unu si ecuatia diodei devine :

qV

1= 1sekT (l.4.2)In polarizare inversa exponentiala este mult mai mica ca unu si ecuatia diodei devine:

1--1- s (1.4.3)

Relatia (1.4.1) se mai scrie:q'V 1 1

ekT =~1s

Logaritmand se obtine:

v = kT In 1 +1sq i,

(1.4.5)

1.4.2. Ecuaia practic a diodeiSa pornim de la un exemplu numeric. Consideram o diod cu siliciu care are 1 = 10mA ,

1S = 10-9 A, kT / q = 25m V, din relaia (1.4.5) se obine:V = 25.10-3 ln(10-2 /10-9) == 0,4V .

n realitate, cderea de tensiune direct tipic pe o diod cu siliciu de mic putere este de(O,6V-'c-0,7V). Diferena ntre cderea de tensiune calculat (V == O,4V) i cderea de tensiune

. tipic (O,6V+0, 7V) se datoreaz n principal cderilor de tensiune pe rezistenele regiunilor neutrei pe contactul metal-semiconductor. De aceea, membrul drept al relaiei (1.4.5) se nmulete cuun coeficient m E [1,'2], adic:

kT 1V=m-ln-q 1S

(l.4.6)

Deci, ecuatia practica a diodei este:q'V

1=1s (e mH -1) (1.4.7)unde m este un coeficient cu valori ntre 1 i 2.

Din relatia (1.4.7), neglijand curentul invers fata de curentul direct prin dioda se obtineecuatia diodei n polarizare direct

/ (1.4.8)

1.4.3. Caracteristica static a diodei.

5

i 1 1

Caracteristica static a diodei este reprezentarea grafic a ecuatiei acesteia. Reprezentareagrafic este cea din fig. 1.4.l.

i

o v

Fig. IA. 1. Caracteristica static a jonciunii pn

Pentru polarizare directa (v>O), se reprezinta ecuatia (1.4.2), iar pentru polarizareinversa (v

(1.5.1)

n fig 1.4.2 c) pn la tensiune a VAO curentul prin diod este nul, i ncepnd de aicicurentul prin diod crete liniar cu creterea tensiunii. Acest lucru este pus n eviden derezistena intern echivalent n curent continuu r d , care pentru un punct P oarecare de pecaracteristic are valoarea:

Vp -VAO"d = Ip

unde: Ve , lp reprezint tensiunea, respectiv curentul n punctul P. Circuitul electric echivalenteste format din comutatorul k, generatorul de tensiune VAO i rezistena ra. Modelul se aplicatunci cnd rezistenele din circuit sunt mici avnd valori comparabile cu rezistena internechivalent a diodei.

(1.4.9)

1.5. Polarizarea diodei (PSF)1.5.1. Polarizarea direct a diodei (PSF)Prin polarizare direct a diodei semiconductoare se nelege aplicarea unei tensiuni

continue cu polaritatea pozitiv n anod i polaritatea negativ n catod. Dioda polarizat directeste parcurs de curent electric. Se spune c dioda conduce sau c dioda este deschis. Cdereade tensiune pe dioda deschis este mic, curentul prin diod fiind impus de circuitul exterior.

Fig. 1.5.1 a) este un exemplu simplu depolarizare direct a diodei. RezistenaR conectatn serie cu dioda D contribuie la stabilirea curentului prin circuit.

Prin punct static defuncionare (PSF) al diodei se nelege perechea de valori format dintensiunea continu pe diod i curentul continuu prin diod. PSF este soluia sistemului V= VA iI =IA format din ecuaia neliniar a diodei dat de relaia (1.4.7) i dreapta de sarcin, obinutdin teorema lui Kirchhoff pentru tensiuni aplicat circuitului din fig. l.5.1 a).

RI I

(

!EA /-... !D "_"-._. I

.1"\. -.-.-.... I

1 /' D ti:~ - - -"'::1

8Sistemul de ecuaii (1.5.1) se poate rezolva prin dou metode si anume prin metoda graficsau prin metoda iterativ.

Metoda grafic const n trasarea graficelor ecuaiilor sistemului (1.5.1), punctul deintersecie al acestora fiind punctul static de funcionare P(V A, 1A) sau interseciacaracteristicii diodei date n catalog cu dreapta de sarcin. Pentru exemplul din fig.1. 5.1a), dreapta de sarcin intersecteaz axele n punctele V = EA i 1= EA / R (fig. 1.5.1 b).

Metoda iterativ const n rezolvarea sistemului (1.5.1) prin mai multe iteraii (pas cupas).Pentru aceasta se rescriu ecuaiile sistemului (1.5.1) astfel:

EA-V1= (1.5.2 a)RkT 1V=m-In- (1.5.2.b)q IS

Pasull: V = O; din (1.5.2 a), 1] = EA ; din (1.5.2 b ), VI = m kT In!L;R q IS

Pasul 2: 12 = EA - VI . V2 = m kT In12 .R' q IS'

EA -V2 kT 13Pasul 3: 13 = ; V3 = m-In-;

R q IS.a.m.d.

Precizia de calcul a PSF crete odat cu creterea numrului de iteraii.Pentru ilustrarea metodei, se consider urmtorul exemplu numeric pentru circuitul din

fig. 1.5.1 a): EA = 12V, R = 3Kf2, 1S = 10~9 A, kT / q = 25mV i m = 1,5. Sase calculezelsi V cu cinci zecimale exacte.

Pasul 1: Se alege V] = OV .Din ecuaia (1.5 2 a), rezult II = EA /R ~.4 mA.Pasul 2: Se introduce valoarea lui 1] n ecuaia (1.5.2 b) i rezult:

_ 4.]0-3V2 =],525]0 31n =0,57V

]0-9Pasul 3: Se introduce valoarea lui V2 n relaia (1.5.2 a). Se obine:

EA -V212 = =381mAR ' .

Pasul 4: Cu 12 n relaia (1.5.2 b), se obine V3 = 0,56824V ..Pasul 5: Cu V3 n relaia (1.5.2 a), se obine 13 = 3,8111 mA.Pasul 6: Cu 13 n relaia (1.5.2 b), se obine V4 =0,56824V.

Se observ c la pasul 6 s-a obinut V4 = V3 = 0,56824V , deci iteraiile se opresc aici.Pentru acest exemplu, procesul iterativ este rapid convergent.

Deci, s-a obinut PSF de coordonate VA = V4 = 0,56824V i IA = 13 = 3,8111mA .

I I

Obs: Din punct de vedere practic, cderea de tensiune direct pe diod este aproximativconstant. De aceea, se poate alege VA = O,6V i din relaia (1.5.2 a) rezult 1A ~ 3,8mA,valori apropiate de cele determinate prin metoda iterativ. De aceea, de cele mai multe ori seutilizeaz pentru diod caracteristicile liniarizate.

1.5.2.Polarizarea invers a diodeiPrin polarizare invers a diodei semiconductoare se nelege aplicarea unei tensiuni

continue cu polaritatea negativ n anod i polaritatea pozitiv n catod. Dioda polarizat inverseste parcurs de curentul de saturaie 1S avnd valori tipice foarte mici (de ordinul nA pentrusiliciu). De aceea, se spune c dioda nu conduce sau c dioda este blocat. Cderea de tensiunepe dioda blocat este impus de circuitul exterior, curentul prin diod fiind practic neglijabil

Il,. r \,

D'; lV->- )

~--------------~Fig. l.5.2. Polarizarea inversa a diodei

Fig. 1.5.2 este un exemplu depolarizare invers a diodei. Neglijnd curentul prin diod,care este curentul de saturaie 1S' cderea de tensiune pe rezistenaR este nul i pentru circuituldin fig. l.5.2 sistemul de ecuaii este:

{1~-lSV=-EA

n polarizare invers, valoarea absolut a tensiunii pe diod este practic egal cu tensiune asursei de polarizare.

1.6. Aplicatii

1.6.1. S se determine curenii i tensiunile pe diodele identice D si Do, din fig. l.6.1,utiliznd caracteristicile liniarizate din fig. l.4.2. a) i b).

Se dau: EA = 15V; R = 5kni VA = O,6Vpentru caracteristica din fig. 1.4.2.b).

"

9

a) b)

LaR

1........0L

Fig. 1.6.1

Rezolvare:innd cont c dioda D este polarizat direct i dioda DO este polarizat invers, schema

electric echivalent utiliznd caracteristica liniarizat a diodei din fig. lA.2.a) este prezentat n fig.

1.6.2 a).

ko

Fig. l.6.2

Din fig. 1.6.2.a) i innd cont de caracteristica liniarizat a diodei din fig. 1A.2.a), rezult:EA 15

VD =O; VDO =-15V; IDO = O; ID = -= =3mA.R 5.103

Schema electric echivalent, utiliznd caracteristica liniarizat a diodei din fig. lA.2.b) este

prezentat n fig. 1.6.2.b).

Din fig. 1.6.2.b) i innd cont de caracteristica liniarizat a diodei din fig. lA.2.b),rezult:

10

Vt: = VA = O,6V; VDO = -14,4V; IDO = O;

ID = EA -VD = 15 -0,6 = 2,88 mA.R 5.103

1.6.2. S se calculeze curenii i tensiunile pe diodele identice din fig. 1.6.1, utiliznd

caracteristica liniarizat din fig. 1.4.2.c).

Se dau: EA = 5V; R = 10f2; VAO = 0,5V; rd = 0,5f2.Rezolvare:

innd cont c dioda D este polarizat direct i dioda DO este polarizat invers, schema

electric echivalent utiliznd caracteristica liniarizat a diodei din fig. l.4.2.c), este prezentat

n fig. 1.6.3.

R

Fig. 1.6.3

Pe circuitul din fig. 1.6.3 se poate scrie succesiv:

VD =VAO +ral t: =0,5+0,5ID

EA = RID +VD = RID +VAO +rdID5 = 10ID +0,5 +0,5ID;

ID = 4,5 = O43A10,5 '

VD =VAO +rdID =0,5+0,50,43 = 0,715 V

/ VDO =VD -EA = 0,715-5 =-4,285V

IDO =0

11

(1.6.3)

1.6.3.n polarizare direct cderea de tensiune pe dioda D din fig. 1.6.4 este 0,7y' De asemenea,

valorile surselor de tensiune sunt: El = 9V i E2 = 18V .S se calculeze valoarea sursei detensiune E X n urmtoarele situaii: a) Rj = R2 i b) R2 = 2Rj.

+)E"L-jI.

Fig. 1.6.4

Rezolvare:Pe circuitul din fig. 1.6.4, aplicnd principiul suprapunerii efectelor, rezult:

R2 . RjVo= Ej+ E2

Rj +R2 Rj +R2De asemenea, cu notaiile din fig. 1.6.4, se poate scrie:

Vo =VA +ExDin relaiile (1.6.1) i (1.6.2) rezult:

R2 RjEx= Ej+ E2-VA

Rj +R2 Rj +R2a) Pentru: Rj = R2 = R, din relaia (1.6.3) se obine:

E _Ej+E2_Vx- A2nlocuind valorile numeri ce, avem:

(1.6.1)

(1.6.2)

E =9+18_07=128VX 2 ' ,

b) Pentru: R2 = 2Rj relaia (1.6.3) devine:, 2 1

Ex=-Ej+-E2-VA3 3nlocuind valorile numeri ce, avem:

12

(1.6.S)

2 1Ex = - .9 + - 18 - O7 = 11 3V3 3 ' ,Se constat c valoarea lui E X nu depinde de valorile rezistenelor R1 i R2 ' ci numai

de raportul lor.

1.6.4. Se consider circuitul cu diode din fig. P 2.1S. S se calculeze valoarea rezistenei Rpentru ca pe rnd diodele Dj i D2 s fie polarizate direct cu o tensiune de O,SV. Se tie cEl = E2 = 10 V i RO= 2o.

R

va

Fig. l.6.SRezolvare:

Aplicnd principiul suprapunerii efectelor pe circuitul din fig. 1.6.S, se obine:Ro RVo= Ej- E2 (l.6.4)Ro+R RO+R

Din relaia (l.6.4) rezult expresia pentru calculul rezistenei R:

Cnd dioda D l este n conducie, Vo = 0,5 V .n acest caz, nlocuind datele numericen relaia (1.6.S), pentru rezistena R se obine:

R = 2.10310-0,5 -18kQ < R10+ 0,5' O

Cnd dioda D2 este polarizat direct, Vo = -0,5 V.Valoarea rezistenei R este

/

13

Fig. 1.7.1. Circuit de polarizare inversa

Dac circuitul electric exterior limiteaz curentul prin jonciune (fig. 1.7.1) la ovaloare care nu duce la distrugerea structurii prin nclzire excesiv, fenomenul destrpungere este reversibil. Coordonatele punctului P corespunztor strpungerii sunt:VA =-Vstr i IA =-Istr, aa cum se vede n fig. 1.7.2. Relaia de legtur ntre aceste

coordonate este dat de teorema Kirchhoff pentru tensiuni:RI +V = -EA. (1.7.1)

R = 2.10310+0,5 - 2 2kQ > Ro10-0,5 '

1.7.Strpungerea diodei si dioda Zener

Prin strpungerea diodei se nelege creterea puternic a curentului invers prindiod ncepnd de la o anumit tensiune care se numete tensiune de strpungere .

..R

~+ )

v

Fig. 1.7.2. Caracteristica diodei la strapungere

o categorie de diode la care se utilizeaz n aplicaii caracteristica n polarizare inverseste dioda Zener. Un simbol pentru dioda Zener este cel utilizat n fig. 1.7.3 a). Tensiunea destr}?ungere se numete tensiune Zener i este practic constant.

14

~----------------------------~

i

vK 1 ""j\Z v:z

-E -v:4. z~------, -Iz

I (-~)/R

E --'-+~)A-

a)b)

Fig. 1.7.3. a) Circuit cu diode Zener.b) Caracteristica diodei Zener

Fig. 1.7.3 b) ilustreaz. metoda grafic de determinare a punctului static de funcionare

P(Vz ,1 z ), unde tensiunea Vz este un parametru al diodei Zener. Analitic curentul Iz se poate

determina din teorema Kirchhoff pentru tensiuni aplicat pe circuitul din fig. 2.8 a), de unde

rezult:

De unde:

Aplicatie: o diod Zener avnd tensiunea Vz = 10 V i curentul minim la caredioda stabilizeaz Izmin = 5mA este utilizat n circuitul din fig. P 2.16.Tensiunea de alimentare En este nestabilizat i variaz ntre 15 i 20V.

R 1Tl' -L

+ lE~l( R t:-l"~ ,f) L Z

""""z

Fig. 1.7.4

S se calculeze valoarea rezistenei R i curentul maxim prin dioda Zener, tiind c prinsarcin curentul variaz ntre 20 i 50mA.

/

Rezolvare:

Pe circuitul din fig. 1.7.4 se poate scrie:

15

(1.7.3)

En = Rl + Vz1=lz+ILDin relaiile (1.7.1) i (1.7.2) rezult:

En -V7R= -Iz +IL

(1.7.1)

(1.7.2)

Valoarea rezistenei R se calculeaz din relaia (1.7 ..3), in conditiile cele maldefavorabile:

s; = Emin =lSV;Vz =10V;lz =lzmin =SmA;IL =ILmax=SOmA.R = Emin - Vz

1zmin +1Lmax15-10 -91D

(5+50).10-3(l.7.4)

Curentul maxim prin dioda Zener se calculeaz pentru valoarea maxim a tensiunii dealimentare (Emax=20 V) i valoarea minim a curentului prin sarcin tIL min=20 mA).n aceste condiii, din relaia (2.16.1) valoarea maxim a curentului 1este:

1 _Emax-Vzmax -R

20 -10 = O 11A91 '

(l.7.5)

Curentul maxim prin dioda Zener se obine din relaia (1.7.2), astfel:

1zmax = 1max -IL min = 110-20 = 90 mA

1.8. Dependena de temperatur a cderii de tensiune n polarizare directLa o diod n pactic intereseaz variaia tensiunii de polarizare direct la curent constantexprimat prin coeficientul dv / dT la i=ct.Acest coeficient este msurat n [m V / "CJ i are valori cuprinse ntre ( - 1mV / e) i

(- 3m V / "Cv; valoarea tipic fiind (- 2m V / ce). Variaia cu temperatura a caracteristiciidiodei n polarizare direct este artat n fig.1. 8.1 pentru dou temperaturi diferite Ti i T2,unde T2 > Ti .Se observ c la creterea temperaturii cderea de tensiune direct scade, curentulfiind meninut constant.

16

L=IA=ct./'12 }

12>1} 1}

-----1/:/:

III

II

I

~ ~ v2 1Fig. 1.8. 1. Variaia cu temperatura a cderii

de tensiune direct la curent constant

CA2 CAl ~ V

Fig.1.8.2. Dependena de temperatur a PSFn polarizare direct

n fig.1. 8.2 este ilustrat deplasarea PSF la cresterea temperaturii. Din aceast figur, rezultc la creterea temperaturii cderea de tensiune direct scade (VA2 < VAI ) i curentul direct

prin diod crete (1A2 > 1Al)'

1.9. Circuitul echivalent de semnal mic

Fie jonciunea pncreia i se aplic tensiunea VA ( t ) = VA + Va ( t) i prin care circulcurentul iA (t ) =1A + ia (t ) ,unde VA, 1A sunt componentele continue ale semnalului, iar va,ia sunt componentele variabile de frecven joas ale acestuia (de exemplu, componente sinusoidalede frecven joas).

Componenta continu VA a tensiunii vA (t) polarizeaz n curent continuu jonciuneapn, fixnd PSF. Dioda funcioneaz n regim staionar. Componenta variabil Va modific

regimul staionar prin modificarea dimensiunilor regiunii de trecere, a barierei de potenial i a

distribuiei purttorilor minoritari n regiunile neutre, deplasnd PSF pe caracteristica diodei n

ritmul semnalului. Dioda funcioneaz n regim dinamic. Dac Va esefrecven joas, regimul

de funcionare se numete regim cvasistaionar.

1.9.1 Rezistena intern a jonciunii pnEcuaia diodei scris pentru iA i vA devine:

kT 1 iA + i,vA = - n....::..=..---=-q 1s

Derivnd relaia (1.9.1) se obine succesiv:

= kT 1/1 s . dv Aq (iA + 1S )/ 1S ' diA

(1.9.1)

kTq

1 (1.9.2)

17

Va = kT 1la q IA + IS

(1.9.3)

Aceast relaie arat c n regim variabil cvasistaionar de semnal mic, jonciunea pn

poate fi modelat printr-o rezisten intern 'i = Va / ia dat de relaia (1.9.3), numit irezisten dinamic sau rezisten diferenial.

n continuare, se particularizeaz relaia (l.9.3) pentru polarizare direct i invers..n polarizare direct:

kTri =

qIA (1.9.4)Deoarece curentul IA este mare, rezistena intern ~ este mic. Se observ c

rezistena dinamic ri depinde de valoarea curentului n punctul static de funcionare 1A .n polarizare invers:

kT~ = 1 (1.9.5)

q' SDeoarece curentul este mic, rezistena intern este mare.

Interpretarea geometric a rezistenei interne rt este ilustrat n fig.2.14.3, n care inversul panteicaracteristicii statice a diodei pentru o variaie mic dat n jurul PSF este 'i = va / ia'

o 'Ii'Fig.l. 9.1. Interpretarea geometric a rezistenei interne'

1.9.2.Capacitile jonciunii pn

Cnd componenta variabil Va (t) are variaii rapide, adic jonciunea pn nu maifuncioneaz n regim cvasistaionar, viteza de variaie dv., / dt este mare, iar n jonciuneapar efecte dinamice care se modeleaz prin capacitile jonciunii pn.

Capacitatea de barier caracterizeaz modificarea sarcinii electrice de bariera

Ob n regiunea de trecere la variaia tensiunii de polarizare VA .

Notand ebO capacitatea de bariera pentru tensiune aplicat din exterior zero, dependentaacesteia de tensiunea aplicata VA este:

18

(l.9.6)

Din relaia (l.9.6), rezult c n polarizare direct (VA> O) capacitatea de bariercrete, iar n polarizare invers (V A < O) , capacitatea de barier scade.

Capacitatea de difuzie caracterizeaz modificarea sarcinii electrice de difuzieQd n regiunea de trecere la variaia tensiunii de polarizare vA, fiind definit. .pnn expresia:

Cd = dQddVA

(l.9.7)

Se consider c sarcina electric Qd are expresia:0d =TO iA,

unde T O este durata medie de via a purttorilor mobili de sarcin.lntroducnd (1.9.8) n (1.9.7) se obine:

(1.9.8)

diA C _ rOCd = TO-- sau a=>:dVA r. (1.9.9)

Din relaia (1.9.9) rezult c n polarizare direct capacitatea de difuzie are valori marideoarece ~ este mic, iarn polarizare invers capacitatea de difuzie are valori foarte mici (tinde

la zero), deoarece ri este foarte mare.

1.9.3. Circuitul echivalent al diodei

Circuitul echivalent al diodei este format dintr-o rezisten intern ri i doucapaciti C, i Cd n paralel, ca n fig.2.9 a).

ri---1 ~

~,d0--+----1, ,r---""--o

Cb'----1' '1-----', ,

a)

ri----i 1--

;,d0--+----1, ,

Cb0>---11,------

vde barier Cb crete, valoarea ei fiind de ordinul pF se neglijeaz fa de capacitatea de difuzieCd care este de ordinul nF. De aceea, n circuitul echivalent valabil n polarizare direct, rmnedoar capacitatea de difuzie Cd n paralel cu rezistena intern ri. La polarizare invers (fig.1.9.2 c), capacitatea de difuzie Cd este neglijabil, deci conteaz numai capacitatea de barierCb, iar rezistena intern fiind foarte mare se neglijeaz.

1.10.Tipuri de diodeDiodele semiconductoare bazate pe jonciunea pn se realizeaz ntr-o mare varietate de

tipuri n funcie de utilizrile care li se dau n circuite. n cele ce urmeaz se prezint cu titluinformativ cteva dintre acestea, n scopul sublinierii spectrului larg de aplicaii. Diodele redresoare sunt folosite la realizarea redresoarelor, care transform tensiunea

alternativ n tensiune continu. De regul, frecvena semnalelor redresate este frecvenaindustrial ( 50Hz sau 60 Hz). Principalii parametri ai diodelor redresoare sunt: curentuldirect maxim, tensiunea invers maxim i puterea disipat maxim. S-au realizat dioderedresoare de mii de Amperi i de mii de Voli tensiune invers.

Diodele deteetoare sunt folosite pentru demodularea semnalelor radio, video etc. Funcia loreste asemntoare redresrii, dar semnalele prelucrate au de regul frecvene mari (sute kHz,MHz) i cureni direci, tensiuni inverse i puteri disipate nesemnificative. Diodele de comutaie sunt folosite n circuite de impulsuri. Principalii parametri sunt

timpii de comutaie la deschidere i mai ales la blocare. Timpul de comutaie ladeschidere este timpul necesar trecerii diodei din starea blocat n starea deschis, iartimpul de blocare este timpul necesar pentru trecerea invers. Pentru micorarea timpilorde comutaie trebuie redus durata de via al purttorilor mobili de sarcin. Acest lucruse face de exemplu prin impurificarea siliciului cu aur.

Dioda varieap este folosit drept condensator cu capacitate variabil i este utilizat ncircuite acordate, oscilatoare, filtre etc. Pentru a servi unui astfel de scop dioda estepolarizat invers. Schema echivalent a jonciunii cuprinde atunci doar capacitatea debarier, a crei valoare este controlat prin valoarea tensiunii inverse aplicate.

Dioda stabilizatoare (Zener) folosete regiunea de strpungere (polarizare invers) acaracteristicii statice de exemplu pentru stabilizatoare de tensiune, aa cum s-a artat nparagraful 2.12, circuite de limitare i alte aplicaii.

Dioda tunel are o caracteristic electric n polarizare direct n form de N. Pe poriuneaPV (fig.l.1 0.1) are o rezisten intern negativ, utilizat de exemplu n generatoare de

semnal. Constructiv, este o diod p +n+ cu concentraii mari de impuriti n ambeleregruru.

iP Jr,

o/ Fig.1. 10.1. Caracteristica static a diodei tunel

20 .

21

Fotodioda este o diod a crui regiune n este subire, iar contactul la aceast regiune estetransparent i i se poate aplica un flux luminos asupra catodului (fig.l.lO.2a). Simbolulfotodiodei este artat n fig. 1.10.2b).

~~: /

Ac--~

~ /~ / A~K~-;;

///F(

b)a)Fig.l.lO.2. Fotodioda

a) structur intern; b)simbol

Ecuatia fotodiodei:

iA ~] S (e qvA / kT - 1)- ] (~),unde ~ este fluxul luminos, iar 1este un curent a crui mrime depinde de ~ .

n absena luminii: 1(~ ) = 0- fotodioda se comport ca o diod obinuit caracteristica satrecnd prin origine.

n prezena luminii: I( ~ 0, caracteristica nu mai trece prin origine, ci traverseazcadranul IV. La funcionarea n cadranul IV fotodioda se comport ca un generator de energiepentru c vA > O iar iA < O .

Dioda luminiscent (LED) este dioda care n polarizare direct emite lumin de diferiteculori: rou, verde, galben, portocaliu. Simbolul diodei luminiscente este prezentat n fig.1.1 0.3.Se folosesc, de exemplu, pentru semnalizri: prezena tensiunii de alimentare, depire curentmaxim, depire tensiune maxim etc. .

///A o ~ 0K

Fig.1.10.3. Simbolul diodei luminiscente

Se realizeaz din GaAsP. Excitaia luminiscent se realizeaz prin injecie de purttoriminoritari.

1.11.Circuite cu diode

1.11.1.Redresorul monoalternantn fig. 1.11.la) este prezentat' schema electric a redresorului monoaIternan, unde

Vi (t) este un generator de und sinusoidal, D este o diod redresoare, iar RS este rezistena desarcin.

/

Da) b)

Fig.1. 11.1. Redresor monoaltemana) schema electric; b) forme de und

Pe altemana pozitiv a tensiunii vi ( t) dioda D este polarizat direct (conduce), iar pealtemana negativ dioda este polarizat invers (blocat). Formele de und ale tensiunii de intrarevi (t ) , cderii de tensiune pe diod vA (t) i tensiunii de ieire vO (t) sunt prezentate n fig.1.11.1b). Pe altemana pozitiv cderea de tensiune vA (t ) pe diod este mic (== O ,6V ), iar pealternana negativ este valoarea instantanee a tensiunii sinusoidale vi (t ) .

1.11.2.Redresorul bialternann fig. 1.11.2a) este prezentat schema electric a unui redresor bilaternan n punte,

unde vi ( t) este un generator de und sinusoidal, D1-;-D4 reprezint puntea redresoare dediode, iar R s este rezistena de sarcin.

a)

o tb)

Fig. 1.11.2. Redresor bialternana) schema electric; b) forme de und

/ Pe alternana pozitiv a tensiunii sinusoidale conduc diodele D1 i D4 care suntpolarizate direct, iar D2 i D3 sunt blocate, fiind polarizate invers. Pe alternana negativconduc diodele D2 i D3 care sunt polarizate direct, iar D1 i D4 sunt blocate, fiind

22

a)

\ t

polarizate invers. Formele de und ale tensiunii de intrare vi (t) i tensiunii de ieire va (t )sunt prezentate n fig. 1.11.2b).

n puntea redresoare, tensiunea de intrare vi ( t) este suportat de dou diode legate nserie atunci cnd acestea sunt blocate. Dac diodele au cureni de saturaie egali, fiecare diodblocat suport jumtate din valoarea instantanee a tensiunii sinusoidale vi (t ) .

1.11.3.Circuite de limitare a semnalului

a)cu diode ZenerSchema din fig. 1.11.3a) se utilizeaz de obicei cnd se dorete limitarea tensiunii variabile deintrare vi (t) la tensiuni inegale pe cele dou polariti, pozitiv i negativ. Schema se poate

utiliza i pentru limitri la te~siuni egale n valoare absolut dac IVZ11, tensiunea pe diodaZener DZ 1 n valoare absolut, este egal cu IVZ21, tensiunea pe dioda Zener DZ 2 n valoareabsolut. n fig. 1.11.3b) sunt prezentate formele de und ale tensiunilor de intrare vi (t) i deieire va ( t) pentru cazul particular al tensiunii vi ( t) sinusoidale. La valorile limitate, s-aneglijat cderea de tensiune pe dioda n polarizare direct.

..vO(t)

vi(t)

VZj ~----~------~----~~-VZ2vO(t)

VZj ;-----------_ ..-VZ2

R

Vi (t) r-;:

b)

Fig. 1.11.3. Circuit de limitare cu diode Zenera) schema electric; b) forme de und

Dioda DZ 1 limiteaz polaritatea pozitiv a semnalului, iar DZ 2 limiteaz polaritateanegativ. La oricare dintre polariti, ambele diode sunt deschise, una dintre acestea funcionndca dicd Zener i cealalt ca diod normal. Rezistena R asigur curentul prin diodele Zener icurentul de sarcin:

R = Vi - vaIz '

und,e va = Vz + VA, Vz fiind max(IVz11,IVz21) i VAdeschis ca diod normal n polarizare direct.

(1.11.1)

cderea de tensiune pe dioda

b) cu diod Zener i punte de diode

23

Schema din fig. 1.11.4 se utilizeaz de obicei cnd se dorete limitarea tensiunii variabilede intrare vi ( t) la tensiuni egale pe cele dou polariti, pozitiv i negativ.

R

Dj D3DZ

Vi (t)

t,

o posibilitate de realizare a surselor de tensiune continu VI i V2 este cu divizoarelerezistive de tensiune R I, R 2, respectiv R 3, R4 aa cum se vede n fig. l.11.6a). n fig. l.11.6b) sunt artate formele de und pentru tensiunea de intrare vi (t) de form sinusoidal isemnalul limitat la ieire, unde la valorile limitate s-a neglijat cderea de tensiune pe diodele D Ii D2 n polarizare direct.

R

D2vO(t)

R2 Rj R3 R4J..

+EA -EAa)

Vj(t)

- - - - - .- - - - - - - . - .-::-:.~- - - - .

t

Va ().,.

RjEA /(Rj +R2)

-R3EA/{ R3+R4)

b)

Fig. l.11.6. Circuit de limitare cu divizor rezistiva) schem electric; b) forme de und

Conform teoremei lui Thevenin, un divizor rezistiv RI ' R2 alimentat la tensiunea EA(fig. 1.11.6a) este echivalent cu o surs de tensiune cu valoarea VI = R I . EA / ( R I + R 2 ) i orezisten intern egal cu R1 // R2 .Aplicnd teorema Thevenin circuitului din fig. 1.11.6a), seobine circuitul echivalent din fig. 1.11.7.

/

25

R~j (Dj D2'\;.

)~2vi (t)

vo(t)

ieire se msoar Vo = -5V deoarece, n mod analog, diodaD2 se deschide ipolarizeaz invers dioda D 1. Tensiunea de alimentare EA trebuie aleas de valoare maimic dect minimul tensiunilor v1 i v2 cu cel puin cderea de tensiune direct pe odiod (de exemplu, -15V) pentru a asigura funcionarea circuitului.

1.1l.5.Poarta de minimPoarta de minim este prezentat n fig. 1.11.9.

Fig. 1.11.9. Schema electric a porii de minim

Neglijnd cderile de tensiune n polarizare direct pe diode, pentru circuitul poart deminim din fig. 1.11.9 avem urmtoarele situaii:

dac semnalele v1 i v2 sunt pozitive, la ieire se obine cel mai mic dintre ele. De

exemplu, pentru v1 = 10V i v2 = 5V , la ieire se msoar Vo = 5V deoarece diodaD 2 este polarizat direct, conduce i potenialul anodului diodei D 1 devine mai negativdect potenialul catodului (D 1 este polarizat invers). Tensiunea de alimentare EAtrebuie aleas de valoare mai mare dect maximul tensiunilor vt i v2 cu cel puincderea de tensiune direct pe o diod (de exemplu EA =15V) pentru a asigurafuncionarea circuitului.dac semnalele v1 i v2 sunt negative, la ieire se obine semnalul cel mai mic negativ,

adic cel mai mare n valoare absolut. De exemplu, pentru v1 = -] OV i v2 = - 5V , laieire se msoar Vo = -1OV deoarece, n mod analog, dioda D 1 se deschide ipolarizeaz invers dioda D2 .

1.1l.6.Detector de valoare de vrfSchema electric a detectorului de valoare de vrf este prezentat n fig. 1.11.1Oa),n care

rezistena R include i rezistena intern a generatorului de semnal vi"( t) .Rolul rezistenei R estede a limita curentul de ncrcare al condensatorului.

Se consider c la momentul 1=0 se nchide comutatorul k (fig. 1.11.1Ob),moment n caresemnalul sinusoidal trece prin zero i tensiunea iniial pe condensator este, de asemenea, zero.

27

Vi(t)