Dioda semiconductoare_2

24
Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever Dioda semiconductoare 1 Prof. Dr. Ing. Sever Paşca Catedra de Electronică Aplicată şi Ingineria Informaţiei Facultatea Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Dioda semiconductoare 2 Dioda semiconductoare Conţinutul cursului Caracteristica idealizată a diodei şi abateri de la această caracteristică Influenţa temperaturii asupra parametrilor diodei Funcţionarea şi caracteristica diodei Zener Rezolvarea unor circuite de curent continuu cu diodă Aproximaţii ale caracteristicii diodei şi schemele echivalente corespunzătoare Prezentarea altor tipuri de diode Simbolurile şi parametrii de catalog ai diodelor Câteva exemple de circuite fundamentale cu diodă

description

dioda

Transcript of Dioda semiconductoare_2

Page 1: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 1

Prof. Dr. Ing. Sever Paşca

Catedra de Electronică Aplicată şi Ingineria InformaţieiFacultatea Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti

Dioda semiconductoare

2Dioda semiconductoare

Conţinutul cursului

Caracteristica idealizată a diodei şi abateri de la această caracteristică

Influenţa temperaturii asupra parametrilor diodei

Funcţionarea şi caracteristica diodei Zener

Rezolvarea unor circuite de curent continuu cu diodă

Aproximaţii ale caracteristicii diodei şi schemele echivalente corespunzătoare

Prezentarea altor tipuri de diode

Simbolurile şi parametrii de catalog ai diodelor

Câteva exemple de circuite fundamentale cu diodă

Page 2: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 2

3Dioda semiconductoare

Prezentarea diodei

O joncţiune pn este în esenţă un monocristal de semiconductor în care se află două zone dopate diferit, una de tip p şi una de tip n.

Dioda este o joncţiune pn împreună cu ansamblul mecanic constituit din terminalele care fac contact electric la cele două regiuni de conductivitate diferită şi carcasa care asigură protecţia joncţiunii.

Contactul la regiunea p se numeşte anod, iar cel la regiunea n se numeşte catod.

Există şi diode care au la bază un contact metal-semiconductor în loc de o joncţiune pn (diodele Schotky).

4

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Page 3: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 3

5Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Descrierea diodei în circuit

Sensurile pozitive ale tensiunii la borne vD şi curentului prin diodă iD sunt alese prin convenţie cele prezentate în figura alăturată împreună cu simbolul utilizat pentru reprezentarea diodei în circuitele electronice.

Ecuaţia care descrie dioda în circuit este ecuaţia joncţiunii ideale:

unde:

IS – se numeşte curent de saturaţie al diodei şi are valori cuprinse între [10–8 ... 10–11] A pentru siliciu şi [10–5 ... 10–8] A pentru germaniu;

VT = kT/q – se numeşte tensiune termică şi are valoarea de 25 mV la temperatura T = 300 K (aproximativ 27°C).

Reprezentarea grafică a ecuaţiei diodei iD(vD) (ecuaţia joncţiunii ideale) se numeşte caracteristica idealizată a diodei.

V

I

D

D

A

A K

K

1 kTqVSD

DeII

6Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Descrierea diodei în circuit (cont.)

Dependenţa inversă, tensiune-curent, este dată de ecuaţia

În conducţie directă, când curentul prin diodă este mult mai mare decât curentul de saturaţie, cele două ecuaţii se pot aproxima cu:

Observaţie:

Aceste relaţii pun în evidenţă posibilitatea folosirii diodei ca element de exponenţiere, respectiv logaritmare.

1

S

DD I

Iln

q

kTV

kT

qV

SD

D

eII S

DD I

Iln

q

kTV

Page 4: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 4

7Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Caracteristica idealizată a diodei

Se numeşte polarizare directă aplicarea unei tensiuni pozitive VD > 0, (+ la anod şi – la catod) la bornele diodei.

Se numeşte polarizare inversă aplicarea unei tensiuni VD < 0 (– la anod şi + la catod) la bornele diodei.

Comportarea diodei în circuit:

La polarizarea directă dioda conduce, valoarea curentului fiind în general determinată de circuitul exterior. Dioda prezintă o cădere mică de tensiune la borne şi se comportă ca o rezistenţă de valoare mică.

La polarizare inversă, dioda este blocată (nu conduce), curentul prin diodă fiind practic nul (ID 0). Tensiune la bornele diodei este determinată de circuitul exterior şi dioda se comportă ca o rezistenţă de valoare mare.

ID

VD

8Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Abateri ale caracteristicii idealizată a diodei

Căderi de tensiune datorate rezistenţei regiunilor neutre

unde r = rp + rn este rezistenţa regiunilor neutre p şi n.

Acest fenomen este mai pregnant la curenţi mari prin diodă.

DJD IrVV

A Kp n

ID

r ·Ip D r ·In DVj

ID

VD

r I· Dr I· D

diodaidealizată

diodareală

Page 5: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 5

9Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Abateri ale caracteristicii idealizată a diodei (cont.)

Generarea şi recombinarea de purtători în regiunea de trecere

Componenta de curent IG asociată generării de purtători se manifestă îndeosebi la polarizarea inversă şi creşte odată cu creşterea tensiunii inverse aplicate datorită măririi lăţimii regiunii de trecere.

IDID

VD

VD

diodaidealizatădioda

idealizată

dioda cu recombinareîn regiunea de trecere

dioda cu generareîn regiunea de trecere

GSD III

10Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Abateri ale caracteristicii idealizată a diodei (cont.)

Observaţii: La o diodă cu siliciu la temperatura camerei, curentul generat termic în

regiunea de trecere IG este dominant faţă de curentul de saturaţie al diodei IS.

La diodele cu germaniu, la care curentul de saturaţie este mult mai mare, curentul dat de generarea de purtători în regiunea de trecere este semnificativ numai la temperaturi scăzute când IS scade substanţial.

Recombinarea de purtători în regiunea de trecere se manifestă îndeosebi la polarizarea directă aplicată diodei, când numărul de purtători care traversează această regiune este mare.

Componenta de curent de recombinare se adaugă la componenta de curent dată de ecuaţia diodei ideale şi ecuaţia diodei se modifică astfel

unde coeficientul m [1 … 2]. Pentru m = 1 nu avem recombinare, iar pentru m = 2 curentul prin diodă este dat numai de recombinarea în regiunea de trecere.

1T

D

mV

V

SD eII

Page 6: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 6

11Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Influenţa temperaturii asupra caracteristicii diodei

Ecuaţia idealizată a diodei este

unde curentul de saturaţie este dat de relaţia

Dependenţa de temperatură a ecuaţiei diodei se reflectă în următorii parametri:

variaţia exponenţială cu temperatura a concentraţiilor de purtători minoritari la echilibru pn0 şi np0;

dependenţa relativ redusă de temperatură a constantelor de difuzie Dp, Dn şi a lungimilor de difuzie Lp, Ln;

variabila T (temperatura), care apare la exponentul funcţiei.

1kT

qV

SD

D

eTII

n

pn

p

npS L

nDAq

L

pDAqTI 00

12Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Influenţa temperaturii la polarizarea inversă

La polarizare inversă, deoarece –VD >> VT avem exponenţiala << 1 şi curentul prin diodă este

Expresia curentului de saturaţie este

Logaritmând şi diferenţiind expresia curentului de saturaţie în raport cu temperatura rezultă

Concluzie:

Această relaţie specifică faptul că variaţia relativă pe grad a curentului invers prin diodă este constantă.

Curentul de saturaţie se dublează la fiecare creştere a temperaturii cu 4C la Si şi la fiecare creştere a temperaturii cu 6C la Ge.

Influenţa celorlalţi parametri este neglijabilă faţă de variaţia cu temperatura a concentraţiei intrinseci a purtătorilor mobili.

SD II

00

TTaSS eTITI

adT

dI

IS

S

1

ID

VDT1

T >T2 1

-I (T )S 1

-I (T )S 2

Page 7: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 7

13Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Influenţa temperaturii la polarizarea directă

La polarizare directă deoarece VD >> VT avem exponenţiala >> 1 şi ecuaţia diodei devine

La tensiune constantă

Logaritmând şi diferenţiind ID în raport cu T la VD = constant, rezultă

Coeficientul de variaţie relativă cu temperatura al curentului direct prin diodă este mai mic decât cel al curentului invers prin diodă.

La curent constant

Diferenţiind VD în raport cu T la ID = constant, rezultă coeficient de variaţie cu temperatura a tensiunii directe

kT

qV

SD

D

eTII S

DD I

Iln

q

kTV

22

11

Tk

Vqa

Tk

Vq

dT

dI

IdT

dI

IDDs

S

D

D

TD

V VaT

Vk

14Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Influenţa temperaturii la polarizarea directă (cont.)

Modificarea caracteristicii directe a diodei cu temperatura este dată alăturat.

Concluzii:

Creşterea curentului direct prin diodă, la VD = constant, odată cu creşterea temperaturii este semnificativă. Din acest motiv, un circuit în care dioda este alimentată la tensiune constantă sau aproximativ constantă este extrem de sensibil la variaţia temperaturii şi trebuie evitat. Valoarea curentului prin diodă este necontrolabilă şi este instabilă cu temperatura.

Dimpotrivă, alimentarea unei diode sub curent constant sau cu o rezistenţă serie suficient de mare duce la o stabilitate mult mai bună cutemperatura a circuitului, tensiunea la bornele diodei având o variaţie relativ mică pentru o gamă largă de temperaturi

Prezenţa unei rezistenţe serie pentru limitarea curentului prin diodă este aproape obligatorie.

ID

V =ct.D

VD

I (T )D 1

I (T )D 2

T2>T1I (T )D 2

Page 8: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 8

15Dioda semiconductoare

Descrierea şi comportarea diodei în circuit

Caracteristici reale ale diodelor cu Ge şi Si

Străpungerea unei diode înseamnă apariţia unui curent invers prin diodă mult mai mare decât curentul de saturaţie IS, atunci când este polarizată invers.

Caracteristicile au axele scalate corespunzător.

1,3 … 1,6(variaţii abrupte)

1Coeficientul m în ecuaţia diodei idealizate

mari sute de V

micizeci de V

Tensiuni de străpungere

< 125 C< 80 CGama temperaturilor de lucru

zeci de pA … nA

zeci de nA ... A

Curentul de saturaţie

0,6 … 0,7(0,8 … 1,2)

0,2 … 0,3(0,5 … 0,6)

Căderea directă de tensiune(la curenţi mari)

0,4 ..0,60,1 … 0,2Tensiunea de deschidere

SiGe

ID

VD

Ge Si

[V][zeci V]

[ A]

[mA]

16

Rezolvarea circuitelor cu diode

Ca şi la circuitele electrice, rezolvarea unui circuit electronic înseamnă determinarea tuturor mărimilor care descriu funcţionarea componentelor pasive şi active în circuit, adică tensiunile la bornele componentelor şi curenţii care le străbat.

Page 9: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 9

17Dioda semiconductoare

Rezolvarea circuitelor cu diode

Exemplu de circuit cu o diodă

Ecuaţiile circuitului alăturat sunt:

dreapta de sarcină:

caracteristica diodei:

Sistemul de ecuaţii este transcendent şi nu are o soluţie exprimabilă sub formă algebrică (prin formulă).

Acest sistem de ecuaţii nu poate fi rezolvat decât grafic sau numeric.

DV

ID

10VE

+

R

2k

DD VIRE

1 TD VVSD eII

18Dioda semiconductoare

Rezolvarea circuitelor cu diode

Rezolvarea numerică a circuitelor cu diode

Se transformă ecuaţiile astfel:

Algoritm:

Se ia iniţial VD = 0 (s-a considerat o diodăcu Si) şi se calculează curentul prin diodădin prima ecuaţie.

Cu valoarea curentului obţinută la primul pas se determină din a doua ecuaţie o nouă valoare pentru tensiunea pe diodă VD.Această valoare devine valoarea iniţială pentru pasul anterior şi calculele se repetă.

Convergenţa acestor iteraţii (stabilizarea valorilor tensiunii şi curentului de la o iteraţie la alta) este foarte rapidă datorită funcţiei logaritmice.

Această rezolvare este evident posibilă numai într-o situaţie numerică bine determinată.

R

VEI DD

1

S

DTD I

IlnVV

4,683049570,6339008510

4,683049570,633900859

4,683049570,633900858

4,683049570,633900857

4,683049570,633900856

4,683049570,633900855

4,683049570,633900864

4,683051900,633896203

4,682204770,635590452

501

Id [mA]Vd [V]Iteraţia

Page 10: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 10

19Dioda semiconductoare

Rezolvarea circuitelor cu diode

Rezolvarea grafică a circuitelor cu diode

Soluţia sistemului (intersecţia dintre dreapta de sarcină şi caracteristica diodei) se numeşte punct static de funcţionare şi este punctul de coordonate (VD

0, ID0).

Valoarea rezistenţei R reprezintă panta dreptei de sarcină; modificarea lui Rînseamnă schimbarea acestei pante;

Valoarea tensiunii E reprezintă punctul de intersecţie al dreptei de sarcină cu axa Ox; modificarea valorii lui E înseamnă translatarea dreptei paralel cu ea însăşi.

Utilizarea metodei grafice pentru un caz concret numeric nu este indicată. Această rezolvare nu este precisă şi nici rentabilă din punct de vedere al volumului de lucru.

ID

VD

E/R

E

I =f(V )D D

ID0

VD0

20Dioda semiconductoare

Rezolvarea circuitelor cu diode

Concluzii

Rezolvarea grafică este relevantă în cazurile

când nu se cunosc valori precise ale valorilor elementelor din schemă

când se urmăresc aspecte generale legate de modificarea unora din parametrii circuitului.

Rezolvarea numerică este rapidă şi precisă.

Atenţie! – modificarea temperaturii cu numai patru grade duce la dublarea curentului de saturaţie şi schimbă datele calculului.

Pentru a urmări evoluţia tensiunii la borne şi a curentului prin diodă cu variaţia temperaturii trebuiesc efectuate o mulţime de calcule destul de laborioase.

Evident utilizarea unui program specializat de simulare se impune.

Page 11: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 11

21

Aproximaţii ale caracteristicii diodei la variaţii lente în timp (în curent continuu)

Pentru aprecierea aproximativă şi rapidă a comportării circuitelor cu diode, atunci când tensiunile sau valorile componentelor din circuit sau ambele se schimbă, s-au dezvoltat modele aproximative pentru caracteristica diodei.

Analiza unui circuit are două etape:

- analiza calitativă sau analiza funcţionării acestuia;

- analiza cantitativă sau analiza numerică a acestuia.

Această împărţire se face în scopul simplificării analizei numerice şi pentru a obţine o imagine rapidă, globală, a ceea ce se întâmplă în circuit.

22Dioda semiconductoare

Aproximaţii ale caracteristicii diodei la variaţii lente în timp (în curent continuu)

Dioda ideală

Dioda ideală – este o diodă a cărei caracteristică curent-tensiune arată ca cea alăturată.

Dioda ideală se comportă ca un comutator ideal comandat de tensiunea la borne:

pentru tensiuni negative dioda este un circuit întrerupt;

când tensiunea la borne are tendinţa să devină pozitivă dioda devine un scurtcircuit, forţând tensiunea la borne la valoarea zero, curentul fiind limitat doar de circuitul exterior.

Curentul prin dioda ideală este

iD

vD

DV )k(

DI

VD

KA A K

0 pentrunedefinit

0 pentru0

D

DD v

vi

Page 12: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 12

23Dioda semiconductoare

Aproximaţii ale caracteristicii diodei la variaţii lente în timp (în curent continuu)

Dioda ideală cu cădere de tensiune

Acest model pentru caracteristica diodei şi circuitul echivalent corespunzător ţin cont de căderea de tensiune la borne dar fac abstracţie de variaţia tensiunii la borne atunci când se modifică curentul prin diodă.

Curentul prin diodă va fi dat de relaţia

Această aproximaţie a caracteristicii diodei este valabilă în general pentru o gamă de variaţie a curentului prin diodă care să nu depăşească un raport între valoarea maximă şi minimă de 10:1.

Tensiunea la bornele diodei în conducţie depinde de gama de curenţi în care se lucrează.

DD

DD Vv

vi

pentrunedefinit

0 pentru0

iD

vD

VD,6V (Si)

VD

0,6V (Si) ~~+

A K

24Dioda semiconductoare

Aproximaţii ale caracteristicii diodei la variaţii lente în timp (în curent continuu)

Dioda ideală cu caracteristică liniarizată

Aceasta este o aproximare mai exactă a caracteristicii diodei, în care se pune în evidenţă variaţia tensiunii la borne cu curentul prin diodă, printr-o relaţie simplă.

În conducţie dioda este echivalentă cu o sursă de tensiune VD şi o rezistenţă RD, a căror semnificaţie se poate vedea din caracteristica diodei.

Aproximarea introdusă este acceptabilă dacă gama de variaţie a curentului prin diodă nu depăşeşte raportul [1:10 … 1:15].

Circuitul echivalent este liniar, ceea ce simplifică analiza.

iD

vD

VD

tg =R D

DV

RD

+

K

A

Page 13: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 13

25Dioda semiconductoare

Aproximaţii ale caracteristicii diodei la variaţii lente în timp (în curent continuu)

Liniarizarea în jurul unui punct de funcţionare

Pentru o diodă care lucrează numai în conducţie, la variaţii mici şi lente de tensiune şi curent, în jurul unui punct de funcţionare, caracteristica sa se poate aproxima în intervalul respectiv cu tangenta la curbă în punctul de funcţionare.

Panta caracteristicii vD / iD = tg = rD defineşte rezistenţa dinamică a diodei.

Din ecuaţia diodei în conducţie

avem

Dacă se ţine cont recombinarea în interiorul regiunii de trecere, atunci

iD

vD

ID0

VD0

vD

i D

DI

Dr ( ID )

D

TD

D

DTD I

Vr

i

diVdv

SDTD IilnVv

D

TD I

Vmr

26Dioda semiconductoare

Aproximaţii ale caracteristicii diodei la variaţii lente în timp (în curent continuu)

Sinteza aproximărilor caracteristicii diodei

(a) RON = 0, ROFF = , VD = 0;

(b) RON = 0, ROFF = , VD = 0,7V;

(c) RON > 0, ROFF = , VD = 0,7V;

(d) RON > 0, ROFF < , VD = 0,7V.

Observaţie:

Diodele sunt, din punct de vedere energetic, elemente pasive. Sursele de tensiune din schemele echivalente (VD sau VZ) nu generează energie, ele fiind "încărcate" de surse de tensiune din exterior, sensul curentului corespunzând regulii de la receptoare (şi nu surse).

Page 14: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 14

27

Alte tipuri de diode

28Dioda semiconductoare

Alte tipuri de diode

Dioda Zener

Dioda Zener este o diodă care lucrează în mod normal în străpungere (la polarizare inversă).

În conducţie inversă, tensiunea la bornele diodei Zener este aproximativ constantă (–VZ) numită şi tensiune de străpungere a diodei sau tensiune Zener.

În conducţie directă, dioda Zener se comportă ca o diodă obişnuită.

Aproximarea caracteristicii diodei Zener, în conducţie inversă, se face asemănător liniarizării caracteristicii unei diode în conducţie directă.

Datorită unei bune liniarităţi a caracteristicii inverse, rezistenţa definită în grafic poate fi asimilată cu rezistenţa dinamică RZ a diodei pentru un interval cu IZmax / IZmin < [10 … 15].

VD

ID

K

A

K

A

K

AID

VD-VZ

ZI

ZV

ZI

Zr+

Page 15: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 15

29Dioda semiconductoare

Alte tipuri de diode

Diodele tunel şi varicap

Dioda tunel

Are în caracteristică o porţiune de rezistenţă dinamică negativă care îl face util în realizarea oscilatoarelor de frecvenţă foarte înaltă.

Dioda varicap (cu capacitate variabilă, varactor)

Este o diodă polarizată invers cu o capacitate care depinde de tensiunea inversă aplicată.

Utilizare ca şi capacitate variabilă comandată în tensiune în:

acordul automat al circuitelor

amplificatoare parametrice

oscilatoare de frecvenţă înaltă

filtre reglabile

A K

A K

ID

VD

IP

IV

30Dioda semiconductoare

Alte tipuri de diode

Dioda Schotky

La contactul dintre un metal şi un semiconductor slab dopat apare o comportare tip joncţiune.

La contactul dintre un metal şi un semiconductor puternic dopat apare o comportare ohmică.

Caracteristica curent-tensiune este similară cu a unei diode cu siliciu având căderea directă de tensiune mai mică (tipic 0,3 V).

Timpul de comutaţie este foarte mic (de ordinul psdeoarece electronii trec din regiunea n în metal unde se mişcă liber) şi are şi o capacitate foarte mică a joncţiunii.

Se utilizează în aplicaţii de mare viteză şi în combinaţie cu un tranzistor bipolar conectat între colector şi bază pentru al împiedica să intre în saturaţie, tranzistorul comutând astfel foarte rapid.

A K

A K

nn+

psubstrat

Page 16: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 16

31Dioda semiconductoare

Alte tipuri de diode

Dioda electroluminescentă

Emisia radiaţiei luminoase de către semiconductor este rezultatul unei conversii de energie, care se realizează prin recombinarea radiativă a unor purtători de sarcină (electroluminescenţă).

La joncţiunea pn excitaţia se poate realiza prin injecţia de purtători de sarcină într-o joncţiune polarizată direct. În vecinătatea joncţiunii se creează o densitate mare de purtători care se pot recombina.

La Ge şi Si, recombinarea duce la degajare de căldură (W este 1,1 respectiv 0,7 eV). La GaAs, GaP, GaASP recombinarea duce la eliberarea de fotoni (W=h cu în spectrul vizibil).

Folosind impurităţi activatoare diferite, se poate modifica spectrul radiaţiei emise (culoarea: roşu, galben, portocaliu, verde, albastru, alb).

Avantaje faţă de alte surse de lumină: timp de comutare scurt, dimensiuni reduse, fiabilitate mare, rezistenţă la vibraţii, consum de putere mic, cost scăzut, lumină rece (nu degajă căldură).

Utilizare: indicatoare optice, afişoare numerice şi alfanumerice, surse de lumină etc.

KA

32Dioda semiconductoare

Alte tipuri de diode

Fotodioda

La baza funcţionării stă efectul de separare de către câmpul intern al joncţiunii a purtătorilor de sarcină (perechi electron-gol) generaţi prin ruperea legăturilor covalente de către radiaţia incidentă.

Caracteristica fotodiodei:

unde – eficienţa cuantică; q – sarcina elementară; – fluxul radiaţiei incidente; A – aria joncţiunii.

Regimul de fotodiodă (de obicei polarizată invers)

Regimul de fotogenerator

ID

VD

cre te ş

regim defotogenerator

regim defotodiodă

A K

Aqi

ieII

p

pkTqV

SDD

1

+

R

+

E

R

Page 17: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 17

33

Parametrii electrici ai diodei

Sunt prezentaţi succint parametrii de catalog ai diodelor cu notaţiile şi definiţiile sau semnificaţiile lor.

34Dioda semiconductoare

Parametrii electrici ai diodei

În conducţie (Forward bias)

IF – curentul direct(Forward Current)Este valoarea instantanee a curentului direct prin diodă.

IFAV – curentul direct mediu(Average Forward Current)Este valoarea medie a curentului direct prin diodă calculat pe o perioadă.

IFAVM – curentul direct mediu maxim(Maximum Average Forward Current)Este valoarea maximă admisă pentru curentul direct mediu.

IFM – valoarea instantanee maximă a curentului direct(Maximum Forward Current)Este valoarea instantanee maximă a curentului direct ce poate trece prin diodă.

VF – tensiunea directă(Forward Voltage)Este valoarea instantanee a tensiunii directe la bornele diodei parcurse de un curent

VFO – tensiunea directă de prag(Threshold Voltage)Este valoarea tensiunii directe corespunzătoare punctului în care dreapta care aproximează caracteristica diodei intersectează axa tensiunilor

Page 18: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 18

35Dioda semiconductoare

Parametrii electrici ai diodei

În blocare (Reverse Bias)

VRRM – tensiunea inversă de vârf repetitivă(Repetitive Peak Reverse Voltage)Este valoarea instantanee cea mai mare admisibilă a tensiunii inverse în regim permanent, incluzând vârfurile de tensiune repetitive şi excluzându-le pe cele nerepetitive.

VRSM – tensiunea inversă de vârf nerepetitivă(Non-repetitive Peak Reverse Voltage)Este valoarea instantanee cea mai mare a tensiunii inverse, care nu trebuie depăşită chiar pentru timp foarte scurt (prin depăşirea acestei valori dioda se poate distruge).

IRM – curentul invers maxim(Maximum Reverse Current)Este amplitudinea maximă a curentului invers care parcurge dioda la o valoare VRM specificată.

VRA – tensiunea de avalanşă(Breakdown Voltage)Este tensiunea de străpungere a diodei, respectiv tensiunea la care curentul invers prin diodă are o valoare specificată.

36Dioda semiconductoare

Parametrii electrici ai diodei

În comutaţie

IRRM – curentul maxim de comutaţie(Peak Reverse Recovery Current)

Este valoarea maximă a curentului invers care apare în procesul de comutaţie.

trr – timpul de comutare inversă(Reverse Recovery Time)

Este timpul măsurat între trecerea prin zero a curentului direct, la comutaţia din conducţie în blocare, şi atingerea de către curentul invers a valorii 0,1 IRRM, după valoarea maximă IRRM.

Ctot – capacitatea totală a diodei(Diode Total Capacitance)

Este capacitatea măsurată între terminalele diodei (include capacitatea joncţiunii, a capsulei şi capacităţile parazite).

Page 19: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 19

37Dioda semiconductoare

Parametrii electrici ai diodei

Specifici diodei Zener

VZK – tensiunea de stabilizare minimă(Minimum Zener Voltage)Este valoarea minimă a tensiunii sub care proprietăţile de stabilizare nu mai sunt garantate.

VZM – tensiunea de stabilizare maximă(Maximum Zener Voltage)Este valoarea maximă a tensiunii peste care proprietăţile de stabilizare nu mai sunt garantate.

VZT – tensiunea de stabilizare nominală(Nominal Zener Voltage) Este valoarea tensiunii de stabilizare specificată în catalog, cu o toleranţă dată, la un curent IZT specificat.

IZT, IZK, IZM – curenţii de stabilizare nominal, minim şi maxim(Zener Currents)Sunt curenţii corespunzători tensiunilor VZT, VZK şi VZM.

rZT, rZK – rezistenţa diferenţială de stabilizare(Zener Differential Resistance)Este raportul curent-tensiune rezultat prin aplicarea unui semnal alternativ de amplitudine scăzută cu frecvenţă de 1 kHz, într-un punct de funcţionare specificat (IZT, VZT).

αVZ – coeficientul de variaţie cu temperatura a tensiunii Zener(Temperature Coefficient of Zener Voltage)Este variaţia cu temperatura pe grad a tensiunii Zener.

38Dioda semiconductoare

Parametrii electrici ai diodei

Specifici diodei luminescente

Intensitatea luminii emiseValoarea măsurată la un anumit curent direct prin diodă

Caracteristica spectralăIntensitatea luminii emise în funcţie de lungimea de undă a radiaţiei emise

Caracteristica de directivitateGraficul variaţiei intensităţii luminii emise în funcţie de unghiul de măsurare

Specifici fotodiodei

Curentul de întunericCurentul pentru flux luminos incident nul

Sensibilitatea spectralăRaportul curentul fotoelectric emis / fluxul luminos incident reprezentat grafic în funcţie

Diagrama de directivitateGraficul variaţiei sensibilităţii în funcţie de unghiul de incidenţă al radiaţiei incidente

Page 20: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 20

39

Circuite cu diode

Se prezintă calitativ structura şi funcţionarea câtorva circuite fundamentale utilizând diode.

40Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Selecţia impulsurilor după polaritate

Circuitul este format dintr-un derivator C, R3 şi un separator al impulsurilor după polaritatea lor – D1, R1 pentru impulsuri negative şi D2, R2 pentru impulsuri pozitive.

Cu grupul C, R3 se obţine secvenţa de impulsuri pozitive şi negative prin derivarea semnalului dreptunghiular dat de generator.

Impulsurile obţinute sunt separate de diodele D1 şi D2 în funcţie de polaritatea lor. Pe rezistenţa R1 se obţin impulsurile negative iar pe R2 cele pozitive.

Amplitudinea impulsurilor de la ieşirea separatoarelor de polaritate este mai mică cu aproximativ 0,6 V decât a impulsurilor de la intrare datorită căderii de tensiune pe diode.

vI

1v

v_

+v

D1

D2C

+ R3

R1

R2

t

t

t

t

vI

v1

v+

v-

Page 21: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 21

41Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Redresor monofazat monoalternanţă

Un redresor converteşte energia de curent alternativ în energie de curent continuu folosind dispozitive cu conducţie unilaterală.

La bornele rezistenţei de sarcină RL tensiunea nu poate fi decât pozitivă datorită sensului unic al curentului prin diodă. Când tensiunea de intrare este negativă dioda este blocată, curentul prin diodă este nul şi tensiunea de ieşire este de asemenea nulă.

Durata de timp cât dioda este în conducţie este mai mică de o semiperioadă datorită faptului că dioda începe să conducă numai în momentul când tensiunea de la generator depăşeşte tensiunea de deschidere a diodei (aproximativ 0,45 V). Acest lucru se observă în formele de undă.

LR2v1v

t

t

v1

v2

T/2 T

42Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Redresor monofazat monoalternanţă cu filtru de netezire

La ieşirea unui redresor, tensiunea pe sarcină este continuă (curentul trece într-un singur sens prin sarcină) dar este pulsatorie (nu are o valoare constantă).

Filtrul de netezire reduce pulsaţiile tensiunii pe sarcină (componentele alternative), netezind variaţiile tensiunii pe sarcină.

Explicarea funcţionării cu forme de undă: Cât timp tensiunea de intrare este mai mare decât tensiunea pe condensator (egală cu cea de pe sarcină), dioda se deschide şi furnizează curent în sarcină şi încarcă condensatorul.

Explicarea funcţionării ca filtru: C este un scurtcircuit la frecvenţa reţelei, oprind pulsaţiile să treacă prin sarcină.

Page 22: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 22

43Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Redresor monofazat bialternanţă

Pentru tensiune pozitivă dată de generator (transformator) conduc diodele D1 şi D4, iar pentru tensiune negativă, diodele D2 şi D3.

Deoarece pentru fiecare alternanţă conducţia se face prin două diode în serie, căderea de tensiune pe diode este dublă. Tensiunea de ieşire va fi mai mică faţă de tensiunea dată de generator cu 2 VD 1,2 V. Desigur, dacă curenţii prin diode sunt mari, această cădere de tensiune poate ajunge la [1,5 … 2] V.

Pulsaţiile sunt de frecvenţă dublă decât la cel monoalternaţă, deci mai uşor de filtrat.

RL

+ _

+( )_( )

D1

D4

D2

D3

44Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Limitator de maxim cu diodă

Circuitele de limitare sunt utilizate pentru a elimina o parte din semnalul de intrare care se află deasupra sau dedesubtul unui anumit nivel de referinţă.

R1 limitează curentul prin diodă atunci când aceasta intră în conducţie. R2 este rezistenţa de sarcină la bornele căreia se culege tensiunea de ieşire.

Dioda D conduce numai dacă potenţialul anodului devine mai mare decât al catodului, respectiv tensiunea de ieşire vO devine mai mare decât tensiunea de polarizare a catodului diodei plus tensiunea de deschidere a diodei (vO VLIM + VDon).

Expresia tensiunii de ieşire este

Caracteristica de transfer este graficul tensiunii de ieşire în funcţie de tensiunea de intrare.

vOIv

LIMV

DR1

2kR220k

V VLIM D+

vO

vI

DonLIMOI

DLIMODLIM

O VVvvRR

RVVvVV

v pentru

pentru

21

2

Page 23: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 23

45Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Obţinerea dependenţei logaritmice curent-tensiune

Diodele identice şi situate la aceeaşi temperatură, deci au acelaşi curent de saturaţie, sunt polarizate în permanenţă în conducţie. Tensiunea de ieşire din circuit este tensiunea diferenţială.

Tensiunea de ieşire va fi proporţională cu logaritmul raportului curenţilor prin diode.

I

v Dv

XI

1 2

REF

D

Vies

D2D1

REF

XT

S

REFT

S

XTDDies I

IV

I

IV

I

IVVVV lnlnln12

46Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Stabilizator cu rezistenţă de balast cu diodă Zener

Funcţionarea se bazează pe caracteristica diodei Zener la care VD = –VZ

pentru un curent invers prin diodă aflat în domeniul [IZmin – IZmax].

Scopul este menţinerea unei tensiuni constante la bornele sarcinii prin:

Stabilizarea faţă de tensiunea de alimentare E: la variaţia lui E, variază corespunzător I, variaţia lui I este preluată de IZ astfel încât IL, şi deci şi tensiunea pe sarcină, să rămână aproximativ constantă.

Stabilizarea tensiunii pe sarcină la variaţiile rezistenţei de sarcină (a consumului): variaţiile lui IS sunt compensate prin variaţii contrare ale lui IZ astfel încât tensiunea pe sarcină, să rămână aproximativ constantă.

Observaţie:

Cu cât rezistenţa de balast R este mai mare se îmbunătăţeşte stabilizarea faţă de variaţiile tensiunii de alimentare, dar scade randamentul stabilizatorului.

+

E RL

RI

LI

ZI

Page 24: Dioda semiconductoare_2

Electronică analogică şi digitală în biomedicină Prof. Dr. Ing. Paşca Sever

Dioda semiconductoare 24

47Dioda semiconductoare

Circuite cu diode

Comanda unui LED

VCC

R

CCV

R

F

Fcc

I

VVR

F

CEFcc

I

VVVR