Diodi e Diodi Zener

I DIODI

Il più semplice e fondamentale elemento di un circuito non lineare è il diodo. Il diodo è un componente a due terminali, analogamente a un resistore; ma, a differenza del resistore che presenta una relazione lineare (di proporzionalità) tra la corrente che lo attraversa e la tensione ai suoi capi, il diodo è caratterizzato da una caratteristica I-V non lineare.

Tra molte applicazioni dei diodi, la più comune è rappresentata dal loro uso nel progetto di raddrizzatori (circuiti che eseguono la conversione di AC in DC).

IL DIODO IDEALE

È costituito da due materiali uniti tra di loro rispettivamente di tipo P e di tipo N.

Il comportamento del diodo ideale può essere interpretato come segue: se viene applicata al diodo una tensione negativa (tensione a inversione conosciuta come raffronto), allora non scorre alcuna corrente ed il diodo si comporta come un circuito aperto. Un diodo fatto in questo modo si dice POLARIZZATO INVERSAMENTE.

Quando un diodo ideale lavora in polarizzazione inversa, in esso scorre una corrente di valore nullo ed allora viene detto INTERDETTO (CUT OFF).

I_D = I₀ (e^V_D/V_T - 1)

• V_T = KT/q
• K costante di Boltzmann
• T temperatura
• q carica

I DIODI

Il più semplice e fondamentale elemento di un circuito non lineare è il diodo. Il diodo è un componente a due terminali; analogamente a un resitore, ma a differenza del resitore, che presenta una relazione lineare (di proporzionalità) tra la corrente che lo attraversa e la tensione ai suoi capi, il diodo è caratterizzato da una caratteristica V-l non lineare. Tra molte applicazioni dei diodi, la più comune è rappresentata dal loro uso nel progetto di rectificatori (circuiti che eseguono la conversione di ac in dc).

IL DIODO IDEALE

È costituito da due materiali uniti tra di loro rispettivamente di tipo P e di tipo N. Il comportamento del diodo ideale può essere interpretato come segue. Se viene applicata al diodo una tensione negativa (rispetto alla direzione assunta come riferimento), allora non scorre alcuna corrente ed il diodo si comporta come un circuito aperto. Un diodo fatto in questo modo si dirà POLARIZZATO INVERSAMENTE. Quando un diodo ideale lavora in polarizzazione inversa, in esso non viene una corrente di valore nullo ed allora viene detto INTERDETTO (CUT OFF).

I_D = I₀ (e^{V_D/V_T -1)}

V_T = kT/9

• K = costante di Boltzmann
• T = temperature
• 9 = cariche

SIMBOLO CIRCUITALE:

• V_DD
• V_DS

I_DS = I_DS e^{V_GS / V_T}

I_D = I_O

Ricorda che in questo caso la corrente scorre solo dal + al -

FISICA DEL FUNZIONAMENTO DEI DIODI

Il diodo a semiconduttore è fondamentalmente una giunzione pn. La giunzione pn è formata da un materiale semiconduttore di tipo P, messo in stretto contatto con un semiconduttore di tipo N. In pratica, entrambe le regioni P ed N fanno parte dello stesso cristallo di semiconduttore (ad es. di silicio); la giunzione pn viene realizzata a partire da un unico cristallo, incluso regioni di differente drogaggio (regioni P ed N). I collegamenti esterni alla regioni p ed n (detti terminali del diodo) sono fatti con contatti di metallo (es. alluminio).

Si capisce ancor meglio il comportamento del diodo se si fa a mente e se si eviare il circuito di silicio a livello molecolare.

Cosa succede dunque a livello atomico?

Gli elettroni che costituiscono gli atomi di silicio

si comportano in maniera diversa a seconda

della loro distanza interatomica. Nel proseguire

questo grafico mette in relazione la caratteristica

ENERGIA - DISTANZA INTERATOMICA

livelli energetici permessi.

In questo intervallo è presente un intervallo in cui

l'energia è bandita ➔

I livelli di energia permessi corrispondono alla

BANDA DI VALENZA.

L'ENERGY GAP è ➔ determina il comportamento

dei materiali.

C.B.

I.V.

Alla c^ della banda di valenza prima corrisponde la banda di conduzione dove

se si eccita il materiale muovendo a vuoto

gli elettroni nella banda di conduzione

Ogni materiale ha un proprio GAP, se questo è molto

alto, ad esempio 7-10 eV, possono muovi elettroni se

questi materiali ➔ altrimenti SCARSA

se la distanza tra le due bande è nulla, allora

questi materiali si chiamano METALLI.

Se l'energia del GAP è di 1,5 eV allora

abbiamo i SEMICONDUTTORI categoria che

comprende il silicio, che ha 4 elettroni di

valenza.

Il silicio è divenuto un materiale diffuso

nell'elettronica, perché è stato drogato, ovvero

è stata modificata la sua struttura a livello

atomico.

Se si sostituisce un atomo di silicio con un atomo

di FOSFORO, considerando che il silicio ha 5 elettroni

di valenza, quando esso viene riscaldato si è

un elettrone in più che è libero di muoversi.

Questo nuovo materiale si detto di TIPO N.

Se si utilizza un atomo di BORO, otteniamo

un buco, una lacuna, perché il boro ha 3

elettroni, pertanto a questa mancanza di

elettrone ne segue una carica negativa. Il

materiale ottenuto è detto di TIPO P.

Il silicio non drogato si dice INTRINSECO

LIVELLO DI FERMI

Un'altra qualità importante dell'elettrone è

il LIVELLO DI FERMI, che esprime la probabilità

di uno stato elettronico se occupato:

f(E) = ¹/_{1 + e^{(E - Ef)/KT}}

* E energia dello stato elettronico che consideriamo.

• T = 0

• T > 0

DIAGRAMA A BANDE

SEMICONDUTTORE INTRINSECO

COME SI COMPORTA UN CONDUTTORE DI TIPO N?

Se applichiamo una ΔV gli elettroni iniziano a muoversi con velocità v_d detta VELOCITÀ DI

DERIVA (DRIFT)

v = at

F = eE = e (ΔV / d)

m - m efficace = m_eff

e = m₀ e = μ_m E

e = μm mobilità dell'elettrone

Consideriamo un cilindro:

• T = tempo che impiega a percorrere la distanza L;
• N = numero di elettroni che attraversano le sezioni nell'unità di tempo.

I = q _N ^T

T = _L ^v => Π = q _N ^L v = q _N ^L μ_n Ẽ

v = μ_n Ẽ

Se considero la deriva di corrente:

J = _I^A = q _N ^AL μ_n Ẽ

• _N ^AL = n = dovuto ai elettroni

Quindi:

J = qn μ_n Ẽ = σ Ẽ

• σ = conducibilità elettrica,
• σ = ₁ ^ρ R = ρ_L ^S

Per le lacune possiamo scrivere:

J_p = qp μ_p Ẽ

• p = dovuto alle lacune,
• μ_p mobilità delle lacune

la densità di corrente totale:

J = J_m + J_p = q (nμ_n + pμ_p) ℰ

CORRENTE DI DIFFUSIONE

È legato alla differenza di concentrazione di portatori del semiconduttore.

Supponendo di "mettere" in un materiale tante lacune, mentre in un lato sono presenti meno lacune:

--> direzione della corrente positiva

Queste lacune tenderanno a spostarsi e perché a generare una densità di corrente:

J_p = q D_p dρ/dx

dρ/dx = ρ(x,x) - ρ(x₁) / x - x₁ < 0 -> pertanto metto un "-"

nell'ep., ho cioè una

corrente positiva

J_p = - q D_p dρ/dx

J_m = q D_m dη/dx

Quindi all'interno di un semiconduttore posso avere:

CORRENTI DI DERIVA E CORRENTI DI DIFFUSIONE

Fenomeno alla giunzione PN del diodo

A causa della differenza di concentrazione gli elettroni tendono a diffondersi dal materiale di tipo N al materiale di tipo P, e viceversa per le lacune. Alcuni elettroni scompaiono perché si ricombinano, pertanto avremo ioni fosforo e ioni boro.

ρ = quantità di carica

La carica affacciata esercita un campo E che ostacola la diffusione ulteriore di elettroni e lacune.

Equazione di Poisson

d²φ/dx² = -ρ/ε ⇒ dV/dx = -ρ/ε

Integro per la prima volta:

E = -dV/dx = ∫(ρ/ε) dx

Integrando una seconda volta ottengo il potenziale:

Il campo esiste dove non ci sono cariche libere ed è detta regione di svuotamentoGiunzione → dove c'è le d.p.

Considera quello che succede nel diagramma a bande:

Nel momento in cui avvicino i due materiali, il livello di Fermi si pone allo stesso livello.

Le cariche positive del generatore compensano le cariche negative della regione di svuotamento,analogo a quello successo con le cariche negative.Infatti avremo meno cariche ai contempo.

una diminuzione di E e del potenziale V. Perciò si ha un passaggio di elettroni da N a P, e di lacune da P a N. Si dice che il DIODO è in POLARIZZAZIONE DIRETTA. In questa condizione sono consentite I_D>>0.

Se applico il - su P e il + su N, in questa condizione aumento la quantità di cariche, ciò mi implica un aumento del campo e di conseguenza ho un aumento del potenziale. Soluzione nel caso della POLARIZZAZIONE INVERSA. In queste configurazioni non sono consentite I_D=0.

Vi sono pure altre cariche generate termicamente. Queste cariche e praticano sulla barriera di passacorrente, purtuttavia in realtà ci sarà una corrente I_D≠0, molto piccola, che prende il nome di CORRENTE INVERSA DI SATURAZIONE.

I_D = I₀ (e^V_p/V_T - 1)

V_T = ^kT/_q → TENSIONE TERMICA

A temperatura ambiente V_T = 25.8 mV

Esempio di risoluzione

1) V_g = RI_D + V_D

I_D = I₀(e^V_D/V_T - 1)

Sostituendo:

V_g = RI₀(e^V_D/V_T - 1) + V_D ⟹ EQ TRASCENDENTE

• Tale equazione si è risolta solo RC, oppure la si può risolvere con i seguenti metodi:

1) Metodo Grafico

Studio il due emulari, interseco le due funzioni e mi trovo il punto di funzionamento.

2) Approssimazione

Al posto del DIODO si mette, facendo un’appenurazione, un componente lineare.

Se si considera la tensione di soglia V₀:

• V_D > V_T ⟹ il DIODO conduce ON
• V_D < V_T ⟹ il DIODO non conduce (INTERDETTO) OFF

OFF

I_D=0 => CIRCUITO APERTO

ON

I_D>0 => CON RESISTENZA SENZA RESISTENZA

Se V_D>V_f in prima approssimazione l'andamento della corrente è lineare, quindi rappresento il diodo con un generatore di tensione in serie o meno con una resistenza.

Di solito: 0,6V < V_f < 0,7V

Molte volte i diodi vengono utilizzati come limitatori di tensione:

A

K

Sono di colore nero con una banda grigia.

Diodo Zener

Supponiamo di essere in polarizzazione inversa. In tale situazione applichiamo una corrente molto più grande rispetto da generare la lacune del materiale p attriverso il circuito esterno verso il materiale n, mentre gli elettroni attraverso il circuito esterno penetrano del materiale di tipo n nel materiale di tipo p. Ne consegue un aumento di cariche localizzate scoperte, dunque si riequilibra in allargamento alle regioni svuotate ed un aumento del potenziale.

• _Ec → energie minima della banda di conduzione
• _Ev → energie massime della banda di valenza

L'energia dipende dalla barriera di potenziale (trasformando parte dell'energia potenziale in energia cinetica), nel momento in cui urtano cedono energia all'atomo e generano un nuovo elettrone. Stessa dinamica per ogni per ogni elettrone che scende della barriera di potenziale. Tale fenomeno è chiamato moltiplicazione a valanga. Tale dinamica vale anche per le lacune. A questo punto abbiamo una corrente molto maggiore di quelle in cui il diodo era polarizzato direttamente.

Graficamente:

Questo fenomeno avviene per tensioni diverse se diodo o zener.

Simbolo circuitale

Parole connesse col II quadrante

Se la regione di svuotamento è particolarmente sottile ("decine di Å"), e le probabilità decadono con la distanza, e se questa non è troppo elevata, allora ho la probabilità non nulla di trovare un elettrone della banda di valenza alla banda di conduzione; tale fenomeno quantistico è detto effetto tunnel o Zener.

Entrambi i motivi (a valanga e a tunnel) rimuovono le connesse nel diodo Zener:

• Per tensioni V_Z basse -> effetto Zener
• Per tensioni V_Z alte -> moltiplicazione a valanga

Anche la reazione dello Zener è evademene utile per risolvere, di solito si sostituisce un circuito lineare.

Lo Zener può essere:

• INTERDETTO (OFF)

• CONDUZIONE (ON)

La curva caratteristica dello ZENER è più ripida della curva del DIODO normale, prima torna molto più velocemente.

ALIMENTATORE IN CONTINUA

MI serve perché voglio eliminare le alte frequenze e utilizzo la base proprio appunto per essere la continua.

1. RETIFICATTORE A DIODI

Il valore continuo di Vs è nullo mentre questo in verità è diverso da zero, e cioè è grazie al diodo, pero ottengo una semionda. Per risolvere questo problema utilizzo un circuito con più DIODI.

Per le semionde positive (+,-)

I --> D₁ --> R --> D₂

Per la semionda negativa (-,+)

I --> D₃ --> R --> D₄

Il valore continuo (valore medio) è più grande di quello che si ha nel caso in cui è presente un solo diodo. Il circuito di abbassamento prende il nome di PONTE DI DIODI O DI GRAETZ.

2. FILTRO IDEALE

Quando v_s>0 il condensatore si carica istantaneamente, dato che la resistenza del diodo è nulla, e arriva al valore max. del valore max. il diodo diventa interdetto, pertanto la tensione d’uscita rimane costante (PARTE TRATTEGGIATA).

2.1 FILTRO REALE

Nella realtà c’è sempre una resistenza in parallelo al condensatore:

Anche in questo caso il condensatore si è caricato instantaneamente (RC), ma nel momento in cui v _s < V _M allora il condensatore si scarica su R con una costante = R C. Se t >> T la tensione del condensatore si scarica, ma andrà alla tensione d'ingresso, pertanto il condensatore è caricato fino al valore max, poi si scaricherà nuovamente ecc. ecc. Questo filtro va considerato nel ponte di diodi, la pennino realizzò se rettificatore ed, il filtro.

la tensione al uscita non sono continua.

V_R = V_M - V_m → TENSIONE DI RIPPLE

v_o = v_c(t) = V_M e^-T/ → Poiché >> T_r allora il condensatore si scarica molto lentamente

Supponiamo che si scavalchi in T= Δt ≈ T_r, pertanto:

V_m = V_M e^-T/

Quindi la TENSIONE di RIPPLE:

V_R = V_M - V_m e^-T/== V_H (1 - e^-T/)

Sviluppando la funzione con la prima approssimazione del polinomio di Taylor si ha:

V_R ≈ V_H (1 - 1 + T/) ≈ V_H T/

V_R = V_H   T/

Poiché durante le corte devo recuperare la carica che si è scaricata => i_DT = Θ^- Θ⁺.

Durante la corte la corrente deve essere alta, però devo stare attento a non bruciare i DIODI.

Il segnale d'uscita ... del filtro sarà:

A causa del RIPPLE non ho il segnale continuo.Il RIPPLE lo elimino con lo STABILIZZATORE DI TENSIONE.

3. STABILIZZATORE DI TENSIONE

la tensione nel carico deve essere più costante possibile.Quando il DIODO ZENER conduce ho:

  _v0 = _Iz r_z + V_ZK

  _Iz = I - _IL = _vS - _v0 / R

  ⟹ _v0 = _vS r_z / R - _v0 r_z / R - _IL r_z + V_ZK

  _v0 ( R + r_z / R ) = _vS r_z / R - _IL r_z + V_ZK

  _v0 = r_z / R + r_{z vS} - _IL r_z R / r_z + R + V_ZK R / R + r_z