Elettronica 1 2.Diodo: funzionamento e caratteristiche statiche

15.03.2010 LEZIONE 2 I DIODI (1:15)

Il più semplice e fondamentale elemento non lineare che incontriamo è il diodo. Il diodo è un componente a due terminali. Colleghiamolo ad un resistore, ma si aggiunge il generatore che provoca una relazione non lineare (ora approfondita). Tra la corrente che lo attraversa e la tensione ai suoi capi il diodo è costituito da una costruzione a pn un diodo fondamentalmente è una giunzione pn che in giro appura un semiconduttore viene aggiunto in un lato una zona p pn -in altro sito di tipo p da qualcuno AB che intelligenza il confine tra le due regioni, si chiama GIUNZIONE DEL DIODO il terminale connesso al semiconduttore drogato di tipo P n cincia anodo A mentre il terminale connesso al semiconduttore drogato di tipo N n cincia catodo K

Il simbolo schematico del diodo a giunzione pn è:

LA REGIONE DI POLARIZZAZIONE DIRETTA

Applico CB un potenziale VD al diodo A positivo rispetto al potenziale presente al catodo K n ovvero un congiuro il contatto di aumento non lineare dall'anodo verso il catodo si il diodo ridurre la polarizzazione diretta:

Si dimostra che con elevazione approssimativa avere l'albumino della consunte ID che attraversa il diodo si:

dunque n (eta) un fattore contains che duplica del tipo di trancel con cui e sono realizzato il diodo. per esempio per un diodo ai germani n = 1 mentre per un diodo al silicio integrato vale η = 1

15.03.2010 LEZIONE 2 | DIODI (1:15)

Il più semplice e fondamentale elemento non lineare di un circuito è il diode. Il diodo è un dispositivo a due terminali collegandoli ad un termine ma e aggiungere del termine che proviene in relazione lineare (ovviamente). Tra la corrente che lo attraversa e la termine vi puoi capo il diodo è caratterizzato da una caratteristica I-V non lineare.Un diodo normalmente è una giunzione p-n che in genere quando un cristallo di semiconduttore viene drogato da lato di tipo n e dall'altro di tipo p da proprio A_D che identifica il confine tra le due region chiamata GIUNZIONE DEL DIODO. Il terminale connesso al semiconduttore drogato di tipo P si chiama anodo A mentre il terminale connesso al semiconduttore drogato di tipo N si chiama catodo K

Il simbolo circuitale del diodo a giunzione p-n è:

LA REGIONE DI POLARIZZAZIONE DIRETTA

Applico a un potenziale V_D del anodo A positivo rispetto al potenzialepresente al catodo K, il termine in conseguirà i caratteri lineamenti non lineari dalla anodo verso il catodo e il diodo ride non in polarizzazione diretta:

I_D →

Si dimostra che un relazione approssimata, avremo l'espressione delle correntiI_D che attraversa il diodo è:

I_D = I_S (e^V_D/nV_T - 1)

dove n (etta) il fattore costante che dipende dal tipo di materiale con cui è stato realizzato il diodo. Per esempio per un diodo al germanio n = 1, per un diodo al silicio discreto vale n ≃ 2, mentre per un diodo al silicio integrato vale n ≃ 1

L'andamento della corrente ID in funzione della tensione VD è la caratteristica del diodo nel piano i-v.

_ID = _IS ( e ^VD/ƞVT - 1 )

Nell'espressione della corrente ID, VT si chiama TENSIONE TERMICA e risulta essere una relazione proporzionale alla temperatura.

VT = _KT/_q

essendo K la costante di Boltzmann, T la temperatura in gradi Kelvin e q la carica elettrica dell’elettrone. All temperatura di 300 °K si ha:

VT ≈ 26 mV

Il termine IS si chiama CORRENTE DI SATURAZIONE INVERSA e risulta dipendere dal tipo AD, dal giunzione del diodo e dalla temperatura. All'aumentare del tipo AD maggiore e le correnti dei semiconduttore minore mobile IS raddoppia ogni dieci gradi di temperatura.

La corrente da conduzione inversa dipende pure dalle concentrazioni dei drogate. Se risulta VD >> ƞ VT l'espressione della corrente ID si può approssimare a questo segno:

_ID = _IS e ^VD/ƞVT

essendo il limite termiche parato ed approssimare equilibrazioni relazione più onde determinativamente loggone un porta logaritmi:

VD ≈ ƞ VT ln _ID / _IS

L’andamento proporzionale della corrente ID con la tensione VD si mantiene per diverse decadi. In variazione delle corrente, di più 7 decadi. Al di là del decadi, di volte ampiezza delle corrente ID è troppo grande. La relazioneテンsi convinta delle condizione un modo si possono molti deciclo che piccole variazioni della tensione di ceppi che diodo si deve indurre piccole variazioni nelle condizione alte attraverso il diodo.

2.2.

divis. Per conoscere un punto fatto supponiamo che vi compie il diodo,

ci sia una tensione V_D1. In corrispondenza alla tensione V_D1 scorre

nel diodo una corrente I_D1 data da

I_D1 = I_S e^V_D1/V_T (1)

Analogo aspetto avviene nel caso del diodo una tensione V_D2 in cui scorre

una corrente I_D2 data da

I_D2 = I_S e^V_D2/V_T (2)

Dividendo membro a membro le relazioni (1) e (2) otteniamo

I_D2/I_D1 = e^{(V_D2-V_D1)/gV_T}

e quindi

V_D2-V_D1 = g V_T ln (I_D2/I_D1)

Ma per piccole il logaritmo naturale in base dieci si ottiene

V_D2-V_D1 = 2,3 g V_T log (I_D2/I_D1) (3)

La relazione (3) mostra semplicemente come in corrispondenza ad un

variazione della corrente pari ad una decade (I_D2 = 10 I_D1) si ha

nel diodo una variazione della tensione pari a

V_D2-V_D1 = 2,3 g V_T

che è approssimativamente pari a 60mV per g = 1

... uso di una scala semilogaritmica che è molto più conveniente per disegnare la caratteristica i-v di un diodo...

... tensione maggiore, il gas che si muove.

... tale valore viene in genere definito come tensione di soglia _V

Va considerata... importante per i costruttori...

... conseguente dell'aumento proporzionale. Mi giunge...

La regione di polarizzazione inversa... applicando un potenziale maggiore _-V

... diodo si trova in polarizzazione inversa.

... corrente del catodo K del anodo A detto da...

... questo fatto viene fuori dalla caratteristica del diodo... tensione...

... esponenziale è trascurabile rispetto...

Altra relazione _|ad fin`ora giunta in quanto vincolata la condizione

|Vo| >> V_T

Avviene in polarizzazione inversa la corrente cresce in verso opposto rispetto

alla polarizzazione diretta ed è pari ad una corrente I_S modulo I_S

ma corrente molto debole. Da questo fatto ne segue il nome “corrente

inverso di saturazione”.

Aggiunto che regime della polarizzazione diretta, la regione di polariz-

zazione inversa, la caratteristica del diodo nel piano i-v diventa:

- REGIONE DI

POLARIZZAZIONE INVERSA

i

REGIONE DI

POLARIZZAZIONE DIRETTA

v

-I_S

0 0,5 0,7

LA REGIONE DI BREAKDOWN

Il diodo entra nella regione di breakdown quando l'ampiezza

della tensione inversa applicata al diodo supera un valore di

soglia. Tipico del particolare diodo che oltre la TENSIONE di

BREAKDOWN, da Tensione di breakdown è detta “ginocchio”

della caratteristica del diodo proprio perchè in corrispondenza della

Tensione di breakdown la corrente aumenta in modulo in modo

proporzionale, creando a generare un ginocchio.

Da Tensione di breakdown è indicata con V_ZK, dove la Z

nel pedice sta per Zener e la K per ginocchio” (da “KNEE in

inglese).

RE GIO NE DI

R E G I O N E D

RE GI O NE P

D

I

I

I

i CARATTERISTICA

DEL DIODO

V_ZK

R E G I O N E D I

P

B

I

D

v

POLA RI Z Z A Z I O N E D I R E T T A

BRE AK DOWN

S A T U R A Z I O N E

-I_S

0 0,5 0,7

2.5

Si osservi che quando il diodo lavora nella regione di breakdown si comporta similmente ad un generatore ideale di tensione di V_Z = V_Z

_i

V_ZK

₂

-V_ZK

Regioni per cui i diodi che lavorano nella zona di breakdown vengono impiegati per generare generatori condizioni di tensione.

I diodi realizzati appositamente lavorano nelle regioni di breakdown e denomomano DIODI ZENER il simbolo schematico del diodo zener e

Facciam ceppomen signifie della caratteristica del diodo. In penetrazione direttrice in corrispondenza della tensione di 0,7 e la corrente aumenta in modo proprio e lo stesso diodo di proteio questo il diodo lavora nelle regione di breakdown. Overtollenie il diodo non distingue e non si limenta la corrente. Per liumione la corrente hasita collegne in serie al diodo un resistor opportunomente scelto.

Supponimo di vedere un diodo i cui dit. di targa sono

I_max = 100 m A contului con liveze conlimu

P_max = 0,25 W potere nomin.

e senmodalma i circuiti elettrici

R

I_D

V_Z 2 V

_______

V_D = 0,7 V

Il diodo è in pentrazione diretta e si non equi cussa una tensione V_D = 0,7V

2.6

Per una rapida esportanza alla lamp.ra trova il valore della corrente I_D.

I_D = ^{V - V_D}/_R

da cui si ricava il valore della resistenza R

R = ^{V - V_D}/_ID = ^{2 - 0,7}/_ID = ^1,3/_ID

La più piccola resistenza che possiamo scegliere per non distruggere il diodo è quella calcolata supponendo la corrente che attraversa il diodo sia massima

I_D = I_max = 100 mA

Si ha dunque che

R_min = ^1,3/_Imax = ^1,3/_{100 · 10^-3} = 13 Ω

Scelgo che R > R_min ovvero R > 13 Ω

il diodo sarà protetto da una eccessiva corrente

Per capire come limitare la corrente che attraversa il diodo e stata fatta una scelta non indifferente: ne il rapporto che in polarizzazione diretta il diodo verrà equivalentato ad una batteria di tensione pari a 0,7 V d'opposizione porta in una modellazione del dispositivo non linere: DIODO

MODELLI CIRCUITALI EQUIVALENTI DEL DIODO

MODELLO 1

PLARIZZAZIONE INVERSA PLARIZZAZIONE DIRETTA

Modello 2

Polarizzazione Inversa

• A
• K
• V_D < 0

Polarizzazione Diretta

• A
• K
• V_D > 0

Modello 3

Polarizzazione Inversa

• A
• K
• V_D < 0,7

Polarizzazione Diretta

• A
• K
• R
• V_D > 0,7

I modelli del diodo che generalmente usiamo sono l'1 e il 2.Usiamo il modello 1 e lo teniamo un poco meno comprensibilecon la tensione di 0,7, versus il modello 2 se le tensioniin gioco sono molto più piccole della tensione 0,7 V.Tanto per divenire le idee in condizioni normali e comuniper un alunno progettò le vendite di protezioni R del diodo,e la tensione V = V zona io sono abilita insopra un taglio a so il valore 0,7 non contienemolto il colo col giudice in copoco da un punto cosa mi possoquale utilizzerò il modello 2 del diodi...

ANALISI DEI CIRCUITI REALIZZATI CON I DIODI

Consideriamo il circuito... tensione continua V = 10 V, da una resistenza R = 1kΩ ed da un diodo.

Si vuole analizzare tale circuito per determinare la corrente I_D che scorre nel diodo e la tensione V_D ai suoi capi.

Supponiamo che il diodo... di 0,6 V (cioè...) in altre parole useremo il modello equivalente a del diodo... e il documento primo.)

È evidente che

(*)   I_D = ^{V - V_D}⁄_R = ^{10 - 0,6}⁄_{1 × 10³} = 9,4 mA

... la corrente I_D risulta positiva con il e... nello stato di polarizzazione del diodo, cioè il diodo è un polarizzazione diretta.

D'altra... potrà omragu... sotto i porperty... V_T la corrente che attraversa il diodo è... ai suoi capi della relazione.

(**)   I_D = I_S(e^V_D⁄nV_T-1)

Le equazioni... all.. non attraverso il sistema di relazioni (*) e (**). Risolvere un sistema con... per un circuito plysico su cui un solo diodo è non... non diversi, ... è possibile ottenere le solruon...

2.9

(V_D, I_D) attraverso l'analisi grafica d'incontro grafica in ottiene riportato nel piano V, i le curve descritte dalle relazioni (*) e (**), da scaturire viene punto ottenuta dalle coordinate del punto di intersezione delle due grafici. Mentre la relazione in (*) rappresenta la caratteristiche del diodo in polarizzazione diretta, la relazione in (**) rappresenta il grafico dati una retta conosciuta come retta di carico.

I_D = ^{V - V_D}/_R - I_D = ¹/_R V - ¹/_R V_D

→ I_D = ¹/_10³ 10^-1 V_D = 10^-2 10^-1 V_D

Il punto di intersezione tra la caratteristiche del diodo e la diritta di carico e' indicato con la lettera Q che ricorda la parole anglosassone Quiescent (riposo). Dato Q, il punto di riposo. Se opera bene al neighboring del punto del riposo non oppure vele turbale l'azione dei piccoli segnali per il diodo.

ESERCIZIO

Dato il circuito elettrico

V_B1 = 15V ; R₁ = 10 KΩ ; R₂ = 5 KΩ ; V_B2 = -10 V

calcolare le correnti che scorrono nei diodi.

2.10

Sappiamo che entrambi i diodi siano in polarizzazione diretta:

D₁ ON

D₂ ON

Dopo aver le tensioni in gioco un modello non molto preciso rispetto ai 0,7 V, possiamo utilizzare per entrambi i diodi il modello 2. Quindi i diodi in polarizzazione diretta sono equivalenti:

0 V

15V: V_B1

V_B2 = -10 V

Allora si ha che

I_D2 = \(\dfrac{0 - V_{B2}}{R_2}\) = \(\dfrac{0 - (-10V)}{5K\Omega}\) = 2 mA

I_R1 = \(\dfrac{V_{B1} - 0}{R_1}\) = \(\dfrac{15V}{10K\Omega}\) = 1,5 mA

I_R1 = I_D1 + I_D2 ⟹ I_D1 = I_R1 - I_D2 = 0,5 mA

Dato che I_D2 è una corrente positiva allora il diodo D₂ è necessariamente in polarizzazione diretta. Lo stesso discorso non vale per il diodo D₁ infatti qui non si trova una corrente negativa e ciò vuol dire che esso si trova in polarizzazione inversa

D₁ CUT OFF

D₂ ON

Pertanto D₁ è un circuito aperto e D₂ è un cortocircuito.

2.11

Si ha dimostrato che _D2 = 0 mentre

_D2 = ^{_B1 − _B2}/_{1 + 2} = ^(15+10)V/_(10+5)kΩ = ²⁵/₁₅ mA = 1,63 mA

APPLICAZIONE DEI DIODI CIRCUITO LIMITATORE SINGOLO

Un circuito limitatore può essere utilizzato per selezionare la parte di una forma di onda al di sopra o al di sotto di un livello di riferimento dato. Quello rappresentato in figura è un limitatore che seleziona la forma d'onda al di sotto di un livello di riferimento dato.

Supponiamo che il diodo D sia ideale, ovvero che abbia la caratteristica

DIODE IN CUT-OFF

SE _D < 0

DIODE ON

SE _D = 0

(_D, _D) = (0, 0)

\(\large \rightarrow\)

V_D

Consideriamo l'equazione alla maglia del circuito mostrato in figura

-_IN + ⋅ _D + _D + _B = 0

da cui si ricava la tensione ai capi del diodo D.

_D = (_IN - ⋅ _D) - _B (A)

Si ha ovviamente che

_IN - ⋅ _D

è il potenziale del nodo A e

2.12

V_B

è quello del catodo K.

Se succede che il potenziale del nodo A è minore di quello di catodo K, cioè

V_IN - R I_D < V_B (1)

mi ha che

V_D < 0

in accordo con la relazione (A). Se V_D < 0 il diodo è in CUT-OFF e cioè un circuito aperto, pertanto il segnale di uscita V_OUT risulta uguale al segnale di ingresso V_IN:

V_OUT = V_IN - R I_D = V_IN

Se non sono corrente nel resistore R, l'espressione (1) si nave:

V_IN < V_B

Riassumendo:

Se V_IN < V_B => V_OUT = V_IN

Se immaginiamo che il segnale di ingresso sia una sinusoidale, il risultato risulta mi esprime in deserto:

Consideriamo nuovamente la relazione (A). Se succede che il potenziale del nodo A risulta uguale al potenziale del catodo K, cioè

V_IN - R I_D = V_B (2)

mi ha che

V_D = 0

Se V_D = 0 il diodo è in ON, e cioè un cortocircuito.

2.13

Esame un _piú ben valore del seguente circuito equivalente

m ha che _VOUT = _VB. D'altra parte visto che quando _VD = 0

m ha pure che _ID = 0 , la relazione _n serve pure

_VIN = _VB

Anche normalmente

Se _VIN = _VB => _VOUT = _VB

Questa situazione m meniene Tale situazione

Anche in definitiva m ha che

_VOUT =

• (_VIN ex _VIN < _VB
• _VB ex _VIN > _VB

La relazione ₃ in un puo _ingresso - uscita representute la

_Trans - Caratteristica dell circuito :

2.14