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 V_D 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 I_D che attraversa il diodo si:

V_D
I_D = I_S (e^------ -1)
n V_T

Dunque n (eta) un fattore contains che duplica del tipo di trancel con cui è 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 potenziale presente 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 correnti I_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 I_D in funzione della tensione V_D è la caratteristica del diodo nel piano i-v.

I_D = I_S (e^V_D/ηV_T - 1)

Nell'espressione della corrente I_D, V_T si chiama tensione termica e risulta essere una relazione proporzionale alla temperatura.

V_T = K_T/q

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

V_T ≃ 26 mV

Il termine I_S 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 I_S raddoppia ogni dieci gradi di temperatura.

La corrente da conduzione inversa dipende pure dalle concentrazioni dei drogate. Se risulta V_D >> η V_T l'espressione della corrente I_D si può approssimare a questo segno:

I_D = I_S e^V_D/ηV_T

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

V_D ≃ η V_T ln I_D / I_S

L’andamento proporzionale della corrente I_D con la tensione V_D si mantiene per diverse decadi. In variazione delle corrente, di più 7 decadi. Al di là del decadi, di volte ampiezza delle corrente I_D 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 |a_d fin'ora giunta in quanto vincolata la condizione |V_o| >> 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 polarizzazione inversa, la caratteristica del diodo nel piano i-v diventa:

• Regione dipolarizzazione inversa
• Regione dipolarizzazione 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 perché 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 DIR E G I O N E DRE GI O NE PDIIIi CARATTERISTICA DEL DIODO V_ZK R E G I O N E D IPBIDvPOLA RI Z Z A Z I O N E D I R E T T ABRE AK DOWNS 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_ZiV_ZK2-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 RI_DV_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)/I_D = (2 - 0,7)/I_D = 1,3/I_D

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/I_max = 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 comprensibile con la tensione di 0,7, versus il modello 2 se le tensioni in gioco sono molto più piccole della tensione 0,7 V.

Tanto per divenire le idee in condizioni normali e comuni per 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 contiene molto il colo col giudice in copoco da un punto cosa mi posso quale 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 più ben valore del seguente circuito equivalentem ha che V_OUT = V_B. D'altra parte visto che quando V_D = 0m ha pure che I_D = 0, la relazione n serve pure:

V_IN = V_B

Anche normalmente:

Se V_IN = V_B => V_OUT = V_B

Questa situazione m meniene Tale situazione.

Anche in definitiva m ha che:

V_OUT = (V_IN ex V_IN V_B V_B ex V_IN > V_B

La relazione 3 in un puo ingresso - uscita representute la Trans - Caratteristica dell circuito:

2.14