Che materia stai cercando?

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

corrente inversa

limitata. Tali portatori generano quindi una piccolissima I , che scorre dal catodo

S

verso l’anodo (vedi fig. 3.7) e risulta quasi indipendente dalla tensione inversa applicata. I valori

-10

tipici di I dipendono molto dall’area e dai livelli di drogaggio del diodo e possono andare da 10 a

S

-16

10 [A].

Poiché la concentrazione di portatori minoritari aumenta con la temperatura, la corrente I , detta

S

corrente di saturazione inversa aumenta con la temperatura.

anche del diodo,

Il fenomeno del breakdown

Se si aumenta la tensione inversa applicata al diodo, in corrispondenza di un certo valore si

breakdown

verifica il fenomeno del del diodo, che consiste in un aumento notevolissimo della

corrente inversa che scorre nel diodo rispetto al valore I della corrente di saturazione inversa, come

S tensione di breakdown

illustrato in fig. 3.8. Tale valore di tensione V viene detto appunto del

Z

diodo. I

D

-V

Z V

D

Figura 3.8: Breakdown di una giunzione pn polarizzata in inversa

La fig. 3.8 in realtà non rispetta fedelmente gli ordini di grandezza delle correnti in gioco: in una

scala realistica la corrente di saturazione inversa I non è visibile, in quanto praticamente

S

sovrapposta all’asse delle tensioni. Si noti che, nella regione di breakdown, il diodo si comporta in

pratica come un generatore di tensione, in quanto tende a mantenere una tensione inversa costante

V ai suoi capi per qualunque valore di corrente inversa.

Z Vi sono due effetti fisici differenti che innescano il fenomeno del breakdown in un diodo.

zener

a) L’effetto è dovuto all’aumento del campo elettrico nella regione di carica spaziale,

che si verifica specialmente nel caso di elevati livelli di drogaggio. Quando si giunge alla

tensione di breakdown, il campo elettrico diventa così intenso da causare la rottura di un

gran numero di legami covalenti, con la conseguente generazione di moltissime coppie

elettrone-lacuna. Ciò porta quindi a un brusco aumento delle corrente inversa. I diodi per i

quali il breakdown si verifica a causa dell’effetto zener presentano una tensione di

breakdown non superiore a 5-6V. Inoltre, per questi diodi un aumento della temperatura

provoca una diminuzione della tensione di breakdown V .

Z

valanga

b) L’effetto si verifica invece quando dei portatori liberi nella regione di carica

spaziale, che, come detto prima sono in numero molto limitato in condizioni normali,

acquisiscono una notevole quantità di energia cinetica. Se uno di questi portatori

interagisce con il reticolo cristallino, l’urto può provocare la generazione di una coppia di

portatori liberi, che, a loro volta, acquisendo l’energia cinetica necessaria e cedendola al

reticolo, possono crearne un’altra, innescando un processo di moltiplicazione a valanga dei

portatori liberi. Il risultato è il breakdown del diodo, cioè l’aumento repentino della

corrente inversa. I diodi per i quali il fenomeno del breakdown è associato all’effetto

valanga hanno tensioni di breakdown maggiori di 6-7V e in questo caso il coefficiente di

temperatura di V è positivo, cioè la tensione di breakdown aumenta con la temperatura.

Z non è un fenomeno

C’è da sottolineare che il breakdown di una giunzione pn necessariamente

distruttivo . Se si limita in qualche modo l’aumento di corrente inversa e si impedisce quindi che la

potenza da dissipare superi il limite tollerabile dal diodo, esso può lavorare stabilimente in un punto

operativo all’interno della regione di breakdown.

Effetti capacitivi associati a un diodo polarizzato inversamente

Abbiamo visto che la carica fissa contenuta nella regione di svuotamento di un diodo polarizzato

inversamente varia al variare della tensione inversa applicata V =-V . Esiste quindi una funzione

R D

Q (V ) che descrive appunto la dipendenza di tale carica Q dalla tensione applicata al diodo e che

S R S

è fortemente non lineare, come si vede in fig. 3.9.

Q S V =-V

R D

Figura 3.9: Carica nella regione di svuotamento in funzione della tensione inversa V =-V

R D

Una variazione di tensione inversa nel tempo richiede quindi una variazione della quantità di

carica Q nel tempo, che causa un transitorio nella corrente inversa, necessario per fornire la

S

differenza di carica richiesta. In definitiva si ha un effetto capacitivo, che però è di tipo non lineare,

in quanto la caratteristica carica-tensione Q (V ) non è una retta passante per l’origine.

S R

Se però il diodo viene fatto lavorare in un certo punto di lavoro Q, sempre in polarizzazione

inversa, e si considerano spostamenti abbastanza piccoli intorno al punto di lavoro, la caratteristica

Q (V ) può essere linearizzata intorno a tale punto, cioè la caratteristica non lineare può essere

S D capacità di

confusa con la sua tangente nel punto di lavoro. Di conseguenza si può definire una

piccolo segnale del diodo polarizzato in inversa, come derivata della funzione Q (V ) rispetto a V ,

S R R

calcolata nel punto di lavoro Q, come illustrato dalla fig. 3.10.

capacità di transizione

Tale capacità prende il nome di :

dQ

= S

C T dV R Q

Q S dQ

= S

C T dV

R Q

Q

Q punto di lavoro Q

S Q

V

R V

R

Figura 3.10: Capacità di transizione C .

T

3.3 La giunzione pn in polarizzazione diretta

Quando la tensione ai capi della giunzione pn è positiva, secondo le convenzioni di segno che

polarizzato direttamente.

abbiamo scelto (fig. 3.5), si dice che il diodo è Quindi un diodo è

polarizzato direttamente se V >0, come in fig. 3.11.

D _ +

V

D

E

Figura 3.11: Diodo polarizzato direttamente l’estensione della

In questo caso, rispetto alla condizione di equilibrio, corrispondente a V =0,

D

regione di carica spaziale diminuisce, in quanto la polarizzazione applicata tende a favorire il

passaggio dei portatori liberi dalla regione in cui sono maggioritari, verso quella in cui sono

minoritari. Di conseguenza gli ioni vicini al bordo della regione di carica spaziale possono

riacquistare la carica che avevano perduto e diventano atomi neutri, per cui la regione di carica

spaziale si restringe. Ciò implica che la differenza di potenziale ai capi della regione di

svuotamento, che all’equilibrio (V =0) impediva la migrazione libera dei portatori maggioritari, si

D

riduce notevolmente e quindi non è più in grado di controbilanciare la tendenza alla diffusione dei

portatori maggioritari stessi. Il risultato è che si produce un flusso di elettroni che si spostano per

diffusione dalla regione di tipo n a quella di tipo p e un flusso di lacune che si spostano nel verso

opposto, dando luogo a due contributi di corrente nello stesso verso, che è quello definito positivo

dalla nostra convenzione. Il fenomeno è illustrato nella seguente fig. 3.12.

regione di carica spaziale

+

_

Si-n Si-p

+ +

+

_

_ +

_ + +

+

_ + + +

+

_ + _ I

E D

_ +

Figura 3.12: Polarizzazione diretta: riduzione della regione di carica spaziale e corrente diretta

La corrente in un diodo polarizzato direttamente è, quindi, una corrente di diffusione e cresce

molto rapidamente con la polarizzazione diretta applicata. La relazione I (V ) è infatti di tipo

D D

esponenziale, descritta dalla seguente equazione (3.1),

 

V

D

= −

 

nV

I I e 1 (3.1)

T

 

D S  

in cui abbiamo:

coefficiente di emissione,

n = adimensionale, di valore tipico compreso tra 1 e 2;

kT

tensione termica,

V = pari a , essendo k la costante di Boltzmann, T la temperatura assoluta

T q

e q la carica dell’elettrone;

I è sempre la corrente di saturazione inversa.

S

Il valore della tensione termica a temperatura ambiente è di circa 25mV. In quasi tutti i casi pratici

in cui il diodo è acceso, si può trascurare l’unità rispetto al termine esponenziale, il che significa che

I >>I . Quindi:

D S V

D

≅ nV

I I e (3.2)

T

D S

La seguente fig. 3.13 mostra la tipica caratteristica di un diodo, in cui la corrente si può

considerare praticamente trascurabile fino a V =V 0.5V (spesso considerato come il valore della

γ

D

tensione di soglia del diodo). Inoltre la tensione ai capi del diodo non varia molto quando è ben

acceso, a causa della caratteristica esponenziale (3.2), e il suo valore si aggira sempre intorno a

0.6÷0.8V, tipicamente 0.7V.

I

D V

γ V

D

Figura 3.13: Caratteristica esponenziale di un diodo in diretta

Effetti capacitivi associati a un diodo polarizzato direttamente

Anche nel caso di giunzione polarizzata direttamente si hanno degli effetti capacitivi, associati

questa vota all’accumulo dei portatori liberi iniettati dalla regione in cui sono maggioritari a quella

in cui sono minoritari. In altre parole, in corrispondenza di un certo valore di tensione diretta V ,

D

regioni quasi neutre)

nelle regioni esterne alla regione di svuotamento (dette si è in presenza di un

eccesso di cariche minoritarie Q (V ), che varia al variare della polarizzazione, anche qui in modo

D D capacità di piccolo segnale

non lineare. Si può quindi definire, anche in questo caso, una associata

al diodo polarizzato in diretta come la derivata della carica Q in funzione di V , calcolata nel

D D

punto di lavoro: dQ

= D

C D dV

D Q

capacità di diffusione

Questa capacità viene denominata e tipicamente è di circa un ordine di

grandezza maggiore rispetto alla capacità di transizione.

Effetti della variazione della temperatura sulla caratteristica del diodo in diretta

Considerando l’eq. (3.2), che esprime la caratteristica di un diodo in diretta, si possono

riconoscere due effetti contrapposti della variazione della temperatura. Come sappiamo, la corrente

di saturazione inversa I aumenta con la temperatura, per cui I tende ad aumentare con essa. Anche

S D

la tensione termica V aumenta con la temperatura, provocando una tendenza alla diminuzione di I

T D

aumento

con T. L’effetto netto risultante di un aumento della temperatura è un della corrente I ,

D

corrente costante,

che si può quantificare come segue. Polarizzando il diodo a un incremento di un

grado della temperatura assoluta corrisponde a una diminuzione di 2mV della tensione V ai capi

D

del diodo, come illustrato in fig. 3.14.

I

D T

2

T

1 I =cost

D ∆ V = − °

D 2 mV / C

∆ T =

I cos t

D

V

D ∆V

D

Figura 3.14: Dipendenza della caratteristica del diodo in diretta dalla temperatura

3.4 Punto di lavoro di circuiti a diodo

Consideriamo il circuito rappresentato in fig. 3.15, costituito da un generatore indipendente di

tensione, da un resistore lineare e da un diodo, caratterizzato dai parametri I e n.

S

R +

I I

S V

E _

n

Figura 3.15: Semplice circuito a diodo

punto di lavoro

Per determinare il del circuito, cioè per determinare il valore delle grandezze

elettriche del circuito (con particolare riferimento alla tensione V e alla corrente I associate al

diodo), bisogna risolvere il seguente sistema di equazioni, ottenuto a partire dalle caratteristiche

degli elementi del circuito e dalle leggi di Kirchoff:

 V

 = nV

I I e a)

T

 (3.3)

S

 = +

E V RI b)

Questo sistema non si può risolvere analiticamente in forma chiusa, per cui possiamo, per

esempio, usare un approccio grafico. Nel piano V-I dobbiamo riportare la caratteristica del diodo e

la caratteristica della restante parte del circuito, cioè della serie generatore di tensione-resistenza.

Quest’ultima caratteristica è ovviamente rappresentata da una retta, che è facilmente tracciabile

considerando che passa per i punti (E,0) e (0, I ). Tali punti rappresentano le intercette della retta

SC

rispettivamente con l’asse delle tensioni e con l’asse delle correnti, cioè la tensione a vuoto e la

corrente di corto-circuito del bipolo costituito dalla serie generatore-resistenza.

Il punto di lavoro del circuito sarà individuato dall’intersezione tra le due caratteristiche, come

viene visualizzato in fig. 3.16.

I

E

=

I retta di carico

SC R Q

Q

I Q E

V V

Figura 3.16: Determinazione del punto di lavoro con metodo grafico


PAGINE

14

PESO

427.09 KB

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Esame: Elettronica
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria elettronica
SSD:
A.A.: 2009-2010

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher trick-master di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Elettronica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Bari - Poliba o del prof Marzocca Cristoforo.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!