elettronica i - a.a. 2002/2003 ele-b-1 anodo catodo
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Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-1
anodo catodo
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-2
potenziale di built-in
ASSENZA DI POLARIZZAZIONE
p n
(densità di carica)
x
ND
-NA
-WpWn
Wn-Wp
E (campo elettrico)
x
x
V (potenziale)
Vbi
NAND
--
---
-
++
+++
+
ND Wn = NA Wp
dxxEx
Wps
dxExVx
Wp
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-3
Giunzione p-n in polarizzazione inversa: il potenziale applicato dall’esterno (V) si somma al potenziale interno di built-in (Vo) (infatti il campo elettrico interno è concorde con quello applicato dall’esterno)
La barriera di potenziale interna diventa: Vo+V
nel dispositivo non circola corrente
Giunzione p-n in polarizzazione diretta: il potenziale applicato dall’esterno (V) si sottrae al potenziale interno di built-in (Vo) (infatti i campi elettrici non sono concordi)
La barriera di potenziale interna diventa: Vo-V
nel dispositivo circola corrente
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-4
Per effetto della riduzione della barriera di potenziale, si determina un flusso netto (iniezione) di lacune che attraversano la giunzione dal lato p al lato n, e di elettroni che attraversano la giunzione nel verso opposto.
I due flussi danno vita ad una corrente Ipn di lacune minoritarie nel lato n e
ad una corrente Inp di elettroni minoritari nel lato p. Tali correnti hanno
verso concorde.
Queste correnti hanno in pratica la sola componente diffusiva. Infatti la componente di trascinamento è trascurabile essendo E 0 al di fuori della regione di carica spaziale e p<<n nella regione n nonché n<<p nella regione p (ipotesi di bassi livelli di iniezione).
CORRENTE IN UN DIODO P-N IN POLARIZZAZIONE DIRETTA
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-5
CORRENTE IN UN DIODO P-N IN POLARIZZAZIONE DIRETTA
J. Millman - C.C. Halkias “Microelettronica” Ed. Boringhieri
p n
V
anodo catodo
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-6
CORRENTE IN UN DIODO P-N IN POLARIZZAZIONE DIRETTA
La corrente totale IT(x) è costate attraverso il diodo e quindi può essere calcolata ovunque. In particolare, in x = 0+ si ha:
)0()0()0( ,, diffpdiffpT III
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-7
)0(')0()0(')( ,,
p
L
DAqIep
L
DAqxI
p
pdiffp
L
x
p
pdiffp
p
Poiché:
)0(')0(, n
L
DAqI
n
ndiffn
ed anche:
allora:
)0(')0(')0( n
L
Dp
L
DAqI
n
n
p
pT
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-8
Data una giunzione p-n operante in regime di bassi livelli di iniezione, in qualsiasi punto x è sempre verificata la relazione:
TV
V
i enxnxp 2 (legge della giunzione)
In particolare, allora:
TT V
V
noV
V
iD eppenNp 00 2
TV
V
po enn 0ed anche:
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-9
)0(')0(' n
L
Dp
L
DAqI
n
n
p
pT
1)0()0(' TT V
V
nonoV
V
nono eppepppp
1)0(' TV
V
po enned anche:
in cui:
11 TT V
V
oV
V
pon
nno
p
pT eIen
L
Dp
L
DAqI
(Equazione del diodo ideale)
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-10
po
n
nno
p
po n
L
Dp
L
DAqI
L’eq. del diodo ideale è valida anche in polarizzazione inversa ed il termine
prende il nome di corrente di saturazione inversa, dovuta alla generazione termica di coppie e-h nelle regioni neutre del diodo.
2i
An
n
Dp
p nNL
D
NL
DAq
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-11
Si definisce tensione di soglia
quella tensione V tale che:
100
MAXIVI
V,Ge 0.2 V
V,Si 0.6 V
V,GaAs 1.1 V
J. Millman - C.C. Halkias “Microelettronica” Ed. Boringhieri
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-12
Poiché ni è funzione della temperatura, la corrente di saturazione inversa
aumenta con con T:
10010
1
2)(TT
ITI
Per mantenere costante la corrente attraverso un diodo in Si al variare della temperatura occorre ridurre la tensione applicata secondo la relazione:
CmV
dT
dV 5.2
1TV
V
o eII è detto fattore di idealità del diodo
Più in generale la corrente in un diodo vale:
21
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-13
CARATTERISTICA LINEARE A TRATTI DEL DIODO
Il dispositivo è un circuito
aperto per V < V :
0 IVV
Il dispositivo è una resistenza di valore Rf per
V > V :
fR
VVIVV
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-14
CAPACITA’ DI GIUNZIONE
W
AdV
dQC Sij
p n+V
Alla carica fissa presente nella regione di carica spaziale è associabile una capacità detta capacità di giunzione o di transizione. Al contrario di un normale condensatore, questa capacità è una funzione del potenziale applicato. Si definisce quindi una capacità incrementale:
Una variazione dV del potenziale applicato determina una corrente ai terminali:
dt
dVC
dt
dQi j
VVqN
W biD
s 2
con
W
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-15
diodi VARICAP o VARACTOR
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-16
MODELLO “A CONTROLLO DI CARICA” DEL DIODO
pL
x
no eppxp
)0()('
Si suppone: NA>>ND
La carica Q dei portatori in eccesso è data da:
dxepAqQ pL
x
0
0'
0'pLAq p
J. Millman - C.C. Halkias “Microelettronica” Ed. Boringhieri
(polarizzazione diretta)
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-17
Ricordando che: 0'pL
DAqI
p
p si ottiene:
p
QI
La corrente in un diodo è proporzionale all’accumulo di portatori minoritari in eccesso.
L’accumulo di portatori minoritari determina la nascita di un’altra capacità, detta capacità di diffusione, CD.
TppD V
I
dV
dI
dV
dQC
In polarizzazione diretta: CD >> CJ , in polarizzazione inversa: CD << CJ
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-18
DIODI A BREAKDOWN A VALANGA O ZENER
Per qualsiasi diodo polarizzato inversamente esiste una tensione VZ di breakdown oltra la quale la corrente inversa aumenta rapidamente. Se il diodo non è progettato opportunamente, il surriscaldamento che ne consegue ne determina la distruzione.
I meccanismi responsabili di questo fenomeno sono due, ed in genere agiscono in maniera indipendente:
1) rottura Zener: il campo elettrico nella regione di svuotamento supera il valore oltre il quale si ha la ionizzazione diretta degli atomi di silicio (0 < VZ < 8 V)
2) ionizzazione da impatto, o scarica a valanga: il campo elettrico nella regione di svuotamento accelera i portatori che, urtando contro gli atomi del cristallo, li ionizzano producendo altre coppie e-h. Queste a loro volta sono accelerate e producono in cascata altre coppie e-h (VZ > 6 V)
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-19
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-20
Fig. 3.1 The ideal diode: (a) diode circuit symbol; (b) i-v characteristic; (c) equivalent circuit in the reverse direction; (d) equivalent circuit in the forward direction.
15
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-21
Fig. 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when (d) Equivalent circuit when v1 0 (e) Output
waveform.16-24
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-22
Fig. 3.19 Graphical analysis of the circuit in Fig. 3.18.
26
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-23
Fig. 3.20 Approximating the diode forward characteristic with two straight lines.
27
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-24
Fig. 3.21 Piecewise-linear model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.
28
=
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-25
Fig. 3.23 Development of the constant-voltage-drop model of the diode forward characteristics. A vertical straight line (b) is used to approximate the fast-rising exponential.
29
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-26
Fig. 3.24 The constant-voltage-drop model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.
30
=
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-27
SIMBOLOGIA
A VA, vA, va
IA, iA, ia
vA = tensione totale
VA = componente fissa (DC) della tensione
va = componente variabile (di segnale o AC)
della tensione
iA = corrente totale
IA = componente fissa (DC) della corrente
ia = componente variabile (di segnale o AC)
della corrente
31-I
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-28
Fig. 3.25 Development of the diode small-signal model. Note that the numerical values shown are for a diode with n = 2.
31
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-29 31-II
In assenza di segnale variabile vd(t) si ha: T
D
nV
V
SD eII
In presenza del segnale variabile vd(t) si ha:
T
d
T
d
T
D
T
dD
nV
v
DnV
v
nV
V
SnV
vV
SD eIeeIeIi
Se vd(t) << n VT : dDdT
DD
T
dDD iIv
nV
II
nV
vIi
1
nota come “approssimazione a piccolo segnale”
D
Dd
D
T
di
dvr
I
nV resistenza differenziale del diodo valutata alla corrente ID
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-30 31-III
Nell’approssimazione a piccolo segnale, la caratteristica del diodo è sostituita, nell’intorno del punto di funzionamento, dalla retta tangente:
0
1DD
dD Vv
ri che è la caratteristica del bipolo:
Dal circuito si ottiene:
ddDdddDD
dDDD
riVrirIV
riVv
0
0
e cioè la componente continua della tensione sul diodo può essere calcolata da:
ddd riv
dDDD rIVV 0
mentre la componente variabile può essere calcolata da:
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-31
In sostanza, per il calcolo della componente continua ci si può servire del circuito:
Infatti in questo circuito:
dDDD rIVV 0
Dove però occorrerebbe conoscere rd.
Pertanto nella maggioranza dei casi si adotta l’approssimazione:
VVV DD 7.00
Invece per il calcolo della componente variabile ci si serve del circuito:
in cui infatti: ddd riv
con:
D
Td I
Vr
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-32
Fig. 3.31 The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail.
34-35
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-33
Fig. 3.32 Model for the zener diode.
36
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-34
Fig. 3.36 Block diagram of a dc power supply.
37
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-35
Fig. 3.37 (a) Half-wave rectifier. (b) Equivalent circuit of the half-wave rectifier with the diode replaced with its battery-plus-resistance model. (c) transfer characteristic of the rectifier circuit. (d) Input and output waveforms, assuming that rD R.
38
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-36
Fig. 3.39 The bridge rectifier: (a) circuit and (b) input and output waveforms.
40
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-37
Fig. 3.41 Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with CR T. The diode is assumed ideal.
41
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-38 41-II
Vr
CALCOLO DELL’INTERVALLO DI CONDUZIONE DEL DIODO
Il diodo comincia a condurre all’istante –tc e
si spegne in t=0.
–tc è l’istante in cui:
rPcP VVtV cos
rPcP VVtV
2
2
11
p
rc V
Vt 2
Quindi tc è piccolo se si richiede un “ripple” piccolo
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-39 41-III
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-40 41-IV
CALCOLO DELLA CORRENTE MEDIA NEL DIODO NELL’INTERVALLO DI CONDUZIONE
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-41
Uso di diodi Zener per la stabilizzazione della tensione sul carico
Obiettivo: rendere Vo indipendente da vs (variazioni della tensione di alimentazione) e da RL (variazioni del carico)
Per lo studio della dipendenza da RL, esaminando il circuito per le componenti DC si ottiene:
Del diodo Zener sono note rz e Vz
ZZ
ZL
L
ZLL
S
o Vrr
RRRR
VRRR
V
V
Se si sceglie R<<RL si ottiene:ZZ
Z
ZSo Vr
rR
VVV
e dunque tensione sul carico indipendente dal carico stesso
Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-42
Uso di diodi Zener per la stabilizzazione della tensione sul carico (2)
Per lo studio della dipendenza da vs, esaminando il circuito per le componenti AC si ottiene:
Del diodo Zener sono note rz e Vz
11
z
b
zL
bo
rRv
rRRv
v
Se si sceglie R>>rz , vo tenderà ad annullarsi.
in quanto rz è in genere molto piccola (alcuni )
Come regola di massima, conviene scegliere R in modo tale che IZ 10 IRL
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