elettronica i - a.a. 2002/2003 ele-b-1 anodo catodo

Elettronica I - A.A. 2002/2003Ele-B-1

anodo catodo


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


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


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



J. Millman - C.C. Halkias “Microelettronica” Ed. Boringhieri

p n

V

anodo catodo



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


)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


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:


)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)


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


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



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


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


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


diodi VARICAP o VARACTOR


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


(polarizzazione diretta)


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


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)


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


Fig. 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when (d) Equivalent circuit when v1 0 (e) Output

waveform.16-24


Fig. 3.19 Graphical analysis of the circuit in Fig. 3.18.

26


Fig. 3.20 Approximating the diode forward characteristic with two straight lines.

27


Fig. 3.21 Piecewise-linear model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.

28

=


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


Fig. 3.24 The constant-voltage-drop model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.

30

=


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


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:


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


Fig. 3.31 The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail.

34-35


Fig. 3.32 Model for the zener diode.

36


Fig. 3.36 Block diagram of a dc power supply.

37


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


Fig. 3.39 The bridge rectifier: (a) circuit and (b) input and output waveforms.

40


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


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


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

elettronica i - a.a. 2002/2003 ele-b-1 anodo catodo

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