3 - diodo parte 1 2010 - unirc.it fileEle-B-2 Elettronica I - A.A. 2009/2010 potenziale di built-in...
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Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-2
potenziale di built-in
ASSENZA DI POLARIZZAZIONE
p n
(densità di carica)
x
qND
-qNA
-Wp Wn
Wn-Wp
E (campo elettrico)
x
x
V (potenziale)
Vbi
NAND
--
---
-
+++++
+
ND Wn = NA Wp
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-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 èconcorde 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. 2009/2010Ele-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.
CORRENTE IN UN DIODO P-N IN POLARIZZAZIONE DIRETTA
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-5
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( ,, diffndiffpT III
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-6
)0(')0()0(')( ,, pLD
AqIepLD
AqxIp
pdiffp
Lx
p
pdiffp
p
Poiché:
)0(')0(, nLDAqI
n
ndiffn
Per gli elettroni si ha analogamente:
allora:
)0(')0(')0( n
LDp
LD
AqIn
n
p
pT
])0([)0(' oppp in cui si è posto
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-7
Data una giunzione p-n operante in regime di bassi livelli di iniezione, in qualsiasi punto x è sempre verificata la relazione:
TVV
i enxnxp 2 (legge della giunzione)
In particolare, allora:
TT VV
noVV
iD eppenNp 00 2
TVV
po enn 0ed anche:
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-8
)0(')0(' n
LDp
LD
AqIn
n
p
pT
1)0()0(' TT V
V
nonoVV
nono eppepppp
1)0(' TV
V
po enned anche:
in cui:
11 TT V
V
oVV
pon
nno
p
pT eIen
LDp
LD
AqI
(Equazione del diodo ideale)
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-9
po
n
nno
p
po n
LDp
LD
AqI
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
DNL
DAq
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-10
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. 2009/2010Ele-B-11
Poiché ni è funzione della temperatura, la corrente di saturazione inversa aumenta con con T:
10010
1
2)(TT
ITI
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. 2009/2010Ele-B-12
CAPACITA’ DI GIUNZIONE
WA
dVdQC 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:
dtdVC
dtdQi j
W
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-14
MODELLO “A CONTROLLO DI CARICA” DEL DIODO
pLx
no eppxp
)0()('
Si suppone: NA>>ND
La carica Q dei portatori in eccesso è data da:
dxepAqQ pLx
0
0'
0'pLAq p
J. Millman - C.C. Halkias “Microelettronica” Ed. Boringhieri
(polarizzazione diretta)
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-15
Ricordando che: 0'pLD
AqIp
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
IdVdI
dVdQC
In polarizzazione diretta: CD >> CJ , in polarizzazione inversa: CD << CJ
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-18
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. 2009/2010Ele-B-19
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. 2009/2010Ele-B-20
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. 2009/2010Ele-B-21
Fig. 3.24 The constant-voltage-drop model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.
30
=
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-22
Fig. 3.20 Approximating the diode forward characteristic with two straight lines.
27
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-23
CARATTERISTICA LINEARE A TRATTI DEL DIODO
Per V < V il dispositivo èun circuito aperto :
0 IVV
Per V > V Il dispositivo èuna resistenza di valore Rf :
fRVV
IVV
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-24
Fig. 3.21 Piecewise-linear model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.
28
=
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-25
SIMBOLOGIA
A VA, vA, va
IA, iA, iavA = 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. 2009/2010Ele-B-26
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. 2009/2010Ele-B-27 31-II
In assenza di segnale variabile vd(t) si ha: T
DnVV
SD eII
In presenza del segnale variabile vd(t) si ha:
T
d
T
d
T
D
T
dDnVv
DnVv
nVV
SnV
vV
SD eIeeIeIi
Se vd(t) << n VT : dDdT
DD
T
dDD iIv
nVII
nVvIi
1
nota come “approssimazione a piccolo segnale”
D
Dd
D
T
didvr
InV
resistenza differenziale del diodo valutata alla corrente ID
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-28 31-III
Nell’approssimazione a piccolo segnale, la caratteristica del diodo è sostituita, nell’intorno del punto di funzionamento, dalla retta tangente:
01
DDd
D Vvr
i che è la caratteristica del bipolo:
Dal circuito si ottiene:
ddDdddDD
dDDD
riVrirIVriVv
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. 2009/2010Ele-B-29
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. 2009/2010Ele-B-30
DIODI A BREAKDOWN A VALANGA O ZENER
Per qualsiasi diodo polarizzato inversamente esiste una tensione VZ di breakdown oltre 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. 2009/2010Ele-B-31
Fig. 3.31 The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail.
34-35
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-34
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. 2009/2010Ele-B-35
Fig. 3.39 The bridge rectifier: (a) circuit and (b) input and output waveforms.
40
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-36
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. 2009/2010Ele-B-37 41-II
Vr
CALCOLO DELL’INTERVALLO DI CONDUZIONE DEL DIODO
Il diodo comincia a condurre all’istante –tce si spegne in t=0.
–tc è l’istante in cui:
rPcP VVtV cos
rPcP VVtV
2
211
p
rc V
Vt 2
Quindi tc è piccolo se si richiede un “ripple” piccolo
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-39 41-IV
CALCOLO DELLA CORRENTE MEDIA NEL DIODO NELL’INTERVALLO DI CONDUZIONE
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-40
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: ZZZ
ZSo Vr
rRVVV
e dunque tensione sul carico indipendente dal carico stesso
Elettronica I - A.A. 2009/2010Ele-B-41
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
zz
szL
zL
so r
rRvrR
rRRvv
Se poi si sceglie R>>rz , vo tenderà ad annullarsi.
in quanto rz è in genere molto più piccola di RL (alcuni )
Come regola di massima, conviene scegliere R in modo tale che IZ 10 IRL