Joncliunea pn

33. Comportarea dinamici a jonc{iunii pn

Si considerim ci unei jonc{iuni pn i se aplici la borne o tensiune variabili in timp. Penhu a putea

estima curentul prin structura pn trebuie sn g6sim un model cu c:ue si o tnlocuim. Un model posibil este

prezentat ?n fig. 3.8, in care caracteristica joncfunii pn este aproximat5 eu rezistenli infinitn (contact

deschis) pentru Va < 0 gi cu rezistenta Rd p€ntru Ve > 0 (rezistenfa de curent eontinuu in punehrl IvIs).

(3.2r)

V.c, > 0 nr\d

VaG-

Va<0c)

Fig. 3.8. Modelarea;oncpunii pn in regim dinamic; a) circuitul electric;b) aproximarea liniari pe po4iuni a caracteristicii joncfiunii pn; c) circuitul

echivalent al joncliunii pn corespunzitor aproximafiei caracteristicii.

l

Modelarea jonc{iunii pn la semnal mic, joasi frecvenfi

in aceastii see$une se va studia funcfionarea joncfunii pn in cazul aplicirii la borne a unei tensiunide componenti continui (Va), peste care se suprapune o componentd variabili (v"(t)), ca in fig. 3.9.

v t -- Vt + v o(t), unde vo(r) =Yo. sin @. t

In relafia anterioar5" semnificalia mlrimilor este urmitoarea:v6 - tensiunea la bornele joncfiunii pn, componenta continui plus cea variabili;Va - oomponenta continui a tensiunii la bornele jonefiunii pn;v"(t) - componenta variabild a tensiunii la bornele joncfiunii pn;Vo - anrplitudinea c.omponentei variabile la bornele joncliunii pn.

(3.22)

R, -vto" Ino

a)

t-__veft)

--+

ie(t)

Fig. 3.9. R[spunsul joncliunii pn la semnal mic, joas[ frecven$ a) circuitulelectric; b) deterrrinarea grafici a componentei variabile i".

va v"(t)

Dispozitive electnonice

Cele patru modalitiili de notale de mai sus sunt folosite in circuitele electrice, at6t pentru tensiuni c6tqi pentm curenti. De exemplu, I" reprezinti amplitudinea componentei variabile a curentului prin jonc{iuneapn.

Condilir de semnal de joasi frecvenfi presuprme ci valorile instantanee ale curentului ia(t)urrniresc tensiunea vn(t) dupi aceeagi lege ca gi m5rimile statice. Rezulti ei:

(t)= ro l-"*[g, ",,9]-rl e.23)" L - \ r 'k ' r ) lAstfel, regimul variabil este considerat ca fiind o succesiune de regimuri statice (regm cvasistalionar).

Condifia de semnal mic se exprimd prin relafia:

v" <<I:k ' lq

k.Tin care V7,Yr fiind tensiunea termici. La T: 300 K, Yr = 26 mV. Considerdnd y unitar, condilia de

{I

semnal mic se exprimi de obicei astfel amplitudinea comlxlnentei variabile la bornele joncfiunii pn estemult mai mici deeit tensiunea termici

(V*<.V;Dln(3.22) qi (3,23) rezulti:

ing) =', l"-4fid".,tfr#)'] (3.2s)

Daci relafia (3.24) este respectati, atunci a doua exponen{alI din refufia precedenti se poate aproxima cuprimii doi termeni (exp x + I + x daci x --' 0):

exp Q.26)

Inlocuind (3.26) ?n (3.25), rezulti:

4=T'k ' r .qv-k-T

;F"n;

(3.24)

(3.28)

Q.2e)

(3.27)

tn care, primul termen din membrul drept reprezinti componenta continui, iar cel de al doilea reprezinticomponenta variabill a curentului prin joncliunea pn. Confonn legii lui Ohm, intre i"(0 li v"(t) exist[ relafia:

i Ae) =', l"-(fit) -'].. L""4fidl W

i ,@=T

in care Ri este rezisten{a interni a diodei, la semnal mic.Din identificarea relaliei (3.28) cu termenul al doilea din membrul drept al rela$ei (3.27) re

determini expresia pentm R;:

;FffiGrafic, condiSa de semnal mic permite -caracteristicii jonc{iunii pn in jurul punctului

static de funclionare Odo din fig. 3.8) cu tangenta la grafic.

l0

Joncfiunea pn

| = io =94 - Q' Io.- ."*{ n ' 'n\4 va &nlr^ r .k.T ' \ r .k.r )

(3.30)

Expresia rezistenfei interne se mai poate serie:

Q' I r(331)

in sonsluzie, cirpuitul echivalent al jonc{iunii pn pentru semnal mic qi regim cvasista{iouar(frecven{e mici) este constituit din rezistenla interni Ri.

Circuitul eehivalent al joncfiunii pn la semnal mie, in regim neste{ionrr (la freevenfe mari)

Cregterea frecven{ei de lueru face ca influenp capacitii,tilor jenelirmii pn si nu mai poati fi neglijatii.

Astfel, eircuitul echivalent in regim nesta{ionar euprinde rezistenp interni" & definitn anterior, capacitatea

de difuzie, C6 gi capaeitatea de barieri" C6. Relaliile de calcul pentru eele doui eapacitEfi sunt 16]:

Ct=

(3.32)

(3.33)

Fig. 3.10. a) Cireuitul eehivalent aljoncfiunii pn la semnal mic;b) dependenfa de polarizare a rezistenfei interne gi a capacitililor C6 gi C6.

in care Cto este capcitatea de barieri ?n lipsa pclarizirii joncfiunii pn (Ve: 0).Circuihrl echivalent al diodei la semnal mic, in regim neshSonar este prezentat in fig. 3.10a in earc

r, este rezistenp serie a regiunilor neutre. VariaSile &, Co li Cu in func$e de tensiunea de polarizare ajoncfunii pn sunt ilushate ?n fig. 3.10b. Impedan{a diodei este determinatS" in polarizae direct5" derezistenp intemi gi capacitatea de difisie, iar in polarizare invers4 de capacitatea de barieri. Daci C6 poatefi considerati o capacitate parazrtia in schimb, capacitatea de barier[ este paxametrul de bazn al diodelorvaricap.

Cto

h-Io1l vu,

b)a)

r: To\ - r - -" 2.&

il

Dispozitire electronice

l.4.Parametrii de catalog ai diodclorParametrii pentru polarizarea directil

Ip - (Farwwd Cwrent) curentul direet prin diode.

hnv - (Average Forwqrd Cwrenl) curentul direct mediu. Se ealculeazi pe o perioadi.

Irawr - Qu{mimam Average Forwwd Current} curenful direet mediu maxim.

Is;y- (Mmimum Forwwd Cwrent) valoarea instantanee maximi a curentului direct.

Imr*rsr.a - (IuImimum RMS Forwwd Cwrent) curentul direct eficace maxim.

Irnr,a - (Repetitive Peak Forwwd Cwrent) curentul direct de virf repetitiv.

Ir(ou - (Mmimum Short Term Overload Forward Current) curentul direct de suprasarcinl maxim. Este

valoarea de v6rfa surentului direct care poate fi aplicatd interuritent in condilii specificate.

Irsu - (Swge Forwsd Current) curentul direct de vArf de suprasarcind accidentali- Este sea mai mare

valoare de vdrf a curentului direct, care poate fi poate fi suportati timp de 10 ms.

Ia- (MmimumAverage Rectified Forward Current) curentul direet mediu redresat maxim.

ft- {Cwrent Integral) integrala de curent. Este valoarea maxim[ a integralei de timp a pitratului curenhrlui

direct folositii pentru alegerea siguranpi.

Yp - (Forwmd Vakage) tensiunea directi.

Vro - (Threshald Yakage) tensiunea direeti de prag.

Vnr - (Mmimum Farwwd Yaltage) tensiunea dkeoti maximi.

Parametrii pentru polarizarea invensi

Vnnrra - (Repetitive Peak Reverse Yottage)tensiunea inversi de vflrf repetitivd.

Vn51r - (Non-repetittve Peak Reverse Yoltage) tensiunea inversi de v6rf nerepetitivi.

lply (Muimum Reverse Current) curentul invers manim.

Vpq - (Breakdawt Yoltage) tensiunea de stripungere (avalang[).

Parametrii specifici diodelor 7*ner

Y n - (Nominal Zener Vakage)tensiunea de stabilizare nominali.

lzr,Izx,lm- (Zener Cwrent) curen$i de stabilizare nominal, minim respectiv maxim.

r,- (7*ner Resistanee\ rezistenla de stabilizare.

o,yy- (Temperatwe Coefficient of Zener Yokage) eosfisienhrl de varia$e cu temperatura a tensiunii 7,enrer.

Parametrii specifrci diodelor de comutafie

Innr"r - (Peak Reverse Recavery Cwrent) curent maxim de comuta$e inversi.t*-(Rev*se Recwery Timeltimpul de comutare invers5.

ta- (Forward Recwery ftme) timpul de comutare dir€stn.

Cw - (Diode Total Capacitutce) capaeitatea totali a diodei.

12

Joncliunea pn

3,5. Diode semiconductoare realizate pe baza joncfiunii pn

lo ng. 3.11 este ilushatn structura unei diode reahzate prin difiuie (diode difrrzafi). Znnan* are rolulde a miegora rezistenp serie a jonc$unii pn. Stratul de oxid de siliciu (SiOr) este un foa*e bun izolatorelectric. Diodele semieonductoare sunt dispozitive electronice cu doui tenninale (A - anod ti C - catod) aciror func{ionare se bazeazd pe proprietiifile joncliunii pn. Terminalele sunt fixate pe contaetele ohmice alecelor doui zone p qi n. Prin procese tehnologice adecvate se pot realizajoneliuni ale ciror proprietifi difernfoarte mult. in continuare vor fi prezentate citeva din tipurile de diode semiconductoare cel mai des utiliz.ate.

a) Diode redresoare

Aceste diode se bazeazApe proprietatea de conduclie unilateralda joncfiunii pn. Ele au ca rol in circuit transformarea puterii de curentalternativ in putere de curent continuu. Utrlizarea lor va fi prezentatii incapitolul ,,Redresoare monofazate". O diod[ redresoare ideal[ arerezistenli zero in polarizare directi gi rezisten{i infiniti in polarizareinversd. Pentru exemplificare am ales dioda redresoare lN400l, careare urmdtorii parametrii de catalog [3]:Irnr1asr1,a : 1,15 A; Irev1,,r : 1 A; Vnnrra: 50V; Irruu: l0 A; Ipss: 30 A;Vp = 1,1 V; Inr1a:0,05 mA; ft:4,5 *s.

Unele diodele redresoare pot luera la curenti medii Qpnyl,a) de sute de amperi gi tensiuni inversemaxime (Vnnr.,J de mii de vol$. Un astfel de exemplu este dioda D355 N200 82000 care are [3J Is6yy:355A gi Vnru,r: 2000V.

b) Diode stabilizatoare de tensiune (T*ner)

Efectul stripungerii unei jonctiuni pn la o anumiti tensiune inversS, caracterizat de o cregere majoria curentului pentru o varia$e foarte mici a tensiunii, stii la baza realizErii diodelor stabilizatoare. Diodelestabilizatoare de tensiune se mai numesc ai diode Zerer. Utilizarea lor va fi prezentatd in capitolul rezfrrvatstabilizatoarelor electronice de tensiune.

DacI se nateazi: I2 : -In gi Vz = -Va, atunci

varia{iile tensiunii qi curentului in zona de stabilizare a

caracteristicii diodei Zenet sunt date de relafile:

LV7 =V^ *V^ qi

Nz=I^-1r. .

Vzru gi Vzm sunt tensiunile de pe caracteristica diodei Zener

corespunzltoare curenlilor lan respectiv I2.. Se poate

definii acum rezistenfa de stabilizare, r,:

(3.34)Fig. 3.12. Caracteristica unei diode Zener

3. tLin frg. ?*Peste prezentatii caracteristica unei diode Z,enet de tip PL3Y3Z,la care tensiunea de

stripungere este Ven - -Yz = - 3,3V. Paramehii de catalog ai acestui tip de diodi stabilizrtoare de tensiunesunt [3]: Yn:3,3 V; I21 : 100 mA; r"y: 10 f,l; avz: -6'104/nC; Ian: 285 mA; Pz: I W.

Fig. 3.11. Structura unei diodedifuzate.

AV,f -=*" Nz

t3

7I

Dispozitive electnonice

c) Diode de comuta{ie

Aceste diode se folosesc in circuite de eomutaf,e. in procesul de fabrica{ie se urmiregte ca raporhrlinhe rezistenp interni ?n polarizare inversi pi rezistenla interni in polarizare directi sI fie edt mai mare. De

asemenea, timpii de comuta{ie tr,ebuie si fie eit mai mici. O diodn de comutatie uzrlald este 1N4148(considerati ultrarapidi), cu urm[torii parametrii de catalog [3]: Vnnu: 100 Vi t.,:4 ns; Irev1,,r: 150 mA;I6y:2 A.

d) Diode varicap

in fig. 3.10b sa ilustrat capacitiifii de bmieri de tensiunea pe joncfiunea pn. Se observidin figura respectiv6 cI, ?n polarizare invers5" in regim dinamic, joncSunea pn poate fi considerati uncondensator a c6rui capacitate este controlatii ?n tensiune. Aceastii facilitate este utilizatii penfiu realizaradiodelor varicap, utilizate in circuite acordate, ce luereazi la fucvenle din domeniul radio. O aplicalio tipicno constituie selectoarele de eanale din televizoare, aeordul pe un post fic6ndu-se prin aplicarea unei tensiunide o anumiti valoare pe diodele varicap din selector. Parametrii pentru dioda varicap BBl39 sunt urmitorii

[3]: Vnu: 30 Vi capacitatea totali la Vn:25 V este C61: 4,3...6 pF; pentru Vn: 3 Vo C* :26...32 pF;Iruu: 0,05 pA pentruVp:28 V.

e) Diode tunel

Aceste diode, descoperite in anul 1958 de japonenrl Esaki, sunt fprmate dintr-o jonc{iune pn abruptd"puternic impurificat5" rwlizatb inh-un monoeristal de silicir4 germaniu sau galiu - arsen. Concentralia deimpuritiifi este de 10re - 102r cm'3. Caracteristica diodei trnel este in formd de n, avind s znndin polarizareadirectii ?n care prezintii rezistenp negativi. Marele avantaj al acestor diode este c5" la tensiuni directe miciele nu prezinti fenomenul de stocaxe a sarcinilor electrice (fenomen prezent la diodele obignuite) seea ceface ca frecvenp de lucru si fre foarte mare (gigahe4i). Timpi de somutarc al diodelor tunel sunt de ordinulnanoseeundelor. Rezisten{a diferen{iali negativd a diodei tunel permite utilizarea sa in oscilatoare,compensind pierderile in circuitul oscilant.

Alte tipuri de diode: diode Gunn, fotodiode (la care curentul prin shueturi depinde de iluminare),LED - wr (Light Emitting Diode - dioda electrolt'miniscentii).

l4

Joncfiunea pn

diodi semiconductoareo simbol standardizat

diodi semiconductoare, simbol nestandardizat

diodi varicap, simbol standardizat

diod6 tunel, simbol standardizat

diodd Zetrer, simbol standardizat

diodd Zener, simboluri nestandardizate

fotodiodA, simbol standardizat

diodn electroluminiscentii (LED),simbol standardizat

Fig. 3.13. Simbolur.ile diodelorio ng. 3.13 sunt ilustrate simbolurile diodelor uzuale [3J.

Aplicafia 3J

Pentru dioda D din fig. 3.14 se cunoagte curentul de saturalie Is: I pA gi coeficientul T = 1.Se cere:

a) Sd se determine curentul Ia qi tensiuneaV6;b) Sn se determine rezistenp intemi a diodei in punchrl statie de func$onare.

circuiQ:

Rezolvane

a) Pe circuitul din fig. 3.14 se poate scrie urmitoarea ecuafle (de

E = R. In +Vn.

Ecuaf;a de dispozitiv este:

E

10v

Ie=Io l"-bfift)-')Fig. 3. 14. Aplicalia 3.2.

Solutiile sistemului format din cele doui ecua$i se glsesc prin itera{ii succesive. Se atribuie uneiadin necunoscute (Vj o valoare estimatE" apoi se calculeazd eealaltii necunoscutJi (Ij. Valoarea pentru In setnlocuiege in prima ecualie gi se calculeaze VA. Iterafiile se continui p6nn cfurd diferen{a intre solufileultimilor doi pagi este sufieient de mici.

Dioda D este polarizati direct (catodul este la cel'mai sclzut poten{ial din circuiQ. Ca urmare, putemestima c[ Vn: 0.

Iterafia I

aD,Fq

--fl--+f-+lF--fl-+F--+t-

\-+F

u-+F-

to=+=19# =romA

15