30
Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare 71 3. Joncţiuni pn. Dioda semiconductoare 3.1 Procese fizice la joncţiunea pn Diodele semiconductoare sunt dispozitive electronice cu două terminale, care au în structura lor o joncţiune pn, o regiune de tip p şi una de tip n, realizate în aceeaşi reţea cristalină continuă, şi două contacte ohmice (terminale). Valoarea conductivităţii electrice depinde de sensul tensiunii aplicate: pentru sensul direct, care micşorează bariera energetică de echilibru, conductivitatea are o valoare ridicată, iar pentru sensul invers, care măreşte bariera energetică, conductivitatea devine redusă. Există multe tipuri de diode: redresoare, stabilizatoare, de detecţie, de comutaţie, VARACTOR, tunel, IMPATT, PIN, GUNN ş.a. În continuare se vor analiza procesele fizice din joncţiunea pn, modul de polarizare al acesteia, o serie de tipuri de diode cu aplicaţiile principale şi exemple concrete de dispozitive. La contactul dintre două solide cu nivele Fermi diferite, se formează o barieră energetică W b datorită difuziei purtătorilor de sarcină dintr-un mediu în altul. Se operează cu potenţialul de difuzie definit ca V b =W b /q. (La metale, acest potenţial se numeşte potenţial de contact şi este localizat pe un spaţiu foarte îngust la suprafaţa de contact). Se consideră un material semiconductor în care se realizează o regiune de tip n şi una de tip p. La suprafaţa de separaţie a celor două regiuni se formează o joncţiune pn caracterizată prin: lărgime, sarcină spaţială, câmp electric, potenţial de difuzie şi capacitate electrică. Joncţiunea pn este elementul de bază în majoritatea dispozitivelor electronice. Dacă prin dopare se realizează condiţia ca valorile concentraţiilor N A şi N D în cele două regiuni să fie constante iar variaţia acestora să aibă loc numai la suprafaţa de separaţie, joncţiunea se numeşte abruptă şi ideală. De obicei, în practică N A ≠ N D . În regiunile p şi n îndepărtate de joncţiune, concentraţiile purtătorilor de sarcină sunt determinate de dopare şi de temperatură (în regiunea p: p p n p şi p p N A , iar în regiunea n: n n p n şi n n N D ). Trecând de la o regiune la alta concentraţiile electronilor şi golurilor variază brusc. Purtătorii majoritari difuzează dintr-o regiune în cealaltă: golurile difuzează din regiunea p în regiunea n, iar electronii din regiunea n în regiunea p. Pe o porţiune din imediata vecinătate a suprafeţei de separaţie nu mai este satisfăcută condiţia de neutralitate electrică: în regiunea p apare o sarcină electrică negativă formată din ioni acceptori imobili, iar în regiunea n apare o sarcină spaţială pozitivă formată în principal din ionii donori imobili.

Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

71

3. Joncţiuni pn. Dioda semiconductoare

3.1 Procese fizice la joncţiunea pn

Diodele semiconductoare sunt dispozitive electronice cu două

terminale, care au în structura lor o joncţiune pn, o regiune de tip p şi una de

tip n, realizate în aceeaşi reţea cristalină continuă, şi două contacte ohmice

(terminale). Valoarea conductivităţii electrice depinde de sensul tensiunii

aplicate: pentru sensul direct, care micşorează bariera energetică de

echilibru, conductivitatea are o valoare ridicată, iar pentru sensul invers,

care măreşte bariera energetică, conductivitatea devine redusă. Există multe

tipuri de diode: redresoare, stabilizatoare, de detecţie, de comutaţie,

VARACTOR, tunel, IMPATT, PIN, GUNN ş.a.

În continuare se vor analiza procesele fizice din joncţiunea pn,

modul de polarizare al acesteia, o serie de tipuri de diode cu aplicaţiile

principale şi exemple concrete de dispozitive.

La contactul dintre două solide cu nivele Fermi diferite, se formează

o barieră energetică Wb datorită difuziei purtătorilor de sarcină dintr-un

mediu în altul. Se operează cu potenţialul de difuzie definit ca Vb=Wb/q.

(La metale, acest potenţial se numeşte potenţial de contact şi este localizat

pe un spaţiu foarte îngust la suprafaţa de contact).

Se consideră un material semiconductor în care se realizează o

regiune de tip n şi una de tip p. La suprafaţa de separaţie a celor două

regiuni se formează o joncţiune pn caracterizată prin: lărgime, sarcină

spaţială, câmp electric, potenţial de difuzie şi capacitate electrică. Joncţiunea

pn este elementul de bază în majoritatea dispozitivelor electronice. Dacă

prin dopare se realizează condiţia ca valorile concentraţiilor NA şi ND în cele

două regiuni să fie constante iar variaţia acestora să aibă loc numai la

suprafaţa de separaţie, joncţiunea se numeşte abruptă şi ideală. De obicei, în

practică NA ≠ ND. În regiunile p şi n îndepărtate de joncţiune, concentraţiile

purtătorilor de sarcină sunt determinate de dopare şi de temperatură (în

regiunea p: pp ≫ np şi pp ≃ NA, iar în regiunea n: nn ≫ pn şi nn ≃ ND). Trecând de la o regiune la alta concentraţiile electronilor şi golurilor variază

brusc. Purtătorii majoritari difuzează dintr-o regiune în cealaltă: golurile

difuzează din regiunea p în regiunea n, iar electronii din regiunea n în

regiunea p. Pe o porţiune din imediata vecinătate a suprafeţei de separaţie nu

mai este satisfăcută condiţia de neutralitate electrică: în regiunea p apare o

sarcină electrică negativă formată din ioni acceptori imobili, iar în regiunea

n apare o sarcină spaţială pozitivă formată în principal din ionii donori

imobili.

Page 2: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

72

Fig. 3.1 Prezentarea grafică a proceselor fizice în dioda semiconductoare cu

joncţiune pn.

Spaţiul în care se întinde sarcina spaţială se numeşte regiune de trecere şi

este definit longitudinal prin:

Page 3: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

73

000 nlll (3.1)

în care l0, lp0 şi ln0 au semnificaţiile din fig.3.1c. Prezenţa sarcinii spaţiale dă

naştere unui câmp electric E având sensul de la n la p. Acesta se opune

deplasării în continuare prin difuzie a purtătorilor majoritari dintr-o regiune

în alta. Existenţa câmpului electric duce la apariţia unui potenţial Vb numit

potenţial de barieră sau de difuzie. Prin acumularea unei sarcini electrice

regiunea de trecere prezintă o capacitate electrică. După realizarea

joncţiunii, în sistem se stabileşte echilibrul termodinamic caracterizat prin

aceea că nivelul Fermi are aceeaşi valoare în toate mediile ce compun

sistemul. Stabilirea echilibrului se face într-un timp foarte scurt în următorul

mod: deoarece nn ≫ np şi pp ≫ pn electronii din regiunea n vor trece în

regiunea p, iar golurile din regiunea p vor trece în regiunea n.

Fig. 3.2 Modelul benzilor energetice la dioda semiconductoare.

Ca urmare a acestei deplasări are loc egalizarea nivelelor Fermi

WFn=WFp şi formarea barierei energetice Wb. În afara regiunii de trecere

concentraţiile purtătorilor rămân neschimbate şi poziţiile nivelelor Fermi

Page 4: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

74

aceleaşi (faţă de Wv şi Wc). În regiunea de trecere, unde raportul

concentraţiilor se schimbă şi este prezentă sarcina spaţială distanţele dintre

nivelul Fermi şi limitele benzilor de conducţie şi valenţă variază. Valoarea

lui Wb poate fi determinată ca diferenţa dintre nivelele Fermi ale celor două

regiuni de semiconductor [5]:

(3.2)

Înlocuind Wg cu expresia sa din relaţia (2.23) se obţine:

(3.3)

22lnln

i

ADT

i

ADbb

n

NNV

n

NN

q

kT

q

WV (3.4)

Echilibrul termodinamic nu reprezintă o „stare îngheţată”. Un

anumit număr de purtători de sarcină circulă dintr-o regiune în cealaltă a

joncţiunii: deplasarea purtătorilor majoritari prin difuzie dă naştere

curenţilor de difuzie jnD şi jpD; deplasarea purtătorilor minoritari datorită

câmpului E dă naştere curenţilor de drift jnE şi jpE. Curenţii de difuzie şi de

drift sunt egali şi au sensuri opuse. Ţinând cont de relaţiile:

(3.5)

se pot deduce concentraţiile purtătorilor minoritari de o parte şi de alta a

joncţiunii din relaţia (3.4):

(3.6)

(3.7)

lnkTWWWW gFpFnb NcPv / NDNA

2i

ADb

n

NNln kTW

Ap

Dn

ppnn2i

Np

Nn

nppnn

T

b

T

b

V

V

n0p0

V

V

p0n0

enn

epp

Page 5: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

75

Indicele 0 arată că există stabilit echilibrul termodinamic. Se deduc relaţii

[4,5,7] pentru:

Lărgimea totală a regiunii de trecere la echilibru termodinamic.

(3.8)

DA

DAb

NqN

NNVl

20 (3.9)

3.2 Polarizarea joncţiunii pn

Lărgimea regiunii de trecere în funcţie de tensiunea aplicată din exterior.

(3.10)

a) La polarizări inverse (- pe regiunea p şi + pe regiunea n) are loc

mărirea barierei de potenţial:

(3.11)

şi a lărgimii regiunii de trecere. S-a notat Vj tensiunea rezultată la nivelul

joncţiunii, şi Vi tensiunea de polarizare inversă aplicată.

(3.12)

b) la polarizări directe (+ pe regiunea p şi – pe regiunea n) are loc

micşorarea barierei de potenţial:

(3.13)

şi reducerea regiunii de trecere:

(3.14)

21

ADD

b

21

DAA

bn0p00

/NN1qN

V2

/NN1qN

V2lll

iVVV bj

21

b

i0

V

V1ll

dbj VVV

21

b

dO

V

V1ll

2

1

b0

21

bDA

DA

V

V1lVV

NN

NN

q

2εl

Page 6: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

76

S-a notat cu Vd tensiunea de polarizare directă pe joncţiune.

3.3 Ecuaţia diodei ideale

Ecuaţia diodei ideale (ecuaţia Shockley) exprimă dependenţa dintre

curentul prin diodă şi tensiunea aplicată la bornele acesteia.

(3.15)

Expresia analitică a curentului prin diodă se deduce în baza unei serii

de ipoteze simplificatoare care sunt valabile şi în cazul majorităţii

structurilor reale :

1) joncţiunea este abruptă şi ideală;

2) tensiunea externă aplicată se regăseşte în principal la limitele regiunii de

trecere; în afara acestei regiuni câmpul electric este nul;

3) lărgimea regiunii de trecere este foarte mică în raport cu lungimile de

difuzie ale purtătorilor, astfel că în această regiune se pot neglija procesele

de generare-recombinare;

4) există nivele mici de injecţie, concentraţia purtătorilor minoritari fiind

mult mai mică decât cea a purtătorilor majoritari;

5) lărgimile regiunilor p şi n sunt mult mai mari decât lungimile de difuzie

Ln şi Lp , încât purtătorii minoritari în exces se recombină înainte de a

ajunge la contactele ohmice.

În regim staţionar, în orice secţiune a diodei, curentul este constant

fiind dat de suma curenţilor produşi de purtătorii majoritari şi de purtătorii

minoritari. Regiunea de trecere fiind foarte îngustă, dacă se neglijează

procesele de recombinare, curentul datorat unui tip de purtători rămâne

constant în limitele acestei regiuni. Este suficient să se determine

componentele de difuzie ale curenţilor de purtători minoritari în exces. După

efectuarea calculelor [4,5] se obţine descrierea curentului prin diodă (ecuaţia

Shockley):

(3.16)

unde VT = kT/ q = 0,025V.

(V) fI

S

VV

SV

V

S

I

eI1eIIT

F

T

pt. Vd > 0,1V

pt. Vi > 0,1V

Page 7: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

77

n

p0n

p

n0p

SSL

nD

L

pDSqjSI

unde VT = kT/ q = 0,025V, jS este densitatea de curent de saturaţie, S este

aria joncţiunii, IS este curentul de saturaţie prin joncţiune şi are valori

cuprinse în domeniul 10-16

– 10-12

A.

Caracteristica voltamperică a joncţiunii pn: I=f (V), este o

exponenţială în cazul polarizărilor directe şi o dreaptă aproximativ paralelă

cu abscisa în cazul polarizărilor inverse, până la o anumită valoare la care

survine străpungerea joncţiunii. În cataloage, la caracteristica diodei se

folosesc notaţiile: a) la polarizare directă tensiunea se noteaza cu VF

(Forward Voltage), curentul cu IF; b) la polarizare inversă tensiunea se

notează cu VR (Reverse Voltage), curentul cu IR.

Caracteristica statică experimentală diferă de cea ideală. La

polarizare directă rata de creştere a curentului în funcţie de tensiunea

aplicată este mai mică decât prevede teoria deoarece apar căderi de tensiune

pe regiunile p şi n. La polarizare inversă IS este mai mare decât cel calculat

teoretic deoarece în regiunea de trecere au loc fenomene de generare a

purtătorilor atât termic cât şi prin câmp electric; la creşterea lui IS contribuie

şi fenomenele de suprafaţă, precum şi impurităţile accidentale din

semiconductor.

0

Fig. 3.3 Caracteristica statică a unei joncţiuni pn.

Caracteristica de polarizare directă (I şi II) este definită prin tensiunea de

deschidere VF0 şi rezistenţa diferenţială rd definită prin relaţia:

(3.17) FQF

1

Fd VV

dV

dIr

Page 8: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

78

Punctul de coordonată VFQ, IQ se numeşte punct static de funcţionare

al diodei. Uneori se foloseşte şi mărimea numită conductanţă diferenţială a

diodei:

(3.18)

Tensiunea de deschidere VF0 depinde de tipul joncţiunii (vezi tabelul 3.1).

Tabelul 3.1

Tipul joncţiunii Germaniu Siliciu Metal- semiconductor

(Schottky)

Tensiunea de deschidere

(domeniu de variaţie) (V) 0,15÷0,3 0,5÷0,6 0,1÷0,3

Tensiunea de deschidere

(tipică) (V) 0,18 0,55 0,1

Caracteristica de polarizare inversă este definită printr-o valoare

extrem de redusă a curentului invers IR (Reverse curent) IR < 10μA, într-un

domeniu larg de tensiune (III). Acesta depinde de tipul diodei, la unele

tipuri: IR < 10nA. La atingerea unei valori critice a tensiunii inverse aplicate,

notate cu VRM numită tensiune inversă maximă, (Maximum Reverse

Voltage), curentul prin diodă creşte brusc datorită intrării în conducţie prin

multiplicare în avalanşă a purtătorilor. Funcţionarea sigură a diodelor

impune ca tensiunea inversă să nu atingă valoarea VRM. Secţiunea

transversală a unei diode uzuale este cuprinsă între 1mm2 şi 100mm

2;

densitatea de curent medie admisă la siliciu este de 1A/mm2.

3.4 Modele liniare pe porţiuni pentru diodele semiconductoare

Ţinând cont de forma ecuaţiei Shockley (3.15), funcţionarea diodei

semiconductoare în circuitele reale poate fi modelată în patru variante.

1. În cazul tensiunilor ridicate din circuitul de lucru al diodei, dacă se

neglijează căderea de tensiune pe diodă în conducţie directă şi curentul

invers, se obţine caracteristica din fig 3.4-1 a diodei ideale modelată de

relaţiile:

(3.19)

Dioda ideală se comportă ca un întrerupător comandat în tensiune,

dar cu conducţie unidirecţională.

1dd rg

VR < 0, IR =0

V = 0, IF >0

Page 9: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

79

2. În cazul tensiunilor reduse de lucru şi a curenţilor direcţi mici se ia în

consideraţie căderea de tensiune pe diodă, ca în fig. 3.4-2:

UR < 0, IR = 0

(3.20)

UF ≥ VFO, I > 0

3. În cazul tensiunilor reduse de lucru şi al curenţilor mai ridicaţi se ia în

model şi rezistenţa directă a diodei RD formată dintr-o parte constantă rm şi

din rezistenţa diferenţială a joncţiunii rd , fig. 3.4-3:

UR < 0, IR = 0 (3.21)

(3.22)

4. La tensiuni de polarizare inverse ridicate, modelul 3 se completează cu un

rezistor RINV conectat în paralel cu dioda ideală ca în fig. 3.4-4:

(3.23)

A K

0

I

V

IF

A K

0

I

V

IF

VF0

VF0

+ -

0

I

V

I

I

F

VF0

A K

VF0

+ -RD

RD

1

0

I

V

IF

VF0

A K

VF0

+ -RD

1RD

RINV

1RINV

R

1 2

3 4

Fig. 3.4 Modele liniare pe porţiuni pentru dioda semiconductoare

UF ≥ VFO, IF = D

FOF

R

VV

VR < 0, IR =INV

R

R

V

Page 10: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

80

Construcţia diodelor

Dioda reală este formată din structura semiconductoare închisă într-o

capsulă etanşă prevăzută cu terminale electrice. Partea activă a

dispozitivului o reprezintă structura semiconductoare în care s-a realizat

joncţiunea pn şi zonele superficiale puternic dopate p+ şi n

+ care asigură

contacte ohmice cu rezistenţă serie neglijabilă. Suprafeţele corespunzătoare

anodului şi catodului sunt metalizate, iar suprafaţa laterală a

semiconductorului este pasivată şi protejată cu dielectrici anorganici (Al2O3,

sticlă) sau organici (răşini poliamidice sau siliconice) care asigură

stabilitatea funcţionării prevenind contaminarea joncţiunii prin factori

externi şi evitând o conducţie "paralelă" cu joncţiunea prin mediu.

Structurile cu putere redusă se lipesc cu catodul sau cu anodul (mai

rar), pe capul metalic al capsulei (ambază), cu aliaje pe bază de plumb sau

mai rar prin alierea unor straturi adiacente. Celălalt electrod se lipeşte la un

terminal metalic izolat faţă de ambază de regulă pe capacul capsulei.

Capsula unei diode are câteva cerinţe impuse: să protejeze structura

semiconductoare faţă de mediu (umiditate, agenţi chimici corozivi) printr-o

etanşare perfectă; să asigure legătura electrică între joncţiune şi circuitul

extern; să evacueze căldura din joncţiune spre mediul extern; să fie

rezistentă mecanic la manevrele care se fac. În fig.3.5 se prezintă structura

mecanică a unei diode de putere medie.

Fig. 3.5 Constructia unei diode de putere medie in capsulă metalică

Page 11: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

81

Materialul semiconductor utilizat cel mai frecvent la realizarea diodelor este

siliciul. Ca tehnologii de obţinere a jonctiunilor pn în diode în prezent se

utilizează difuzia din stare solidă şi implantarea ionică (vezi cap. 7).

3.5 Dioda redresoare. Redresarea curentului alternativ

Pentru alimentarea cu curent a circuitelor electronice se foloseşte

tensiunea continuă. Reţeaua de transport şi distribuţie a energiei electrice în

România utilizează curentul alternativ cu tensiunea de 220V/380V şi

frecvenţa de 50Hz. (în unele state există alte tensiuni şi frecvenţe ale

reţelelor de distribuţie). Pentru aplicaţii în care este necesară o tensiune

continuă se folosesc redresoare care realizează conversia tensiunii

alternative în tensiune continuă.

În general un redresor are trei părţi principale:

transformatorul cu rolul de a modifica tensiunea reţelei pentru ca la

ieşirea redresorului să se obţină o anumită valoare a tensiunii redresate.

Raportul de transformare este n1: n2 = U1m: U2m ;

elementul redresor propriu-zis cu caracteristică neliniară şi conducţie

unidirecţională care realizează redresarea ;

filtrul de netezire care reduce pulsaţiile tensiunii redresate şi este

constituit de obicei din elemente pasive R, L, C. În unele aplicaţii redresorul

poate să nu fie prevăzut cu filtru de netezire (alimentarea unor servomotoare

de curent continuu, circuite de generare a impulsurilor ş.a.)

Parametrii care definesc un redresor sunt:

tensiunea medie redresată obţinută în sarcină: Us

curentul mediu redresat care strabate sarcina: Is

factorul de ondulaţie, definit ca:

(3.24)

unde Up este amplitudinea armonicii de frecvenţa cea mai joasă prezentă la

ieşire. O redresare de calitate presupune un factor de ondulaţie scăzut.

Randamentul de redresare, definit de relaţia:

(3.25)

s

p

U

C

U

P

Page 12: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

82

unde PU =USIS , este puterea utilă în sarcină, iar PC este puterea furnizată de

transformator în circuit.

Există în principal două tipuri de redresare: monoalternanţă şi

bialternanţă.

3.5.1 Redresor monoalternanţă

Schema redresorului monoalternanţă este dată în fig.3.6, şi constă

din: transformatorul de reţea Tr., dioda D şi rezistenţa de sarcină RS.

Tensiunea medie la bornele rezistenţei de sarcină este:

(3.26)

Fig. 3.6 Redresor monoalternanţă şi diagramele de funcţionare

unde U2M este amplitudinea tensiunii din secundarul transformatorului, ω

este pulsaţia acesteia, Rt este rezistenţa totală a diodei şi a secundarului

transformatorului de reţea. Dacă se neglijiează Rt se obţine:

(3.27)

tS

S

2T

0

2T

0

2M2M

tS

Smed

RR

R

π

UtsinU

RR

R

T

1u(t)dt

T

1U

dt

π

UU 2M

med

)π(R

U

R

UI

S

2M

S

medmed

tt RR

Page 13: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

83

Curentul maxim prin diodă va fi:

(3.28)

iar tensiunea inversă maximă pe diodă va fi:

(3.29)

Dacă se ia în consideraţie căderea de tensiune pe diodă de valoare

aproximativă constantă UD0, atunci tensiunea medie pe sarcină devine:

(3.30)

3.5.2 Redresor bialternanţă în punte

Schema redresorului bialternanţă în punte de diode este prezentată în

fig. 3.7. Pe durata alternanţei pozitive a tensiunii furnizate de

transformatorul de reţea diodele D1 şi D3 sunt polarizate direct şi conduc, în

timp ce diodele D2 şi D4 sunt blocate. Pe durata alternanţei negative diodele

D2 şi D4 conduc, iar diodele D1 şi D3 sunt blocate. Curentul IS prin rezistorul

de sarcină RS are tot timpul acelaşi sens.

Fig. 3.7 a- Schema redresorului bialternanţă în punte;

b- diagramele tensiunilor şi curenţilor.

Tensiunea medie la bornele rezistorului de sarcină este:

(3.31)

S

2Mmax

R

UI

2MRM UU

π

UUU D02M

S

tS

S2M2M

2T

0

2T

0 tS

Smed

RR

R

π

U2dtωtsinU

RR

R

T

2u(t)dt

T

2U

Page 14: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

84

unde Rt reprezintă suma dintre rezistenţele în conducţie ale perechilor de

diode D1, D3, respectiv D2, D4 şi a rezistenţei înfăşurării secundare a

transformatorului de reţea.

Dacă se neglijează Rt atunci:

(3.32)

Curentul mediu redresat este:

(3.33)

Curentul maxim prin diodele punţii este acelaşi ca la redresarea

monoalternanţă. Tensiunea inversă maximă pe o diodă va fi jumătate din

tensiunea din secundar (avem două diode în serie):

(3.34)

Dacă se ia în consideraţie căderea de tensiune pe o diodă şi se

consideră că aceasta are o valoare aproximativ constantă UD0 , atunci

tensiunea medie pe sarcină devine:

(3.35)

Forma semnalelor corespunzătoare redresării bialternantă cu punte

de diode este dată în fig. 3.7 b.

Redresorul bialternanţă cu priză mediană

Schema redresorului cu priză este dată în fig. 3.8. Pe durata

alternanţei pozitive a tensiunii de reţea conduce dioda D1, D2 fiind blocată,

iar pe durata alternanţei negative conduce D2, D1 fiind blocată.

π

2UU 2M

med

S

2M

S

Smed

πR

2U

R

UI

2

UU 2M

RM

π

2UUU DO2M

S

Page 15: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

85

Fig. 3.8 Schema redresorului bialternanţă cu priză mediană

Se poate arăta că relaţiile stabilite pentru tensiuni şi curenţi în cazul

redresării bialternanţă cu punte de diode sunt valabile şi aici ca de altfel şi

formele tensiunii şi ale curentului. Totuşi tensiunea inversă pe o diodă este

mai mare în cazul redresorului cu priză mediană decât în cazul redresorului

cu punte de diode.

În tabelul 3.2 se dau parametrii reprezentativi pentru fiecare din

redresoarele prezentate anterior, parametri utili în proiectare.

Tabelul 3.2 Compararea performanţelor diferitelor tipuri de

redresoare

Tipul redresorului Monoalternanţă Bialternanţă

cu priză

Bialternan

ţă

în punte

Eficienţa de conversie 0,406 0,812 0,812

Frecvenţa pulsaţiilor f 2f 2f

Tensiunea continuă de ieşire 0,318 U2 0,636 U2 0,636 U2

Coeficientul de pulsaţii 1,21 0,482 0,482

Tensiunea inversă pe o diodă 2U2 2U2 U2

Coef. de utilizare al transf. 0,287 0,693 0,812

3.5.3 Filtrarea curentului redresat

Filtrele de netezire sunt filtre trece jos care atenuează pulsaţiile ten -

siunii redresate, lăsând neschimbată componenta continuă. Se folosesc filtre

cu diferite structuri care conţin capacităţi, rezistenţe, inductanţe. Cele mai

folosite sunt filtrele capacitive.

Page 16: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

86

Redresorul cu filtru capacitiv.

În fig. 3.9 a, se prezintă schema redresorului monoalternanţă cu filtru

capacitiv (un condensator de capacitate mare conectat în paralel cu sarcina).

În fig. 3.9 b,c,d, se prezintă diagramele de funcţionare. Condensatorul

schimbă regimul de funcţionare al diodei. Aceasta va conduce în intervalul

θ1 – θ2, când dioda este polarizată direct. Atâta timp cât dioda conduce,

curentul care o străbate este egal cu suma dintre curentul de încărcare al

condensatorului şi curentul prin sarcină. Pe timpul cât dioda este blocată

condensatorul asigură curentul prin sarcină, cu alte cuvinte acesta se

descarcă prin rezistenţa de sarcină. Acest timp este egal cu T – (θ2 – θ1) pe

durata unei perioade (T) a tensiunii de reţea.

Fig. 3.9 a- redresor monoalternanţă cu filtru capacitiv; b- curba reală a

tensiunii de ieşire; c- curbele reale ale curenţilor iD; iC; iS; d- curba

idealizată a tensiunii de ieşire.

Pentru determinarea valorii medii Umed şi a factorului de pulsaţie γ se

presupune că în intervalul de timp cât dioda este blocată tensiunea US

Page 17: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

87

variază liniar în timp şi creşte brusc când tensiunea din secundar devine

maximă. În această situaţie tensiunea medie pe sarcină va fi:

(3.36)

unde Ur este amplitudinea variaţiei tensiunii pe sarcină, care se numeşte

tensiune de riplu, ea fiind dată de:

(3.37)

ΔQ reprezentând variaţia sarcinii condensatorului în intervalul [π/2 - 5π/2].

Deoarece tensiunea pe sarcină variază liniar în intervalul cât dioda nu

conduce cu amplitudinea Ur≪Umed curentul debitat de condensator se poate

considera constant şi egal cu Imed. În această situaţie tensiunea medie pe

sarcină devine:

(3.38)

Dacă se ia în consideraţie căderea de tensiune pe diodă şi se

aproximează că aceasta are o valoare constantă UD atunci tensiunea medie

pe sarcină devine:

(3.39)

Fenomenele sunt asemănătoare şi în cazul redresorului bialternanţă

cu filtru capacitiv. Diferenţele ce apar au drept cauză faptul că pulsaţia

tensiunii pulsatorii obţinute în cazul redresării bialternanţă este dublă şi prin

urmare timpul de descărcare al condensatorului pe rezistenţa de sarcină este

mai scurt. Pe timpul unei perioade a tensiunii de reţea condensatorul se

încarcă de două ori. Deasemenea căderea de tensiune pe diode este 2UD0

deoarece în serie cu sarcina există două diode.

În tabelul 3.3 se dau parametrii reprezentativi pentru redresoarele

monoalternanţă şi bialternanţă prevăzute cu filtru capacitiv.

2

UUU r

2Mmed

fC

I

C

TI

C

ΔQU medmed

r

C2fR

11

UU

S

2M

med

C2fR

11

UUU

S

DO2M

S

Page 18: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

88

Tabelul 3.3 Parametri reprezentativi pentru redresoarele monoalternanţă şi

bialternanţă

Tipul redresorului Mono-

alternanţa

Bialternanţă

cu priză

Bialternanţă în

punte

Puterea tipică a

transformatorului

1,73PS 1,48PS 1,24PS

Tensiune în secundar 0,95US 0,9US 0,9US

Tensiune inversă pe diodă 2,4US 2,25US 1,13US

Curentul mediu prin diodă 1,0IS 0,51IS 0,51IS

Curentul în secundarul transf. 2,1IS 1,1IS 1,57IS

Valoarea condensatorului

(mF)*

5Is/Ur 2Is/Ur 2Is/Ir

Tensiunea maximă pe

condensator

1,4US 1,41US 1,41US

Curentul max. la pornire

(C in mF)

0,7CUS 0,7CUS 0,7CUS

Frecvenţa riplului 50Hz 100Hz 100Hz

*Ur reprezintă amplitudinea maximă a riplului adică a tensiunii alternative

pe sarcină.

3.6 Dioda stabilizatoare de tensiune (zener)

Pentru menţinerea funcţionării aparaturii electronice la parametrii

impuşi una din condiţiile necesare este asigurarea unor tensiuni de

alimentare constante. Diodele stabilizatoare de tensiune care se mai numesc

şi diode zener sunt utilizate la realizarea unor stabilizatoare parametrice

bazate pe faptul că tensiunea la bornele diodei prezintă la o anumită

tensiune de polarizare inversă variaţii foarte mici faţă de variaţia curentului

care o străbate.

Dioda stabilizatoare este constituită dintr-o joncţiune pn la care

concentraţiile impurităţilor în regiunile n şi p sunt mai mici ca la dioda

redresoare dar cu condiţiile: ND≤Nc şi NA≤Pv. La aplicarea unor tensiuni

inverse are loc fenomenul de străpungere electrică (fenomen reversibil dacă

nu provoacă prin încălzire distrugerea structurii) caracterizat printr-o

creştere rapidă a curentului invers. Acest fenomen este provocat de trei

cauze concurente: instabilitatea termică, efectul tunel interbenzi,

multiplicarea în avalanşă a purtătorilor minoritari. Analiza făcută asupra

ponderii acestor mecanisme arată că cel mai important este procesul de

Page 19: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

89

multiplicare în avalanşă, când la tensiuni ridicate în regiunea de trecere

există un câmp electric intens şi purtătorii minoritari acumulează energii

mari şi în urma ciocnirilor cu atomii reţelei se generează perechi electron-

gol care la rândul lor provoacă noi ionizări de impact. Apare astfel o creştere

importantă a curentului invers prin joncţiune fapt care descrie fenomenul de

străpungere electrică a joncţiunii. În fig. 3.10 este prezentată caracteristica

statică a unei diode zener. Curentul invers este neglijabil şi egal cu curentul

IS al joncţiunii pentru tensiuni negative mai mici în valoare absolută ca

valoarea tensiunii de străpungere. După atingerea tensiunii de străpungere,

curentul Iz creşte puternic, iar între valorile Vzm şi VzM evoluează în

domeniul Izm şi respectiv IzM. În circuit trebuie introdusă o rezistenţă de

limitare R1 care să împiedice intrarea în regiunea de disipaţie depăşită

evidenţiată de hiperbola de maximă disipaţie: Pdmax=IZVZ.

Fig. 3.10 Caracteristica statică a unei diode zener

Mărimi importante în funcţionarea şi utilizarea diodelor zener

A. Coeficientul de temperatură, αvz

Diodele zener prezintă o dispersie tehnologică a valorii tensiunii

stabilizate Vz, care este garantată la temperatura ambiantă de referinţă

(Tamb=25°C). Pentru calculul tensiunii stabilizate la o temperatură diferită se

utilizează relaţia:

ambvzambzz TTTVTV 1

Page 20: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

90

unde:

11

K

dT

dV

V ctIz

z

z

vz

αvz are valori negative pentru diodele cu Vz ≤ 5,5÷6V şi valori pozitive

pentru diodele cu Vz>6V. Schimbarea de semn se datorează trecerii de la

străpungerea prin efect zener la străpungerea prin multiplicare în avalanşă.

Coeficientul de temperatură este minim la diodele cu Vz ≈ 5÷6V. Pentru a se

realiza o stabilitate ridicată a unor tensiuni de referinţă se realizează

dispozitive cu compensare termică care conţin diode zener înseriate cu

diode redresoare care îşi compensează reciproc coeficienţii de temperatură.

B. Rezistenţa diferenţială pe caracteristica de stabilizare, rz

În cazul general rezistenţa diferenţială, rz are două componente:

rezistenţa diferenţială pentru condiţii izoterme rzj şi rezistenţa diferenţială

termică rzth:

zctI

z

ctTz

z

z

zz

dI

dT

T

V

I

V

dI

dVr

z

zthzjz rrr

Dacă variaţia curentului prin dioda zener este rapidă, încât temperatura nu o

poate urmări atunci rezistenţa totală va fi egală cu rzj. Acesta este cazul

valorilor indicate de producători pentru rz deoarece măsurătorile se fac la

frecvenţa de 1KHz. În general, cu creşterea curentului rzj scade , deoarece se

manifestă mai ales străpungerea prin multiplicare în avalanşă.

C. Zgomotul diodelor zener

În funcţionare diodele zener generează zgomot datorită caracterului

statistic al fenomenului de străpungere şi formarea microplasmelor. Cu

creşterea curentului prin diodă tensiunea echivalentă de zgomot prezintă

maxime şi minime în funcţie de numărul de puncte în care apare

străpungerea. Cel mai mare zgomot este generat în zona de "cot" a

caracteristicii. Pentru a reduce zgomotul se cuplează în paralel cu dioda

zener un condensator de cca. 100nF care are rol de filtru trece jos.

Page 21: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

91

3.6.1 Stabilizator parametric de tensiune cu dioda zener

În fig. 3.11 a se prezintă schema electrică a unui stabilizator

parametric de tensiune cu diodă zener. Elementele acesteia sunt: sursa de

tensiune care alimentează montajul, modelată de sursa de tensiune ideală E

şi rezistorul r1 care reprezintă rezistenţa internă a sursei reale, rezistorul " de

balast" R1,care cuplează alimentarea sursei reale la dioda zener în polarizare

inversă şi rezistorul de sarcină RS.

Funcţionarea este următoarea: sursa de intrare trebuie să asigure un

asemenea curent prin dioda zener şi sarcină încât punctul de funcţionare al

diodei să fie situat în regiunea liniară a caracteristicii. Astfel tensiunea pe

sarcină va avea valoarea Vz (între Vzm şi VzM). Dacă tensiunea de intrare

variază în limitele admise în proiectarea schemei datorită căderii de tensiune

variabilă pe rezistorul R1, tensiunea la bornele sarcinii rămâne constantă.

Stabilizarea tensiunii pe sarcină are loc şi pentru un anumit domeniu de

valori ale rezistenţei acesteia.

A B

Fig. 3.11 Stabilizator de tensiune parametric cu diodă zener:

A- schema electrică, B- schema echivalentă

Pentru a determina elementele unui astfel de stabilizator se trece la

schema echivalentă din fig. 3.11. Dioda zener se înlocuieşte cu o sursă de

tensiune ideală Uz în serie cu o rezistenţă care modelează rezistenţa

diferenţială a diodei. Rezistenţa internă a sursei de alimentare se neglijează

deoarece are valori sub 0,1Ω, în timp ce R1 are valori peste 100Ω. R include

r şi R1.

Scriind ecuaţiile lui Kirchhoff pentru circuit se obţine sistemul:

E – Uz = IR + IzRd

Uz = -IzRd + ISRS (3.44)

I = Iz + IS

+

+

-

-

E US

IZ

I IS

RS

R

Rd

a

b

UZ

+

-

E U US

DZ

Iz

I IS

RS

R

r

a

b

anod

catod

Page 22: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

92

Rezolvând acest sistem în raport cu R se obţine:

1

(3.45)

Pentru ca circuitul să stabilizeze valoarea lui R trebuie astfel aleasă încât

punctul de funcţionare al diodei să nu iasă de pe caracteristica de stabilizare,

adică să varieze între IzM şi Izm. Curentul prin diodă va avea valoarea

maximă IzM atunci când:

(3.46)

Impunând condiţiile (3.46) în expresia (3.45) se obţine:

(3.47)

Curentul prin dioda nu trebuie să fie mai mic ca Izm pentru cazul

extrem în care:

(3.48)

Condiţiile (3.48) introduse în relaţia (3.47) conduc la:

(3.49)

Rezistenţa R trebuie să satisfacă condiţia:

(3.50)

Scriind sistemul de ecuaţii (3.44) şi explicitând US se găseşte expresia

tensiunii de ieşire:

(3.51)

S

z

S

dz

zdz

R

U

R

R1I

IRUER

E = EM ; RS = RSM; IS = Im

SM

z

SM

dzM

zMdzMm

R

U

R

R11

IRUER

E = Em ; RS = RSm; IS = IM

Sm

z

Sm

dzm

zmdzmM

R

U

R

R1I

IRUER

Rm < R < RM

S

d

d

z

dd

d

S IRR

RRU

RR

RE

RR

RU

Page 23: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

93

Coeficientul de stabilizare este:

(3.52)

deoarece R≫Rd.

Rezistenţa internă a stabilizatorului este:

(3.53)

Dependenţa de temperatură a tensiunii de ieşire US este exprimată

prin coeficientul de temperatură al stabilizatorului, K0, determinat în special

de coeficientul de temperatură al diodei zener:

(3.54)

Coeficientul de temperatură al diodelor zener depine de tensiunea

nominală şi de punctul de funcţionare. O micşorare a dependenţei

coeficientului de temperatură al stabilizatorului de curentul prin diodă se

poate face prin conectarea în serie cu dioda zener a unei diode polarizate

direct având un coeficient de temperatură opus diodei zener.

3.6.2 Aplicaţii speciale ale diodelor zener

A. Obţinerea referinţelor de tensiune cu diode de referinţă

Aceste diode sunt diode zener compensate cu temperatura. În

general diodele zener au un coeficient de temperatură negativ sau pozitiv,

variabil cu temperatura. Pentru a realiza o diodă de referinţă se înseriază cu

dioda zener joncţiuni pn polarizate direct care îi compensează coeficientul

pozitiv de temperatură. Obţinerea unei stabilităţi termice ridicate a diodei de

referinţă este asigurată de menţinerea unui curent constant prin diodă, lucru

care se obţine prin folosirea unei surse de curent constant. De regulă diodele

de referinţă au tensiuni cuprinse între 6,2V şi 9V. În fig. 3.12 se prezintă

variaţia tensiunii stabilizate în funcţie de curent şi temperatură pentru dioda

1N935.

dU

RR

R

θ

UK z

d

ctES

θ

dd

d

ct.I

S0

R

R

R

RR

E

U

1S

2

d

d

dctE

S

Si R

RR

RR

I

UR

Page 24: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

94

Fig. 3.12 Dependenţa tensiunii stabilizate în funcţie de temperatură pentru

dioda 1N935

Caracteristicile de stabilitate ale unei diode tipice cum este MZ605

sunt: tensiunea zener, Uz=6,2V∓5%; curent zener Iz=7,5mA; variaţia

maximă a tensiunii zener ΔUz= 2,5mV; temperatura de lucru = -25°C ÷

+100°C; variaţia în timp a tensiunii stabilizate: 30μV/1000h.

Diodele de referinţă sunt utilizate în surse de tensiune şi curent, în sisteme

de conversie analog-numerică, în sisteme de automatizare şi control ş.a.

B. Protecţia circuitelor electronice la supratensiuni de alimentare

Se utilizează când durata supratensiunii este mică astfel încât dioda

zener să poată prelua şocul fără a se distruge termic. În fig. 3.13 se prezintă

configuraţia unui circuit de protecţie de acest tip. Dimensionarea

elementelor se face ţinând cont de valoarea estimata a supracurentului ce

poate apărea.

Fig. 3.13 Circuit de protecţie la supratensiune, cu diodă zener

Pentru creşterea puterii absorbite se pot folosi diode zener de putere

ridicată sau conectarea în paralel a acestora. De regulă se presupune că

supratensiunea apare singular cu o constantă de timp mare. Pentru a proteja

circuitul electronic în cazul unor supratensiuni de durată mare se utilizează o

combinaţie diodă zener - siguranţă fuzibilă, ca în fig. 3.14.

Page 25: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

95

Fig. 3.14 Circuit de protecţie la supratensiune cu

diodă zener şi siguranţă fuzibilă.

Presupunând că dioda DZ nu ar fi conectată, dacă la un moment dat

tensiunea furnizată de sursă creşte nepermis, curentul prin rezistorul R va

creşte determinând topirea fuzibilului F, dar după un timp mai lung necesar

încălzirii acestuia. Conectând dioda zener DZ, aceasta nu permite creşterea

tensiunii la bornele sarcinii (RC) peste valoarea ei de strapungere şi

determină topirea fuzibilului printr-un curent suplimentar pe care îl poate

prelua. În fig. 3.15 se prezintă variaţia tensiunii pe sarcină în cazul

conectării diodei zener de protecţie.

Fig. 3.15 Variaţia tensiunii pe sarcină cu protecţie.

Rezistorul RS are valoare mult mai mică ca R şi are rolul de a limita

curentul prin dioda zener la intrarea acestuia în conducţie la o valoare care

să nu ducă la străpungerea termică a acesteia.

C. Protecţia instrumentelor de măsură

Dioda zener poate fi utilizată la protecţia instrumentelor sensibile de

măsură, foarte vulnerabile la supracurenţi. În fig. 3.16 se prezintă modul de

protecţie a unui instrument de măsură analogic.

Page 26: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

96

Fig. 3.16 Circuit de protecţie cu diodă zener

pentru instrument de măsură.

D. Protecţia tranzistoarelor şi a circuitelor integrate

În capitolul următor se va vedea că la tranzistoarele cu efect de câmp

apariţia unor tensiuni electrostatice ce depăşesc anumite valori pot conduce

la deteriorarea lor. Pentru a preveni acest lucru se conectează între terminale

diode zener care limitează convenabil valorile de lucru.

La circuitele integrate, deasemenea aplicarea unor tensiuni mari în

intrare pot conduce la distrugerea structurii. În fig. 3.17 se prezintă o

configuraţie de protecţie cu diode zener pentru un circuit integrat utilizat ca

amplificator diferenţial.

Fig. 3.17 Limitarea tensiunii diferenţiale de

intrare la un amplificator integrat

E. Limitatoare şi formatoare de semnal cu dioda zener

Caracteristica neliniară a diodei zener permite crearea unor circuite

formatoare simple. În fig. 3.18 se prezintă un circuit formator de semnal

dreptunghiular.

Page 27: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

97

Fig. 3.18 Formator de semnal dreptunghiular cu diode zener.

Pentru a asigura simetria tensiunii de ieşire trebuie sortate diode cu

aceeaşi tensiune zener. Semnalul este dreptunghiular dacă tensiunea

sinusoidală aplicată la intrare are o amplitudine mare în raport cu Uz. Dacă

amplitudinea este mai redusă se obţine un semnal trapezoidal.

F. Indicator de nivele de tensiune cu diode zener

Folosind diode zener cu valori diferite se pot separa nivelele de

tensiune care apar într-un circuit. Se pot crea testere pentru nivele logice sau

VU-metre pentru aparatura de sonorizare audio. În fig. 3.19 se prezintă

schema unui indicator de nivele cu diode LED.

Fig. 3.19 Indicator pentru nivele de tensiune cu diode zener.

Dacă diodele zener DZ1 ...... DZn au tensiuni de deschidere alese

convenabil în sens crescător ledurile LED1 ..... LEDn vor lumina gradat, în

funcţie de nivelul tensiunii aplicate la intrare, Vin.

Page 28: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

98

3.6.3 Dioda cu capacitate variabilă VARACTOR

Acestă diodă foloseşte proprietatea joncţiunii pn de a se comporta la

polarizare inversă ca o capacitate dependentă de tensiunea aplicată. Legea

de variaţie a capacităţii cu tensiunea aplicată joncţiunii depinde de modul în

care variază concentraţia de dopare în regiunea de trecere.

De obicei expresia capacităţii este dată de :

21

1

b

bob

V

V

CC (3.55)

unde, Cbo este capacitatea la polarizare nulă.

Capacitatea de barieră creşte la polarizări directe şi scade la

polarizări inverse. În fig. 3.20 se prezintă caracteristica capacitate-tensiune

pentru dioda BB121. Dioda VARACTOR lucrează numai la tensiuni de

polarizare inverse deoarece factorul de pierderi trebuie să fie cât mai redus,

lucru care nu este posibil la polarizări directe când apare un curent direct

prin diodă.

Fig. 3.20 Dependenţa capacitate-tensiune inversă la dioda BB121

Page 29: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

Capitolul 3 Joncţiuni pn.Diode semiconductoare

99

În fig. 3.21 sunt: a- schema echivalentă a diodei VARACTOR b-

simbolul diodei. Utilizarea capacităţii de barieră a joncţiunii pn la acordul

circuitelor oscilante a fost realizată de Bell Laboratoires în 1961.

Fig. 3.21 a- Schema echivalentă a diodei VARACTOR, b- Simbolul diodei

VARACTOR

Capacitatea Ct este elementul esenţial al diodei. Obţinerea unui raport

Ctmax/Ctmin cât mai mare, necesită o plajă extinsă pentru tensiunea de

polarizare. De obicei acest raport este cuprins între 4 şi 20.

Rezistenţa serie rs este suma rezistenţelor parazite de contact şi a

siliciului din afara joncţiunii. Creşterea tensiunii inverse de polarizare duce

la scăderea rezistenţei serie prin extinderea regiunii de trecere. Valoarea

rezistenţei rs este de 0,5÷1Ω şi se măsoară la înaltă frecvenţă cu ajutorul

unor punţi speciale.

Factorul de calitate:

strCQ

1 ( 3.56)

creşte la o frecvenţă dată cu tensiunea de polarizare inversă.

Inductanţa serie, Ls este datorată terminalelor diodei şi este de ordinul a

2,5nH la capsula DO-35.

Inductanţa serie şi capacitatea totală conectată în serie determină o

frecvenţă de rezonanţă:

st LCf

2

10 (3.57)

Page 30: Jonctiunea pn. Dioda semiconductoare

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE SI CIRCUITE ELECTRONICE (I)

100

Frecvenţa de rezonanţă proprie diodei VARACTOR are valori tipice

de circa 1,4÷2 GHz.

În fig. 3.22 se indică un mod de utilizare al diodei VARACTOR într-

un circuit oscilant acordabil. Avantajul deosebit este că se poate modifica

capacitatea prin intermediul unei tensiuni continue. Funcţionarea montajului

este următoarea: în paralel cu circuitul oscilant format din bobină şi

condensatorul C1 se conectează dioda VARACTOR Ct , în serie cu

condensatorul C2, de capacitate mult mai mare decît cea a diodei; prin

rezistorul R1 se aplică diodei o tensiune de polarizare inversă care îi

modifică controlat capacitatea. Valoarea rezistorului R1 este de cca.1M

acesta avînd şi rolul de separare al circuitului oscilant faţă de sursa de

alimentare (aceasta ar putea şunta circuitul oscilant). Prin modificarea

tensiunii sursei de polarizare se modifică continuu frecvenţa de oscilaţie.

Acest tip de montaj permite şi realizarea unor circuite de acord

automat al circuitelor oscilante, caz în care se face compararea frecvenţei

reale cu frecvenţa dorită şi se aplică o tensiune de reacţie diodei

VARACTOR pentru a menţine mereu circuitul oscilant pe această

frecvenţă. Există numeroase aplicaţii ale acestui mecanism de stabilizare al

frecvenţei în receptoarele radio şi TV şi în echipamentele de comunicaţie.

Fig. 3.22 Acordul unui circuit oscilant cu dioda VARACTOR

Dioda VARACTOR se mai utilizează în amplificatoare parametrice,

la generarea de armonici la frecvenţe foarte înalte şi în amplificatoare cu

modulare-demodulare.