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

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Presentazione sul tema: "Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-1 anodo catodo."— Transcript della presentazione:

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

2 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-2 potenziale di built-in ASSENZA DI POLARIZZAZIONE p n (densità di carica) x NDND -N A -W p WnWn WnWn E (campo elettrico) x x V (potenziale) V bi NANA NDND N D Wn = N A Wp

3 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-3 Giunzione p-n in polarizzazione inversa: il potenziale applicato dallesterno (V) si somma al potenziale interno di built-in (V o ) (infatti il campo elettrico interno è concorde con quello applicato dallesterno) La barriera di potenziale interna diventa: V o +V nel dispositivo non circola corrente Giunzione p-n in polarizzazione diretta: il potenziale applicato dallesterno (V) si sottrae al potenziale interno di built-in (V o ) (infatti i campi elettrici non sono concordi) La barriera di potenziale interna diventa: V o -V nel dispositivo circola corrente

4 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-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 I pn di lacune minoritarie nel lato n e ad una corrente I np 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<

5 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-5 CORRENTE IN UN DIODO P-N IN POLARIZZAZIONE DIRETTA J. Millman - C.C. Halkias Microelettronica Ed. Boringhieri pn V anodo catodo

6 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-6 CORRENTE IN UN DIODO P-N IN POLARIZZAZIONE DIRETTA La corrente totale I T (x) è costate attraverso il diodo e quindi può essere calcolata ovunque. In particolare, in x = 0 + si ha:

7 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-7 Poiché: ed anche: allora:

8 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-8 Data una giunzione p-n operante in regime di bassi livelli di iniezione, in qualsiasi punto x è sempre verificata la relazione: (legge della giunzione) In particolare, allora: ed anche:

9 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-9 ed anche: in cui: (Equazione del diodo ideale)

10 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-10 Leq. 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.

11 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-11 Si definisce tensione di soglia quella tensione V tale che: V,Ge 0.2 V V,Si 0.6 V V,GaAs 1.1 V J. Millman - C.C. Halkias Microelettronica Ed. Boringhieri

12 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-12 Poiché n i è funzione della temperatura, la corrente di saturazione inversa aumenta con con T: Per mantenere costante la corrente attraverso un diodo in Si al variare della temperatura occorre ridurre la tensione applicata secondo la relazione: è detto fattore di idealità del diodo Più in generale la corrente in un diodo vale:

13 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-13 CARATTERISTICA LINEARE A TRATTI DEL DIODO Il dispositivo è un circuito aperto per V < V : Il dispositivo è una resistenza di valore R f per V > V :

14 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-14 CAPACITA DI GIUNZIONE 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: con W

15 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-15 diodi VARICAP o VARACTOR

16 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-16 MODELLO A CONTROLLO DI CARICA DEL DIODO Si suppone: N A >>N D La carica Q dei portatori in eccesso è data da: J. Millman - C.C. Halkias Microelettronica Ed. Boringhieri (polarizzazione diretta)

17 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-17 Ricordando che: si ottiene: La corrente in un diodo è proporzionale allaccumulo di portatori minoritari in eccesso. Laccumulo di portatori minoritari determina la nascita di unaltra capacità, detta capacità di diffusione, C D. In polarizzazione diretta: C D >> C J, in polarizzazione inversa: C D << C J

18 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-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 < V Z < 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 ( V Z > 6 V)

19 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-19

20 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-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

21 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-21 Fig. 3.3 (a) Rectifier circuit. (b) Input waveform. (c) Equivalent circuit when (d) Equivalent circuit when v 1 0 (e) Output waveform

22 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-22 Fig Graphical analysis of the circuit in Fig

23 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-23 Fig Approximating the diode forward characteristic with two straight lines. 27

24 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-24 Fig Piecewise-linear model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation. 28 =

25 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-25 Fig 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

26 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-26 Fig The constant-voltage-drop model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation. 30 =

27 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-27 SIMBOLOGIA A V A, v A, v a I A, i A, i a v A = tensione totale V A = componente fissa (DC) della tensione v a = componente variabile (di segnale o AC) della tensione i A = corrente totale I A = componente fissa (DC) della corrente i a = componente variabile (di segnale o AC) della corrente 31-I

28 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-28 Fig Development of the diode small-signal model. Note that the numerical values shown are for a diode with n = 2. 31

29 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B II In assenza di segnale variabile v d (t) si ha: In presenza del segnale variabile v d (t) si ha: Se v d (t) << n V T : nota come approssimazione a piccolo segnale resistenza differenziale del diodo valutata alla corrente I D

30 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B III Nellapprossimazione a piccolo segnale, la caratteristica del diodo è sostituita, nellintorno del punto di funzionamento, dalla retta tangente: che è la caratteristica del bipolo: Dal circuito si ottiene: e cioè la componente continua della tensione sul diodo può essere calcolata da: mentre la componente variabile può essere calcolata da:

31 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-31 In sostanza, per il calcolo della componente continua ci si può servire del circuito: Infatti in questo circuito: Dove però occorrerebbe conoscere r d. Pertanto nella maggioranza dei casi si adotta lapprossimazione: Invece per il calcolo della componente variabile ci si serve del circuito: in cui infatti: con:

32 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-32 Fig The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail

33 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-33 Fig Model for the zener diode. 36

34 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-34 Fig Block diagram of a dc power supply. 37

35 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-35 Fig (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 r D R. 38

36 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-36 Fig The bridge rectifier: (a) circuit and (b) input and output waveforms. 40

37 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-37 Fig Voltage and current waveforms in the peak rectifier circuit with CR T. The diode is assumed ideal. 41

38 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B II Vr CALCOLO DELLINTERVALLO DI CONDUZIONE DEL DIODO Il diodo comincia a condurre allistante –t c e si spegne in t=0. –t c è listante in cui: Quindi t c è piccolo se si richiede un ripple piccolo

39 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B III

40 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B IV CALCOLO DELLA CORRENTE MEDIA NEL DIODO NELLINTERVALLO DI CONDUZIONE

41 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-41 Uso di diodi Zener per la stabilizzazione della tensione sul carico Obiettivo: rendere Vo indipendente da v s (variazioni della tensione di alimentazione) e da R L (variazioni del carico) Per lo studio della dipendenza da R L, esaminando il circuito per le componenti DC si ottiene: Del diodo Zener sono note r z e V z Se si sceglie R<

42 Elettronica I - A.A. 2002/2003 Ele-B-42 Uso di diodi Zener per la stabilizzazione della tensione sul carico (2) Per lo studio della dipendenza da v s, esaminando il circuito per le componenti AC si ottiene: Del diodo Zener sono note r z e V z Se si sceglie R>>r z, v o tenderà ad annullarsi. in quanto r z è in genere molto piccola (alcuni ) Come regola di massima, conviene scegliere R in modo tale che I Z 10 I RL


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